Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEDieses Teilvorhaben von »BatCO₂tiv« fokussiert die Entwicklung und Bewertung automatisierter Buckelschweiß-Prozesse zur Verschaltung von Batteriezellen. Ziel ist die Etablierung effizienter, kollaborativer Fertigungsprozesse, die Produktionsvolumen steigern, CO₂-Emissionen reduzieren und die Qualität von Batteriespeichern verbessern.
Batterieverschaltung: automatisiert, CO₂-senkend, kollaborativ
BatCO₂tiv – Teilvorhaben: Prozessentwicklung und Prozessbewertung zum Buckelschweißen
Die automatische Schweißzelle mit Roboter und Inverter ermöglicht das präzise Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte von Batteriezellen.
Ausgangslage
Batterien sind zentrale Komponenten für die Energiewende und Elektromobilität, benötigen aber zuverlässige, schnelle und wirtschaftliche Verschaltungsprozesse. Aktuelle Herausforderungen in der Batteriespeicherproduktion sind kurze Taktzeiten, flexible Fertigungsstrukturen, Prozessüberwachung und Erhalt lokaler Wertschöpfung. Manuelle oder ineffiziente Fügetechniken begrenzen Stückzahlen, erhöhen Kosten und Emissionen und erschweren die Inline-Qualitätssicherung.
Ziel
Ziel des Teilvorhabens ist der Aufbau einer Multi-Mix-Splitlinie und Steigerung der Produktionskapazität durch die Prozessentwicklung und -bewertung des Kurzzeitschweißens mit hoher Wärmestromdichte in einer automatisierten Schweißzelle. Konkret sollen Designregeln für Zellverbinder und Zellhalter entstehen, Taktzeiten pro Schweißpunkt auf <0,6 s reduziert, die Standzeit der Schweißelektroden erhöht sowie nicht‑invasive Inline‑Methoden zur Charakterisierung und Prozessüberwachung etabliert werden. Durch die Beschleunigung und Optimierung des Fertigungsprozesses sollen die CO₂-Emissionen während der Produktion gesenkt und damit auch der CO₂- Fußabdruck für Produkte der Last-Mile-Delivery wie E-Scooter, Sharing-Systeme und E-Bikes verringert werden. Dies trägt zur Umsetzung der Energiewende bei und fördert eine nachhaltige Energiespeicherung.
Lösungsansatz
Die Lösung umfasst die Integration kollaborativer Roboter für Mensch-Maschine-Interaktion sowie die Entwicklung intelligenter Prozessführung zur Optimierung von Schweißparametern und Elektrodenstandzeit. Entscheidend für eine schädigungsfreie Verbindung der Batteriezellen ist eine starke Verkürzung der Prozesszeit. Durch den geringen Wärmeeintrag beim Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte entstehen, anders als beim klassischen Buckelwiderstandsschweißen, keine Schweißlinsen, sondern das Material sublimiert. Für die Qualitätskontrolle müssen entsprechend zum Sublimationsmechanismus passende Kriterien herangezogen werden. Designregeln für Packdesign, Zellverbinder und Halter ermöglichen die maschinenfreundliche Verarbeitung. Parallel werden nicht-invasive Messmethoden für die Inline-Bewertung von Schweißpunkten validiert und mit den Prozessparametern korreliert, um eine automatisierte Freigabe bzw. Ausschleusung zu ermöglichen.
Ergebnisse
Das Teilvorhaben liefert validierte Prozesse für kostengünstiges, automatisiertes Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte von Kupfer mit nachgewiesener Reduktion der Schweißzeit pro Batteriezelle auf unter 0,6 Sekunden und verbesserter Elektrodenstandzeit durch intelligente Prozessführung. Es entstehen Designregeln für Zellverbinder und Zellhalter sowie ein Packdesign, das für eine gleichmäßige Bestromung der parallel verschalteten Batteriezellen sorgt. Evaluierte nicht-invasive Inline-Methoden und korrelierte Prozess-/Qualitätsdaten erlauben eine zuverlässige Prozessüberwachung. Insgesamt resultiert eine deutlich gesteigerte Produktionskapazität der UniPower-Familie, geringere CO₂-Emissionen und Kosten pro Einheit bei Verbesserung der Performance und somit eine Stärkung der industriellen Wertschöpfung in Deutschland.
Mikro-Computertomographie eines Kupferverbinders, der durch Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte mit dem Batteriezellgehäuse verbunden wurde.
Förderung
Das Projekt »BatCO₂tiv« wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
