Elektromobilität Einheitliche Design-Richtlinien verbessern Sicherheit und Reparierbarkeit von Batterien

Uneinheitliche Design-Richtlinien machen Einsatzkräften im Falle eines Unfalls bei beschädigten oder brennenden Batterien das Leben schwer. Im Forschungsprojekt E-Track will man diese Problematik lösen. Daher arbeitet die TU Graz zusammen mit Industriepartnern an einheitlichen Design-Standards.

Die Entwicklung von Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge wird zunehmend komplex: Elektrische Leistungsfähigkeit, thermisches Verhalten und mechanische Sicherheit stehen in einem engen Wechselspiel und erfordern integrierte Lösungen. Doch das Hauptproblem: Es gibt derzeit keine einheitlichen Design-Standards. Das ist insbesondere bei einem Unfall gefährlich, weil es den Einsatzkräften den sicheren Umgang mit beschädigten oder brennenden Batterien erschwert. Darüber hinaus gestaltet sich auch das Recycling durch uneinheitliche Bauweisen erheblich schwieriger. „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 Projektleiter Markus Fasching vom Institut für Fahrzeugsicherheit der TU Graz.

Alternative Bauweisen im Fokus

Im Forschungsprojekt E-Track hat das Institut für Fahrzeugsicherheit der Technische Universität Graz gemeinsam mit dem Institut für Umweltsystemwissenschaften der Uni Graz und Industriepartnern Design-Richtlinien erarbeitet, die Batteriesysteme sicherer, nachhaltiger und wirtschaftlicher machen sollen. Wie sich das genau auswirkt, verdeutlicht das nachfolgende Beispiel.

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 Forscher 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.

Wiederverwendung von Batteriezellen auch nach einem Unfall wichtig

Die Untersuchungen bestätigten, dass die Batteriezellen nicht nur der größte Kostenfaktor sind, sondern 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 sich acht Prozent der Zellen wiederverwenden lassen. Auch geht das Recycling der Materialien besser von statten, wenn sich die Zellen schnell und einfach zerlegen lassen. Darüber hinaus entwickelte das Forschungsteam neue Diagnosemethoden auf Basis der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Diese Diagnosemethoden gepaart mit virtuellen multiphysikalischen Modellen ermöglichen es, interne Schäden wie Mikro-Kurzschlüsse zuverlässig zu erkennen, die ansonsten zeitverzögert zu kritischen Ereignissen wie Batteriebränden führen könnten.

Ausgangspunkt für Regulatorien?

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 damit eine fundierte Grundlage für zukünftige industrielle Standards und könnten auch als Ausgangspunkt für regulatorische Rahmenbedingungen dienen. Die Industrie zeigt bereits Interesse an Nachfolgeprojekten, um die Diagnosemethoden zur Bewertung des Sicherheitszustands und die multiphysikalischen Simulationsmodelle in Nachfolgeprojekten weiter zu erforschen.  (se)

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