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Sicherheit von E-Fahrzeugen

Virtuelle Auslegung von Kunststoff-Batteriegehäusen

19. Januar 2024, 11:09 Uhr | Irina Hübner

Entgasungssimulation eines Moduls bei Farasis Energy.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts will Farasis Energy kunststoffbasierte Batteriegehäuse mit Hilfe virtueller Auslegung sicherer machen, um die Sicherheit von Elektrofahrzeugen zu verbessern.

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Farasis Energy ist gemeinsam mit Kautex Textron, einem Lieferanten für Energiespeichersysteme, und dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, Teil eines Forschungskonsortiums. Das Projekt SiKuBa (Sichere und nachhaltige kunststoffbasierte Batteriegehäuse) hat das Ziel, kunststoffbasierte Batteriegehäuse mittels virtueller Auslegung sicherer zu machen und somit die Sicherheit von Elektrofahrzeugen zu erhöhen.

Das auf die Entwicklung und Produktion von hochleistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterietechnologie sowie Pouch-Zellen für die Elektromobilität spezialisierte Unternehmen leitet dabei die Methodenentwicklung eines Simulationsmodells zur Abbildung des thermischen Durchgehens einzelner Zellen und der Propagation im Modul. Ebenso unterstützt das Unternehmen bei allen batterierelevanten Themen innerhalb des Projekts.

Kunststoff- versus Metallgehäuse

Kunststoffgehäuse haben viele Vorteile gegenüber Metallgehäusen. Sie sind leichter, nachhaltiger und kostengünstiger in der Produktion, und verfügen über eine bessere elektrische Isolation. Im Falle einer beschädigten Zelle kann das Batteriegehäuse enormen thermischen Lasten ausgesetzt sein, wenn aufgrund der Beschädigung ein thermisches Durchgehen einzelner Zellen stattfinden sollte und diese Reaktion im schlimmsten Fall auf Nachbarzellen übergreift (Thermal Propagation). Das Batteriegehäuse hat in diesem Fall eine hohe sicherheitsrelevante Funktion, da es die Ausbreitung der dabei entstehenden heißen Gase und Partikel eindämmt. Eine Herausforderung ist jedoch der Nachweis der Sicherheit der Batteriegehäuse, der aufwendig und teuer ist.

Experimentelle Analyse und Überführung in Simulationsmodelle

An diesem Punkt setzt das Projekt SiKuBa an. Die Entstehung und die Ausbreitung der heißen Gas- und Partikelströme sowie deren Interaktion mit Strukturelementen sollen experimentell analysiert und in Simulationsmodelle überführt werden, die zu einer höheren Kosten- und Zeiteffizienz in der Entwicklungsphase führen. Zudem soll die Beurteilung der Batteriesicherheit in Bezug auf Lastfallszenarien, Werkstoffe und Bauteildesign möglich sein.

Es erfolgt eine Untersuchung grundlegender Effekte auf Laborebene, darunter das thermomechanische Materialverhalten und die Zellentgasung. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in Simulationsmodelle integriert und schließlich durch physische Tests an einem Demonstrator-Gehäuse, das dem geplanten Produkt nahekommt, validiert. Die entwickelten Simulationsmethoden sollen nicht nur erhebliche Zeit- und Kostenersparnisse während der Entwicklungsphase ermöglichen, sondern auch eine umfassende Bewertung der Batteriesicherheit unter einer Vielzahl unterschiedlicher Lastfall-Szenarien, Materialien und des Bauteildesigns.

Benefits für künftige Produktentwicklungen

Farasis Energy wird zusammen mit den Projektpartnern ein detailliertes Modell zur Abbildung des thermischen Durchgehens entwickeln bzw. die im Unternehmen bereits vorhandenen Modelle verbessern. In künftigen Entwicklungsprozessen von Modul- und Packprojekten sollen die im entwickelten Simulationsmodell gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um die Entwicklung zu beschleunigen, aber auch um kostenintensive Tests einzusparen. Zudem sollen diese Simulationsmodelle dem Unternehmen die schnellere und sichere Integration von kunststoffbasierten Modul- und Packgehäusen erlauben.

Das Projekt mit einer Laufzeit von drei Jahren wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 2,6 Millionen Euro gefördert.