Elektromobilität: Neues Werkstoffkonzept für das Batteriegehäuse spart Gewicht

Das von der EU geförderte Projekt »Smart and Safe Integration of Batteries in Electric Vehicles – SmartBatt« hat ein multifunktionales, leichtes und sicheres Konzept für ein Energiespeichersystem erarbeitet, das vollständig in die Fahrzeugstruktur integriert ist. Das Batteriegehäuse ist hier kein separates Anbauteil mehr, sondern eine integrale tragende Strukturkomponente der Fahrzeugkarosserie, z. B. des Fahrzeugbodens. Als Basis für die Fahrzeugkarosserie diente das SuperLIGHT-CAR (SLC), eine im 6. Rahmenprogramm der EU geförderte Konzeptstudie einer leichtbauoptimierten Fahrzeugkarosserie der C-Klasse.

Konzeptstudie einer leichtbauoptimierten Fahrzeugkarosserie der C-Klasse mit integriertem Energiespeichersystem

Konzeptstudie einer leichtbauoptimierten Fahrzeugkarosserie der C-Klasse mit integriertem Energiespeichersystem

Die größten Herausforderungen bei dieser Integrationsaufgabe lagen darin, eine Kombination aus Leichtbau-Design mit einem hohen Sicherheitsniveau gegenüber den verschiedensten Gefahren- und Unfallszenarios und mit einem intelligenten Design der Schnittstellen zu den übrigen Fahrzeugsystemen zu finden. Um diesen Herausforderungen zu begegnen wurde ein europäisches Konsortium aus vier Industriefirmen und fünf Forschungseinrichtungen gebildet. Die Kompetenzen dieser neun Partner umfassen unter anderem die Fahrzeugtechnik, Elektronik, Batterien, Konstruktion, Leichtbau, Werkstoffe, sowie Tests und Erprobungen.

Das Konsortium des SmartBatt-Projekts stellte sich die ehrgeizige Aufgabe, durch ein alternatives Konzept für das Gehäuse das Gesamtgewicht des Batterie-Pakets um 10-15 Prozent zu verringern.

Ein wesentlicher Punkt des Projekts war die Erarbeitung innovativer Werkstoffkonzepte, mithilfe derer die gewünschte Gewichtsreduzierung erreichbar war. Im Rahmen einer Nutzwertanalyse wurden neben Aluminium und Stahl auch verschiedene weitere Werkstofflösungen betrachtet. Als Ergebnis dieser Evaluierung wurde als Werkstoff für die unteren Wannen des Batterie-Pakets das APM Hybridschaum-Sandwich ausgewählt. Dieses Material ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen zwei Decklagen aus konventionellem Aluminium eine Kernlage aus Aluminiumschaumkugeln befindet, welche in eine Matrix aus geschäumtem Epoxidharzklebstoff eingebettet sind. Die Besonderheit des Materialansatzes liegt in der Fertigung, die eine gezielte, lokal begrenzte Ausbildung der Sandwichstruktur erlaubt.

Sandwiche mit Polymer-Aluminium-Hybridschaum-Kern

Sandwiche mit Polymer-Aluminium-Hybridschaum-Kern

Das Material bietet eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht: ein Quadratmeter des APM-Hybridschaumsandwiches hat eine Biegesteifigkeit von 3,54•108 Nmm2 und eine Masse von 4,72 Kilogramm. Demgegenüber besitzt ein konventionelles Aluminiumblech von 3,3 mm Dicke nur eine Biegesteifigkeit von 2,1•108 Nmm2 (41 Prozent weniger) und eine Masse von 8,91 Kilogramm (89 Prozent mehr). Aufgrund seiner Dicke und des Energieabsorptionsvermögens der Aluminiumschaumkernlage weist die Sandwich-Lösung neben einem guten Steinschlagschutz auch Vorteile im Brandfall und hinsichtlich der Vibrationsdämpfung im Normalbetrieb auf.

Im Vergleich zu State-of-the-Art Systemen ist es mit einem integrativen Ansatz und Materialinnovationen gelungen, das Gewicht des Gehäuses zu halbieren und damit das gesamte Batteriesystem um 20 Prozent leichter zu machen. Wesentlicher Bestandteil der Gesamtlösung war die Entwicklung und der Einsatz geformter Blechstrukturen, welche in definierten Bereichen als Sandwich mit Polymer-Aluminium-Hybridschaum-Kern ausgeführt waren.

Im Rahmen des Projekts wurde der Gesamtdemonstrator »Battery-Pack« umfangreichen Funktions- und Belastungstests unterworfen, z.B. Wasser und Staub-Penetration-, Explosions-, EMV-, Crash- und Brandtests. Die Crashsimulationen und Labortests in der Entwicklungs- und Validierungsphase zeigten, dass die smarte Integration in das Chassis des SuperLIGHT-CAR entscheidend dazu beiträgt, die Torsionssteifigkeit, Biegefestigkeit und damit auch die Crashsicherheit des ganzen Fahrzeugrahmens zu verbessern.

[Bilder: Fraunhofer LBF, Fraunhofer, IFAM]

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