Novel lightweight material, design and cooperation solutions for electric mobility: Presentation held at LIGHTer International Conference, Goteburg, 20.-21.11.2019

Electric cars demand advanced specifications regarding passenger safety. For the safety-relevant battery system as well as for the whole electric car new material setups are required. This presentation shows inter alia material solutions for economically carbon fiber reinforced textiles, highly intrusion protective aluminum foam sandwiches with integrated thermal management and new production methods for hybrid components. The Fraunhofer Project Center Wolfsburg team develops new solutions in direct contact with industry and further research partners. In current aspirations this cooperation is broadened to Swedish partners in the areas lightweight and electric mobility

Messtechnische Charakterisierung geschlossenzelliger Aluminiumschaumstrukturen

In zahlreichen Baugruppen bis hin zu Gesamtfahrzeugen sind heutzutage zusätzliche Dämpfungselemente verbaut, um bspw. die akustische Güte zu verbessern. Unter diesem Aspekt sind gerade Metallschaumkomponenten prädestiniert, um bei geringer Masse und hoher Steifigkeit zusätzlich die Systemdämpfung zu erhöhen. Entsprechend gibt es bereits erste Anwendungen von Metallschaumkomponenten in Werkzeugmaschinen, wo solche Materialstrukturen sehr werkzeugnah eingesetzt werden. Durch die Infiltration von Phasenwechselmaterial (PCM, hier Paraffin) in diese Schaumstrukturen lassen sich zusätzlich einstellbare thermische Funktionalitäten abbilden, wie beispielsweise die Speicherung überschüssiger Wärmeenergie. Aus diesem Grund, den hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten, Gewichtsvorteilen sowie verbesserten Dämpfungseigenschaften stehen diese PCM-Aluminiumschaummaterialien aktuell im Fokus der Entwicklung von Elektrofahrzeugkomponenten, wie Batteriegehäusen und Unterbodenbauteilen. Für diese Baugruppen gelten besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Crashsicherheit und Thermomanagement. Aus diesen beiden Anwendungsfällen lässt sich bereits ableiten, dass es generell wünschenswert wäre, die Eigenschaften des Schaumwerkstoffs anwendungsgerecht einzustellen. Darauf basierend wurden am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Aluminiumschaumproben (Al-Schaumproben) unterschiedlicher Dichte, respektive Porosität, hergestellt, die zum einen aus reinem Schaum und zum anderen aus Schaumsandwiches mit metallischen Decklagen sowie Aluminiummassivmaterial (AAS) bestehen. Weiterhin wurden, mit dem Ziel deren modale Eigenschaften zu beeinflussen, Proben mit PCM infiltriert, um zusätzliche Einstellungsmöglichkeiten der Werkstoffparameter aufzuzeigen. Konkret wird in diesem Beitrag auf die modalen Untersuchungen an diesbezüglichen Proben eingegangen. Insbesondere die Messung und die Durchführung stehen im Fokus. Final werden die messtechnisch ermittelten Eigenschaften Ergebnissen erster Modellierungsstrategien gegenübergestellt

Hybridfügen durch Fließlochformen

Various processes with and without additional fasteners are currently used for the production of hy-brid material connections. This leads to different requirements and problems when joining. A cohesive hybrid composite joint of fiber reinforced plastics (FRP) and metal by gluing requires, for example, complex pretreatment of the joining partners. With mechanical joining concepts, the joining elements usually destroy the load-bearing fibers locally and require access to the metal and FKV semi-finished products from both sides. In addition, there is a lot of effort in positioning accuracy. The new process principle, which was developed jointly by the Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology (IWU) and the Technical University of Braunschweig, represents an additional joining pro-cess for joining metal sheets with FRP, wood and plastic semi-finished products. The semi-finished products described are positioned in between at least two metal sheets. The metallic semi-finished products and the (fiber reinforced) plastic and wood semi-finished products can have the same or different dimensions. One of the metallic sheets or both metallic sheets can also be part of a sand-wich structure. Then the defined penetration of all semi-finished products takes place with a flow punch former. The metals are heated and deformed. This happens without material removal. The matrix of the FRP semi-finished product is melted and the reinforcing fibers are, if applicable, dis-placed by the flow punch former and not destroyed, so that a continuous fiber load path is guaran-teed. The deformed metal forms a kind of sleeve, which in turn can be used for shaping or for cutting or forming a thread. With a targeted choice of process parameters and material combination, a form closure and adhesive bond can be produced. The principle of the procedure for joining a metallic sheet with an FRP sheet and a metallic top layer of a metal foam sandwich has already been experi-mentally tested. The result is shown in Figure 1

