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Kritische Baugruppen im Elektrofahrzeug

Die Herstellung von Batteriepacks

18. Oktober 2023, 10:30 Uhr | Autor: Rolf Horn, Redaktion: Irina Hübner

Batteriepacks sind eine komplexe und kritische Baugruppe in vollelektrischen Fahrzeugen. Die Leistungsfähigkeit, die Zuverlässigkeit sowie die Kosten eines Elektrofahrzeugs hängen stark von der Fähigkeit ab, das Batteriepack effizient und schnell zusammenzubauen. Was bei der Montage zu beachten ist.

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Batteriepacks sind bezüglich der Montage eine der komplexesten EV-Baugruppen. Es beginnt mit der Prüfung der einzelnen Batteriezellen vor der Montage. Als Nächstes werden häufig kollaborative Roboter (Cobots) eingesetzt, um die Batteriemodule zu montieren und dann die Module in fertige Batteriepacks zu integrieren – einschließlich der Stromschienen, der Kühleinheiten, des Batteriemanagements und anderer Teilsysteme. Schließlich ist ein automatisiertes visuelles Inspektionssystem erforderlich, um sicherzustellen, dass alle Elemente der Baugruppe richtig zusammengesetzt sind.

Im folgenden Fachbeitrag geht es um die Komplexität von EV-Batteriepacks und einigen zugehörigen Unterbaugruppen, einschließlich der Batteriezellenmodule, elektrisch effizienter und leichter Stromschienen und Kabelbaumverbindungen sowie eines aktiven Kühlsystems. Im Anschluss werden beispielhaft Produkte aus dem Sortiment von DigiKey vorgestellt, darunter ein Datenerfassungsinstrument von National Instruments, das als Teil des Batteriezellentestsystems verwendet werden kann, ein Cobot von Omron Automation, der für die Montage von Batteriepacks verwendet werden kann, und ein intelligentes Kameramodul mit eingebetteter Software von Banner Engineering, das sich als automatisierte Inspektionsplattform verwenden lässt.

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Bausteine für EV-Batteriepacks

Das Design von EV-Batteriepacks variiert von Hersteller zu Hersteller und manchmal sogar von einem EV-Modell zum anderen desselben Herstellers, was eine flexible Montage zu einem wichtigen Aspekt macht. Eines haben alle EV-Batteriepacks gemeinsam: Sie können aus Tausenden von Komponenten bestehen.

So bestehen EV-Batteriepacks aus zahlreichen Batteriemodulen, die zu einem endgültigen Batteriepack zusammengesetzt werden. Die Architektur der Module und Batteriepacks wird weiterentwickelt, um höhere Spannungen für den EV-Antriebsstrang zu liefern. Während bisher 400 V (DC) der Standard waren, ist nun ein Übergang zu Spannungen von bis zu 900 V (DC) zu verzeichnen. Der Hauptvorteil höherer Spannungen ist die schnellere Aufladung. Eine schnellere Aufladung macht aber die Montage der Akkus schwieriger – und potenziell gefährlicher.

Die Batteriezellen in einem Modul werden meist zusammengeschweißt. Die Module werden in der Regel mit großen Stromschienen verschraubt, um das komplette Batteriepack zu bilden. Die Architektur der Module kann ein Unterscheidungsmerkmal zwischen verschiedenen EV-Designs darstellen. Unabhängig von der Architektur muss das Batteriesystem thermisch verwaltet werden – hauptsächlich durch Kühlung, aber gelegentlich auch durch Heizung, wenn die Umgebungstemperatur für einen effizienten Batteriebetrieb zu niedrig ist. Das Wärmemanagementsystem kann bei kleinen Akkus passiv sein, bei großen Akkus ist jedoch ein aktives Wärmemanagement mit Phasenwechselvorrichtungen und Pumpen zur Umwälzung von Flüssigkeit für die Kühlung einzelner Zellen erforderlich.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht den Gesundheitszustand und die Ladung der einzelnen Batteriezellen. Das BMS umfasst eine Reihe von Spannungs-, Strom-, Temperatur- und anderen Sensoren, wobei die Sensoren häufig an jeder Batteriezelle angebracht sind. Das BMS kommuniziert mit dem zentralen Computersystem des Fahrzeugs.

