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Vollautomatische Anlage fertigt jährlich 300.000 Batteriemodule für E-Fahrzeuge

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

ElringKlinger setzt bei der Fertigung von Batteriemodulen auf eine vollautomatische Produktionsanlage von KUKA. Mit dieser sollen ab Herbst 2020 rund 300.000 Batteriemodule pro Jahr gefertigt werden, die vor allem für Elektrofahrzeuge vorgesehen sind. Die Module sind allerdings flexibel konzipiert und damit auch für andere Anwendungen einsetzbar.

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Stapelbildung in der Batteriemodulfertigung
Stapelbildung in der Batteriemodulfertigung
(Bild: KUKA)

Ab Herbst 2020 sollen Batteriemodule für die Elektromobilität bei ElringKlinger im Werk Thale auf einer vollautomatisierten Fertigungslinie hergestellt werden. Die Elektromobilität ist ein neuer Geschäftsbereich mit hoher strategischer Wichtigkeit für ElringKlinger.

Als einer der ersten Akteure auf dem deutschen Markt investiert das Unternehmen in eine großvolumige, hochautomatisierte Modulfertigungslinie. „Mit dem selbst entwickelten Batteriemodul begehen wir bewusst Neuland. Die eng verknüpfte Entwicklung und Industrialisierung des Produktes stellen uns unweigerlich vor technische Herausforderungen“, erklärt Mark Laderer, Director Production Battery Technology & E-Mobility bei ElringKlinger.

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Batteriemodulfertigung über vier Anlagenbereiche

Die Anlage ist in vier Hauptbereiche gegliedert. Im ersten Abschnitt werden die Batteriezellen getestet und für die Montage vorbereitet. Im zweiten Anlagenabschnitt wird aus den einzelnen Batteriezellen ein sogenanntes Rohmodul gefertigt. In der „Hochzeitsvorrichtung“ werden hierzu die Zellen zu einem Stapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengeführt. Zusammen mit den Druckplatten, die an den Enden des Stacks positioniert werden, und den Zugankern, die seitlich an den Batteriezellen platziert werden, wird dieser Stapel verpresst.

Mit Hilfe eines komplexen Laser-Systems und einer Laseroptik, die von einem KUKA-Industrieroboter des Models KR240 geführt wird, werden die Zuganker gegen die Druckplatten der Zellstapel verschweißt, und so das Rohmodul fertiggestellt. Je nach Anforderung werden zwölf bis vierundzwanzig Batteriezellen zu einem Batteriemodul gefügt.

Im dritten Anlagenabschnitt werden die Batteriemodule elektrisch verschaltet und gemessen. Hierzu wird das Zellkontaktiersystem („ZKS“) aufgesetzt und mit den Kontakten jeder einzelnen Batteriezelle verschweißt. Die besondere Herausforderung hierbei sind die sehr engen Bauteil- und Fügetoleranzen sowie die besonderen Anforderungen an das Laserkontaktschweißen, denn hier muss bei minimalen Wärme-Eintrag zuverlässig eine große Kontaktfläche erzeugt werden.

Die Laserschweißtechnologie bietet den Vorteil, dass sie berührungslos und kraftfrei arbeitet, und dabei schnell, präzise, verschleißfrei und gut kontrollierbar ist. Für ein optimales Kontaktierergebnis sorgt die eingesetzte Laserscanneroptik, die es ermöglicht die Geometrie der Schweißnähte flexibel zu gestalten.

Im vierten und letzten Anlagenbereich findet eine automatisierte elektrische und mechanische Endprüfung der Batteriemodule statt. Hier werden unter anderem die Isolationswerte auf eine Spannungsfestigkeit von bis zu fünf Kilovolt geprüft.

Dieser Test stellt sicher, dass Personen und Gegenstände vor elektrischen Überschlägen und Ableitströmen geschützt sind. Anschließend wird das Batteriegehäuse mit einem heißverstemmten Deckel abgedeckt, um das Batteriemodul berührungssicher zu machen und vor Staubpartikeln zu schützen. Zuletzt wird ein Data Matrix Code auf das Batteriemodul gelasert, der die eindeutige Identifizierung des Batteriemoduls ermöglicht.

Modularer Aufbau für Flexibilität in den Modulvarianten

Die Besonderheit der Anlage liegt in ihrem modularen Aufbau, der für die Flexibilität in der Fertigung sorgt. „Der modulare Aufbau war uns besonders wichtig, um die Möglichkeit zu haben, auf entsprechende Kundenwünsche schnell und unkompliziert reagieren zu können.“, sagt Mark Laderer. „Unser Anspruch ist es, sowohl kleinere Kunden mit einem fertigen Produkt, als auch etablierte Konzerne mit einer individuellen Lösung bedienen zu können – die KUKA-Linie ermöglicht uns beides.“

Es können verschieden große Batteriemodule im PHEV2-Format mit 12 bis 24 Batteriezellen pro Einheit produziert werden. Darüber hinaus kann in der Art der Verschaltung der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Batteriemoduls variiert werden.

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Traceability für lückenlose Rückverfolgbarkeit

Ein weiteres Augenmerk liegt auf dem Thema Traceability: Jedes im Modul verbaute Bauteil wird zusammen mit Prozessparametern dem finalen Produkt zugeordnet. Der Kunde kann dadurch auch Jahre später einsehen, welche Komponenten in jedem einzelnen Batteriemodul verbaut wurden und alle Schritte des Produktionsprozesses nachvollziehen. Darüber hinaus können im Produktionsprozess Fehler schneller identifiziert und Prozesse optimiert werden.

„Batteriemodulproduktion ist mehr als das mechanische Zusammensetzen von Einzelteilen.“, erklärt Max Fluhrer, Projektleiter Battery Solutions von KUKA. „Die Anlage muss individuell auf Chargenqualität reagieren können, flexible Produktkonfigurationen ermöglichen und die angesprochene hundertprozentige Traceability sicherstellen.“

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