Schweißen und Schweißsysteme bei der Batteriepack-/Modulfertigung

Gastbeitrag:  Amada Weld Tech

Veröffentlicht am: 11.12.2020

Die Fertigung von Batteriepacks verzeichnete in den letzten Jahren ein enormes Wachstum, das zum großen Teil auf die Elektrifizierung des Antriebsstrangs, kabellose Elektrowerkzeuge und stationäre Energiespeicher zurückgeht. Für die Herstellung der äußerst wichtigen Anschlüsse der Batterielaschen steht eine Vielzahl von Schweißvorrichtungen und -verfahren zur Verfügung. Diese Systeme lassen sich problemlos in Produktionslinien für Batteriepacks integrieren.
Welche Technologie für eine effiziente Batteriepack-Fertigung geeignet ist, hängt von der Art der Batterien, vom Material und der Dicke der Laschen sowie von der gewünschten Produktionsmenge ab.

Wichtige Märkte für die Fertigung von Batteriepacks – Mobilität, kabellose Werkzeuge und Energiespeicherung

Treibende Faktoren für das Wachstum der Batteriepack-Fertigung in Europa – insbesondere in Deutschland und Mitteleuropa – ist der Bereich Elektromobilität. In den letzten Jahren nahm die Batterieproduktion um jährlich 70 Prozent zu. Dies liegt vor allem an der Elektrifizierung des Antriebs von Pkw, Bussen, sowohl leichten als auch schweren Nutzfahrzeuge, Motorrädern und sogar E-Bikes.

Einige Fahrzeuge fahren voll elektrisch, und die Vorschriften über Emissionen und Kraftstoffverbrauch zwangen fast alle Fahrzeughersteller, zumindest eine „milde Hybridisierung“ für Pkw anzubieten. Bei der milden Hybridisierung schaltet sich der Motor ab, wenn das Fahrzeug ausrollt, bremst oder stoppt, startet aber schnell wieder. Typischerweise wird auch Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt, um die Batterie zu laden.

Neben dem Bereich der Mobilität sind auch tragbare elektronische Geräte und kabellose Elektrowerkzeuge wichtige Wachstumstreiber. Die Verbraucher wollen so frei und mobil wie möglich sein und nicht durch eine Steckdose eingeschränkt sein. Wenn zum Beispiel der Verbrennungsmotor in einem Unkrautschneider oder einer Kettensäge durch einen Elektromotor ersetzt wird, verringern sich auch Abgase, Umweltverschmutzung und Lärm.

Dezentrale Stromerzeugung ist ein weiterer interessanter Markt für Batteriepacks, der gerade erst Fahrt aufnimmt. Sogenannte Heimspeicher – im Prinzip vergleichbar mit einer großen Autobatterie – versorgen die Bewohner im Notfall mit Strom. Sie können auch als lokale Speicher für Strom aus Photovoltaik-Anlagen dienen, Energieverbrauchsspitzen auffangen oder sogar eine „netzferne“ Stromversorgung ermöglichen.

Abbildung 1: Schweißprozesse

Batterietypen und Materialien

Für den Einsatz in Batteriepacks stehen verschiedene Batterietypen zur Verfügung, zum Beispiel zylindrische oder sogenannte prismatische Batterien, Pouch-Zellen und Super- bzw. Ultra-Kondensatoren. Vier bis über zweihundert Batterien lassen sich zu Batteriemodulen zusammenschweißen. Diese Module werden dann zu einem Batteriepack zusammengefasst. Meistens beziehen die Modulhersteller einzelne Batterien von einem Anbieter.
Der entscheidende Prozessschritt bei der Batteriepack-Fertigung besteht somit darin, die einzelnen Batterien mittels einer Kollektorplatte miteinander zu verbinden. Dabei werden Anschlusslaschen an die Plus- und Minuspole der einzelnen Batteriezellen geschweißt. Dies wird auch als „Chaining“ („Verkettung“) der Batterien bezeichnet.

