Entwicklung einer gewichtsoptimierten Batteriegehäusestruktur für Volumenfahrzeuge

Entwicklung einer gewichtsoptimierten Batteriegehäusestruktur für Volumenfahrzeuge

Aufgrund der sich global vollziehenden Mobilitätswende rücken die Themen Elektromobilität und Leichtbau verstärkt in den Vordergrund. Die Anforderungen verschiedener Märkte und Regionen sind dabei sehr vielfältig, ganz besonders in Bezug auf die Sicherheit von Elektrofahrzeugen, weswegen nicht nur der Insassenschutz, sondern auch der Schutz der Antriebsbatterien von großer Bedeutung ist. Bei der Entwicklung des Hochvoltspeichers existieren jedoch Zielkonflikte insbesondere zwischen Crashsicherheit und Gewicht, sowie Kühlung und Dichtheit. Es muss eine sichere Integration der Batterie bei maximaler Raumeffizienz gewährleistet werden, ohne die Batteriegröße und damit die Reichweite zu reduzieren. Eben dieser Zielkonflikt mündet häufig in einem hohen Gewicht der die Batterie umgebenden Sicherheitsstrukturen.

In aktuellen Entwicklungen zeigt sich häufig, dass einzelne Anforderungen durch ein eigenes Subsystem realisiert werden. Somit erfüllen manche Systeme nur eine einzelne Funktion. Das hat zur Folge, dass sich zumeist das Gewicht der Struktur erhöht und dass das Raumangebot für Energiespeicher sinkt. Der Ansatz dieses Projekts ist daher, das Gewicht der schützenden Struktur auf Gesamtfahrzeugebene zu reduzieren, indem Strukturen der Karosserie funktionell in das Batteriegehäuse integriert werden. Zu diesen Komponenten zählen insbesondere der Fahrzeugboden und ein Teil des Fahrzeugschwellers. Gegenüber einer Referenzstruktur lässt sich somit das Gesamtgewicht aus Karosserie und Batteriegehäuse reduzieren und gleichzeitig der Bauraum für Module vergrößern.

Zur Untersuchung des mechanischen Verhaltens des integrierten Batteriegehäuses dienen verschiedene Lastfälle, die hier simulativ überprüft werden. Auf Systemebene sind u.a. der Crush Test in Anlehnung an die Norm GB/T 31467.3 und ECE R100, der Pollertest und der Drop Test (ebenfalls in Anlehnung an die Norm GB/T 31467.3) zu nennen. Die Ergebnisse hierzu sind in Abb. 1 dargestellt.

Bei keinem dieser Tests darf eine Beschädigung der Module auftreten. Dies wird an dieser Stelle simulativ sichergestellt, indem eine Verformung der Struktur zwar zugelassen wird, es jedoch zu keinem Zeitpunkt zu einem Kontakt zwischen der sich verformenden Komponente und den Modulen kommen darf. Mithilfe eines volumentauglichen Fahrzeugmodell werden die Lastfälle auf Gesamtfahrzeugebene in Anlehnung an Euro NCAP aufgesetzt. Zu diesen zählen der Pfahlaufprall, der Frontalcrash mit voller Überdeckung und der seitliche Aufprall mit einer mobilen Barriere (vgl. Abb. 2). Insbesondere der Pfahlaufprall stellt die kritischste Herausforderung für das Batteriegehäuse darstellt, weswegen dieser Lastfall als Hauptlastfall für die Gestaltung des integrierten Fahrzeugschwellers dient.

Auch bei den Lastfällen auf Gesamtfahrzeugebene darf es zu keiner Beschädigung der Module kommen, sodass die Vorgehensweise ähnlich zu der auf Systemebene ist und es zu keinem Kontakt zwischen der Struktur und den Modulen kommen darf. Die Maximierung der Leistungsfähigkeit einer funktionsintegrierten Struktur kann dabei nur durch genaue Auslegung der Fügetechnik realisiert werden. Im vorliegenden Projekt erfolgt die Untersuchung innovativer Fügetechniken durch das Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) in Paderborn. Bezogen auf Batteriegehäusestrukturen ergeben sich hinsichtlich der Fügetechnik hohe Anforderungen an das mechanische Verhalten, die Dichtigkeit und die Korrosionsbeständigkeit. Daher eignen sich Hybridfügetechniken, bestehend aus einem mechanischen Verbindungselement und einer Klebung, hervorragend für Leichtbaustrukturen, insbesondere wenn es sich um Multi-Material-Leichtbau handelt. Das LWF führt Untersuchungen an hybriden Fügeverbindungen durch, deren Ergebnisse in die Entwicklung der Batteriegehäusestruktur einfließen.