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Das Laserschweißen der Zellkontakte von Batteriemodulen

Bei der Montage von Batteriemodulen wird das Laserschweißen insbesondere für die Zellkontaktierung eingesetzt. Die Vorteile dieser Technologie sind zum einen hohe Qualitätsstandards und zum anderen geringe Kosten pro Zelle. Darüber hinaus ist das Laserschweißen sehr flexibel in Bezug auf verschiedene Geometrien. Aufgrund der hohen Dynamik am Markt der Batteriezellen sind potenzielle Änderungen bei Zelltyp und -geometrie und verschiedene Varianten an Zellen zu berücksichtigen. Die derzeit am häufigsten eingesetzten Batteriezellen werden nach ihrer äußeren Erscheinungsform in Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen eingeordnet.


Lasergerechte Konstruktion und Berücksichtigung der Fertigungstechnologie

Voraussetzung für den gelungenen Einsatz der Lasertechnologie für das Schweißen der Zellkontakte ist die lasergerechte Konstruktion und damit die Berücksichtigung der Fertigungstechnologie bereits in der Entwicklungsphase. Folglich ist eine Abstimmung zwischen Konstruktion und Fertigung für den Projekterfolg hier absolut notwendig.

Projekte im Bereich E-Mobilität und Energiespeicher sind oft zeitkritisch – wichtig ist es, schnell in die Serienfähigkeit überzugehen, anschließend zu skalieren und gleichzeitig die projektspezifischen Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Aufgrund dessen hat es sich bewährt, das Laserschweißen der Zellkontakte als eigenes Projekt zum frühestmöglichen Zeitpunkt zu starten. In dieser Phase ist es ausreichend, wenn erste CAD-Modelle, der konkrete Zelltyp und die verwendeten Werkstoffe vorliegen.
 

Versuche zur Bewertung der Machbarkeit und Kosten

Die Auswahl der geeigneten Systemtechnik für das Laserschweißen hängt eng von den konkreten Projektanforderungen und insbesondere vom verwendeten Zelltyp ab. So muss die geeignete Strahlquelle mit der passenden Optik ausgewählt werden. Wichtig ist für die Serie auch, inwieweit eine integrierte Prozessüberwachung möglich ist. Denn für die Serie muss gewährleistet werden, dass jeder Zellkontakt zuverlässig geschweißt ist. Die Systemtechnik kann im Nachgang nicht ohne weiteres verändert werden, daher ist es sinnvoll, an einzelnen Zellen bereits erste Versuche durchzuführen. Durch diesen Prozess kann die grundsätzliche Machbarkeit der Aufgabe bestätigt werden, ohne bereits ganze Module herstellen zu müssen. So sind konkrete Anforderungen an die Verbindung wie z. B. Anbindefläche oder Einschweißtiefe, zu berücksichtigen. Ebenso muss sichergestellt werden, dass die zellspezifisch maximal zulässige Temperatur nicht überschritten wird. Sind die Zellen zu diesem Zeitpunkt noch nicht verfügbar, können die Versuche auch mit lasergeschnittenen Dummy-Teilen durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden im nächsten Schritt durch metallographische Untersuchungen ausgewertet. Auf Basis dieser ersten Versuchsergebnisse können für das Gesamtprojekt wichtige Informationen früh berücksichtigt und detaillierte Aussagen zu Machbarkeit und Kosten getroffen werden.
 

Herstellung von Muster- und Prototypenmodulen für Testzwecke

Innerhalb der Projekte werden frühzeitig seriennahe Module für Tests benötigt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die geeignete Systemtechnik für das Laserschweißen durch die Versuche zwar bekannt ist, allerdings zu diesem Zeitpunkt noch keine vollständigen Spannvorrichtungen und abgestimmte Fertigungslinien für die Serie zur Verfügung stehen. Daher wird in dieser Phase des Projekts auf bestehende flexible Fertigungsanlagen zurückgegriffen, die dann mit der entsprechenden Systemtechnik ausgestattet werden. Mit modularen Spannkonzepten in Verbindung mit 3D-gedruckten Elementen können innerhalb kürzester Zeit komplette Module in geringer Menge hergestellt werden, ohne dass hohe Kosten für neue Vorrichtungen oder Anlagen anfallen. Gleichzeitig kann das Laserschweißen mit den identischen Parametern wie in der Serie durchgeführt werden.
 

