Suchen

Batteriegehäuse Leichtbau mit flexibler Anpassung

| Redakteur: Dorothee Quitter

Handtmann hat für Hochvolt-Batteriegehäuse ein dreimoduliges Baukasten-System entwickelt, das der Architektur im E-Fahrzeug einfach angepasst werden kann: Profil-Verbund, Profil-Guss-Verbund und Druckguss-Verbund.

Firmen zum Thema

Die seitliche Wabenstruktur des Druckguss-Verbundes agiert im Crashfall mit definierter Verformung bei hoher Energieaufnahme.
Die seitliche Wabenstruktur des Druckguss-Verbundes agiert im Crashfall mit definierter Verformung bei hoher Energieaufnahme.
(Bild: Handtmann)

Gehäuse nach dem neuen Baukastensystem von Handtmann können je nach Ausführung bis zu 100 kg Gewichtsersparnis aufweisen. Dabei wird von den Abmessungen her die übliche Gehäusegröße bis hin zu 4 m2 großen Einheiten abgedeckt. Bei Bedarf nimmt so ein Batteriegehäuse 500 kg bis 700 kg Nutzlast an Batteriezellen auf.

Anwendertreff Leichtbau

Leichtbaulösungen mittels Additiver Fertigung, Composites und Guss gibt es auch auf unserem 4. Anwendertreff Leichtbau, der am 7.11.2019 in Würzburg stattfindet. Der Frühbucherpreis endet am 4.10.2019. Weitere Infos finden Sie hier: Anwendertreff Leichtbau

Die drei Module des Baukasten-Systems sind gekennzeichnet durch verschiedene Materialgruppen, die für das Batteriegehäuse zum Einsatz kommen. Für das erste Baumuster, den Profil-Verbund, besteht der Rahmen aus extrudierten Profilen, die maschinell verschweißt werden. Für die zweite Bauart, der Hybrid-Bauweise, kommen für den Batteriekörper ebenfalls extrudierte Profile zum Einsatz. Dazu kommen hochintegrierte Funktionselemente aus Hockdruck-Aluminiumguss. Sie werden verschweißt mit den tragenden Aluprofilen aus dem Extruder. Für die dritte Variante besteht der gesamte Gehäuserahmen aus einem einzigen Aluminium-Druckguss-Bauteil. Der Boden der Batteriegehäuse besteht einheitlich bei allen drei Baumustern aus gewalztem Aluminiumblech, wahlweise mit oder ohne zusätzliche Kühlkanäle.

Bildergalerie

Der Profil-Verbund

Die extrudierten Profile für Träger und Seitenkästen sowie das Walzblech für den Boden zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus. In der Automobilindustrie bewähren sich diese Materialien mit Kennwerten zur Dehngrenze von Rp0.2 >= 290 MPa und einer Bruchdehnung von A50 > 10 % schon länger, beispielsweise für Crashboxen, die eine definierte Knautschzone aufweisen müssen.

Das extrudierte oder gewalzte Material ist für das Batteriegehäuse der Zukunft geradezu prädestiniert. Schlichte Baumuster lassen sich rationell herstellen, die Systemkosten liegen günstig, maschinell ausgeführte Schweißverfahren sind heute eine bewährte Routine. Die Kosten für so eine Kon-struktion steigen allerdings exponentiell mit der Komplexität der Baugruppen, wie sie etwa im vorderen oder hinteren Bereich der Gehäuse für Durchführungen von Kabeln, Kühlleitungen und der Definition von Befestigungspunkten zur Karosserieanbindung notwendig sind. Bevor hier die Kosten für die Montage in großer Serie davonlaufen, lohnt sich der Blick auf die integrierte Hybridbauweise.

Der Profil-Guss-Verbund

Für die Hybridbauweise, die eine Kombination von Strangpressprofilen und Aluminiumdruckguss für den Gehäuserahmen vorsieht, sind nur wenige Verbindungspunkte notwendig. Gussteile werden gezielt nur dort eingesetzt, wo eine verwinkelte Geometrie und hohe Funktionsdichte verlangt sind, zum Beispiel bei Befestigungspunkten, Durchführungen für Kühlmittel und Hochspannungsleitungen. Durch die extrudierten Profile im Rahmen ergeben sich geschlossene Seitenkästen mit hohem Trägheitsmoment und guter Steifigkeit. Der Abgleich der Baulänge für extrudierte und gewalzte Profile erlaubt die einfache Skalierbarkeit des Batteriegehäuses auf verschiedene Grundrisse und Batterieformate. Skalierbare Batteriegrößen für verschiedene Fahrzeuggrößen und –ausführungen lassen sich dadurch ebenso einfach ausführen wie beim reinen Profil-Verbund.

Der Druckguss-Verbund

Das Hochdruck-Gussverfahren macht es möglich, den gesamten umlaufenden Rahmen des Batteriegehäuses zusammen mit allen komplex geformten Funktionsteilen an einem Stück herzustellen. Diese Architektur wird mit der Aluminium-Bodenplatte fest verschweißt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, die Seitenstruktur für die definierte Kraftaufnahme im Druckguß mit einer Knautschzone für den Crashfall auszulegen, beispielsweise mit topologieoptimierten Wabenelementen.

