Elektrische Kontaktierung von Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen

Schraubverbindungen erweisen sich bei der elektrischen Kontaktierung von Lithium-Ionen-Batterien als praktikables Fügeverfahren mit Optimierungsmöglichkeiten bezüglich der Zuverlässigkeit, des Gewichts und der Prozessautomatisierung. Vor diesem Hintergrund wurden die stoffschlüssigen Fügetechnologien Laserstrahlschweißen, Fügen mittels reaktiven Nanofolien, Ultraschall- und Buckelschweißen sowie leitfähiges Kleben hinsichtlich technologischer Eignung, potenzieller Gewichts- und Bauraumreduktion und Wirtschaftlichkeit untersucht. Vergleichende Untersuchungen der Parameter elektrischer Verbindungswiderstand und mechanische Festigkeit erfolgten an Probekörpern, die mit den zu untersuchenden stoffschlüssigen Fügeverfahren sowie mit den mechanischen Fügeverfahren Schrauben und Clinchen aus Kupfer- und Aluminiumsubstratenart gleich oder als Mischverbindung gefertigt wurden. Spezifiziert wurden neben unbelasteten Proben auch Probensätze, die thermisch und/oder elektrisch belastet wurden. Zusätzlich zu der Untersuchung an einheitlichen Probekörpern erfolgte eine konstruktive Anpassung der Zellanschlüsse und der Verbinder des von der AUDI AG gestellten Batteriemoduls an die Fügetechnologien. Aufgrund der Anpassung der Zellpole (Terminal) und Zellverbinder (Busbar) an das Fügeverfahren sowie die Adaption der Fügewerkzeuge an das Batteriedesign konnten endformnahe Verbindungen hergestellt und anhand reeller Belastungen verifiziert werden.86Mithilfe jedes untersuchten Fügeverfahrens konnten Verbindungen mit obligatorischer Festigkeit generiert werden, jedoch erwiesen sich Mischverbindungen für das Laserstrahlschweißen und artgleiche Kupferverbindungen für das Buckelschweißen als diffizil. Die Verbindungswiderstände der mittels stoffschlüssiger Verfahren hergestellten Proben lagen bei artgleichen Aluminiumverbindungen deutlich unter denen der mechanisch gefügten. Darüber hinaus zeigten mittels Ultraschallgeschweißte und geklebte Proben auch bei artgleichen Kupferverbindungen sowie Mischverbindungen niedrige Verbindungswiderstände. Eine relative Widerstandserhöhung infolge einer Temperaturschockprüfung zeigte sich bei allen Proben und fiel mit 1 - 2 % bei den geschweißten Proben geringer aus als bei den geschraubten Proben (2 - 5 %), die der mittels reaktiver Foliengefügten und der geklebten Proben etwa gleich stark (3 - 5 %). Die Untersuchungen zur Dauerschwingfestigkeit zeigten, dass bei laserstrahlgeschweißten und geklebten Proben die höchsten Lasten nötig waren, um einen Bruch bei niedrigen Schwingspielzahlen zu provozieren. Zur Steigerung der Bruchschwingspielzahl war eine deutliche Lastenreduktion notwendig. Dies hatte zur Folge, dass bei hohen Schwingspielzahlen die mittels Ultraschallschweißen hergestellten Proben größeren Lastenstandhielten. Eine 400-stündige Strombeaufschlagung mit 200 A bei 60 °C ergab eine relative Erhöhung der Verbindungswiderstände um 2 - 4 % für geschraubte und geklebte Proben sowie eine Erhöhung von weniger als 1 % für die übrigen Proben. An einem Prüfstand, der die reellen Belastungen an den Zellpolen abbilden kann, wurden die an das Zelldesign angepassten Verbindungen mit realistischen mechanischen und elektrischen Lasten zyklisch beaufschlagt. Laserstrahlgeschweißte Verbindungen zeigten bei dieser Untersuchung ein Versagen im Fügebereich, die übrigen Proben versagten im Bereich der Probenaufnahme.