Ein Milliohm zu viel kann einen Batteriebrand auslösen. Das klingt dramatisch - ist aber physikalisch präzise. Bei den Hochstromverbindungen moderner Traktionsbatterien entscheidet die Qualität jeder einzelnen Schraubverbindung darüber, ob Verlustleistung und Wärme im zulässigen Bereich bleiben oder ob ein schleichender Degradationsprozess beginnt, der sich erst Monate später als Kapazitätsverlust oder Sicherheitsrisiko zeigt.
Dieser Beitrag erklärt den physikalischen Zusammenhang zwischen Anzugsmoment, Flächenpressung, Kontaktwiderstand und ohmscher Erwärmung - und zeigt, wie Sie Ihren Montageprozess mit der Weiterdrehmomentprüfung nach VDI/VDE 2645-3 zuverlässig absichern.
Die Physik hinter der Verbindung: Flächenpressung und Kontaktwiderstand
Jede Schraubverbindung an einer Stromschiene oder einem Zellkontakt erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig: Sie hält mechanisch zusammen und leitet elektrischen Strom. Beide Funktionen hängen von derselben Größe ab - der Klemmkraft, die das Anzugsmoment erzeugt.
Auf mikroskopischer Ebene berühren sich zwei Metalloberflächen nie vollflächig. Der sogenannte Engewiderstand entsteht durch die mikroskopische Unebenheit der Kontaktfläche; die wirksame Berührungsfläche ist dadurch kleiner, und der Stromfluss wird eingeengt. Die Größe der tatsächlichen Kontaktpunkte ergibt sich aus der Kontaktnormalkraft und der Härte des Oberflächenwerkstoffes.
Das bedeutet: Je höher die Klemmkraft, desto größer die wahre Kontaktfläche und desto geringer der Übergangswiderstand. Der Reibungskoeffizient hat einen wesentlichen Einfluss auf die Montagekraft in der Verbindung, die wiederum einen wesentlichen Einfluss auf den Kontaktwiderstand hat - zu geringe Klemmkräfte führen zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands.
Im Betrieb wirkt sich das direkt auf die Verlustleistung aus: Der Kontaktwiderstand ist proportional zur Verlustleistung im System nach der Formel P = I² · R. [1] Bei den Strömen einer Traktionsbatterie - mehrere hundert Ampere im Lastbetrieb - bedeutet selbst ein geringfügig erhöhter Übergangswiderstand eine messbare Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle.
Der Alterungskreislauf: Wenn Wärme mehr Wärme erzeugt
Bei der Alterung elektrischer Verbindungen nimmt der Widerstand der Kontaktstelle mit der Zeit zu. Die Ursachen sind unter anderem die Abnahme der Kontaktkraft, das Wachstum von Fremdschichten, Reibkorrosion und der resultierende weitere Anstieg der Temperatur.
Die Kontaktkraft nimmt durch ein Nachlassen des Spannungszustandes ab, demzufolge die Fläche für den Stromdurchtritt kleiner wird. Der Anstieg der Temperatur und äußere Einflüsse beschleunigen das Fremdschichtwachstum, wodurch Oxidschichten anwachsen.
Dieser Kreislauf ist besonders bei Aluminium-Busbars kritisch: Aluminiumoxid ist ein relativ schlechter elektrischer Leiter, begrenzt den Stromfluss, führt zu erhöhtem Übergangswiderstand und damit zur Erwärmung des Kontaktes, was wiederum die Oxidation beschleunigt - es entsteht ein negativer Kreislauf. Dieser Effekt wurde in der Anfangsphase beim Einsatz von Aluminium als elektrischer Leiter vernachlässigt und hat zu Bränden geführt.
Unterdrehmoment und Überdrehmoment: Zwei Fehler, ein Ergebnis
In der Praxis sind beide Extremfälle gefährlich - wenn auch aus unterschiedlichen Gründen.
Unterdrehmoment: Zu wenig Klemmkraft
Zu geringe Klemmkräfte führen zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstands. Zusätzlich besteht die Gefahr von Mikrobewegungen: Die erreichte Klemmkraft und die Reibung zwischen den Kontaktpartnern beeinflussen die Querkraft, das Gleiten und damit das Reibverhalten (Fretting) im Kontaktbereich. Eine allgemeine Regel besagt, dass Gleiten oder Mikrobewegungen in einem elektrischen Kontakt zu vermeiden sind.
