MONTAGEPROZESS EINES BATTERIEPACKS
Ihre Ansprechpartner:
Dr. Eric Maiser
Batterieproduktion, Productronic
(Elektronikproduktion),
Photovoltaik-Produktionsmittel
Haben Sie Fragen?
Sprechen Sie uns an!
Dr. Sarah Michaelis
Batterieproduktion, Batteriefunktion
Ihre Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing.
Heiner Hans Heimes
Oberingenieur Batterieproduktion
Dr.-Ing.
Christoph Deutskens, M.Eng.
Geschäftsführender Oberingenieur
Prof. Dr.-Ing.
Achim Kampker
Aachen, Frankfurt am Main, im Oktober 2015
PEM und VDMA Eigendruck, 2. überarbeitete Auflage
Der Verband Deutscher Maschinen- und
Anlagenbau (VDMA) vertritt über 3.100
Unternehmen des mittelständisch
geprägten Maschinen- und Anlagen-
baus. Der Industriekreis Batteriepro-
duktion ist eine fachzweigübergrei-
fende Aktivität unter dem Dach des
VDMA Forums E-MOTIVE, bei dem
Anwender, Hersteller, Maschinenbauer
und Forscher zusammenarbeiten, um
Innovationen entlang der Prozesskette
der Batterieproduktion voranzutreiben.
Der Bereich Batterieproduktion des PEM
ist seit vielen Jahren in verschiedensten
Industriethemen der Lithium-Ionen-Bat-
terieproduktion tätig. Das Tätigkeitsfeld
erstreckt sich sowohl über Automotive-
als auch über Stationäre-Anwendungen.
Durch eine Vielzahl nationaler und
internationaler Industrieprojekte in Un-
ternehmen aller Wertschöpfungsstufen
sowie zentralen Positionen in namhaften
Forschungsprojekten bietet das PEM
weitreichende Expertise.
PEM
Chair of Production Engineering of
E-Mobility Components
Steinbachstraße 19
52056 Aachen
www.pem.rwth-aachen.de
VDMA
Batterieproduktion
im Forum E – MOTIVE
Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
www.vdma.org
Dipl.-Wirt.-Ing.
Mathias Ordung
Gruppenleiter Batterieproduktion
Diese Broschüre zeigt aufbauend auf der Broschüre „Der Produktions-prozess einer Lithium-Ionen-Zelle“ die Weiterverarbeitung der Zelle zu Batteriemodulen und schließlich zu einem Batteriepack schematisch auf.
Die einzelnen Zellen werden in einem Modul in Reihe geschaltet. Mehrere Module sowie weitere periphere elektronische Komponenten werden zu einem Pack assembliert, das dann z.B. in einem Elektroauto eingebaut werden kann.
Das Pack ist je nach den geforderten Leistungsdaten unterschiedlich ausgelegt und dimensioniert. Durch die Vielzahl unterschiedlicher Produkt- und Prozessvarianten sind genaue Angaben über Prozessparameter nur sehr eingeschränkt möglich. Der Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen und der VDMA stehen gerne zu vertieften Diskussionen zur Verfügung.
● Bereits heute bekannte Technologieentwicklungen werden die mechanische und elektrische Integration der Gehäuse und Gesamtsysteme verbessern.
● Die Erforschung der Produkt- und Prozessinnovationen erfolgt primär im Hinblick auf Kostensenkungen und Vereinfachungen in der Montage.
Zelle Modul Pack
Technologieentwicklungen der Batteriemodule und Batteriepacks
Mechanische Integration• Vereinfach. Modulgehäuse
• Kunststoff Packgehäuse
Elektrische Integration• Verlagerung des BMS
• Kontaktiersystem
Produktinnovation (Auszug)
Modulmontage• Entfall Zellverklebung
• Entfall Modulmontage
Packmontage• Montage Niedervoltbereich
• Fügevorgang Packcover
Prozessinnovation (Auszug)
Übersicht
Isolationsplatte
Verklebung
KontaktiersystemSensoren
Batteriezellen
Modul-
Gehäuse
Batteriemodul
12 V
Stromanschluss
Hochvoltmodul
Service Plug
KühlsystemBMS Master
Kühlmittelanschluss
Verkabelung
Batteriepack
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
• Präzise Positionierung und sichere
Fixierung der Zellen zueinander
notwendig
• Lieferqualität des Lieferanten
entscheidet über Prüfumfänge
(Definierter Anlieferzustand z.B.
