Beitrag zur Gestaltung nachhaltiger und instandsetzungsfähiger Hochvolt-Speicher

Abstract

Durch die zunehmende Verbreitung elektrischer Antriebsstränge und elektrochemischer Energiespeicher steigt der Ressourceneinsatz wichtiger Rohstoffe. Besonders im Bereich der batterieelektrischen Fahrzeuge (engl. battery electric vehicle - BEV) haben sich gekapselte Bauweisen etabliert. Langfristig sorgt dies dafür, dass die Demontage und Instandsetzung vor dem Hintergrund von Second-Use-Ansätzen und Aufbereitungen mit komplexen Verfahren und der Zerstörung rückgewinnungswürdiger Bauteile, insbesondere der Batteriezellen, einhergeht. Damit ist die sorten- und werkstoffreine Trennung mit zusätzlichem Aufwand verbunden. Die ursächlichen Ansätze ergeben sich aus den hohen Anforderungen (Bauraumbedarf, Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Automatisierbarkeit etc.) im Automobilbereich. Diesem Trend soll leistungsfähiges Batteriesystems gegenübergestellt werden, bei dessen Entwicklung in allen Aspekten Demontage- und Instandsetzungsfähigkeit im Fokus stehen. Damit soll gezeigt werden, dass auch unter Berücksichtigung entsprechender Anforderungen, Konzepte umgesetzt werden können, die die zerstörungsfreie Rückgewinnung wichtiger Bauteile ermöglichen, ohne die Leistungsfähigkeit des Systems negativ zu beeinflussen. Aufbauend auf unterschiedlichsten Anforderungen und Annahmen (bspw. Zelltyp und Thermomanagementstrategie) werden die Auslegung der wichtigsten Konzepte, Einzelteile und Baugruppen dargestellt und analysiert. Aus diesen Überlegungen werden allgemeine Gestaltungsrichtlinien abgeleitet, die einen Beitrag zur zukünftigen Auslegung von instandsetzungsfähigen, demontagefreundlichen Batteriesystemen leisten.

The increasing prevalence of electric powertrains and electrochemical energy storage systems is driving up the use of key raw materials. Enclosed designs have become particularly established in the field of battery electric vehicles (BEVs). In the long term, this means that disassembly and repair in the context of second-use approaches and recycling are accompanied by complex processes and the destruction of components suitable for recovery, particularly battery cells. As a result, the separation of components by type and material requires additional effort. The underlying approaches stem from the high requirements (space constraints, performance, safety, automatability, etc.) in the automotive sector. This trend is to be contrasted with a high-performance battery system whose development focuses on disassembly and repairability in all aspects. The aim is to demonstrate that, even when taking these requirements into account, concepts can be implemented that enable the non-destructive recovery of important components without negatively impacting the system's performance. Based on a wide variety of requirements and assumptions (e.g., cell type and thermal management strategy), the design of the most important concepts, individual parts, and assemblies is presented and analysed. From these considerations, general design guidelines are derived that will contribute to the future design of repairable, easy-to-disassemble battery systems.