Traktionsbatterien in Elektrofahrzeugen sind heute häufig so verklebt, dass im Schadensfall das gesamte Paket getauscht werden muss, denn einzelne Zellen oder Module lassen sich kaum entnehmen. Das Forschungsprojekt E-Track der TU Graz und der Universität Graz will das ändern und hat Konstruktionsrichtlinien erarbeitet, die Reparatur, Demontage und Recycling deutlich erleichtern sollen, ohne Sicherheit oder Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Wie die TU Graz in einer Mitteilung erläutert, untersuchte das von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG geförderte Projekt ein heute übliches Basisdesign sowie zwei Alternativen. Die erste Alternative ersetzt verklebte Gehäusedeckel durch verschraubte Deckel mit mechanisch lösbaren Wärmeleitpads. Die zweite setzt auf ein verschraubtes, gedichtetes Gehäuse mit einem elektrisch isolierenden Öl als Kühlmedium. In beiden Fällen können beispielsweise Einsatzkräfte nach einem Unfall oder Werkstätten die Packs zerstörungsfrei öffnen und bei Bedarf einzelne Zellen entnehmen.
Reparaturfreundliche Designs, die sich lohnen
Markus Fasching vom Institut für Fahrzeugsicherheit der TU Graz fasst die Ergebnisse so zusammen: „Unsere Arbeit zeigt, dass sich Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Kreislauffähigkeit durch ein durchdachtes Design gemeinsam verbessern lassen.“ Batteriezellen machen laut dem Projekt rund 75 Prozent der Gesamtmasse eines Packs aus und sind zugleich der größte Kostenfaktor. Lebenszyklusanalysen innerhalb von E-Track zeigen, dass sich reparaturfreundliche Designs bereits lohnen, wenn ab etwa 8 Prozent der Zellen weiterverwendet werden können.
Die konstruktiven Änderungen zielen auf mehrere Ebenen: Statt großflächig aufgetragener Wärmeleitpasten, die sich nur destruktiv entfernen lassen, kommen mechanisch lösbare Wärmeleitpads oder ein entleerbares Ölkühlsystem zum Einsatz. Schraubverbindungen mit definierten Lösepunkten ersetzen strukturelle Klebstoffe, klar abgegrenzte Abteile erlauben den gezielten Zugriff auf einzelne Module. Crashlastpfade werden dabei so über Rahmenstrukturen geführt, dass das Gehäuse nach einem Unfall weiterhin geöffnet werden kann.
Zwei Kühlkonzepte im Vergleich
Die beiden alternativen Designs unterscheiden sich insbesondere beim Brandverhalten. Das Konzept mit Wärmeleitpads stellt eine definierte, aber begrenzte thermische Kopplung her: Im Fall eines lokalen Thermal Runaway breitet sich die Wärme potenziell weniger stark aus als bei großflächigen Pasten. Das ölgekühlte Design hingegen kann als zusätzliche Wärmesenke wirken und Hotspots im Crashfall dämpfen. Gleichzeitig reduziert das elektrisch isolierende Öl das Risiko von Kurzschlüssen bei mechanischer Beschädigung. Beide Varianten erleichtern nach einem Ereignis den Zugang zum Pack für gezielte Kühlmaßnahmen.
Blasendiagramm zum Vergleich der drei Batteriepack-Typen: X = Gesamtumweltwert (0–1, höher = geringere Auswirkung), Y = Gesamtzirkularitätswert (0–1, höher = kreisförmig). Die Blasengröße stellt die Demontagezeit dar. (Pack 1 hat keine zerstörungsfreien Demontagedaten und ist mit N/A gekennzeichnet).
(Bild: TU Graz)
Damit stehen die E-Track-Ergebnisse in deutlichem Kontrast zu modernen Cell-to-Pack- oder gar Cell-to-Body-Architekturen, wie sie etwa bei aktuellen Hochleistungsbatterien zum Einsatz kommen. Diese maximieren zwar Energiedichte und Raumnutzung, indem sie Zellen direkt in die Packstruktur oder sogar in die Karosserie integrieren. Doch strukturell verklebte Packs mit Scherfestigkeiten von mehr als 20 Megapascal, ausgelegt auf 15 Jahre Lebensdauer, lassen sich praktisch nicht zerstörungsfrei entnehmen. Nach einem Crash bedeutet das oft den Ersatz des gesamten Batterie-Chassis-Verbunds zu hohen Kosten.
Standardisierung könnte Einsatzkräften helfen
Fasching weist auch auf die Bedeutung für Rettungskräfte hin: „Ohne einheitliche Design-Standards stehen Einsatzkräfte im Ernstfall oft vor großen Herausforderungen, weil Aufbau und Verhalten von Batteriesystemen schwer einschätzbar sind.“ Standardisierte Packdesigns mit normierten Zugangspunkten, Hochvolt-Trennstellen und Markierungen könnten Feuerwehr und Katastrophenschutzorganisationen ein schnelleres Lagebild ermöglichen. In Verbindung mit Rettungsdatenblättern nach ISO 17840 ließen sich einheitliche Schulungsunterlagen erstellen, statt für jeden Hersteller separate Vorgehensweisen zu benötigen.
Ergänzend hat E-Track Diagnosemethoden auf Basis der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) entwickelt. In Kombination mit virtuellen multiphysikalischen Modellen lassen sich interne Schäden wie Mikro-Kurzschlüsse erkennen, die verzögert zu Batteriebränden führen können. Solche Verfahren könnten künftig auch Einsatzkräften Hinweise liefern, ob ein Pack nach einem Unfall stabil ist oder thermisches Durchgehen mit Brand oder Explosion droht.
Weg in die Normung ist realistisch
Die Ergebnisse des Projekts sind in der Fachzeitschrift Sustainable Production and Consumption publiziert worden. Die Forschenden fokussierten sich zunächst auf elektrische Zweiräder, betonen aber die Übertragbarkeit auf Pkw und Lkw. Dass die Designrichtlinien mittelfristig in verbindliche Normen einfließen, halten die Beteiligten für realistisch: Artikel 11 der EU-Batterieverordnung fordert ab Februar 2027, dass portable Batterien und Batterien für Leichtfahrzeuge (LMT) entfernbar und ersetzbar sein müssen. Für EV-Traktionsbatterien enthält die Verordnung separate Anforderungen. ISO-Komitees und DIN-Arbeitskreise arbeiten bereits an Aktualisierungen relevanter Standards wie ISO 6469 oder DIN 91252. Der typische Normungsprozess dauert drei bis sieben Jahre, eine Integration der E-Track-Ergebnisse bis Anfang der 2030er-Jahre erscheint daher plausibel.
Laut TU Graz haben mehrere Industriepartner bereits Interesse an Nachfolgeprojekten signalisiert, insbesondere zur Weiterentwicklung der Diagnosemethoden und multiphysikalischer Simulationsmodelle. Geplant sind unter anderem Demonstrator-Batteriepacks und Crashtests am Battery Safety Center Graz, um Sicherheitsdaten für die Normung zu liefern. Die Frage, wie sich die Zielkonflikte zwischen maximaler Energiedichte, kostengünstiger Serienfertigung und guter Demontierbarkeit auflösen lassen, dürfte die Branche dabei noch lange beschäftigen. E-Track liefert dafür eine wissenschaftlich fundierte Ausgangsbasis.
(fpi)
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