Energierückspeisungs-Formierungs- und Klassifizierungssystem für Batterien | TOB-EF256-6G

TOB-EF256-6G Energie-Feedback-Automatik-Formierungs- und Sortiersystem für Pouch-Zellen

Produktübersicht und ideale Anwendungen

Das TOB-EF256-6G ist ein automatisches Formierungs- und Sortiersystem, das speziell für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Pouch-Zellen entwickelt wurde. Es kombiniert 256 unabhängige Testkanäle – jeder Kanal kann innerhalb eines Spannungsbereichs von 0–5 V mit bis zu 6 A laden und entladen – mit einer bidirektionalen AC-DC/DC-AC-Energie-Feedback-Leistungsarchitektur, die die von den Zellen abgegebene Energie zurück in das AC-Stromnetz der Fabrik leitet, anstatt sie als Wärme abzuleiten. Dieses Design ermöglicht gleichzeitig eine hochpräzise elektrochemische Zyklierung und eine erhebliche Reduzierung des elektrischen Energieverbrauchs einer Batteriefertigungslinie.

Jeder Kanal des TOB-EF256-6G verwendet ein echtes Vierleiter-Messverfahren (Kelvin) und wird von einer dedizierten Konstantstrom-/Konstantspannungsquelle angesteuert, die elektrisch von den benachbarten Kanälen isoliert ist. Der gesamte 256-Kanal-Schrank wird als eine Einheit über Ethernet oder RS-485 von einem Windows-basierten Hostcomputer mit der proprietären Formierungssoftware von TOB gesteuert. Die Software ermöglicht dem Benutzer, bis zu 32 Schritte und 256 Zyklen pro Rezept zu programmieren, wobei jeder Schritt als Konstantstromladung, Konstantspannungsladung, Konstantstromentladung oder Ruhephase ausgewählt werden kann. Echtzeit-Spannungs-/Strom-/Kapazitäts-/Energiekurven werden für jeden Kanal dargestellt, und alle Rohdaten sowie die Ergebnisse am Schrittende werden lokal gespeichert und optional zur MES-Integration in eine Serverdatenbank hochgeladen.

Das mechanische Design des TOB-EF256-6G ist auf die Handhabung von Pouch-Zellen ausgelegt. Der Schrank ist in vier Türen unterteilt, die jeweils 16 Lagen von Vorrichtungen enthalten, die für beidseitig auf dem Träger geladene Zellen angeordnet sind. Ein motorgetriebener vertikaler Klemmmechanismus öffnet und schließt die gesamte Vorrichtungsbank gleichzeitig und beschleunigt dadurch das Laden und Entladen der Zellen. Die Vorrichtungstrays besitzen ein geteiltes Design mit einstellbarem Abstand zwischen den positiven und negativen Elektrodenkontakten, wodurch Pouch-Zellen mit bis zu 120 mm Abstand zwischen den Laschen aufgenommen werden können.

Ideal für:

• Lithium-Ionen-Pouch-Zell-Produktionslinien, die die kritischen Formierungs- (erste Ladung, SEI-Aufbau) und Kapazitätssortierschritte durchführen, bevor die Zellen zu Modulen montiert oder als Fertigprodukte versendet werden.
• Batterie-Pilotlinien, die einen einzelnen Schrank benötigen, der bis zu 256 Zellen pro Charge mit derselben elektrischen Präzision und Datenrückverfolgbarkeit wie ein vollwertiges Produktionssystem verarbeiten kann.
• Hersteller, die die elektrischen Betriebskosten ihres Formierungsbereichs durch den Einsatz von Energie-Feedback-Systemen reduzieren möchten, die einen erheblichen Anteil der Entladeenergie zurückgewinnen.
• Qualitätskontrollabteilungen, die eine dauerhafte, prüfbare digitale Aufzeichnung der Formierungs- und Sortierdaten jeder Zelle benötigen – von der anfänglichen Leerlaufspannung bis zum endgültigen Kapazitätsbereich.

