Schwankende Reichweite bei niedrigen Außentemperaturen: eine neue, thermisch speicherfähige Traktionsbatterie im Sandwich-Aufbau soll das verhindern. Das Fraunhofer LBF hat daran mitgearbeitet und stellt das Konzept nun vor.
Isolierendes Batteriegehäuse
Die Batterie wurde innerhalb des EU-geförderten Forschungsprojektes OPTEMUS (Optimised Energy Management and Use) entwickelt. Maßgeblich beteiligt war das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, das im Rahmen von OPTEMUS bereits ein neues Thermomaterial für Elektroautos vorgestellt hatte.
Im Mittelpunkt des aktuellen Forschungsergebnisses steht nun ein neuartiges Faserverbund-Sandwich-Batteriegehäuse: Es schirmt die Wärmeenergie, die in einem Phasenwechselmaterial-Verbundsystem (PCM-Verbund) gespeichert ist, zur Umgebung thermisch ab. Bei kaltem Wetter kann der PCM-Verbund beispielsweise die temperaturanfälligen Batteriezellen vor dem Start vorkonditionieren und sie mithilfe des isolierenden Gehäuses länger bei der optimalen Betriebstemperatur halten. Eine aktive Temperierung kann meist vermieden werden. Umgekehrt ist es möglich, kurzfristige, ungewollte Wärmeanstiege der Batterie abzuschwächen, die bei Schnellladevorgängen entstehen können.
Wie funktioniert es?
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. Das Gehäuse basiert auf einem schaumspritzgegossenen Polymerschaum, der mit Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) verstärkt wird. Der Schaum stellt dabei die Isolationsfähigkeit sicher.
Damit der Faser-Kunststoff-Verbund die entstehenden Lasten auf die Batterie abfedern kann, setzen die Wissenschaftler ein dreidimensional verformtes, millimeterdünnes Tape ein, in dessen Hohlräume der Polymerschaum gespritzt wird. Der daraus entstandene Sandwichaufbau hat mehrere Vorteile: Er besitzt ein hohes Leichtbaupotential und führt zu hohen Biegeeigenschaften sowie Schlagfestigkeiten. Darüber hinaus bietet er einen hohen Schutz vor dem Eindringen von Fremdköpern. Das spielt insbesondere bei Batteriepacks eine große sicherheitstechnische Rolle.
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Ein neuartiger Phasenwechselmaterialverbund wird durch ein isolierendes Sandwich-Gehäuse thermisch von der Umgebung entkoppelt. © Fraunhofer LBF -
Ein am Fraunhofer LBF entwickelter Prozess ermöglicht die großserientaugliche Herstellung komplexer funktionsintegrierter FKV-Sandwich-Bauteile. © Fraunhofer LBF -
Prototyp des neuartigen Li-Ion Batteriemoduls sowie einem großserientauglich hergestellten Faserverbund-Sandwich-Gehäuse © Fraunhofer LBF
Auch in großen Skalen anwendbar
Beide Material-und Strukturkonzepte sind so ausgelegt, dass sie auch in Großserie anwendbar sind – ein wichtiger Aspekt in der Automobilbranche. Die dreidimensionalen Sandwich-Bauteile können nach Angaben des Fraunhofer-Instituts „kosteneffizient, in kurzen Taktzeiten und bei vergleichsweise niedrigen Materialkosten gefertigt werden“.
Felix Weidmann, der am Fraunhofer LBF für das Forschungsprojekt verantwortlich war, ergänzt: „Die von uns entwickelten Material-, Struktur- und Prozesstechnologien sichern dem Fahrer eine zuverlässigere und gleichmäßige Reichweite seines batterieelektrischen Fahrzeugs. Darüber hinaus profitieren Fahrzeugentwickler und Konstrukteure von einer neuen Prozesstechnologie für Funktionsintegration und Leichtbau“. (aho)
Quelle: Fraunhofer LBF
