Bei den Hochspannungsbatterien von Elektrofahrzeugen spielt das Temperaturmanagement eine wichtige Rolle. Batteriezellen können ihre maximale Leistung nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liefern und dürfen nicht überhitzen. Zur effektiven Übertragung der durch den Zellenbetrieb erzeugten Wärme an die Umgebung wird eine Wärmeleitpaste auf die Batterieschale aufgetragen. Erfahren Sie mehr über diesen kritischen Schritt beim Verbindungsprozess.
Wärmeleitpasten unterstützen das aktive Wärmemanagement der in Elektrofahrzeugen verwendeten großen Batteriepacks. Diese Pasten übertragen die durch das Laden und Entladen der Zellen erzeugte Wärme an Kühlvorrichtungen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Batterie innerhalb ihres optimalen Temperaturbereichs arbeitet und nicht überhitzt. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt zur Erfüllung der Marktanforderungen an moderne Elektrofahrzeuge im Hinblick auf Sicherheit, Leistung, Reichweite und kurze Ladezeiten. Während des Verbindungsprozesses bei der Batteriefertigung wird ein wärmeleitendes Füllmaterial mit hoher Präzision auf die Batterieschale aufgetragen, wobei Lufteinschlüsse vermieden werden. Die Zelleinheiten werden dann auf diesem flüssigen Material montiert. Schraubsysteme von Atlas Copco können das Verhalten viskoser Wärmeleitpasten auf die Verbindung berücksichtigen, die Paste in einer gleichmäßigen Schicht aufpressen und für einen optimalen Kontakt zwischen Gehäuse und Batteriemodul sorgen.
Bestimmen des optimalen Applikationsmusters
Um die Wärmeleitfähigkeit der Paste zu gewährleisten, ist ein präzises Auftragen ohne Lufteinschlüsse unerlässlich. Dies ist eine Herausforderung, da die Paste häufig in großen Mengen mit hoher Flussrate aufgetragen wird. Je nach Verbindungsprozess, Materialeigenschaften und Form der Teile stehen verschiedene Applikationsmuster zur Verfügung, um sicherzustellen, dass die Module ohne Lufteinschlüsse mit der Paste verklebt werden. Dazu gehören parallele Linien sowie mäander- und knochenförmige Applikationsmuster.
Typical gap filler meander application pattern for EV batteries
In der Regel ist eine umfassende Prüfung erforderlich, um das jeweils optimale Applikationsmuster zu bestimmen. In unserem Innovationszentrum in Bretten bringen wir Batteriehersteller, Anlagenhersteller und Materialzulieferer mit unseren Experten für Fügetechnik zusammen.
“Gemeinsam entwickeln wir das richtige Verfahren in den Testzellen und passen Material, Dosierausrüstung und Prozess an die spezifischen Anforderungen des Projekts an”
Udo Mössner Experte für Fügetechnik bei Batterien bei Atlas Copco IAS
In Zusammenarbeit mit einem renommierten Forschungsinstitut arbeitet Atlas Copco auch an neuen Simulationen, um anhand der Materialeigenschaften und Presskräfte das bestmögliche Applikationsmuster zu ermitteln. Dies ist eine Methode, die in Zukunft Zeit und Geld sparen kann.
In-Line-Qualitätsüberwachung der Applikation von Wärmeleitpaste
The gap filler application can be monitored by an integrated vision system – any errors are immediately detected..
Die Breite, Position und Kontinuität der Raupe können fortlaufend mit einem in den Dosierkopf integrierten Kamerasensorsystem überwacht werden. Applikationsfehler wie Lücken in der Klebstoffraupe werden sofort erkannt und können dann korrigiert werden. Moderne Systeme von Atlas Copco verfügen über eine Korrekturfunktion zur automatischen Beseitigung von Lücken in der Paste. Dadurch werden die Zykluszeit kurz gehalten und Qualitätssicherungskosten gesenkt.
