Zellverbindungstechnologien für Batteriemodule

Batteriespeicher für Solar- und Windstrom sowie für mobile Anwendungen bestehen aus einzelnen Batteriezellen. Die Art der Verschaltung einzelner Zellen zu Batteriemodulen entscheidet maßgeblich über die Zuverlässigkeit und Effizienz eines Batteriespeichers. Am Fraunhofer ISE entwickeln und analysieren wir geeignete Topologien, Technologien und Prozesse, um Batteriezellen elektrisch und mechanisch über Zellkontaktiersysteme zu verbinden. Hierzu setzen wir industrielle und flexible Anlagen für Widerstands- und Laserschweißverfahren ein.

Die praktische Entwicklung wird durch die Simulation der Schweißprozesse mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) unterstützt. Dadurch können präzise Vorhersagen zu Prozessparametern und zur Dimensionierung von Zellkontaktiersystemen getroffen werden. 

Auch elektrothermische Simulationen von Batteriemodulen im Betrieb sowie der Einfluss der Übergangswiderstände und Zellpositionen auf das Zellverhalten und die Alterungsprozesse wird berücksichtigt.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Zellverbindungstechnologien für Batteriemodule« umfassen:

• Auslegung von Batteriemodulen
• Herstellung von Batteriemodulen
• Prozessentwicklung für innovative Verschaltungskonzepte
• Charakterisierung von Schweißprozessen
• Mikrostrukturanalyse von Fügestellen
• Zerstörungsfreie Charakterisierung
• Analyse der Langzeitstabilität

Gemeinsam mit der Batteriesystemtechnik bieten wir die Auslegung von innovativen Batteriemodulen an. Dafür nutzen wir FEM-Simulationen und individuelle Fügeprozesse für eine möglichst homogene Stromverteilung bei parallel verschalteten Batteriezellen. Die Homogenisierung ist entscheidend für die Erhöhung der Lebensdauer und Effizienz von Batteriemodulen. Durch die geschickte Verschaltung von Batteriezellen wird das Batteriemanagement entlastet: Mikrozyklen zwischen Zellen verringern sich und die Steuerung der Batterie wird erleichtert. Dies führt zu einer besseren Leistung und längeren Lebensdauer der Batteriemodule.

Darüber hinaus bieten wir die Dimensionierung von Zellkontaktiersystemen an. Auf Grundlage von elektrischer und thermischer Modellierung optimieren wir das Design für einen optimalen Stromfluss und maximale Materialeinsparung. 

Zusammen mit dem Arbeitsbereich Batterie-Prototyping und -fertigung unterstützen wir Sie bei der Herstellung von Batteriemodulen. Ihnen steht die Expertise aus Verbindungs- und Systemtechnik zur Verfügung. Sie wollen Ihre Produktionslinie nicht unterbrechen oder von unseren umfassenden Kenntnissen in der Prozessentwicklung profitieren? Sie möchten neue Verbindungstechnologien oder Modulkonzepte an Prototypen oder Kleinserien erproben? Wir setzen gerne neuartige Verschaltungstopologien für Sie um, wie z. B. die einseitige Kontaktierung, positionsabhängige Fügeprozesse, den Einsatz von Zellkontaktiersystemen aus Aluminium oder Kupfer. Damit bieten wir Ihnen die Möglichkeit, die Energiedichte und Langlebigkeit Ihrer Produkte zu erhöhen.

Sie wollen einzelne Batteriezellen nach Norm oder darüber hinaus testen? Wir bieten auch den Service, Batteriezellen für die Tests elektrisch zu kontaktieren.

Nutzen Sie unsere Expertise zur Umsetzung innovativer und neuartiger Verschaltungskonzepte für Batteriemodule. Wir nutzen präzise FEM-Prozesssimulationen zur Vorhersage optimaler Schweißparameter und zur Auslegung von Schlitzstrukturen und Schweißbuckeln. Profitieren Sie von unseren Fähigkeiten zum Widerstandsbuckelschweißen sowie zum Laserschweißen und Laserbonden. Durch unser Know-How setzen wir Innovationen in der Prozessführung für die einseitige Verschaltung oder beim Kurzzeitschweißen mit hoher Wärmestromdichte für unterschiedliche Zelltypen und ‑formate um. Setzen Sie auf unsere Fähigkeiten, um die nächste Generation ihrer Batteriemodule zu entwickeln, ohne die Serienfertigung zu unterbrechen.

