Automotive Partikeldetektion: Technische Sauberkeit von Batteriemodulen sicherstellen

VITRONIC erprobt ein neues Inline-Prüfverfahren, mit dem Partikelverunreinigungen in der Montage von Batteriemodulen erkannt werden können. Solche Verunreinigungen können die Leistungen der Batterie beeinträchtigen; zudem stehen sie im Verdacht, Brände zu verursachen. Mit dem Prüfverfahren gewährleisten OEMs und Zulieferer die Technische Sauberkeit (TecSa) der Baugruppen und erhöhen die Produktqualität und -sicherheit. Das Prüfsystem könnte in den geplanten europäischen Gigafactorys zum Einsatz kommen.

Durch die jüngsten Initiativen von Politik und Wirtschaft steigt die europäische Produktion von Elektrofahrzeugen und Batterien rasant; dutzende Fertigungswerke sind geplant oder schon im Bau. Dabei legen die Europäer die gewohnt hohen Qualitäts- und Sicherheitsstandards an. Zwar sind etwa chinesische Hersteller oft noch Vorreiter in Sachen Technologie, doch bei der Qualitätssicherung legen sie deutlich niedrigere Maßstäbe an. Deshalb können Lösungen dafür nicht übernommen, sondern müssen neu entwickelt werden.

Eine wichtige Norm bei der Batteriezellmontage ist die sogenannte Technische Sauberkeit, abgekürzt TecSa. Der Leitfaden des ZVEI (Verband der Elektro- und Digitalindustrie) definiert technische Sauberkeit so: Es dürfen keine Partikel – metallische, nicht-metallische, Fasern usw. – auf Bauteilen vorhanden sein, die die Funktion der Bauteile oder Baugruppen oder den weiteren Fertigungsprozess beeinträchtigen oder verhindern können.

Der Industrieverband TecSa hat dazu zwei Regelwerke veröffentlicht: VDA 19.1 (Prüfung der Technischen Sauberkeit – Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Automobilteile) sowie VDA 19.2 (Technische Sauberkeit in der Montage). Die Norm ISO 16232:2018 (Road vehicles – Cleanliness of components and systems) stellt das internationale Pendant dar.

Da Batteriemodule nicht in einer definierten Reinraum-Umgebung produziert werden, können sie mit Partikeln verunreinigt sein. Diese entstehen direkt im Fertigungsprozess, etwa durch Abrieb. Genauso können sie aus der Umgebung oder aus vorhergehenden Schritten in der Lieferkette stammen.

Schmutzpartikel auf Batteriemodulen können unter anderem die Separatorfolie zwischen zwei montierten Batteriezellen durchdringen. Dann fließt Strom zwischen den Zellgehäusen und es gibt einen Kurzschluss. Der Stromfluss erwärmt die Zelle. Die Hitze kann die Leistung der einzelnen Zellen mindern, die Zellen zerstören oder sie im schlimmsten Fall entzünden.

Auch wenn es schwer nachzuweisen ist: Hersteller gehen davon aus, dass einige Brände von E-Fahrzeugen auf Partikelverunreinigungen zurückzuführen sind. Je mehr Batterien und Fahrzeuge produziert werden, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit solcher Vorfälle – und der Druck, das Risiko durch passende Lösungen zu minimieren.

Da sich wie erwähnt Verunreinigungen nicht verhindern lassen, braucht es zuverlässige Prüfverfahren, um sie nachträglich zu entdecken. Idealerweise wird an zwei Prozessschritten geprüft: bei der Herstellung der Batteriezellen (in der Regel beim Zulieferer) sowie bei der Modulmontage (in der Regel beim Fahrzeughersteller).

Genau für diesen Einsatzzweck hat VITRONIC ein neues Prüfsystem entwickelt: damit lassen sich Batteriezellen und -module direkt in der Montagelinie auf Partikelverunreinigungen prüfen. Ein erstes System wird bereits im Einsatz erprobt. 

Die eingesetzten Kamerasensoren können kleinste Partikel detektieren, um so die Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die Definition der zulässigen Partikelgröße erfolgt stets unter Berücksichtigung von geforderten Parametern wie Genauigkeit, Schnelligkeit und Kosten. Die Bauteile werden direkt in der Linie an zwei Stationen geprüft: zuerst die Seiten der einzelnen Batteriezellen und später der Boden des gesamten montierten Moduls. So werden Restpartikel zuverlässig aufgespürt und die Technische Sauberkeit gemäß der Industrienorm sichergestellt.

Mit dem Prüfsystem erweitert VITRONIC sein Portfolio an Lösungen für die Qualitätssicherung für die E-Fahrzeugproduktion. Der Spezialist für industrielle Bildverarbeitung bietet bereits weitere Prüfsysteme für Batteriegehäuse und -zellen an.