Das Batteriesystem ist die zentrale Komponente eines E-Autos. Partner aus Forschung und Industrie demonstrieren nun im Projekt „CoolBat“, wie innovative Konstruktionsprinzipien, Materialien und Produktionsverfahren dazu beitragen, Gehäuse für diese Batteriesysteme klimafreundlich herzustellen und zugleich bessere Gebrauchseigenschaften zu integrieren.
Die Batteriegehäuse werden dabei leichter und sparen bis zu 15 Prozent CO2 – und das bei höherer Leistung des Batteriesystems, schnellerem Laden sowie mehr Reichweite. Darüber hinaus soll die Herstellung der Batteriegehäuse im Vergleich zu bisher angewandten Verfahren deutlich effizienter werden. Elektromobilität und Klimaschutz gewinnen damit weiter an Fahrt. Koordiniert wird das Vorhaben vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.
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. „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 „CoolBat“. „Deshalb nutzen wir diese Baugruppe, um für Gehäuse der nächsten Generation CO2-einsparende Lösungen zu entwickeln und zu erproben. Wir haben aber 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.“
Leichtbau und Funktionsintegration auf kleinerem Bauraum
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. Beispielsweise erhalten Tragstrukturen direkt eingegossene Temperierkanäle und in Bodenplatten wird die Funktion der Kühleinheit mit der des Crash-Schutzes verbunden. Das erreichen die Forschenden mit Aluminiumschaum. Das leichte Material absorbiert bei Unfällen viel Aufprallenergie. In Kombination mit Phasenwechselmaterial (PCM) senkt es zudem den Energieaufwand zur Kühlung der Batterie. Das Fraunhofer IWU verfügt bereits über rund zwei Jahrzehnte Erfahrung bei der Entwicklung und Anwendung von metallischen Schäumen.
Seine Expertise für den Einsatz von Leichtbauwerkstoffe und neuen Leichtbautechnologien bringt das Institut ebenso bei der Konstruktion und Fertigung des lastpfadoptimierten Batteriegehäuse-Deckels ein. Zudem werden im Forschungsprojekt neue Wärmeleitwerkstoffe entwickelt und erprobt. Sie ersetzen bisher aufwendig hergestellte, ökologisch hoch belastende und kostenintensive Wärmeleitpasten. Die Werkstoffentwicklung im Projekt umfasst auch neue Materialien für einen nachhaltigen Brandschutz.
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 „CoolBat“-Partner 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 „CoolBat“ 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 Aluminium SE und die Daimler AG.
Das Projekt ist im Mai 2021 offiziell gestartet und läuft bis April 2024.
Das Fraunhofer IWU forscht in einem weiteren Projekt an umweltverträglichen Leichtbaubatterien für Elektrofahrzeuge. Der technologische Zugang ist jedoch ein anderer. Während bei „CoolBat“ mit geschlossenporigen Metallschäumen in Kombination mit Phasenwechselmaterial (PCM) gearbeitet werden soll, sind es bei MARBEL offenzellige Schäume ohne PCM, die unmittelbar im Kühlkreislauf agieren.