Oberflächenspannungen und –
rauheiten, Partikelbesetzung)
• Aufnahme der Zellen erfolgt mit
abgestimmten Flächenpressungen
beim Greifer bzw. definierten
Saugkräften bei Sauggreifern
● Wareneingang: Scannen der Produktlabel und ggf. sortieren entsprechend der Leistungsdaten.
● Wareneingangsprüfung zum Aussortieren von fehlerhaften Zellen (elektrochemische Impedanzanalyse, Spannungsmessung, Kapazitätsanalyse etc.).
● Je nach Anlieferzustand Reinigen und/oder Aktivieren der Oberflächen.
● Fügen der Zellen (z.B. durch Flüssig- oder Festklebstoffe).
● Das Fügemedium muss elektrisch isolierend wirken, um einen internen Kurzschluss zu verhindern. Gängig sind Kleber auf Polyurethan-Basis mit elastomeren Eigenschaften nach dem Aushärten.
● Es erfolgt ein definiertes Stapeln der Zellen.
● Je nach Fügemedium Absaugung von Lösungsmitteldämpfen.
Klebepistole
Transportsystem
Spezifischer
Barcode
Klebstoff
Zellstapel
Beklebte
Batteriezelle
Absauganlage für
Lösungsmitteldämpfe
Transportband
Oberflächen-
reinigung
Eingangsprüfung
1000433FG984BH7
V
• Handling der Zellen nach Entfernen des Polschutzes (Kurzschlussgefahr)
• Maximale Press- oder Saugkraft bei Transport und Einsetzen, um Auslaufen des Elektrolyten zu verhindern (insb. Pouchzellen)
• Sauberkeit und Partikelfreiheit der Zelle
• Automation des Handlingprozesses
• Unkomplizierte Fügeverfahren (Clipsen)
• Vorgesehene Positionierhilfen bei Zellen
• Investitionskosten: ca. 10-12 Mio. €
* Studie PEM , Anzahl Module/Jahr: 1.000.000, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Vormontage Zellmodule
Zelle Zelle Pack Pack
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Isolierung & Verspannung
• Investitionskosten: ca. 13-15 Mio. €
* Studie PEM , Anzahl Module/Jahr: 1.000.000, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Zelle
• Präzise Positioniermaßnahmen trotz hoher Fügekräfte
• Möglichst flächige Verbindung für optimale Wärmeführung
• Berücksichtigung der Toleranzketten von Zellen und Modulkomponenten
• Genaue Handlingstechnologie
• Günstige Automatisierungstechnik
• Präzisionspressen
Pack
• Maximale Verpresskräfte in N und N/cm² (je nach Zelltyp und Spezifikationen)
• Gleichmäßiger Anpressdruck für flächige Verbindung zwischen Isolationsplatte und Modul in N/cm2
• Viskositäten, schnelle Prozessdurchführung und angemessene Aushärtezeiten bei Vergussmassen
• Anzugmomente der Verbindungselemente, Verspannungen (Aluminium, Duroplaste etc.)
● Gestapelte Zellen werden verpresst, um eine definierte Stapelgeometrie zu erzeugen und das Ausdehnen und Zusammenziehen der Zellen bei Be- und Entladung zu minimieren.
● Die Verpressung wird durch eine Spannvorrichtung (teils auch bereits der Modulkörper selbst) oder eine Bandagierung fixiert.
● Zum Wärmeabtransport und der elektrischen Isolation werden Platten oder Folien verwendet. Teilweise findet auch ein Vollverguss statt.
