E-Auto schnell laden: Neues Batteriegehäuse löst endlich Problem

Unter der Koordination des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) haben sich zahlreiche Projektpartner zusammengeschlossen – mit dem Ziel: Gehäuse für Batteriesysteme von E-Autos klimafreundlich herzustellen und bessere Gebrauchseigenschaften herauszufinden. Projekt „CoolBat“ nennt sich das Vorhaben. Nach ersten Einschätzungen der Partner könne das Gehäuse für die Batterien leichter werden und für Kohlendioxid-Einsparungen von bis zu 15 Prozent sorgen. Das sei auch möglich, wenn die Leistung des Batteriesystems steige, das Laden schneller funktioniere und die Autos damit mehr Reichweite böten. Akkus für E-Autos könnten durch Leichtbau der Gehäuse also viele positive Eigenschaften vereinen.

Elektrische Energiespeicher: Sie könnten das Laden von E-Autos revolutionieren

Schon länger ist klar, dass vor allem die Reichweite und die Ladeleistung die entscheidenden Faktoren bei E-Auto sind. Es hängt also alles von den Akkus ab. Wenn sie nicht passen, klappt es auch nicht mit der Akzeptanz dieser Fahrzeuge. Nach Einschätzung der Forschenden hänge auch die Wettbewerbsfähigkeit der herstellenden Unternehmen davon ab. Zu den Elementen des Batteriesystems eines E-Autos gehören nicht nur das Batteriemodul selbst mit seinen Zellen, sondern eben auch Gehäuse mit Strukturen zur Lastverteilung und Temperaturregelung, Rahmen, Deckel sowie Bodenplatten, die alle zusammen die Batterien vor Überhitzung und bei Unfällen vor Beschädigungen schützen sollen.

Die Batteriegehäuse für E-Autos sollen mehr Funktionen auf kleinerem Raum bieten

„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“. „Für die Gehäuse der nächsten Generation entwickeln wir CO₂-einsparende Lösungen und erproben sie. Wir haben dabei 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.“

Das selbst gesteckte Ziel der Projektpartner lautet: mehr Funktionen auf kleinerem Bauraum bei weniger Schnittstellen. Das soll gelingen, indem die Forschenden einzelne Systeme zu funktionsintegrierten Strukturen zusammenfassen. Sie versprechen sich davon, dass diese Kombination im Idealfall thermische und mechanische Aufgaben abdecken kann. Ein Beispiel: Sogenannte Tragstrukturen bekommen direkt eingegossene Temperierkanäle und in Bodenplatten wird eine Kühleinheit mit einem Crash-Schutz verbunden. Das Zusammenlegen solcher Funktionen erreichen die Forschenden in diesem Fall mit Aluminiumschaum. Das Material ist einerseits leicht und nimmt andererseits viel Aufprallenergie bei einem Unfall auf. Mit dazu kommt noch ein Phasenwechselmaterial (PCM). Das senkt den Energiebedarf, der notwendig ist, um die Batterien zu kühlen.

Nachhaltiger Brandschutz in E-Autos gesucht

Die Forschenden des Fraunhofer IWU kennen sich nicht nur mit Leichtbauwerkstoffen und Leichtbautechnologien aus, sondern auch mit der Konstruktion und Fertigung sogenannter lastpfadoptimierter Batteriegehäuse-Deckel. Im Rahmen des Forschungsprojekts „CoolBat“ arbeiten die Partner auch an neuen Wärmeleitstoffen und testen sie. Sie sollen langfristig die bisher aufwendig hergestellten, ökologisch hoch belastenden und kostenintensiven Wärmeleitpasten ersetzen. Denn das Projekt soll es auch ermöglichen, neue Materialien für einen nachhaltigen Brandschutz zu finden.

„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“, erklärt Rico Schmerler. Gemeinsam haben die Partner vereinbart, ganzheitlich an Lebenszyklusanalyse und CO₂-Bilanzierung heranzugehen. Denn nur so sei die CO₂-Einsparung von etwa 15 Prozent beim Gehäuse überhaupt möglich.

Schub für E-Mobilität dank Leichtbau von Batteriegehäusen

Aus den funktionsintegrierten Leichtbaulösungen haben die Partner darüber hinaus herausgefunden, dass sich weitere positive Effekte ergeben: eine höhere Leistung pro Masse im Batteriesystem, schnelleres Laden sowie mehr Reichweite. Das sind alles wichtige Argumente für die Elektromobilität.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Projekt „CoolBat“ im Rahmen der Initiative Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP Leichtbau). Betreut wird es vom Projektträger Jülich. Die Gesamtkoordination liegt beim Fraunhofer IWU. Ebenfalls als Forschungspartner beteiligt sind die am Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg integrierten Fraunhofer-Institute IFAM, IST und WIKI. Aus der Industrie bringen sich zahlreiche Partner ein. Im Mai 2021 ist das Projekt an den Start gegangen und endet im April 2024

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