Das Thema Leichtbau ist in den vergangenen Jahren aus verschiedenen Gesichtspunkten in den Mittelpunkt der Konstruktion gerückt. Materialeffizienz ist das eine Stichwort, das andere lautet, Gewicht sparen – bei gleichbleibenden Eigenschaften des fertigen Produkts. Vor allem im Automobilbau ist dies ein Thema, denn Fahrzeuge müssen Fahrspaß und lückenlose Performance liefern.

Ein Mehr an Gewicht, etwa durch Sicherheits- und Servicesysteme oder die Batterie von Elektrofahrzeugen, darf diese Performance nicht negativ beeinflussen. Durch den Energiespeicher steigt das Fahrzeuggesamtgewicht signifikant: Ein Batteriepack kann bis zu 700 kg zusätzlich zum Gesamtgewicht eines Fahrzeugmodells beitragen. Selbst wenn wie im Fall des BMW i3, Kohlefaser-Werkstoffe im Cockpit verbaut sind, beträgt das Gewicht von Mittelklassewagen inzwischen deutlich über 1 t. Tesla oder der Nissan Leaf liegen sogar bei mehr als 1,5 t Gesamtgewicht. Jedes zusätzliche Kilogramm jedoch verringert nicht nur die Reichweite, sondern wirkt sich auch negativ auf die Fahrdynamik aus und zudem steigt die Belastung auf viele weitere Bauteile – vom Fahrwerk bis zu den Strukturteilen. Aufgrund dessen ist es nötig diese ebenfalls robuster auszulegen, was wiederum das Bauteilgewicht und -kosten erhöht.

Legierungen zum Batterieschutz

Bild 1: Eine Metallurgin untersucht die Mikrostruktur eines Aluminiumprofils.

Bild 1: Eine Metallurgin untersucht die Mikrostruktur eines Aluminiumprofils. Constellium

Aluminium kommt verstärkt in Fahrzeugstrukturen zum Einsatz, um die Masse von Fahrzeugen zu begrenzen (Bild 1). Im Batteriekasten und seiner Peripherie ist der Anteil des Werkstoffs inzwischen auf rund 80 Prozent gestiegen – Stahl und Kohlefaser spielen dagegen eine eher untergeordnete Rolle. Seine Eigenschaften machen es hier zum Material der Wahl: Mit Aluminium sind dank der sehr guten Extrudierbarkeit komplexe Querschnitte mit hohen Festigkeiten herstellbar. Zusätzlich besitzt es eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, kommt durch seine Korrosionsbeständigkeit ohne zusätzliche Schutzschicht aus, weist gute Crash-Eigenschaften auf und lässt sich unendlich oft recyceln.

In Elektrofahrzeugen sind heute standardmäßig Lithium-Ionen-Batterien im Einsatz. Diese sind leicht entflammbar und explosionsgefährdet, weshalb es auch nötig ist, sie vor äußeren Einwirkungen sicher zu schützen. Unterflurig verbaut, sind sie relativ ungeschützt gegen Bodenintrusion, etwa wenn ein Elektrofahrzeug auf einen Kantstein oder einen spitzen Gegenstand auffährt. Die Bodenplatte des Batteriegehäuses muss daher bei möglichst geringem Gewicht stabil genug sein, um Schäden zu verhindern. Aluminiumbleche bieten für das Batteriegehäuse, speziell für den Boden des Batteriekastens, große Vorteile: es ist kostengünstig, leicht und hält dank seiner mechanischen Eigenschaften wirksam Intrusionen auch bei geringer Bauhöhe aus (4 mm).

Dabei gilt: Bleche aus hochfesten und dabei crashfähigen Aluminiumlegierungen als Gehäuseboden schützen die Hochvoltkomponenten deutlich besser als rein hochfeste Bleche, da die Dicke mit der dritten Potenz in das Flächenträgheitsmoment einfließt. Durch die geringe Dichte lässt sich ds Gewicht dabei dennoch um etwa 10 Prozent im Vergleich zu Stahl reduzieren. Die Legierungen der Securalex- und Coralex-Familien von Constellium etwa sind für den Einsatz als Batteriegehäuseboden geeignet. Für den Rahmen und die Crashstruktur entwickelt, stellt das Unternhemen selbst Extrusionen aus HSA6 (High Strength Alloy) und HCA6 (High Crashable Alloy) her. Diese absorbieren bei einem Unfall die auf das Batteriegehäuse einwirkende Energie und schützen den Inhalt. Somit lässt sich bei gleichem oder sogar verbessertem Verhalten im Vergleich zu Stahl bis zu 40 Prozent Gewicht einsparen. Die im Walzverfahren hergestellte Legierung Coralex schützt die Batterie nicht nur wirksam vor Beschädigung: Sie ist auch korrosionsbeständig, so dass der Batteriekasten und seine Hochvoltkomponenten vor schädlichen Einflüssen, etwa durch Streusalz, geschützt bleiben.

