Leichtbau funktionsorientiert und komponentenübergreifend zu denken, ist eine Herausforderung für viele Konstrukteure. Wie systemischer Leichtbau dabei helfen kann, zeigt das Multi-Material-Design eines Zellhalters für Batteriemodule.

Batterie-Zellhalter werden normalerweise aus einem Aluminiumblock gefertigt. Um die zylindrischen Batteriezellen aufzunehmen, werden viele einzelne Löcher in den Block eingebracht. Hierfür werden die einzelnen Zellen mit Silikon ummantelt, bevor sie an ihren Platz in der Zellhalterung eingefügt werden.

Das Unternehmen Dipl.-Ingenieure Rainer & Oliver Puls GmbH hat gemeinsam mit dem Institut für Produktentwicklung IPEK am Karlsruher Institut für Technologie KIT und dem Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart eine Leichtbau-Variante des Zellhalters entwicklet. Der Zellhalter im Multi-Material-Design ist um 60 Prozent leichter. Hierfür kombinierten die Entwickler den systemischen Leichtbau mit detaillierten CFD (Computational Fluid Dynamics – fluiddynamische), thermischen und strukturmechanischen Simulationen sowie begleitender physisch-virtuell-gemischter Validierung. Es entstand eine neue und verbesserte Systemlösung.

So ist im systemischen Leichtbau nicht das Gewicht der Einzelteile entscheidend, wie Marcel Nöller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IPEK – Institut für Produktentwicklung des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), beschreibt: „Man betrachtet das Produkt unter funktionellen Gesichtspunkten als Gesamtsystem. Zu erfüllende Funktionen werden definiert und priorisiert. Trägt man die Bedeutung einer Funktion in Relation zu dem Massenanteil auf, der diese Funktion gewährleistet, ergibt sich eine Matrix zur Priorisierung für den Leichtbau, die durchaus über Bauteilgrenzen hinweg gehen kann.“ Der sogenannte Extended Target Weighing Approach (ETWA) beschreibt somit eine ganzheitliche, teilsystemübergreifende, funktionsbasierte Leichtbaumethode. Damit können bereits in der Konzeptphase Leichtbaupotenziale identifiziert und bewertet werden. Das ETWA erweitert systematisch den bestehenden Target Weighing Approach (TWA). Mit deren Hilfe können für den Leichtbau die entscheidenden Faktoren Masse, CO2-Ausstoß und Kosten abgewägt werden.

Bei der Entwicklung des Zellhalters lag der Fokus auf mobilen Anwendungen. „Zur nachträglichen Elektrifizierung von Sonderfahrzeugen – beispielsweise kleineren Baustellenfahrzeugen, Funktionsfahrzeugen am Flughafen oder Kehrmaschinen benötigt man diese kleinen Batteriemodule – etwa 35 auf 70 Zentimeter Größe, die verteilt im Fahrzeug eingesetzt werden“, sagt Marcel Nöller. Deshalb wird das Batteriemodul mit Flüssigkeit gekühlt.

Der Zellhalter konnte deutlich verkleinert werden. Dies führt zunächst zu einer höheren Energie- und Leistungsdichte der Module. Für Nöller und sein Team galt es deshalb, den Wärmetransport zu sichern. Dieser ist insbesondere beim Schnellladen und für eine möglichst lange Lebensdauer der dichter gepackten Batteriezellen wichtig. Die Entwickler entschieden sich für Aluminium. Der Werkstoff bringt nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit, sondern besitzt auch die notwendige Steifigkeit für ein Strukturbauteil. „Kunststoff eignet sich wiederum gut als elektrischer Isolator und zum Ausgleich von Toleranzen“, sagt Marcel Nöller. Das Design kombiniert deshalb recycelbare thermoplastischen Elastomere (TPE) mit dünnem Aluminiumblech als steife und primär wärmeleitende Komponente.

Außerdem wurde das Design des Zellhalters grundsätzlich geändert. Die tragende Struktur besteht nun aus den Kühlkanälen sowie deutlich dünneren Aluminium-Streben, die die Batteriezellen fixieren. Die Kühlkanäle können hierbei konventionell gefertigt oder additiv gefertigt werden. Die Streben zur Fixierung der Zellen werden geformt und an die jeweiligen Kühlkanäle durch Laserstrahlschweißen angebunden. Zusammen mit den Zellen im Blockverbund erhält der Zellhalter die notwendige Steifigkeit. Zur elektrischen Isolation werden die gewellten Aluminiumbleche mit einem speziellen TPE beschichtet. Das TPE wurde speziell für diese Anwendung durch das Institut für Kunststofftechnik (IKT) - Bereich Werkstofftechnik der Universität Stuttgart als Projektpartner ausgewählt und geprüft. Es übernimmt nicht nur die elektrische Isolation, sondern auch den Wärmetransport von und zu den Zellen. Die TPE-Beschichtung wird mit Folienextrusion aus Granulat hergestellt.

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Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg hat die Experten der Puls GmbH, dem IPEK und des IKT für ihre Entwicklung eines Zellhalters für Batteriemodule mit dem ThinKing augezeichnet. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatlich Produkten und Dienstleistungen im Leichtbau Baden-Württemberg eine Plattform.

Im Vergleich zum bisherigen Zellhalter, der einige Kilogramm auf die Waage bringt, spart das neuentwickelte Multi-Material-Design auf diese Weise mehr als 60 Prozent an Masse ein. Damit lässt sich auch einfacher, schneller – und damit kostengünstiger – montieren, demontieren und reparieren. Es entsteht weniger Produktionsabfall und die verwendeten Materialien sind weitgehend recyclingfähig.

Durch die Gewichtseinsparung von über 60 Prozent gegenüber dem bisherigen Zellhalter muss diese eingesparte Masse während der Nutzungsphase im Fahrbetrieb nicht mitbewegt werden, wodurch weniger Energie, vor allem beim Beschleunigen benötigt wird. Diese Energieeinsparung führt zu einer höheren Reichweite und somit zu einem späteren Nachladebedarf. Daraus leitet sich ab, dass für die gleiche Reichweite weniger Strom notwendig ist und somit die entstehenden CO2-Emissionen zur Stromerzeugung reduziert werden können. 

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