● Exaktes Positionieren der Komponenten am Modul und anschließendes Verkleben und/oder Verschrauben sowie Einbringen ins Gehäuse.
● Für Folienzellen ist anstelle des Verklebens das Einbringen in einzelne Rahmen (Schubladensysteme) und anschließendes Verspannen möglich.
● Rundzellen können in positionierenden Rahmen montiert werden und begünstigen Kühlkonzepte, die auf Luftzirkulation basieren.
Bandage
Isolationsplatten
F
FVerpressen
Druckplatten
Verspannung
Gehäuse
ZelleMatrize
Verspannung
Rundzellen Prismatische Zellen
ZelleVerklebungVerspannung
Bandage
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
• Nahtstellen müssen staub- und fettfrei sein und für Laserschweißen spezielle Reflexionen aufweisen
• Beispiel Ultraschallschweißen: Frequenz: 20-40 kHz, Amplitude: 10-50 m, Schweißdruck: 1-10 MPA
• Beispiel Laserschweißen: Laserleistungen von ca. 1000-3000 W
• Schweißnahtüberwachung im Prozess
• Möglichst geringer Wärmeeintrag in die Zelle (Brandgefahr und verringerter Wirkungsgrad durch chemische Reaktionen in der Zelle)
● Reihenschaltung der Zellen durch elektrisches Verbinden der Kontaktfahnen/Ableiter.
● Kontaktieren z.B. mittels Ultraschall- (geringer Wärmeeintrag), Laserschweißen (hohe Präzision), Crimpen (einfache Anlagentechnik) oder Schraubverbindungen (elektrische Verluste durch Kontaktwiderstände).
● Überprüfen der Fügestellen auf Funktionalität der Leitfähigkeit durch Widerstandsmessungen, Thermokameras o.Ä..
● Bei einem hohem Automatisierungsgrad ist die Überprüfung der Schweißnähte schon während des Schweißvorganges durch Laserüberwachung möglich.
Elektrische Kontaktierung
• Herstellen eines möglichst großen Fügebereichs, um den elektrischen Widerstand zu minimieren
• Sauberkeit der Fügestellen bei der elektrischen Kontaktierung
• Geringe thermische Belastung der Terminals
• Fügetechnologie / Schweißtechnologie
• Überwachungs- und Prüftechnologie
• Positioniergenauigkeit der Spannvorricht.
• Investitionskosten: ca. 4,5-5 Mio. €
* Studie PEM , Anzahl Module/Jahr: 1.000.000, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Pack Pack
Strom- und
Spannungsmessung
V
V
V
A
Laser SchraubenUltraschall Crimpen
Schweißgerät
Aufnahme-
werkzeug
Batteriemodul
Vorteile
NachteileHoher Wärmeeintrag
Schonend Kein Wärmeeintrag Lösbare Verbindung
Kosten Präzision Übergangswiderstand
Schnell / Effizient
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Schweißgerät
Schweißverbindung
Zentrales Kontaktiersystem
BMS Slave
Platine
Sensoren
Temperatursensor
Kontaktiereinheit
● Positionieren der Platine des Batteriemanagementsystems oder einer ganzheitlichen Kontaktiereinheit zur Verarbeitung der Daten und Steuerung der Sensoren.
● Fügen der Platine an das Modul durch Schweißverfahren und/oder Verschraubungen.
● Montieren der Sensorik für Ladung, Spannung und Temperatur.
● Verbinden der Sensorik mit der Platine und Verschweißen (hier schematisch dargestellt: Ultraschallschweißen).
● Funktionstest durch Signalüberprüfung und stichprobenhaftes Prüfen der Schweißnähte durch Röntgen- oder Ultraschallmessung.
● Ggf. zentrale Entgasungssteuerung für die Zellen.
Montage Platine & Sensoren
• Genaue Positionierung von Sensoren und Platine (Gefahr von Kurzschlüssen)
• Güte der Fügeverbindungen
• Hochempfindlichkeit der Zelle und Sensoren.
