Die Zeit ist reif für die Serie: In immer mehr Kooperationsprojekten erarbeiten sich Unternehmen und Universitäten Know-how für die Serienproduktion von Lithium-Ionen-Zellen und Batteriesystemen. Die Themen reichen dabei vom Planungswerkzeug für die Klein- und Großserienproduktion, der vollautomatisierten Batteriemodulfertigung für Hybrid-, reine Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge bis hin zu einer seriennahen Forschungsanlage für große Lithium-Ionen-Zellen. In den Startlöchern steht zudem die Serienfertigung von Elektromotoren für Elektrofahrzeuge und mit Blick in die Zukunft werden Leichtbauwerkstoffe gleich mit den passenden großserientauglichen Prozessen entwickelt.
Individuelle Serienfertigung
Mit all den Projekten geht die Batterieentwicklung in die nächste Runde - die Großserienfertigung. Es werden zwar schon komplette Produktionslinien angeboten. Allerdings sind hier die Fertigungsprozesse für Batteriesysteme noch sehr individuell wie Marco Stehr, Vertriebsleiter des Geschäftsbereichs Batterie bei Manz, sagt: „In die Battery-Packs steckt jeder Hersteller sein eigenes Know-how, daher wird es für diese Systeme vorwiegend auf den Kunden zugeschnittene Montagelinien geben.“ Manz entwickelt seit 2009 Anlagen zur Fertigung von Lithium-Ionen-Zellen und von Batteriesystemen. Zwei Anlagen zur Montage von Batteriesystemen hat das Unternehmen mittlerweile in Europa installiert. Weitere Anlagen sind in Aussicht: „Wir arbeiten gerade an einigen interessanten Projekten und das nicht nur in Europa sondern auch in Asien und speziell in den USA“, beschreibt Stehr die Entwicklung.Die Produktionstechnik für Lithium-Ionen-Zellen wird derzeit noch von asiatischen Anbietern dominiert, die ihr Know-how aus der Produktion kleinformatiger Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut haben. Diese Erfahrungen werden jedoch für Traktionsbatterien als begrenzt relevant angesehen. „Die Anforderungen an Qualität, Lebensdauer und auch an die Fertigungsprozesse sind für großformatige Zellen ganz anders. Hier können wir gut punkten und eigenes Know-how aufbauen“, sagt Stehr. In diesem Jahr soll die erste Anlage von Manz zur Massenproduktion von Lithium-Ionen-Zellen ausgeliefert werden. Trotz hohem Automationsgrad, gibt es aber auch hier noch auf Kunden zugeschnittene Maschinen-Designs. „Auch wenn es nur marginale Anpassungen sind“, sagt Stehr. Von Serienmaschinen wie eine Dreh- oder Fräsmaschine, sei die Branche allerdings noch weit entfernt.
Produktion vorbereiten
Die Batterien und deren kostengünstige Produktion sind für den Erfolg der Elektrofahrzeuge von immenser Bedeutung. Nicht minder bedeutend ist der Elektromotor inklusive Leistungselek-tronik. Aus Branchenkreisen ist zu hören, dass große Summen in Fertigungsanlagen und automatisierte Produktionseinrichtungen investiert werden und auch Pläne für neue Produktionsstätten vorliegen. Steigt die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen - reine oder Plug-in-Hybride - müssen die Kapazitäten vorhanden sein. Experten gehen allerdings davon aus, dass sich Plug-in-Hybride zunächst besser verkaufen.Die erste Serienproduktion von Elektromotoren für Elektrofahrzeuge hat Continental Ende 2011 in Gifhorn in Betrieb genommen. Die Entwicklungszeit für die Produktionslinie der fremderregten Synchronmotoren betrug dabei etwa drei Jahre und blieb nicht ohne Überraschungen. Eine Herausforderung stellte speziell der Rotor des Elektromotors dar, da die Kupferwicklung auch bei hohen Drehzahlen nicht zu einer Unwucht führen darf. Um dies optimal zu lösen, hat der Automobilzulieferer ein spezielles Design und eine spezielle Prozesstechnik für die Kupferwicklungen entwickelt wie zum Beispiel das Nadelwickel- und Vergußverfahren. Besonders bei der Wickeltechnik besteht laut Continental noch ein hohes Innovationspotenzial.