Bessere Wärmeauslagerung

Constellium testet an einem selbst entwickelten Versuchsaufbau unterschiedliche Materialien und Legierungen auf ihre Einsatzmöglichkeit als Gehäuseboden. Durch die Messung des Widerstands bei der Eindringung eines Prüfkörpers ermitteln die Verantwortlichen die geeignete Materialstärke abhängig von Kundenanforderungen. Dabei macht es einen großen Unterschied, an welcher Stelle die Tester die Bodenplatte prüfen. In der Mitte resultiert dies in einer überwiegend elastischen Verformung, da das Material mehr Spielraum hat, um den Krafteintrag durch Verformung auszugleichen. Liegt die Eindringung jedoch näher an einer unterstützenden Struktur, etwa an einer Ecke, kommt es rasch zu einer höheren plastischen Verformung, wodurch sehr schnell ein Loch oder Riss entstehen kann. Dies führt in der Regel zu einer Leckage des Gehäuses, denn an dieser Stelle kann zum Beispiel Wasser eindringen und die Elektronik schädigen.

Die Evaluierung erfolgt anhand der Grenzwerte der beiden Lastfälle. Das sind erstens die notwendige Kraft und Energie um 15 mm Intrusion zu erzeugen (15 mm als Peak-Wert liegt etwas über dem Bauraum, der in der Regel bei Fahrzeugen zur Verfügung steht) und zweitens die benötigte Kraft und Energie um das Material zu durchdringen.

Die Mindestanforderung liegt dabei bei 15 kN, was einem circa 1,5 t schweren Fahrzeug, das mit dem vollen Eigengewicht auf einen spitzen Gegenstand auftrifft – gedämpft von Reifen und Federn – entspricht. Das Beispiel eines Bleches aus der Legierung EN AW 5754-O macht ersichtlich, das selbst mit 5,0 mm Stärke die Anforderung im elastischen Bereich nicht erfüllt ist. EN AW-5754 ist eine nicht aushärtbare, naturharte Aluminium-Magnesium-Legierung mit guter Bruchdehnung, hoher Zugfestigkeit und Dehngrenze.

Coralex hingegen reduziert die Eindringung bei selber Kraft deutlich und das bereits mit einer Blechstärke von 4 mm. Coralex-HYX-Legierungen, die aufgrund einer speziellen Wärmeauslagerung eine erhöhte Festigkeit erlangen, halten bei einer Dicke von 4 mm sogar Kräften von bis zu 29 kN stand. Daraus ergeben sich wichtige Vorteile in Bezug auf das Gewicht: Ein herkömmliches 4 mm starkes Aluminiumblech wiegt in einer realistischen Einbaugröße von 2200 mm × 1400 mm × 4 mm über 40 kg. 1 mm weniger Material auf die gesamte Fläche bedeutet eine Gewichtseinsparung von rund 20 Prozent. Durch veränderte Wärmeauslagerungen lassen sich die Eigenschaften dieser Legierung weiter an das spezifische Fahrzeug anpassen.

Extrusionen für besseres Wärmemanagement

Statt aus Blechen kann der Boden eines Batteriegehäuses ebenfalls aus mehreren miteinander verbundenen hochfesten, crashfähigen Aluminium-Hohlkammerextrusionen bestehen. Ein deutliches Plus an Steifigkeit und Sicherheit, sofern keine Struktur im Fahrzeug vorgesehen ist, die den Blechboden unterstützt. Die Extrusionen lassen sich in verschiedenen Geometrien fertigen und in ihrer Form auf verschiedenste Anforderungen anpassen. Vor allem bei Beanspruchungen des Batteriebodens ergeben sich durch den Einsatz von Extrusionen Vorteile, denn das Bauteil besitzt zwei Ebenen. Drückt ein spitzer Gegenstand die untere Lage des Bauteils ein, steht immer noch eine zweite Lage zur Verfügung, die den Batteriekasten weiterhin sicher abdichtet.

Bild 2: Im Batteriekasten und seiner Peripherie ist der Anteil von Aluminium inzwischen auf rund 80% gestiegen - Stahl und Kohlefaser spielen dagegen eine eher untergeordnete Rolle.

