Jahresbericht 2017

Traktionsbatterie als thermischer Speicher zur Reichweitensteigerung von Elektrofahrzeugen.

Elektromobilität, Thermomanagement, Leichtbau

Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) gewinnen seit Jahren Marktanteile und sind insbesondere im zunehmend stark schadstoffreglementierten urbanen Umfeld für Käufer interessant. Längere Distanzen werden durch gesteigerte Batteriekapazitäten zwar zunehmend ermöglicht, jedoch schwankt die Reichweite immer noch stark in Abhängigkeit der Umgebungstemperaturen.

Innerhalb des EU-Projekts OPTEMUS wurden deshalb eine Vielzahl effizienzsteigernder Technologien entwickelt und miteinander verknüpft, um so insbesondere die Reichweitenschwankung des Elektrofahrzeugs Fiat 500e zu reduzieren. Diese Technologien erstrecken sich von Solarpanels und regenerativen Stoßdämpfern sowie cloudbasierten Fahrer- und Routenprofilen hin zu Passagierkomforttechnologien sowie einer thermisch speicherfähigen Traktionsbatterie (Abb. 1).

Diese Traktionsbatterie hat das Fraunhofer LBF maßgeblich mit entworfen. So wurde ein Phasenwechselmaterial-Verbundsystem (PCM-Verbund) entwickelt, welches es ermöglicht, thermische Energie innerhalb der Batterie gezielt zu speichern. Dies kann etwa genutzt werden, um bei kalten Wetterverhältnissen die temperatursensitiven Batteriezellen länger bei optimaler Betriebstemperatur zu halten ohne aktiv beheizen zu müssen. Umgekehrt ermöglicht der PCM-Verbund die Speicherung kurzfristiger, ungewollter Wärmeanstiege der Batterie, welche etwa bei Schnellladevorgängen entstehen können.

Um den PCM-Verbund von der Umgebung thermisch zu entkoppeln und so besser steuerbar zu machen, wurde am Fraunhofer LBF ein thermisch isolierendes polymerbasiertes Batteriegehäuse entwickelt. Es basiert auf einem Polymerschaum, welcher die Isolationsfähigeit gewährleistet. Um verschiedene Polymerschäume hinsichtlich ihrer Schaummorphologien und damit der Isolationsfähigkeit untersuchen und bewerten zu können, wurde basierend auf computertomographischen 3D Aufnahmen (Abb. 2) eine Morphologieanalytik entwickelt.

Da der Polymerschaum nur geringe Festigkeiten sowie Steifigkeiten besitzt, wird dieser mit hochfesten thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) bedeckt, um die im Betrieb entstehenden Lasten auf die Batterie sicher zu tragen. Hierzu wurde aus mehreren nur 0,25 mm dünnen FKV-Lagen (UD-Tapes) ein Laminat hergestellt und dreidimensional verformt. Zwei dieser Laminat-Schalen decken den Schaumkern vollständig ab. Dieser resultierende Sandwichaufbau (Abb. 3) besitzt ein hohes Leichtbaupotential und führt zu hohen spezifischen Biegeeigenschaften sowie Schlagfestigkeiten und bietet einen hohen Schutz vor Intrusionsereignissen.

Um der Automotive-Anwendung gerecht zu werden, sind beide Material- und Strukturkonzepte so entwickelt worden, dass sie großserientauglich verarbeitbar sind. Die Herstelleung des thermisch isolierenden Gehäuses wird etwa durch ein am Fraunhofer LBF entwickeltes hybrides Schaumspritzgussverfahren realisiert, welches es erstmalig ermöglicht, dreidimensionale FKV-Sandwich-Bauteile in schnellen Taktzeiten zu fertigen.