Möchten Sie wissen, welchen Durchsatz Sie mit 256 Kanälen bei Ihrem gewünschten Formierungsprotokoll erreichen können? Kontaktieren Sie unsere Formierungssystem-Ingenieure mit Ihrer Zellkapazität und Laderate.

Einordnung von Formierung und Sortierung in die Pouch-Zell-Fertigung

Der Formierungs- und Sortierschritt liegt zwischen der Zellmontage und dem endgültigen Versand und erfüllt zwei unterschiedliche Zwecke:

1. Formierung:Eine frisch montierte Pouch-Zelle enthält einen trockenen Separator und einen unveränderten Satz Elektroden. Beim ersten Laden wird der Elektrolyt an der Anodenoberfläche kontrolliert zersetzt und bildet die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI). Diese SEI ist entscheidend für die langfristige Stabilität der Zelle, verbraucht jedoch eine kleine Menge Lithium und erzeugt Gas. Das Formierungsprotokoll – eine genau definierte Abfolge von Ladestromwerten, Spannungshaltephasen, Ruhezeiten und manchmal einem Entgasungsschritt – muss mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit ausgeführt werden, da Abweichungen bei Formierungsspannung oder Strom zu ungleichmäßigem SEI-Wachstum und einer großen Streuung der Zellkapazität und des Innenwiderstands führen können.
2. Sortierung:Nach der Formierung wird jede Zelle entladen und erneut geladen (oft für einen oder mehrere Zyklen), um ihre tatsächliche Kapazität, Energie und ihren Innenwiderstand zu messen. Anschließend werden die Zellen in Kapazitätsklassen sortiert (typischerweise innerhalb von ±1 % einer Zielkapazität), sodass Zellen, die im selben Modul oder Pack montiert werden, möglichst ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Das TOB-EF256-6G unterstützt mehrere Sortierstrategien, darunter Kapazitätssortierung, Zeitsortierung, Kapazitäts-plus-Kurven-Sortierung, Zeit-plus-Kurven-Sortierung, Kapazitäts-plus-Spannungs-Sortierung und Festspannungssortierung, wodurch der Produktionsingenieur die Flexibilität erhält, die Methode auszuwählen, die am besten mit der Feldleistung korreliert.

Durch die Kombination von Formierung und Sortierung in einem einzigen 256-Kanal-Schrank reduziert das TOB-EF256-6G die Zellhandhabung: Dieselbe Vorrichtung hält die Zelle von der ersten Formierungsladung bis zur finalen Sortierungsentladung, wodurch der Transfer zwischen Maschinen entfällt und das Risiko von Laschenbeschädigungen oder Verunreinigungen verringert wird.

Funktionsweise des Energie-Feedback-Systems

Das TOB-EF256-6G verwendet eine bidirektionale AC-DC/DC-AC-Leistungsarchitektur, die den Fluss elektrischer Energie während der Zellzyklierung grundlegend verändert:

Während des Ladens:

• Die Konstantstrom-/Konstantspannungsquelle jedes Kanals bezieht Gleichstromleistung aus einem internen 14 V-Gleichstrombus, der von der AC-DC-Stufe des bidirektionalen Netzteils gespeist wird.
• Die AC-DC-Stufe wandelt Wechselstrom aus dem Stromnetz (dreiphasig, 380 V) in geregelten Gleichstrom um, mit einer Umwandlungseffizienz, die grundsätzlich höher ist als die einer herkömmlichen linearen Konstantstromquelle.
• Der gesamte Energiefluss während des Ladens ist: (Netzstrom + Energie von anderen gleichzeitig entladenden Zellen) → bidirektionaler AC-DC-Wechselrichter → Gleichstrombus → DC-DC-Schaltung pro Kanal → Zelle.

