Leichtere Batteriegehäuse für E-Autos

Gehäuse für Batteriesysteme in E-Autos klimafreundlich herstellen und so zu einer besseren CO₂-Bilanz der Fahrzeuge beitragen – so das Anliegen der Partner im Projekt CoolBat (CO₂-einsparende Leichtbaulösungen am Demonstrator Batteriegehäuse der nächsten Generation). Denn die aktuellen Batteriegehäuse mit Lastverteilungsstrukturen und Temperaturregulierung, Rahmen, Deckeln und Bodenplatten bieten Optimierungspotenzial. 15 Partner forschen interdisziplinär an Leichtbau-Konstruktionsprinzipien zur Masseeinsparung, Leichtbaumaterialien und -produktionsverfahren, um die Gehäuse der Batteriesysteme umweltfreundlich und mit besseren Gebrauchseigenschaften produzieren zu können.

Der breitgefächerte Ansatz des Projekts rückt Aspekte wie Kreislauf- und Reparaturfähigkeit, Ressourcen- und Energieeffizienz, Sicherheit und Brandschutz auf Konstruktions- und Materialebene in den Fokus. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz koordiniert das Vorhaben, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP-LB) und betreut durch den Projektträger Jülich (PTJ).

Kühlung und Tragstruktur in einer Komponente

Das Prinzip ist einfach: Je leichter die Gehäuse, umso größer die Reichweite der Elektroautos, da der Stromverbrauch sinkt. Die Integration von neuen Leichtbauweisen und mehr Funktionen auf kleinerem Bauraum bei weniger Schnittstellen verringern das Gewicht und sparen zugleich 15 Prozent Kohlendioxid. Über die Massereduktion erhöhen die Forscher bei gleicher Batteriezellzahl die Energiedichte und somit die Reichweite. Durch den Gehäusedeckel in Faserverbundbauweise ließ sich die Masse um mehr als 60 Prozent reduzieren im Vergleich zur Referenz aus Stahl.

Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsreduktion besteht in der Kombination von Einzelsystemen im Gehäuse, die bislang thermische und mechanische Aufgaben separat übernommen hatten. Beispielsweise sind Temperierkanäle direkt in Tragstrukturen wie in Querträgern integriert – hergestellt am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Zusätzlich wird die Funktion der Kühleinheit mit der des Unterfahrschutzes in einer Komponente verbunden, der Bodenplatte. Für die Energieabsorption bei Steinschlag und Unfällen sorgt ein in die Bodenplatte eingebrachter Aluminiumschaum, der einen großen Teil der beim Aufprall entstehenden Energie aufnimmt. Im Verbund mit einem Phasenwechselmaterial (PCM), einer Art Wachs, das viel Wärme- und Kälteenergie speichern und wieder abgeben kann, senkt der Aluminiumschaum zusätzlich den Energieaufwand zur Kühlung der Elektrobatterie.

Die Bodenplatte hat das Fraunhofer IWU und dem Unternehmen FES/AES entwickelt und inklusive Schaum am Institut gefertigt. Die Batteriezellen sind auf diese Weise vor mechanischen Lasten und zugleich vor Überhitzung geschützt. Dabei durchströmt ein Fluid die Kanäle und temperiert die Zellen nicht nur von unten, sondern auch seitlich. Dadurch verringert sich der elektrische Verbrauch für die Kühlung der Zellen und man kann an anderer Stelle im Auto auf Kühlelemente verzichten. Als Referenz und Technologieträger dient den Forschenden die Mercedes-EQS-Batterie.

Wärmeleitmatten und biobasierende Beschichtungen

Die Qualität der Wärmeabfuhr von Batterien in Richtung Außengehäuse wirkt sich stark auf die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs aus. Üblicherweise ist das Batteriemodul über leitfähige Pasten thermisch angebunden. Jetzt sollen umweltfreundliche Wärmeleitstoffe die schweren, nicht nachhaltigen Pasten ersetzen. Hierfür metallisiert das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST per Plasmaverfahren offenporige, wiederverwendbare Schäume, die sich in Form von Matten in die Räume zwischen Batterie und Gehäuse einlegen lassen.

Für mehr Sicherheit sorgt eine neue Brandschutzbeschichtung, entwickelt vom Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI. An der Unterseite des Gehäusedeckels aufgetragen, verhindert die Beschichtung die Ausbreitung von Feuer, das von darunter liegenden Batteriezellen ausgehen kann. Ein Bestandteil der Beschichtung ist das biobasierende Material Lignin, das erdölbasierende Werkstoffe substituiert und nicht brennbar ist.

Der bisherige Gehäusedeckel aus Stahl hat einer neuen Faserverbund-Deckelstruktur aus Kohlenstoff und Harz – sogenannte Towpregs – Platz gemacht, was nicht nur zu einer deutlichen Massereduktion führte, sondern auch zur Wiederverwendbarkeit des Deckels. Das System aus Deckel, Rahmen und Bodenplatten ist so konstruiert, dass es sich bis auf Komponentenebene zerstörungsfrei trennen und demontieren lässt.

Die Projektergebnisse sollen später auch anderen Anwendungen und Branchen zugute kommen, in denen große Batterien zum Einsatz kommen – etwa in Zügen, Flugzeugen und Booten. Die Kühlsysteme ließen sich auf Lebensmittel- und Medizintransporte transferieren, die Brandschutzlösungen auf Gebäude. Partner im Projekt CoolBat sind Auto-Entwicklungsring Sachsen FES/AES, Invent, Compositence, iPoint-systems, Tigres, LXP Group, Basdorf, Lampe & Pertner, MID Solutions, Synthopol Chemie, Trimet Aluminium, Mercedes-Benz sowie die Fraunhofer-Institute IFAM, IST und WKI.