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Leichtbaubatteriepack aus einer Kombination von hochfestem Stahl und FVK.
© Fraunhofer ILT, Aachen

Leichtbaubatteriepack aus einer Kombination von hochfestem Stahl und FVK.

Die Leichtbauweise wesentlicher Fahrzeugkomponenten trägt dazu bei, die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen. Dies ist ein wichtiger Forschungszweig, schließlich ist es – neben dem hohen Preis - die noch als ungenügend eingeschätzte Reichweite, die Elektroautos für viele unattraktiv erscheinen lassen.

Im Rahmen des Verbundprojekts »Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II« arbeitet das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT an Verfahren zur Herstellung von Leichtbau-Batteriepacks – und präsentiert einen entsprechenden Demonstrator auf der IAA 2015 auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand D33 in Halle 4.1.

Anhand des Beispiels »Leichtbaubatteriepack« demonstrieren die Wissenschaftler den Besuchern, wie mit dem Einsatz von Leichtbautechniken Fahrzeugantriebsenergie bereitgestellt werden kann. Insgesamt werden 3 unterschiedliche und teilweise komplementäre Prozesstechniken gezeigt: Das Laserstrahlschneiden und -schweißen, die Verbindung von Kunststoff und Metall sowie das Oszillationsschweißen zur elektrischen Verbindung von Batterie-Zellen.

Laserstrahlschneiden und -schweißen

 

Um bei der Bearbeitung von hochfestem Stahl zu hohe thermische Beeinflussung und somit Materialschäden zu vermeiden, empfiehlt sich in diesem Bereich der Einsatz des Laserstrahlschneidens und -schweißens. Da hierbei kein Materialverschleiß entsteht, sind diese Verfahren zudem wirtschaftlich effizienter als traditionell eingesetzte spanende Verfahren.

Dr. Alexander Olowinsky erklärt: "Dieser Bearbeitungsprozess wird derzeit bereits von Volvo eingesetzt. Neu ist hier allerdings die Kombination einer Kunststoff/Metall-Verbindung beispielsweise für den Einsatz in der Karosserie, die wir der Automobilindustrie erstmalig vorstellen. Dank der Verbindung mit Kunststoff wird letztlich weniger Stahl in der Anwendung benötigt. Wir erzielen eine höhere Festigkeit des Batteriegehäuses bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion. Durch diesen Prozess stellen wir sicher, dass das Leichtbaupotenzial von hochfestem Stahl ausgeschöpft werden kann."

Laserverfahren zur Verbindung von Kunststoff und Metall

 

Daneben stellt das Fraunhofer ILT als technologische Prozessalternative zum herkömmlichen Kleben von Multimaterialverbünden ein Laserverfahren zur Verbindung von einfachen Halbzeugen, den Organoblechen mit Metallen, wie bspw. hochfestem Stahl vor. Dieser Prozess kann u.a. im Automobilleichtbau Verwendung finden, ebenso in den Bereichen Mechanik und Kleinbauteile.

Bei dem zweistufigen Verfahren verleiht zunächst ein kontinuierlich emittierender Faserlaser der Metallseite mit hoher Geschwindigkeit eine Mikrostruktur, die einen Hinterschnitt aufweist. In einem nachfolgenden Fügeschritt wird der Kunststoff an die Struktur gedrückt und bis zur schmelzflüssigen Phase des Matrixwerkstoffes erwärmt. Der Matrixwerkstoff fließt infolge in die Mikrostrukturen und verankert sich in den Hinterschnittstrukturen mit dem Ergebnis einer hochbelastbaren Verbindung, die keiner weiteren Zusatzwerkstoffe bedarf.

Oszillationsschweißen zur elektrischen Verbindung von Batteriezellen

 

Der Aufbau kompletter Batteriepacks erfolgt dann durch Oszillationsschweißen mittels Laserstrahl. Dabei werden einzelne Batteriezellen vom Typ 18650, die bspw. in Powertools oder Notebooks Verwendung finden, elektrisch und thermisch mit Kupferkontakten zur Stromführung miteinander verschweißt. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass die Kontaktierung am Minuspol auch von der Oberseite der Zelle stattfindet. Durch die Parallelschaltung von 30 Zellen in einem Modul wird ein dichter Raum zwischen den Batteriezellen geschaffen, der mit PCM Slurry (Phase Change Material, einer Mischung aus Paraffin und Wasser) aufgefüllt wird.

"Durch die Verwendung des PCM werden die Batteriezellen im Einsatz thermisch geschont. Letztlich verlängert dies die Lebensdauer der Batterie", erklärt ILT-Forscher Benjamin Mehlmann. Das Oszillationsschweißen mittels Laserstrahl führe zu einer besseren Kontrolle der Einschweißtiefe und damit zu einem gut beherrschbaren Prozess. Schließlich sei das qualifizierte Verfahren auch für die industrielle Massenfertigung geeignet, zum Beispiel für die Herstellung von Powertools.

Vorteil: Hohe Automatisierbarkeit

 

Infolge der hohen Automatisierbarkeit und der guten Kontrollierbarkeit der Energieeinbringung sei die Kombination der 3 Prozesstechniken besonders für die Großserienproduktion geeignet, beispielsweise von Traktionsbatterien für Fahrzeuge, so die Wissenschaftler. "Um die Batteriefertigung in Deutschland voranzutreiben – derzeit werden die meisten Komponenten von auswärts eingekauft – müssen unsere Prozesse automatisierbar, robuster und günstiger werden. Wir freuen uns, auf dem Weg zur Fertigung von Leichtbaubatteriepacks und Batteriemodulen in Deutschland einen entscheidenden Beitrag zu leisten!", so  Dr. Olowinsky.

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