Considerazioni chiave sulla progettazione per la produzione automatizzata di batterie per veicoli elettrici

Molti punti di progettazione riguardano le celle di assemblaggio delle batterie dei veicoli elettrici (EV) che garantiscono elevata affidabilità e ripetibilità, efficacia complessiva ottimale delle apparecchiature, massima produttività e concetti di digitalizzazione dell'Industria 4.0. L’esame di una cella automatizzata di degasaggio della batteria di veicoli elettrici ampiamente installata nel settore esemplifica molte di queste caratteristiche di progettazione.

La formazione si riferisce al processo iniziale di carica e scarica per le celle delle batterie dei veicoli elettrici di tipo cilindrico, prismatico e a sacchetto. Il processo di ricarica genera gas all'interno di ciascuna cella della batteria. Il gas deve essere estratto dalle celle sigillate della batteria senza perdere elettrolito.

Dai rack di formatura, le celle della batteria passano a un sistema di degasaggio automatizzato. Le pinze a vuoto in genere sollevano le celle della batteria dai vassoi e le collocano nel sistema di degasaggio. Un sistema di movimentazione a sbalzo preleva e posiziona le celle della batteria dentro e fuori una camera di degasaggio. Queste ultime due operazioni sono pick and place, un metodo comune in tutto il processo di produzione delle celle delle batterie per veicoli elettrici.

All'interno della camera, cilindri pneumatici muovono lance cave che perforano le celle della batteria e, sfruttando il vuoto, evacuano il gas finché l'elettrolita non entra nella lancia. Il sistema passa quindi dal vuoto alla pressione positiva e reimmette l'elettrolito nella cella della batteria. L'unità di produzione sigilla la batteria, operazione generalmente eseguita mediante saldatura termica o ad ultrasuoni. Le celle della batteria degasate vengono raccolte, rimosse dalla camera di degasaggio e riposte nei vassoi. I vassoi pieni di celle della batteria passano alla fase di produzione successiva.

La cella di degasaggio automatizzata è dotata di movimento sia pneumatico che elettrico. Perché utilizzare sia l'elettrico che il pneumatico? Ogni tipo di movimento ha i suoi punti di forza, e la pneumatica è la più economica e semplice delle due. La pneumatica riduce il costo totale del sistema automatizzato e ne semplifica gli aspetti, consentendo una messa in servizio, un'installazione e una risoluzione dei problemi più rapide.

Gli attuatori elettrici forniscono un mezzo più affidabile per sincronizzare il movimento delle piastre utilizzate per sigillare le celle della batteria. Il movimento sincronizzato garantisce che non vi siano problemi di allineamento da parte di una piastra che arriva prima dell'altra. Questo livello di controllo rende la precisione e la tempistica degli attuatori elettrici la soluzione ottimale per questo aspetto dell'operazione. I progettisti OEM identificano dove il movimento più semplice e meno costoso è migliore e dove la precisione elettrica è obbligatoria per creare il sistema più conveniente per l'utente finale.

Anche se oggi sono in funzione centinaia di celle di degasaggio, i progettisti sono tenuti a progettarle ciascuna per la sua specifica applicazione, tipo di cella, ambiente e requisiti di produzione. Nelle loro considerazioni sulla progettazione, il corretto dimensionamento dei componenti elettrici e pneumatici è essenziale per raggiungere due obiettivi: efficienza in termini di costi e soddisfazione dei requisiti funzionali.

Una progettazione eccessiva dovuta a un dimensionamento errato amplifica la complessità, aumenta i tempi di messa in servizio e crea sfide per la risoluzione dei problemi. Cercare strumenti di produttività ingegneristica da parte dei fornitori che armonizzino tutti i componenti; ad esempio, azionamento, motore e attuatore oppure cilindro, interruttore, raccordi e tubi. Questi strumenti non solo velocizzano la progettazione ma dimensionano anche correttamente il sistema.

Il sistema di movimentazione a sbalzo della cella di degasaggio della batteria si basa su assi a mandrino. Questi assi garantiscono il carico e lo scarico dinamico e sicuro delle camere di degasaggio. Il design a sbalzo, situato direttamente sopra l'area di lavoro, riduce al minimo l'ingombro della cella. I sistemi cartesiani pick and place raramente richiedono protezione; l'eliminazione delle protezioni riduce anche l'ingombro.

Un sistema cartesiano è ideale perché la maggior parte della movimentazione delle celle della batteria avviene tramite prelievo e posizionamento sugli assi X, Y e Z, esattamente ciò per cui è progettato il sistema cartesiano. Questi sistemi pick and place garantiscono un’elevata precisione sull’intero ambito di lavoro, un vantaggio rispetto ai robot a sei assi, che perdono precisione nella periferia. I sistemi cartesiani pick and place sono inoltre meno costosi dei robot articolati.