不是从具体的部件或材料方面，而是从功能和部件方面来考虑轻质结构，这对许多设计师来说是一个挑战。
Rainer & Oliver PULS 工程公司与卡尔斯鲁厄理工学院KIT的产品开发研究所（IPEK）和斯图加特大学塑料技术研究所（IKT）一起，以电池模块的电池座为例，展示了系统性轻量化对重量、成本、二氧化碳足迹和资源效率的积极影响。巴符州2022年12月的ThinKing奖颁给了他们采用多材料设计实现减重60%的电池座。
一目了然：
• 减少二氧化碳足迹：更少的材料使用与制造阶段更低的二氧化碳足迹是相辅相成的。由于电池支架较轻，电池模块的重量较低，意味着在使用阶段的二氧化碳排放量较少
• 节省空间：性能设计--优化的热传输和更小的尺寸使模块的能量和功率密度更高，使用寿命更长
• 降低成本：产品设计支持组装和拆卸
• 可以回收：所使用的材料可以相互分离，并在电池模块使用阶段后进行回收
原来的电池单元支架是由一个铝块制成的，上面有许多单独的孔，以容纳圆柱形电池单元。单个细胞在被插入细胞支架的位置之前被包裹在硅胶中。另一方面，轻量化电池座采用了多材料设计方法，在合适的地方使用合适的材料。通过将系统的轻量化设计与详细的CFD（计算流体力学）、热和结构-机械模拟以及伴随的物理-虚拟混合验证相结合，从而创造出一个新的和改进的系统解决方案。
在系统轻量化中，起决定性作用的不是单个部件的重量。"从功能角度看，产品被视为一个完整的系统。要履行的职能得到界定并确定优先次序。如果你把一项功能的重要性与确保这项功能的质量比例联系起来，结果就是一个优先考虑轻量化的矩阵，这当然可以超越部件的界限，"卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）IPEK-产品开发研究所的研究助理说，他把ETWA（扩展目标称重法）描述为一种系统轻量化方法。
开发的重点是需要高性能和快速充电能力的移动应用，因此电池模块是用液体冷却的。研究人员说："对于特殊车辆的后续电气化-例如，较小的建筑工地车辆、机场的功能车辆或清扫车，你需要将这些尺寸约为35x70厘米小型电池模块分布在车辆中。电池座的尺寸可以大大减少，这会导致模块的能量和功率密度更高。"
因此，轻量化设计的基本功能是确保热传输，这对于快速充电和更密集的电池单元尽可能长的使用寿命尤为重要。铝材料非常适用于这个应用场景，因为铝不仅具有高导热性，而且还具有结构部件所需的刚性。研究人员说："另一方面，塑料很适合作为电绝缘体和补偿公差。因此，该设计将可回收的热塑性弹性体（TPE）与薄铝板结合起来，作为坚硬和主要的导热部件。此外，有必要从根本上改变电池座的设计，一方面确保模块化，另一方面使资源效率更高的制造工艺以及每年几百到一千件的系列生产成为可能。"
电池座的承重结构现在由冷却通道和用于固定电池单元的明显更薄的铝制支柱组成。冷却通道可以通过传统方式或使用3D打印制造。用于固定电池的支柱通过激光焊接成型并连接到各自的冷却通道。与块状复合材料中的细胞一起，这确保了细胞支架的必要刚性。在电气绝缘方面，波纹铝板上涂有一种特殊的TPE，这种TPE是由斯图加特大学塑料技术研究所（IKT）材料技术部作为项目合作伙伴专门为这一应用选择和测试的。TPE不仅提供电绝缘，而且还能将热量输送到电池中去。TPE涂层是通过薄膜挤压的方式从颗粒中生产出来的。
与之前重达数公斤的电池座相比，新开发的多材料设计通过这种方式节省了60%以上的质量，同时可以更容易、更快速地进行组装、拆卸和维修，从而提高成本效益。生产废物较少，所使用的材料基本上可以回收。
由于与以前的电池座相比，重量节省了60%以上，这些节省的质量在驾驶操作的使用阶段不必移动，这意味着需要更少的能量，特别是在加速时。这种能源节约导致了更长的续航能力，从而使人们更晚地需要充电。由此可以推断，同样的范围需要更少的电力，因此，由此产生的发电的二氧化碳排放量可以减少。
该项目由Rainer & Oliver PULS工程公司发起和管理。斯图加特大学的IPEK-产品开发研究所和塑料技术研究所（IKT）在与项目发起人的密切交流中，开发了这里介绍的解决方案，作为巴符州轻量化局的2019年轻量化创新挑战的一部分（由巴登-符腾堡州经济和气候保护部MWK资助）。
文章来源：轻量化技术网
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