Die Qualität der Wärmeabfuhr von Batterien in Richtung Außengehäuse wirkt sich stark auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer eines Elektrofahrzeugs aus. Das Ziel eines laufenden Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuen Generation von Gapfillern mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit und reduzierter Dichte sowie deren Qualifizierung im Hinblick auf den Einsatz im Serienprozess.
Vor dem Einsetzen der Zellmodule in den Gefacheboden wird ein wärmeleitender Gapfiller eingebracht.
Audi AG / Stefan Warter
Als Gapfiller werden pastöse Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Sie übernehmen die Funktion der Wärmeleitung und des Toleranzausgleichs zwischen Batteriemodul und Batteriegehäuse. Bei der Montage der Batterie wird der Gapfiller mittels Roboter in die Gefache der Batteriewanne appliziert. Anschließend werden die Batteriemodule eingesetzt und verpressen den Gapfiller sukzessive in die zu benetzende Fläche. Die druckempfindlichen Batteriezellen dürfen dabei nicht geschädigt werden. Der Gapfiller ist daher von seinen Fließeigenschaften so formuliert, dass die Verpresskräfte eine Schädigung der Batterie verhindern. Gleichzeitig muss der Spalt zwischen Batterie und Boden vollständig und blasenfrei gefüllt sein.
Die Batterie ist – analog zum Verbrennungsmotor in heutigen Kraftfahrzeugen – Kernkomponente von Elektrofahrzeugen und damit preisbestimmend. Aufgrund der Betriebssicherheit gehen alle derzeitigen Konzepte davon aus, dass die Einzelbatteriezellen in ein Leichtbau-Batteriegehäuse zu integrieren sind. Dieses ist vorteilhaft komplett in der Rohbaukonstruktion des Fahrzeugs integriert, um einen möglichst niedrigen Schwerpunkt des Gesamtfahrzeugs zu ermöglichen.
Die heute verfügbaren Pasten erreichen Wärmeleitfähigkeiten bis zu 3 W/(m∙K), was zwei Größenordnungen unterhalb der Wärmeleitfähigkeiten beispielsweise von Aluminium mit 220 W/(m∙K) liegt. Neben der begrenzten Wärmeleitfähigkeit ergeben sich bei Einsatz dieser Gapfiller weitere Konflikte mit den Anforderungen im Automobilbau. So weisen beispielsweise hochgefüllte Pasten eine hohe Dichte auf und bringen viel Gewicht ins Fahrzeug, was der Leichtbauweise widerspricht.
Ziele des Forschungsprojekts
Das BMWi-Projekt OWES (Optimierte Wärmeableitung aus Energiespeichern für Serien-Elektrofahrzeuge) konzentriert sich auf fertigungstechnische Forschungs- und Entwicklungsansätze mit den folgenden Schwerpunkten:
- Optimierung bisheriger Gapfiller-Konzepte durch verbesserte Füllstoffe,
- Einsatz alternativer (kostengünstigerer, leichterer) Füllstoffmaterialien,
- innovative Wärmeabführungskonzepte, wie z. B. Leitfähigkeitsgewebe,
- Entwicklung von Prüf- und Simulationsmethoden auf deren Basis Materialien hinsichtlich ihrer Eignung für den Prozess beurteilt werden können.
- Etablierung der für die Serienproduktion nötigen bekannten Verarbeitungsverfahren für hochgefüllte Pasten sowie die Entwicklung neuer, innovativer Verfahren, wie beispielsweise die Gapfiller-Injektion.
Die entsprechenden Arbeiten werden unter der Leitung von Audi im Rahmen eines Projektkonsortiums durchgeführt – bestehend aus den Materialherstellern Wacker Chemie und Polytec PT, dem Füllstofflieferanten Quarzwerke, dem Anlagenhersteller Atlas Copco IAS sowie dem Forschungsinstitut Fraunhofer IFAM.