Eine gelöste elektrische Schraubenverbindung führt erst zu einem erhöhten Kontaktwiderstand und anschließend zu einem Spannungsabbruch. In der Praxis entstehen Schadensbilder wie Erwärmung der Kontaktstellen bis hin zum Abbrand der Kontaktstelle selbst oder benachbarter Geräte.
Überdrehmoment: Zu viel ist auch zu viel
Auf der anderen Seite begrenzen die Werkstoffe selbst das zulässige Anzugsmoment. Hochleitfähige Werkstoffe haben eine begrenzte zulässige Flächenpressung, die das Drehmoment begrenzen kann. In einigen Fällen wird das Anzugsdrehmoment auch von den Herstellern der Hardware oder der Batteriezellen begrenzt.
Besonders Aluminium ist hier empfindlich: Bei Schraubverbindungen gilt es die geringe Festigkeit und Fließneigung und die damit geringe zulässige Flächenpressung des reinen Aluminiums zu berücksichtigen. Aluminium neigt unter Druck zum sogenannten Langzeitfließen - Schraubverbindungen können sich dadurch mit der Zeit lösen.
Überdrehmoment bei Zellkontaktierungen kann die Zellgehäuse mechanisch beschädigen oder die Kontaktfläche plastisch verformen. Herstellervorgaben für das maximale Anzugsmoment sind verbindlich – nicht als Richtwert, sondern als Grenzwert.
Saubere Kontaktflächen: Die unterschätzte Voraussetzung
Das präziseste Anzugsmoment nützt wenig, wenn die Kontaktflächen verunreinigt sind. Der Kontaktwiderstand hängt ab von der Kraft, mit der die beiden Partner aufeinandergedrückt werden, der Verformbarkeit beziehungsweise Härte der Kontaktpartner, der Oberflächenrauheit sowie vorhandenen Oberflächenschichten.
Bei Aluminium-Busbars bildet sich innerhalb von Minuten eine nicht leitende Oxidschicht: Nicht-isolierte Stellen von Aluminium sind schnell mit einer harten Oxidschicht überzogen. Diese Schicht ist nicht elektrisch leitend, saubere Kontakte sind daher aufwendiger hinzubekommen. Wird die Oxidschicht nicht entfernt, steigt der Übergangswiderstand - die Klemme erhitzt sich, das Brandrisiko nimmt deutlich zu.
Auch Reibkorrosion durch Mikrobewegungen im Betrieb ist ein Risikofaktor: Bei der Reibkorrosion, verursacht durch mechanische Verschiebung oder thermische Ausdehnung, verschieben sich die Kontakte gegeneinander und bestehende Mikrokontakte werden zerstört.
Praktische Konsequenz für die Montage:
- Kontaktflächen unmittelbar vor der Verschraubung reinigen
- Oxidschichten mechanisch entfernen (bei Aluminium)
- Keine Fette oder Öle auf die eigentliche Kontaktfläche aufbringen, die den Reibwert unkontrolliert verändern
- Sauberkeit dokumentieren und als Prozessschritt verankern
Reibwert-Streuung: Die unsichtbare Fehlerquelle
Ein häufig unterschätztes Problem: Selbst bei identischem Anzugsmoment kann die tatsächlich erzielte Klemmkraft stark variieren. Die im Montageprozess gemessenen und berechneten Reibungskoeffizienten können zwischen 0,09 und 0,2 betragen. Die so erreichte Verspannkraft variiert dementsprechend von 13 kN bis 6,6 kN.
Bei einem Reibwertunterschied von 0,09 zu 0,2 halbiert sich die erzielte Klemmkraft trotz identischem Anzugsmoment. [1]
Die Reibwerte haben einen erheblichen Einfluss auf die Montagekraft in der Verbindung, die wiederum einen wesentlichen Einfluss auf den Kontaktwiderstand hat. Durch den berechneten Reibwert kann das Anzugsmoment angepasst werden und so der Einfluss der Streuung durch die Reibwerte vermieden werden.
