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Leichtbau Elektromobilität funktioniert nur mit Leichtbau

| Autor / Redakteur: Claus-Peter Köth / Maximiliane Reichhardt

Leichtbaumaßnahmen sind kein Selbstzweck, sondern erhöhen die Reichweite von elektrifizierten Fahrzeugen. Was passieren muss, damit das endlich alle Entwickler begreifen.

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Der Batteriekasten eines Elektroautos: Die blaue Steigleitung, die hier offengelegt ist, führt der Kühlplatte das Kühlmedium zu. Im linken Teil des Bildes ist ein Ausschnitt des Crash-Rahmens (in rot) mit einem angedeuteten Deckel sichtbar.
Der Batteriekasten eines Elektroautos: Die blaue Steigleitung, die hier offengelegt ist, führt der Kühlplatte das Kühlmedium zu. Im linken Teil des Bildes ist ein Ausschnitt des Crash-Rahmens (in rot) mit einem angedeuteten Deckel sichtbar.
(Bild: Benteler)

Die Aussage, dass das Gewicht bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eher zweitrangig ist, hält sich hartnäckig. Schwerere E-Autos würden beim Bremsen mehr Energie zurückgewinnen, weshalb der Leichtbau vernachlässigbar sei, so begründen die Verfechter diese These. Doch sie ist falsch: Die Rekuperation kann bei E-Fahrzeugen nur einen Teil der eingesetzten Energie zurückgewinnen, und zwar die, die bei Beschleunigungsvorgängen oder Steigungsfahrten aufgewendet wird. Die thermischen Verluste hingegen verpuffen, genauso wie die zusätzlich benötigte Energie etwa zum aktiven Kühlen des E-Antriebs. Bezogen auf das Fahrzeuggewicht und das Leichtbaupotenzial heißt das: Je weniger Masse beschleunigt oder auf ein anderes Höhenpotenzial gebracht werden muss, desto weniger Energieverluste entstehen.

„Auf den ersten Blick mag es stimmen, dass die Rekuperation ein Stück weit den Gewichtsnachteil kompensiert. Aber eben nicht in Gänze und auch stark abhängig vom Fahrprofil. Insgesamt braucht es einen ganzheitlichen Blick, angefangen bei der Entwicklung bis hin zur Produktion der Fahrzeuge“, sagt VW-Manager Ludger Lührmann im Interview.

Leichter ist gleich effizienter

Anhand von Realversuchen hat der Engineering-Dienstleister EDAG bereits im Jahr 2018 belegt, dass Leichtbau in urbanen E-Autos aus energetischer Sicht sinnvoll ist: Demnach spart ein um 100 Kilogramm leichteres Fahrzeug etwa vier Prozent an Antriebsenergie, was wiederum den Einbau einer kleineren und leichteren Batterie ermöglicht – ohne die Reichweite zu reduzieren. Konkret entstand im Fahrszenario Stadtfahrt bei konstant 50 km/h und 100 Kilogramm weniger Gewicht eine Energieeinsparung von 2,8 Prozent.

Bei einer reduzierten Geschwindigkeit von 20 km/h stieg der prozentuale Anteil der gewichtsabhängigen Rollwiderstandsleistung, und die Energieeinsparung betrug 3,3 Prozent. Ergänzt um eine Steigung, erhöhte sich die Einsparung in der Simulation auf 4,3 Prozent beziehungsweise bei Berücksichtigung der Rekuperation auf 3,6 Prozent. Wählten die Ingenieure anstelle der Steigung eine Beschleunigung von zwei Metern pro Sekunde Quadrat, was einem normalen Beschleunigungsvorgang entspricht, kamen sie auf eine Energieeinsparung von 5,4 Prozent beziehungsweise unter Berücksichtigung der Rekuperation von 5,0 Prozent.

Es ist deutlich erkennbar, dass Beschleunigungsvorgänge auch mit berücksichtigter Rekuperation einen großen Einfluss auf das Potenzial von Leichtbau haben. Dem kommt entgegen, dass im urbanen Bereich, etwa in dicht bebauten Großstädten, von vielen Beschleunigungsvorgängen ausgegangen werden kann. Die mittleren Einsparungen liegen im Realbetrieb über vier Prozent“, kommentiert Martin Hillebrecht, Head of Innovation und Leiter Competence Center Leichtbau der EDAG, die Ergebnisse.

