Startseite » Technik »

Hybrider Leichtbau prägt moderne Elektroautos

Pionierzeit im Automobilbau
Hybrider Leichtbau prägt das moderne E-Mobil

Um die Reichweite batteriebetriebener Fahrzeuge zu erhöhen, setzen die Entwickler zunehmend auf Prinzipien des hybriden Leichtbaus. Sogar Solarpaneele integrieren sie in Dach und Karosserie und erhöhen so den Materialmix. Vor allem junge Unternehmen treiben die unkonventionellen Konzepte voran.

» David Vink, freier Fachjournalist in Mettmann

Einige kleinere Unternehmen planen E-Fahrzeuge von Grund auf neu und beginnen mit ihrer Produktion auf der grünen Wiese – trotz zunehmender Konkurrenz durch die etablierten Automobilhersteller. Drei Beispiele für solche „Start-ups“ sind ACM und Sono Motors in Deutschland sowie Lucid Motors in den USA.

Im Falle von Sono Motors entstand die Idee zur Entwicklung eines E-Autos im Oktober 2012, als sich die heutigen Geschäftsführer über Erdöl-Verschwendung im Verkehr unterhielten. Jona Christians und Laurin Hahn beschlossen, „die Sache selbst in die Hand zu nehmen“. Das führte im Dezember 2015 zu einem ersten Vorserien-Prototypen des „Sion“, der ein paar Meter fahren durfte. Im Januar 2016 folgte die Gründung der Sono Motors GmbH zusammen mit Navina Pernsteiner als Creative Director und Mitgründerin.

Karosserie mit eingebauter Photovoltaik

Wie von Anfang an geplant, fertigt Sono Motors die Karosserie komplett mit 465 integrierten Solarzellen. Sie sind in Dach, Heck, Kotflügel, Motorhaube und Tür integriert. Das Einbetten geschieht in der Spritzgießproduktion der Anbauteile: Die Solarzellen werden in die Werkzeugformen eingelegt und durch Spritzgießen mit einer 8 mm dicken, transparenten Polycarbonat(PC)-Schicht überdeckt. Kratzfestigkeit und UV-Schutz verschafft spritzgegossenen PC-Anbauteilen üblicherweise eine Klarlackierung.

Solardach steigert Reichweite

Eine 54-kWh-Batterie aus Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4) sorgt für eine Reichweite von 305 km. Solarzellen erhöhen diese Reichweite um bis zu 245 km oder durchschnittlich 112 km pro Woche, da die Batterie bei Tageslicht kontinuierlich geladen wird, auch beim Fahren. Diese Lademethode ist vor allem für „Laternenparker“ interessant, die auch am Arbeitsplatz keine Lademöglichkeit haben.

Bis August 2022 sollen laut Sono-CTO Markus Volmer 16 voll funktionsfähige Fahrzeuge des Sion für Testfahrten und 21 Karosserien zur Verfügung stehen. Das versicherte er in einem Projekt-Update vom 3.3 in Form eines You‧tube-Videos. Nachdem eine gewisse Verformung der Solarpaneele festgestellt wurde, sei die Einbettung der Solarzellen optimiert worden, fügte er hinzu. Die Frontpartie ist nun länger und die A-Säulen sind schmaler, um das Crashverhalten und die Sicht des Fahrers zu verbessern.

43.000 E-Mobile „Sion“ in 2023

Nachdem Sono im November als Sono Group NV an die New Yorker Börse ging, will das Unternehmen sein Fahrzeug in der ersten Hälfte des Jahres 2023 zum Preis von 28.500 Euro auf den Markt bringen. Geplant ist, innerhalb von sieben Jahren insgesamt 257.000 Autos zu produzieren, jährlich bis zu 47.000 Stück.

Die schwedische Nevs AB unterstützt die Sion-Produktion mit Fertigungssystemen im ehemaligen Saab-Werk in Trollhättan. Volmer sieht Nevs auch als möglichen Partner für die Sion-Serienproduktion. Soweit der Stand bis zum Redaktionsschluss der Print-Ausgabe dieses Artikels.

Doch kurz danach ändert sich dieser Ansatz – und die Produktionspläne werden auf andere Weise konkret – eine Dynamik, die zeigt, wie die Macher der Umsetzung ihrer Vison hinterher sind: Am 5. April teilt Sono Motors mit, dass Valmet Automotive den Sion fertigen wird.

Valmet Automotive kündigt die Fertigung über einen Zeitraum von sieben Jahren an und bleibt beim Produktionsziel von 257.000 Autos. Der Preis für Neubestellungen ab der 18.500sten Reservierung klettert laut Sono Motors allerdings auf 29.000 Euro.

Nun ist ein Hochfahren auf 43.000 Fahrzeuge im Jahr im Blick. „Wir sind seit 2009 Pionier in der Herstellung von Elektrofahrzeugen“, heißt es in einer Mitteilung von Valmet. „Der innovative solarelektrische Sion bringt uns hier auf die nächste Stufe, denn er ist das erste Großfahrzeug, das im Werk Uusikaupunki produziert wird.“

Der Sion wird nur mit schwarzer Karosserie erhältlich sein und kaum sichtbaren Solarzellen. Etwas Farbe ins Projekt bringt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Es unterstützte Sono Motors bei der Prüfung und Zertifizierung der Sion-Solarzellen. Daneben hat das Institut ein eigenes PKW-Solardach mit 366 Solarzellen und einer Leistung von 210 W/m2 Watt entwickelt, das sich in jeder Farbe mit hoher Sättigung individuell beschichten lässt.

Sonnenenergie statt Sprit

Unsichtbar macht die Solarzellen im ISE-Dach eine „MorphoColor“-Glasbeschichtung, die einen Effizienzverlust von nur 7 % mit sich bringt. Das Solardach könne die Reichweite des Elektroautos an einem sonnigen Sommertag um 10 km erhöhen oder übers Jahr um 10 %, so ermittelten die Freiburger in ihrer Modellrechnung. Dabei gingen sie von einer unverschatteten Sonneneinstrahlung aus, so wie sie es vom Institutsstandort Freiburg/Breisgau kennen.

Noch vor drei Jahren hatte das Fraunhofer ISE auf der IAA 2019 das Potenzial gesehen, die Reichweite „durch Integration von Photovoltaik in zusätzliche Fahrzeugoberflächen“ zu steigern. Genau dies hat Sono Motors nun geschafft.

Hybrider Leichtbau im „City One“

Ähnlich jung ist das Projekt „City One“ der ACM Adaptive City Mobility GmbH, die laut electrive.net allerdings im November 2021 Insolvenzantrag stellen musste und nach Investoren sucht. Die Ursache sei eine Corona-bedingte Verschiebung der Präsentation des E-Autos gewesen, heißt es. Doch das verhinderte nicht, dass der City One im Dezember 2021 mit dem German Design Award ausgezeichnet wurde.

Zunächst „City eTaxi“ genannt, erhielt er im Oktober 2020 sein endgültiges Design und den Markennamen. Der City One wiegt nur 950 kg und hat mit seiner fest eingebauten 16-kWh-Batterie eine Reichweite von 240 km. Sie lässt sich aber bis auf 360 km erweitern, indem vier austauschbare 2,5-kWh-Batterien mit je 2,5 kg Gewicht eingesetzt werden – das soll in nur drei Minuten machbar sein.

Materialmix im Chassis

Auch der City One ist geprägt von hybridem Leichtbau. Er verfügt über ein „ultraleichtes“ Design mit einem Materialmix im Hybridchassis. Auch im Fahrgastraum wird Masse eingespart durch einen Materialmix aus Aluminium mit Carbon- und Glasfaser-verstärkten Kunststoffen (CFK, GFK). Weitere Gewichtseinsparungen bringt Kunststoff in Teilen, die reine Verkleidungsfunktion haben. Dafür könnte das Thermoformen zum Einsatz kommen, wofür die Expertise der in der Vergangenheit genannten Partner Plexiweiss und Streetscooter spricht.

E-Mobile sollen bezahlbar sein

Der bisher kommunizierte Preis beträgt je nach Weltregion zwischen 10.000 und 15.000 Euro. ACM sieht den City One vor allem als Stadt-Flottenfahrzeug mit 400 bis 1.450 Liter Ladevolumen. ACM plant die Serienfertigung ab 2023 und spricht von einer Absichtserklärung für die Produktion von mehr als 230.000 City Ones. Seit August 2021 ist Magna offiziell in die Vorbereitungen der Serienproduktion des City One einbezogen.

ACM-Gründer und CEO Paul Leibold, der früher bei BMW den i3 mitentwickelt hat, und ACM-Fahrzeugdesigner Prof. Peter Naumann verfolgen die Vision einer bezahlbaren E-Mobilität für alle. „Wir träumen davon, die Welt zu verändern. Von Städten, in denen jeder Zugang zu erschwinglichen Elektrofahrzeugen hat, ohne dass eine Schnellladeinfrastruktur erforderlich ist.“

„Lucid Air Dream“ flitzt schon

Einen Superlativ stellt das Luxusauto „Lucid Air Dream“ dar. Als Sonderserie ab Werk kostet der E-Sportwagen 169.000 US-Dollar. Nach dem US-amerikanischen Testmodus EPA (Environmental Protection Agency) schafft er eine Reichweite von bis zu 520 Meilen (837 km) und eine Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h. Produziert wird der Sportwagen vom US-Batteriehersteller Lucid Group Inc. in Kalifornien, der erst 2014 begann, Konzepte für E-Fahrzeuge zu entwickeln.

Das Unternehmen beschreibt den Lucid Air als „ein Luxus-Elektroauto mit der weltweit größten Reichweite und der schnellsten Aufladung innerhalb von 20 Minuten für eine Reichweite von 300 Meilen [483 km]“. Lucid zeigt sich stolz, die drei Modelle des Lucid Air mit Preisen ab 95.000 US-Dollar „befreit von den Regeln des traditionellen Autodesigns“ entwickelt zu haben.

E-Sportwagen soll in die Massenproduktion

Ende Oktober 2021 begann die Massenproduktion des Lucid Air Dream im neuen Werk in Casa Grande mit anschließender Kunden-Auslieferung. Für 2022 strebt Lucid einen Absatz von 20.000 und für 2023 von 50.000 Fahrzeugen an. Nach einer ersten Werkserweiterung in 2022 soll die Gesamtproduktionskapazität auf längere Sicht bis auf 365.000 Autos jährlich steigen, sagt Peter Rawlinson, CEO und CTO.

Zu Lucid kam Rawlinson nach Management-Tätigkeiten bei Lotus, Jaguar und Tesla. Im März 2021 sagte er voraus: „Wir werden den Preis so schnell wie möglich auf unter 70.000 US-Dollar senken – mit dem Air Pure im Jahr 2022.“

Gute Energieausbeute dank Leichtbau

Der Lucid Air Dream hat 1.080 PS und wird von 22 Batteriemodulen mit insgesamt 112 kWh Ladekapazität angetrieben, die eine beeindruckende Reichweite von 4,6 Meilen/kWh ermöglichen (7,4 km/kWh). Dazu tragen der hybride Leichtbau und auch die Aerodynamik (CW-Wert 0,208) der relativ schmalen und tiefliegenden Karosserie bei.

Hybridleichtbau findet sich zum Beispiel im Frontend-Modulträger des Lucid Air wieder. Die Komponente belegte in der „Innovation Awards Night” der Society of Plastics Engineers Central Europe (SPE CE) am 18. September 2021 den 1. Platz in der Kategorie Fahrwerk und Strukturteile. Gefertigt wird der Träger durch ElringKlinger im Spritzguss.

Materialmix im Frontend-Modulträger

Obwohl die Komponente in einem Arbeitsgang spritzgegossen wird, ist sie durch Materialmix gekennzeichnet. Sie entsteht aus mehreren, unterschiedlichen Kunststoffkomponenten aus Polypropylen (PP) mit Faserverstärkung: Die Basiskomponente ist ein „Organoblech“ aus Stamax 40YM240, einem 40 % Langglasfaser-verstärkten PP von Sabic. Die Steifigkeit erhöhen 37 selektiv angebrachte Tapes der Marke Tepex dynalite 104-RG600 von Lanxess Bond Laminates aus 47 % Langglasfaser-verstärktem PP.

Dieser spritzgegossene Frontend-Modulträger stützt die Motorhaube durch die Anbindung von Haubenschlössern und nimmt eine lange Reihe von Komponenten auf. Dazu gehören der Ladeluftkühler, die Scheinwerfermodule, der Spritzwasserbehälter, das Signalhorn, das Abstandsradar-Modul und die Luftansaugung. Klaus Bendl, Vice President Lightweight bei ElringKlinger, sieht den Modulträger als ein „exzellentes Beispiel für unsere außergewöhnliche Maschinen-, Werkzeug-, Prozess- und Integrationskompetenz“. Die Komponente ebne ElringKlinger den „Weg zu vielen neuen Anwendungen“.

Batteriemodul-Gehäuse spritzgegossen

Auch das Batteriemodul-Gehäuse in Aluminium/Kunststoff-Hybridbauweise spielt eine wichtige Rolle für den Leichtbau des E-Mobils. Es wird ebenfalls in einem Arbeitsgang spritzgegossen. Bei den SPE Awards kam es auf den 2. Platz in der Kategorie „Neue Mobilität“. Die Jury lobte das Batteriemodul-Gehäuse für seine hohe Energiedichte und für den verringerten Fertigungsaufwand. Dafür sorgen ein komplexes Formdesign und ein hocheffizienter Formgebungsprozess im Spritzguss.

Das Gehäuse-Design spart nicht nur Platz und Gewicht, sondern erleichtert auch das Montieren der Batterien: Ein Roboter trägt wärmeleitenden Klebstoff auf die Metallkühlplatte an der Unterseite des Moduls auf, um die zylindrischen Batterien dort zu befestigen und das Modul abzudichten. Dann verlötet der Roboter die Oberseite der Batterien mit der Stromschiene über Drahtbänder. Da die Module nicht mit Klebstoff um die Batterien herum verfüllt werden, wiegen sie weniger als beim Konkurrenten Tesla. Sie sind in der Herstellung günstiger und erzielen axial eine effizientere Kühlung als wenn sie radial über die Seiten gekühlt würden.

18 bis 22 Batteriemodule

Jedes der Lucid-Modelle besitzt 18 bis 22 solcher 5-kWH-Batteriemodule. Damit sind die Voraussetzungen für eine Massenproduktion erfüllt. „Das Modulgehäuse ist wie ein Legostein. Es kann millionenfach produziert werden“, sagt Rawlinson. Und liefere das Batterie-Modul nicht mehr die volle Leistung und scheide aus dem Pkw-Antrieb aus, könne es leicht für andere Zwecke eingesetzt werden.

E-Motor leichter dank Vierkantwicklung

Der 670-PS-Elektromotor im Lucid Air trägt viel zur Reichweite bei. Das macht der 2. Preis bei den SPE Awards in der Kategorie Wegbereitertechnologie deutlich: Für die Wicklungen werden flache, quadratische Kupferdrähte verwendet, die viel weniger Platz im Stator benötigen als herkömmliche runde Drähte. Sie führen zu einem kompakteren Motor mit Abmessungen, die in etwa dem Handgepäck von Flugreisenden gleichen.

Damit wird der Motor leichter und effizienter. Zusätzlich tragen dazu eine verbesserte Platzierung der Permanentmagneten im Rotor bei und Ölkühlkanäle, die nahe an den Wicklungen im Stator liegen und die Wärme leichter ableiten. So wird trotz mehr Kühlkanälen ein dichteres Magnetfeld dort erzeugt, wo mit runden Drähten eine elektromagnetisch „tote Zone“ entstünde.

Der besagte zweite Platz im SPE-Award für diese Neuerung ging an Solvay Speciality Polymer. Er zeichnet die dünne Isolierung der Vierkantdrähte aus VetaSpire PEEK (Polyetheretherketon) aus, die bei Essex Furukawa Magnet Wire Germany im Extrusionsverfahren aufgebracht wird. PEEK sorgt hier für hohe Spannungsrissbeständigkeit sowie chemische und thermische Beständigkeit. Ohne sie wären Gewicht und Größe des Motors höher und seine Energiedichte und das Drehmoment niedriger.

Ziel: Porsche 911 übertreffen

Eric Bach ist Senior Vice President of Product sowie Chief Engineer bei Lucid. Der Diplom-Ingenieur arbeitete bei Volkswagen und Tesla Motors (an den Modellen S, X und 3), bevor er zu Lucid kam. Bei der Verleihung der SPE Awards in Neuss meinte er, dass die Energiedichte des Lucid Air etwa dreimal höher sei als bei Fahrzeugen der Mitbewerber. Lucid sehe sich nicht gezwungen, den minimalistischen Ansatz des engsten Konkurrenten Tesla mitzumachen.

Außerdem werde der „Lucid Air den Porsche 911 in den Schatten stellen und eine echte Alternative zur Mercedes S-Klasse bieten“, so prognostiziert Bach und fügt hinzu: „Wir interpretieren neu, was Luxus sein sollte, und kombinieren es mit modernster Technologie“. Tesla sieht er in einer „innovativen, aber nicht luxuriösen“ Kategorie, den BMW-7er als „Sport-Luxus“, den Audi-A8 als „Luxus-Tech“, die Mercedes S-Klasse als „Luxus-Klassiker“ und Lucid als „Post-Luxus“.

Bach betont die Bedeutung einer perfekten Abstimmung zwischen Batterie, Antrieb und DC/ACWechselrichter (auf 924 V AC) und einer hohen Packungsdichte dieser Einheiten, um höchste Systemeffizienz zu erreichen. Die Vision von Lucid sei es, die Technologie der E-Fahrzeuge durch „Massenindustrialisierung in einem bisher unerreichten Ausmaß zu revolutionieren“.

100 Jahre Technologie zählen nicht

Zur Lucid-Philosophie sagt Bach: „Wir befinden uns in einer Zeit des Wandels, in der man nicht einfach seine 100 Jahre alte Technologie melken kann, wie die alten OEM dachten.“ Jetzt brauche es „schnellere, innovativere und transparente Prozesse“, um vorwärts zu kommen. Er schätzt, dass Lucid in zehn bis 20 Jahren die aktuelle Größenordnung von Volkswagen erreichen werde. Die Markteinführung des SUV „Lucid Gravity“ Ende 2023 werde einer von vielen Schritten in diese Richtung sein.


Im Überblick

Kleine Firmen planen E-Mobile für die Massenproduktion der Zukunft.


Olaf Stauß, Redaktion Industrieanzeiger
Bild: Tom Oettle

Kreativität wird entscheiden

Im Automobilbau ist wieder Pionierzeit. Junge Unternehmen preschen vor mit neuen Ansätzen. Es mag größenwahnsinnig klingen, wenn Lucid-Manager in zehn bis zwanzig Jahren so groß wie VW sein wollen. Aber es erinnert an den Enthusiasmus der Gründer wie Henry Ford. Und es ist ein Warnschuss für die etablierten OEMs. Nur wenn sie mit ihrem Denken bei Null beginnen, alles Alte in Frage stellen und Möglichkeiten wie hybriden Leichtbau kreativ nutzen, werden sie erfolgreich sein. Denn die „Neuen“ schlafen nicht, sie entwickeln unbefangen drauf los.

Industrieanzeiger
Titelbild Industrieanzeiger 9
Ausgabe
9.2022
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Tipps der Redaktion

Unsere Technik-Empfehlungen für Sie

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Aktuelle Whitepaper aus der Industrie

Unsere Partner

Starke Zeitschrift – starke Partner


Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de