Closed Cell Aluminum Foam Products Infiltrated with Phase Change Material (PCM) Used for Battery Housing Applications of Electric Cars: Presentation held at 10th International Conference on Materials for Advanced Technologies, ICMAT 2019, Singapore, 28th June 2019

Battery systems of electric vehicles have to face high mechanical and thermal specification. In future cars they usually will be placed in the underbody structure. Consequently the battery housing protecting the battery cells has to resist significantly larger loads from below. In the bollard test underbody systems are tested regarding their protection ability. Additionally battery housings mostly have an integrated active cooling system. The cooling energy is drawn from the battery itself reducing the driving range of the electric car. This publication focuses on a material composite consisting out of closed cell aluminum foam products infiltrated with phase change material (PCM) used for battery housing applications of electric cars. PCM can be used for passive cooling reducing the energy consumption or rather increasing the driving range. PCM has the ability to store a high amount of thermal energy, but goes ahead with low thermal conductivity. Literature shows that for passive cooling applications the thermal conductivity is increased by metal fibers, graphite or open cell metal foams. In comparison to previous literature in this publication the manufacturing technology for producing closed cell aluminum foam products infiltrated with PCM is investigated. The goal is the production of materials with increased thermal conductivity of PCM, more precisely paraffin, on the one hand. A further improvement relating to the state of the art is to add an increased mechanical performance to the passive thermal energy storage system. Experimental results of closed cell aluminum foam products infiltrated with PCM are presented and its potential for battery housings applications is evaluated

Multi-functional battery housing for electric vehicles

In the current research project a lightweight part with integrated functions for electric vehicles is developed. With the approach of a multi-material mix consisting out of fibre reinforced plastics (FRP), aluminium foam and solid aluminium a reference battery housing made of steel is replaced. Here the focus is on the integration of mechanical functions, the thermal management as well as crash and intrusion protection

Temperiertes Batterie-Package in profilbasierter Leichtbauweise: Vortrag gehalten auf dem Symposium "Werkstoffe und Konzepte für Fahrzeuge von morgen", 6. und 7. November 2018, Salzgitter

