Kunststoffe kommen in Batteriegehäusen zum Einsatz

Dec 09, 2023

Stephen Moore | 02. Juli 2022

Da die Produktion von Elektrofahrzeugen (EV) ansteigt und die Entwicklung von Ladeinfrastrukturen längere Fahrten einfacher macht, liegt die Verantwortung bei den Automobilherstellern, die Fahrzeugmasse weiter zu reduzieren. Eine der verbleibenden relativ unerschlossenen Anwendungen ist das Batteriegehäuse. Mehrere Allianzen und einzelne Unternehmen wetteifern um die Entwicklung kommerzieller Lösungen.

Lanxess und Kautex Textron beispielsweise experimentieren in einer Machbarkeitsstudie mit direkten Langfaser-Thermoplasten (D-LFT) und Polyamid 6 (PA 6). Aimplas entwickelt unterdessen nachhaltige strukturelle Batteriegehäuse für Leichtfahrzeuge auf Basis wiederverwendbarer, recycelbarer langfaseriger thermoplastischer Verbundwerkstoffe. Entladene Akkus können im laufenden Betrieb ausgetauscht werden. In anderen Entwicklungen verfolgt das Vestaro-Konsortium einen neuartigen Ansatz, der auf leichten Sheet-Molding-Compounds für Gehäuse von Hochvolt-Batteriemodulen basiert.

Auch bei peripheren Batteriekomponenten für Elektrofahrzeuge gibt es Fortschritte, wobei Lanxess erneut an der Spitze steht. Nach Angaben des Nylonlieferanten handelt es sich bei PA 6 und PA 66 um Materialien mit sehr ähnlichen Eigenschaften, die jedoch häufig miteinander konkurrieren. Die angespannte Preissituation bei PA 66 und die zeitweilig begrenzte Verfügbarkeit haben in jüngster Zeit dazu geführt, dass es auch in traditionellen Anwendungen durch PA 6 ersetzt wird. Allerdings werden Neuentwicklungen bei Bauteilen, die bislang typischerweise aus PA 66 gefertigt wurden, zunehmend direkt in PA 6 umgesetzt.

Ein aktuelles Beispiel ist die Abdeckung eines Bordbatterieladegeräts, das in einem Elektro-Kompaktfahrzeug eines deutschen Automobilherstellers zum Einsatz kommt. Es besteht aus Durethan BKV50H3.0 von Lanxess, das mit 50 Gewichtsprozent Kurzglasfasern hochverstärkt ist. Hersteller des Systems aus Hülle und Ladegerät ist die Leopold Kostal GmbH & Co. KG (Lüdenscheid, Deutschland), ein globaler Systemlieferant für Automobil-, Industrie- und Solarelektrik sowie elektrische Verbindungssysteme.

Diese großtechnische Anwendung unterstreicht, dass PA 6-Compounds für den Einsatz in Kühlanwendungen mit Glykol-Wasser-Kühlmitteln in Elektrofahrzeugen nicht unbedingt hydrolysestabilisiert sein müssen. „Wir gehen davon aus, dass solche Polyamid-6-Produkte in Zukunft in der Massenproduktion von Abdeckungen und anderen Wärmemanagementkomponenten für Elektrofahrzeuge weit verbreitet sein werden. Dies gilt insbesondere für Anwendungen wie Flüssigkeitsanschlüsse oder Steuergeräte in der Kühlung.“ System", erklärt Dr. Bernhard Helbich, technischer Key Account Manager im Lanxess-Geschäftsbereich High Performance Materials.

Kunststoffteile im Kühlkreislauf von Verbrennungsmotoren sind schon lange die Domäne von PA 66. Denn der Thermoplast weist eine hohe Beständigkeit gegenüber heißen Kühlmitteln wie Wasser-Glykol-Gemischen auf. Allerdings verschieben sich die Anforderungen an das Thermomanagement rein elektrischer Antriebsstränge hin zu niedrigeren Temperaturen. Für vollelektrische Fahrzeuge ist die dauerhafte thermische Beständigkeit von Polyamid 6-Compounds gegenüber Wasser-Glykol-Gemischen für die meisten Teile ausreichend, auch für teilweise deutlich längere Beanspruchungszeiten. So übersteht die Abdeckung dauerhaft problemlos Temperaturen bis zu 85°C im Fahrzeugbetrieb und es werden Berstbelastungen bis zu 10 bar erreicht. Langzeittests an Proben ergaben zudem, dass die mechanischen Eigenschaften der Verbindung in Wasser-Glykol-Mischungen kaum nachlassen. auch nach 1.500 Stunden Lagerung bei 110°C und einem Druck von 1,5 bar. Damit erfüllt das Material die technischen Anforderungen eines großen deutschen Automobilherstellers für wassergekühlte Komponenten von Elektrofahrzeugen.

Mit rund 29 cm Länge und 12 cm Breite verfügt die Abdeckung über eine beachtliche Flanschlänge. Der Deckel wird zusammen mit einer Dichtung mit dem Aluminiumgehäuse des Ladegeräts verschraubt. Die hohe Festigkeit und Steifigkeit des PA 6-Compounds gewährleistet, dass die Abdeckung strenge Dichtheitsanforderungen erfüllt. Dazu Helbich: „Dazu haben wir in enger Zusammenarbeit mit Kostal die mechanischen Bauteileigenschaften optimiert und durch Füllsimulation ermittelt, wie bei der Spritzgussverarbeitung Mindestwerte für Schwindung und Verzug erreicht werden können.“

Darüber hinaus verfügt Durethan BKV50H3.0 über die kupferfreie thermische Stabilisierung H3.0, die keine elektrische Korrosion an metallischen Teilen im Kühlkreislauf zur Folge hat. Es ist beständig gegen die im Elektrofahrzeugbetrieb typischen Medien wie Öle, Fette, Batterieelektrolyt und Streusalz.

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