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Stand der Technik: kabelgebundenes Zellkontaktiersystem von ElringKlinger

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GreenIng GmbH & Co. KG

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Referat IVA6: Neue Antriebs-technologien, Elektromobilität, Umweltinnovationen

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie



Referat IVA6: Neue Antriebstechnologien, Elektromobilität, Umweltinnovationen

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Referat IVA6: Neue Antriebstechnologien, Elektromobilität, Umweltinnovationen

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Intelligente Zelle mit Signalübertragung und demontagegerechtes Batteriemodul

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Konzeption und der Demonstratoraufbau eines neuartigen Batteriemoduls auf der Basis von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen, das zum einen den Montageprozess – verglichen mit aktuellen Lösungen – vereinfacht und gleichzeitig eine (teil-)automatisierte Demontage des Moduls ermöglicht, sowie die Erforschung von innovativen Fertigungsverfahren zu dessen Herstellung. Dadurch soll es möglich werden, zukünftig große Einsparungen im Lebenszyklus eines Batteriesystems zu erzielen, die letztlich an den Endanwender weitergegeben werden können und die dadurch einen Beitrag zur Etablierung elektrischer Mobilität leisten.
Das Forschungsvorhaben InnoDeLiBatt leistet durch die Weiterentwicklung konventioneller Zellen mittels eines Industrie-4.0-Ansatzes sowie die Schaffung eines (teil-)automatisiert montierbaren und demontierbaren Batteriemoduls einen zentralen Beitrag zu den Förderzielen der Bundesregierung.
Die Zusammensetzung der Partner im Projektkonsortium (ElringKlinger, GreenIng und wbk) stellt zusammen mit den assoziierten Partnern (Bosch und VDE) sicher, alle benötigten Kompetenzen für die Durchführung des Forschungsvorhabens vereint zu haben. Insbesondere durch die Teilnahme des VDE kann eine Standardisierung der Projektergebnisse in entsprechenden Gremien erfolgen. Das Forschungsvorhaben greift damit direkt die Forderung der NPE in seiner Normungsroadmap Elektromobilität 3.0 auf, Normen zur Überwachung der inneren Werte (Empfehlung 4.3.5.1) einer Batteriezelle zu schaffen (Nationale Plattform Elektromobilität (NPE), 2014).

Um die Entwicklung kostengünstiger und leistungsfähiger Energiespeicher weitervoranzutreiben, stehen die intelligente Zelle sowie die Wiederverwertbarkeit von Batteriemodulen im Fokus dieses Projekts.
Die Ziele des Arbeitspakets 1 sind vor allem die Schaffung der Möglichkeit, in einzelnen Batteriezellen Messdaten durch intelligente Sensorik zu speichern und diese mit anderen Zellen bzw. einer übergeordneten Kontrolleinheit zu teilen. Dies kann entweder durch Funkübertragung oder drahtgebundene Methoden geschehen, beides wird in diesem Arbeitspaket untersucht. Zudem soll der aufwendigen Verkabelung für die Zustandsdiagnose der einzelnen Zellen aktueller Batteriemodule entgegengewirkt werden, da die Montage und Demontage der Verkabelung extrem aufwendig und fehleranfällig ist.

Das Arbeitspaket 2 beschäftigt sich mit der demontagegerechten Kontaktierung der Zellen. Hierbei sollen einerseits neue Fertigungsprozesse zur elektrischen Kontaktierung prismatischer Zellen innerhalb des Batteriemoduls und zum Modulbau entwickelt werden, mit denen sich zum einen niedrige elektrische Widerstandswerte erzeugen lassen und die sich auf der anderen Seite, anders als die Schweißverbindungen nach aktuellem Stand der Technik, in einem automatisierten Demontageprozess wieder lösen lassen. Um gleichzeitig die nötige Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrischen Kontakte zu gewährleisten, soll diese Montageeinrichtung durch eine In-line-Qualitätskontrolle ergänzt werden. 

Im Arbeitspaket 3 wird die Überprüfung der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung entwickelt. Im Mittelpunkt stehen die Konzeptionen einer In-line-Qualitätskontrolle der Fügestelle, die im Rahmen der Projektbearbeitung prototypisch aufgebaut und erprobt wird. Eine Besonderheit soll die Rückspiegelung der Messwerte an den Fügeprozess darstellen, wodurch die Prozessparameter des Fügeprozesses angepasst werden können. Durch diesen Industrie-4.0-Ansatz wird in einem Fertigungsprozess auf lange Sicht durch andauernde, intelligente Selbstkonfiguration der Prozessparameter ein Wegdriften der Prozessqualität vermieden und ein gleich bleibendes Produkt garantiert.

In Arbeitspaket 4 wird ein Gesamtkonzept für ein demontagegerechtes Batteriemodul entwickelt. Dieses Modul soll sich im Gegensatz zum Stand der Technik dadurch abheben, dass es sich (teil-)automatisiert demontieren lässt. Somit ist eine Zweitverwertung wirtschaftlich sinnvoll darstellbar.

