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Batterien für den E-Antrieb

Automatisierung macht elektrische Energiespeicher bezahlbar
Batterien für den E-Antrieb

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Die Nutzung regenerativer Energien nimmt zu, auch hybride Antriebskonzepte und Elektromobilität sind auf dem Vormarsch: Damit gewinnt die Speicherung elektrischer Energie an Bedeutung.

Der Autor: Klaus Schulz, Business Development Montage & Handling, Bosch Rexroth AG

Im gleichen Zuge ist bei Automobilzulieferern intelligente Automatisierungstechnik gefragt, um Produktionsprozesse effizienter zu gestalten und so die Herstellkosten der Speichersysteme in diesem wachsenden Markt zu senken. Damit sind auch Automatisierungshersteller wie Bosch Rexroth gefordert, Komponenten und Systeme für die teilweise speziellen Anforderungen der Batterieproduktion zur Verfügung zu stellen – von der Elektrodenfertigung bis zur Batteriepackmontage.
Eine zentrale Anforderung an die Automatisierungstechnik lautet Flexibilität. Zum einen muss sie in einem volumenmäßig nur schwer einschätzbaren Markt die Anpassung der Fertigungskapazitäten zulassen. Zum anderen sind die Evolutionsprozesse gerade bei Lithium-Ionen-Batterien längst noch nicht abgeschlossen, was eine stetige Anpassung von Maschinen und Anlagen zur Folge haben wird. Folglich muss die Automatisierungstechnik es ermöglichen, Anlagen zu erweitern und aufzurüsten und auch manuelle Tätigkeiten einzubinden. Denn nicht alle Montagearbeiten lassen sich in der Batteriemodul- und Packmontage vernünftig automatisieren, Handarbeit ist immer noch gefragt.
Perfekte Achssynchronisation in der Elektrodenfertigung
Unabhängig vom Zell- und Batterietyp steht die Elektrodenherstellung am Anfang der Produktion. Hier sind bis zu zehn Komponenten präzise zu wiegen, mischen, mahlen und dosieren. Die exakte Einhaltung von Rezepturen, Homogenitäten, Partikelgrößen und das penible Verhindern von Materialkontamination sind entscheidend für die spätere Qualität einer Zelle. Bei der anschließenden Beschichtung der Träger- folien von Anoden und Kathoden sind hohe Produktionsgeschwindigkeiten, automatische Rollenwechsel und die Einhaltung von Schichtdicken mit sehr geringen Toleranzen gefragt. Kalander kommen zum Einsatz, um die Aktivmassen schließlich mit exakt eingestelltem Druck zu verdichten. Dieser Kalanderprozess ist von seinem generellen Funktionsprinzip her nicht neu und erfordert in der Druckindustrie seit mehreren Jahrzehnten die perfekte Achssynchronisation. Bosch Rexroth hat diese lange Erfahrung letztlich auf die besonderen Rolle-zu-Rolle-Prozesse der Batterieherstellung übertragen. Das kompakte, controllerbasierte Motion-Logic-System MLC regelt und synchronisiert verschiedene Teilaufgaben innerhalb einer Anlage präzise. Fertig programmierte Technologiefunktionen wie Zugspannungsregler und Wickelfunktionen sparen Zeit und Kosten beim Engineering. Den zum Kalandern der getrockneten Folienschichten notwendigen Druck erzeugen Hydraulikkomponenten von Rexroth. Durch die kombinierte Druck- und Positionsregelung gewährleistet das Motion- Logic-System MLC hierbei konstante Schichtdicken mit Toleranzen im Mikrometerbereich.
Prozessbedingungen in der Zellfertigung erfordern geeignete Komponenten
