Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWULeicht, steif, sicher: Batteriegehäuse aus Aluminiumschaum
Die Gehäuse von Hochvoltspeichern in batterieelektrischen Autos müssen vielfältigen Anforderungen genügen. Sicherheitsrelevant sind eine hohe Stoßfestigkeit und die Fähigkeit, bei Crashs Energie aufzunehmen oder Schutz vor Kurzschlüssen zu gewähren. Dabei muss das Material hitzebeständig und flammhemmend sein. Eine effiziente Wärmeabfuhr ist ebenfalls essenziell. Dennoch sollen die empfindlichen Zellen bei Minusgraden vor zu starkem Auskühlen geschützt bleiben. Steine oder Streusalz dürfen dem Gehäuse nicht zusetzen. Außerdem soll es sich passgenau in die Unterbodenstruktur des Fahrzeugs einfügen, zur Steifigkeit der Karosserie beitragen und mit niedrigem Eigengewicht die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen. Aluminiumschaum bringt die Voraussetzungen mit, all diese Forderungen gleichermaßen zu erfüllen.
Auf der Battery Show North America Anfang Oktober in Detroit präsentierten das Fraunhofer IWU und der Automobilzulieferer Amsted Automotive ein integral konstruiertes Batteriegehäuse mit Aluminiumschaum-Sandwiches. Dabei handelt es sich um eine spezielle Materialstruktur, die aus zwei festen Aluminiumblechen besteht, die einen inneren Kern aus Aluminiumschaum umschließen. In diese Sandwiches kann bei Bedarf eine Kühlstruktur bzw. ein Wärmespeichermedium (PCM, Phase Change Material, Phasenwechselmaterialien) eingebracht werden.
Dem Fraunhofer IWU gelang es, PCM in geschlossenporigen Aluminiumschaum zu integrieren. PCM können sehr große Mengen thermischer Energie aufnehmen oder abgeben, während sie ihren Aggregatszustand (fest bzw. flüssig ) ändern – ohne dass sich ihre eigene Temperatur wesentlich verändert. Sie sind damit besonders gut für ein effizientes Thermomanagement in Lithium-Ionen-Batterien geeignet.
Der in Detroit vorgestellte Demonstrator zeigt eine große Bandbreite möglicher Serienlösungen auf. Je nach priorisierten Eigenschaften sind reine AAS (präzise: Aluminium-Aluminiumschaum-Sandwiches), AAS mit infiltriertem PCM, AAS mit Kühlstruktur oder AAS mit Kühlstruktur und PCM umsetzbar.
Damit Batteriegehäuse aus Aluminiumschaum künftig auch in Großserienfahrzeugen Verbreitung finden, richten die Forschenden um Dr. Thomas Hipke und Dr. Rico Schmerler nun den Blick verstärkt auf die Wirtschaftlichkeit. Ein wichtiger Faktor für künftige Herstellpreise ist das Ausgangsmaterial. Hipke: »Wir setzen für die Herstellung des Aluminiumschaums verstärkt auf Recyclingmaterial. Das ist nicht nur wesentlich kostengünstiger, sondern reduziert auch den CO2-Fußabdruck erheblich.«