#4 | 2020
SYN] Magazin
10/21

Batterie-Vormontage für Elektrofahrzeuge: Produktivität und Sicherheit ohne Kompromisse mit den neuen isolierten Steckschlüsseln von Atlas Copco Tools

Ob Elektroroller, Elektro-Busse oder Pkws - die Zukunft in Sachen Fortbewegung heißt Elektromobilität. Das zunehmende Bewusstsein für eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Zukunft treibt vor allem die Automobilindustrie an, neue Wege zu gehen.

Die Zahlen sprechen für sich: Gemäß der Jahresbilanz der Neuzulassungen 2019 vom Kraftfahrt-Bundesamt erzielten Elektrofahrzeuge eine Zuwachsrate von +75,5 Prozent (Anteil: 1,8 %) und PKW mit Hybridantrieb sogar +83,7 Prozent (6,6 %)1 und der Aufwärtstrend hält an.


Mit wachsender Nachfrage nach Elektrofahrzeugen nehmen allerdings auch die Herausforderungen zu. Die Herstellungsprozesse bei E-Fahrzeugen variieren von denen der herkömmlichen Verbrennungsmotoren: Das Herzstück – die Batterie – ist nicht nur teuerstes Bauteil, sondern der Zusammenbau gestaltet sich als ein komplexer und vor allem extrem sicherheitskritischer Vorgang, da Werker an spannungsführenden Komponenten arbeiten.

Ein Trend mit ungeahnten Folgen

Aber Automobilhersteller werden zukünftig umdenken müssen. Nicht zuletzt durch die von der EU vorgegebenen CO2-Flottengrenzwerte, welche ab diesem Jahr verbindlich gelten und für die ab 2021 bei Nichteinhaltung Strafzahlungen fällig werden.2  

Benötigt werden daher vor allem geeignete Werkzeuge, die eine sichere Montage von Elektrofahrzeugbatterien gewährleisten. Diese präsentiert Atlas Copco Tools mit seiner neuen hochwertigen und isolierten Steckschlüssel-Produktreihe, welche speziell zur galvanischen Trennung der spannungsführenden Schraubstellen und den Schraubwerkzeugen konzipiert wurde.


Die Auswirkungen eines Stromschlages können auf den menschlichen Körper - je nach Stärke, Eintrittsweg und Dauer – unterschiedlich wirken: von leichten Muskelkrämpfen, über Atemnot oder Störungen des Herzrhythmus. Das Magazin arbeit & gesundheit berichtet, dass schon Stromstärken ab circa 50 mA, die Gefahr eines Kammerflimmerns und des plötzlichen Herztods zur Folge haben können. Bei noch höheren Strömen kann es sogar zu inneren Verbrennungen kommen.3

Um solche - mitunter verheerenden - Unfälle in Betrieben zu vermeiden, haben Unternehmen speziell geschulte elektrotechnisch unterwiesene Personen bzw. ausgebildete Elektrofachkräfte, die dafür Sorge tragen, dass sämtliche Gerätschaften regelmäßig nach DGUV §2 Abs. 1 technisch einwandfrei geprüft und Prozessabläufe entsprechend abgesichert werden.

Fatale Unfälle durch extrem hohe Stromstärken, plötzlich entstehende Lichtbögen oder explodierende Batterien 

Mit ganz neuen Herausforderungen werden sich Hersteller allerdings zukünftig konfrontiert sehen, wenn es um die Produktion von Elektrofahrzeugen geht. Was bei einem herkömmlichen Auto der Tank ist, ersetzt bei einem Elektroauto eine hochmoderne Lithium-Ion-Batterie mit überdurchschnittlich hoher Energiedichte. Besonders kritisch hierbei, da die Vormontage in der Produktion per Hand passiert: Sowohl die Batteriezellen als auch die Module sind bereits elektrisch geladen und Batteriespannungsniveaus zwischen einigen hundert bis zu 1000 V Gleichspannung müssen berücksichtigt werden.

Für die Arbeit an Elektrofahrzeug-Batterien bedeutet das sowohl für den Bediener als auch die eingesetzte Technik, dass zwingend spezielle Verfahren und Sicherheitsvorkehrungen erforderlich sind. Als einer der führenden Hersteller für Schraub- und Montagewerkzeuge, die ihre Anwendung auch im Bereich der Automobilindustrie finden, beschäftigt sich Atlas Copco Tools daher bereits seit längerer Zeit intensiv mit der Thematik Elektromobilität und den Auswirkungen auf zukünftige Produktions- und Verschraubungsprozesse. Durch umfangreiche Produktionstests mit unseren Werkzeugen konnten drei mögliche Risikofelder und Unfallszenarien bei der Vormontage von Elektrofahrzeug-Batterien skizziert werden:


Szenario 1: Direkter Kontakt mit spannungsführenden Komponenten

Der Bediener kommt direkt mit den spannungsführenden Komponenten in Kontakt. Werden dabei keine ausreichend isolierenden Werkzeuge und Ausrüstungen verwendet, können diese ab einer elektrischen Spannung von 120 V DC zu schwersten Verletzungen führen und womöglich auch tödlich verlaufen.