Das ist der Grund, warum eine reine Drehmomentsteuerung in der Batteriemontage nicht ausreicht: Das Werkzeug kann das Soll-Drehmoment exakt treffen - und die Verbindung ist trotzdem fehlerhaft, weil der Reibwert außerhalb der Erwartung lag.
Prozessabsicherung: Die Weiterdrehmomentprüfung nach VDI/VDE 2645-3
Die Antwort auf diese Herausforderungen ist die Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) mit Weiterdrehmomentmessung. Die VDI/VDE 2645-3 beschreibt Verfahren für die Prozessfähigkeitsuntersuchungen (PFU) für Weiterdrehmomente von Schraubverbindungen mit Vorspannkraft. [2]
Das Ziel einer Prozessfähigkeitsuntersuchung für Verschraubungen ist die Bewertung und Dokumentation der Qualitätsfähigkeit eines Schraubprozesses unter Serienbedingungen. Mittels PFU werden Anhaltspunkte zur Beurteilung und kontinuierlichen Verbesserung des Schraubprozesses unter Serienbedingungen geliefert.
Im Unterschied zu einer Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) werden bei der Prozessfähigkeitsuntersuchung zusätzlich zum Maschineneinfluss die Einflusskategorien Mensch, Material, Methode und Mitwelt (Umgebung) berücksichtigt.
Das ist entscheidend: In der Batteriemontage variieren Reibwerte je nach Charge, Oberflächenzustand und Umgebungstemperatur. Eine reine Maschinenfähigkeitsuntersuchung erfasst diese Einflüsse nicht vollständig.
Was die Weiterdrehmomentmessung misst
Das Losbrechmoment beim Weiterdrehen ist das Drehmoment, das nach abgeschlossenem Verschraubungsvorgang zum Überwinden der Haftreibung des Verbindungselements benötigt wird.
Bei der Messung ist es wichtig, dass der Punkt erfasst wird, bei dem die Schraube oder Mutter sich gerade beginnt zu drehen. Denn je weiter die Schraube gedreht wird, umso mehr steigt das Drehmoment an, und das gemessene Ergebnis hängt dann davon ab, wie weit der Prüfer die Schraube gedreht hat.
Genau hier liegt die Anforderung an das Prüfwerkzeug: Es muss den Losbrechpunkt präzise erfassen - nicht das Drehmoment nach mehreren Grad Weiterdrehung.
Das Q-CHECK® als QS- und Audit-Werkzeug in der Batteriemontage
Das Q-CHECK® von GWK ist speziell für diese Aufgabe entwickelt: Weiterdrehmomentmessungen zur Prozessfähigkeitsuntersuchung nach VDI/VDE 2645-3 - direkt an der Montagelinie, ohne Laboraufwand.
Technische Eckdaten des Q-CHECK®:
- Messbereich: 3 bis 1000 Nm
- Genauigkeit: ±1 % zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches
- Speicher: 2 GB interner Datenspeicher
- Einsatz: QS-Prüfung und Audit-Aufgaben an der Linie
Wichtige Abgrenzung: Das Q-CHECK® ist ein QS- und Audit-Werkzeug für Weiterdrehmomentmessungen - kein Kalibriergerät. Die DAkkS-akkreditierte Kalibrierung von Drehmoment- und Drehwinkelschlüsseln erfolgt mit der DWPM Prüfmaschine (Genauigkeitsklasse 0,2) im GWK-Kalibrierlabor. Beide Instrumente haben klar definierte, unterschiedliche Aufgaben im Qualitätssystem.
Q-CHECK® vs. DWPM 1000c – die richtige Zuordnung:
| Aufgabe | Werkzeug |
|---|---|
| Weiterdrehmomentprüfung / PFU nach VDI/VDE 2645-3 | Q-CHECK® |
| DAkkS-akkreditierte Kalibrierung von Schraubwerkzeugen | DWPM 1000c |
Beide Instrumente sind Teil eines vollständigen Qualitätssystems – aber sie ersetzen sich nicht gegenseitig.