Während des Entladens:

• Die gespeicherte Energie der Zelle wird über die DC-DC-Schaltung des jeweiligen Kanals zurückgeführt, die die Zellspannung auf die Spannung des internen Gleichstrombusses anhebt.
• Die DC-AC-Stufe des bidirektionalen Netzteils wandelt diese Gleichstromenergie anschließend in Wechselstrom um und synchronisiert sie mit dem AC-Stromnetz der Fabrik.
• Die AC-Leistung fließt in den lokalen AC-Bus der Fabrik, wo sie bevorzugt von anderen Geräten verbraucht wird – einschließlich weiterer TOB-EF256-6G-Schränke, die Zellen laden, sowie allgemeiner Fabrikverbraucher wie Beleuchtung, HLK-Anlagen und Büroausrüstung.
• Nur die Energie, die den momentanen Verbrauch der Fabrik übersteigt, wird in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist.

Effizienzangaben:

• Umwandlungseffizienz der Ladeleistungsversorgung: > 70 % (berechnet als softwaremäßig aufgezeichnete Batterieladeenergie geteilt durch den vom Stromzähler gemessenen Verbrauch × 100 %).
• Feedback-Effizienz der Entladeleistungsversorgung: > 65 % (berechnet als die vom Stromzähler gemessene rückwärts gerichtete Wirkenergie geteilt durch die softwaremäßig aufgezeichnete Batterieentladeenergie × 100 %).

Diese Effizienzdaten bedeuten, dass von jeder 1 kWh Energie, die während der Kapazitätsprüfung aus den Zellen entladen wird, etwa 0,65 kWh zurückgewonnen und innerhalb der Fabrik wiederverwendet werden, anstatt über ohmsche Lastbänke als Wärme verloren zu gehen.

Wichtige Systemfunktionen

▶ 256 unabhängige, isolierte Kanäle

Jeder der 256 Kanäle verfügt über eine eigene Konstantstrom-/Konstantspannungsquelle, die elektrisch von den anderen isoliert ist. Der Strombereich pro Kanal beträgt 5–6000 mA und deckt die Formierungsanforderungen kleiner Pouch-Zellen (z. B. 150 mAh) bis hin zu größeren Pilotproduktionszellen ab. Alle Kanäle werden vom Schrankcontroller als Gruppe adressiert und gesteuert, aber jeder elektrische Kanal ist vollständig unabhängig, sodass ein Fehler in einem Kanal die anderen nicht beeinflusst.

▶ Hohe Messgenauigkeit mit Vierleiter-Kelvin-Anschluss

Die Stromgenauigkeit beträgt ±0,05 % des Endwerts plus ±0,05 % des Messwerts, und die Spannungsgenauigkeit beträgt ±2 mV. Diese Spezifikationen werden durch die echte Vierleiter-Messmethode ermöglicht, bei der die stromführenden Leitungen von den spannungserfassenden Leitungen am Kontaktpunkt der Vorrichtung getrennt werden. Dadurch werden Einflüsse von Leitungswiderstand und Kontaktwiderstand aus der gemessenen Zellspannung entfernt. Ein vollständiger Schrankscan aller 256 Kanäle wird innerhalb von ≤ 3 s abgeschlossen, und das minimale Datenaufzeichnungsintervall beträgt 5 s.

▶ Modularer Aufbau mit motorisierter automatischer Klemmung

Der Schrank ist in vier Türen unterteilt, jede mit 16 Lagen von Vorrichtungen (insgesamt 256 Kanäle). Das Be- und Entladen der Zellen wird durch einen motorgetriebenen vertikalen Klemmmechanismus beschleunigt, der alle Vorrichtungen in einer Tür gleichzeitig öffnet oder schließt. Die Vorrichtungsschalen haben ein geteiltes Design: Die positiven und negativen Kontaktbaugruppen können unabhängig voneinander bewegt werden, wodurch der Kontaktabstand bis zu einem Maximum von 120 mm angepasst werden kann, um Pouch-Zellen mit unterschiedlichen Tab-Abständen aufzunehmen. Der Punkt-zu-Punkt-Kontaktabstand entlang jeder Schale beträgt 168 mm.

▶ Energie-Rückspeisearchitektur senkt die Betriebskosten

Das bidirektionale AC-DC/DC-AC-Netzteil gewinnt einen erheblichen Anteil der Entladeenergie zurück, die andernfalls verschwendet würde. Bei einem typischen Formierungs- und Klassifizierungsprotokoll, bei dem die Zellen zur Kapazitätsmessung mehrfach entladen werden, reduziert die zurückgewonnene Energie direkt die Stromrechnung der Fabrik und senkt die Wärmebelastung des Klimatisierungssystems der Fabrik.

