Flexibles Trennen von Zellkontaktierungen in Lithium-Ionen-Batteriemodulen - Ein Beitrag zur automatisierten und flexiblen Demontage von Traktionsbatterien

Die Demontage von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien im Sinne des effizienten Recyclings und Remanufacturings kann nur mit Anlagentechnologien mit einem möglichst hohen Automatisierungsgrad erfolgen. Der Variantenreichtum der Traktionsbatterien setzt hingegen eine flexible Demontagelösung voraus. Die vorliegende Dissertation soll einen Beitrag für eine flexible und automatisierte Demontage dieser Batterien leisten. Im Fokus steht das flexible Trennen der Zellkontaktierungen an verformungsbehafteten Batteriemodulen mit prismatischen Zellen. Das damit verbundene Spannungsfeld, bestehend aus Gefahren durch Lithium-Ionen-Batteriezellen in Kombination mit (teil)zerstörenden Trennverfahren, Variantenvielfalt sowie geometrische Verformungen, wird in der Arbeit thematisiert. ... mehr
Das Ergebnis der Arbeit stellt eine digitale Prozesskette dar, welche, ausgehend von einer CAD-Datei sowie 3D-Kameraaufnahmen, ohne Benutzerinteraktionen einen Steuerungscode für das automatisierte Trennen der Zellkontaktierungen durch einen Fräsprozess in einer gegebenen flexiblen Demontageanlage generiert.
Zunächst wurden in der Anforderungsanalyse das Produkt und das Trennproblem näher betrachtet und Randbedingungen definiert. Dies stellt die Grundlage für die Anforderungsdefinition an das Demontagesystem inklusive der Teilsysteme dar. Weiterhin wurde für die kamerabasierte Verformungserfassung eine Machine Vision Pipeline erarbeitet und erfolgreich an zwei verschiedenen Batteriemodulen erprobt. Zudem konnte der Fräsprozess durch die Wahl eines passenden Fräswerkzeugs sowie eines prozesssicheren Parameterfensters qualifiziert werden. Die Wechselbeziehung zwischen Prozess und Produkt sowie Prozess und eingesetzter Kinematik (6-Achs-Knickarmroboter) wurde erfolgreich abgesichert. Hierbei konnten keine kritischen Interaktionen festgestellt werden. Für eine aufwandsarme Anlagenprogrammierung bei neuen Produktvarianten wurde ein Ansatz erarbeitet, der automatisiert aus CAD-Daten Stützstellen für Fräsbahnen extrahieren kann. Auf Basis der Stützstellen und der ermittelten Prozessparameter kann anschließend eine optimierte Trajektorienplanung und Steuerungscodegenerierung erfolgen. Die Validierungsversuche konnten die Funktionsfähigkeit der gesamten digitalen Prozesskette, die Kompensation geometrischer Verformungen, die Prozesssicherheit sowie die Produktflexibilität nachweisen. Eingesetzte Optimierungsverfahren konnten die Gesamtprozessdauer reduzieren.

The disassembly of lithium-ion traction batteries for the purposes of efficient recycling and remanufacturing can only be carried out using system technologies with the highest possible degree of automation. However, the wide variety of traction batteries requires a flexible disassembly solution. This dissertation is supposed to contribute to a flexible and automated disassembly of these batteries. The focus is the flexible cutting of the cell contacting on battery modules with prismatic cells that are affected by deformation. This work addresses the complex field of tension arising from the hazards of lithium-ion battery cells in combination with (partially) destructive cutting processes, the wide range of variants, and geometric deformations.
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The result of the work is a digital process chain that, starting from a CAD file and 3D camera captures, generates a control code for the automated cutting of the cell contacting by a milling process in a given flexible disassembly system without user interaction.
First, the product and the cutting problem were analyzed in more detail and boundary conditions were defined. This forms the basis for defining the requirements for the disassembly system, including the subsystems. Furthermore, a machine vision pipeline was designed for camera-based deformation measurement and successfully tested on two different battery modules. In addition, the milling process was qualified by selecting a suitable milling tool and a process-reliable parameter window. The interactions between the process and the product and between the process and the kinematics used (6-axis articulated robot) were successfully verified. No critical interactions were detected. An approach has been developed to automatically extract path points for milling paths from CAD data to enable low-effort system programming for new product variants. Optimized trajectory planning and control code generation can then be performed based on the path points and identified process parameters. The validation tests were able to demonstrate the functionality of the entire digital process chain, the compensation of geometric deformations, the process reliability and the product flexibility. The optimization methods used were able to reduce the overall process time.