Der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen hat gemeinsam mit dem Spin-off PEM Motion im Auftrag der Manz AG, Reutlingen, ein Whitepaper zur Batterieproduktion der Zukunft erarbeitet. Unter anderem stellt die Marktstudie sechs Trends zum Prozessschritt der Zellkontaktierung heraus, die die Batteriezellenfertigung künftig wirtschaftlicher machen sollen.
„Die Anforderungen an die Hersteller von Zellkontaktiersystemen (ZKS) werden sich ebenso grundlegend verändern wie die Batteriesysteme selbst“, sagt Mitautor und PEM-Oberingenieur Dr. Christian Offermanns. Einiges davon zeichne sich bereits in den Fahrzeugen ab, die im Laufe des Jahres 2022 erschienen sind.
„Zum einen soll dabei die Energiedichte erhöht werden, indem weniger Materialien zum Einsatz kommen, die nicht aktiv an der Energiespeicherung beteiligt sind. Zum anderen soll sich der Montageaufwand reduzieren, indem die Systeme einfacher, einheitlicher und aus weniger Komponenten aufgebaut werden“, betont Offermanns. Dies könne die Stückzahlen erhöhen und die Kosten senken.
Aus der Studie lassen sich sechs Trends ableiten:
Trend 1: Neue, modifizierte Architektur der Batteriesysteme
War in der Vergangenheit der Aufbau eines Batteriesystems in den drei Ebenen Batteriezelle, Batteriemodul und Batteriepack üblich, so wird diese Architektur zunehmend durch den Wegfall von klaren Grenzen abgelöst. Der Trend geht zu sogenannten Cell-to-X-Batteriesystemen (CtX).
- Cell-to-Pack (CtP): CtP bedeutet die direkte Integration der Batteriezellen in den Batteriepack, d.h. die Batteriezellen werden direkt zu einem Pack verbunden, das Batteriemodul wird sozusagen übersprungen. Das CtP-Konzept bietet einige Vorteile, etwa eine höhere Energiedichte, eine einfachere Fertigung sowie bessere Wärmeableitung und höhere Steifigkeit im Vergleich zu anderen Konzepten.
- Cell-to-Chassis (CtC): Die Batteriezellen werden direkt in den Unterboden des Fahrzeugs eingebaut, und der Batteriepack verschmilzt mit dem Chassis. Dadurch wird nicht nur das Gewicht reduziert, sondern auch eine bessere Wärmeableitung und eine höhere Steifigkeit gegenüber CtP erzielt, was zu einer höheren Sicherheit und einer besseren Fahrzeugsteuerung beiträgt.
- Module-to-Chassis (MtC): Fertig montierte Batteriemodule werden in den Unterboden des Fahrzeugs eingebaut. Das MtC-Konzept bietet beispielsweise eine höhere Flexibilität bei der Konstruktion und eine einfachere Wartung, da defekte Module leichter ersetzt werden können.
Trend 2: Höherer Energieinhalt bei Batteriezellen
Bei zylindrischen, bei prismatischen Batteriezellen sowie bei Pouchzellen wird es zu Veränderungen kommen, die Auswirkungen auf die ZKS-Architektur haben.
- Zylindrische Batteriezellen: Erhöhung des Standarddurchmessers von bisher 21 mm auf 46 mm und damit einhergehend eine Verfünffachung des Volumens und des Energieinhalts.
- Prismatische Batteriezellen: Verdopplung des durchschnittlichen Energieinhalts von derzeit 100 Ah auf mehr als 200 Ah.
- Pouchzellen: Ebenfalls deutliche Steigerung des Energieinhalts, jedoch ist der Anstieg schwieriger zu quantifizieren.
Die Folge für Zellkontaktiersysteme: Die Baugruppen werden größer und weisen einen höheren Integrationsgrad auf, um möglichst wenige Arbeitsschritte und damit Kosten bei der Modulmontage zu verursachen. Die künftigen ZKS werden von derzeit unter 50 cm an der längsten Kante auf teilweise bis zu 200 cm wachsen.
