Elektromobilität

Die Anforderungen an künftige Batteriekästen

| Autor / Redakteur: Christian Buse* / Sven Prawitz

Batteriekasten mit einem Ausschnitt des Crash-Rahmens (links unten in rot) und einem angedeuteten Deckel. Das Sichtfenster im Längsträger ermöglicht einen Blick auf die Steigleitung, die das Kühlmediums zuführt.
Batteriekasten mit einem Ausschnitt des Crash-Rahmens (links unten in rot) und einem angedeuteten Deckel. Das Sichtfenster im Längsträger ermöglicht einen Blick auf die Steigleitung, die das Kühlmediums zuführt. (Bild: Benteler)

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Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen müssen Crash- und Dichtigkeitsanforderungen erfüllen – und künftig auch Kühlkonzepte integrieren, möglichst kosteneffizient und modular. Benteler Automotive stellt nun einen neuen Batteriekasten vor.

Das Herzstück jedes Elektrofahrzeugs bilden der Hochvolt-Batteriespeicher und das umgebende Batteriegehäuse. Deshalb spielt es eine zentrale Rolle im Wachstumssektor Elektromobilität diese stetig weiterzuentwickeln. Batterien müssen speziell geschützt werden, um im Falle eines Unfalls eine Gefährdung der Fahrgäste zu vermeiden. Daraus ergeben sich anspruchsvolle mechanische Anforderungen insbesondere für die Crashsicherheit, aber etwa auch eine optimale Dichtigkeit. Das erfordert ein komplexes Gesamtsystem aus mechanischen Schutzvorrichtungen, integrierter Kühlung und Elektrik.

Keine üblichen Crashpfade

Die Position der Batteriekästen hat beispielsweise einen Einfluss auf die Body-in-White-Struktur: der bei Verbrennern klassische Tunnel und die üblichen Crashpfade im Unterboden entfallen. Dadurch müssen die seitlichen Schweller höheren Belastungen standhalten. Zusätzlich müssen Batterieträger möglichst flach ausgeführt sein, um die Sitzposition der Fahrgäste nur minimal zu beeinflussen. Für eine optimale Reichweite werden gleichzeitig so viele Batterien wie möglich im Unterboden platziert. Das erschwert den Crashschutz und die Weiterleitung der Kräfte bei einem potenziellen Unfall.

Die Anzahl der notwendigen Batterien samt Batterieträger wirkt sich zudem auf das Fahrzeuggewicht aus und ist ein erheblicher Kostenfaktor. Außerdem sind angesichts der aktuell noch relativ geringen Stückzahlen für Elektrofahrzeuge modulare Ansätze in der Produktion vorteilhaft. Diese lassen sich ohne hohe Werkzeugkosten in verschiedenen Varianten flexibel auf einer Produktionsanlage herstellen.

Faltkasten und geschlossenes Warmformprofil

Um den vielfältigen Herausforderungen zu begegnen, entwickelt und realisiert der Automobilzulieferer Benteler mit Hauptsitz in Paderborn individuelle Systeme für Elektrofahrzeuge. So ist das Unternehmen als einer der nach eigenen Aussagen weltweit führenden Serienhersteller von Batteriekästen für Elektrofahrzeuge ein wichtiger Entwicklungspartner für internationale Automobilhersteller. Neben der Großserienfertigung von Batterieträgern entwickelt der Zulieferer aktuell Konzepte für künftige Generationen von Batteriegehäusen. Im Fokus stehen dabei sowohl ein kosteneffizienter Stahlleichtbau und eine modulare Anordnung, um die Crash- und Dichtigkeitsanforderungen zu erfüllen, sowie ein integriertes neues Kühlkonzept.

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Zu den von Benteler entwickelten Anwendungen zählen beispielsweise Faltkästen in Stahl- oder Aluminiumblechbauweise. Durch flexible Biegeautomaten ist ihr Batteriegehäuse einfach skalierbar und in verschiedenen geometrischen Formen realisierbar, etwa mit einer Schräge von 45 Grad. Auch ein variables Sickenbild im Wannenboden lässt sich so umsetzen: Die verschiedenen Fügemöglichkeiten lassen dabei Punktschweißen und Dichten fokussieren.

Durch das Falten wird der Bauraum der Batterie optimal ausgenutzt, sodass sich kleine Biegeradien im Boden und in den Ecken ergeben. Die Faltkonstruktion reduziert zudem Fügestellen und -längen mit einer Dichtigkeitsanforderung. Um die Batterie zu befestigen, stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Auswahl, zum Beispiel ein Klicksystem. Dieses verzichtet auf Schrauben – die Batteriemodule lassen sich dadurch schnell montieren und demontieren.

Rahmen aus ultrahochfestem Stahl schützt die Batterie

Um den Faltkasten optimal zu schützen, empfiehlt sich ein geschlossenes Warmformprofil. Der umlaufende Crashrahmen aus ultrahochfestem Stahl wird dabei aus mehreren verbundenen Profilen hergestellt und schützt die Batterie im Crashfall. Die komplexen und hochfesten Hohlprofile werden durch ein mehrstufiges partielles Warmformen produziert und ermöglichen diskontinuierliche, crashoptimierte und funktionsintegrierte Querschnitte. Durch Variation der Formplatine sowie verschiedene Werkzeugeinsätze lassen sich unterschiedliche Profillängen realisieren, die mit dem gleichen Grundwerkzeug hergestellt werden.

Für die Batteriekühlung eignen sich insbesondere Aluminiumkühlplatten mit geringer Bauhöhe, die ein flaches Design ermöglichen. Die Kühlplatten werden in den Batteriekasten eingelegt und kontaktieren die Batterien direkt von unten – hierdurch werden sie effizient gekühlt oder bei Bedarf auch vortemperiert. Dabei werden mehrere Batterien über eine Kühlplatte temperiert; das verringert die Zahl der Anschlüsse für das Kühlmedium.

Effiziente Batteriekühlung und optimierter Crashpfad

Für einen optimalen Crashschutz wird der Batterieträger strukturell in die Karosserie eingebunden. Der Batteriekasten ist für verschiedene Lastfälle optimierbar, zum Beispiel „Crush“, „Side Pole Crash“ oder „Front Crash“ – letztere mittels Ersatzmodellen, die ein komplexes System wie ein Gesamtfahrzeug vereinfacht abbilden. Die Kräfte werden zudem durch eine bionisch optimierte Crashverstärkung unterhalb des Batteriekastens besser weitergeleitet. Eine spezielle Sickengeometrie im Crashrahmen leitet dabei die wirkenden Crashkräfte ein, was eine formschlüssige Weiterleitung ermöglicht. Simulationen haben bestätigt, dass sich durch diese Bauweise das Crashverhalten verbessert hat. Benteler plant zeitnah eine abschließende Validierung im Rahmen einer Gesamtfahrzeugsimulation.

Die nächste Generation der Batteriekästen lässt sich dank dieser Neuerungen kosteneffizient produzieren. Zudem verstärkt sie den Schutz der Batterie und erfüllt so die komplexen Anforderungen, die moderne Elektrofahrzeuge mit sich bringen.

*Christian Buse ist Entwicklungsingenieur im Bereich Forschung & Entwicklung bei Benteler Automotive.

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