• Präzision der Schweißtechnik
• Gewählte Montagetechnologie und
Automatisierung der Positionierung
• Investitionskosten: ca. 3,5-4 Mio. €
* Studie PEM , Anzahl Module/Jahr: 1.000.000, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Pack Pack
• Beschädigungsfreies Fügen von Platine
und Sensoren
• Anlieferzustände mit definierten
Oberflächenspannungen
• Präziser Einbau und Handling der
hochempfindlichen Sensoren
• Geringer Wärmeeintrag beim
Schweißen (erhöhte Brandgefahr)
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Montage Schlussplatte & Prüfung
● Montieren der Schlussplatte, Fixieren mit Schrauben oder Clipsen.
● Verkabeln der Steuerung und ggf. des Kühlsystems für das spätere Anschließen an die Mastersysteme.
● Anbringen und Fixieren von Kabeln (Spannungs- & COM-Kabel).
● Testen des Moduls u.a. auf:
● Äußere Unregelmäßigkeiten (optische Toleranzen)
● Ggf. Dichtheit (z.B. Testgas-Leckageprüfung, Überdruckprüfung, Vakuumprüfung)
● Funktionalität der Steuerung und Sensoren (Softwaretest)
● Zellspannung, Zelldifferenz
● HV-Festigkeit (Widerstandsmessung)
● Schutzkappen, Label anbringen und Vorbereitung Transport.
• Schlussplatte als Zukaufteil (z.B. Kunststoff)
• Druckprüfung aus Sicherheitsgründen unter Einhausung
• Handhabungs- und Sicherheitsvorschriften bei der Kontrolle durch Mitarbeiter
• Einbau der biegeschlaffen Kabelsätze
• Zugentlastung der Kabel
• Sicherstellung der Transportsicherheit (Kabel, Anschlüsse, Schutzkappen etc.)
• Äußere Unversehrtheit muss im Prozess garantiert werden
• Die zugelassene Nacharbeitsumfänge müssen klar definiert sein
• Gewährleistung Technische Sauberkeit
• Transportfähigkeit (Kabel, Anschlüsse)
• Montagetechnologie in Abhängigkeit
des Modulkonzepts
• Mess- und Prüftechnologie
• Investitionskosten: ca. 2-2,5 Mio. €
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle
Spannungstest
V
Clipse
Schrauben
Kabelbaum
Anschlussfertiges
Modul
Pack Pack
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Batteriemodul
Perforierter Platz
für das Batteriemodul
Integrierte
Kühlplatten
Greifarm
Draufsicht
Batteriepack-
wanne
Output
Vorbereitete Kühlplatte
● Montieren der Kühlplatten im Boden der Batteriepackwanne für Kühlung der Module im Betrieb (ggf. auch Winter-Heizfunktion).
● Einbringen der Batteriemodule ins Packgehäuse durch entsprechende Greifer an eine freie Stelle im Boden des Packs.
● Wiederholen der Schritte bis alle Module (hier schematisch drei Module pro Pack) eingesetzt sind.
● Aufbau und Verschaltungen von Batteriepacks variieren stark zwischen Anwendungsfällen und Anbietern (z.B. 4S3P, 6S3P, 12S1P usw. / S=Seriell, P=Parallel).
● Üblicherweise erfolgt die Parallelschaltung auf Zellebene.
● Vollelektrische Fahrzeuge besitzen Hochenergiezellen.
● Hybrid-Fahrzeuge besitzen Hochstromzellen.
