Die Gehäuse von Hochvoltspeichern in Elektrofahrzeugen müssen ein komplexes Anforderungsprofil erfüllen. Für die Sicherheit sind vor allem eine hohe Crash- und Temperatursicherheit, der Schutz vor Kurzschlüssen, ein effizientes Wärmemanagement, die Vermeidung negativer Umwelteinflüsse und ein geringes Gewicht relevant. Das Material muss flammhemmend, stoßfest und resistent gegen Steinschlag und Streusalz sein. Nun fanden Forschende des Fraunhofer Instituts heraus, dass Aluminiumschaum (AAS) ein vielversprechender Werkstoff ist, da er all diese komplexen Anforderungen gleichermaßen erfüllen kann – er ist leicht, steif und sicher. Besonders innovativ ist die Möglichkeit, Phasenwechselmaterialien (PCM) in die Aluminiumschaum-Sandwiches zu integrieren, um das Thermomanagement zu optimieren.
Multifunktionaler Schutz und Leichtbau durch Sandwiche
Das Fraunhofer IWU und der Automobilzulieferer Amsted Automotive präsentierten kürzlich auf der Battery Show North America in Detroit dieses innovative Batteriegehäusekonzept. Diese Materialstruktur aus Aluminiumschaum-Sandwiches (AAS) bestehen im inneren Kern aus Aluminiumschaum, der von zwei festen Aluminiumblechen umschlossen wird. Diese Konstruktion bietet entscheidende Vorteile für die Fahrzeugelektronik. Durch eine hohe Stoßfestigkeit gewährleistet sie für die empfindlichen Zellen einen guten Schutz vor mechanischen Einflüssen wie Steinen oder Streusalz. Darüber hinaus ist das Gehäuse in der Lage, bei Crashs Energie aufzunehmen und Kurzschlüsse zu verhindern. Zudem ist das Gehäuse passgenau für den Unterboden des Fahrzeugs konzipiert und trägt zur Steifigkeit der gesamten Karosserie bei. Ferner erhöht das niedrige Eigengewicht des Batteriegehäuses die Reichweite des Fahrzeugs.
Intelligentes Thermomanagement mit integriertem PCM
Eine effiziente Wärmeabfuhr ist ebenso wichtig für die empfindlichen Zellen wie der Schutz vor starkem Auskühlen bei niedrigen Temperaturen. Für dieses Thermomanagement gelang es dem Fraunhofer IWU, Phasenwechselmaterialien (Phase Charge Material, PCM) in den geschlossenporigen Aluminiumschaum („das Sandwich“) zu integrieren. Hierbei handelt es sich um eine Kühlstruktur bzw. ein Wärmespeichermedium, das sehr große Mengen thermische Energie aufnehmen oder abgeben kann. Dies findet statt, während es seinen Aggregatzustand ändert, ohne dass sich seine eigene Temperatur wesentlich verändert. Diese Eigenschaft macht PCM besonders geeignet, um die Betriebstemperatur der Lithium-Ionen-Batterien zu regeln und stabilisieren.
Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit für die Großserie
Je nach priorisierten Eigenschaften zeigt der in Detroit präsentierte Prototyp eine vielfältige Bandbreite möglicher Serienlösungen auf. Demzufolge sind reine AAS (Aluminium-Aluminiumschaum-Sandwiches), AAS mit infiltriertem PCM, AAS mit Kühlstruktur oder AAS mit Kühlstruktur und PCM realisierbar.
Damit Batteriegehäuse aus Aluminiumschaum künftig auch in der Großserienfertigung von E-Autos Verbreitung finden, muss die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses optimiert werden. Ein entscheidender Faktor zur Senkung der Produktionskosten ist das Ausgangsmaterial. Die Forschenden setzen daher verstärkt auf die Verwendung von Recyclingmaterial für die Herstellung des Aluminiumschaums. Dr. Thomas Hipke betont außerdem, dass dieser Schritt nicht nur kostengünstiger sei, sondern gleichzeitig den CO2-Fußabdruck des Werkstoffs erheblich reduziert, was den Nachhaltigkeitszielen der Branche zugutekommt.
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Bildquelle: © Fraunhpfer IWU