Statt dem Verbrennungsmotor steht bei Elektroautos die Batterie im Mittelpunkt der Antriebstechnik. Neben den Preisen treiben die Akkupakete derzeit auch das Gewicht von Strom-Modellen nach oben. Das kommt mitunter dem Fahrverhalten zugute und sorgt auch für mehr strukturelle Sicherheit, geht aber auf Kosten der Effizienz. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF will mit einem günstig zu produzierenden Leichtbau-Batteriepack leichtere E-Pkw ermöglichen.
LBF-Wissenschaftler haben ein Batteriepack entwickelt, das ausschließlich Faser-Kunststoff-Verbunde verwendet und damit das Gewicht gegenüber Aluminiumgehäusen um 40 Prozent reduziert. Die Bauweise senke nicht nur die bewegte Masse des E-Mobils, sondern erhöhe durch zusätzlich integrierte Funktionen dessen Reichweite und Dynamik. Weil das Batteriepack in einem eigens entwickelten „hocheffizienten“ Verfahren gefertigt wird und über einen spezifischen Strukturaufbau verfügt, lasse es sich sehr günstig herstellen.
Batteriepacks für Elektrofahrzeuge sind aufgrund der hohen Menge benötigter Batteriezellen im Inneren aktuell sehr schwer, vor allem, wenn hohe Reichweiten erzielt werden sollen. Die mechanische Struktur um die Zellen und insbesondere das gegenwärtig aus Aluminium oder Stahl hergestellte Gehäuse addieren sich neben den elektrischen Komponenten zu einem hohen Gesamtgewicht von mehreren Hundert Kilogramm. Je nach Fahrzeugdesign kann die mechanische Struktur des Batteriepacks mehr als 30 Prozent von dessen Gesamtmasse ausmachen.
„Um die gravimetrische Energiedichte zu erhöhen, ohne die Zelltechnik verändern zu müssen, ist es somit naheliegend, die notwendigen mechanischen Strukturen der Batteriepacks leichter zu bauen“, erklärt Dr. Felix Weidmann, der das Forschungsprojekt am Fraunhofer LBF betreut. Ein deutliches Leichtbau-Potenzial sieht er in der gezielten Nutzung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). „Jedoch müssen Lösungen kostenmäßig wettbewerbsfähig sein und den kritischen Aspekt des Brandwiderstands berücksichtigen“, betont Weidmann.
Vor diesem Hintergrund hat das Forscherteam des Fraunhofer LBF ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse aus Endlosfaser verstärkten Thermoplasten im Sandwichaufbau hergestellt. Dazu nutzen sie ein neues Verfahren, das hocheffizienten Schaumspritzguss mit thermoplastischen FKV kombiniert. Dieses sogenannte „In-Situ FKV-Sandwich-Verfahren“ ermöglicht laut den Wissenschaftlern die Herstellung fertiger Leichtbau-Batteriegehäuse innerhalb von rund zwei Minuten ohne Nachbearbeitung. Darüber hinaus ließen sich Funktionen wie die thermische Isolationsfähigkeit des Batteriegehäuses im gleichen Prozessschritt integrieren, was mit klassischen metallischen Konstruktionsmaterialien und Fertigungsverfahren nicht möglich wäre. Durch die Wahl geeigneter Flammschutzmittel und Strukturen sei ein hoher Widerstand gegenüber offenen Flammen sowie thermischen Energieeinträgen möglich, wie sie etwa bei einem möglichen Zellbrand auftreten können.
Materialkosten deutlich reduziert
Das Leichtbau-Batteriepack ist aufgebaut aus einem Gehäuse sowie Zellhaltern aus Faserverbundwerkstoffen. Dabei besteht das Gehäuse aus Endlosfaserverstärkten Bändern (UD-Tapes), die zunächst verwoben und anschließend erhärtet werden. Das sich aus diesem Prozessschritt ergebende Schachbrettmuster-Laminat wird anschließend vorgeformt und in ein speziell entwickeltes hybrides Schaumspritzgusswerkzeug beidseitig eingelegt. „Durch die gezielte Injektion eines Integralschaums zwischen die Laminate entsteht auf diese Weise das Gehäuse mit Faserverbunddecklagen und einem Schaumkern“, erläutert das Fraunhofer LBF.
Diese Sandwichkonstruktion führe „zu höchsten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften“ und reduziere gleichzeitig den Materialeinsatz der verwendeten Faserverbund-Laminate. Die damit einhergehende Verringerung der Materialkosten erlaube in Kombination mit sehr kurzen Zykluszeiten geringe Bauteilkosten. Darüber hinaus sei dieses Verfahren geeignet, auch andere Anwendungsbereiche und deren Anforderungen abzudecken, da verschiedenste Faserverbundmaterialien und Kunststofftypen kombiniert und angewandt werden können.
