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Faser-Verbundstoff Leichtbau-Batteriepack verringert Gewicht und erhöht Reichweite von E-Autos

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben ein Leichtbau-Batteriepack für E-Autos aus Faser-Kunststoff-Verbunden entwickelt. Es ist 40 % leichter als gängige Aluminiumgehäuse und erhöht damit Reichweite und Dynamik des E-Fahrzeugs.

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Das Leichtbau-Batteriegehäuse aus Faserverbunden ist 40 % leichter als Aluminium durch den beanspruchungsgerechten Sandwichaufbau.
Das Leichtbau-Batteriegehäuse aus Faserverbunden ist 40 % leichter als Aluminium durch den beanspruchungsgerechten Sandwichaufbau.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Mehrere Hundert Kilogramm wiegt aktuell ein Batteriepack für Elektrofahrzeuge, denn es werden viele Batteriezellen benötigt, um Reichweiten jenseits von 500 Kilometer zu erreichen. Die mechanische Struktur um die Zellen, wie Zellhalter und insbesondere das Gehäuse aus Aluminium oder Stahl, addieren sich neben den elektrischen Komponenten zu diesem hohen Gesamtgewicht von mehreren Hundert Kilogramm.

So kann je nach Fahrzeugdesign die mechanische Struktur des Batteriepacks mehr als 30 % 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, vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren fertigt Gehäuse in zwei Minuten

Ein deutliches Leichtbaupotential sieht er in der gezielten Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Vor diesem Hintergrund hat das Forscherteam des Fraunhofer LBF ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus Endlosfaser verstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau hergestellt und nutzte dazu ein neuartiges Verfahren, das den hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert.

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 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.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Dieses sogenannte In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren ermöglicht die Herstellung fertiger Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung.

Hoher Widerstand gegenüber offenen Flammen

Funktionen, wie die thermische Isolationsfähigkeit lassen sich zudem im gleichen Prozessschritt integrieren. Mit klassischen metallischen Konstruktionsmaterialien und Fertigungsverfahren wäre dies nicht möglich. Werden geeignete Flammschutzmittel und Strukturen gewählt, kann ein hoher Widerstand gegenüber offenen Flammen sowie thermischen Energieeinträgen erzielt werden, wie sie etwa bei einem möglichen Zellbrand oder den UN ECE R100 Prüfungen auftreten können.

Seminartipp

Das Seminar Leichtbauwerkstoffe in der Konstruktion vermittelt Methoden, Gestaltungsprinzipien und Bauweisen für Leichtbaukonstruktionen. Die Teilnehmer erhalten einen Überblick zu verschiedenen Leichtbauwerkstoffen, lernen Kriterien für die Werkstoffauswahl kennen und erfahren, welche Vor- und Nachteile sowie Risiken die verschiedenen Werkstoffe mit sich bringen.

Materialkosten deutlich reduziert

Das Leichtbau-Batteriepack besteht aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern aus Faserverbundwerkstoffen. Beim Gehäuse werden UD-Tapes von Sabic verwoben und anschließend konsolidiert. Daraus ergibt sich ein Schachbrettmuster-Laminat, das anschließend vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt wird.

Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht auf diese Weise das Gehäuse mit Faserverbunddecklagen und einem Schaumkern. Diese Sandwichkonstruktion führt zu gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und reduziert gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate.

Damit verringern sich die Materialkosten und durch die sehr kurzen Zykluszeiten auch die Bauteilkosten. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch für andere Anwendungsbereiche, da verschiedene Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen kombiniert und angewandt werden können.

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

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