Üblicherweise kommt Nickel für Batterielaschen zum Einsatz, weil es hervorragende Schweißeigenschaften besitzt. Es lässt sich problemlos mit Batteriegehäuse-Materialien wie Nickel, Stahl, Edelstahl, vernickeltem Stahl und HILUMIN^® verschweißen. Nickel ist aber auch relativ teuer und besitzt ein hohes Gewicht, einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Steifigkeit. Kupfer ist als Material für Batterieanschlüsse elektrisch am leitfähigsten; nur Silber oder Gold haben eine höhere Leitfähigkeit. Aber Kupfer ist relativ teuer. Daher tendieren die Hersteller bei manchen Anwendungen eher zu Aluminium. Der elektrische Widerstand von Kupfer beträgt nur zwei Drittel des Wertes von Aluminium, sodass Kupfer in Hinblick auf die Leistung des Elektropacks eineinhalb Mal besser ist. Allerdings sind Kupfer-Batterielaschen etwa 15 Mal teurer als Aluminiumlaschen, und sie sind etwa viermal schwerer. Bei allen Anwendungen, die maximale elektrische Wirkungsgrade oder möglichst hohe Spitzenströme erfordern, sollte sich der Hersteller für Kupfer entscheiden.

Schweißtechnologien für Batteriepacks: Vor- und Nachteile

Es gibt mehrere Alternativen für das Verschweißen von Batterielasche und Verbinder,
darunter Laserschweißen, Widerstandsschweißen, Mikro-Lichtbogenschweißen (auch bekannt als Impulslichtbogenschweißen) und Ultraschallschweißen. Das jeweils richtige Schweißverfahren hängt von Batterietyp, Material und Dicke der Laschen sowie von der gewünschten Produktionsmenge ab.

Widerstandsschweißen

Widerstandsschweißen ist die traditionell in der Fertigung von Batteriepacks eingesetzte Schweißtechnologie. Diese zuverlässige Technologie gibt es schon seit Jahren; sie erfordert relativ geringe Investitionen. Das Widerstandsschweißen ist ein relativ einfaches Verfahren:
der Bediener drückt die Batterielasche nur mit einem Schweißkopf, der über ein Kabel oder einen Fußschalter betätigt wird, nach unten und startet den Schweißvorgang.

Aufgrund der physikalischen Berührung des Werkstücks sind die Prozessdaten beim Widerstandsschweißen am einfachsten zu verwalten und zu überwachen. Die Instrumente messen den Schweißprozess problemlos, darunter elektrische Parameter wie Strom,
Spannung, Widerstand, Leistung und mechanische Parameter wie Kraft, Höhe und Bewegung der Elektroden beim Schweißen.

Ein Nachteil des Widerstandsschweißens liegt darin, dass der Hersteller insofern eingeschränkt ist, als er den Schweißstrom mithilfe von Buckeln oder Vertiefungen lenken und konzentrieren muss. Die elektrischen Anschlüsse sind pro Batterieseite auf einen oder zwei Buckel beschränkt, die insgesamt zwei oder vier kleinflächige Schweißpunkte bilden (typischerweise 0,5 mm²). Sobald diese Anschlüsse hergestellt sind, durchfließt sie ein zusätzlicher Schweißstrom, was zu einem Nebenstrom führt und die Erzeugung eines weiteren Anschlussbereichs verhindert.

Ein weiterer Nachteil des Widerstandsschweißens auf dem heutigen Markt ergibt sich aus der Tatsache, dass das Verfahren einen elektrischen Widerstand erfordert, um die Verbindung durch Schmelzen des Materials herzustellen. Zunehmende Wirkungsgrade und Leistungen der Batterien (höherer Energiefluss von einer Batterie gegebener Größe) erfordern geringere Widerstände ihrer Verbindungen. In früheren Batterieanwendungen wurde traditionell entweder Nickel als Material eingesetzt oder HILUMIN^®, ein diffusionsgeglühter Bandstahl mit elektrolytischer Nickelbeschichtung. Seit kurzem verwenden die Hersteller auch elektrisch leitfähigere Materialien mit geringerem Widerstand wie Kupfer oder Aluminium. Auch dickere Materialien kommen zum Einsatz, um einen Batteriepack mit höherem Wirkungsgrad zu erhalten, da dickeres Material den Widerstand senkt und den Stromfluss erleichtert. Je mehr sich der Widerstand dem Wert Null nähert, desto schwieriger wird das Widerstandsschweißen.