Einsatz der Zellmodule
• Schutzausrüstung sowie Schulung zur
zur Hochvolt-Sicherheit notwendig
• Geschwindigkeit des Prozesses stark
vom Grad der Automation und Aufbau
des Packs abhängig
• Anschlüsse von Modulen müssen sicher
positioniert sein und dürfen den
Montageprozess nicht behindern
• Handling der teils sehr großflächigen
Kühlerelemente durch
Montagemitarbeiter (Arbeitsschutz)
• Kurzschlussgefahr bei falschem Handling der Module
• Beschädigungsfreier Transport durch angepassten Anpressdruck
• Handling der großflächigen Gehäuse und Kühler
• Flexible Montagetechnologie für unterschiedliche Speichergeometrien
• Automation des Handlingprozesses
• Investitionskosten: ca. 5-6 Mio. €
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Modul
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Schrauben zur
Befestigung der
Zellmodule
Aussparung in
Seitenwand zur
Montage
Schraube
Vorbohrung
Angeschlossene
Zellmodule
Detailansicht
● Fixieren der Batteriemodule z.B. mittels Schraubverbindungen an dafür vorgesehenen Stellen im Batteriepackgehäuse.
● Die zusätzliche Verschraubung kann die Steifigkeit erhöhen und sichert zusätzlich gegen Vibrationen im Betrieb.
● Sicherstellen der korrekten Position und der beschädigungsfreien Montage durch geeignete Systeme (z.B. Kamera, Montagehilfen, Zentrierpins etc.).
● Typische Schraubengrößen je nach Aufbau M6-M12.
● Verdrehsicherung beim Anziehen der Schrauben muss sichergestellt werden.
Befestigung der Zellmodule
• Präzises, dauerhaftes und
beschädigungsfreies Fixieren der
Module an den Boden
• Fixierung mittels Kleben, Stecken oder
Verschrauben der Komponenten
• Gleichmäßige Anbindung an
Kühlerstrukturen
• Anzugsmomente der Schrauben
entsprechend der Modulgröße und
geforderten Festigkeit sowie des
Schraubentyps
• Garantierter fester Sitz der Module
• Konsistente Auslegung des Gesamtsystems auf mögliche Toleranzschwankungen
• Zugänglichkeit der Einschraubungen bei großflächigen Speichern
• Gleichmäßige Berührflächen zur Wärmeabführung
• Integration unterstützender Montagehilfen (bspw. Fügekonus im Packkörper)
• Automation einer flexiblen Produktionslinie
• Investitionskosten: ca. 4-5 Mio. €
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Modul
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
12 V
Stromanschluss
Hochvoltmodul
Service Plug
KühlsystemBMS Master
Kühlmittelanschluss
Verkabelung
Stecker / Ventile
Output
● Positionieren des Kühlsystems in der dafür vorgesehenen Halterung und Verbinden mit Kühlelementen im Packkörper.
● Aufsetzen und Verschrauben des Hochvoltmoduls.
● Verbinden des Kabelbaums mit den entsprechenden Anschlüssen an Modulen und Peripheriegeräten.
● Montieren und Verkabeln des Batteriemanagementsystems (BMS Master) zur Steuerung von Kühlsystem und Hochvoltmodul.
● Montage durch speziell ausgebildete Mitarbeiter (Arbeiten unter Spannung, Sensibilisierung für Batterierisiko – Elektrofachkraft).
● Anschlüsse, Ventile und Stecker am Außengehäuse zur Vorbereitung der Fahrzeugintegration verbinden/anschließen.
Elektrische & thermische Integration
• Meist sind Kühlsystem,
Batteriemanagementsystem,
Hochvoltmodul vormontierte
Zukaufteile
• Hochvoltmodul besteht aus: Relais,
Sicherungen, Vorladesystem,
Strommesssystem,
Isolationsüberwachung usw.
