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Ramona_Singer

M.Sc. Ramona Singer

Akad. Mitarbeiterin
Bereich: Maschinen, Anlagen und Prozessautomatisierung
Sprechstunden: nach Vereinbarung
Raum: 012, Geb. 50.36
Tel.: +49 721 608-28314
Fax: +49 721 608-45005
Ramona SingerExf7∂kit edu

76131 Karlsruhe
Kaiserstraße 12


M.Sc. Ramona Singer

Forschungs- und Arbeitsgebiete:

  • Lithium-Ionen Pouchzellen
  • Batteriemodule

 

Projekte:

  • InnoDeLiBatt

 

Versuchsstände:

 

Dissertationen: Gehäusetechnik für Lithium-Ionen Pouchzellen

Veröffentlichungen

[ 1 ] Fleischer, J.; Singer, R. & Langknecht, F. (2015), „Tiefgezogene Verpackungen von Lithium-Ionen-Pouchzellen“, Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Band 11, S. 730-733.
Abstract:
Die Verpackung von Lithium-Ionen-Pouchzellen wird aus zwei tiefgezogenen, rechteckigen Halbschalen hergestellt. Das verwendete Ausgangsmaterial ist eine Aluminium-Kunststoffverbundfolie mit geringer Materialstärke. Für das Tiefziehen dieser dünnen Folien besteht bisher noch kein tiefgreifendes Prozessverständnis, weshalb der Prozess eine hohe Ausschussrate aufweist. Um dies zu ändern und im Anschluss Qualitätsparameter für die erzeugten Halbschalen definieren zu können, wird eine Tiefziehpresse eigens für diese Anwendung ausgelegt und entwickelt. In nachfolgendem Beitrag werden die Herausforderungen und Lösungsansätze für Pressengestell und-werkzeug vorgestellt.

[ 2 ] Singer, R. & Fleischer, J. (2016), „Umformverhalten von Pouchzellenverpackungen“, wt online, S. 187-191.
Abstract:
Die Verpackung von Pouchzellen besteht aus einer dünnen Alumi - niumverbundfolie, die zu Halbschalen tiefgezogen wird. Um diesen Prozess beherrschen zu können, muss zunächst das Umformverhalten der Folie charakterisiert werden. In diesem Fachartikel werden daher Erichsentiefungsversuche diskutiert. Aus ihnen geht hervor, dass das Verbundmaterial isotrop ist und die Parameter Foliendicke, Matrizenradien sowie Temperatur das Umformergebnis der Folie maßgeblich beeinflussen.

[ 3 ] Singer, R.; Peter, M. & Fleischer, J. (2016), „Umformtechnik beseitigt Elektromobilitätsprobleme“, Maschinenmarkt, Band 49, S. 39-40. [08.12.16].
Abstract:
Elektrofahrzeuge stellen eine vielversprechende Alternative zum konventionellen Fahrzeug dar. Neben der Batterie zur Energiespeicherung benötigen sie Elektromotoren, um die gespeicherte Energie in Bewegung umzusetzen. Die wesentlicheKernkomponente des Elektromotors ist der Stator, welcher ein elektromagnetisches Drehfeld und somit das Drehmoment erzeugt. Die leistungsbestimmende Komponente des Stators ist die Wicklung, welche durch Umformen des Drahtes erzeugt und maßgeblich beeinflusst wird.