Die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten der im Projekt anvisierten Ziele sind im Gesamtkontext sehr positiv zu beurteilen. Zum einen kann eine Kommunikationstechnologie für intelligente Zellen eine deutliche Vereinfachung im Produktionsprozess ermöglichen. Der Erfolg einer solchen Technologie kann die Kosten des Produktionsprozesses senken, die Qualität verbessern und gleichzeitig die Sicherheit im Betrieb durch die größere Wissensbasis erhöhen. 
Durch die in Zukunft stark zunehmende Verbreitung von voll- und teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird der Markt für gebrauchte Batteriesysteme deutlich anwachsen. Die im Projekt untersuchten Fügemethoden und Prozesse bieten hier die Möglichkeit, defekte Batteriesysteme wirtschaftlich zu demontieren, defekte Zellen zu tauschen und das reparierte Batteriesystem einem zweiten Leben zuzuführen. Dies hat nicht nur positive wirtschaftliche Folgen für den Gesamtlebenszyklus, sondern trägt auch zur Ressourcenschonung bei.

Des Weiteren werden die Projektergebnisse in geeigneter Form aufbereitet und dem Fachpublikum im Rahmen von Konferenzen, Tagungen und Veröffentlichungen in Fachzeitschriften zur Verfügung gestellt. Der erarbeitete Technologie-Demonstrator soll nach Projektabschluss als Ausstellungsstück auf Fachmessen dienen.

Durch die Partnerschaft aller Verbundpartner im Spitzencluster Elektromobilität Süd-West wird ein enger Austausch mit weiteren Clusterprojekten sowie die Einbeziehung des Projekts in die Clusteraktivitäten, wie Statusseminare und Workshops der einzelnen Innovationsfelder, sichergestellt. So dienen die Ergebnisse als weitere Ausgangsbasis für vertiefte fachliche Diskussionen und die Weiterentwicklung des Themas. Darüber hinaus wird InnoDeLiBatt in die Öffentlichkeitsarbeit des Clusters integriert, wodurch eine Sichtbarkeit bei Veranstaltungen, Messen und in Fachzeitschriften ermöglicht wird.

Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher

Herr Dr. Uwe Kehn

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Arbeitseinheit MM

Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. Arbeitseinheit MM

Projektträger Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Konzeption und der Demonstrator-Aufbau eines neuartigen Batteriemoduls auf der Basis von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen. Dieses Modul soll den Montageprozess, verglichen mit aktuellen Lösungen, vereinfachen und gleichzeitig erlauben, es automatisiert zu demontieren. Dadurch soll es möglich werden, zukünftig große Einsparungen im Lebenszyklus eines Batteriesystems zu erzielen, die letztlich an den Endanwender weitergegeben werden können und dadurch einen Beitrag zur Etablierung elektrischer Mobilität leisten. Zudem sollen innovative Produktions- und Prozessverfahren zur Modulherstellung erforscht werden.
ElringKlinger widmet sich dabei der Konzeption und dem prototypischen Aufbau des neuartigen Batteriemoduls sowie der Erforschung von innovativen Produktions- und Prozessverfahren zur Modulherstellung. Dabei sollen einerseits alternative und flexible Fügeverfahren zur elektrischen Kontaktierung prismatischer Zellen und zur Modulmontage entwickelt und betrachtet werden, mit denen sich zum einen niedrige Widerstandswerte erzeugen lassen und die sich auf der anderen Seite in einem automatisierten Demontageprozess wieder lösen lassen. Um gleichzeitig die nötige Prozesssicherheit bei der Herstellung der elektrischen Kontakte zu gewährleisten, soll diese Demonstrator-Montageeinrichtung durch eine prototypische In-line-Qualitätskontrolle ergänzt werden. Abschließend wird ein neuartiges demontagefähiges Batteriemodul entwickelt, konzeptioniert und als prototypischer Aufbau mittels eines Moduldemonstrators demonstriert.

Es sollen alternative Verfahren und Fertigungsprozesse zur elektrischen Kontaktierung von prismatischen Zellen entwickelt und validiert werden, die eine effizientere, flexiblere und zuverlässigere Fügetechnologie darstellen und mit denen eine unkomplizierte Demontage der Zellen im Bedarfsfall möglich ist.
Zudem sollen alternative Füge- und Fertigungsverfahren in Bezug auf eine modulare und flexible Modulmontage untersucht werden, die es erlauben auch unterschiedliche Batteriezelltypen wie Prismatische- und Rundzellen auf einer Montagelinie zu einem Batteriemodul zu verbinden. Dabei werden von Seiten ElringKlinger alternative und innovative Füge-, Montage- und Produktionsprozesse untersucht, die eine flexible und effiziente Montage der unterschiedlichen und spezifischen Einzelkomponenten von Batteriemodulen wirtschaftlich darstellen lässt.