Trend 3: Komplett vormontierte ZKS
Die Automobilhersteller erwarten künftig von Zulieferern einen möglichst hohen Grad der ZKS-Vormontage, um die nachgelagerten Aufwände in der Batteriemodul- und Systemfertigung so gering wie möglich zu halten. Im Schnitt müssen so pro Fahrzeug sieben ZKS mit bis zu 30 Einzelteilen hergestellt werden. Die Maschinen- und Anlagenbauer müssen entsprechende Anlagenkonzepte bereitstellen, um die Vielzahl an Einzelkomponenten günstig und zuverlässig mit einem hohen Grad an Vormontage zu fertigen.
Trend 4: Kurze Lieferketten durch lokale Produktion
Bei Betrachtung der Produktionsstruktur zeichnet sich bereits heute ab, dass die Fahrzeughersteller für die Batteriezellen, -module und -systeme möglichst kurze Transportwege anstreben. Die meisten Automobilhersteller setzen künftig auf eine lokale Produktion und lokalen Verbau dieser Batteriezellen, indem die Entfernungen zwischen der liefernden Batteriezellproduktion, der zugehörigen Batteriemodul- und Packproduktion sowie dem belieferten Fahrzeugwerk kurzgehalten werden.
Durch den hohen Grad an Automatisierung in der ZKS-Herstellung spielen Personalkosten eine untergeordnete Rolle bei der Standortentscheidung. So rücken für die ZKS-Fertigung Standortfaktoren wie günstige Lieferketten- und Produktionsbedingungen, das Vorhandensein von Fachkräften und ein intaktes Servicenetzwerk im Maschinen- und Anlagenbau in den Vordergrund.
Trend 5: Geringer Grad an Standardisierung
Auch in den kommenden Jahren wird das Zellkontaktiersystem ein Produkt mit einem geringen Grad an Standardisierung und großem Differenzierungspotenzial zwischen den einzelnen Fahrzeugherstellern und Batteriezellformaten bleiben. Folglich wird im Markt keine Konzentration auf wenige ZKS-Hersteller, sondern vielmehr eine Diversifizierung der ZKS-Hersteller mit Spezialisierung auf die unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Batteriezellformat und Systemdesign stattfinden.
Im Wettbewerb ist es daher entscheidend, für ein bestimmtes Systemdesign möglichst früh ein Produkt- und Produktionskonzept bereitzustellen, das die Anforderungen der Automobilhersteller hinsichtlich Kosten und Qualität erfüllt. Gleichzeitig ist ein gewisses Maß an Flexibilität zur bedarfsgerechten Reaktion auf Designänderungen erforderlich. Hier kommt dem Maschinen- und Anlagenbau eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung derartiger Produktionskonzepte zu.
Trend 6: Übergang zu 800-V-Batteriesystemen
Bei Batteriesystemen geht der Trend zu höheren Spannungen im Bereich von 800 V und mehr. Von Premiumfahrzeugen ausgehend, werden sich die 800-V-Batteriesysteme Schritt für Schritt auch in den Fahrzeugen für den Massenmarkt durchsetzen. Entsprechend wird deren Marktanteil bei den Neuzulassungen in der zweiten Hälfte der 2020er Jahre die 50%-Marke überschreiten.
Jedoch sorgt der steigende Stromfluss aufgrund der höheren Spannung für höhere Anforderungen an Material, Geometrie, Verbindung und thermische Auslegung der elektrischen Verbinder (Busbars). Vor allem die Anforderungen hinsichtlich gestiegener Kriechstrecken sind problematisch bei der Auslegung von ZKS. Durch die höhere Spannung ist die Bildung von Lichtbögen über deutlich größere Strecken möglich. Hier können sich ZKS-Hersteller durch intelligente Produktionskonzepte differenzieren und einbringen, etwa über eine bessere Isolation oder über größere Distanzen zwischen stromführenden Bauteilen. (jk)
