Intelligentes Wärmemanagement beim Fügeprozess von Batterien für Elektrofahrzeuge

Die Elektromobilität muss sich ständig weiterentwickeln, um den steigenden Anforderungen des Marktes in Bezug auf Betriebssicherheit, Leistung, Reichweite, Ladezeiten und Kosten gerecht zu werden. Das Herzstück des Fahrzeugs, die Batterie, kann ihre maximale Leistung nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liefern. Jede Batterie erzeugt während des Ladens und Entladens Wärme, die aus Sicherheitsgründen und zur Aufrechterhaltung der langfristigen Batteriekapazität geregelt und abgeleitet werden muss. Im Batteriefach wird eine Wärmeleitpaste aufgetragen, um eine Überhitzung aufgrund der durch den Betrieb der Zellen erzeugten Wärme zu verhindern.

Diese hochviskosen Materialien, angereichert mit speziellen Füllstoffen, sind auch als Gap Filler bekannt und ermöglichen ein aktives Wärmemanagement großer Batteriepacks, indem die beim Laden und Entladen der Zellen erzeugte Wärme in geeignete Kühlstrukturen abgeleitet wird.

Beim Fügeprozess wird nach dem Abdichten des Batteriefachs und der Montage von Kühlsystem und Fächern eine Wärmeleitpaste aufgetragen. Ein präziser Auftrag ohne Lufteinschlüsse ist unerlässlich. Fortschrittliche Verschraubungstechnologie sorgt für optimalen Kontakt zwischen Gehäuse und Batteriemodul, indem das Verhalten der Wärmeleitpaste an der Verbindungsstelle berücksichtigt wird.

Der Auftrag des flüssigen Materials in großen Mengen und mit einem hohen Durchfluss stellt eine Herausforderung dar. Ein leistungsstarkes Applikationssystem mit Komponenten, die dem abrasiven Material standhalten können, ist entscheidend. Verschiedene Applikationsmuster, wie parallele Linien, mäander- oder knochenförmiger Auftrag, können verwendet werden, um das blasenfreie Aufbringen der Module auf die Wärmeleitpaste zu fördern. Zur Entwicklung des entsprechenden Applikationsmusters sind umfangreiche Materialtests erforderlich. In unseren globalen Innovationszentren bringen wir Batterie- und Ausrüstungshersteller sowie Materiallieferanten mit unseren Experten für Fügeprozesse zusammen, um den optimalen Auftrag für jeden Einzelfall zu finden.

Beim Auftrag des Materials sind die Toleranzen in der Passung zwischen Batteriefach und Zellenmodul als Gegenstück zu berücksichtigen. Die jeweiligen Toleranzen der Komponenten ergeben einen Spalt von 0,5 bis 3 mm.
Wird zu wenig Material aufgetragen, kann dies zu unzureichender Füllung und Lufteinschlüssen führen, was sich negativ auf die Qualität des Wärmemanagements auswirkt.
Hersteller verwenden in der Regel zu viel Material, um sicherzustellen, dass der Spalt auch bei maximalen Toleranzen ausreichend gefüllt ist, was zu Materialverschwendung, erhöhtem Gewicht der Batterie und höheren Kosten führt. Wenn die Module bei der Verschraubung das Material herausdrücken, kann dies außerdem technische Defekte verursachen. Das Ziel ist, so wenig Material wie möglich präzise aufzutragen.

Atlas Copco verwendet ein vorgeschaltetes industrielles Bildverarbeitungssystem in Kombination mit einem intelligenten Algorithmus. So kann das Dosiersystem die Wärmeleitpaste exakt auftragen. Smart.Adjust berechnet und steuert die optimale Materialmenge.
Im ersten Schritt messen 3D-Sensoren die Unterseite des Batteriemoduls und die Oberfläche des Batteriefachs. Die Scandaten werden in der Software zusammengeführt. Dadurch können die Toleranzen und das Volumen der Säule genau berechnet werden. Der intelligente Algorithmus bestimmt das erforderliche Materialvolumen basierend auf den Scandaten und sendet die Informationen direkt an die Liniensteuerung des Applikationssystems, wodurch die Parameter für jeden einzelnen Auftrag angepasst werden und das optimale Materialvolumen aufgetragen wird. Die genaue Einstellung des Volumens erfolgt direkt über das Dosiersystem.

Um das Wärmemanagement zu verbessern, sollte neben dem Auftrag auch die Materialversorgung beachtet werden. Herausforderungen entstehen durch die einzigartigen Eigenschaften von Materialien für das Wärmemanagement. Aufgrund der hohen Dichte sind die Fässer oft nur zur Hälfte gefüllt, was häufige Wechsel erforderlich macht. Nach jedem Wechsel sind manuelle Entlüftungs- und Spülmaßnahmen erforderlich, was zu einem Verlust von 1,5 bis 6 Litern Material beim Pumpen führt. Darüber hinaus ist es mit herkömmlichen Pumpen schwierig, ein Fass vollständig zu entleeren, sodass in einem 200-Liter-Fass bis zu 6 Liter Material zurückbleiben.
Dieser komplexe Prozess braucht Zeit, verschwendet teure Wärmeleitpaste und erfordert eine kostspielige Entsorgung von Materialrückständen. Die Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität während des gesamten Dosierprozesses ist aufgrund der manuellen Abläufe ebenfalls eine Herausforderung.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Atlas Copco die neue Generation von Materialpumpen Plus.Supply entwickelt. SCA ENSO Plus.Supply mit halbautomatischem Fasswechsel, einer neu entwickelten flachen Folgeplatte und Vakuumtechnologie hat mit 99,4 % Materialverbrauch pro Fass die beste CO₂-Bilanz. Eine Vakuumpumpe pumpt automatisch die zwischen der flachen Folgeplatte und dem Material eingeschlossene Luft ab, sodass ein halbautomatischer Fasswechsel möglich ist. Manuelle Prozesse wie Entlüftung und Spülung entfallen. Dadurch werden die Komplexität des Fasswechsels und der Schulungsaufwand verringert, Lufteinschlüsse im Material, die zu Anwendungsfehlern führen können, werden vermieden und die Sicherheit des Bedieners erhöht. Mit drei verschiedenen Grundplatten für Plus.Supply erfüllen wir die logistischen Anforderungen nahezu aller Hersteller.

Messbare Vorteile werden durch ein innovatives Applikationssystem erzielt, das Bauteiltoleranzen berücksichtigen und das Material optimal auftragen kann. Die Rolle der Materialversorgung im Wärmemanagement wird häufig unterschätzt. Innovative Materialversorgungskonzepte bieten einen großen Spielraum für Materialeinsparungen und Prozessverbesserungen bei Fasswechseln und tragen auch zur deutlichen Reduzierung der CO₂-Emissionen im Montageprozess von EV-Batterien bei.