Eine intelligente Prozessentwicklung ist nicht denkbar ohne eine detaillierte Prozesscharakterisierung. Wir werten Schweißprozessdaten aus und beobachten die Schweißprozesse bis ins Detail. Dazu erfassen wir auch die resultierenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Fügestellen und ziehen Rückschlüsse auf die Prozessbedingungen. 

Sie sind Anlagenhersteller und möchten wissen, welchen Einfluss Ihre Konstruktionen auf den Schweißprozess haben? Mithilfe hochfrequenter Infrarot- und berührender Temperaturmesstechnik beobachten wir die Schweißprozesse und bestimmen deren Homogenität. 

Mit der korrekten Prozessführung zur Verschaltung der Batteriezellen legen wir das Fundament für hohe Sicherheit und gleichmäßige Alterung der Batteriezellen im Batteriemodul.

Sie möchten den Einfluss der Zusammensetzung von Zellkontaktiersystemen oder Beschichtungen auf Schweißprozesse, Fügestellen oder deren Langzeitstabilität ermitteln? Sie möchten die Einschweißtiefe bestimmen und ausschließen, dass die Batteriezellen beim Schweißen beschädigt werden? Mithilfe der Mikrostrukturanalyse ermöglichen wir, Antworten auf diese Fragen zu finden und Details der Gefüge zu analysieren, die sonst nicht zugänglich sind. Wir nutzen Methoden der Materialographie und Mikroskopie zum Nachweis von Wärmeeinflusszonen, Prozessführung, Schädigungsfreiheit und Kornstrukturen sowie der Oberflächenanalyse. Bei Mischverbindungen nutzen wir die Rasterelektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenanalyse zur Identifizierung von Gefügeänderungen, Phasenbildung und Diffusionszonen. Über die Nanoindentation ermitteln wir Härte und Sprödheit. Dazu greifen wir auf die langjährige Erfahrung in der Verbindungstechnik und die exzellente Laborausstattung des Fraunhofer ISE zurück.

Sie möchten Ihren Ausschuss in der Produktion reduzieren? Sie möchten eine schnelle, in-line-fähige und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle oder neuartige Charakterisierungsmethoden evaluieren? Wir bieten Ihnen verschiedene Methoden zur zerstörungsfreien Analyse der Fügestellen auf Batteriezellen an. Mithilfe der Scanning-Acoustic-Microscopy, der Mikro-Computer-Tomographie und der Röntgeninspektion treffen wir Aussagen über die Qualität der verschweißten Batteriezellen. Die Anbindungsfläche oder Anomalien lassen sich so identifizieren.

Darüber hinaus erproben wir auch innovative Methoden wie das optische Mikrophon und entwickeln diese mit unseren Partnerinnen und Partnern so weiter, dass Korrelationen zwischen der Qualität der Fügestellen und den Analysedaten sowie Rückschlüsse auf die Prozessparameter möglich werden.

Sie möchten die Langzeitstabilität ihrer Batteriemodule oder Fügestellen testen? Sie verschweißen artverschiedene Metalle – zum Beispiel Aluminium mit Kupfer – und interessieren sich für die Auswirkungen der Phasen auf Ihre Batteriemodule? Sie möchten Ihre Batteriesysteme als Ganzes altern? Wir bieten Ihnen verschiedene Methoden, um die Qualität Ihrer Produkte zu erhöhen und Ausfallmechanismen schnell zu identifizieren. Wir verwenden beschleunigte Temperaturwechselzyklentests oder thermische Auslagerung zum Triggern vom Wachstum (intermetallischer) Phasen oder Elektromigration, Shaker- und Vibrationstests, und vieles mehr. Die anschließende Mikrostrukturanalyse erlaubt uns den tiefen Einblick in die Ursachen von Alterungseffekten im Vergleich zum Initialzustand. Profitieren Sie von unserem langjährigen Knowhow. 

Sie interessieren sich für die Alterung von Batteriezellen? Unsere Post-Mortem-Analyse analysiert Fehler der einzelnen Komponenten.