Der Einsatz von Antriebs-Batteriesystemen in Automobilen birgt neue Herausforderungen: Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus zahlreichen einzelnen Zellen, mit einer Spannung von jeweils zirka 3,5 Volt. Da für leistungsfähige Elektromotoren jedoch ein gut hundertfaches Spannungsniveau erforderlich ist, müssen die Einzelzellen zu Gruppen zusammengefasst werden - den Speichermodulen. Um die benötigte Spannungslage zu erreichen, werden die Speichermodule wiederum durch Modulverbinder zum Gesamtspeicher verbunden.
Dabei müssen die Verbindungselemente die von den Zellen gelieferten Ströme mit möglichst geringem Verlust übertragen können und eventuelle Relativbewegungen der Zellpole zueinander ausgleichen, ohne dabei große Kräfte zu erzeugen. Zusätzlich müssen die Kosten pro verbundener Zelle möglichst gering gehalten und die Möglichkeit der automatisierten Montage gewährleistet werden. Die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Kapazität erfordern außerdem einen höheren Überwachungsaufwand als die bisherigen Technologien. Abhilfe schaffen leistungsstarke und wirtschaftliche Zellkontaktiersysteme mit integrierter thermischer und elektrischer Überwachung.
Mithilfe von Zellverbindern werden die Pole der Einzelzellen miteinander verschaltet. Dabei müssen Design und Werkstoff der Verbinder optimal auf den jeweiligen Zelltyp angepasst werden. Um einerseits sichere Verbindungen und eine hohe Stromleitfähigkeit zu gewährleisten, ist ein großer Querschnitt der Verbindungslösungen erforderlich. Andererseits müssen die Zellverbinder exakt auf die Polmaterialien abgestimmt sein, das heißt im Fall von zwei zu verbindenden Polen aus unterschiedlichen Werkstoffen muss ein Materialübergang innerhalb des Zellverbinders realisiert werden.
Um thermische Dehnungen von bis zu 200 Mikrometern - hervorgerufen durch Temperaturschwankungen zwischen den Zellen - ausgleichen zu können, müssen die Zellverbinder außerdem möglichst flexibel und dünn sein. Der Toleranzausgleich wird in dieser Anwendung über spezielle Kompensationsgeometrien erzielt, die in die Verbindungsbauteile eingeprägt werden. Die zuverlässige Funktion dieser Elemente ist äußerst wichtig. Auch wenn sich die notwendigen Ausgleichswege wie beschrieben nur im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters bewegen, führt ein Verzicht auf entsprechende Vorkehrungen zu starken mechanischen Belastungen der Dichtungen des Zellpols und damit zum frühzeitigen Ausfall der kompletten Zelle.
Ebenso bedeutend ist das Verbindungsverfahren. Geschraubte Kontakte erzeugen hohe Übergangswiderstände und können sich über die Zeit lösen. Bei einer Lötverbindung wird die Batterie thermisch sehr stark belastet, wobei sie Schaden nehmen kann. Die Lösung für dieses Problem stellen Laserschweißverbindungen dar. Sie haben die geringsten Übergangswiderstände, sind sehr haltbar und belasten die Zellen kaum.
Lithium-Ionen-Batterien sind im Vergleich zu allen anderen Batterien leistungsfähiger. Aufgrund ihrer großen Energiemengen, müssen Spannungen und Temperaturen im gesamten Batteriesystem sorgfältig überwacht werden. Unregelmäßigkeiten im Betriebszustand der Batterie müssen frühzeitig erkannt und an die Steuerelektronik weitergeleitet werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Signalstrang im Zellkontaktiersystem, der die Spannung jeder einzelnen Zelle abgreift. Gleichzeitig werden die Signale mehrerer integrierter Temperatursensoren erfasst.
Zellverbinder und Signalstrang sind zusammen mit Anschlussbauteilen in einem Trägerrahmen untergebracht. Dieser fasst die Bauteile mechanisch zusammen und bringt die Zellverbinder in die richtige Position, sodass sie im Folgeprozess direkt auf den Zellverbund aufgesetzt und verschraubt oder eben - was immer häufiger geschieht - verschweißt werden können. Eine eindeutige Kennzeichnung der Komponenten und präzise Abmessungen ermöglichen eine hochautomatisierte und sichere Montage der Bauteile.
Die Komplettlösung ergänzen können optional integrierte Modulverbinder, die als Schnittstelle zwischen den einzelnen Zellmodulen untereinander sowie zwischen Zellkontaktiersystem und Leistungselektronik unentbehrlich sind, und eine elektrisch isolierende Kunststoff-Abdeckung.
Neben der technischen Reife ist ein wichtiges Entwicklungsziel, die Herstellkosten des Produkts möglichst niedrig zu halten. Dies soll erreicht werden durch gezielten Werkstoffeinsatz und eine sinnvolle, an die Bedingungen der Zielanwendung angepasste, Materialauswahl. Außerdem müssen die zahlreichen unterschiedlichen Verbindungsfälle in diesem Produkt untersucht und die jeweils rationellste Fügetechnik ermittelt werden. Um unterschiedliche Modelle, die zum Teil unterschiedliche Herstellprozesse und Verbindungsverfahren erfordern, realisieren zu können, muss die Fertigungslinie zur Serienproduktion zudem flexibel und schnell umrüstbar sein. Dieses Basiswissen ermöglicht eine reibungslose Herstellung in der automatisierten Linienfertigung, wodurch gleichzeitig hohe Stückzahlen, stabile Prozesse und geringe Stückkosten erreicht werden.
Wie die unmittelbar mit dem Elektroantrieb verbundenen Komponenten, zum Beispiel das vorgestellte Zellkontaktiersystem, müssen auch Zubehörteile an die neuen Anforderungen angepasst werden - etwa Druckausgleichselemente. Sie werden in abgedichteten Steuergehäusen eingesetzt um Druckschwankungen auszugleichen. Höhenbedingte �?nderungen des Luftdrucks oder Temperaturunterschiede rufen solche Schwankungen hervor.
Da ein Energiespeicher sehr viel mehr freies Luftvolumen enthält als beispielsweise ein Steuergerät, sind hier leistungsfähigere Systeme notwendig, die die entsprechend großen Luftströme abführen können. Eine integrierte Notentlüftung führt im Fall eines Zelldefekts entstehende Gase schnell ab. Damit kann der Druck im Energiespeicher auf einem zulässigen Wert gehalten und das Steuergehäuse vor einer gravierenden Beschädigung geschützt werden.
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