Elektromobilität Wie Forscher aktuelle Batteriegehäuse verbessern wollen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Das Batteriesystem ist die zentrale Komponente eines E-Autos. Partner aus Forschung und Industrie demonstrieren nun im Projekt Cool Bat, wie innovative Konstruktionsprinzipien, Materialien und Produktionsverfahren dazu beitragen, die Gehäuse dafür klimafreundlich herzustellen und zugleich bessere Eigenschaften zu integrieren.

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Elektromobilität und Klimaschutz gewinnen weiter an Fahrt. Forschende bei Fraunhofer verbessern im Prjoket Coll Bat die CO2-Bilanz von Batteriesystemen in E-Autos.
Elektromobilität und Klimaschutz gewinnen weiter an Fahrt. Forschende bei Fraunhofer verbessern im Prjoket Coll Bat die CO2-Bilanz von Batteriesystemen in E-Autos.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Reichweite und Ladeleistung entscheiden wesentlich über die Akzeptanz der Elektromobilität bei Kundinnen und Kunden. Die Wettbewerbsfähigkeit der herstellenden Unternehmen hängt letztlich davon ab. Wichtige Elemente eines Batteriesystems für E-Autos sind nicht nur das Batteriemodul selbst mit seinen Zellen, sondern ebenso das Gehäuse mit Strukturen zur Lastverteilung und Temperaturregulierung, Rahmen, Deckeln sowie Bodenplatten, die in ihrer Gesamtheit vor Überhitzung schützen müssen und bei Unfällen Beschädigungen des Batteriekerns abwenden sollen.

Leichtbau und Funktionsintegration auf kleinerem Bauraum

"In aktuellen Batteriegehäusen steckt noch viel Optimierungspotenzial für funktionsintegrierten Leichtbau und Ressourceneffizienz", sagt Rico Schmerler, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer IWU am Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg und Koordinator von Cool Bat. Aus diesem Grund wird setzen die Forscher an dieser Baugruppe an, um für Gehäuse der nächsten Generation CO2-einsparende Lösungen zu entwickeln und zu erproben.

Wir haben nicht nur E-Autos im Blick. Unser Ziel ist es, die Forschungsergebnisse später auf weitere Anwendungen und Branchen zu übertragen, in denen große Batterien genutzt werden.

Andere mögliche Einsatzszenarien finden sich laut Schmerler u.a. in den Bereichen:

  • Transportsysteme wie Bahn, Luft- und Raumfahrt, Boots- und Schiffsbau,
  • Anlagenbau,
  • Temperiereinrichtungen (Serverkühlung, Lebensmittel- und Medizintransport…) und
  • Sport.

Thermische und mechanische Aufgaben kombinieren

Mehr Funktionen auf kleinerem Bauraum bei weniger Schnittstellen – das wollen die Projektpartner erreichen. Dafür werden Einzelsysteme zu funktionsintegrierten Strukturen kombiniert, die thermische und mechanische Aufgaben in sich vereinen. Zwei Beispiele:

  • Tragstrukturen erhalten direkt eingegossene Temperierkanäle.
  • In Bodenplatten wird die Funktion der Kühleinheit mit der des Crash-Schutzes verbunden.

Das erreichen die Forschenden mit Aluminiumschaum. Vorteil: Das leichte Material absorbiert bei Unfällen viel Aufprallenergie. In Kombination mit Phasenwechselmaterial (PCM) senkt es zudem den Energieaufwand zur Kühlung der Batterie.

Die Vorteile von Aluminiumschaum

Aluminiumschäume bestechen durch ihr geringes spezifisches Gewicht und ihr Energieabsorptionsvermögen. Daraus ergeben sich für den Fahrzeugbau Anwendungsfelder in allen steifigkeits- und crashrelevanten Bereichen. Der Aluminiumschaum ist für den Maschinenbau, in schnell bewegten Baugruppen, die leicht sein müssen und dynamisch beansprucht werden, geradezu prädestiniert.

Aluminiumschaum wird häufig als schubsteifer Kern in Sandwiches oder Hohlprofilen verwendet. Diese Halbzeuge werden in Standardabmessungen gefertigt und dann anwendungsspezifisch zugeschnitten und weiterverarbeitet. Aus den Halbzeugen lassen sich zum Beispiel durch Schweißen große Baugruppen generieren. Aber auch das direkte Ausschäumen einer vorgefertigten Schweißkonstruktion ist möglich.

Weitere Infos vom Fraunhofer-IWU dazu.

Lastpfadoptimierte Batteriegehäuse

Seine Expertise für den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen und neuen Leichtbautechnologien bringt das Institut ebenso bei der Konstruktion und Fertigung des lastpfadoptimierten Batteriegehäuse-Deckels ein. Relevant sind hier laut Schmerler die folgenden Aspekte:

  • Die Forscher arbeiten daran, Temperierkanäle in Sandwich-Tragstrukturen ohne Kleben und Schweißen zu integrieren.
  • Dabei soll ein skalierbares Baukastensystem entstehen.
  • Die Komponenten sollen auf eine Weise konstruiert werden, die beispielsweise die Nutzung von Hohlräumen ermöglicht.

Das Ziel: 15 Prozent CO2-Einsparung pro Batteriegehäuse

"Jeder Entwicklungsschritt im Projekt wird unter dem Aspekt der CO2-Einsparung und CO2-Bindung betrachtet und bewertet. Das beginnt bei der Konstruktion, setzt sich fort mit der CO2-reduzierten Material-, Technologie- und Fertigungsauswahl und führt bis hin zur nachhaltigen Produktperformance über den gesamten Lebenszyklus", erläutert Rico Schmerler das ganzheitliche Herangehen an Lebenszyklusanalyse und CO2-Bilanzierung. Damit werden etwa 15 Prozent CO2-Einsparung pro Gehäuse möglich.

Die Forscher haben darüber hinaus weitere positive Effekte aus den funktionsintegrierten Leichtbaulösungen errechnet: eine höhere Leistung pro Masse im Batteriesystem, schnelleres Laden sowie mehr Reichweite – alles gewichtige Argumente, um Elektromobilität weiter in Fahrt zu bringen.

Details zum Projekt und zu den Partnern

Das Projekt Cool-Bat wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der Initiative Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP Leichtbau) gefördert und durch den Projektträger Jülich betreut. Unter der Gesamtkoordination des Fraunhofer IWU sind die weiteren am Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg integrierten Fraunhofer-Institute IFAM, IST und WKI als Forschungspartner beteiligt. Partner aus der Industrie sind folgende Unternehmen: FES-Fahrzeug-Entwicklung Sachsen GmbH/Auto-Entwicklungsring Sachsen GmbH, Basdorf, Lampe und Partner GmbH (BLP), Compositence GmbH, INVENT GmbH, iPoint-systems GmbH, LXP Group GmbH, MID Solutions GmbH, Synthopol Chemie Dr. rer. pol. Koch GmbH & Co. KG, Tigres GmbH, Trimet Aliminium SE und die Daimler AG.

Das Projekt ist im Mai 2021 offiziell gestartet und läuft bis April 2024.

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