ElVis - Elektrische Batterieverschaltung: Innovativ, flexibel, schnell und kostengünstig

Laufzeit: 09/2020 - 08/2023
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: teamtechnik Maschinen und Anlagen GmbH
Projektfokus:    
Illustration der Verschaltung von Batteriezellen durch Widerstandsschweißen
© Fraunhofer ISE
Illustration der Verschaltung von Batteriezellen durch Widerstandsschweißen.

Die Nutzung von Strom aus Erneuerbaren Energien erfordert geeignete Speicher für die konstante Strombereitstellung aus Wind- und Sonnenenergie. Um die nötigen Strom- und Spannungskennwerte von batteriebetriebenen Geräten zu erreichen, werden einzelne Batteriezellen zu Batteriemodulen bzw. Batteriepacks zusammengesetzt und seriell oder parallel elektrisch verschaltet. Ziel des Projekts »ElVis« ist die Entwicklung einer flexiblen Verschaltungsanlage für Batteriezellen. Dabei soll die Verschaltungstechnologie des Widerstandsschweißens von Batterie-Rundzellen weiterentwickelt und optimiert werden. Für variable Batteriepackgrößen und Varianten des Widerstandsschweißens wird ein innovatives Baukastenprinzip konzipiert und durch den Aufbau einer Demonstratoranlage umgesetzt. Durch das Baukastenprinzip können künftig verschiedene Batteriemodulgrößen kostengünstig mit einer Anlage verschaltet werden. Die Entwicklung von Modellen zur Dimensionierung der Verbinder wird eine zeiteffiziente, materialsparende und zuverlässige Verschaltung unterstützen.

Verschaltungsanlage konzipieren und Demonstratoranlage aufbauen

Ziel ist die Konzeption und der Bau einer Verschaltungsanlage für Batteriepacks mit einem flexiblen Wechselaufbau für verschiedene Batteriepackgrößen und Verschaltungstechnologien. Die Anlage soll Rundzellen-Batteriepacks für vielfältige Anwendungen von der Elektromobilität bis in den Konsumerbereich schnell und kostengünstig verschalten. Im technologischen Fokus stehen dabei die Konzeption eines intelligenten Baukastenprinzips sowie die Entwicklung von Transfer- und Handlingsystemen durch den Einsatz von Linearantrieben und Leichtbaurobotern sowie Mensch-Maschine-Interaktionen.

Verschaltungsprozesse untersuchen und optimieren

Das Projekt zielt mit der Optimierung der Verschaltung von Batteriezellen auf den zentralen Fertigungsschritt bei der Herstellung von Batteriemodulen. Um die Schweißprozesse an den Verschaltungsstellen genau zu verstehen, werden die resultierenden Fügestellen elektrisch und mechanisch genau untersucht. Hierbei kommen unsere Charakterisierungsmethoden aus dem Bereich der Solarzellenverschaltung zum Einsatz. Aus den Analyseergebnissen können die kritischen Prozessparameter abgeleitet werden. Außerdem wird die integrierte Sensorik in den Schweißköpfen Rückschlüsse auf die Prozessführung ermöglichen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen lässt sich eine detaillierte und zielgerichtete Prozessentwicklung zum Widerstandsschweißen von Batteriezellen durchführen. Dabei soll ein günstiges Verfahren für die Verschaltung hochstromfähiger Verbinder etabliert werden. Das Schweißen von Zellverbindern aus Kupfer und Aluminium wird untersucht.

Vorausschauend die Qualität sichern

Die flexible Fertigung durch eine automatische Auswertung der Schweißparameter und der Schweißnahtqualität (Stichwort: predictive process maintenance) steht im Vordergrund. Dadurch wird ein Rückschluss auf den Elektrodenzustand des Fügekopfes im Betrieb und somit eine präzise Planung von Wechsel-, Reinigungs- oder Kalibrierungsintervallen möglich, der Produktionsausschuss wird reduziert. Weiterhin ist die benötigte Präzision der Anlage bei der Ablage, der Niederhalterung und dem Anpressdruck der Verbinder im Prozess ein wichtiger Parameter, der sowohl den Durchsatz als auch die Qualität der resultierenden Fügestelle beeinflusst und aus diesem Grund genau betrachtet werden soll.

Modelle für optimale Dimensionierung der Verbinder entwickeln

Auf Basis der experimentell gewonnen Erkenntnisse und der elektrischen sowie mechanischen Parameter der eingesetzten Materialien und der produktionstechnischen Randbedingungen sollen Modelle entwickelt werden, die die Berechnung der optimalen Verbinder-Dimensionen für verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht. Damit wird ein Produzent von Batteriepacks in der Lage sein, einfach und schnell eine Verschaltung für einen gewünschten Batteriepack zu berechnen. Für die Entwicklung werden im Projekt FEM-Simulationen zu den elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Zellverbinder und der Verschaltung durchgeführt.

Anlagen- und Prozessentwicklung techno-ökonomisch bewerten

Durch die techno-ökonomische Bewertung der Anlagen- und Prozessentwicklung im Projekt wird die Ausarbeitung des technischen und wirtschaftlichen Nutzens der entwickelten Anlagen und Prozesstechnologie für den Kunden im Vergleich zum verfügbaren Anlagenbestand realisiert. Darüber hinaus wird bewertet, wie gut sich die entwickelten Technologien in die Anforderungen eines variablen Marktes, mit ständigem Wandel und neuen Technologietrends, einfügen.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

Arbeitsgebiet

Modultechnologie

Geschäftsfeldthema

Photovoltaische Module und Kraftwerke

Geschäftsfeld

Photovoltaik