Больше мощности зарядки, больший запас хода, меньшее воздействие на окружающую среду: в рамках совместного исследовательского проекта COOLBat исследователи из Института станков и технологий обработки давлением имени Фраунгофера (IWU) объединились с партнёрами для разработки аккумуляторных корпусов нового поколения для электромобилей.
Цель состоит в том, чтобы сделать корпуса, центральный компонент любого электромобиля, легче и сократить выбросы углекислого газа при их производстве на 15%. Партнёры проекта намерены достичь этого путём объединения отдельных систем, размещения большего количества функций в меньшем пространстве для установки и использования новых теплопроводящих материалов и огнестойких покрытий на биологической основе.
Достижение экологически безопасного производства корпусов для аккумуляторных систем электромобилей и , таким образом, сокращение углеродного следа транспортных средств является целью для партнёров из отрасли и научно-исследовательского сектора, работающих над проектом COOLBat, который фокусируется на решениях по облегченным конструкциям, сокращающим выбросы углерода, продемонстрированных корпусами аккумуляторов следующего поколения. Это связано с тем, что существующие корпуса аккумуляторов с их структурами для распределения нагрузки и регулирования температуры, рамами, крышками и базовыми пластинами по-прежнему обладают потенциалом для сокращения выбросов углерода.
В проекте 15 партнёров проводят междисциплинарные исследования инновационных принципов облегченной конструкции для снижения массы, а также облегченных строительных материалов и методов производства, призванных сделать производство корпусов аккумуляторных систем более экологичным и улучшить их эксплуатационные свойства. Партнёры придерживаются всеобъемлющего подхода, который сосредотачивает такие аспекты, как цикличность и ремонтопригодность, ресурсо- и энергоэффективность , безопасность и противопожарная защита на уровнях проектирования и материалов. Fraunhofer IWU в Хемнице координирует проект и контролируется Project Management Jülich (PTJ).
Принцип прост: чем легче корпуса, тем больше запас хода электромобилей, поскольку снижается энергопотребление.
«Плотность энергии современных аккумуляторных систем имеет много возможностей для улучшения, и аккумуляторные корпуса являются здесь ключевым аспектом. Интеграция новых методов облегченной конструкции и большего количества функций в меньшем пространстве для установки с меньшим количеством интерфейсов позволяет снизить вес, а также сократить выбросы углерода», — говорит Рико Шмерлер, руководитель проекта и учёный в отделе аккумуляторных систем в Fraunhofer IWU.
«Уменьшение массы позволяет нам увеличить плотность энергии и, следовательно, дальность полёта, даже если количество ячеек аккумулятора остается прежним. Изготовив крышку корпуса из волокнистого композитного материала, мы смогли уменьшить массу более чем на 60% по сравнению с эталоном из стали».
Охлаждение и несущая способность в одном компоненте
Ещё один путь, который исследователи выявили для потенциального снижения веса, — это объединение отдельных систем в корпусе, которые ранее выполняли тепловые и механические функции по отдельности. Например, охлаждающие каналы, отлитые в Институте производственных технологий и передовых материалов Фраунгофера IFAM, встроены непосредственно в несущие конструкции, такие как поперечные балки.
Кроме того, функция охлаждающего устройства объединена с функцией защиты от подъезда в одном компоненте — опорной плите. Алюминиевая пена внутри опорной плиты поглощает энергию удара от ударов камней и аварий. В сочетании с материалом с изменяющейся фазой (PCM), своего рода воском, который может использоваться для хранения и последующего высвобождения большого количества тепловой и охлаждающей энергии, алюминиевая пена также снижает количество энергии, необходимое для охлаждения электрической батареи. Опорная плита была разработана Fraunhofer IWU и FES/AES и произведена Fraunhofer IWU, включая пену.
Такая конфигурация защищает ячейки аккумулятора от механических нагрузок и перегрева одновременно. Жидкость протекает по каналам, охлаждая ячейки не только снизу, но и с боков. Это снижает электроэнергию, необходимую для охлаждения ячеек, и устраняет необходимость в охлаждающих элементах в других местах транспортного средства.
«Мы фокусируемся на функционально интегрированных структурах. Задачи, которые раньше выполнялись различными модулями внутри батареи, интегрируются в один компонент — в данном случае в базовую сборку — для сокращения пространства для установки и упрощения интерфейсов», — объясняет Шмерлер. «Эти базовые пластины обеспечат защиту от перегрева и предотвратят повреждение ядра батареи в случае аварии».
Исследователи используют аккумулятор Mercedes EQS в качестве эталона и технологического демонстратора.
Новые термопрокладки заменяют пасты: Качество рассеивания тепла от аккумуляторов к внешней оболочке оказывает значительное влияние на производительность и срок службы электромобиля. Проводящие пасты обычно используются для соединения аккумуляторного модуля в тепловых целях. Одной из целей этого проекта является замена этих тяжелых, неустойчивых паст экологически чистыми теплопроводящими материалами. Для этого Институт Фраунгофера по поверхностной инженерии и тонким пленкам IST использует плазменный процесс для металлизации многоразовых пен с открытыми порами, которые затем помещаются в пространство между аккумулятором и корпусом в форме прокладки.
Огнестойкие покрытия на основе биоматериалов улучшают противопожарную защиту: новое огнестойкое покрытие, разработанное Институтом исследований древесины Фраунгофера, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI, помогает повысить безопасность. Нанесенное на нижнюю сторону крышки корпуса, оно предотвращает распространение огня из расположенных под ней элементов батареи . Покрытие также содержит лигнин, негорючий материал на основе биоматериалов, который заменяет материалы на основе нефти.
Конструкция для повторного использования: предыдущая крышка корпуса, которая была сделана из стали, была заменена новой конструкцией крышки из волокнистого композита, сделанной из углерода и смолы (известной как towpreg), что не только значительно уменьшило массу компонента, но и сделало возможным повторное использование крышки. Вся система, включающая крышку, раму и опорную пластину, была разработана для разборки и удаления без разрушения вплоть до уровня компонента. «Мы преследуем концепцию круговой экономики и сокращения материалов за счёт облегченной конструкции и повторно используемых материалов, что, в свою очередь, приводит к меньшему углеродному следу и более низким затратам на ремонт», — говорит Шмерлер.
Нацеленность на передачу промышленности: Будущие планы требуют, чтобы различные результаты проекта были распространены на другие приложения и отрасли, где используются большие батареи, такие как в поездах, самолётах и лодках. Системы охлаждения также могут использоваться для транспортировки продуктов питания и лекарств, а решения по противопожарной защите могут использоваться в зданиях.
Её конек схемы в бизнесе, банковской и финансовой сфере.