Der Automatisierungsgrad ist volumenabhängig

Je nach Volumen, die sich aus dem Projekt ergeben, ist ein unterschiedlicher Automatisierungsgrad zweckmäßig, da ein hoher Automatisierungsgrad mit entsprechenden Investitionen einhergeht. Auch sind die zu produzierenden Mengen an Projektbeginn oft noch unbekannt. Insofern kann es zielführend sein, von Beginn an nicht in neue Fertigungslinien zu investieren, sondern auf bestehende Fertigungskapazitäten zurückzugreifen. Hierfür müssen bestehende Anlagen mit der notwendigen Spanntechnik ausgestattet werden, aber es entfallen einmalige Kosten für Investitionen in Maschinen und Automatisierung. Sollten sich die Volumen von Beginn an oder während des Projektverlaufs als hoch genug erweisen, sind Neuinvestitionen in optimierte Fertigungslinien häufig sinnvoll. Wichtig ist hierbei, die gesamte Prozesskette bei der Montage der Module zu berücksichtigen: So müssen die Zellen vorab getestet und kategorisiert, mit weiteren Einzelteilen wie Gehäuse und Zellverbinder montiert und daraufhin verschweißt werden. Nach diesem Vorgang findet abschließend ein finaler Test der Module statt.

Über alle Prozessschritte hinweg steht eine umfassende Logistik und Qualitätssicherung, deren Umfang nicht vernachlässigt werden darf. Die Qualität jeder einzelnen Schritte muss zwingend abgesichert und auf jeder Zellebene dokumentiert werden, wofür gegebenenfalls geeignete Softwarelösungen zum Einsatz kommen.
 

Projektmanagement verbindet Fachbereiche

Obwohl das Laserschweißen der Batteriekontakte zunächst als eine Aufgabe betrachtet werden kann, beinhaltet die Realisierung der Aufgabe von der konstruktiven Auslegung bis hin zur Serie die Beteiligung verschiedenster Fachbereiche. So müssen Entwicklung, Konstruktion, Produktion, Qualität und Betriebstechnik in jeder Phase in enger Abstimmung sein und bei der eigenen Aufgabe jeweils das Gesamtprojekt berücksichtigen. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, dass die Zusammenarbeit der Fachbereiche durch ein dediziertes Projektmanagement abgestimmt ist. Dies ist auch vor dem Hintergrund der eng getakteten Zeitpläne und deren Realisierung unabdingbar. So ist die Anforderung aus den Projekten, dass ex ante ein möglichst präziser Terminplan erstellt wird, obwohl zu Beginn nicht alle Informationen vollständig vorliegen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die Erfahrungen der beteiligten Fachbereiche frühzeitig in die Planung integriert werden.
 

BBW Lasertechnik als Partner für das Laserschweißen von Batteriezellen

Mittlerweile besitzt BBW Lasertechnik mehr als zehn Jahre Erfahrung im Laserschweißen von Zellkontakten und kann auf die erfolgreiche Umsetzung zahlreicher Projekte auf diesem Gebiet zurückblicken. Von der lasergerechten Konstruktion über Versuche und Prototypen bis hin zur Serienproduktion mit automatisierten Fertigungslinien sind wir ein kompetenter Ansprechpartner für das Laserschweißen von Batteriezellen. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich dabei von Batteriemodulen für mobile Anwendungen wie Flurförderfahrzeuge, Schienenfahrzeuge oder Flugtaxis sowie stationäre Energiespeicher. Weitere kundenspezifisch hergestellte Produkte sind Kühler für Batteriemodule, Modulgehäuse sowie Stromschienen und Leistungsverbinder.

 

Ein Beitrag von Andreas Bürger

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