Laserschweißen

Ein wichtiger Vorteil des Laserschweißens ist seine kurze Taktzeit. So erzielen die Hersteller einen höheren Ausstoß als beim Widerstandsschweißen. Außerdem ist das Laserschweißen ein kontaktloses Verfahren. Keine Elektroden berühren das behandelte Teil und es verschmutzt kaum. Dies kann aber auch als Nachteil angesehen werden. Da das Teil nicht physisch berührt wird, ist die Qualitätskontrolle schwieriger als beim Widerstandsschweißen. Auch hinsichtlich der Prozessüberwachung ist das Laserschweißen nicht so leistungsfähig wie das Widerstandsschweißen.

Beim Schweißen von Batterielaschen-Anschlüssen muss unbedingt ein Luftspalt der Breite Null zwischen Batterie und Lasche gewährleistet sein. Dieser Null-Luftspalt ist beim Widerstandsschweißen gegeben, nicht aber beim Laserschweißen. Daher ist er bei der Auswahl eines Laserschweißgeräts zu berücksichtigen. Unter anderem hat AMADA WELD TECH kürzlich einen Batterie-Schweißkopf mit einem integrierten Halter entwickelt, der die Lasche herunterdrückt und so für einen Luftspalt von Null sorgt.

Beim Laserschweißen ist der Verbindungsbereich unbegrenzt, sodass man im Vergleich zum Widerstandsschweißen größere Anschlussflächen erreicht und elektrische Verluste vermindert. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand zwischen Batterie und Batterielasche. So steigerte beispielsweise ein auf die Herstellung von Batterien für Pkw spezialisiertes Unternehmen durch die Umstellung von Widerstands- auf Laserschweißen die Startenergie aus einem Batteriepack um 21 Prozent.

Ein weiteres Beispiel ist ein Hersteller großer Batteriepacks für Busse in Deutschland und den USA; seinen Batterien wiegen etwa 500 Kilogramm. Sie bestehen aus prismatischen Batteriezellen, die größer sind als typische rechteckige Zellen und mehr Leistung und Strom pro Zelle erzeugen. Eine einzelne Batterie kann etwa 1100 Ampere Spitzenstrom liefern. Die Herstellung einer so schweren Batterie ist nur mit Laserschweißen möglich.

Mikro-Lichtbogen-Wolfram-Inertgas- (WIG-) Schweißen

Das Mikro-WIG-Schweißen ist ein hocheffizientes, kontaktloses Verfahren zur örtlichen Erwärmung und dient häufig zum Schweißen von leitfähigen Batterieverbindungen. Wie auch beim Widerstandsschweißen fließt ein kontrollierter und daher leicht zu überwachender Strom in die zu schweißenden Elemente. Im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen dringt bei diesem Verfahren im Allgemeinen lokal weniger Wärme in die Batterie ein. Im Gegensatz zum Widerstandsschweißen erzeugen hier der elektrische Widerstand des Lichtbogens und der damit verbundene Strom die Wärme, die somit nicht von der Leitfähigkeit des Materials abhängt.
Mit dieser äußerst kontrollierbaren Methode lassen sich lokale Schweißtemperaturen erzeugen, die zum Verbinden von Materialien einer Dicke bis zu 0,5 mm an leitfähigen Batteriegehäusen geeignet sind.

Zum Beispiel wurde das WIG-Batterie-Schweißverfahren an einer Reihe hoch integrierter Lithium-Ionen-Konstruktionen auf Flachblechen aus Nickel, Aluminium und Kupfer einer maximalen Dicke von etwa 0,5 mm getestet und bestätigt und erzielte hervorragende elektrische und mechanische Ergebnisse. Das hohe Maß an Kontrolle, das die Stromquelle bietet, ermöglicht die Größenoptimierung der Schweißpunkte und Minimiert das Eindringen von Wärme in die Batterie.