Bild 2: Im Batteriekasten und seiner Peripherie ist der Anteil von Aluminium inzwischen auf rund 80% gestiegen – Stahl und Kohlefaser spielen dagegen eine eher untergeordnete Rolle.
Constellium

Das ist jedoch nicht der einzige Vorteil einer solchen Struktur: Sie bietet die Möglichkeit weitere Funktionen in das Batteriegehäuse zu integrieren (Bild 2). Die Hohlkammern sind Teil des Wärmemanagements und können Kühlmedium führen und verteilen. Das ist nicht nur deshalb relevant, weil kalte Temperaturen die Reichweite des Elektrofahrzeuges um bis zu 50 Prozent reduzieren, sondern auch weil die Batterie bei hohen Temperaturen von über 120 °C thermisch durchgehen kann. Hinzu kommt, dass sich bereits bei über 50 °C und bei starken Temperaturschwankungen die Kapazität und somit die Lebensdauer der Batterie signifikant verkürzt. Um dies zu vermeiden und somit die Batterie zu schützen, lassen sich die nahezu frei gestaltbaren Aluminiumextrusionen entsprechend auslegen. So leiten Finnen die Wärme ins Innere der Kammer und vergrößern die benetzte Oberfläche innerhalb des Bauteils. Dies verbessert die Wärmeeindringung in das Medium entscheidend.

Durch diese Funktionsintegration lässt dich die Struktur um mindestens ein Bauteil reduzieren, was sich wiederum auf das Gewicht auswirkt aber auch den Zusammenbauprozess beim Endverbraucher vereinfacht. Bisher war es erforderlich, einzelne im Batteriekasten verbaute Kühlplatten auch einzeln anzuschließen – bei zehn bis 12 Batteriemodulen sind dies insgesamt 24 Anschlusspunkte, die nicht nur potenzielle Leckagen darstellen, sondern auch extra Gewicht kosten. Ist die Kühlstruktur direkt ins Bauteil integriert, lassen sich diese Anbindungspunkte komplett außerhalb des Gehäuses anordnen. Eine Leckage im Batteriekasten selbst ist damit ausgeschlossen. Zudem profitiert der OEM von einem geringeren Montageaufwand: Er muss nur noch die Batterien, die Kabel und die Peripherie montieren und schließt zuletzt den Kühlkreislauf an nur noch einem Ein- und Ausgang an.

Um Temperaturschwankungen zu reduzieren und die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen, bietet Constellium mit Cald-Solutions eine Eigenentwicklung an, die die Lebensdauer der Batterie durch verbesserte Temperaturhomogenität unterstützt und gleichzeitig als Struktur- und Sicherheitskomponente fungiert. Für die Cald-Anwendung sind einzelne Kanäle einer Extrusion mit Kühlkanälen versehen und mit einem Phasen-Wechselmaterial (Phase Change Material, PCM) befüllt: Einem Medium, welches ab einer bestimmten Temperatur flüssig wird und dabei thermische Energie absorbiert und speichert. So kann etwa die Wärme der Batterie ein Fahrzeug noch heizen, wenn der Fahrer es im Winter am Parkplatz abstellt, weil sich die Masse in den Kanälen wieder verfestigt und Wärme abgibt und das ohne den Bedarf an weiterer Energiezufuhr.

Neue Leichtbaukonzepte

Bild 3: Der Einsatz von Extrusionen in Bodenplatten von Batteriegehäusen bietet in Zukunft noch weiteres Leichtbaupotential.

Bild 3: Immer mehr Teile im Fahrzeug sind aus Aluminium. Gerade in der E-Mobilität kommen die Vorteile des Leichtmetalls zum Tragen. Constellium

Der Einsatz von Extrusionen in Bodenplatten von Batteriegehäusen bietet in Zukunft noch weiteres Leichtbaupotential (Bild 3). Ist ein Fahrzeug einem seitlichen Aufprall ausgesetzt, würde sich beispielsweise ein einfaches Blech schnell deformieren, die Belastung des Crashs müsste in diesem Fall über den gesamten Rahmen abgefangen werden. Kommt statt eines Blechs eine extrudierte Komponente zum Einsatz, lassen sich sowohl die Seitenprofile als auch die gesamte Struktur des Batteriekastens deutlich reduzieren, so dass es in Zukunft möglich sein könnte, eine leichtere Batterie im Fahrzeug einzusetzen. Die Kühlstruktur direkt in den Boden des Batteriekastens zu integrieren, ist bereits heute machbar.

Aluminium trägt zu einem großen Teil dazu bei, dass die empfindlichen Batteriezellen sicher vor Schäden und Temperatureinwirkung geschützt sind. Die gute Extrudierbarkeit des Leichtmetalls eröffnet zusätzlich neue Möglichkeiten für die Konstruktion. So lassen sich beispielsweise in extrudierte Bauteile Funktionen integrieren, die sich so an anderer Stelle einsparen lassen. Konstrukteure können auf diese Weise Leichtbauanwendungen für die Mobilität der Zukunft erstellen.