Flankierend zu dem Verfahren zur effizienten Fertigung der Batteriegehäuse als Faserverbund-Sandwichkonstruktion entwickelten die LBF-Forscher auch simulationsgestützte Methoden, mit denen sich die Fertigungsqualität vorhersagen und somit die Vorauslegung sowie Fertigung deutlich vereinfachen lassen soll.
Thrawn meint
40% weniger Gewicht beim Akku ist für unsere „Premium“ Hersteller eine super Nachricht. Damit ließen sich noch größere Elektro SUVs realisieren, ohne dass jede zweite Landstraßenbrücke beim Drüberfahren kollabiert.
Freddy K meint
Oder der Tesla Roadster könnte mit seinen Raketen dann doch abheben…..
Anti-Brumm meint
Es geht allerdings nicht klar hervor, ob sich die 40% auf das Gesamtgewicht der Batterie beziehen oder nur auf das Gehäuse/Strukturelemente.
Petzi meint
Wenn das Gehäuse nur 30% des Batteriepacks ausmacht, wird es schwierig damit 40% des Gesamtgewichts zu einzusparen.
TwizyundZoefahrer meint
@Petzi, du denkst schon wieder zuviel nach. Jetzt hast du die schöne Meldung zerstört, und das nur durch logisches Denken.
Jörg2 meint
40% vom Gesamtpaket glaube ich nicht. Dann müsste sich an den Zellen ja etwas ändern.
Die haben „nur“ am Gehäuse gebastelt und können nur dort Gewicht einsparen.
40% vom Gesamtpaket würde bedeuten, das Gehäuse macht min. 41% des Gesamtpaketgewichtes aus. Bei großen Akkus wären das also irgendwas um die 250kg…..
Das, so hoffe ich, passt nicht.
Nostradamus meint
Vorsicht! Es geht nur um „…ein Leichtbau-Batteriepackgehäuse…“, also, um Box wo die Zellen liegen! Die Zellen selbst bleiben schwer wie bisher! Dieses bedeutet, dass die Ersparnis von 40% bei einer großen Batterie in absoluten Wert beträgt ca. 30-40 kg. Z.B. bei Tesla S der Batteriemodul zurzeit wiegt ca. 700 kg, jetzt könnte ca. 40 kg weniger wiegen. Und Modell S ist kein SUV, sondern eine flache „sexy“ Limousine, trotzdem wiegt sie ca. 2,5 Tonne.
Thrawn meint
Ich sagte „unsere „Premium“ Hersteller“, da zähle ich Tesla -noch- nicht dazu.
Jörg2 meint
Das wäre dann wohl der Weg für die aktuell normalen Zellen am Markt, das Packgewicht zu drücken. Also, wie üblich, eine Schachtel um die vielen kleinen Schachteln.
TESLA geht da aktuell einen anderen Weg, es verlegt die notwendige Strukturfestigkeit in den Pack hinein. Die vielen kleinen Schachteln werden zur Schachtel.
Freddy K meint
Philosophiefrage…….
Kommt auf die Modellkompatiblen Plattformen an.
Im ersten Moment evtl. besser. Für Flexibilität usw eher was anderes. Aber klar, muss ja nicht jeder alles gleich machen.
Jörg2 meint
@Freddy K
Wenn alles in einer Hand ist (Zelle, Paket, Auto) kann man da sicherlich viel basteln.
Laut Tesla geht die Ära des Skateboarddesign zu Ende (viele sind da noch nichtmal angekommen ….)
Petzi meint
Über die Entsorgung unserer ganzen segensreichen Erfindungen müssen sich schon immer die nachfolgenden Generationen die Köpfe zerbrechen. Soweit reicht der Horizont nicht.
Wännä meint
Fragen Sie Tante Guggel, da werden Sie geholfen! ????
Bitteschön, ein Beispiel: https://www.umweltbundesamt.de/faserverbundwerkstoffe-zukunftsmaterial-offener#recycling-von-faserverbundwerkstoffen
Petzi meint
In der Theorie gibt es eine Menge Recycling-Möglichkeiten, wobei es sich teilweise aber um Down-Cycling handelt, so dass man am Ende mehr Mülltonnen und Parkbänke produzieren könnte als man jemals braucht.
In der Praxis bleiben wir auf einem Großteil des Mülls sitzen oder beglücken damit dritte Welt Länder. Von dort gelangt dann der Teil, der nicht benötigt wird, ins Meer.
Heutzutage sollte man sich bei jeder Neuentwicklung, gerade wenn es um Kunststoffe in größeren Mengen geht, Gedanken über möglichst vollständige Wiederverwertung machen.
Im Artikel wird das Thema nicht mal erwähnt.
