Leichter und kostengünstiger

Meinolf Droege,

Batteriekonzept für die E-Mobilität

Ein Hauptaugenmerk der Entwickler von Elektrofahrzeugen ist die Vergrößerung der Reichweite. Erweiterte Batteriekapazitäten und eine effiziente Energierückgewinnung müssen realisiert werden. Zweiter Ansatzpunkt ist die Gewichtsreduktion der Fahrzeugkomponenten. Ein Konsortium aus Forward Engineering, Evonik, Lion Smart, Lorenz Kunststofftechnik und Vestaro hat dazu einen neuen Ansatz für den Leichtbau entwickelt.

Das Batteriekonzept basiert auf einer flachen Aluminiumbodenplatte mit Querträgern zum Befestigen der Batteriemodule sowie einer Trägerplatte für das Batteriemanagementsystem und dem dreidimensionalen Gehäusedeckel als glasfaserverstärktem Epoxid-SMC. © Vestaro

Ende 2019 begannen die Arbeiten an einer markenunabhängigen, kostengünstigen Batteriegehäuselösung in verschiedenen Größen für Elektrofahrzeuge. Das Ergebnis der Kooperation war nach Unternehmensangaben eine Gewichtsreduktion der Batterie um etwa 10 Prozent im Vergleich zu üblichen Materialkombinationen – bei gleichen mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus erfülle das speziell für das Batteriegehäuse entwickelte glasfaserverstärkte Epoxid-SMC die Vorgaben hinsichtlich Brandschutz und sei auch bei komplexen Geometrien leicht zu verarbeiten.

Um Gehäuse mit den erforderlichen Steifigkeiten und Festigkeiten zu bauen, können unter anderem karbonfaserverstärkte SMC-Materialien verwendet werden, die jedoch teuer und schwer zu reziklieren sind. Für die Batteriegehäuse wurde unter Einsatz des Epoxidhärteres Vestalite S von Evonik ein neues SMC mit 1,5 bis1,7 g/cm³ Dichte entwickelt. Es bietet laut Datenblatt über 350 MPa Biegefestigkeit und ein Biege-E-Modul größer 18 500 MPa bei mehr als 150 kJ/m2 Schlagzähigkeit. Durch Verwendung des Epoxid- statt eines Polyesterharzes wurden Probleme, die bei der Weiterverarbeitung glasfaserverstärkter SMC-Materialien üblicherweise auftraten, behoben. Mit der Pressmasse lassen sich auch komplizierte Geometrien realisieren, ohne am Werkzeug zu verkleben. Die neue Formulierung ermögliche im Vergleich mit gängigen SMC-Materialien eine höhere mechanische Leistung und zeichne sich durch guten Faserverlauf im Formprozess aus. Darüber hinaus hat Lorenz ein etabliertes Verfahren zum Recycling glasfaserverstärkter SMC-Materialien – im Hinblick auf Nachhaltigkeits-Anforderungen der Automobilindustrie ein wichtiges Kriterium.

Anzeige
Die nur 900 Millimeter hohen Batteriemodule ermöglichen schlanke Lösungen. Aktuell werden drei Versionen mit maximal 120 Kilowattstunden Kapazität angeboten. © Vestaro

Für die Bodenkonstruktion mit ihren einfachen Geometrien kommt Aluminium zum Einsatz. Die Bodenplatte ist mit Querträgern versehen, um die Batteriemodule darauf befestigen zu können. Auch die Trägerplatte für das Batteriemanagementsystem wurde auf der Aluminiumbasis fixiert. Zwei Aluminium-Deformationselemente sorgen für die nötige Seitenaufprallsicherheit durch Absorption. Die Modulausrichtung der Batteriezellen erlaubt die Trennung der elektrischen Pole, was im Falle eines Crashs eine höhere Sicherheit gewährleistet und eine einfache Kühlung ermöglicht.

Bestückt sind die Batterien mit Zellen von Lion Smart. Die Konstruktion dieser Zellen ist, so das Unternehmen, auf die vollautomatisierte, kosteneffiziente Produktion ausgelegt. Um die Sicherheit der Batterien zu gewährleisten, wird ein nicht brennbares dielektrisches Kühlmittel verwendet, das die Zellen komplett umschließt. Neben dem Sicherheitslevel werde so 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 die Anpassung der Anzahl der Module.

Die aufgrund der einfachen Struktur limitierte mechanische Leistung des Bodens wird von dem frei designten und optimierten Deckel aus GF-SMC kompensiert. © Vetaro

Um Sicherheit und Alltagstauglichkeit des Konzepts zu testen, hat es Forward Engineering im Rahmen struktureller und sicherheitsrelevanter Simulationen ausgiebig geprüft. Simuliert wurden die Steifigkeit in Biegung und Torsion sowie ein seitlicher Polaufprall mit maximal 350 Kilonewton und die Kurzdruckfestigkeit bei thermischem Ausreißen.Die aufgrund der einfachen Struktur limitierte mechanische Leistung des Bodens wird von dem frei designten und optimierten Deckel aus GF-SMC kompensiert. Die isolierenden Vorteile des Epoxid-SMC-Gehäuses kamen dabei vor allem im Rahmen der thermischen 2D-Simulation des Akkupacks zum Tragen. Das Material übersteht eine 10-minütige Hitzeeinwirkung von 800 Grad Celsius und schützt dank isolierender Eigenschaften die umgebenden Bauteile vor Temperaturen über 300 Grad Celsius.

Da sich in der Vergangenheit glasfaserverstärkte SMC-Materialien als schwierig zu verarbeiten erwiesen haben, wurde auch in dieser Hinsicht getestet. Lorenz fertigte mehrere komplexe Demonstratoren, um die Serientauglichkeit des Materials und des Fertigungsprozesses zu verifizieren. Bei unseren Versuchen ließen sich Aushärtungszeiten von drei Minuten erreichen, ohne dass die Werkstücke am Werkzeug verkleben. SMC mit Vestalite S weist keine Styrol- und nur geringe VOC-Emissionen auf.

Auf diese Weise haben die Kooperationspartner bereits verschiedene Konfigurationen ihres Batteriekonzepts realisiert. Aktuell werden Konfigurationen angeboten, die, so ein Sprecher, im Hinblick auf Energiedichte, Sicherheit und Kosten mit den gängigen Batterien am Markt konkurrieren können oder diese sogar übertreffen. Mit 412,1 Kilogramm bei 65 Kilowattstunden, 527,3 Kilogramm bei 85 Kilowattstunden sowie 789,2 Kilogramm für die Konfiguration mit 800 Volt und 120 Kilowattstunden sei das modulare und flexible Gesamtkonzept für den Wettbewerb mit anderen Anbietern bestens geeignet.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Verbundwerkstoffe

Koffer aus Kohle

Die chinesische Gepäckmarke Tupus hat einen neuen Kohlefaser-Koffer herausgebracht. Der 25-Zoll-Koffer hat Vorder- und Rückenschalen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen, die die Aufprallleistung erhöhen und sowie das Design aufwerten sollen.

mehr...

Windenergie

Mit Polyurethan zum längsten Flügel

Polyurethan ist der Hauptwerkstoff von 64,2 Meter langen Windturbinenblättern. Mit der Konstruktion des Blatts wurde auch eine Anlagentechnologie zur Infusion des Hochleistungs-Polyurethanharzes entwickelt. In der Kombination könnte es in Zukunft...

mehr...
Anzeige
Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem Kunststoff Magazin Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite