FutureFlexPro – Batteriemodulbau

Herausforderung und Zielstellung

Die Zielstellung im Teilprojekt »Batteriemodulbau« des BMBF-Projekts FutureFlexPro lag in der konstruktiven Neugestaltung eines Batteriemoduls unter Berücksichtigung von Zellgeometrie und -anordnung, Thermomanagement, Brandschutz sowie Moduldemontage. Die Konstruktion des Batteriemoduls orientierte sich an Materialien und Fertigungstechnologien der beteiligten Projektpartner Fraunhofer IFAM, IST, IWU und WKI. Als Zellen wurden Lithium-Eisen-Phosphat-Pouchzellen in Standardabmessung verwendet. Für die Modulspannung wurden weniger als 60 V gewählt. Für die Schnittstelle zwischen Modul und Batteriegehäuse wurde eine lösbare Modulverbindung im Sinne einfacher und schneller Demontage entwickelt. Damit sollte den erhöhten Anforderungen an Reparatur-, Wartungs- und Demontagefreundlichkeit Rechnung getragen werden. Aufgrund der Diversität der Einzeltechnologien und Kompetenzen, die im Bearbeitungsumfeld des Batteriemoduls betrachtet wurden, erfolgte ein Großteil der Bearbeitung innerhalb des Projekts auf Teilkomponenten- und Werkstoffebene. Die Ergebnisse flossen in das Gesamt-Design ein, das gemeinsam vom Fraunhofer IWU und IFAM entwickelt wurde. Dies stellte eine hervorragende Ausgangsbasis für die Umsetzung des Batteriemodul-Demonstrators zum Ende des Projekts dar.

Lösung

Ein erklärtes Projektziel des Fraunhofer IWU war neben der Entwicklung und Umsetzung geeigneter Konstruktionsprinzipien die Integration passiver thermischer Speicherelemente direkt ins Modul. Im Fokus stand hierbei Phase Change Material (PCM), das in poröse metallische Strukturen eingebettet wurde. Als PCM wurden Paraffine auf Grundlage ihrer Eigenschaften (wie dem Korrosionsverhalten) ausgewählt. Anhand der Modulkomponente Deckel wurde eine multifunktionale Tragstruktur, bestehend aus einem Aluminiumschaumsandwich (AAS) und integriertem thermischen Puffermaterial, entwickelt. Auf dieser ist ein AAS-Bumper platziert, der das Modul vor seitlichen Crash- und Crush-Lasten schützt. Das PCM mit seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit wurde direkt in die Aluminiumstruktur integriert, die als Wärmeleitmatrix damit einen ausreichend schnellen Wärmeeintrag in das Speichermaterial gewährleistet. Auf der Rückseite des Deckels wurde die Leistungselektronik (LE) platziert. Durch diese entstehen lastfallabhängig Wärmemengen, die in einer Temperaturerhöhung der LE und ggf. angrenzender Teile resultiert.  Die Betrachtung des thermischen Verhaltens für den Lastfall Schnellladen auf Systemebene fand zusätzlich statt.

Ein weiterer inhaltlicher Schwerpunkt war die Untersuchung und Realisierung geeigneter Brandschutzmaßnahmen. Dazu wurde ein Prüfstand entwickelt und aufgebaut, mit dem verschiedene Materialien und Materialkombinationen hinsichtlich Brandbeständigkeit charakterisiert wurden.