Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher

Es ist zu erwarten, dass die Anzahl an Elektrofahrzeugen stark ansteigen wird. Dies hat zur Folge, dass auch die Wartungs- und Reparaturmöglichkeiten für die eingebauten Batteriespeicher gegeben sein müssen. In einem Batteriemodul befinden sich eine Vielzahl an Füge- bzw. Kontaktierungsstellen, die nach aktuellem Stand der Technik hauptsächlich über Schweißverbindungen realisiert werden, da sie sowohl gute mechanische als aus elektrische Eigenschaften aufweisen. Allerdings können diese stoffschlüssigen Verbindungen nicht wieder gelöst werden, was für den beschriebenen Wartungsfall problematisch ist. Beim Schadensfall einer Einzelzelle muss deshalb das gesamte Batteriemodul ausgetauscht werden. Um dies zu ändern, müssen die Fügestellen im Batteriemodul nach Stand der Technik zwingend so abgeändert werden, dass sie lösbar werden und damit eine Demontage und Remontage zulassen. Letzteres meint an dieser Stelle das erneute Fügen nach der Entnahme einer Zelle.

Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, alternative Fügetechnologien für den Einsatz im Batteriemodul zu erforschen. Im Fokus steht dabei die Fügestelle zwischen dem Zellpol prismatischer Zellen und dem Zellverbinder. Dadurch soll es zukünftig möglich werden, große Kosteneinsparungen im Lebenszyklus eines Batteriesystems zu erzielen und dadurch einen Beitrag zur Etablierung elektrischer Mobilität leisten.

Neben der Wartungsfähigkeit von Batteriemodulen ist ebenfalls die Gewichtseinsparung im Batteriemodul und damit im Elektrofahrzeug Ziel dieses Teilprojekts. Da es aus Sicherheitsgründen notwendig ist, die einzelnen Lithium-Ionen-Zellen im Batteriemodul zu überwachen (Temperatur, Spannung, Strom), spielt die Umsetzung der Datenkommunikation eine große Rolle. Dies zieht jedoch eine zusätzliche Gewichtseinbringung durch die Verwendung von elektrischen Kabeln nach sich. Im Gesamtprojekt soll daher ein Funksystem zur Datenübertragung entwickelt werden. In diesem Teilprojekt werden Datenbussysteme untersucht, mit dem Ziel das Einbringen zusätzlicher Kabel zu vermeiden und bereits vorhandene zu verwenden.

In diesem Teilprojekt gibt es drei Hauptinhalte. Dies ist zum einen die Untersuchung von gewindeformenden Schrauben bzw. Fließlochformenden Schrauben als alternative Verbindungstechnologie und zum anderen die Betrachtung des Demontageprozesses aus produktionstechnischer Sicht. Weiterhin ist der Aufbau eines Kommunikationssystems nach Vorbild eines Bussystems Kern des Teilprojekts.

Schrauben als alternative Fügetechnik: Ein demontagegerechtes Batteriemodul erfordert, dass seine Fügestellen lösbar konzipiert werden. Ein vielversprechender Ansatz stellt die fließlochformende Schraube dar. Sie hat den Vorteil, dass Bleche (in diesem Fall die Zellverbinder) ohne Vorarbeit direkt gefügt werden können. Es ist kein Vorbohren und kein Gewindeschneiden des Blechs erforderlich, die Schraube kann direkt in einem Montageschritt eingebracht werden. Es wird daher untersucht, ob sich diese Fügetechnologie für das Verbinden von Zellpolen eignet. Beim Fügen entstehen aufgrund der hohen Drehzahlen Temperaturen von mehr als 100 °C. Da die Lithium-Ionen-Zelle nur bis zu einem gewissen Wert thermisch belastet werden darf, müssen diese Größen und deren Auswirkungen experimentell untersucht werden. Weiterhin muss der elektrische Übergangswiderstand zwischen den Zellen hinreichend gering sein, um die Funktionsfähigkeit des Batteriemoduls gewährleisten zu können Aus diesem Grund werden diese ebenfalls experimentell betrachtet und im Anschluss bewertet.

Demontageprozess: Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung eines demontagegerechten und – hinsichtlich Datenübertragung optimierten – Batteriemoduls. Auch wenn die geänderten Fügetechnologien und die Konstruktion theoretisch zulassen, das Batteriemodul zu demontieren, muss der Demontageprozess selbst tiefgehend untersucht werden. Fragestellungen nach der geeigneten Demontagetechnologie sowie der idealen Demontage-Prozessabfolge müssen beantwortet werden. Dies erfolgt durch die Konzeption, Konstruktion und Erprobung von Demontagewerkzeugen. Die Prozessgrößen, die während des Demontierens auf die Bauteile wirken, werden bestimmt, und gegebenenfalls Maßnahmen eingeleitet, um sie in einen zulässigen Bereich zu überführen.

Kommunikationssystem: Eine Alternative zur Datenübertragung mittels Funksystem soll in diesem Teilprojekt für den Einsatz im Batteriemodul ebenfalls eingehend betrachtet werden. Basis hierfür bildet ein Bussystem, das die Daten der einzelnen Zellen seriell über eine Leitung nach Außen überträgt. Dabei soll nach Möglichkeit keine zusätzliche Leitung im Batteriesystem verlegt werden, sondern die bereits vorhandene Stromführung zwischen den einzelnen Zellen verwendet werden.

Im Rahmen des Verbundprojekts „InnoDeLiBatt“ wird der elektrische Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen als Anwendungsgegenstand betrachtet. Dessen Batteriemodule werden in diesem Teilprojekt mit demontagegerechten Fügeverfahren ausgestattet. Im Wartungsfall soll das defekte Batteriemodul aus dem Fahrzeug entnommen und die einzelne, dysfunktionale Zelle gegen eine funktionsfähige Zelle getauscht werden.

Nach dem Batteriegesetz ist der Hersteller des Speichers verpflichtet, diesen nach Gebrauch zurückzunehmen und fachmännisch zu entsorgen. Dies erfolgt bisher durch eine Demontage der Komponenten bis hin zu den einzelnen Zellen, die dann oftmals der Verbrennung im Hochofen zugeführt werden. In seltenen Fällen werden die Zellen geöffnet und die Bestandteile recycelt.

Die Umgestaltung eines Batteriemoduls zu einem demontagefähigen Energiespeicher ermöglicht es, bei Elektrofahrzeugen die Reparaturfähigkeit des gesamten Batteriesystems zu steigern. Der Austausch einer einzelnen Zelle stellt für den Halter des Elektrofahrzeugs die Möglichkeit dar, die Lebensdauer des Gesamtsystems zu steigern. Dies ist wiederum mit wirtschaftlichen Vorteilen verbunden. Das Projekt trägt deshalb dazu bei, das Vertrauen eines potenziellen Kunden in die Lithium-Ionen-Technologie zu stärken, was letztlich in höhere Absatzzahlen resultieren wird.

Diese Ergebnisse werden von Seiten des wbk auch dazu genutzt, um das eigene Forschungsprofil im Bereich der Produktionstechnik von Lithium-Ionen-Zellen und -Modulen auszubauen. Im Rahmen des Lehrauftrags, den das wbk zu erfüllen hat, wird der Wissenstransfer in Vorlesungen an die Studierenden des KIT weitergegeben. Durch die Anleitung von Abschlussarbeitern wird es den Studierenden weiterhin ermöglicht, sich tiefgehend mit der Thematik Lithium-Ionen-Speicher und deren Produktion auseinanderzusetzen.