Szenario 2: Kurzschluss von spannungsführenden Komponenten mit nicht isolierenden Werkzeugen und Ausrüstung

Als zweites Risikofeld kommt ein direkter Kurzschluss der Batteriezellen in Frage, welcher durch ein Überbrücken von spannungsführenden Komponenten mit nicht isolierten Werkzeugen erzeugt wird. Solche Kurzschlüsse können zu Lichtbögen, Gasbildung, Feuer und Explosionen führen, welche eine enorme Gefährdung sowohl für den Bediener, als auch das eingesetzte Material und die Ausrüstung darstellen können.



Szenario 3: „Kurzschließen“ von Batteriemodulen mit geerdeten Werkzeugen

Als drittes Risiko ist das Kurzschließen von spannungsführenden Komponenten mit geerdeten Werkzeugen zu betrachten. Die Arbeit mit mindestens zwei geerdeten Werkzeugen, die gleichzeitig verwendet werden, kann durch den Kontakt mit zwei Polen zu einem Kurzschluss führen. Dementsprechend setzen sich auch die Verletzungsmöglichkeiten gleich mit den ersten zwei beschriebenen Szenarien.




Die beschriebenen Szenarien machen eines besonders deutlich: Die Arbeit an spannungsführenden Batterieanschlüssen erfordert sowohl eine besondere und intensive Schulung der Bediener, angepasste Montageprozesse, aber allem voraus die Verwendung von Spezialwerkzeugen, um das Verletzungsrisiko weitestgehend zu minimieren.
Genau diese Problemstellung hat Atlas Copco angetrieben, ein Qualitätsprodukt mit höchstem Sicherheitsanspruch zu entwickeln. Das Ergebnis: Hochwertige, robuste isolierende Steckschlüssel und Schnellwechseladapter aber auch isolierende Abdeckungen für elektrische Werkzeuge, die nahezu alle Spannungsniveaus eliminieren und dadurch den Monteur maximal schützen.

Neue Maßstäbe in der Vormontage dank der neuen isolierten Steckschlüssel von Atlas Copco Tools

Angefangen hat dabei alles mit der Fragestellung, wie man am besten die Leitfähigkeit von metallischen Werkzeugen unterbindet, um die oben angeführten Unfallszenarien bestmöglich zu vermeiden. Im Kompetenzzentrum von Atlas Copco entwickelte daraufhin ein Team von Spezialisten zunächst die Lösung der isolierenden Werkzeugabdeckungen.

Denn Fakt ist: Primär geht es um die Sicherheit des Anwenders und diese kann nur garantiert werden, wenn in erster Linie die Werkzeuge entsprechend „geschützt“ sind. Die durchdachte Konstruktion der isolierenden Abdeckungen besteht dabei aus einem nichtleitenden Kunststoff und einer zweiteiligen Schalenkonstruktion, welche mittels eines simplen Klickverfahrens am elektrischen Handwerkzeug befestigt wird. Zusätzlich gesichert über einen Gummiring und einen frontalen Schraubverschluss werden somit Schraubwerkzeuge, welche im Montageprozess zum Einsatz kommen, entsprechend isolierend geschützt. Kurzschlüsse, die durch den Winkelkopf aus Metall bei einem versehentlichen Kontakt mit spannungsführenden Teilen entstehen würden, können so gänzlich vermieden werden.


Mit der Entwicklung der isolierenden Werkzeugabdeckungen war offensichtlich, dass eine ganzheitliche Lösung auch eine spezielle Isolierung der Steckschlüssel erfordert. Um den direkten Kontakt mit spannungsführenden Komponenten und Kurzschlüsse mit geerdeten Werkzeugen und Batterien (siehe Szenario 1 und 3) zu vermeiden, entwickelte Atlas Copco Tools daher zwei weitere Produktinnovationen: Isolierende Steckschlüssel und Schnellwechseladapter. Beide Lösungen bieten eine galvanische Trennung sowohl in axialer als auch radialer Richtung und sorgen somit für maximale Prozess- und Anwendersicherheit. 


