Die Lösung für sichere und effiziente Batterien von Elektrofahrzeugen
Steigende Anforderungen an Sicherheit und Reduktion von CO2-Emissionen stellen die Automobilindustrie vor große Herausforderungen. Lithium-Ionen-Batterien sind wesentlicher Bestandteil für die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Da Lithium-Ionen-Batterien erst bei einer stabilen Temperatur ihre volle Leistung entfalten, werden sowohl Heiz- als auch Kühlgeräte im Batteriepack des Fahrzeugs installiert, insbesondere für PHEVs (Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge) und BEVs (Batterie-Elektrofahrzeuge). Die Schaffung der richtigen Temperaturumgebung für die Batterie verbraucht jedoch viel Energie, so dass ein optimiertes Wärmemanagement der Batteriepakete immer wichtiger wird. Gleichzeitig stehen Sicherheitsthemen wie Brandschutz und Crashverhalten ganz oben auf der Agenda der OEMs.
Mit SunForce™ hat Asahi Kasei einen Partikelschaum auf Basis des technischen Kunststoffs m-PPE (modifizierter Polyphenylenether) als Lösung für die beschriebenen Herausforderungen entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaumstoffen aus Polystyrol oder Polyolefin verleiht der Einsatz von m-PPE diesem geschäumten Material einzigartige Eigenschaften und eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich Wärmemanagement und Brandschutz.
Anforderungen der Automobilindustrie
Flammhemmung
Die Norm FMVSS 302 (Federal Motor Vehicle Safety Standard). bestimmt die Verwendung flammhemmender Materialien in Fahrzeugen. Die Anforderungen der OEMs sind jedoch noch um einiges strenger: So müssen Materialien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge oft der Flammschutzklasse UL-94 V-1 oder V-0 entsprechen.
Hitzebeständigkeit
Die im Motorraum von Fahrzeugen verwendeten Materialien müssen hohen Temperaturen von bis zu 120 Grad Celsius standhalten können. Selbst mit einer Isolierung gegen die Luft im Motorraum müssen die Materialien immer noch einer Hitze von etwa 80 bis 100 Grad Celsius standhalten.
Wärmeisolierung
Lithium-Ionen-Akkus und elektronische Komponenten wie Mikrocomputer und Steuergeräte in modernen Fahrzeugen benötigen eine konstante Temperatur für eine optimale Leistung. Um das zu erreichen, werden wärmedämmende Materialien oder aber auch die Klimaanlagenluft verwendet.
Für den Einsatz rund um Lithium-Ionen-Batterien
Da beim Laden der Batterie Wärme entsteht, wird eine Kühlung der Zellen notwendig, bevor die Temperatur die hitzebeständige Temperatur der Zellen überschreitet.
Auf der anderen Seite ist die Heizung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Stromerzeugung aus der Batterie an Stellen mit niedriger Temperatur maximiert wird.
Dies erfordert ein sehr ausgeklügeltes, gleichmäßiges Temperaturmanagement für ein Batteriesystem, das viele Zellen hat.
In den letzten Jahren hat sich die Kapazität (Anzahl der Zellen) der in Fahrzeugen verwendeten Lithium-Ionen-Batterien erhöht, und diese Batterien können sich nicht auf die natürliche Wärmeableitung verlassen, die in kleinen Batterieeinheiten möglich ist.
Die Verwendung von SunForce im Inneren des Batteriegehäuses erlaubt:
- Steuerung des Luftstroms der Klimaanlage
- Isolierung der Wärme von außen
- Zellen, Kabel und Lüfter in Position halten
Ein kostengünstiges, gewichtsparendes Beispiel ist ein SunForce-Batteriegehäuse, das Batteriezellen und Kabel abdeckt und in Position hält. Um die konstruktive Vielseitigkeit von SunForce zu nutzen, wurde ein Luftkanal in die Struktur eingebaut, um kühle A/C-Luft in das Gehäuse zu leiten.
Kühlung bei hohen Temperaturen
Durch die Verwendung des abgebildeten SunForce-Designs kann kühle Luft aus der Klimaanlage in die Batterie geleitet und die Zellen damit gleichmäßig gekühlt werden.
Durch die Verwendung von SunForce-Verbundmaterial (mit Metallgitter) an der Unterseite der Zellen kann die Wärmeübertragung sogar erleichtert werden.
Da das Gehäuse thermisch von der Außenluft isoliert ist, wird weniger Kühlenergie benötigt und Kondensation verhindert.
Erwärmung bei niedrigen Temperaturen
Batteriesysteme entfalten ihre volle Leistung bei einer konstanten Umgebungstemperatur (Raumtemperatur).
Hierfür benutzen Elektro- und Hybridfahrzeuge eingebaute Heizungen, um die Temperaturen ihrer Batteriezellen zu verwalten. Da SunForce die Wärme im Inneren der Batterieeinheit von Elektro- und Hybridautos hält, können wir den Wärmeverlust der Batterie verringern, nachdem das Auto angehalten hat. Das Anfahren wird einfacher, da die Batterie nun weniger Erwärmung und Zeit benötigt, um eine hohe Ausgangsleistung zu erzeugen.
Thermische Barrierewirkung von SunForce™
Wärmeverlusteffekt in Lithium-Ionen-Batterien, wenn SunForce auf der Innenseite des Aluminiumgehäuses der Batterie verwendet wird.
- Außenlufttemp.: -20℃, Startlufttemp. im Gerät: 60℃
- SunForce-Spezifikation:
- Ausdehnungsverhältnis: 7x
- Wandstärke: 10mm und 5mm
- Äußere Platten: Aluminium 2mm
Verwendung als Innenraum-Kernmaterial
Viele Anwendungen im Automobilinnenraum erfordern eine Hitzebeständigkeit von mehr als 80℃ und eine hohe Steifigkeit der Materialstruktur bei hohen Temperaturen. SunForce kann auch in Bereichen wie Säulen verwendet werden, in denen Airbags und auch elektronische Komponenten installiert sind. Im Vergleich zu herkömmlichem EPP-Schaum (expandiertes Polypropylen) ist SunForce temperaturbeständiger, hat eine höhere Formgenauigkeit und ist flammhemmend.
Als Kernmaterial für Säulen kann SunForce so geformt und strukturiert werden, dass es Airbags und Elektronikkomponenten aufnehmen kann, was zu einer Teile- und Gewichtsreduzierung führt.
Als Kernmaterial für Kofferraumabdeckungen
Kofferraumabdeckungen müssen leicht sein und gleichzeitig einen hohen Biegemodul aufweisen. Sie werden in der Regel aus metallverstärktem, spritzgeblasenem Kunststoff oder aus einer Kombination von Schaumstoff und Platten mit hoher Festigkeit hergestellt.
Durch die Nutzung einer Metallverstärkung ist es schwierig, das Gewicht zu reduzieren. Allerdings kann herkömmlicher Schaumstoff die Anforderungen an Hitzebeständigkeit und Flammschutz nicht erfüllen.
Im Gegensatz zu diesen Materialien ist SunForce in der Lage:
- das Gewicht um mehr als 20 % zu reduzieren
- durch die Designmöglichkeiten den Raum effektiv zu nutzen
- auch bei hoher Temperatur seine Steifigkeit beizubehalten
- durch seine flammhemmenden Eigenschaften mehr Sicherheit zu bieten