▶ Flexible, mehrstufige Rezeptprogrammierung

Die Host-Software, die auf einem Windows-PC läuft und über Ethernet oder RS-485 verbunden ist, ermöglicht die Programmierung von bis zu 32 Schritten und 256 Zyklen pro Rezept. Jeder Schritt kann als Konstantstromladung, Konstantspannungsladung, Konstantstrom-/Konstantspannungsladung, Konstantstromentladung oder Ruhephase konfiguriert werden. Ein Schritt kann anhand von Strom-, Spannungs-, Zeit- oder Kapazitätsbedingungen beendet werden. Diese Flexibilität unterstützt komplexe Formierungsprotokolle wie mehrstufige Benetzung, Gasbildungs- und Entgasungssequenzen.

▶ Umfassende Datenerfassung und MES-Anbindung

Detaillierte Rohdaten für jeden Kanal und jeden Schritt werden lokal auf dem PC als einzelne Prozessdateien gespeichert. Ergebnisse am Schrittende (Leerlaufspannung, Durchschnittsspannung, Schrittzeit, Strom, Kapazität, Plateaukapazität) werden in einer standardmäßigen MDB-Datenbankdatei gespeichert, eine pro Prozesslauf. In Anlagen mit einem konfigurierten Datenserver können die Ergebnisse automatisch in eine Serverdatenbank hochgeladen werden, wobei die MDB-Dateien als standardmäßiges Datenbankformat dienen, das direkt in ein Fabrik-MES integriert werden kann. Diese Architektur bewahrt einen vollständigen digitalen Datensatz zur Rückverfolgbarkeit und unterstützt die statistische Analyse, die für eine kontinuierliche Prozessverbesserung erforderlich ist.

▶ Barcode-Scannen zur Rückverfolgbarkeit von Zellen

Der TOB-EF256-6G unterstützt das Scannen von Barcodes, einschließlich sequenziellem Scannen und Kanalsprung-Scannen, sodass der eindeutige Barcode jeder Zelle mit dem spezifischen Kanal verknüpft wird, in dem sie verarbeitet wird. Die Barcode-Daten werden zusammen mit den Formierungs- und Klassifizierungsergebnissen gespeichert und ermöglichen eine vollständige Vorwärts- und Rückwärtsrückverfolgbarkeit von eingehenden Zellen bis zu den endgültigen Kapazitätsklassen.

▶ Umfassende Schutz- und Alarmfunktionen

Das System schützt Zellen und das Gerät selbst durch hardware- und softwarebasierte Schutzmaßnahmen: Überstrom-, Unterstrom-, Überspannungs-, Unterspannungs-, Überkapazitäts- und Leckstromerkennung. Ladeüberspannung und Entladeunterspannung werden sowohl durch eine Hardwareschaltung als auch durch eine Softwaregrenze geschützt und bieten eine redundante Sicherheitsebene, die Zellen auch bei einer Fehlfunktion der Steuerungssoftware schützt.

Technische Spezifikationen

Zusätzliche Funktionsspezifikationen

Mechanische Spezifikationen

Systemzusammensetzung

Das gelieferte TOB-EF256-6G Formierungs- und Sortiersystem umfasst die folgenden Hauptelemente:

1. Formierungs- und Sortierausrüstung für Lithium-Ionen-Batterien (der oben beschriebene 256-Kanal-Schrank).
2. Host-Computer mit USB- und Ethernet-Schnittstellen.
3. Kommunikationskonverter und Kabel (USB-zu-RS-485-Konverter und Kommunikationskabel oder Kategorie-5-Netzwerkkabel und RJ45-Stecker).
4. TOB-Formierungs- und Sortiersoftware für Windows.