Zukunftsweisende (patentierte) isolierte Schraubtechnik 


Eine weitere Besonderheit unseres neuen isolierenden Werkzeugportfolios ist das einzigartige „Baukasten-Prinzip“, für welches Atlas Copco bereits ein Patent beantragt hat. Denn die neuen isolierenden Schnellwechseladapter, auch „Quick Change Adapter“ (QCA) genannt, sind kompatibel zu der bewährten Atlas-Copco-ROTACTION-Produktreihe, welche als Sicherheitssteckschlüssel mit Kunststoffhülsen ummantelt sind und dadurch in radialer Richtung isoliert sind – der isolierte Schnellwechseladapter sorgt letztlich auch für die axiale galvanische Trennung. Somit kann das bereits vorhandene ROTACTION-Portfolio einfach um die neue isolierte Steckschlüsseltechnik aus der Saltus-Schmiede erweitert werden, ohne dass eine kostenintensive Neuanschaffung von Produkten notwendig wird oder Anwender auf neue Produkte angelernt werden müssen.

Das umfangreiche ROTACTION-Portfolio sorgt dabei für eine einmalige Variantenvielfalt: Mehrere hundert Kombinationsmöglichkeiten sind möglich durch verschiedene Schlüsselweiten, ROTACTION-Bits und ROTACTION-Verlängerungen. Ein weiterer Pluspunkt: Unsere ROTACTION-Reihe zählt zu unseren Standard-Produkten und ist verfügbar ab Lager und stets schnell lieferbar.


Eindeutig erkennbar & schnell identifizierbar: Die Signalfarben "grün" und "gelb" kennzeichnen die Produkte als sicher und würden Material-Risse besonders schnell sichtbar machen.


Intensiv getestet und Prüfung bestanden

Auch wenn es nach heutigem Stand der Technik nicht die eine geltenden Norm und den einen Standard für isolierende Steckschlüssel gibt, wurden für interne und externe Prüfungen anwendbare Teile der DIN EN IEC 60900:2018 und ASTM F1505 herangezogen und diverse Tests identifiziert, um die mechanische Belastbarkeit und die elektrische Isolationsfähigkeit sicherzustellen. So wurde beispielsweise die Spannungsfestigkeitsprüfung sowohl durch den VDE (Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.) als auch durch das Labor Intertek durchgeführt und bestätigt.

Die erfolgreichen Prüfungen des VDEs erlaubt es uns, das „Doppeldreieck“ nach DIN EN IEC 60900:2018 als Prüfsymbol auf unseren isolierenden Werkzeugen zu verwenden.



Weitere Tests, wie z. B. Dauerbelastungs- oder Eindrückprüfungen oder die Prüfung des Brennverhaltens hinsichtlich des verwendeten Kunststoffes wurden intern intensiv durchgeführt.

Unter Spannung und trotzdem doppelt sicher

Durch den speziell verarbeitenden Kunststoffkern wird erstmalig eine nahezu vollständige Sicherheit gewährleistet. Die auf dem ROTACTION-Konzept basierenden galvanisch getrennten Steckschlüssel verfügen über einen 3/8“ Vierkantantrieb sowie über gängige Sechskantgrößen im Abtrieb. Durch die zusätzlichen isolierenden Schnellwechseladapter ist es außerdem möglich, diese mit den vorhandenen ROTACTION-Steckschlüsseln, welche bereits radial isoliert sind, zu kombinieren.

Dielektrische Tests des nichtleitenden Kunststoffmaterials, welches für die elektrische Isolierung verwendet wird, wurden mit 10.000 V in axialer und radialer Richtung erfolgreich durchgeführt (Hochspannungsprüfung).

Zukunftsweisende isolierte Schraubtechnik

Mit dem Portfolio an isolierenden Steckschlüsseln, Schnellwechseladaptern und isolierenden Werkzeugabdeckungen bietet Altas Copco Tools letztlich eine einzigartige Komplettlösung an, welche sich auf die höchste Sicherheit bei der Verschraubung von spannungsführenden Komponenten fokussiert und auch stetig weiterentwickelt wird. So ist bereits ein weiteres Patent angemeldet für die isolierenden Werkzeugabdeckungen.





1 Kraftfahrt-Bundesamt. (o. J.). Jahresbilanz - Neuzulassungen Zahlen des Jahres 2019 im Überblick. Abgerufen 6. August 2020, von https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Neuzulassungen/jahresbilanz/jahresbilanz_inhalt.html?nn=2594996
ADAC. (2020, Juni 15). Elektroautos 2020: Das sind die Neuen. Abgerufen 6. August 2020, von https://www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/elektromobilitaet/kaufen/neue-elektroautos 
3 Unsichtbare Gefahr. (2018). arbeit & gesundheit, (02), 24. Abgerufen von https://aug.dguv.de/epaper/02-18/#24