Zukunft der Batteriefertigung Diese Trends machen die Batteriezellenfertigung wirtschaftlicher

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Chancen, aber auch Herausforderungen, bringen neue Möglichkeiten zur Zellkontaktierung von Batterien für die Automobilbranche. Im Auftrag von Manz hat die RWTH Aachen sechs Trends analysiert.

Derzeit sei viel Dynamik am Markt und die Anforderungen an die Hersteller von Zellkontaktiersystemen (ZKS) würden sich grundlegend ändern. Eine von Manz in Auftrag gegebene Marktstudie des Lehrstuhls „Production Engineering of E-Mobility Components (PEM)“ der RWTH Aachen zeigt sechs Trends und Marktpotenziale mit Blick auf Zellkontaktiersysteme der kommenden Jahre auf. Denn technische Veränderungen haben erhebliche Auswirkungen auf ZKS-Produktion.

Trend 1: Neuartige Architekturen von Batteriesystemen

Bis jetzt war der Aufbau eines Batteriesystems in den drei Ebenen aufgeteilt: aus Batteriezelle, Batteriemodul und Batteriepack. Doch es wird diese Architektur zunehmend durch den Wegfall von klaren Grenzen abgelöst. heißt es. Der Trend geht, wenn man der Studie folgt, hin zu sogenannten Cell-to-X (CTX) Batteriesystemen. Folgendes ist darunter zu verstehen:

• Cell-to-Pack (CtP): Darunter versteht man die direkte Integration der Batteriezellen in den Batteriepack. Die Batteriezellen werden also direkt zu einem Pack verbunden, das Batteriemodul wird quasi „übersprungen“. Das CtP-Konzept hat Vorteile, wie etwa eine höhere Energiedichte, eine einfachere Fertigung sowie eine bessere Wärmeableitung und höhere Steifigkeit im Vergleich zu anderen Konzepten;

• Cell-to-Chassis (CtC): Dabei werden die Batteriezellen direkt in den Unterboden des Fahrzeugs eingebaut. Der Batteriepack verschmilzt mit dem Chassis. So wird nicht nur das Gewicht reduziert. Es verbessert sich auch die Wärmeableitung und die Steifigkeit wird im Vergleich zum Konzept CtP höher, was mehr Sicherheit und eine bessere Fahrzeugsteuerung bringt;

• Module-to-Chassis (MtC): Bei der Methode werden fertig montierte Batteriemodule in den Unterboden des Fahrzeugs eingebaut. Das MtC-Konzept bietet Vorteile, wie eine höhere Flexibilität bei der Konstruktion und eine einfachere Wartung, weil defekte Module leichter ersetzt werden können.

Trend 2: Der Energieinhalt von Batteriezellen steigt

Sowohl bei zylindrischen oder bei prismatischen Batteriezellen als auch bei sogenannten Pouchzellen wird es zu Veränderungen kommen, die Auswirkungen auf die ZKS-Architektur haben. Diese sind folgende:

• Zylindrische Batteriezellen: Erhöhung des Standarddurchmessers von bisher 21 auf 46 Millimeter und damit eine Verfünffachung des Volumens und des Energieinhalts;

• Prismatische Batteriezellen: Verdopplung des durchschnittlichen Energieinhalts von derzeit 100 auf über 200 Ampere-Stunden.

• Pouchzellen: Ebenfalls deutliche Steigerung des Energieinhalts, doch ist der Anstieg schwieriger zu quantifizieren.

Die Folge für ZKS sind, dass die Baugruppen größer werden und einen höheren Integrationsgrad aufweisen, um möglichst wenige Arbeitsschritte und damit Kosten bei der Modulmontage zu verursachen. Die zukünftigen ZKS werden deshalb von derzeit unter 50 Zentimetern an der längsten Kante auf teilweise bis zu 200 Zentimeter wachsen, so der Schluss daraus.

Trend 3: Es wird komplett vormontierte ZKS geben

Die Automobilhersteller erwarten zukünftig von Zulieferern einen möglichst hohen Grad der ZKS-Vormontage, um die nachgelagerten Aufwände in der Batteriemodul- und Systemfertigung so gering wie möglich zu halten, wie die Studie ergab. Im Schnitt müssten so pro Fahrzeug sieben ZKS mit bis zu 30 Einzelteilen hergestellt werden. Die Maschinen- und Anlagenbauer müssen also entsprechende Anlagenkonzepte bereitstellen, um die Vielzahl an Einzelkomponenten dennoch günstig und zuverlässig mit einem hohen Grad an Vormontage zu fertigen.

Trend 4: Lokale Batterieproduktion kürzt Lieferketten

Bei Betrachtung der Produktionsstruktur zeichne sich bereits heute ab, dass von den Fahrzeugherstellern möglichst kurze Transportwege für die Batteriezellen, -module und -systeme angestrebt würden. Die meisten Automobilhersteller setzen deshalb zukünftig auf eine lokale Produktion und den lokalen Verbau dieser Batteriezellen. Denn so werden die Entfernungen zwischen der liefernden Batteriezellproduktion, der zugehörigen Batteriemodul- und Packproduktion sowie dem belieferten Fahrzeugwerk verkürzt. Durch den hohen Grad an Automatisierung in der ZKS-Herstellung spielen die Personalkosten dann auch eine untergeordnete Rolle bei der Standortentscheidung. So rückten für die ZKS-Fertigung Standortfaktoren wie günstige Lieferketten- und Produktionsbedingungen, das vorhandene Fachkräfte und ein intaktes Servicenetzwerk im Maschinen- und Anlagenbau in den Vordergrund.

Trend 5: Die Standardisierung bei ZKS bleibt gering

Weiterhin wird das ZKS ein Produkt mit einem geringen Grad an Standardisierung aber großem Differenzierungspotenzial zwischen den einzelnen Fahrzeugherstellern und Batteriezellformaten bleiben. Folglich wird es keine Konzentration auf wenige ZKS-Hersteller geben, sondern vielmehr eine Diversifizierung derselben mit Spezialisierung auf die unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Batteriezellformat und Systemdesign. Im Wettbewerb entscheide dann, ob für ein bestimmtes Systemdesign möglichst früh ein Produkt- und Produktionskonzept bereitstehe, das die Anforderungen der Automobilhersteller hinsichtlich Kosten und Qualität erfülle. Um ein gewisses Maß an Flexibilität zur bedarfsgerechten Reaktion auf Designänderungen kommt man aber nicht herum. Doch dabei kommt dem Maschinen- und Anlagenbau eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung derartiger Produktionskonzepte zu.

Trend 6: Es kommen die 800-Volt-Batteriesysteme

Bei Batteriesystemen geht der Trend hin 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 der Marktanteil der 800-V-Batteriesysteme bei den Neuzulassungen in der zweiten Hälfte der 2020er die 50-Prozentmarke überschreiten. Doch der steigende Stromfluss aufgrund der höheren Spannung sorgt 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.

Gut zu wissen:

Mit ihrem Produktionsequipment begleitet die Manz AG seit Jahren namhafte Automobilhersteller und Zulieferer bei der vollautomatisierten Fertigung von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs. Daher sind das Prozess-Know-how und die Produktionsexpertise des Maschinenbauers auch bei der Produktion von ZKS entsprechend hoch. Mit automatisierten Produktionslösungen von Manz sind Automobilhersteller und Zulieferer übrigens für Herausforderungen gut gerüstet.

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