E-Batteriepacks benötigen für Reichweiten jenseits der 500 km eine Menge Batteriezellen und werden dadurch schnell sehr schwer. Die mechanische Struktur um die Zellen, wie Zellhalter und vor allem das aktuell aus Aluminium oder Stahl gefertigte Gehäuse, wiegen zusammen mit den elektrischen Komponenten mehrere Hundert Kilogramm. Je nach Fahrzeugdesign kann die mechanische Struktur des Batteriepacks so 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“, sagt Dr. Felix Weidmann vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit LBF. 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.“
Fertigung in zwei Minuten
Forscher des Fraunhofer LBF haben deshalb nun ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten im Sandwich-Aufbau hergestellt, das um rund 40 Prozent leichter ausfallen soll als Pendants aus Aluminium. Dazu nutzten sie ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert. Dieses sogenannte In-Situ-FKV-Sandwich-Verfahren stellt fertige Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung her.
Darüber hinaus lassen sich Funktionen wie die thermische Isolationsfähigkeit des Batteriegehäuses im selben Prozessschritt integrieren, was mit klassischen metallischen Konstruktionsmaterialien und Fertigungsverfahren nicht möglich ist. Durch geeignete Flammschutzmittel und Strukturen lässt sich so ein hoher Widerstand gegenüber offenen Flammen sowie thermischen Energieeinträgen sicherstellen, wie sie etwa bei einem Zellbrand oder den UN-ECE-R100-Prüfungen auftreten können.
Deutlich geringere Materialkosten
Das Leichtbau-Batteriepack setzt sich aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern aus Faserverbundwerkstoffen zusammen. Hergestellt wird das Gehäuse aus UD-Tapes von Sabic, die zunächst verwoben und anschließend konsolidiert werden.
Das daraus entstehende Laminat mit Schachbrettmuster wird anschließend vorgeformt und beidseitig in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug eingelegt. Durch gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht ein Gehäuse mit Faserverbund-Decklagen und einem Schaumkern.
Diese beanspruchungsgerechte Sandwich-Konstruktion weist sehr gute gewichtsspezifische und mechanische Eigenschaften auf und reduziert gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate. Das wiederum senkt die Materialkosten und führt in Verbindung mit den sehr kurzen Zykluszeiten zu geringen Bauteilkosten.
Ergänzende Simulationstools
Laut den Forschern eignet sich das Verfahren auch für andere Anwendungsbereiche, da verschiedenste Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen miteinander kombinierbar sind. Zusätzlich entwickelten sie auch simulationsgestützte Methoden, mit denen sich die Fertigungsqualität vorhersagen und somit die Vorauslegung sowie Fertigung deutlich vereinfachen lassen.
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