本研究项目，主要开发了一款集成了电动车功能的轻量化部件。采用纤维增强塑料（FRP），泡沫铝和固体铝构成的多种材料混合物的选材方法，替换了传统钢制动力电池外壳。本文主要聚焦机械功能的集成，热管理以及碰撞和入侵保护等方面的研究。
研究的目的电动交通工具为实现可持续交通提供了巨大的潜力。当前电动汽车的低档化是汽车市场实际建立不足的主要原因之一。汽车零部件的重量减轻与结构优化相结合是提高产品竞争力的有效途径。
由于更高的电池容量和续航里程的要求，导致电池重量增加，现有轻量化方案尚不能有效解决这些问题。只有在创新材料系统中集成多项功能，才能满足对效率，安全性，设计空间和舒适度的要求。
项目目标和解决方案研究目标是开发电动车辆的电池外壳，该电动车辆结合了创新材料组合中的机械功能和热功能。因此，采用多材料复合的夹层设计取代传统钢制电池壳，该结构由铝顶层，铝泡沫芯和环状纤维增强热塑性塑料（有机片）组成。
Figure1
Demonstratorofthebatteryhousingsubshellwithaluminiumtopsheet,organosheetasoutershapeandseveralcorematerials(?TUBSIWF
FraunhoferIWU
OHLF)电池壳体的示范器，带有铝顶板，有机板作为外形和几种核心材料。除了机械功能外，有机板还作为电池外壳的外形并防止腐蚀。结合铝泡沫芯，显示出极佳的能量吸收能力，电池模块可以防止芯片损坏和侵入。底壳连接到由玻璃纤维增强聚酰胺（PA6）热塑性塑料制成的上壳体上。
热管理功能通过相变材料（PCM）渗入泡沫铝来实现。PCM在相变固液的范围内具有很高的热容量。这可以平滑热峰并缓冲高热量。Rubitherm使用的PCM的储热能力分别为kJ/kg和70Wh/kg。
由于保护电池免受临时热过充，电池寿命可以增加。在制造过程中，实现了铝片和泡沫铝之间的牢固连接。三明治的铝顶层可实现从细胞到泡沫的最佳热传导。通过这种设置，可以确保热传导到PCM中，其导热率比泡沫铝低倍。
另一个重要的优点是不采用粘合剂。根据CAD数据，计算出新的多材料电池壳体的外壳重量减少了26.6千克，已经包括了PCM的重量。而钢制电池壳大约35kg，可以实现相当大的减少量。
半成品的制造和性能表征弗劳恩霍夫WKI开展了纤维增强热塑性复合材料（FRTC）的生产。为了环保因素，选择完全基于生物的PA11作为基质聚合物。对于目前的项目，商业上可获得的PA11颗粒由Jura-plast加工成平片薄膜。将该薄膜与包含玻璃纤维，碳纤维或亚麻纤维的单向非织造织物结合以确定机械性能。
为了生产相应的层压材料，采用了薄膜堆叠方法，其包括热塑性片材和增强织物层的交替堆叠和它们的浸渍以及使用热压接着进行冷却循环的凝结。图2显示了不同层压板的拉伸性能。
Figure2
Selectionoftensiletestparameters.Fibrevolumefractions:42%FFVT,33%GFVTand34%CFVT(?FraunhoferWKI
OHLF)碳纤维增强热塑性塑料（CFRT）的平均杨氏模量（60GPa）明显高于玻璃纤维增强（GFRT）或亚麻纤维增强热塑性塑料（FFRT），分别显示21GPa和19GPa。同样，CFRT也显示出最高的平均拉伸强度（MPa），其次是GFRT（MPa）和FFRT（MPa）。
尽管GFRT（1.5％）和FFRT（1.3％）的平均断裂伸长率非常相似，但CFRT具有更脆的特性，断裂伸长率仅为0.8％。对于FFRT以及CFRT纤维体积分数（FVF）分别可达到42％和34％。并且所得到的机械性能与类似工程中发现的相当GFRT显示的FVF为33％，所得到的杨氏模量明显低于类似文献中的报道。特别是关于GFRT，可以认为与当前的薄膜堆叠相比，使用粉末浸渍方法可以实现更好的纤维润湿。
制造仅具有一个金属顶层的封闭网状铝泡沫半成品是相当大的挑战。因此在弗劳恩霍夫研究所进行了广泛的测试。密度为0.5-0.7克/立方厘米的新产品已成功制造。在FraunhoferIFAM制造泡沫铝泡沫结构（AdvancedPoreMorphology，APM）。这些球体在部件生产期间用作为胶水操作的聚酰胺12（PA12）涂覆。图1显示了各种泡沫结构。
在IK上进行1：1刻度的电池外壳结构以及悬垂模拟。所有金属材料的机械特征和基于这些数据的结构力学模拟都在FraunhoferIWU进行。例如，在落塔测试中研究入侵损伤容限。在这些测试中，确定了与增强钢板具有相同重量的三明治结构，其表现出对电池模块的最大冲击力减小25％。此外验证了对密封和无裂纹的要求。
热管理功能是通过相变材料渗入泡沫铝来实现的。
经济的工艺技术高效的工艺链可大幅降低工业价值创造中的组件成本。除了标准化之外，单个制造步骤的自动化和效率以及工艺步骤的减少都是必要的。通过使用不同材料的成型和连接的整体生产工艺，可以在一个生产步骤中组合多个工艺步骤。这使混合组件的经济生产成为可能。图3中概述的生产过程用于制造所述的电池壳体外壳。
Figure3
Manufacturingprocesschainforthebatteryhousingsubshell(?TUBSIWF
OHLF)铝泡沫结构可以直接发泡成最终的几何形状，而有机薄片只能制备近似最终轮廓，后续采用水射流切割，实现终成形。IWF生产的成型工具配备了加热的有机薄板以及来自半成品制造工艺的余热约°C的铝泡沫。在固结过程中，泡沫铝通过真空系统置于印模下面，并压在有机板上。在这个过程中，泡沫将有机薄片形成最终轮廓。
通过在泡沫铝中使用余热，可以实现铝和热塑性塑料之间的材料封闭。通过在连接侧使用具有开孔结构的铝泡沫，可以在边界表面上产生形状配合的底切，而对于具有闭合氧化层的变体，主要在边界表面上产生材料闭合。成形过程是这样设计的，即泡沫铝不会损坏，在0.7g/cm3的密度下以0.5g/cm3或20MPa的密度产生10MPa的压缩强度。整体成形和连接过程在功能整合方面有进一步的优势。
通过在泡沫铝中使用余热，可以实现铝和热塑性塑料之间的材料封闭。整合生产过程使用发泡，成型（有机板）和集成合并操作，从而产生流体密封功能，提供了有前途的经济工艺链。
质量管理计算机断层扫描（CT）用于测试和评估半成品和成品零件的质量。测量的参数，例如孔隙的壁厚，孔隙大小及其分布以及FRP的纤维取向提供了有关工艺质量的信息。在图4的左侧可以看到渗透的金属泡沫样品。它显示了固态PCM中泡沫铝泡沫的高局部浸润率。由于PCM相变过程中的热膨胀，渗透率达到87％。图4右侧描绘了生产的材料化合物的CT视图。
Figure4
CTviewofclosedcellaluminiumfoaminfiltratedwithPCM(left),3-D-CT-viewofthealuminiumFRPmaterial