Hohe Qualitätsanforderungen
Die automotiven Anwendungen für Hersteller von Produktionsanlagen für E-Motoren stellten einen besonderen Schwierigkeitsgrad dar, so ein Sprecher von Continental. Um die hohen Qualitätsanforderungen für den Automobilbereich zu erreichen, mussten alle Beteiligten einen wesentlich höheren Aufwand für die Maschinen- und Prozessfähigkeiten betreiben. Dazu gehörte auch, sich spezielle Methodenkenntnis in Six Sigma zu erarbeiten. Das ist eine Methode des Qualitätsmanagements mit der auch die Prozessfähigkeit untersucht wird - oder die Nullfehlerproduktion.Nicht zuletzt zeigen die Erfahrungen von Continental, dass Elektromotore für Fahrzeuge nicht einfach aus dem Industriebereich übernommen werden können, was auch teilweise für die Prozesstechnik gilt. Die Anforderungen aus der Automobilbranche unterscheiden sich dafür zu sehr von denen für die Industrie. Das fängt beim Spannungsbereich an und geht über funktionale Sicherheit, Ausfallquoten, Lebensdauer bis hin zu umfangreichen Umweltbedingungen.
Kompetenz auf beiden Seiten
Technische Kompetenz aus beiden Branchen bringt das 2011 gebildete Joint Venture Brose-SEW mit, das unter anderem Antriebssysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge entwickelt. Zu den bisherigen Erfahrungen sagt Andreas Zühlcke, Leiter Vertrieb bei Brose-SEW: „Eine anfangs von allen unterschätzte Herausforderung des elektrischen Antriebsstrangs war, den Elektromotor optimal mit der Leistungselektronik abzustimmen.“ Ingenieure und Techniker forschen und entwickeln daher für das Optimum nach wie vor an beiden Komponenten. „Es wird unter anderem daran gearbeitet, die Leistungselektronik in den Motor zu integrieren. Zudem soll sie künftig mehr Funktionen übernehmen wie zum Beispiel Lade- und Wandlerfunktionen“, so Zühlcke.
Blick in die Zukunft
Immer mehr Automobilhersteller bringen elektrisch betriebene Serienfahrzeuge auf den Markt. Auffallend ist, dass darunter viele bekannte Modelle als elektrische Variante im Angebot sind. „Solange sich die Elektrofahrzeuge bezogen auf die Karosserie, den gesamten Aufbau und dem Fahrwerk nur wenig von den klassisch konventionell angetriebenen Fahrzeugen unterscheiden, können sie weitestgehend in deren Produktionsstraßen integriert werden“, sagt Prof. Dr. Thomas S. Spengler, Institut für Automobilwirtschaft und industrielle Produktion. Das hält die Investitionen in Grenzen und: „Die Automobilhersteller bleiben bei der noch geringen und unsicheren Nachfrage flexibel und können die weitere Entwicklung abwarten“, sagt Spengler.
Forschungsinitiative
Die Zukunft der Elektromobilität liegt jedoch bei neuen Fahrzeugkonzepten mit Leichtbauwerkstoffen, an denen BMW und VW arbeiten. Eine besondere Bedeutung wird dem hybriden Leichtbau zugeschrieben, indem Bauteile aus unterschiedlichen Materialien wie Metall, Kunststoff und Hochleistungsfasern in einem Fertigungsschritt entstehen sollen. Strukturkomponenten aus einem solchen Multi-Material-Mix inklusive großserientauglichen Fertigungsverfahren entwickeln wird ein Konsortium aus Wissenschaft und Industrie in der ForschungsinitiativeOpen Hybrid Labfactory. Unterstützt wird das öffentlich-private Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Zum Konsortium gehören über 30 Mitglieder unter anderem Volkswagen, BASF, Magna Cosma, DowAksa, Saertex, Salzgitter, das DLR, Wolfsburg, CFK-Valley Stade, die Niedersächsische Technische Hochschule (NTH) und weitere klein- und mittelständische Unternehmen.
