Wissenschaftlern ist es im Rahmen des EU-Projekts „Optemus“ gelungen, die Reichweite von Elektrofahrzeugen durch eine Vielzahl von effizienzsteigernden Technologien zu erhöhen. Dazu zählt eine thermisch speicherfähige Traktionsbatterie, die das Fraunhofer LBF maßgeblich mitentwickelt hat. Im Mittelpunkt steht dabei nach Angaben des Instituts ein neuartiges Faserverbund-Sandwich-Batteriegehäuse, das die in einem Phasenwechselmaterial-Verbundsystem (PCM-Verbund) gespeicherte Wärmeenergie thermisch zur Umgebung abschirmt.

Das vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Projekt entwickelte Phasenwechselmaterial-Verbundsystem kann beispielsweise genutzt werden, um bei kaltem Wetter die temperatursensitiven Batteriezellen vor dem Start gezielt vorzukonditionieren und sie weiterhin mithilfe des thermisch isolierenden Gehäuses länger bei dieser optimalen Betriebstemperatur zu halten. Eine aktive Temperierung könne meist vermieden werden.

Kaltes Wetter und Wärmeanstiege der Batterie können ausgeglichen werden

Umgekehrt sei es möglich, kurzfristige, ungewollte Wärmeanstiege der Batterie abzuschwächen, die etwa bei Schnellladevorgängen entstehen können. „Die von uns entwickelten Material-, Struktur- und Prozesstechnologien sichern dem Fahrer eine zuverlässigere und gleichmäßige Reichweite seines batterie-elektrischen Fahrzeugs. Darüber hinaus profitieren Fahrzeugentwickler und Konstrukteure von einer neuen Prozesstechnologie für Funktionsintegration und Leichtbau“, sagte Felix Weidmann, der am Fraunhofer LBF für das Forschungsprojekt verantwortlich war.

Polymerschaum isoliert die Batterie

Um den PCM-Verbund vor Temperatureinwirkungen zu schützen und so besser steuerbar zu machen, entwickelten die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch isolierenden hochfesten Batteriegehäuses. Dieses basiert auf einem schaumspritzgegossenen integralen Polymerschaum, der mit hochfesten thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (TP-FKV) verstärkt wird. Hierbei stellt der Schaum die Isolationsfähigkeit sicher.

Ein neuartiger Phasenwechselmaterialverbund wird durch ein isolierendes Sandwich-Gehäuse thermisch von der Umgebung entkoppelt.
Quelle: Fraunhofer LBF

Faser-Kunststoff-Verbund sichert Festigkeit

Da der Polymerschaum nur geringe Festigkeiten sowie Steifigkeiten besitzt, wird dieser mit TP-FKV bedeckt, um die im Betrieb entstehenden Lasten auf die Batterie sicher zu tragen. Hierzu stellten die LBF-Wissenschaftler aus mehreren nur 0,25 Millimeter dünnen unidirektionalen Tapes ein Laminat her und verformten dieses dreidimensional, bevor im hybriden Fertigungsverfahren der Integralschaum als Kern zwischen die Laminatdecklagen gespritzt wurde.

Sandwichaufbau macht Batteriepack sicherer

Der daraus entstandene Sandwichaufbau hat mehrere Vorteile: Er besitzt ein hohes Leichtbaupotential und führt zu hohen spezifischen Biegeeigenschaften sowie Schlagfestigkeiten. Darüber hinaus bietet er einen hohen Schutz vor Intrusionsereignissen, die insbesondere bei Batteriepacks eine große sicherheitstechnische Rolle spielen.

Entwicklung ist großserientauglich

Um der Automotive-Anwendung gerecht zu werden, sind beide Material- und Strukturkonzepte so entwickelt worden, dass sie auch in der Großserie anwendbar sind. So wird beispielsweise die Herstellung des thermisch isolierenden Gehäuses durch ein am Fraunhofer LBF entwickeltes hybrides Schaumspritzgussverfahren realisiert, das es erstmalig ermöglicht, kosteneffizient dreidimensionale FKV-Sandwich-Bauteile in kurzen Taktzeiten bei vergleichsweise niedrigen Materialkosten zu fertigen.

Gefördert wird das Projekt innerhalb der „Green Vehicle Initiative“ im Rahmen des EU-Förderprogramms „Horizont 2020“.

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