• Montage der biegeschlaffen Kabel
kann nur durch einen geschulten
Montagemitarbeiter erfolgen und nur
schwer automatisiert werden
• Korrekte Positionierung und Verkabelung der Peripheriegeräte
• Zugänglichkeit der Anschlussstellen durch Montage Mitarbeiter
• Gefahr durch Hochvolt für Werker
• Montagetechnologie und –unterstützung • Poka-Yoke Auslegung zum Schutz vor
Falschverbau
• Investitionskosten: ca. 3-3,5 Mio. € für Einsatz & Befestigung
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Modul
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Dichtschnur
oder geklebte Dichtung
Öffnung für
Berstscheibe
Schrauben
für Deckel
bar
Ventil
Druckprüfung
VakuumprüfungGasprüfung
bar
Ventil
Hülle mit
Helium Evakuierter
Prüfling
Lecksuchgerät
HeliumDetektor
● Anbringen bzw. Auftragen der Dichtungen (z.B. Gummidichtung, aufgespritzte oder geklebte Dichtungen) am Gehäuse- oder Deckelrand.
● Aufsetzen des Gehäuseoberteils/Deckels und Verbinden (z.B. durch Verschrauben) mit Batteriepackgehäuse.
● Überprüfen des Gehäuses auf Dichtheit über Öffnung der Berstscheibe oder ein Dichtprüfgerät.
● Ggf. Überprüfung der Dichtheit des Kühlkreislaufes durch geeignetes Gas (z.B. Helium) oder Lecksuchgeräte.
● Montieren einer Berstscheibe zur Drucksicherung des Batteriepacks und Sicherheit während des Betriebes.
Schlussplatte & Dichtheitstest
• Garantierte Dichtheit nach der Montage der Schlussplatte
• Staubdichtheit und Widerstands-festigkeit gegen einen Wasserdruck (z.B. 0,1 bar für 30 Minuten)
• Dichtschnur muss für Temperatur-wechsel geeignet sein und Fertigungsschwankungen ausgleichen
• Während der Prüfung ist bei Überdruck ein Zerbersten des Gehäuses möglich
• Berstscheibe notwendig für Sicherheitsschutz bei Batteriebetrieb
• 100%ige Dichtheit des Pack
• Definition der erlaubten Nacharbeit
• Kein Setzverhalten der Dichtschnur
• Servicefähigkeit zur Öffnung des Gehäuses (geklebte Dichtungen)
• Investitionskosten: ca. 1,5-2 Mio. € für Einsatz & Befestigung
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
• Automation
• Flexible Montagetechnologie
• Dichtheitsprüfung
Zelle Modul
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
● Anschließen des Batteriemanagementsystems an einen Computer und „Flashen“ mit einem Systemanalyseprogramm sowie der neusten Software.
● Überprüfen der korrekten Funktion aller Systeme über das Analyseprogramm.
● Herstellen des gewünschten, gleichmäßigen Ladezustands aller Zellen.
● Ggf. Überwachen der Schweißverbindungen und der Thermomanagementfunktionen im Betrieb mittels eines thermografischen Messsystems.
Laden und Flashen
• Installation der aktuellsten Software für
Batteriemanagementsystem für
entsprechende Fahrzeugvarianten
(Variantenbildung über
Softwarestände)
• Einhalten der Funktionstoleranzen
• Verhindern der Gefahr von möglicher
Gasbildung oder Feuerentwicklung bei
Ladevorgang durch Unterdruck und
Einhausung
• Garantierte Funktionsfähigkeit aller Komponenten
• Wärmentwicklung bei Ladevorgang
• Absicherung gegen Fehler aus vorherigen Fertigungsschritten
• Batteriemanagementsoftware
• Mess- und Prüftechnologie
• Investitionskosten: ca. 1,5-2 Mio. € für Einsatz & Befestigung
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Modul
Thermokamera
Spannungswandler
Flashen
• Ladezustand herstellen
• Schweißverbindungen überprüfen
• Funktion des Thermomanagement testen
Aufgaben
Wärmebild
Gesamtkosten:* (Auszug)
Kritische Qualitätsmerkmale [Auszug] Prozessparameter & -anforderungen
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Testing
100FGBH43V9
Optische Prüfung
Warnhinweise Produktlabel
Output
geprüft
Finale Prüfung
V
● Anschließen der Testgeräte an die jeweiligen Kabelverbindungen bzw. Leitungen.
