Konstruktion von Batteriekästen

Constellium: Leichtmetall Aluminium im Automobilbau

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Aluminium ist einer der wichtigsten Werkstoffe im Automobilbau. Es verringert nicht nur das Gewicht der Fahrzeuge, seine spezifischen Eigenschaften machen es für bestimmte Anwendungen besonders geeignet. Im Elektroauto ist das Leichtmetall für die Konstruktion von Batteriekästen aufgrund dieser Eigenschaften nicht mehr wegzudenken. Die Constellium Deutschland GmbH bietet für diesen Bereich spezielle Legierungen und Designlösungen an und entwickelt sie gemeinsam mit Herstellern und in der eigenen Entwicklung weiter.

Kai Schwarz, Lead Engineer – Automotive Structures Electrical Vehicles, Constellium, Gottmadingen, und Olivier Rebuffet, Program Manager F&E, Constellium, Vaureppe, Frankreich

Inhaltsverzeichnis

1. Herausforderungen an die Konstruktion 2. Korrosionsbeständige und hochfeste Legierungen 3. Wirksames Thermomanagement dank Aluminium 4. Werkstoff der Wahl für Batteriekästen

Die Elektromobilität nimmt Fahrt auf: Laut Statista fahren rund 83.000 Elektroautos allein auf Deutschlands Straßen – Tendenz steigend. Die E-Autos bringen signifikant mehr Gewicht auf die Waage als herkömmlich angetriebene Modelle, denn der Batteriepack kann bis zu 700 kg wiegen. Diese zusätzlichen Kilogramm müssen eingespart werden, um die Performance und ein gutes Fahrverhalten des Fahrzeugs zu gewährleisten. Der Einsatz von Aluminium spart in jedem Fall Gewicht im Fahrzeug – und er hilft, die leicht entflammbaren und explosionsgefährdeten Lithium-Ionen-Batterien zu schützen.

Für Letztere bringt das Leichtmetall wesentliche Eigenschaften mit: Es ist duktil, verformbar, und dennoch sehr stabil. Damit bietet es hervorragende Widerstandsfähigkeit im Falle eines möglichen Crashs. Zudem lässt es sich unkompliziert verarbeiten, etwa zu Strangpressprofilen mit hoher Steifigkeit. Bauteile aus Aluminium sind in zahlreichen Varianten und Legierungen erhältlich und erprobt. Sie bieten Eigenschaften, die die Sicherheit im Fahrzeug unterstützen und die gesetzlichen Anforderungen sowie jene der OEMs erfüllen. Diese Anforderungen, vor allem an das Batteriegehäuse, sind vielfältig, denn diese Bauteile werden immer stärker in die Fahrzeugstruktur integriert. Damit liegt ihre Aufgabe nicht mehr nur darin, die Batterie zu schützen, sie müssen der Dauerbelastung beim Fahren ebenso standhalten können wie der Energie im Fall eines Unfalls.

Herausforderungen an die Konstruktion

Die Einbindung des Batteriekastens in die Gesamtstruktur eines Fahrzeugs wirft für die Konstrukteure viele Fragen auf. Wie kann der Batteriekasten optimal innerhalb der Fahrzeugstruktur eingebunden werden? Wie lässt sich der Batteriepack wirksam kühlen? Welche Form benötigen die extrudierten und gewalzten Teile, damit sie die Wärme optimal ableiten? Diese Frage können Werkstoffspezialisten nur gemeinsam mit den OEMs beantworten, denn Batteriekästen lassen sich – anders als Crash-Management-Systeme – nur bedingt in der Komponentensimulation auslegen. Türen, Dachkonstruktion, Schweller und weitere Faktoren, die sich auf die Stabilität des Gesamtsystems auswirken, müssen in die Simulation einbezogen werden – in enger Zusammenarbeit mit den Kunden. Ist die Simulation erstellt, wird an Prototypen getestet. Lastfälle sind beispielsweise ein seitlich in den Batteriekasten eindringender Pfahl. Die dafür anzuwendenden Parameter wie z. B. den Höchstwert für die Verformung der verschiedenen Bauteile definieren die OEMs – oder die derzeit für Europa, Amerika oder China geltenden Normen.

