Akkus auf Achse

Das Leuchtturmprojekt „SafeBatt“ der Nationalen Plattform für Elektromobilität der Bundesregierung befasst sich mit der Weiterentwicklung sicherer Batterietechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. SafeBatt steht für aktive und passive Maßnahmen an Batteriekomponenten zur Steigerung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Forschungsprojekt mit insgesamt 19 Millionen Euro. SafeBatt wurde zum 1. Juli 2012 gestartet und läuft bis 30. Juni 2015.

Elring Klinger bringt dabei in erster Linie seine Erfahrungen bei der Zellkontaktierung und hier insbesondere bei der Evaluierung und Integration der Sensorik ein. Der Automobilzulieferer hat den Bereich E-Mobility in den letzten drei Jahren neu aufgebaut. Aus seiner neuen Fertigung liefert das Unternehmen bereits seit 2011 Zellkontaktiersysteme zur Verbindung der Batteriezellen in Lithium-Ionen-Batterien für den Serieneinsatz. In zahlreichen Entwicklungsprojekten wird an besonders leistungsfähigen und dauerbelastbaren Lösungen zur Verbindung sowohl von zylindrischen als auch prismatischen Zellen in Batterie-Stacks gearbeitet.

Den Großteil seiner Produkte entwickelt das Unternehmen aus den eigenen Erfahrungen und Prozessen heraus, etwa der Material- und Werkzeugkompetenz bei der Metall- und Kunststoffbearbeitung. Wo ergänzende Anforderungen nötig sind, kooperiert der Zulieferer mit Partnern. Daneben hat Elring Klinger spezielle Prüf- und Absicherungseinrichtungen aufgebaut und in moderne Fertigungsanlagen investiert.

Li-Ionen im Auto mit cleveren Zellverbindern

Elring Klinger bietet hinsichtlich der Komponentenfertigung für Lithium-Ionen-Batterien ein Komplettpaket von der Idee über die Entwicklung und Absicherung bis hin zur Serienproduktion.Elring Klinger

Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus zahlreichen einzelnen Zellen mit je einer Spannung von zirka 3,5 V. Da für leistungsfähige Elektromotoren jedoch ein gut hundertfaches Spannungsniveau erforderlich ist, werden die Einzelzellen zu Gruppen, sogenannten Speichermodulen, zusammengefasst. Die Speichermodule wiederum werden zum Gesamtspeicher verbunden. Zellkontaktiersysteme bestehen aus Zellverbindern, elektronischen Bauteilen und Sensoren, einem Trägerrahmen beziehungsweise Zellhaltern und gegebenenfalls zusätzlichen Modulverbindern. Zellverbinder verschalten die Einzelzellen sowohl in Reihe als auch parallel miteinander. Als zentrale Komponenten des Kontaktiersystems übernehmen sie die Stromführung zwischen den einzelnen Zellen eines Moduls. Dabei müssen sie einerseits möglichst flexibel und dünn sein, um Toleranzen zwischen den Zellen auszugleichen. Andererseits sollen sehr hohe Ströme mit möglichst geringen Verlusten übertragen werden, wofür ein großer Querschnitt erforderlich ist.

Elring Klinger stellt die Zellverbinder als Stanzteile her. Die einzelnen Varianten sind für die derzeit üblichen drei Zelltypen optimiert: prismatische Zellen, zylindrische Zellen und Pouch-Zellen. Die Zellverbinder sind dabei auf die Polmaterialien abgestimmt: Im Fall von zwei zu verbindenden Polen aus unterschiedlichen Werkstoffen realisiert der Hersteller einen definierten Materialübergang innerhalb des Zellverbinders. Werkstoff – Aluminium, Kupfer- oder Nickel-Verbindungen – sowie Design – geschraubt oder verschweißt, ein- oder mehrlagig, mit unterschiedlichen Geometrien – werden auf den jeweiligen Zelltyp angepasst, um eine hohe Stromleitfähigkeit zu erreichen und eine hohe thermische und physikalische Belastbarkeit zum Ausgleich von thermischen Dehnungen, hervorgerufen durch Temperaturschwankungen zwischen den Zellen.

Die Zellverbinder kompensieren thermische Dehnungen von bis zu 200 µm. Da sich in den Li-Ionen-Akkus große Energiemengen speichern lassen, ist es unerlässlich, die Spannungen und Temperaturen sorgfältig zu überwachen. Die Zellkontaktiersysteme sind deshalb mit Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren ausgerüstet. Sie werden entweder mit einer Leiterplatte, einem Stanzgitter oder einem Kabelbaum bis zur Steckerschnittstelle der Steuereinheit verbunden.

