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E-Mobilitäts-Leichtbau Günstig herstellbares Batteriegehäuse aus Faserverbund-Sandwich

Redakteur: Peter Königsreuther

Am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt beweist man, dass Composite-Leichtbau produktiv sein kann und die E-Mobilität voranbringt.

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Dieses Leichtbau-Batteriegehäuse aus Composite wiegt 40 % weniger als seine Aluversion. Trotz der Compositewerkstoffe kann es günstig hergestellt werden, heißt es.
Dieses Leichtbau-Batteriegehäuse aus Composite wiegt 40 % weniger als seine Aluversion. Trotz der Compositewerkstoffe kann es günstig hergestellt werden, heißt es.
(Bild: Fraunhofer-LBF)

Geldbeutelschonender Leichtbau mit Funktionsintegration pusht die Elektromobilität, könnte man auch zusammenfassend sagen. Die Experten am Fraunhofer- LBF haben dazu ein Leichtbau-Batteriepack entwickelt, das ausschließlich Faserverbundkunststoffen (FVK) (oder, wie die LBF-Spezialisten sagen, Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), besteht. Sein Gewicht liegt nun rund 40 % unter dem von den üblichen Aluminiumgehäusen. Diese Bauweise reduziere aber nicht nur die bewegte Masse des damit ausgerüsteten E-Mobils, sondern erhöht aufgrund zusätzlich integrierter Funktionen auch die Reichweite und Dynamik desselben. Weil das Batteriepack in einem speziellen Spritzgussverfahren hochproduktiv gefertigt werden kann und über einen spezifischen Strukturaufbau verfügt, bleiben die Kosten im Rahmen, heißt es weiter.

Höhere Energiedichte ohne Zelltechnik-Änderung

Batteriepacks für Elektrofahrzeuge sind aufgrund der hohen Menge benötigter Batteriezellen aktuell sehr schwer, wenn die geforderten hohen Reichweiten jenseits von 500 km sein sollen, merken die Experten an. Die mechanische Struktur um die Zellen (Zellhalter und insbesondere das gegenwärtig aus Aluminium oder Stahl hergestellte Gehäuse) bringt es mit den elektrischen Komponenten zu einem hohen Gesamtgewicht von mehreren Hundert Kilogramm. Je nach Fahrzeugdesign kann die mechanische Struktur des Batteriepacks deshalb über 30 % von dessen Gesamtmasse ausmachen, betonen die Darmstädter. „Um die gravimetrische Energiedichte zu erhöhen, ohne die Zelltechnik zu ändern, liegt es nahe, dass die mechanischen Strukturen der Batteriepacks leichter werden müssten“, erklärt Dr. Felix Weidmann, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer-LBF betreut. Viel Leichtbaupotenzial stellten nun eben FKV-Komponenten in Aussicht. Weidmann dazu: „Jedoch muss die Umsetzung kostenmäßig wettbewerbsfähig sein und den kritischen Aspekt des Brandwiderstands berücksichtigen.“

In zwei Minuten zum einsatzfähigen Batteriegehäuse

Vor diesem Hintergrund hat sich das Forscherteam für ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau entschieden, und ein solches hergestellt. Dazu nutzte es ein neuartiges Verfahren, das den produktiven Schaumspritzguss mit FKV mit thermoplastischer Matrix kombinieren kann und In-Situ-FKV-Sandwich-Verfahren genannt wird. Es ermöglicht die Herstellung dieser Leichtbau-Batteriegehäuse in 2 min, ohne dass diese nachbearbeitet werden müssen, betonen die Forscher.

Bei der Fertigung des Batteriegehäuses werden Preforms in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und ein Schaumkern injiziert. In 2 min ist das Faserverbundbauteil fertig – ohne Nachbearbeitung, betonen die LBF-Forscher.
Bei der Fertigung des Batteriegehäuses werden Preforms in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und ein Schaumkern injiziert. In 2 min ist das Faserverbundbauteil fertig – ohne Nachbearbeitung, betonen die LBF-Forscher.
(Bild: Fraunhofer-LBF)

Zu den bereits angesprochenen Funktionalisierungsmöglichkeiten gehört etwa, dass die thermische Isolation des Gehäuses im gleichen Prozessschritt erfolgen kann, was bei metallischen Versionen und deren Fertigungsverfahren nicht klappt. Durch die Wahl geeigneter Flammschutzmittel und -strukturen erreicht man eine hohe Brandwidrigkeit sowie Isolation gegen thermische Energieeinwirkung, wie sie etwa bei einem Zellbrand auftreten. Prüfungen gemäß UN ECE R10 konnten die Einsatztauglichkeit in diesem Punkt bereits beweisen.

Materialsparende Herstellung ist flexibel anwendbar

Das Leichtbau-Batteriepack besteht sowohl aus dem Gehäuse als auch aus Zellhaltern aus FVK. Das Gehäuse wird aus UD-Tapes (unidirektional ausgerichtete Fasertapes) von Sabic aufgebaut, die zunächst verwoben und dann konsolidiert, also ausgehärtet, werden. Dabei entsteht das markante Schachbrettmuster-Laminat, das anschließend vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzguss-Werkzeug beidseitig eingelegt wird. Dann wird Integralschaums gezielt zwischen die Laminate injiziert. So entsteht schließlich das Gehäuse mit Faserverbund-Decklagen um einen Schaumkern. Die Sandwichkonstruktion ist belastungsoptimal ausgerichtet, was trotz des geringen Gewichts zu hohen mechanischen Festigkeiten führt und gleichzeitig Faserverbundmaterial spart, erklären die Forscher. Kurze Zykluszeiten und Materialeffizienz seien hauptverantwortlich für den relativ günstigen Preis. Darüber hinaus ist das Verfahren geeignet, um Komponenten für andere Anwendungen einsatzoptimiert zu fertigen, weil verschiedenste Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen kombiniert und verarbeitet werden können, heißt es.

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

Das Projekt wurde gefördert durch die Europäische Kommission innerhalb des Förderprogramms H2020 (H2020-GV-2016-2017/H2020-GV-2017).

Mehr Informationen zum Projekt gibt es auf den Fraunhofer Solutions Days, Mobilitätswirtschaft, am 29.10.2020.

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