Manchmal werden Sicherungen auf Modulebene verwendet, aber es gibt immer einen Überstromschutz für das gesamte Batteriepaket. Ein großes Hochspannungsschütz und andere Komponenten werden zum Vorladen des Motorantriebskreises verwendet, um potenziell schädliche hohe Einschaltströme beim ersten Einschalten des Elektrofahrzeugs zu verhindern. Ein Servicetrennschalter isoliert die hohen Spannungen im Akkupack und sorgt für eine sichere Umgebung für Servicetechniker, die am Elektrofahrzeug arbeiten. Hunderte von Schrauben, Muttern und Bolzen, Verbindungsstücken und anderen mechanischen Bauteilen werden benötigt, um den Zusammenbau abzuschließen.

Montage von Batteriepacks

Die Prüfung einzelner Batteriezellen ist ein wichtiger Schritt. Dies ist in der Regel der Abschluss im Zellproduktionsprozess in der spezialisierten Gigafactory, wo die Zellen hergestellt werden. Wenn die Zellen in der Produktionsstätte für Elektrofahrzeuge ankommen, werden üblicherweise ebenfalls stichprobenartige Qualitätssicherungsprüfungen durchgeführt, um das Qualitätsniveau der eingehenden Chargen von Batteriezellen zu überwachen.

Anschließend werden die Zellen zu Modulen zusammengesetzt. Module bestehen in der Regel aus etwa 12 bis 20 Zellen. Die Module sind in einem Metallrahmen gestapelt, der die Verbindungen, den Schutz vor Stößen und Vibrationen und bei einigen Modellen auch das Wärmemanagement gewährleistet. Die erforderliche Präzision wird mit zunehmender Größe und Gewicht des Akkupacks immer anspruchsvoller.

Aufgrund der erforderlichen Präzision und der Handhabung schwerer Lasten wird die Montage von Akkupacks häufig mit Cobots oder Industrierobotern durchgeführt. Ein Cobot kann schwere Lasten handhaben und die Hunderte von Schrauben, Verbindern und anderen Komponenten, die für das fertige Paket benötigt werden, schnell und präzise montieren. Das Batteriepack eines Nissan Leaf beispielsweise besteht aus 48 Modulen (Bild 1). Der letzte Schritt bei der Montage des komplexen Batteriepacks ist die automatische Prüfung einschließlich der visuellen Inspektion

Batterietests, Datenerfassung

Für die Entwicklung von Batterietestsystemen können Fertigungsingenieure das Datenerfassungsinstrument (DAQ) 779640-01 von National Instruments verwenden. Dieses Full-Speed-USB-2.0-Messgerät umfasst acht ±60-V-DC-Kanäle für isolierte digitale Eingänge, acht 60-V-DC- und 30-V-eff.-Kanäle für isolierte Halbleiterrelaisausgänge und einen 32-Bit-Zähler (Bild 2). Die acht isolierten Eingänge umfassen einen Optokoppler, eine Schottky-Diode und eine Strombegrenzungsschaltung auf Basis eines Verarmungs-MOSFETs. Das 779640-01 umfasst außerdem digitale Filterung, Änderungserkennung, programmierbare Einschaltausgänge und einen Watchdog-Timer.

Das DAQ-Instrument 779640-01 kann Veränderungen, einschließlich steigender Flanken, fallender Flanken oder beides, auf bestimmten Eingangsleitungen oder allen Eingangsleitungen gleichzeitig überwachen. Wenn eine Änderung erkannt wird, wird ein Interrupt erzeugt. Der Interrupt gibt nicht an, auf welcher Eingangsleitung die Änderung aufgetreten ist. Mithilfe der Software können die Zeilen gelesen und die Quelle der Änderungsmeldung ermittelt werden. Die digitale Filterung kann die Auswirkungen von Rauschen und elektromagnetischen Störungen (EMI) minimieren.

Das digitale Filter arbeitet auf den Optokopplereingängen. Optokoppler schalten langsamer aus als ein und übertragen daher fallende Flanken langsamer als steigende Flanken. Das digitale Filter kann dazu beitragen, durch Rauschen oder EMI verursachte Veränderungen zu beseitigen. Entwickler können die Filterkanäle mit programmierten Filterintervallen konfigurieren. Impulse, die kürzer als die Hälfte des programmierten Filterintervalls sind, werden blockiert. Impulse, die länger als das Filterintervall sind, werden durchgelassen. Dazwischen liegende Impulse können das Filter passieren, müssen es aber nicht.