Der folgende Beitrag entpricht unserem Fachartikel in der Fachzeitschrift PC & Industrie (Ausgabe 05/22):
Der Aufschwung der Elektromobilität ist unaufhaltsam. Dabei bezieht sich dies nicht nur auf Pkw, sondern auch auf vollelektrisch angetriebene Busse und sonstige Nutzfahrzeuge. Das Herzstück aller Erfolg versprechenden Mobilitätskonzepte sind dabei die zum Einsatz kommenden Traktionsbatterien, die die notwendige Leistung bieten, damit Fahrer und Fahrgäste sicher an ihr Ziel gelangen. Sicherheit bezieht sich hier auf zwei Aspekte: einerseits die Reichweite (die sich über eine ausreichende Ladesäuleninfrastruktur sowie die Ladekapazität von Batterien sicherstellen lässt) und andererseits die Eigensicherheit der Batterien. Zitat ADAC: „Eigensicher bedeutet, dass der Stromfluss der Batterie unterbunden wird, wenn im System ein Defekt auftritt.“ Im Klartext: Kommt es zum Beispiel zu einem Unfall, wird die Batterie sofort automatisch von den anderen Hochvoltkomponenten und den Hochvoltkabeln getrennt, sodass dort keine Spannung mehr anliegt.
In diesem Text soll es aber nicht um konstruktive Aspekte in Bezug auf die Reichweite noch die Eigensicherheit bei Unfällen oder sonstigen unerwarteten Ereignissen gehen. Hier geht es um die Frage der grundlegenden Batteriequalität. Wie lässt sich sicherstellen, dass Batterien, die in Fahrzeuge eingebaut werden, keine Defekte aufweisen, in einsatzbereitem Zustand sind und die anvisierte Leistung bereitstellen?
Effiziente Batterieherstellung mit umfänglicher Qualitätssicherung
Eines ist dabei – wie auch bei sonstigen Fertigungsprozessen – klar: Wenn die Qualitätssicherung erst am Ende der Fertigung (EOL) erfolgt, verschenken Batteriehersteller viel Potenzial zur Minimierung von Arbeits- und Kostenaufwand.
Für eine effiziente Batterieherstellung mit umfänglicher Qualitätssicherung bedarf es verteilter und dezentraler Konzepte, die an den entscheidenden Stellen in den Fertigungsprozess integriert werden. Dabei gilt es aber auch eine übergreifende Teststrategie zu implementieren, die den Gesamtprozess und das Produkt optimal abbildet und einen detaillierten Qualitätsreport am Ende der Wertschöpfungskette generiert.
Die Systemlösung aus dem Hause ProNES automation GmbH, welche im vergangenen Jahr unter der Markenbezeichnung batterieinspektor eingetragen wurde, bietet die Möglichkeit, die Qualitätssicherung in der erforderlichen gestaffelten Form durchzuführen. Die Prüfparameter lassen sich dabei gemäß den Erfordernissen für den jeweiligen Prozessstatus und abhängig vom jeweiligen Batterietyp einbinden:
- Prüfung der einzelnen Batteriezelle als Wareneingangsprüfung
- Funktionsprüfung und Balancing der montierten Batteriemodule
- Funktionsprüfung und Sicherheitsprüfungen am BMS
- Gesamttest des endmontierten Batteriepacks und SoC-Angleich
Die aus dem Einsatz in der Produktion entstandene Systemlösung mit modularer Struktur gewährleistet eine einfache Integration in die kundenspezifischen Fertigungsumgebungen und gestattet es, die gewählte Lösung an die spezifischen Anforderungen anzupassen, um im Zuge weiterer technischer Innovationen bei der Batterietechnik die Lösung bedarfsgerecht zu skalieren. Dabei sind die allgemein definierten Anforderungen der Automobilindustrie, als Beispiel sei hier die Einhaltung der LV123 genannt, vollständig berücksichtigt und integriert.