● Überprüfen der gesamten Elektronik.
● Optische Prüfung durch einen Mitarbeiter.
● Prüfung der reibungslosen Funktion des BMS und deren Subkomponenten (Temperatursensoren, Slave Platine, etc.).
● Zellbalancing, um die Spannung jeder Zelle auf einen Sollwert zu bringen oder den Ladezustand (SOC) auf einen geeigneten Wert zur Lagerung oder Leitung zu bringen.
● Prüfung des Sicherheitssystems und der BMS-Kommunikation.
● Durchlaufen von bestimmten Codezyklen entsprechend der Fahrprofile von BEV bzw. HEV.
● Aufkleben von Labeln und Warnhinweisen.
● Kennzeichnen als „geprüft“ und Freigeben des Packs.
● Verpacken und Transportieren.
End of Line
• Finaler Prozess mit anschließender
Ablage in Werkstückträgern
• Kriterienkatalog für umfassende
Prüfung (keine einheitliche Vorschrift)
• Gute Schulung der ausführenden
Mitarbeiter notwendig
• Definierter Ablieferzustand in
Abstimmung mit Fahrzeugwerk (Halter,
Anschlüsse, Softwarestände etc.)
• EOL Tests (Spannung, Leistung etc.)
• Erfüllung aller Qualitätsmerkmale
• Definition von erlaubter Nacharbeit
• Gefahr durch Hochvolt für Mitarbeiter
• Logistische Leistungsfähigkeit
• Mess- und Prüftechnologie
• Investitionskosten: ca. 6-7 Mio. € für Einsatz & Befestigung
* Studie PEM, Anzahl Packs/Jahr: 100.000, Energieinhalt Batteriepack: 20 kWh, ohne Berücksichtigung der Gebäudekosten
Zelle Modul
• Produktionslinie muss an Bedürfnisse
von Elektrofahrzeugen angepasst
werden
• Hohes Gewicht der Batterie verlangt
verändertes Design von Front- oder
Heckmodul
• Purpose-Design (speziell neu
entwickeltes Konzept) vs. Conversion
Design (Umbau von
Verbrennungsfahrzeugen)
• Prüf- und Wartungstechniken müssen
angepasst werden
• Netzspannung je nach Konzept
um die 400 Volt
Prozessparameter & -anforderungen Qualitätsmerkmale [Auszug]
Schlüsseltechnologien [Auszug]
Draufsicht
Fahrzeugsteuerung
Batteriepack
Ladeanschluss Elektromotor
Inverter
Kühlmittelkreislauf
Kühlmittelleitung
Halter zur
Baukastenmontage
im Fahrzeug
Schrauben zur
Befestigung am
Batteriepack
Hochvoltkabel
Datenkabel
Manuelles Verschrauben
und Befestigen der
Anschlüsse im Fahrzeug
● Einfacher Austausch zwischen konventionellen Antriebskomponenten und elektrifiziertem Antriebsstrang ist in der Konstruktion nicht möglich. Für den reibungslosen Betrieb der Ladesteuerung, sind ein Hochvoltnetz und eine Hochleistungselektronik zur Motorsteuerung notwendig.
● Durch die Verwendung von Hochvolttechnik erhöhen sich die Anforderungen an die Sicherheit, insbesondere bei Crashs, zusätzlich.
● Da die Anschlüsse zur Anbindung an den Kabelbaum des Fahrzeugs biegeschlaff sind, ist der Prozess kaum automatisierbar und muss durch einen Montagemitarbeiter und Montagehilfen erfolgen.
● Die Anbindung des Batteriepacks erfolgt z.B. durch Halter oder im Bodenmodul und entsprechende Verschraubungen (M10-M14).
● Halter werden eingesetzt, um gleiche Speicher in unterschiedlichen Fahrzeugderivaten zu montieren.
Fahrzeugintegration
• Neue Montageprozesse für Batterie-
und Kabelmontage
• Zugänglichkeit Kabel und Anschlüsse
• Servicefähigkeit der Komponenten
(Demontage, Dichtungen,
Austauschbarkeit etc.)