Durch diese alternativen und innovativen Herstellungsprozesse ist erst eine wirtschaftliche und automatisierte Demontage des gesamten Batteriemoduls möglich. Neben der fachgerechten Entsorgung und dem materialspezifischen Recycling des Batteriemoduls am Ende seines Lebenszyklus entsteht durch diese Maßnahmen die Möglichkeit für einen Anwender, einzelne Zellen im Schadensfall auszutauschen und damit die Lebenserwartung des Speichers zu verlängern, was zu längeren Abschreibungszeiten und damit zu niedrigeren Kosten für die Lithium-Ionen-Technologie führt.

Besonderes Augenmerk wird bei der In-line-Qualitätskontrolle auf der elektrischen Leitfähigkeit der Verbindung stehen. Im Mittelpunkt stehen Konzeptionen einer In-line-Qualitätskontrolle der Fügestelle, die im Rahmen der Projektbearbeitung prototypisch aufgebaut und erprobt werden soll. Eine Besonderheit soll die Rückspiegelung der Messwerte an den Fügeprozess darstellen, wodurch die Prozessparameter des Fügeprozesses angepasst werden können. Durch diesen Industrie-4.0-Ansatz wird in einem Fertigungsprozess auf lange Sicht durch andauernde, intelligente Selbstkonfiguration der Prozessparameter ein Wegdriften der Prozessqualität vermieden und ein immer gleich bleibendes Produkt garantiert.

Auf der Basis eines bestehenden Batteriemoduls nach Stand der Technik sollen Änderungskonzepte erstellt werden. Dabei sollen die erarbeiteten Ergebnisse aus anderen Arbeitspaketen berücksichtigt werden. Nach der Auswahl eines Änderungskonzepts folgt die Anfertigung eines CAD-Konzeptes für ein neuartiges demontagegerechtes Batteriemodul und letztendlich die Fertigung eines Prototypen, der als Technologie-Demonstrator für die erarbeiteten Ergebnisse im Projekt dient. Durch das Gesamtkonzept des Batteriemoduls soll eine automatisierte Demontage möglich sein.

Mit dieser Zielsetzung erfüllt das Vorhaben die Bestrebungen der Bundesregierung, mit dieser Fördermaßnahme die Elektromobilität in Deutschland zu etablieren und deutsche Hersteller zu Leitanbietern für Produkte rund um die Elektromobilität zu machen. Dies kann vor allem durch eine Weiterentwicklung der eingesetzten Produktionstechnik erreicht werden. Insbesondere die Automatisierung von Montage- und Demontageabläufen gilt im Hochlohnland Deutschland als Schlüssel zum Erfolg. Laut Nationaler Plattform Elektromobilität (NPE) liegt es im Interesse des Wirtschaftsstandortes Deutschland, dass die Produktion von Zellen der nächsten Generation hierzulande erfolgt. Demnach sind die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen von Batteriezellen und -systemen sowie die Optimierung der zugehörigen Produktionsprozesse weiter zu forcieren (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, 2014).

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ElringKlinger AG

Corporate Communications

Entwicklung eines demontagegerechten Batteriemoduls inkl. flexibler Produktionsprozesse zur Batteriemodulmontage und In-line-Qualitätskontrolle

Herr  Simon Hailer

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.

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Universitätsaufgaben, Campus Süd

Karlsruher Institut für Technologie Universitätsaufgaben, Campus Süd

Karlsruher Institut für Technologie

Erforschung wiederlösbarer Verbindungstechnologien und Datenkommunikationstechniken für Lithium-Ionen-Batteriespeicher

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Institut für Produktionstechnik

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Produktionstechnik

Herr Prof. Dr. Jürgen Fleischer

Prof. Dr.

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InnoDeLiBatt

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Konzeption und Entwicklung intelligenter Zellsensorik mit entsprechender Funkübertragung zwischen Zellsensor und Batteriemanagementsystem,Aufbau, Testing und Validierung eines Funkübertragungssystems für relevante Zellparameter (Temperatur, Spannung),Konzeption und Entwicklung demontagegerechter Zellkontaktiersysteme (Fokus Federkontaktierkonzept),Konzeption eines flexiblen Modulmontageprozesses und einer In-line-Qualitätskontrolle ,Konzeption und Konstruktion eines demontagegerechten Batteriemoduls

Duration	01/01/2016 - 30/06/2019
Executing unit	GreenIng
City	Leutenbach
Amount of funding	222.075,00 €
Total budget	488.572,00 €
Sponsor	BMWE

Project

InnoDeLiBatt

Innovative Produktionstechnologien für die Herstellung demontagegerechter Lithium-Ionen-Batteriespeicher

Content description of the sub-project

Brief description

Project management as

GreenIng GmbH & Co. KG

GreenIng GmbH & Co. KG

Funding

This project is part of the joint project

InnoDeLiBatt

Other sub-projects of the joint project

Sub-project 2

Duration:

Funding code:

ElringKlinger AG

Sub-project 3

Duration:

Funding code:

Institut für Produktionstechnik

Sub-project lead

GreenIng GmbH & Co. KG

Sub-project manager

Joint-project management

GreenIng GmbH & Co. KG

Joint-project coordinator

Final reports and other publications at the TIB - Leibniz Information Centre for Science and Technology and University Library