[ 4 ] Singer, R.; Bakozahos, A. & Fleischer, J. (2017), „Produktion alternativer Pouchzellengehäuse“. Batterieforum Deutschland - Posterabstracts und Projektvorstellungen , Hrsg. Krausa, M. ., S. 120.
Abstract:
In Elektrofahrzeugen werden häufig Lithium-Ionen Zellen für den Antriebsstrang eingesetzt. Es existieren verschiedene Zelltypen, die durch ihr Gehäuse unterschieden werden können. Hardcasezellen sind aus mechanisch stabilem Metall aufgebaut. Softpackzellen, oder auch Pouchzellen genannt, haben ein Gehäuse aus einer flexiblen und dünnen Aluminiumverbundfolie. Ihr Nachteil besteht in der fehlenden geometrischen Skalierbarkeit. Das Gehäuse wird nach Stand der Technik aus zwei tiefgezogenen Halbschalen aufgebaut, die im Anschluss durch Heißsiegeln miteinander verbunden werden. Das Tiefziehen der Halbschalen ist aus mehreren Gründen technisch wie auch wirtschaftlich ungeeignet. Es kann keine Halbschale mit beliebiger Tiefe hergestellt werden, üblich sind momentan Halbschalen mit 6mm Tiefe. Zum anderen muss bei jeder Geometrieänderung des Gehäuses (bspw. Grundfläche) das Werkzeug der Tiefziehpresse ausgetauscht werden. Daraus abgeleitet ergibt sich das Ziel, ein alternatives Gehäusedesign für die Pouchzelle festzulegen und es hinsichtlich seiner automatisierten Herstellbarkeit zu validieren.

[ 5 ] Singer, R.; Menken, L.; Weber, M. & Fleischer, J. (2017), „Prüfmethoden für Tiefziehfehler“, Umformtechnik - Bleche, Rohre, Profile, S. 16-17.
Abstract:
Lithium Ionen Pouchzellengehäuse sind sicherheits- und funktionsrelevante Bauteile. Daher bedarf es eines systematischen Vorgehens, um ihre Qualität bewertbar machen zu können. In diesem Artikel werden geeignete Prüfverfahren vorgestellt.

[ 6 ] Singer, R. & Fleischer, J. (2017), „Alternativer Herstellprozess von Batteriegehäusen“, Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF), S. 580-583.
Abstract:
Die Gehäuse von Lithium-Ionen-Pouchzellen bestehen aus einer Aluminiumverbundfolie die über Tiefziehen in die benötigte rechteckige Geometrie überführt wird. Da es nach aktuellen Stand der Technik kaum möglich ist, Halbschalen von großen Tiefen herzustellen, werden am wbk Institut für Produktionstechnik alternative Herstellprozesse für Pouchzellengehäuse untersucht. Grundlegend hierfür ist die Kenntnis über Fügeparamter, die für das Verschließen der Batteriegehäuse benötigt werden.

[ 7 ] Singer, R. & Fleischer, J. (2018), „Demontagegerechtes Batteriemodul“, ATZ, S. 88-91.
Abstract:
Im Lithium-Ionen-Batteriemodul werden vorrangig stoffschlüssige Fügeverfahren für die elektrische Kontaktierung der einzelnen Batteriezellen eingesetzt. Dies hat zur Folge, dass einzelne Zellen, wenn sie einen Defekt aufweisen, nicht demontiert werden können. Ein alternatives Fügeverfahren könnte das Fließlochschrauben sein, das durch wenige Montageschritte eine demontagefähige Verbindung herstellt. Am wbk wird daher das Fließlochformen als alternatives, lösbares Fügeverfahren für den Einsatz im Batteriemodul untersucht.