Korrosionsbeständige und hochfeste Legierungen

Gefahr von unten droht der Batterie durch Steinschlag oder Gegenstände auf der Fahrbahn. Die von Constellium im Walzverfahren hergestellte Legierung Coralex schützt die Batterie nicht nur wirksam vor Beschädigung. Sie ist auch besonders korrosionsbeständig, sodass der Batteriekasten und seine Hochvoltkomponenten ohne zusätzliche Beschichtungen vor schädlichen Umwelteinflüssen, etwa durch Streusalz, geschützt bleiben.

Das hochfeste und duktile Securalex UHS (Silizium, Eisen, Kupfer, Magnesium) kann ebenso viel Energie absorbieren wie der beste hochfeste Stahl – und ist dabei 30 % leichter. Im Fall einer Kollision absorbieren aus Securalex UHS gewalzte Komponenten die auf das Batteriegehäuse einwirkende Energie, sodass sein Inhalt nicht beschädigt wird. Das kaltumformbare, korrosionsbeständige Coralex UHS wird bevorzugt für die Bodenplatten von Batteriegehäusen eingesetzt.

Wirksames Thermomanagement dank Aluminium

Aluminium ist deutlich wärmeleitfähiger als Stahl oder Kohle-/Glasfaser-Werkstoffe. Es eignet sich daher hervorragend zum Bau von Kühlelementen für die Batterien, die wirksam vor Hitze geschützt werden müssen. Gerade beim Beschleunigen und beim Aufladen kommt es zu einer hohen Wärmeentwicklung. Eine Kühlung, die diese Wärme aus dem Batteriekasten abführt, ist zwingend notwendig. Constellium entwickelt Legierungen mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Dehngrenze, wodurch sie einen bedeutenden Vorteil beim Einsatz als Kühlstruktur haben und somit bestens zur Integration in das Batteriegehäuse geeignet sind.

Eine besondere Eigenentwicklung sind die Cald Solutions. Hier werden die Kanäle in einer Extrusion zu einem Flüssigkeitskreislauf für eine aktive Kühlung verschaltet. Die Kombination mit separat eingeschlossenen Phasenwechselmaterialen (Phase Change Material – PCM, einer passiven Kühlmethode), die sich bei einer bestimmten Temperatur verflüssigen und thermische Energie speichern, bildet ein hybrides Bauteil, das die Vorteile bündelt. Dabei werden u. a. thermische Spitzen verringert, was sich positiv auf die Batterielebensdauer auswirkt. Das Ganze kann so direkt an den Batteriemodulen oder aber auch im Zusammenbau als Bodenplatte für den Batteriekasten eingesetzt werden. Verschiedene Formen sind hier möglich, wie z. B. auch die des Gehäuses für Elektromotoren. Auf diese Weise ist eine wirksame Kühlung gegeben und die Batterie umfassend geschützt. Bei der virtuellen Auslegung solcher Strukturen kommen moderne CFD- und FE-Simulationstools und -Methoden zum Einsatz.

Werkstoff der Wahl für Batteriekästen

Der Schutz der Batterie vor äußeren Einflüssen ist ein Kernthema der Elektromobilität. Hierbei wird der Batteriekasten immer stärker in die Fahrzeugstruktur miteinbezogen und übernimmt Sicherheitsfunktionen. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit ist Aluminium das richtige Material, um Schäden von der Batterie abzuhalten, Wärme abzuleiten und vor Korrosion zu schützen. Auch wenn sich in Zukunft Fahrzeugtypen und Batterieformen ändern, bleiben Aluminiumlegierungen durch die Variabilität ihrer Halbzeuge und flexible Formgebung der Werkstoff der Wahl. bec

Detaillierte Informationen zu den Batteriegehäusen auf Basis von Aluminiumlegierungen: hier.pro/iQRqZ

Kontakt: Constellium Deutschland GmbH Alusingen-Platz 1 78221 Singen am Hohentwiel Tel.: 07731 80-0 Fax: 07731 80-3296 webmaster@constellium.com www.constellium.com Geschäftsführer: Hans-Joachim Chwalisz

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