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

Abstract

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