Elektromobilität nimmt Fahrt auf. In Zeiten anstehender Fahrverbote für Dieselfahrzeuge werden batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) insbesondere im urbanen Umfeld für Käufer immer interessanter. Gesteigerte Batteriekapazitäten machen zwar zunehmend längere Distanzen möglich, jedoch schwankt deren Reichweite vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Innerhalb des EU-Projekts OPTEMUS (Optimised Energy Management and Use) wurden deshalb eine Vielzahl effizienzsteigernder Technologien entwickelt und miteinander verknüpft, um so insbesondere die Reichweitenschwankung des Elektrofahrzeugs Fiat 500e zu reduzieren. Dazu gehört eine thermisch speicherfähige Traktionsbatterie, die das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF maßgeblich mit entworfen hat. Im Mittelpunkt steht ein neuartiges Faserverbund-Sandwich-Batteriegehäuse, welches die in einem Phasenwechselmaterial-Verbundsystem (PCM-Verbund) gespeicherte Wärmeenergie zur Umgebung thermisch abschirmt.
Das vom Fraunhofer LBF entwickelte Phasenwechselmaterial-Verbundsystem kann beispielsweise genutzt werden, um bei kaltem Wetter die temperatursensitiven Batteriezellen vor dem Start gezielt vorzukonditionieren und sie weiterhin mithilfe des thermisch isolierenden Gehäuses länger bei dieser optimalen Betriebstemperatur zu halten. Eine aktive Temperierung kann meist vermieden werden. Umgekehrt ist es möglich, kurzfristige, ungewollte Wärmeanstiege der Traktionsbatterie abzuschwächen, die etwa bei Schnellladevorgängen entstehen können. „Die von uns entwickelten Material-, Struktur- und Prozesstechnologien sichern dem Fahrer eine zuverlässigere und gleichmäßige Reichweite seines batterie-elektrischen Fahrzeugs. Darüber hinaus profitieren Fahrzeugentwickler und Konstrukteure von einer neuen Prozesstechnologie für Funktionsintegration und Leichtbau“, erklärt Felix Weidmann, der am Fraunhofer LBF für das Forschungsprojekt verantwortlich war.
Ein neuartiger Phasenwechselmaterial-Verbund wird durch ein isolierendes Sandwich-Gehäuse thermisch von der Umgebung entkoppelt. ©_Fraunhofer LBF
Traktionsbatterie mit thermisch isolierendem Gehäuse
Um den PCM-Verbund von der Umgebung thermisch zu entkoppeln und so besser steuerbar zu machen, entwickelten Wissenschaftler des Fraunhofer LBF ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch isolierenden hochfesten Batteriegehäuses. Dieses basiert auf einem schaumspritzgegossenen integralen Polymerschaum (SABIC®PP15T1020), welcher mithilfe des hybriden Fertigungsverfahrens beanspruchungsgerecht lokal mit hochfesten thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) verstärkt wird. Hierbei stellt der Schaum die Isolationsfähigkeit sicher. Um verschiedene Polymerschäume hinsichtlich ihrer Schaummorphologien und damit der Isolationsfähigkeit untersuchen und bewerten zu können, entwarfen die Forscher eine Morphologieanalytik, die auf computertomographischen 3D-Aufnahmen basiert.
Da der Polymerschaum nur geringe Festigkeiten sowie Steifigkeiten besitzt, wird dieser mit TP-FKV bedeckt, um die im Betrieb entstehenden Lasten auf die Batterie sicher zu tragen. Hierzu stellten die LBF-Wissenschaftler aus mehreren nur 0,25 Millimeter dünnen unidirektionalen Tapes (UDMAX™ von SABIC) ein Laminat her und verformten dieses dreidimensional, bevor im hybriden Fertigungsverfahren der Integralschaum als Kern zwischen die Laminatdecklagen gespritzt wurde.
Leicht, sicher und großserientauglich
Der daraus entstandene Sandwichaufbau hat mehrere Vorteile: Er besitzt ein hohes Leichtbaupotential und führt zu hohen spezifischen Biegeeigenschaften sowie Schlagfestigkeiten. Darüber hinaus bietet er einen hohen Schutz vor Intrusionsereignissen, welche insbesondere bei Batteriepacks eine große sicherheitstechnische Rolle spielt.
Um der Automotive-Anwendung als Traktionsbatterie gerecht zu werden, sind beide Material- und Strukturkonzepte so entwickelt worden, dass sie auch in der Großserie anwendbar sind. So wird beispielsweise die Herstellung des thermisch isolierenden Gehäuses durch ein am Fraunhofer LBF entwickeltes hybrides Schaumspritzguss-Verfahren realisiert, das es erstmalig ermöglicht, kosteneffizient dreidimensionale FKV-Sandwich-Bauteile in kurzen Taktzeiten bei vergleichsweise niedrigen Materialkosten zu fertigen.
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