开发碳排放量更低的电动汽车电池外壳

Josiah02

更高的充电功率、更大的续航里程、更低的环境影响：在 COOLBat 联合研究项目中，弗劳恩霍夫机床与成形技术研究所 IWU 的研究人员与合作伙伴携手开发用于电动汽车的下一代电池外壳。
目标是使外壳（电动汽车的核心部件）更轻，并将制造外壳所排放的二氧化碳减少15%。项目合作伙伴旨在通过组合各个系统、在更小的安装空间中集成更多功能以及使用新型导热材料和生物基阻燃涂层来实现这一目标。
实现电动汽车电池系统外壳的气候友好型生产，从而减少汽车的碳足迹，这是 COOLBat 项目行业和研究部门合作伙伴的目标，该项目专注于下一代电池外壳所展示的碳减排轻型结构解决方案。这是因为当前的电池外壳及其用于负载分配和温度调节的结构、框架、盖子和底板仍然具有减少碳排放的潜力。
在该项目中，15 个合作伙伴正在开展跨学科研究，研究创新的轻量化结构原理以减轻重量，以及轻量化结构材料和生产方法，旨在使电池系统外壳的生产更加环保并改善其使用性能。合作伙伴正在采取一种广泛的方法，以设计和材料层面的循环性和可修复性、资源和能源效率、安全性和防火性等方面为中心。开姆尼茨的弗劳恩霍夫 IWU 负责协调该项目，并由 Jülich 项目管理 (PTJ) 监督。
原理很简单：外壳越轻，电动汽车的续航里程就越长，因为功耗降低了。
“当今电池系统的能量密度有很大的改进空间，而电池外壳是其中的一个关键方面。在更小的安装空间和更少的接口中集成新的轻量化结构方法和更多功能，可以减轻重量，同时减少碳排放，”弗劳恩霍夫 IWU 电池系统部门的项目经理兼科学家 Rico Schmerler 说。
“减轻重量让我们能够提高能量密度，从而增加续航里程，即使电池单元数量保持不变。通过使用纤维复合材料制作外壳盖，与使用钢材的参考材料相比，我们能够将重量减轻 60% 以上。”
一个组件兼具冷却和承载能力
研究人员发现的另一种可能减轻重量的方法是将外壳中以前分别执行热和机械功能的单个系统组合在一起。例如，弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所 (IFAM) 铸造的冷却通道直接并入横梁等承重结构中。
此外，冷却装置功能与防钻功能结合在一个部件中，即底板。底板内的泡沫铝可吸收石头撞击和事故产生的冲击能量。泡沫铝与相变材料 (PCM)（一种可用于储存并随后释放大量热能和冷能的蜡）相结合，还可降低冷却电池所需的能量。底板由 Fraunhofer IWU 和 FES/AES 开发，并在 Fraunhofer IWU 生产，包括泡沫。
这种配置可保护电池单元免受机械负荷和过热的影响。流体流过通道，不仅从下方冷却电池单元，还从侧面冷却电池单元。这减少了冷却电池单元所需的电力，并且无需在车辆的其他地方安装冷却元件。
“我们专注于功能集成结构。过去由电池内部不同模块处理的任务现在被集成到一个组件中（在本例中为底座组件），以缩小安装空间并简化接口，”Schmerler 解释说。“这些底板将提供过热保护，并在发生事故时避免电池芯损坏。”
研究人员正在使用梅赛德斯 EQS 电池作为参考和技术演示。
新型导热垫取代导热膏：电池向外壳散热的质量对电动汽车的性能和使用寿命有重大影响。导电膏通常用于连接电池模块以实现导热目的。该项目的目标之一是用环保导热材料取代这些笨重、不可持续的导热膏。为此，弗劳恩霍夫表面工程与薄膜研究所 (IST) 使用等离子工艺对开孔可重复使用的泡沫进行金属化，然后将其以垫片形式放置在电池和外壳之间的空间中。
生物基阻燃涂层可提高防火性能：弗劳恩霍夫木材研究所 Wilhelm-Klauditz-Institut WKI 开发的一种新型阻燃涂层有助于提高安全性。该涂层涂在外壳盖的底面上，可防止火势从下方的电池单元蔓延。该涂层还含有木质素，这是一种不可燃的生物基材料，可替代石油基材料。
可重复使用的设计：以前的外壳盖由钢制成，现已被一种由碳和树脂制成的新型纤维复合材料盖结构（称为 towpreg）所取代，这不仅大大减轻了组件的重量，而且使盖子可以重复使用。整个系统由盖子、框架和底板组成，设计为可无损拆卸和移除，直至组件级别。“我们通过轻量化结构和可重复使用的材料来追求循环经济和减少材料的理念，从而减少碳足迹并降低维修成本，”Schmerler 说。
着眼于产业转移：未来计划将该项目的各种成果推广到使用大型电池的其他应用和行业，例如火车、飞机和船舶。冷却系统还可用于运输食品和药物，防火解决方案可用于建筑物。
COOLBat 项目的其他合作伙伴包括 Auto-Entwicklungsring Sachsen FES/AES、INVENT GmbH、Compositence、iPoint-systems、TIGRES、LXP Group、Basdorf、Lampe & Partner、MID Solutions GmbH、Synthopol、TRIMET Aluminium SE、Mercedes-Benz AG、弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所 IFAM、弗劳恩霍夫表面工程与薄膜研究所 IST 以及弗劳恩霍夫木材研究所、Wilhelm-Klauditz-Institut、WKI。