Konzeptstudie einer leichtbauoptimierten Fahrzeugkarosserie der C-Klasse mit integriertem Energiespeichersystem
Fraunhofer LBF
Wissenschaftler und Entwickler haben ein Werkstoffkonzept für ein Batteriegehäuse erarbeitet: Das Batteriegehäuse ist eine tragende Strukturkomponente der Fahrzeugkarosserie geworden. Entwickelt wurde das Konzept im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Projekts "Smart and Safe Integration of Batteries in Electric Vehicles - SmartBatt", dessen Ziel darin bestand, ein multifunktionales, leichtes und sicheres Konzept für ein Energiespeichersystem zu erarbeiten und zu erproben.
Laut Vorgabe sollte es vollständig in die Fahrzeugstruktur integriert sein. Als Basis für die Fahrzeugkarosserie diente das SuperLIGHT-CAR (SLC), eine im 6. Rahmenprogramm der EU geförderte Konzeptstudie einer leichtbauoptimierten Fahrzeugkarosserie der C-Klasse. Projektpartner waren das AIT Mobility (Österreich), AIT LKR (Österreich), Axeon (Großbritannien), Fraunhofer (Deutschland), Impact Design (Polen), Ricardo (Großbritannien), SP (Schweden), TU Graz (Österreich) und Volkswagen (Deutschland). Die Partner haben die Projektergebnisse kürzlich vorgestellt.
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, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft für die beiden beteiligten Fraunhofer-Institute für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.
Werkstoffkonzepte zur Gewichtsreduktion
Das europäische Konsortium, bestehend aus den vier Industriefirmen und fünf Forschungseinrichtungen, nahm sich vor, durch ein alternatives Konzept für das Gehäuse das Gesamtgewicht des Batteriepakets um 10 bis 15 Prozent zu verringern. So war ein wesentlicher Punkt des Projekts die Erarbeitung neuartiger Werkstoffkonzepte, mithilfe derer die gewünschte Gewichtsreduzierung erreichbar wurden, berichtet die Gesellschaft weiter. Im Rahmen einer Nutzwertanalyse seien neben Aluminium und Stahl auch verschiedene weitere Werkstofflösungen betrachtet worden. Als Ergebnis dieser Evaluierung wählten die Forscher und Entwickler als Werkstoff für die unteren Wannen des Batterie-Pakets das APM-Hybridschaum-Sandwich. Bei diesem Material befindet sich zwischen zwei Decklagen aus Aluminium eine Kernlage aus Aluminiumschaumkugeln, die in eine Matrix aus geschäumtem Epoxidharzklebstoff eingebettet sind.
Leichtere und sichere Batteriegehäuse durch Sandwiche mit Polymer-Aluminium-Hybridschaum-Kern
Fraunhofer IFAM
Das Material soll eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht bieten: ein Quadratmeter des APM-Hybridschaum-Sandwiches hat eine Biegesteifigkeit von 3,54 mal 108 Nmm2 und eine Masse von 4,72 kg. Demgegenüber besitzt ein herkömmliches Aluminiumblech von 3,3 mm Dicke lediglich eine Biegesteifigkeit von 2,1 mal 108 Nmm2 (41 Prozent weniger) und eine Masse von 8,91 kg (89 Prozent mehr), wird erläutert. Aufgrund seiner Dicke und des Energieabsorptionsvermögens der Aluminiumschaumkernlage weise die Sandwich-Lösung neben einem guten Steinschlagschutz auch Vorteile im Brandfall und hinsichtlich der Vibrationsdämpfung im Normalbetrieb auf.
Projektergebnisse
Mit diesem integrativen Ansatz sowie Materialinnovationen ist es den Projektteilnehmern gelungen, das Gewicht des Gehäuses zu halbieren und damit das gesamte Batteriesystem um 20 Prozent leichter zu machen. Wesentlicher Bestandteil der Gesamtlösung sei die Entwicklung und der Einsatz geformter Blechstrukturen gewesen, die in definierten Bereichen als Sandwich mit Polymer-Aluminium-Hybridschaum-Kern ausgeführt waren.
Der aufgebaute Gesamtdemonstrator "Battery-Pack" wurde Funktions- und Belastungstests unterworfen, genannt werden beispielsweise Wasser- und Staub-Penetration-, Explosions-, EMV-, Crash- und Brandtests. Die Crashsimulationen und Labortests in der Entwicklungs- und Validierungsphase zeigten, wie die Fraunhofer-Gesellschaft berichtet, dass die Integration in das Chassis des SuperLIGHT-CAR dazu beiträgt, die Torsionssteifigkeit, Biegefestigkeit und damit auch die Crashsicherheit des ganzen Fahrzeugrahmens zu verbessern.