Toleranzausgleich: so viel wie notwendig, so wenig wie möglich
Ein wirtschaftlicher Einsatz von Wärmeleitpasten ist nicht nur thermisch effizient, sondern spart auch Kosten. Bei der Dosierung des Materials ist es unerlässlich, die Passungstoleranzen zwischen Batterieschale und Zellenmodul zu berücksichtigen. Die Toleranzen der verschiedenen Teile führen zu Lücken von 0,5 mm bis zu 3 mm. Im Fertigungsprozess tragen Hersteller oft zu viel Material auf, um sicherzustellen, dass diese Lücken ausreichend gefüllt werden, selbst wenn die maximalen Toleranzen erreicht werden. Daher sind zahlreiche Hersteller, Anlagenbauunternehmer und Dosierungsspezialisten intensiv damit beschäftigt, dafür zu sorgen, dass genau die erforderliche Menge an Material aufgetragen wird. Die Experten bei Atlas Copco entwickeln derzeit eine Lösung für die Messung von Gehäuse und Zellen sowie für eine präzise Bestimmung der Toleranzen an der Lücke zwischen jeder Komponentenkombination unter Einsatz eines 3D-Scanners. Dies gestattet eine Berechnung der Materialmenge, die zum präzisen Füllen der Lücke benötigt wird. Das Volumen wird dann vom Dosiersystem präzise geregelt, anstatt wie bisher die Robotergeschwindigkeit dazu einzusetzen. „Die Anpassung des Volumens über das Steuergerät ist wesentlich präziser. Hinsichtlich des Prozesses stellt es einen großen Vorteil dar, nicht mehr am Roboterprogramm arbeiten zu müssen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ergeben sich dadurch Materialeinsparungen von bis zu 50 Prozent“, so Mössner.
Battery tray scan: The gap to be filled can be calculated on the basis of measurements of the battery compartment and the battery modules. This allows precise metering of the heat transfer compound.
Einspritzung: Erst die Module befestigen, dann die Lücke füllen
Module tightening: The module is pressed evenly onto the heat transfer compound and screwed into place using special Atlas Copco nutrunners — the result is a clean contact surface without air inclusions.
Einige Hersteller haben beschlossen, die Batteriemodule nicht in die Wärmeleitpasten einzupressen, sondern die Verbindung in die Lücke einzuspritzen. Die Lücke wird von hinten nach vorne gefüllt. Durch diesen Ansatz könnte auch Material eingespart werden. Der Hauptvorteil besteht darin, dass keine Kraft auf die empfindlichen Batteriezellen ausgeübt wird und das Risiko von Lufteinschlüssen oder ungleichmäßigem Festziehen auf dem weichen Material minimiert wird. Der Nachteil ist, dass eine Sichtprüfung der Verbindung nicht möglich ist. Mössner fügt hinzu: „In unserem Innovationszentrum haben wir bereits einige Tests mit der Einspritzung von Wärmeleitpaste durchgeführt.
Die Machbarkeit dieses Ansatzes hängt weitgehend vom Prozess des Kunden und dem individuellen Material ab. Eine Paste mit niedriger Viskosität muss verwendet werden. Wenn die Lücke zu klein ist, muss möglicherweise mit einem höheren Einspritzdruck gearbeitet werden, wodurch die Zellen ebenfalls beschädigt werden können.“
Spezialausrüstung für Abriebschutz
Alle Wärmeleitpasten weisen eine hohe Füllerkonzentration auf, um Wärmeübertragung zu gewährleisten. In der Regel bestehen diese Füller aus Aluminiumoxid oder Aluminiumhydroxid, wobei es sich um Abrasivmittel handelt, die zu raschem Verschleiß an den Innenflächen von Anlagenteilen führen können. An Stellen, an denen ein besonders hoher Durchfluss erwartet wird, beispielsweise an Ventilsitzen, können Hartmetallbauteile verwendet werden. Außerdem sollte der Durchmesser der Teile so groß wie möglich sein, um die Fließgeschwindigkeit zu reduzieren. Dieser Ansatz gestattet eine Verschleißminimierung. Für eine zuverlässige und produktive Handhabung von Wärmeleitpasten sind robuste, speziell entwickelte Pumpen- und Dosierbauteile erforderlich. Die Produktlinie SCA bietet Spezialbauteile mit maximaler Haltbarkeit.
A typical system layout from Atlas Copco's SCA product line for applying two-component thermal compounds.