Aufbau des batterieinspektor
Der batterieinspektor ist modular augebaut. Er besteht aus Soft- und Hardware-Modulen. Die im Basissystem definierten Module beschreiben das grundlegende Software- und Hardwarefundament für eine Prüfanlage, welches alle Voraussetzungen für die Konfiguration einer bedarfsorientierten QS-Lösung bietet. Neben der erforderlichen Messtechnik, den Hochvoltkomponenten und allen weiteren benötigten Stromversorgungen zählen dazu Schnittstellen, die für die weitere Verarbeitung der erfassten Daten sowie unverzichtbare Datenbank-und Reporting-Funktionen erforderlich sind.
Dieses Basissystem lässt sich anschließend modular an das jeweilige Anforderungsprofil anpassen. Hier seien nur drei Module genannt, die sich in unserer täglichen Praxis als zentral herausgestellt haben:
Klimamodul
Mit dem Klimamodul lässt sich ein Batteriepack mit liquidem Kühlkreislauf (Wasser-Glykol-Mischung) aktiv temperieren. Es bietet somit alle Funktionen zur Einstellung von Temperaturvorgaben mit geregeltem Durchfluss und Druck. Die Temperaturspanne beim batterieinspektor reicht von -10 °C bis +100 °C. Ein eigener Echtzeitcontroller überwacht die benötigte Prozesstechnik. Der Controller kommuniziert mit dem übergeordneten MSR-Modul, um aus den Prüfsequenzen heraus die gewünschten Verhältnisse einzustellen. Bevor die Kühlflüssigkeit eingebracht wird, erfolgt an den Anschlüssen eine Druckprüfung. Nach Abschluss der Prüfroutinen wird das Kühlmittel wieder entleert und der gesamte Kreislauf des Wärmetauschersystems mit Druckluft freigeblasen. Überwachte Aktivkohlefilter im Klimatisierungssystem stellen die benötigte Sauberkeit des Kühlmediums sicher
Dichtheit
Dieses Modul dient zur automatischen Überprüfung der Dichtheit der Wärmetauschereinheit und der Anschlussstutzen. Es werden zwei unterschiedliche Verfahren angewandt.
- Druck- und Durchflussmessung an den Anschlussstutzen
- Differenzdruckmessung der Wärmetauschereinheit
Bei der Differenzdruckmessung wird der Prüfling mit einem definierten Prüfdruck beaufschlagt. Nach einer Beruhigungsphase wird anschließend der Druckverlust gemessen.
Da die Messung an 2 Seiten integriert wird, sind Drücke bis 20 bar realisierbar, aber auch sehr kleine Druckbereiche und Leckraten
Traceability
Traceability bzw. Rückverfolgbarkeit ist ein entscheidendes Kriterium für Smart Factorys zur Batteriefertigung. Sollten trotz aller QS-Maßnahmen Probleme bei den fertigen Batteriepacks auftreten, lässt sich die Fertigungskette bei entsprechender Konfiguration Schritt für Schritt und Komponente für Komponente rekonstruieren. Dies bietet die Möglichkeit, Probleme zielgenau an den kritischen Stellen anzugehen. Gleichzeitig gestatten es die erfassten Daten, Potenziale für die Prozessoptimierung besser auszuschöpfen. Da eine eindeutige Zuordnung der Daten zu den vielfältigen Komponenten möglich ist, lassen sich die fertigungsinternen Arbeitsschritte sowie die betrieblichen Abläufe im Umfeld besser planen und in Echtzeit steuern. Abschließend sorgt der batterieinspektor auch dafür, dass der Auslieferungszustand (SoC) für die Batterien hergestellt wird.
Fazit
Im erprobten Gesamtpaket sorgt eine vollumfängliche, modulare Systemlösung zur Batterieprüfung dafür, dass sich die Batteriefertigung in der Smart Factory umsetzen und optimal an die Kundenbedürfnisse anpassen lässt. Dies erlaubt es allen Batterieherstellern, Batteriesysteme zu liefern, die allen Qualitätsanforderungen gerecht werden.
Weitere Informationen zum batteriesinspektor finden Sie unter dem folgenden Link: