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Leichtes Batteriegehäuse für die E-Mobilität

Hochspannungsbatteriegehäuse
Firmenkonsortium entwickelt kostengünstiges und leichtes Batteriekonzept für die E-Mobilität

Ein Firmenkonsortium hat nun eine Leichtbau-Batteriegehäuselösung für Elektroautos entwickelt, die im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Materialkombinationen rund 10 % weniger wiegt.

Obwohl weltweit bereits mehrere Millionen auf den Straßen unterwegs sind, existieren für die einzelnen Komponenten noch keine allgemein gültigen Standards beispielsweise im Hinblick auf Materialwahl oder Lebensdauer. Daher hat ein Konsortium, bestehend aus den Unternehmen Forward Engineering, Evonik, Lion Smart, Lorenz Kunststofftechnik und Vestaro, nun eine Batterielösung entwickelt, die rund 10 % leichter ist als gebräuchliche Materialkombinationen. Bei den mechanischen Eigenschaften seien keine Einbußen zu verzeichnen.

„Unter Leitung der Vestaro GmbH haben wir uns 2019 einer Kooperation aus Forward Engineering, Evonik und Lion Smart angeschlossen, um ein serientaugliches Batteriekonzept für BEV-Modelle zu entwickeln“, berichtet Peter Ooms, Geschäftsführer der Lorenz Kunststofftechnik GmbH. „Unser Hauptaugenmerk lag dabei auf der Rezeptur für ein glasfaserverstärktes Epoxid-SMC, das allen Vorgaben im Hinblick auf Sicherheit und Verarbeitbarkeit entspricht und das auch wieder in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden kann.“

Materialneuentwicklung eines glasfaserverstärkten Epoxid-SMC

Komponenten, die im Leichtbau für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen, etwa Batteriegehäuse, müssen sich nicht nur durch geringes Gewicht, sondern auch durch hohe Steifigkeits- oder Festigkeitswerte auszeichnen. Dafür können unter anderem karbonfaserverstärkte SMC-Materialien verwendet werden, die teuer und kaum recyclingfähig sind. Darüber hinaus war das Angebot an Materialien mit den notwendigen Eigenschaften bisher gering, da diese zu schwer waren oder nicht die erforderlichen mechanischen Eigenschaften besaßen.

„Für die Herstellung des Batteriegehäuses haben wir unter Einsatz des Epoxidhärteres Vestalite S von Evonik ein neues SMC mit einer Dichte zwischen 1,5 g/cm³ und 1,7 g/cm³ entwickelt“, erläutert Ooms. „Dieses verfügt über hervorragende Eigenschaften wie eine Biegefestigkeit von mehr als 350 MPa, ein Biege-E-Modul von über 18.500 MPa und eine Schlagzähigkeit von mehr als 150 kJ/m2.“

Die neue Formulierung ermöglicht laut Ooms im Vergleich mit gängigen SMC-Materialien eine höhere mechanische Leistung und zeichnet sich durch einen sehr guten Faserverlauf im Formprozess aus.

Unterkonstruktion und Batteriemodule

Für die Bodenkonstruktion des Batteriegehäuses griffen die Kooperationspartner auf Aluminium als typischen Leichtbauwerkstoff zurück. Insgesamt war das Ziel für die Bodenstruktur die Realisierung einfacher Geometrien und die Reduzierung der Fertigungskosten. „Die Bodenplatte als Basis der gesamten Batteriekonstruktion wurde mit Querträgern versehen, um die Batteriemodule darauf befestigen zu können. Auch die Trägerplatte für das Batteriemanagementsystem wurde auf der Aluminiumbasis fixiert“, sagt Philipp Taschner, Project Engineer der Vestaro GmbH. Zwei Aluminium-Deformationselemente sorgen für die nötige Seitenaufprallsicherheit durch Absorption. Die Modulausrichtung der Batteriezellen erlaube die Trennung der elektrischen Pole, was im Falle eines Crashs eine höhere Sicherheit gewährleistet und eine einfache Kühlung ermöglicht.

Bei der Bestückung mit Batterien fand das Superzellenkonzept der Firma Lion Smart Verwendung. „Die Konstruktion dieser Zellen ist durch die Verwendung einer geringen Anzahl an Bauteilen bereits auf eine automatisierte, kosteneffiziente Produktion ausgelegt“, erklärt Taschner. „Um eine möglichst hohe Sicherheit der Batterien zu gewährleisten, wird ein nicht brennbares dielektrisches Kühlmittel verwendet, das die Zellen komplett umschließt.“

So konnte nicht nur eine verbesserte Sicherheit, sondern auch eine reduzierte Zellenalterung erzielt werden, da sich die Durchschnittstemperatur innerhalb der Batterie konstant in einem niedrigen Bereich befindet. Der modulare Aufbau der Batterie in Form einer Reihenschaltung ermöglicht außerdem eine flexible Anpassung der Anzahl der Module, die sich durch ihre geringe Höhe von 90 mm auszeichnen.

Validierung des gesamten Batteriekonzepts

„Um die Sicherheit und Alltagstauglichkeit des Konzepts unter realen Bedingungen zu testen, wurde es durch die Experten von Forward Engineering im Rahmen struktureller und sicherheitsrelevanter Simulationen ausgiebig geprüft“, berichtet Taschner. Die Tests umfassten dabei eine Simulation der Gesamtsteifigkeit in Biegung und Torsion ebenso wie einen seitlichen Polaufprall mit bis zu 350 kN und die Kurzdruckfestigkeit bei thermischem Ausreißen, die alle ohne Beanstandung absolviert wurden. (nu)

Dabei konnte die limitierte mechanische Performance der Bodenstruktur, bedingt durch deren bewusst simpel gehaltene Geometrie, dank des mithilfe der Design-Freiheiten optimierten Deckels aus GF-SMC wirkungsvoll kompensiert werden. „Die isolierenden Vorteile des Epoxid-SMC-Gehäuses kamen dabei vor allem im Rahmen der thermischen 2D-Simulation des Akkupacks zum Tragen“, verdeutlicht Ooms. „Unser Material übersteht eine zehnminütige Hitzeeinwirkung von 800° C ohne Durchbrennen und schützt andererseits durch seine isolierenden Eigenschaften die umgebenden Bauteile und Materialien vor Temperaturen über 300° C.“

Da sich in der Vergangenheit glasfaserverstärkte SMC-Materialien als schwierig zu verarbeiten gezeigt hatten, wurde auch dieser Punkt intensiv getestet. Lorenz fertigte dabei mehrere komplexe Hardware-Demonstratoren, um die Serientauglichkeit des Materials und des Fertigungsprozesses zu verifizieren. „Unter Verwendung des Diamin-basierten Epoxidhärters Vestalite S, ist es uns gelungen ein einfach und schnell zu verarbeitendes SMC-Material mit den erforderlichen mechanischen Eigenschaften herstellen“, so Ooms. „Bei unseren Versuchen ließen sich Aushärtungszeiten von drei Minuten erreichen, ohne dass die Werkstücke am Werkzeug verkleben.“ Hinzu komme, dass SMC mit Vestalite S keine Styrol- sowie lediglich geringe VOC-Emissionen aufweist. „Aktuell bieten wir drei Energiekonfigurationen an, die im Hinblick auf Energiedichte, Sicherheit und Kosten mit den gängigen Batteriemodellen am Markt konkurrieren können oder diese sogar übertreffen“, resümiert Taschner. „Mit einem Gesamtgewicht von 412,1 kg bei 65 kWh, 527,3 kg bei 85 kWh und 789,2 kg für die Konfiguration mit 800 V bei 120 kWh sowie dem modularen und flexiblen Gesamtkonzept sehen wir uns für den Wettbewerb mit anderen Anbietern bestens gerüstet.“

Kontakt:

Lorenz Kunststofftechnik GmbH
Hansastraße 75, 49134 Wallenhorst-Hollage
Tel: +49 5407 8322–0
E-Mail: info@lomix.de
www.lomix.de

Evonik Resource Efficiency GmbH
Paul-Baumann-Straße 1
45772 Marl
E-Mail: info@evonik.com
www.evonik.de

Forward Engineering GmbH
Frei-Otto-Str. 22
80797 München
Tel: +49 8912113289–0
E-Mail: info@forward-engineering.com
www.forward-engineering.com

Vestaro GmbH
Frei-Otto-Str. 22
80797 München
Tel.: +49 89248834–500
E-Mail: office@vestaro.com
www.vestaro.com

Lion Smart GmbH
Daimlerstr. 15
85748 Garching
Tel: +49 8936036320
E-Mail: info@lionsmart.com
www.lionsmart.com

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