Für die Nutzlast von einem 500 kg schweren Satz an Batteriezellen genügt bei dieser Bauart ein etwa 100 kg schweres Gussgehäuse – die sorgfältige Auslegung aller Schweiß- und Verbindungselemente vorausgesetzt. Im direkten Vergleich ergibt sich dadurch ein Gewichtsvorteil von etwa 30 % gegenüber einer Stahlblech-Konstruktion nach der heute üblichen Auslegung, wobei die crash-sichere Auslegung und die Nutzlast als vergleichbare Größen erhalten bleiben.

Allein die Abmessungen setzen der Guss-Bauart logische Grenzen. Die Schließkräfte für die Gussform würden für allzu groß dimensionierte Gehäuse mit mehreren Quadratmetern Fläche astronomische Dimension annehmen und dabei die Grenzen des technisch Machbaren überschreiten. Für kompaktere Gehäuse, wie sie für die Energiespeicher der Hybridantriebe (HV) oder Plug-In-Antriebe (PiH) im Format eines normalen Reisekoffers gebraucht werden, ist Druckguss aus Aluminium dagegen das ideale Herstellungsverfahren.

Jede Bauweise hat Vorteile

Naheliegend war die Idee, für größere Baueinheiten eine Kombination aus Guss- und Extrusionsstruktur herzustellen und dadurch die Vorteile beider Layout-Varianten zu addieren. Die Kombination extrudierter Träger (Rp0.2 >= 350 MPa, A50 > 10 %) mit gewalztem Blechboden für das Gehäuse führt zu einer optimierten Schweißkonstruktion, die bedeutende Vorteile für den Leichtbau aufweist.

Nach ausgedehnten Versuchen ergaben sich bei Handtmann Vorteile für eine sortenreine Lösung. So ein Baumuster kann im maschinellen Schweissverfahren bei hoher Automatisierung entstehen. Extrudierte Aluprofile bilden hier die tragenden Strukturen. Solange sich der vordere und hintere Gehäusebereich mit einfacher Geometrie ausführen lassen, bietet die reine Profilstruktur klare Vorteile: Das Gehäusegewicht kann den Bestwert von rund 50 kg erreichen. Auch in diesem Fall ist die gesamte Konstruktion ausgelegt für etwa 500 kg Traglast der Batteriezellen. Weitere Steigerungen sind auch bei diesem System durch gezielte Weiterentwicklung möglich. Allerdings fordert diese Bauweise des Batteriegehäuses ein paar Besonderheiten. Sollen alle Anschlüsse für Kühlung, Lade- und Fahrstrom sowie das komplette Thermomanagement in hoher Integration auf engem Raum unterbracht werden, dann ist ein hohes Fertigungs-Know-how gefragt.

Schweißkonstruktionen stoßen rasch an ihre Grenzen. Die Bauart sollte in vielen Fällen im Bereich der Funktionsknoten mit gegossenen Strukturen ergänzt werden – und das führt auf logischen Pfaden zielstrebig zum Hybrid-Baumuster nach dem Handtmann-Baukasten.

Gleicher funktioneller Umfang

Alle drei Baumuster decken den gleichen funktionalen Umfang ab. Bei allen vorgestellten Lösungen sind die Aggregate und Leitungen für Lade- und Fahrstrom, das Thermomanagement und für die Systemkontrolle strukturell integriert. Um sowohl den Montageaufwand, als auch die Systemkosten direkt vergleichen zu können, wurden die verschiedenen Elemente vorweg konstruktiv definiert:

  • Aufnahme der Batteriemodule
  • Flüssigkeitskühlung mit Anschlüssen für die Kühlmittelführung
  • Einbindung der Karosserie-Anbindungspunkte
  • Umlaufender Rahmen mit Knautschzone
  • HV-Steckverbindungen und Kabeldurchführungen
  • An- und Unterfahrschutz

Die innere Struktur des Batteriegehäuses weist jeweils Profile auf, die nicht nur als Stütze für die einzelnen Fächer der Batteriezellen dienen. Sie stellen zugleich geeignete Lastpfade für den Crashfall zur Verfügung, ebenso die Leitungen für Kühlmittel und Systemkontrolle. Der Vorteil: Nichts an den drei Baumustern des Baukastensystems ist aufwendig oder kostentreibend. Alles bleibt einfach skalierbar. Für die Montage aller drei Baumuster kommen gleich mehrere technische Lösungen in Frage. Zusätzlich zum konventionellen MIG/MAG-Schweißen verfügt Handtmann über Erfahrungen im Laserschweißen sowie im Reib-Rühr-Schweißen.

Gewichtsvorteil bis 50 Prozent

Mit dem Handtmann-Baukastensystem für Batteriegehäuse fällt die Anpassung an mehrere Auslegungs-Spezifika für die laufende Serie von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb leichter als zuvor. Der definierte Unterfahrschutz am Boden gehört ebenso dazu wie die zentralen Anschlüsse für das Kühlmittel, wahlweise für die Varianten mit innerer oder äußerer Kühlung. Mit allen drei Bauarten sind Gehäusegewichte von 50 kg bis 100 kg je nach Bauweise machbar, die einen Gewichtsvorteil von 30 % bis 50 % zur Stahlblech-Bauweise ermöglichen. Dabei sind die Grenzen des Aluminium-Baukastensystems von der Dimensionierung her noch nicht ausgereizt. (qui)

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46104745)