Dr. Felix Weidmann meint
Hallo Petzi,
das stimmt, es dreht sich meistens um eine Art Abwärtsspirale. Im Falle des Leichtbau-Batteriepacks erlaubt das Design bzw. das Material einige interessante Möglichkeiten ohne direkt ein Downgrading zu betreiben. Das Gehäuse ist vollständig rezyklierbar, das war Teil der Idee. Es kann ähnlich der effizienten CFK-Nutzung des BMW i3 in kleinere Teile „geschreddert“ werden und als Langfaser verstärkter Thermoplast zur Herstellung des Schaumkerns der Batteriegehäuse wiederverwendet werden. Das macht immerhin etwa 2/3 der Struktur aus.
Wännä meint
Interessant, erst ging es Ihnen um derzeit nicht mögliche Entsorgung.
Und dann reicht auch noch der aufgezeigte Weg Richtung Recycling nicht?
Petzi meint
@Wännä Mein Kommentar war eigentlich als Antwort auf den von Peter W direkt hierunter gemeint. Wenn die Information zum möglichen Recycling im Artikel stehen würden, hätte ich es nicht so drastisch formuliert.
So geht aber immer noch 1/3 des Materials in die Down-Cycling Spirale. Wenn es das Ziel ist, Millionen Autos damit auszustatten, entsteht auch so eine Menge Plastikmüll.
Das mögliche Recycling wird auch tatsächlich nur stattfinden wenn es entweder verpflichtend ist oder billiger als neues Material. Es ist zweifelhaft, ob die Batteriegehäuse ihren Weg von Autos im fernen Ausland zurück zum Recycling finden werden. Wie Peter W schrieb, ist das dagegen bei Metallkonstruktionen kein Problem.
Duesendaniel meint
Lösungen zur sortenreinen Materialtrennung werden trotzdem nicht aufgezeigt. Ist auch schwierig bis unmöglich bei Verbundstoffen.
Peter W meint
Diese Gehäuse werden sich wohl schlecht bis gar nicht recyceln lassen. Aluminium und Stahl dagegen lassen sich einfach einschmelzen. Auch der i3 von BMW hat mit seinem Leichtbau gezeigt, dass das keine wirklichen Vorteile bringt, und man am Ende nicht weiß, was man mit dem Plastikzeug anfangen soll.
THeRacer meint
… jedenfalls schleppt ein BMW i3 mindestens 350 kg weniger Gewicht mit sich herum als z.B. ein VW ID3.
Nur zur besseren Vorstellung: das entspricht 7 Sack Zement oder 4 Personen à ca. 87 kg Gewicht.
Das kommt der Fahrdynamik und Effizienz zu gute.
Jürgen V meint
Der I3 ist aber auch ne ganze Nummer kleiner als der id3
caber meint
Karosserien aus Verbundwerkstoffe sind den blechgebogenen an Festigkeit und Gewicht überlegen. Das recycle Problem muss jedoch gelöst werden.
Peter W meint
Welche Effizienz bietet denn der i3? Verbraucht er etwa weniger Strom als der größere hier genannte ID.3? Nein! Er verursacht nur jede Menge Plastikmüll am Ende seines Lebens, mit dem man dann Blumenkübel herstellen kann, die ihre Plaste dann nach und nach an die Umwelt verbröseln. Wer die Dynamik eines leichten Fahrzeugs über den Umweltschutz stellt hat das ganze Problem nicht verstanden.
Freddy K meint
Genauso wie manch andere anerikanische Fzge zuviel Plastikmüll hinterlassen da sie aus Kostengründen kein nachhaltiges oder Recyclingmaterial verwenden. Da sind die halt Jahre hinterher. Bring denen mal bei das man in der Stirnwand neben reinem PP auch Compound verwenden kann. So mit Steinmehl usw..
Aber klar kostet ja mehr.
Oder nicht das billige PUR-Schaum-System für die Sitze einsetzt. Sondern jenes was leicht zu verwerten ist im Nachgang. Aaaber dann wirds ja teurer und schaut billiger aus……
Und das will ja keiner…..
Auch nicht bei nem grünen E-Auto….
Da wirds auch noch angeprangert.
Scheint doch nicht um die Umwekt zu gehen sondern um die Beschleunigung.
Pferd_Dampf_Explosion_E meint
@ Freddy K:
PUR-Schaum wird seit mindestens 1987 bei Mercedes-Fahrzeugen für weiche Instrumententräger (=Armaturenbretter) und für ergonomische Sitzanlagen verwendet; habe damals eine Studienarbeit darüber gemacht und die Fertigungsanlagen dazu gesehen. Hat also abosolut nichts mit Amerika und billig zu tun.
THeRacer meint
Ein ID3 verbraucht ca. 2 kWh mehr als ein i3, was etwa 15% entspricht. Weniger Verbrauch ist durchaus Umweltschutz.
Für das Recycling sind allgemein intelligentere, Sortenreinheit fördernde Konstruktionen und Verfahren sinnvoll.