Leichtbau-Batteriepack aus Forta H1000 für Elektroautos

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat ein neuartiges Batteriepack speziell für Elektrofahrzeuge entwickelt. Das sogenannte "Leichtbau-Energiepack" wurde im Rahmen des Fraunhofer-Projekts "Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II (FSEM II)" durch das Fraunhofer ILT erarbeitet und soll sich durch den Einsatz verschiedener Leichtbautechniken sowie durch neuartige Kühl- und Aufbaustrategien auszeichnen. Dabei integriert es die verschiedenen Komponenten der Fraunhofer-Institute ISE, IWM und Umsicht. Für die Erstellung des Leichtbau-Energiepackgehäuses kam der austenitische ultrahochfeste MnCr-Werkstoff Forta H1000 von Outokumpu zum Einsatz.

Mit ihrer aktuellen Kooperation verfolgen die Projektpartner das Ziel, das besondere Leichtbaupotenzial der Forta H-Güten für den Bereich der Elektromobilität voll auszuschöpfen. "Ein hohes Energieaufnahmevermögen und eine erhöhte Steifigkeit bei dünneren Wandstärken sind maßgebliche Eigenschaften für die Entwicklung zukünftiger Leichtbaukonstruktionen im Automobilbau. Die Forta H-Güten erfüllen diese Anforderungen", erklärt Stefan Lindner, Senior Technical Manager Automobilbau bei Outokumpu. "Der Werkstoff zeichnet sich durch eine spezielle Mangan(Mn)-Chrom(Cr)-Verbindung und ein vollaustenitisches Gefüge aus. Der TWIP-Verfestigungsmechanismus sorgt für erhöhte Crashsicherheit. Neben dem direkten Leichtbau durch die Darstellbarkeit teils komplexer Bauteile mit erheblicher Steifigkeit bei gleichzeitiger Blechdickenreduktion kann dank des hohen Energieabsorptionspotenzials der H-Serie auch indirekter Leichtbau mittels Ausdünnung benachbarter Komponenten realisiert werden. Mit diesen Eigenschaften ermöglicht das Hochleistungsmaterial neue Leichtbaupotenziale im Fahrzeugbau, und zwar ganz explizit auch im Bereich der Elektromobilität."

Schlanke Struktur und sichere Ummantelung

Da die Batterien bei Elektrofahrzeugen meist im Unterboden verbaut sind, gelten für die Ummantelung hohe Anforderungen an Festigkeit und Crashsicherheit. Gleichzeitig müssen die Strukturen möglichst leicht und kompakt sein, weshalb herkömmliche Werkstoffe wie Aluminium oder Kohlenstoffstähle an ihre Grenzen stoßen, erklären die Entwickler. "Mit Forta H1000 konnten wir trotz schlanker Strukturen eine sichere Ummantelung konstruieren und dadurch deutlich Gewicht einsparen. Durch die Verwendung von 1,2 Millimeter starken Blechen anstelle von 1,5 Millimeter Wandstärke fallen 20 Prozent Gewicht weg", beschreibt Dipl.-Ing. Paul Heinen, Leiter des Projekts FSEM II am Aachener Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

Für eine gewichtsoptimierte Konstruktion des Packs wurde der ultrahochfeste Forta H1000 mit einer Dicke von 1,2 Millimeter mit Organoblech mit einer Dicke von 3 Millimeter kombiniert. Der modulare und austauschbare Aufbau des Leichtbau-Energiepackgehäuses habe eine einfache Zugänglichkeit der Komponenten erforderlich gemacht, weshalb eine Rahmenkonstruktion mit integrierten Versteifungsblechen erstellt wurde. Die Verschweißung der Stahlelemente erfolgte durch Einsatz eines Tiefschweißprozesses mit CO2-Laserstrahlung. Durch die Anordnung der Verbindungsstellen ließen sich laut der Entwickler Eigenspannungen und Verzug minimieren, sodass lediglich eine lokale Anlassbehandlung nach dem Schweißen erforderlich sei.

Laserverfahren zur Herstellung des Leichtbau-Batteriepacks hat das Fraunhofer ILT bereits auf der IAA 2015 in Frankfurt gezeigt.