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Leichtbau-Batteriepack vergrößert Reichweite

22. Oktober 2020, 09:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Leichtbau-Batteriepack vergrößert Reichweite
© Fraunhofer LBF

Leichtbau-Batteriegehäuse aus Faserverbunden: 40 Prozent leichter als Aluminium durch den beanspruchungsgerechten Sandwichaufbau und gleichzeitig sehr kosteneffizient durch ein hocheffizientes Fertigungsverfahren.

40 Prozent weniger als ein Batteriepack aus Aluminium wiegt der Leichtbau-Batteriepack, den Forscher des Fraunhofer LBF entwickelt haben. Er besteht aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen und kann durch das eingesparte Gewicht die Reichweite und die Dynamik eines Elektrofahrzeugs erhöhen.

Aufgrund der hohen Menge benötigter Batteriezellen sind Batteriepacks für Elektrofahrzeuge aktuell sehr schwer, wenn die geforderten hohen Reichweiten jenseits von 500 Kilometer erreicht werden sollen. Die mechanische Struktur um die Zellen, wie Zellhalter und insbesondere das gegenwärtig aus Aluminium oder Stahl hergestellte Gehäuse, addieren sich neben den elektrischen Komponenten zu einem hohen Gesamtgewicht von mehreren Hundert Kilogramm. So kann je nach Fahrzeugdesign die mechanische Struktur des Batteriepacks mehr als 30 Prozent von dessen Gesamtmasse ausmachen.

»Um die gravimetrische Energiedichte zu erhöhen, ohne die Zelltechnik verändern zu müssen, ist es somit naheliegend, die notwendigen mechanischen Strukturen der Batteriepacks leichter zu bauen«, betont Dr. Felix Weidmann, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF betreut. Ein deutliches Leichtbaupotenzial sieht er in der gezielten Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV): »Jedoch müssen Lösungen kostenmäßig wettbewerbsfähig sein und den kritischen Aspekt des Brandwiderstands berücksichtigen.«

Fraunhofer LBF, Electric Vehicles, Batteries
© Fraunhofer LBF

Fertigung des Leichtbau-Batteriegehäuses: Preforms werden in das eigens hierzu entwickelte Spritzgusswerkzeug eingelegt und der Schaumkern injiziert. Innerhalb von nur zwei Minuten ist das Faserverbund-Gehäuse fertig – und das ohne Nachbearbeitung.

Fertigung in zwei Minuten

Vor diesem Hintergrund hat das Forscherteam des Fraunhofer LBF ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus Endlosfaser verstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau hergestellt. Dazu  nutzte es ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert. Durch dieses sogenannte In-Situ-FKV-Sandwich-Verfahren lassen sich fertige Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung fertigen.

Darüber hinaus lassen sich Funktionen, beispielsweise die thermische Isolationsfähigkeit des hergestellten Batteriegehäuses, im gleichen Prozessschritt integrieren. Mit klassischen metallischen Konstruktionsmaterialien und Fertigungsverfahren wäre dies nicht möglich. Durch die Wahl geeigneter Flammschutzmittel und Strukturen lässt sich ein hoher Widerstand gegenüber offenen Flammen sowie thermischen Energieeinträgen erzielen, wie sie etwa bei einem möglichen Zellbrand oder den Prüfungen nach UN ECE R100 auftreten können.

Materialkosten deutlich reduziert

Das Leichtbau-Batteriepack besteht aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern aus Faserverbundwerkstoffen. Dabei besteht das Gehäuse aus UD-Tapes von Sabic, die zunächst verwoben und anschließend konsolidiert werden. Das sich aus diesem Prozessschritt ergebende Laminat, das einem Schachbrettmuster gleicht, wird anschließend vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt. Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht auf diese Weise das Gehäuse mit Faserverbunddecklagen und einem Schaumkern.

Diese beanspruchungsgerechte Sandwichkonstruktion führt zu höchsten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und reduziert gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate. Da dies zum einen die Materialkosten senkt, zum anderen die Zykluszeiten sehr kurz sind, sind die Bauteilkosten entsprechend gering. Darüber hinaus eignet sich dieses Verfahren auch für andere Anwendungsbereiche und deren Anforderungen, da verschiedenste Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen kombiniert und angewandt werden können.

Neben dem Verfahren zur effizienten Fertigung der Batteriegehäuse als Faserverbund-Sandwich-Konstruktion entwickelten die Darmstädter Forscherinnen und Forscher auch simulationsgestützte Methoden, mit denen sich die Fertigungsqualität vorhersagen und somit die Vorauslegung sowie Fertigung deutlich vereinfachen lässt.

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