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Maximale Energiedichte, hohe Ladeleistung, extrem sicher und möglichst kostengünstig: Die wichtigsten Anforderungen an die Akkus von Elektroautos sind rasch beschrieben. In allen Teildisziplinen konnten auf Lithium-Ionen-Technik basierende Akkus in den vergangenen Jahren große Fortschritte verzeichnen. Wird in Medien oder auf Fachtagungen über künftige Entwicklungen diskutiert, steht meist die Zellchemie im Rampenlicht. Festkörperakkus mit metallischen Anoden scheinen in der Tat eine realistische Option, eines Tages die Energiedichte weiter zu erhöhen. Doch in den kommenden Jahren, in denen die Elektromobilität richtig Fahrt aufnehmen muss, werden klassische Batteriesysteme dominieren. Daher kommt dem Systemaufbau eine wichtige Rolle zu: Nur wenn über die Zelle hinaus alle Komponenten optimal konstruiert werden, lässt sich das Verhältnis zwischen Leistungsdichte und Kosten weiter optimieren. Als Spezialist für intelligentes Energie- und Datenmanagement kann LEONI dazu einen kleinen, aber wichtigen Beitrag leisten – und zwar auf allen drei Ebenen, die den Aufbau einer Traktionsbatterie charakterisieren: Zelle, Modul und Gesamtsystem.

Auf Zellebene sehen wir das Potenzial, die Kontaktierung einfacher und damit wirtschaftlicher zu gestalten, als dies durch den Einsatz einzelner Zellverbinder heute möglich ist. In einer Kooperation mit Diehl wurde für prismatische Zellen eine Zellverbinder-Einheit entwickelt, die über einen Rahmen alle elektrischen Leitungen für das gesamte Modul enthält. Integriert sind die Leitungen und die Schnittstellen für die Modulverbinder sowie für die Zellzustandsüberwachung, die auf einer Spannungsüberwachung sowie einer Temperaturmessung basiert. Eine solche Zellverbinder-Einheit kann hochautomatisiert durch Laserschweißen montiert werden. Perspektivisch könnte der Automatisierungsgrad sogar erhöht werden, indem mehrere Zellverbinder-Einheiten zu einem größeren Modul verbunden und gemeinsam kontaktiert werden.

Fertigungsoptimierte Ausführung einer HV Battery Junction Box (BJB).

Branchenweit hat sich je nach verwendeter Zellgeometrie die Parallel- und Reihenschaltung einzelner Zellen zu einbaufertigen Modulen etabliert, die in den meisten Fällen unterhalb der für den Berührschutz kritischen Spannung von 60 Volt bleiben. Die Verschaltung der Module erfolgt in Strängen, bis die Nennspannung des Akkus (400 oder 800 Volt) erreicht ist. Die Spezifikation der Modulverbinder erfolgt heute in der Regel durch den Kunden, also entweder den Fahrzeughersteller oder den Batteriesystem-Lieferanten. So kommen sowohl geflochtene Kupferleiter als auch Stromschienen aus Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. Als Entwicklungspartner begleitet LEONI jedoch den Auslegungsprozess, insbesondere dort, wo es um die optimale Gestaltung geschweißter Metallverbindungen sowie der Anschraubpunkte geht – beides hat auf die Langzeitstabilität hohen Einfluss. Zudem können wir über unser Simulations-Know-how die Einhaltung thermischer Anforderungen mit minimalem Materialeinsatz sicherstellen. Über gegebenenfalls mögliche Materialeinsparungen kann das auch zu einem geringeren Systemgewicht beitragen.

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Auf Systemebene stellt die von LEONI entwickelte „Battery Junction Box“ eine Möglichkeit dar, den Gesamtaufbau weiter zu vereinfachen. Die Hochvolt-Verteilerbox, die in das Batteriegehäuse integriert werden kann, ist die zentrale Schnittstelle zwischen dem Hochvoltteil des Bordnetzes und dem Energiespeicher. Sie umfasst das komplette Strommanagement, insbesondere also alle Sicherungsfunktionen, die neben der Hauptsicherung auch eine pyrotechnisch auslösende Sicherung für den Crashfall umfasst, sowie die für die Schaltung benötigten Hochlastrelais. Funktionsmuster der Box werden derzeit aufgebaut und stehen in absehbarer Zeit für erste Tests zur Verfügung. Die Verteilerbox von LEONI umfasst eine kleine Elektronik, über die Relais und Schütze direkt angesteuert werden kann. Über entsprechende Schnittstellen ist der Informationsaustausch mit dem Batteriemanagementsystem gesichert. Bei der Konzeption der Verteilerbox berücksichtigt LEONI bereits die Eignung für eine hochautomatisierte Fertigung. Voraussetzung dafür ist ein Aufbau, bei dem alle Montageschritte in einer Richtung („von unten nach oben“) erfolgen.

Energie- und Signalmanagement im Akku eines Elektroautos

Das elektrische Energiemanagement auf Zell-, Modul- und Systemebene sollte aus unserer Sicht immer gesamthaft gedacht werden. So gilt es, eine Vielzahl von Entscheidungen gegeneinander abzuwägen, beispielsweise die gravimetrischen Vorteile von Aluminium gegenüber dem erhöhten Bauraumbedarf und den potenziell korrosionsgefährdeten Übergängen auf Kupferleiter. Idealerweise wird dabei ein Ansatz verfolgt, wie er vom Hochvolt-Kabelsatz außerhalb der Batterie bekannt ist: Dort steht am Beginn der Entwicklung ein gesamthafter Systementwurf, der nicht nur den technischen Spezifikationen hinsichtlich Stromführung genügt, sondern auch ein Gewichtsoptimum erzielt und die spätere Montage berücksichtigt. Unsere Expertise als Systempartner der Automobilindustrie kann einen solchen Prozess unterstützen und somit zu signifikanten Einsparungen hinsichtlich Bauraum, Kosten und Gewicht führen.

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