montageprozess eines batteriepacks

MONTAGEPROZESS EINES BATTERIEPACKS

Ihre Ansprechpartner:

Dr. Eric Maiser

Batterieproduktion, Productronic

(Elektronikproduktion),

Photovoltaik-Produktionsmittel

[email protected]

Haben Sie Fragen?

Sprechen Sie uns an!

Dr. Sarah Michaelis

Batterieproduktion, Batteriefunktion

[email protected]

Ihre Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing.

Heiner Hans Heimes

Oberingenieur Batterieproduktion

[email protected]

Dr.-Ing.

Christoph Deutskens, M.Eng.

Geschäftsführender Oberingenieur

[email protected]

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

[email protected]

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




Isolierung & Verspannung



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




• 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. €


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




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. €


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)




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




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



Zelle Modul




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



Zelle Modul




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


Zelle Modul




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


• Automation

• Flexible Montagetechnologie

• Dichtheitsprüfung

Zelle Modul




● 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


• Investitionskosten: ca. 1,5-2 Mio. € für Einsatz & Befestigung


Zelle Modul

Thermokamera

Spannungswandler

Flashen

• Ladezustand herstellen

• Schweißverbindungen überprüfen

• Funktion des Thermomanagement testen

Aufgaben

Wärmebild




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


• Investitionskosten: ca. 6-7 Mio. € für Einsatz & Befestigung


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]


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

montageprozess eines batteriepacks

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