Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFWärmeleitfähigkeit, Wärmeisolation, Wärmespeicherung
Kunststoffe im Thermomanagement
Ein effizientes Thermomanagement bedeutet die anforderungsgerechte Steuerung von Wärmeströmen, so dass für jeden Betriebszustand ein Optimum erreicht werden kann. Es ist so ein zentrales Element zur Energie- und Ressourceneffizienz, z. B. in der Elektromobilität, Beleuchtungs- oder Gebäudetechnik. Das Fraunhofer LBF verfügt über langjährige Kompetenz im Bereich Funktionskunststoffe für das Thermomanagement. Ausgewählte Projekte des Jahres 2020 beschäftigten sich mit der Entwicklung von Phasenwechselmaterialien und dem Gesamt-Design einer Traktionsbatterie mit integriertem Thermomanagement.
Thermomanagement im Fokus der Elektromobilität
Mit Blick auf die E-Mobilität ergeben sich für das Thermomanagement neue Herausforderungen. Primär wird die Reichweite von E-Fahrzeugen entscheidend durch die Traktionsbatterie und den Antrieb beeinflusst. Sekundär spielen aber die temperaturabhängige Leistungsfähigkeit der Batterie sowie Energiereduktion der Nebenverbraucher, wie z. B. bei der Klimatisierung der Fahrgastzelle, eine entscheidende Bedeutung. Bei den letztgenannten Aspekten spielen Phasenwechselmaterialien zur Pufferung von Temperaturspitzen eine wichtige Rolle.
Phasenwechselmaterialien speichern einen Großteil der ihnen zugeführten thermischen Energie in Form latenter Wärme, beispielsweise für einen Phasenwechsel von fest oder gelartig zu flüssig. Solche funktionalen Materialien finden zunehmend Anwendung im Thermomanagement von Elektrofahrzeugen.
Dabei sind verschiedene Anforderungen zu erfüllen. Neben möglichst geringem Gewicht sind vor allem hohe Enthalpien während der thermodynamischen Zustandsänderung im gewünschten Temperaturfenster (oft im Bereich 5 – 25°C) erforderlich. Aufgrund ihrer hohen Schmelz- und Kristallisationsenthalpien finden hier heute vor allem Paraffine Anwendung. Sehr wesentlich für den sicheren Einsatz solcher Phasenwechselmaterialien ist es, sicherzustellen, ein Ausdringen von Paraffinen zu verhindern.
Struktureigenschaften im Automobilbau verbessert
Im EU-Projekt DOMUS wurden neue formstabilisierte Phasenwechselmaterialien auf Basis thermoplastischer Styrol-Blockcopolymere entwickelt (SEBS, SEEPS). Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie höhere Mengen Paraffin (hier Hexadecan, bis zu 90 Gew.%) aufnehmen können als beispielsweise Polyolefine (bis max. ca. 75 – 80 Gew.%). Im Fraunhofer LBF wurden erstmals Struktur-Eigenschaftsbeziehungen dieses Systems aufgestellt, anhand derer die Materialien optimiert wurden. Dadurch ließen sich bei hoher thermo-mechanischer Formstabilität Enthalpien bis 195 J/g erreichen. Das Leckage-Verhalten, ausgedrückt durch den Massenverlust bei erhöhter Temperatur, lässt sich durch gezielte Anpassung der molekularen Struktur minimieren. Aus diesen neuen Phasenwechselmaterialien wurden durch Heißpressen formstabile Platten hergestellt . Durch
Makroverkapselung mit Paraffin undurchlässigen Barrierefolien lassen sich schließlich funktionale Pads realisieren, die unter Laborbedingungen nahezu keine Leckage von Paraffin aufweisen. Im Rahmen des noch laufenden Vorhabens DOMUS wurden die am Fraunhofer LBF entwickelten Materialien beim Projektpartner HUTCHINSON in einem Fahrzeug-Dachhimmel integriert (siehe Abbildungen 1 und 2) und werden im Rahmen des Projektes von den Projektpartnern nun umfassend in Bezug auf die automobile Zielapplikation bewertet.