Der Host-Computer verbindet sich mit der Schranksteuerung und sendet Befehle, während er Daten von allen Kanälen sammelt. Die kanalspezifischen Konstantstrom-/Konstantspannungsplatinen reagieren auf die CPU der Steuerung und bieten während des Ladens und Entladens eine Konstantstrom- und Konstantspannungsregelung.

Während des Ladens wandelt das bidirektionale Netzteil die Wechselstrom-Netzspannung in einen 14 V-Gleichstrombus um, und die Platine jedes Kanals regelt den Strom zur Zelle. Während des Entladens wird der Prozess umgekehrt: Die Platine jedes Kanals erhöht zunächst die Zellspannung auf den internen Gleichstrombus, und das bidirektionale Netzteil wandelt diese Gleichstromleistung anschließend in Wechselstrom um, der in das Wechselstrom-Verteilungsnetz der Fabrik eingespeist wird. Diese Architektur ermöglicht die in den Spezifikationen beschriebene Energierückspeisefunktion.

Praktische Empfehlungen für Betrieb und Wartung

• Kalibrierung:Die Spannungs- und Stromkanäle des Instruments sollten alle 6 Monate mithilfe des integrierten digitalen Kalibrierungsverfahrens neu kalibriert werden. Die Kalibrierung erfolgt vollständig softwarebasiert; im Schaltschrank müssen keine Potenziometer eingestellt werden. Als Referenzstandard ist ein zertifiziertes digitales Multimeter erforderlich.
• Wartung der Vorrichtungskontakte:Die Vierleiter-Kelvin-Kontakte an jeder Vorrichtung sollten regelmäßig auf Verschleiß, Verunreinigungen oder Oxidation überprüft werden. Ein verschmutzter Spannungserfassungskontakt erzeugt einen fälschlich zu hohen Spannungswert und führt zu einem falschen Kapazitätsergebnis. Reinigen Sie die Kontakte mit Isopropylalkohol und einem fusselfreien Tuch, wenn der Schaltschrank nicht in Betrieb ist.
• Betrieb der Energierückspeisung:Die Energierückspeisefunktion arbeitet automatisch, sobald eine Zelle entladen wird. Es ist kein Eingreifen des Bedieners erforderlich. Die Effizienz der Energierückgewinnung hängt von der Anzahl der Zellen ab, die gleichzeitig über alle angeschlossenen Schaltschränke hinweg geladen und entladen werden. Die höchste Rückgewinnungseffizienz wird erreicht, wenn die Entladeleistung dereinen Zellengruppe möglichst genau der von einer anderen Zellengruppe benötigten Ladeleistung entspricht.
• Datensicherung:Obwohl der lokale PC alle Prozessdaten ohne Löschung speichert, wird dringend empfohlen, die MDB-Ergebnisdateien und die detaillierten Prozessdateien am Ende jeder Produktionscharge auf ein Netzlaufwerk oder einen Server zu sichern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Daten auch bei einem Ausfall der Festplatte des lokalen PCs zugänglich bleiben.
• Software-Workflow:Vor dem Start einer Produktionscharge erstellen oder laden Sie das entsprechende Rezept in der TOB-Formierungssoftware. Definieren Sie die Barcode-Scansequenz, wenn eine Rückverfolgbarkeit erforderlich ist. Prüfen Sie, dass alle Kanäle kalibriert sind und dass die Grenzwerte für den Überspannungs- und Unterspannungsschutz für das zu verarbeitende Zellmodell korrekt eingestellt sind. Nach Abschluss der Charge verwenden Sie das Sortierprogramm, um die Zellen entsprechend der gewählten Bewertungsmethode in Kapazitätsklassen einzuteilen, und exportieren Sie den Sortierbericht für die Packmontage.

Bereit, hochpräzise und energieeffiziente Formierung und Bewertung für Ihre Pouch-Zell-Produktionslinie einzuführen? Fordern Sie ein Angebot für den TOB-EF256-6G an oder kontaktieren Sie unsere Ingenieure für Formierungssysteme, um Ihren spezifischen Zelltyp, den gewünschten Durchsatz und die Anforderungen an die MES-Integration zu besprechen.

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