Die Anwendung innovativer Leichtbauwerkstoffe und -technologien spielt eine entscheidende Rolle für die Elektromobilität von morgen. Weniger Gewicht zu bewegen, bedeutet den Energieverbrauch zu reduzieren und damit die Leistungsfähigkeit elektrisch angetriebener Fahrzeuge zu steigern. Neben den hohen Anschaffungskosten und der noch im Ausbau befindlichen Ladeinfrastruktur ist die geringe Reichweite derzeit ein Hindernis für die Etablierung von Elektrofahrzeugen. Etablierte Leichtbauansätze sind zur Reichweitenerhöhung jedoch nicht ausreichend. Steigende Effizienz-, Sicherheits-, Bauraum- und Komfortanforderungen können nur über die Integration mehrerer Funktionen in innovative Materialsysteme serientauglich realisiert werden. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik greift diese Thematik im Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg auf. Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung eines Leichtbau-Batteriegehäuses für Elektrofahrzeuge, das mechanische und thermische Funktionen in einem innovativen Materialverbund vereint. Ein neuartiger Sandwichaufbau bestehend aus einer Aluminiumdecklage, einem Aluminiumschaumkern und einer konturgebenden, korrosionsbeständigen Decklage aus endlosfaserverstärktem Thermoplast ersetzt dabei die konventionelle Stahl-Schalenbauweise. Auch der Einsatz von Naturfasern wird untersucht, da diese hinsichtlich Dämpfungseigenschaften und Nachhaltigkeit ein hohes Potenzial aufweisen. In Verbindung mit dem Aluminiumschaumkern, der ein hohes Energieabsorptionsvermögen aufweist, werden die Batteriemodule vor Steinschlag und Intrusion geschützt. Über das stoffschlüssig mit dem Aluminiumschaum verbundene Aluminium-Deckblech wird die Anbindung der Batteriemodule mit speziellen Inserts sowie die Wärmeableitung in den Schaum realisiert. Durch Infiltration des geschlossen porigen Aluminiumschaumkerns mit Phasenwechselmaterial (PCM) können thermische Lastspitzen geglättet sowie überschüssige Wärmeenergie gespeichert werden. Das PCM verfügt im Bereich des Phasenwechsels fest-flüssig über eine hohe Wärmespeicherkapazität und ist somit in der Lage große Wärmemengen zu puffern. Durch den Schutz der Batteriezellen vor temporärer thermischer Überlastung wird die Lebensdauer der Batterien erhöht Für ein ganzheitliches Temperierungskonzept werden zudem eine regelbare Wärmeleitung durch autark schaltendes thermosensitives Formgedächtnismaterial sowie der Abtransport der Batteriewärme durch Einsatz von Wärmeleitrohren (Heatpipes) im Rahmen der Forschungsarbeit betrachtet. Weiterführende Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit einem Leichtbau-Bauweisenkonzept für den Fahrzeugunterboden unter Verwendung pultrudierter Profile aus faserverstärktem Kunststoff. Neben einem enormen Leichtbaupotential, der Möglichkeit der belastungsgerechten Auslegung und nahezu unbegrenzter Geometrievielfalt können auch hier zusätzliche Funktionen, z.B. Sensoren und Aktoren, integriert werden

Multifunctional FRP-aluminum foam setup for battery housings of electric vehicles

The battery systems of electrified vehicles are characterised by increasing weight due to larger battery modules. A lightweight battery carrier structure can reduce the system weight by replacing heavy metallic housing components by materials like fibre-reinforced plastics (FRP) and aluminum. The battery housing has to meet several requirements, e.g. stiffness, crash and intrusion protection, proof of leakage and thermal management. Present battery housings are manufactured using pressure die-cast aluminum in combination with steel carrier structures and are cooled actively. A novel approach is a lightweight hybrid battery housing consisting of a thermoformed FRP as stiff outer shell and an integrated closed cell aluminum foam infiltrated with phase-change-material for passive thermal management. This multi-material setup enables substitution of functionally separated systems in one intelligent solution. In the Open Hybrid LabFactory an entire process chain was built up including the aluminum foaming process, the thermoforming of FRP with heating and consolidating as well as the integrated forming and joining process of FRP with aluminum foam. With the goal of application-orientated research, a battery housing of an existing electric car was used to define requirements such as design space and mechanical specifications. Based on parameter studies an optimised process setup was achieved, which will be described in this paper

Novel Battery Module Design for Increased Resource Efficiency

The work presented focuses on a material efficient, modular design of a battery module for vehicle applications. Furthermore, the possibility of disassembly of individual components was considered. The constructive design focused on the combination of cast aluminum components, lightweight composites panels, and aluminum-foam phase-change material (PCM) composites. This led to an innovative battery module, which was finally implemented on a demonstrator level. The required cooling power of the module could be reduced by approx. 20% compared to conventional battery module setups. Furthermore, the constructive design of the module and the use of a “debonding-on-demand” technology enabled significantly faster disassembly. Die to the combination of these advantages and the possibility to give individual parts of the module a second life for new modules, the module shows a high resource efficiency as well as high CO2 savings potential