Consulting zur technischen Sauberkeit von Hochvolt-Batterien

Herausforderung E-Mobilität: Identifikation von Schädigungsmechanismen
von Hochvolt-Fahrzeugbatterien und die Ausrichtung zum robusten Design – Teil 1

CleanControlling unterstützte 2019 und 2020 mehrere deutsche OEMs bei der Entwicklung und Industrialisierung von Hochvolt-Fahrzeugbatterien.

Durch die Vielfalt der potentiellen Schädigungsmechanismen durch partikuläre Verunreinigungen, aber auch die Bauteildimension ist ein Umdenken bzgl. der Spezifikation der Sauberkeitsgrenzwerten, der integralen Betrachtung der technischen Sauberkeit in der Montage, wie auch die Anwendung neuer Extraktionsverfahren erforderlich.

Alle OEMs stehen derzeit vor der Herausforderung in sehr kurzer Zeit Hochvolt-Fahrzeugbatterien zu entwickeln und zu industrialisieren. Gerade aus der Tatsache heraus, dass die Batterietechnik für viele Firmen Neuland und noch kein „Alltagsgeschäft“ ist, bleiben intern viele Fragestellungen bezüglich des Einflusses von Verunreinigungen auf die Funktionalität noch unbeantwortet. CleanControlling unterstützte deshalb mehrere OEMs bei der Entwicklung und Industrialisierung von HV-Fahrzeugbatterien um das Risiko, durch partikuläre Verunreinigungen einen Ausfall zu erleiden, zu minimieren.

Bekannte Schädigungsmechanismen neu kombiniert

Moderne Fahrzeugbatterien sind mechatronische Systeme welche meist aus vielen einzelnen Batteriemodulen zusammengesetzt sind, welche wiederum aus vielen Zellen bestehen. Somit ergeben sich im Laufe der Assemblierung der Batterien Spannungen die in den Bereich der  HV-Technologie reichen und oft mehr als 500 V betragen. Gerade aus diesem Grund kommen den Mindestabständen für Luft- und Kriechstrecken eine besondere Bedeutung zu.  Die DIN EN 60664-1 VDE 0110-1„Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen“ spezifiziert bereits den Umgang und die Berechnung für Luft- und Kriechstrecken. Dies erfolgt, zwar unter Berücksichtigung von Verunreinigungsgraden, jedoch liefern diese derzeit noch keine Information bzgl. den aus der VDA19.1 bekannten und gut spezifizierbaren Partikellängen oder -breiten, die ein wirklich quantifiziertes Ergebnis in die Berechnung einfließen lasse könnten. Umso mehr ergibt sich die Notwendigkeit der individuellen Betrachtung des Produktdesigns und der daraus resultierenden Schädigungsmechanismen.

Weitergehend finden an Batteriesysteme auch statische Dichtungen Einsatz welche bereits mit den Kenntnissen der Technischen Sauberkeit in Medienkreisläufen z.B. am Verbrennungsmotor bekannt und auf die Batterietechnik übertragbar und beherrschbar sind.

Ganz neue Anforderungen ergeben sich aufgrund der hohen Stromdichten z.B. an allen HV-Kontaktstellen in einer Batterie. Dort stellt sich gerade durch metallische Verunreinigungen in Kombination mit hohen Stromdichten Bimetall-Korrosion ein welche die Kontaktwerkstoffe und -bauteile durch einen beschleunigten elektrochemischen Prozess zersetzt, was durch die Verringerung der elektrischen Übertragungsfläche im schlechtesten Fall zu einer starken thermischen Entwicklung innerhalb der Batterie führt. Motivation genug diese Schädigungsmechanismen initial und grundlegend im kompletten Batteriekonzept zu analysieren, zu bewerten und anschließend zu verbessern.

Robustheit des Systems ermöglicht wirtschaftliche Sauberkeitsanforderungen

Hierzu wurden bereits in der frühen B-Muster-Phase Robustheits-Workshops durchgeführt bei denen die Batterie – welche zu diesem Zeitpunkt nur als digitales Modell vorlag – in den Workshops bis zum kleinsten Bauteil „auseinander genommen“ und hinsichtlich der resultierenden Schädigungspotentiale im Verbau betrachtet und bewertet wurde. Gleichermaßen konnten in den Workshops, welche größtenteils direkt mit Entwicklern und auch bereits nominierten Lieferanten stattfanden, direkt robustheits-fördernde Maßnahmen im Produktdesign empfohlen und diskutiert werden. Durch die in den Workshops identifizierten Anpassungen des Produktdesigns konnten die schädlichen Partikelgrößen in einigen Bereichen der Batterie verdreifacht werden. Diese Erhöhung der Robustheit führt direkt zu einer Reduzierung der Sauberkeitsanforderung und macht sich folge dessen in den Bezugskosten von einigen Komponenten aber maßgeblich auch in den Kosten für die produktionsnahen Maßnahmen, wie der Logistik, der Gebäude-Ausführung und auch der Produktionslinie signifikant bemerkbar.

„Die ursprünglich im Konzept eingeplanten Kosten für Maßnahmen zum Erreichen der technischen Sauberkeit konnten durch das Projekt um eine mittlere 7-stellige Summe reduziert werden…“ so ein Qualitätsverantwortlicher eines OEMs. Ferner konnte die Gesamtbatterie in mehrere Sauberkeitsbereiche mit den funktional genau darauf abgestimmten Sauberkeitsgrenzwerten unterteilt werden.

Unterstützung durch vollintegrierten Beratungsansatz

Gerade die Geschwindigkeit, in der die Entwicklung und Industrialisierung der Batterien erfolgt bedarf eines integrierten Beratungsansatzes, der es ermöglicht quasi Teil des Entwicklungsprozesses zu sein und notwendige Informationen, Dokumente, Spezifikationen und Gestaltungsrichtlinien direkt am „Point-of-use“ erstellen und diskutieren zu können. Dies Reduziert die Kommunikation über mehrere Schnittstellen hinweg und schafft bei allen Anspruchsgruppen das notwendige Verständnis und die Sensibilität für das Thema Technische Sauberkeit.

Ausblick auf weitere Berichte zu diesem Thema in unserem Newsletter:

  • Open-Loop und Referenzflächenprüfung anstatt holistischer Sauberkeitsanalyse
  • Extraktionsmethoden zur Bewertung der Sauberkeit innerhalb des Batteriesystems
  • Transfer in die Montage – Maßnahmen zur sauberkeitsgerechten Montage von HV-Batterien
  • Sauberkeitsaspekte in der Remanufaktur von Batteriesystemen