Zellverbinder und Sensoren sind in einen hochspannungssicheren Trägerrahmen integriert. Dieser bringt die Verbinder in die richtige Position, so dass sie sich im Folgeprozess punktgenau mit den Zellpolen verschweißen lassen. Außerdem sind in den Rahmen Isolierungs- und Berührschutzelemente integriert. Sie sorgen dafür, dass die jeweils höchsten Sicherheitsklassen erfüllt sind. Eine elektrisch isolierende Kunststoff-Abdeckung macht das Zellkontaktiersystem komplett. Elring Klinger stimmt die Zellkontaktiersysteme auf die jeweiligen Lastenheft-Vorgaben des Kunden ab. Dieser kann die Systeme direkt auf den Zellverbund aufsetzen und verschrauben oder verschweißen. Überdies lässt sich die integrierte Sensorik und Elektronik optional um Modulverbinder erweitern, die als Schnittstellen zwischen den einzelnen Zellmodulen untereinander sowie zwischen Zellkontaktiersystem und Leistungselektronik unentbehrlich sind. Auf Wunsch sind die Modulverbinder bereits direkt im Zellkontaktiersystem integriert.

Unter Druck

Darüber hinaus hat Elring Klinger weitere Innovationen im Portfolio, etwa Druckausgleichselemente für die Energiespeicher. Deren abgeschlossenes Luftvolumen unterliegt je nach Umgebungsbedingungen und Betriebsverhalten der Batterie gewissen Druckschwankungen. Um Schädigungen der empfindlichen Komponenten zu vermeiden, ist ein Druckausgleich mit der Umgebung erforderlich.

Das Be- und Entlüftungssystem mit integrierter Sicherheitsfunktion des Herstellers bietet eine Lösung. Den Druckausgleich regelt eine PTFE-Membran (Polytetrafluorethen), deren Dicke und Porösität die Luftleitwerte definiert. Die Membran erfüllt ihre Aufgaben über die gesamte Fahrzeuglebensdauer und entspricht den Vorgaben hinsichtlich Feuchtigkeits- und Berührschutz. Im Fall eines Zelldefekts führt eine zusätzlich integrierte Not-Entgasungsfunktion die entstehenden Gase sicher ab. Damit bleibt der Druck im Energiespeicher auf einem zulässigen Wert. Der Auslösedruck dieser Sicherheitsfunktion ist in weiten Bereichen einstellbar.

Neben dem Druck ist die Feuchtigkeit ein weiteres Gefährdungskriterium für elektrische Energiespeichersysteme. Ein Kondensatabscheider führt eventuell auftretende Feuchtigkeit in der Batterie durch integrierte Drainage-Lösungen sicher ab, bevor sie Korrosion auslösen kann. Die Absicherung der Einzelkomponenten und Systeme für die Elektromobilität unternimmt Elring Klinger im eigenen Prüf- und Absicherungslabor, wo das Unternehmen mechanische, elektrische und chemische Prüfungen der Bauteile durchführt.

Extreme Anforderungen

Ein Fokus liegt auf einer ausreichend hohen mechanischen Belastbarkeit. Besonders die Prüfungen der unterschiedlichen Verbindungen zwischen den Bauteilen, die mit Versuchen auf ihre Haltbarkeit über das ganze Fahrzeugleben hinweg analysiert werden, stehen im Mittelpunkt. Beispielsweise müssen die Zellverbinder Relativbewegungen der Zellpole über die Lebenszeit des Energiespeichers ausgleichen können. Dauerschwingprüfungen mit mehreren Tausend Lastwechseln simulieren diese Anforderungen. Bei der elektrischen Absicherung ist besonders das Verhalten bezüglich Spitzenströmen von mehreren Tausend Ampere und Höchstspannungen bis zu zehn Kilovolt wichtig. In den Labors werden beispielsweise die Zellverbinder konstanten Strömen, definierten Lastprofilen oder sehr kurzen Spitzenbelastungen – etwa wie bei einem Kurzschluss der Batterie – ausgesetzt, um ihre Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit zu testen.

Bei der chemischen Absicherung schließlich wird die Resistenz der Materialien gegenüber aggressiven chemischen Substanzen geprüft. Etwa gegenüber dem flüssigen Elektrolyt in der Hochvoltbatterie, dessen Lösungseigenschaften gänzlich anders im Vergleich zu Elektrolyten in konventionellen Starterbatterien sind. Weitere Aufgaben sind Temperaturprüfungen und Tests zur Alterungsbeständigkeit. Dafür stehen im chemischen Labor zum Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop, die thermogravimetrische Analyse und die Autoklaveneinlagerung zur Verfügung. Den Rundum-Service des Unternehmens vervollständigen der eigene Prototypenbau und die Serienfertigung. Als Verbindungstechnik kommt unter anderem das Ultraschall- oder Laserschweißen zum Einsatz – für beide stehen umfangreiche Prozesserfahrungen aus der Serienfertigung bereit.

(mrc)