Zelle Modul Pack
• Produktion von Elektrofahrzeugen auf
alten Produktionsstraßen vs.
Produktion auf speziell angepassten
Produktionsstraßen
● Batterien sind nur bis ca. 80% ihrer Leistungsfähigkeit für Elektroautos wirtschaftlich einsetzbar (Abnutzung nicht linear und stark von Umgebung und Gebrauch abhängig)
● Entscheidung für Art der Weiterverwendung abhängig von Leistungsdaten
● Second-Use: Weiterverwendung in anderen Bereichen (z.B. stationäre Energiespeicher für Solaranlagen) mit angepassten Steuergeräten
● Remanufacturing: Aufbereitung zur Weiterverwendung einzelner Komponenten
Recycling der Zellen:
● Sortierung der Batterien nach Typ und Entfernung der Peripheriegeräte.
● Mechanisches Aufbereiten (Zerkleinerung unter Schutzgas) und/oder Pyrolyse (starkes Erhitzen) zur „Deaktivierung der Zellen“.
● Recycling mittels hydro- oder pyrometallurgischen Prozessen und Rückgewinnung der Rohmaterialien (insb. Nickel, Kobalt, Aluminium und Kupfer).
● Mindestrecyclingeffizienz: 50% der durchschnittlichen Batterieschrottmasse.
2nd-Use, Remanufacturing & Recycling
Zelle Modul Pack
* Quelle: F. Treffer: Lithium-Ionen-Batterie-Recycling in R. Korthauer (Hrsg.), Handbuch Lithium-Ionen-Batterien, Springer-Verlag 2013
Potenziale [Auszug] Beispielprozess 1* Beispielprozess 2*
• Tieftemperaturzerlegung
lithiumhaltiger Batterien
• Kühlung durch flüssigen
Stickstoff auf ca. -196°C
zum Mindern der
Reaktionsfähigkeit
• Schreddern und Scheren
der Batteriezellen
• Reaktion mit Natrium-
hydroxid (NaOH)
• Freiwerdender Wasserstoff
wird an der Oberfläche
kontrolliert verbrannt
• Lithium und Lithiumsalze
werden gezielt in Lösung
ausgefällt & entnommen.
• Zellen werden in einem
pyrometallurgischen Ofen
eingeschmolzen
• Lithium, Aluminium,
Elektrolyt, Separator und
Graphit verbrennen &
reichern sich in der
Schlacke an oder ver-
lassen Prozess mit Abgas
• Schlacke wird dem
Baugewerbe bereitgestellt
• Beim Schmelzen
entstandene Co,Ni,Cu,Fe-
Legierung wird granuliert
und hydrometallurgisch
aufbereitet.
• Noch keine ausgeprägte
Recycling-Infrastruktur
etabliert
• Recycling kann Preis-
schwankungen und
Abhängigkeiten für
Rohmaterialien
entgegenwirken
• Gleichzeitiges Recycling
von Sekundär-Batterien
aus Unterhaltungsindustrie
• Insbesondere das
Recycling von Kobalt,
Kuper und Nickel erweist
sich bereits als
wirtschaftlich sinnvoll
Second-Use Recycling Remanufacturing
Sortierte
Batteriezellen
Raffination
Legierungen
Nickel Kobalt
Stationärer Speicher
Solaranlage
Ggf. Einspeisung
ins Stromnetz
Gebrauchte
Module mit
angepasstem
BMS und Case
Remanufacturing
Demontage der
Komponenten
Kupfer
Schlacke
(Bauindust.)
Abgas-
reinigung
Schmelz-
ofen und
GranulierungTest / Analyse
Säuberung
AufbereitungNaOH
-196°C
fl. Stickstoff
Schredder Reaktions-
stufen
brennender
Wasserstoff
Ausfällung
Lithium
Metalle
Kunststoffe
1
2