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Design of automotive battery systems for the circular economy = Konstruktion von Traktionsbatteriesystemen für die Kreislaufwirtschaft
2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-08413
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/992780/files/992780.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
battery systems design (frei) ; circular economy (frei) ; remanufacturing (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Notwendigkeit zur Reduktion der Treibhausgasemissionen, hat zu einem rasanten Wachstum der Elektromobilität geführt. Jedoch wurde die Akzeptanz der Elektromobilität durch die Skepsis hinsichtlich der Langlebigkeit und Umweltverträglichkeit von Batteriesystemen beeinträchtigt. Bei vielen Produkten können diese durch die Verlängerung des Lebenszyklus, verbessert werden. Im Fall von Kfz-Batteriesystemen ist dieser Ansatz jedoch aufgrund einiger Herausforderungen schwierig, z. B. wegen der Alterungseigenschaften, der nicht reversiblen Verbindungsmethoden und der Schwierigkeit, Montage- und Demontagevorgängen zu automatisieren. Die Ziele und Ergebnisse der vorliegenden Arbeit umfassen das Verständnis der Besonderheiten von Batteriesystemen im Hinblick auf deren Lebenszyklus sowie die Konzeption einer Produktentwicklungsmethodik für die Gestaltung von Produkten mit ähnlichen Besonderheiten. Diese Methodik deckt die Bereiche Zuverlässigkeitstechnik, Lebenszyklus-Engineering sowie Konstruktionsprinzipien ab und befasst sich mit der Instandhaltung von Produkten, deren Ausfallmodi nicht leicht vorhersehbar sind. Die meisten in der Literatur bestehenden Methodiken zielen darauf ab, die Diagnose und den Austausch von wenigen identifizierbaren Teilen zu erleichtern, um die Lebensdauer eines größeren Systems zu verlängern. Bei Batteriesystemen ist dies nicht möglich, da nicht bekannt ist, welche Zellen zuerst ausfallen oder verstärkt altern werden. Daher wurde eine Methodik entwickelt, die die Demontage bis auf Zellebene erleichtert. Innerhalb dieser erfolgt im ersten Modul zunächst die Erarbeitung einer vorläufigen Produktarchitektur sowie die Sammlung von Anforderungen an die Komponenten, mit Schwerpunkt auf ihrer Zuverlässigkeit und ihren Lebenszykluseigenschaften. Im zweiten Modul werden für jede Komponente mögliche Lebenszyklen und Wartungsintervalle abgeleitet, und die Komponenten mit kompatiblen Eigenschaften werden in Baugruppen zusammengefasst. Im dritten Modul wird eine Produktstruktur abgeleitet, die die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten, berücksichtigt und die Verbindungszugänglichkeit für Komponenten mit ähnlichen Wartungsintervallen priorisiert. Das vierte und letzte Modul plant das Detaildesign im Rahmen des Concurrent Engineering und bewertet die Vorteilhaftigkeit des vorgeschlagenen Lebenszyklus in wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht. Die Methodik wurde schrittweise auf insgesamt drei Anwendungsfälle angewandt und validiert. Mit der Weiterentwicklung der Automatisierung der Demontage trägt die vorliegende Methodik zur Entwicklung von Batteriesystemen bei, die innerhalb ihrer Lebensdauer ökonomisch gewinnbringend überholt werden können, wodurch die Wiederverwendung gebrauchter Batteriesysteme erleichtert wird.The urgent need to reduce greenhouse gas emissions across the economy has led to tremendous growth in electric mobility. Initially, the industry focused on scaling up production and infrastructure, but the adoption of electric mobility has been hampered by skepticism about the durability and environmental sustainability of battery systems. For many products, these can be improved by extending the life cycle, which includes maintenance. In the case of automotive battery systems, some challenges make this approach problematic, such as the aging and reliability characteristics, the non-reversible joining methods used in production, and the difficulty of automating a large number of assembly and disassembly operations. The objectives and results of this work are to understand the characteristics of battery systems in terms of life cycle engineering and to design a product development methodology for the design of products with similar characteristics capable of improved life cycles in terms of both durability and sustainability. This methodology covers the fields of reliability engineering, life-cycle engineering, and engineering design principles and addresses the maintenance of products that do not have easily predictable failure modes. In fact, most life-cycle engineering methodologies aim to facilitate the diagnosis and replacement of a few identifiable parts to extend the life of a larger system. This is not possible for battery systems because it is not known which cells will fail or age first. Therefore, a methodology has been designed to facilitate disassembly down to the cell level. The methodology starts with a preliminary product architecture and the collection of requirements for components, focusing on their reliability and life cycle characteristics. In the second module, possible life cycles and maintenance intervals are derived for each component, and components with compatible characteristics are clustered. In the third module, a product structure is derived that takes into account the interactions between components and their joining methods and prioritizes the clustering and accessibility of joints for components with similar maintenance intervals. The fourth and final module plans the detailed design in a concurrent engineering framework and evaluates the benefits of the proposed life cycle in economic and environmental terms. This methodology has been progressively applied to three use cases, and its potential has been validated. With the further development of industrial automation in disassembly using computer vision and adaptive algorithms, the present design methodology should contribute to the development of battery systems that can be economically refurbished many times during their lifetime, thus increasing the acceptance of electric mobility and facilitating the reuse of used but not completely spent battery systems.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030851870
Interne Identnummern
RWTH-2024-08413
Datensatz-ID: 992780
Beteiligte Länder
Germany
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