Die Entwicklung von Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge wird immer komplexer: Die elektrische Leistungsfähigkeit, das thermische Verhalten und die mechanische Sicherheit stehen in engem Wechselspiel zueinander und erfordern integrierte Lösungen. Gleichzeitig fehlt es bislang an einheitlichen Design-Standards. Das hat Nachteile: Bei einem Unfall erschwert dies den Einsatzkräften den sicheren Umgang mit beschädigten oder brennenden Batterien, und auch das Recycling wird durch uneinheitliche Bauweisen deutlich komplizierter.
Im Forschungsprojekt E-Track hat das Institut für Fahrzeugsicherheit der TU Graz gemeinsam mit dem Institut für Umweltsystemwissenschaften der Uni Graz und Industriepartnerinnen und Industriepartnern fundierte Design-Richtlinien erarbeitet, die Batteriesysteme sicherer, nachhaltiger und wirtschaftlicher machen.
Warum fehlende Standards zum Problem werden
„Ohne einheitliche Design-Standards stehen Einsatzkräfte im Ernstfall oft vor großen Herausforderungen, weil Aufbau und Verhalten von Batteriesystemen schwer einschätzbar sind. Gleichzeitig verlieren wir wertvolle Ressourcen, wenn Batterien nicht repariert oder vollständig recycelt werden können“, erklärt Markus Fasching, Projektleiter am Institut für Fahrzeugsicherheit der TU Graz. „Unsere Arbeit zeigt, dass sich Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Kreislauffähigkeit durch ein durchdachtes Design gemeinsam verbessern lassen.“
Ein zentrales Defizit heutiger Batteriesysteme ist ihre eingeschränkte Reparatur- und Recyclingfähigkeit. Viele Hersteller setzen auf verklebte Gehäuse mit Wärmeleitpasten zur Temperaturregulierung, die zwar Vorteile in der Produktion bieten, im Schadensfall jedoch oft den Austausch des gesamten Batteriepakets erzwingen. Diese Bauweise nahm das Team als Basis-Design für seine Untersuchungen.
Zusätzlich untersuchten die Forschenden zwei alternative Bauweisen, darunter ein Konzept mit austauschbaren Gehäusedeckeln, bei denen Wärmeleitpads die Hitze abführen, sowie ein flüssigkeitsgekühltes Design. Hier übernimmt ein elektrisch isolierendes Öl die Wärmeabfuhr und das Gehäuse wird mittels einer Dichtung verschraubt. Das erleichtert die Demontage und ermöglicht den gezielten Austausch einzelner Zellen.
Wenn Batteriedesign Reparaturen erleichtert
Die Analysen zeigen: Die Batteriezellen sind sowohl der größte Kostenfaktor als auch die entscheidende Größe für Sicherheit und Nachhaltigkeit. Sie machen rund 75 Prozent der Gesamtmasse aus, weshalb ihre Wiederverwendung nach einem Unfall maßgeblich für die ökologische und ökonomische Bilanz ist. Lebenszyklusanalysen belegen: Reparaturfreundliche Designs lohnen sich bereits, sobald acht Prozent der Zellen weiterverwendet werden können. Eine einfache Zerlegbarkeit fördert zudem das Recycling der Materialien.
Ergänzend entwickelte das Forschungsteam neue Diagnosemethoden auf Basis der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Diese Diagnosemethoden, gepaart mit virtuellen multiphysikalischen Modellen, ermöglichen es, interne Schäden, wie Mikro-Kurzschlüsse, die ansonsten zeitverzögert zu kritischen Ereignissen, wie Batteriebränden, führen könnten, zuverlässig zu erkennen.
Obwohl die Richtlinien primär für elektrische Zweiräder entwickelt wurden, lassen sich die Methoden und Simulationsansätze direkt auf größere Fahrzeugklassen wie Pkw oder Lkw übertragen. Die Ergebnisse von E-Track schaffen somit eine fundierte Grundlage für künftige industrielle Standards und könnten auch als Ausgangspunkt für regulatorische Rahmenbedingungen dienen. Aus der Industrie gibt es bereits einige Interessierte, die ihr Interesse an Nachfolgeprojekten bekundet haben, um die Diagnosemethoden zur Bewertung des Sicherheitszustands und die multiphysikalischen Simulationsmodelle weiter zu erforschen.