[ 8 ] Singer, R.; Broschwitz, F. & Fleischer, J. (2018), „Systematic Development of a Dismantable Batter Module“. e-motive Expertenforum, Hrsg. FVA, S. 50-57.
Abstract:
In Deutschland ist die Anzahl von Elektro-Pkw von 2010 bis 2017 stark angestiegen. [1] Dieser Trend wird sich, wie von der Politik forciert, weiter fortsetzen. So sollen bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen sein. [2] Die Anzahl von Elektrofahrzeugen mit Lithium-Ionen Batterieantrieb wird folglich massiv ansteigen. Hieraus ergeben sich zwei Herausforderungen. Zum einen muss es möglich sein, Batteriemodule die während des Einsatzes im Elektrofahrzeug beschädigt werden, zu warten oder zu reparieren. Zum anderen muss es möglich sein, Batteriemodule nach Erreichen ihres Lebensdauerendes zu recyceln oder für einen Second Life Einsatz aufzubereiten. Eine Zielstellung für den Wartungs- oder Reparaturfall sowie für den Recycling bzw. Second-Life Einsatz ist, die Batteriemodule in ihre einzelnen Komponenten demontieren zu können. Damit dies kostengünstig erfolgen kann, muss der Demontageprozess bereits bei der Entwicklung des Batteriemoduls berücksichtigt werden. Bei Batteriemodulen nach aktuellem Stand der Technik ist dies nicht der Fall. Aus diesem Grund hat es sich das Konsortium des vom BMWi geförderten Projekts „InnoDeLiBatt“ (01MX15009C) zum Ziel gesetzt, ein demontagegerechtes Batteriemodul zu entwickeln. Die Ausgangsbasis bildet ein Batteriemodul das nach aktuellem Stand der Technik aufgebaut ist. Im ersten Entwicklungsschritt erfolgt eine Analyse dieses Batteriemoduls. Es werden alle vorhandenen Fügestellen und die damit verbunden Montageschritte identifiziert und die Anforderungen ermittelt. Im zweiten Schritt werden alle Fügestellen hinsichtlich ihrer Demontagefähigkeit bewertet. Alle nicht lösbare Fügestellen sollen durch demontagegerechte Alternativen ersetzt werden, um einzelne Zellen aus dem Modul lösen zu können. Hierfür werden verschiedene Verbindungstechniken untersucht. Fließlochformende Schrauben und elektrisch leitfähiger Klebstoff sind Beispiele hierfür. Die Verbindungstechniken werden dann konzeptionell bzw. experimentell untersucht. Für den Fall, dass sie technisch geeignet sind, werden sie nach zuvor definierten Kriterien bewertet. Diese sind bspw. der benötigte Bauraum oder die Wirtschaftlichkeit. Für jede Fügestelle wird auf diese Weise eine geeignete Alternative ausgewählt. Die Ergebnisse werden im Anschluss in ein CAD Modell überführt, dass das demontagegerechte Batteriemodul darstellt.

[ 9 ] Singer, R.; Weinmann, H. W.; Fleischer, J.; Smith, A. & Wiegand, O. (2018), „Function validation of an alternative and format flexible pouch cell packaging“. Tagungsband zur International Battery Production Conference (IBPC) 2018, Hrsg. Prof. Arno Kwade, S. 21.
Abstract:
Due to their outstanding technical properties, lithium-ion pouch cells are used as energy storage devices in electric vehicles. According to the current state of the art, these are manufactured primarily in rectangular footprints and electrically connected in cuboid battery modules to form a battery system. This has the disadvantage that the limited installation space in electric vehicles and portable devices cannot be used ideally, especially for vehicles manufactured according to the conversion design. A forward-looking research approach is therefore to produce the pouch cells in different geometries so that the installation space can be used in the tightest possible packaging. A challenge at this point is the housing of the pouch cells, which consists of a thin aluminum composite foil. Deep-drawing, the state of the art process used to produce this packaging for pouch cells, is only partially suitable for the production of format-flexible packaging that fits close to the contour of the electrode stack. For this reason, the wbk Institute of Production Science has already developed an alternative packaging design (folded pouch packaging) that meets the requirements for format-flexible pouch cells. However, the functionality of the folded pouch packaging pouch packaging could not yet be finally confirmed on a real pouch cell. This will be presented within this poster. In the first step, a geometric cell format is defined to validate the folded pouch packaging. A geometry is chosen that does not make the realization of the pouch packaging too complex. Due to the demand for gas tightness, complex folding templates for the folded pouch packaging may be necessary. The electrode stacks are stacked in a dry room atmosphere from common electrode and separator materials from individual sheets. The arresters are mounted on these sheets and, after integration of the electrode stack, nearly all sides of the packaging are closed. At least, one side of the packaging remains open so that electrolyte can be filled into the cell. Then the final sealing takes place, followed by the formation of the cell. During this process, gases are formed which must be removed from the gas pocket of the folded pouch packaging after formation. This is followed by the aging process. The data generated in this way can be used to validate the functionality of the alternative pouch cell packaging.