Abbildung 1: Anordnung der makroverkapselten PCM-Pads im Dachmittel beim Projektpartner HUTCHINSON.
Abbildung 2: Anordnung der makroverkapselten PCM-Pads im Dachmittel beim Projektpartner HUTCHINSON.
Struktureigenschaften im Automobilbau verbessert
Im EU-Projekt DOMUS wurden neue formstabilisierte Phasenwechselmaterialien auf Basis thermoplastischer Styrol-Blockcopolymere entwickelt (SEBS, SEEPS). Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie höhere Mengen Paraffin (hier Hexadecan, bis zu 90 Gew.%) aufnehmen können als beispielsweise Polyolefine (bis max. ca. 75 – 80 Gew.%). Im Fraunhofer LBF wurden erstmals Struktur-Eigenschaftsbeziehungen dieses Systems aufgestellt, anhand derer die Materialien optimiert wurden. Dadurch ließen sich bei hoher thermo-mechanischer Formstabilität Enthalpien bis 195 J/g erreichen. Das Leckage-Verhalten, ausgedrückt durch den Massenverlust bei erhöhter Temperatur, lässt sich durch gezielte Anpassung der molekularen Struktur minimieren. Aus diesen neuen Phasenwechselmaterialien wurden durch Heißpressen formstabile Platten hergestellt . Durch
Makroverkapselung mit Paraffin undurchlässigen Barrierefolien lassen sich schließlich funktionale Pads realisieren, die unter Laborbedingungen nahezu keine Leckage von Paraffin aufweisen. Im Rahmen des noch laufenden Vorhabens DOMUS wurden die am Fraunhofer LBF entwickelten Materialien beim Projektpartner HUTCHINSON in einem Fahrzeug-Dachhimmel integriert (siehe Abbildungen 1 und 2) und werden im Rahmen des Projektes von den Projektpartnern nun umfassend in Bezug auf die automobile Zielapplikation bewertet.
Innerhalb eines weiteren EU-Projektes (SELFIE) wird, zusammen mit Konsortialpartnern, ein ursprünglich für einen den Antrieb mit einem Verbrennungsmotor entwickelter Fiat Doblo auf einen serientauglichen E-Antrieb umgerüstet. Dabei wird auch ein Thermomanagmentsystem entwickelt und aufgebaut. Dieses hat die Aufgabe eine optimale Temperierung für die Traktionsbatterie bei unterschiedlichen Lastzuständen sicherzustellen. Die Koordination der konstruktiven Umsetzung ist dabei eine Hauptaufgabe des Fraunhofer LBF.
Abbildung 3: Aufbau des der Traktionsbatterie inkl. Thermomanagmentsystem
Die Abbildung 3 zeigt den Aufbau der Traktionsbatterie. Dabei kommt ein hochfestes, leichtbauendes und flammwidriges Compositegehäuse, welches am Fraunhofer LBF aufgebaut wird, zum Einsatz. Bestückt wird dieses Batteriegehäuse mit Batteriezellen, die über eingesetzte Kühlplatten aktiv gekühlt werden können. Im Weiteren werden aluminiumbasierte Module eingesetzt. Der Kern dieser Module besteht aus einem Aluminiumschaum, der wiederum mit einem Phasenwechselmaterial beladen ist. Durch das Phasenwechselmaterial können Temperaturspitzen beim Schnellladevorgang, mit Laderaten bis zu 6C (d. h. dem Sechsfachen der Nennkapazität der Batterie), gepuffert werden. Durch die Kombination aus isolierendem Gehäuse und Flüssigkühlung kann das PCM-Material nach einem Schnellladevorgang reaktiviert und die Zelltemperatur gezielt beeinflusst werden.
Die gesamte Traktionsbatterie wird im Rahmen des Projektes aufgebaut, in den Fiat Doblo integriert und die Leistungsfähigkeit demonstriert.
Beide Projekte wurden im Rahmen des EU-Forschungs- und Innovationsprogrammes Horizon 2020 gefördert (Förderkennzeichen DOMUS: 769902, SELFIE: 824290)