Einsatz in der Batteriemontage: Konkrete Anwendungsfälle
Busbar-Verschraubungen (Zelle-Zelle, Modul-Modul): Hier sind die Anzugsmomente oft im niedrigen Bereich (wenige Nm bis ca. 20 Nm). Reibwertschwankungen durch unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen (Nickel, Zinn, Silber) wirken sich besonders stark auf die Klemmkraft aus. Die Weiterdrehmomentprüfung zeigt, ob das Montagewerkzeug tatsächlich die geforderte Vorspannung erzeugt.
Hochvolt-Verbindungen (Batterie-Inverter, Batterie-Ladeanschluss): Größere Schraubengrößen (M8-M12), höhere Anzugsmomente, aber auch höhere Ströme und damit höhere Anforderungen an den Kontaktwiderstand. Regelmäßige PFU-Stichproben sichern die Prozessstabilität über Schichten und Chargen hinweg.
Audit-Prüfungen: Das Q-CHECK® eignet sich für stichprobenartige Überprüfungen bereits montierter Verbindungen - etwa bei Produktionsanlauf, Werkzeugwechsel oder nach Materialwechsel (neue Schraubencharge, neues Schmiermittel).
Prozessabsicherung in der Praxis: Was ein vollständiges System leisten muss
Bei Schraubprozessen unter Serienbedingungen können vielfältige technische Einflüsse im Schraubbolzen und im Montagewerkzeug dazu führen, dass die Montage nicht prozesssicher verschraubt wird. Um Prozesssicherheit zu gewährleisten, müssen Schrauben, Werkzeuge und Montageprozesse überwacht werden.
Ein vollständiges Qualitätssystem für elektrische Kontaktverschraubungen in der Batteriemontage umfasst:
Anzugsmoment auf Basis der geforderten Klemmkraft berechnen (VDI 2230). Reibwerte für die eingesetzten Materialpaarungen (Cu/Cu, Cu/Al, Al/Al) und Beschichtungen ermitteln. Herstellervorgaben für maximale Flächenpressung berücksichtigen.
Reinigungsprotokoll für Kontaktflächen definieren. Oxidschichten bei Aluminium-Busbars unmittelbar vor der Montage entfernen. Sauberkeit als dokumentierten Prozessschritt verankern.
Montagewerkzeuge auf Maschinenfähigkeit prüfen (VDI/VDE 2645-2). Sicherstellen, dass das Werkzeug das Soll-Drehmoment mit ausreichender Wiederholgenauigkeit erzeugt.
Weiterdrehmomentmessungen nach VDI/VDE 2645-3 durchführen. Stichprobenumfang und Prüfintervalle festlegen. Cp/Cpk-Werte berechnen und dokumentieren. Bei Prozessänderungen (Materialwechsel, Werkzeugwechsel) erneut prüfen.
Q-CHECK® und Montagewerkzeuge regelmäßig kalibrieren – mit der DWPM 1000c im DAkkS-akkreditierten GWK-Kalibrierlabor oder über den mobilen Vor-Ort-Kalibrierservice.
Messdaten lückenlos archivieren. 2 GB Speicher des Q-CHECK® ermöglichen umfangreiche Datensätze direkt am Werkzeug. Daten für Audit-Nachweise und kontinuierliche Prozessverbesserung nutzen.
Fazit: Anzugsmoment ist nicht gleich Klemmkraft - und Klemmkraft ist nicht gleich Kontaktwiderstand
Die Kette von der Schrauberbewegung bis zum elektrischen Widerstand an der Kontaktstelle ist länger, als sie auf den ersten Blick erscheint. Reibwerte, Oberflächenzustand, Materialeigenschaften und Prozessstreuung beeinflussen jeden Schritt. Geringere Kontaktwiderstände reduzieren die Temperaturbelastung und erhöhen damit Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Energieeffizienz.
Die Weiterdrehmomentprüfung mit dem Q-CHECK® schließt die Lücke zwischen dem, was das Montagewerkzeug anzeigt, und dem, was tatsächlich in der Verbindung angekommen ist. Sie ist kein bürokratischer Aufwand - sie ist die einzige Methode, mit der Sie unter Serienbedingungen nachweisen können, dass Ihre elektrischen Kontaktverschraubungen die geforderte Qualität haben.
Accuracy by GWK.