Die sich anschließende Zellfertigung beginnt mit dem Zuschnitt der Elektroden-Folien und dem Stapeln sorgfältig aneinandergereihter Anoden, Separatoren und Kathoden im permanenten Wechsel. Der Elektroden-Stapel oder -Wickel wird fixiert und verschweißt, mit Stromableitern versehen, verpackt und mit Elektrolyt befüllt. Es folgen der Zellverschluss, die Wärmelagerung, Formierung und Entgasung. Die mechanisch fertige Zelle wird dann einem mehrtätigen Alterungsprozess sowie abschließenden Tests unterzogen. Für die Qualität der Zelle ist der Ausschluss von Feuchtigkeit während der Produktion maßgebend, sodass der gesamte Fertigungsprozess im Trockenraum stattfindet. Diese Umgebungsbedingungen wirken sich gravierend auf die Produktionseinrichtungen aus. Kunststoffe werden aufgrund der Trockenheit zum Beispiel schneller spröde, brechen leichter oder gasen aus und altern damit schneller. Vergleichbares gilt für Klebstoffe, Schmier- und Dichtmittel sowie Dichtungen. Ferner werden statische Aufladungen aufgrund der fehlenden Feuchtigkeit nicht automatisch über die Luft abgeleitet. Das rückt die Themen EMV beziehungsweise ESD in den Fokus. Bosch Rexroth untersucht und qualifiziert aktuell alle für den Batteriebau relevanten Automatisierungskomponenten und Systeme für diese speziellen Umgebungsbedingungen. Als Basis dienen vielseitige Erfahrungen mit den eingesetzten Werkstoffen aus realisierten Kundenprojekten.
Ergonomische Arbeitssysteme erleichtern Batteriepackmontage
Die Batteriepackmontage beginnt mit dem Sortieren der Zellen, die in Rahmen gesetzt, gestapelt und gefügt werden. Zellableiter werden angeschweißt, Elektronik-Platinen für das Batteriemanagement hinzugefügt und schließlich Kühlelemente eingesetzt. Mehrere dieser Zellmodule werden individuell je nach Fahrzeugtyp zu einem Batteriepack zusammengesetzt. In der Batteriepackmontage mit bis zu 500 Einzelteilen können Endkunden und Anlagen- bauer je nach Investitionsbereitschaft viele Prozessschritte wie Schrauben, Schweißen, Löten und Prüfen automatisieren und standardisieren. Dagegen ist die Montage von Schläuchen bzw. Batterieabdeckungen nur manuell möglich. Damit haben abhängig vom Automatisierungsgrad und der Flexibilität der Produktionskette manuelle Produktionssysteme nach wie vor ihre Berechtigung. Hier kommt es auch auf Ergonomie an. Manuelle Produktionssysteme von Rexroth beispielsweise bestehen im Wesentlichen aus ergonomischen Arbeitsplätzen sowie Komponenten zur Material- und Informationsbereitstellung. Mit dem vollständig kompatiblen Rundrohrsystem Ecoshape können Fertigungsplaner zudem die Einrichtung von Handarbeitsplätzen und Materialbereitstellung individuell gestalten.
Sicherheitsrelevante Verschraubungen
Bei der Montage eines Batteriepacks, wie dem elektrischen Verbinden der Zellmodule, geht es vor allem um sicherheitsrelevante Verschraubungen. Prozesssichere Funk-Akkuschrauber mit vollständig integrierter Steuerungs- und Leistungselektronik wie der Nexo von Rexroth erleichtern die Arbeit durch mehr Bewegungsfreiheit und reduziertem Platzbedarf. Rexroth hat seine Funk-Akkuschrauber Nexo speziell für das Verschrauben unter elektrischer Spannung angepasst, um sowohl den Werker als auch den Batteriepack vor Kurzschlüssen zu schützen. Eine digitale Datenübertragung gewährleistet eine lückenlose Dokumentation der Verschraubung.
Die Zellfertigung stellt hohe Anforderungen an die Automatisierung durch schlecht abschätzbare Fertigungsvolumen sowie stetige Weiterentwicklungen von Prozessen für diese Energiespeicher. Fest steht, dass auf Dauer nur hohe Stückzahlen die wirtschaftlich attraktive Produktion erlauben werden. Die Erhöhung des Automatisierungsgrades sowie eine zunehmende Standardisierung sind dafür unerlässlich.
Bosch Rexroth, Tel.: 09352 18-4145, Anfragen-PR@boschrexroth.de
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