Beim Mikro-Lichtbogenschweißen können die Hersteller mehrere Köpfe einer Einheit verwenden und auch beschichtete Materialien schweißen.

In Kombination mit kundenspezifischen WIG-Schweißbrennern, die elektrische Rückkopplungskontakte und eine Lichtbogenabschirmung bieten, lassen sich Mikro-WIG-Schweißeinheiten problemlos für die manuelle Montage von Batteriepacks konfigurieren –
oder auch für die Großserienmontage von Multipunkt-Batteriepacks mit automatischer Positionierung der Stufen und erneuter Positionierung des Brenners.

Der größte Nachteil des Mikro-WIG-Verfahrens beim Schweißen von Batteriepacks ist die große von der Wärme beeinflusste Zone. Die Wolframelektrode nutzt sich mit der Zeit ab und muss gereinigt und geschliffen werden.

Ultraschallschweißen

Das Ultraschallschweißen wurde ursprünglich in Batteriepack-Anwendungen eingesetzt, weil es einander unähnliche Metalle schweißen kann, z.B. Aluminium an Kupfer. Als sich mit Laserschweißen dieselbe Möglichkeit ergab, verdrängte es das Ultraschallschweißen unähnlicher Metalle weitgehend.

Der Hauptnachteil des Ultraschallschweißens besteht darin, dass die Vibrationen die Teile beschädigen können. Außerdem erfordert das Ultraschallschweißen den Einsatz einer Sonotrode – eines Werkzeugs, das Ultraschall erzeugt. Eine Sonotrode ist eine Einheit mit piezoelektrischen Wandlern, die an einem sich verjüngenden Metallstab befestigt sind. Das Werkzeug nutzt sich allmählich ab, sodass sich der Prozess mit der Zeit verschiebt. Außerdem ist Ultraschallschweißen sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen zwischen den beiden Materialien. So unbedeutende Verunreinigungen wie das Fett eines Fingerabdrucks können den Prozess vollkommen durcheinander bringen.

Das Ultraschallschweißen erzeugt außerdem mehr Wärme als andere Verfahren, was zu Schäden an den Batterien führen kann. Die mechanische Festigkeit ist geringer und der elektrische Widerstand ist höher.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der am häufigsten verwendeten Batteriepack-Schweißtechnologien.

Der menschliche Faktor und reproduzierbare Prozesse

Die Qualitätssicherung ist ein wesentlicher Aspekt für alle Batteriepack-Hersteller.
Der menschliche Faktor verursacht die größten Qualitätsschwankungen. Wenn verschiedene Bediener mehrere Tage lang mit derselben Anlage arbeiten, können die Ergebnisse sehr unterschiedlich sein. Deshalb ist es für die Hersteller von entscheidender Bedeutung, Geräte auszuwählen, die ein Höchstmaß an Qualitätskontrolle bieten und dabei einen stabilen und reproduzierbaren Prozess ermöglichen. Die Senkung der Arbeitskosten ist ein wichtiger Aspekt, aber der Schweißprozess für Batteriepack-Laschen wird nicht nur automatisiert, um die Arbeitskosten zu senken. Eine Anlage, die alle Systembewegungen integriert, vermeidet durch Bediener verursachte Abweichungen und verbessert die Qualität.

Heute gibt es deswegen Laserschweißtechnologien, Widerstandsschweißtechnologien und das Mikro-Lichtbogenschweißen (auch bekannt als Impulslichtbogenschweißen). Schweißsysteme die sich für die Integration in moderne Produktionslinien gut eignen.

Mit Schweißgeschwindigkeiten unter einer Schweißung pro Sekunde und einer integrierten Schutzgas- und Rauchabsaugdüse werden heute Schweißsysteme in automatisierte Inline-Systeme integriert.

Abbildung 2: Modernes Schweißsystem