Tests von Fraunhofer und KIT

Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für Chemische Technologien (ICT) und des KIT-Instituts für Fahrzeugsystemtechnik, kurz FAST, kamen mit einem Modellversuch zum gleichen Schluss. Das Ausgangsszenario lautete: Welchen Einfluss hat eine Gewichtseinsparung von 100 Kilogramm auf den Verbrauch eines E-Autos? Dieser wurde für einen VW E-Golf im WLTP- und im RDE-Testverfahren ermittelt – und zwar einmal mit und einmal ohne die 100 Kilogramm als Zuladung. „Anschließend haben wir diese Daten in eine Gesamtfahrzeugsimulation eingespielt, die auch den Wirkungsgrad verschiedener Komponenten des Antriebsstrangs berücksichtigte“, erklärt Prof. Frank Henning, stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer ICT.

Denn: „Die Leistungselektronik und die E-Maschine haben im Mittelwert nur einen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent, die Batterie von 95 Prozent. Es gibt dort Verluste, etwa durch Schaltungen, Abwärme oder Reibung.“ Es gehe also unweigerlich Energie beim Betrieb eines E-Fahrzeugs verloren. Von daher könne rein logisch schon gar nicht die gesamte Energie beim Bremsen zurückgewonnen werden. Außerdem habe die Rekuperation selbst nur einen Wirkungsgrad von etwa zwei Drittel.

LEICHTBAU-GIPFEL

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Die Simulationen und Berechnungen der Karlsruher Forscher ergaben: Eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 100 Kilogramm verringert den Energiebedarf des ausgewählten E-Golf um etwa vier Prozent. „Der Roll-, Beschleunigungs- und Steigungswiderstand verringern sich bei einem leichteren Fahrzeug signifikant“, sagt Henning. Ein weiterer Nebenaspekt: Die Masse wirke sich nicht nur auf die Effizienz des Fahrzeugs aus. „Die Fahrdynamik wird bei einem höheren Gewicht beeinträchtigt, und der Reifenverschleiß nimmt zu“, so Henning.

Weitere Sekundäreffekte

Bezogen auf den Realversuch der EDAG, bedeuten die vier Prozent höhere Effizienzsteigerung, dass die Batteriekapazität um vier Prozent oder 1,2 kWh reduziert werden kann – ohne dass die Reichweite sinkt. Die Kosteneinsparung und Bauraumreduzierung können daraus direkt abgeleitet werden.

Das geringere Gewicht hat darüber hinaus noch weitere Sekundäreffekte: So steigt zum Beispiel durch die leichtere Batterie nochmals die Effizienz des Fahrzeugs. Entsprechend verkürzt sich die Ladezeit. Auch Volkswagen dreht die Gewichtsspirale in Form von Sekundäreffekten weiter nach unten. „Unser größter Hebel liegt darin, dass wir bereits in der Fahrzeugkonzeption das sich ergebende zulässige Gesamtgewicht vor Augen haben und begrenzen“, erläutert Ludger Lührmann. Maßnahmen für Karosserie und Batteriestruktur würden dabei eine Renaissance erfahren, was ganz unterschiedliche Gründe habe – unter anderem auch Limitierungen innerhalb der Produktionsanlagen. Mit all diesen Argumenten lässt sich die Legende entkräften, dass „Leichtbau per se teuer ist und sich deshalb nicht lohnt“.

Zu diesem Ergebnis kommt auch eine Studie der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg, kurz Leichtbau BW. Untersucht wurden die bisher weitestgehend ungenutzten Potenziale des sogenannten Konzeptleichtbaus im Mobilitätssektor. „Wir zeigen Möglichkeiten auf, wie man mittels Leichtbau Kosten senken und wettbewerbsfähiger sein kann“, betont Geschäftsführer Dr. Wolfgang Seeliger.

Er ist überzeugt: Ohne Leichtbau kann es keine Mobilität von morgen geben. Denn durch den steigenden Bedarf an Sensorik/Elektronik für das automatisierte Fahren, den Wunsch nach mehr Komfort und nicht zuletzt den Umstand, dass für ein schwereres Fahrzeug auch erhöhte Maßnahmen hinsichtlich der Crashsicherheit notwendig sind, komme man nicht umhin, an anderer Stelle das Fahrzeuggewicht zu senken.

Leichtbau für den Klimaschutz

In die gleiche Kerbe schlägt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Es sieht den Leichtbau als Schlüsseltechnologie für die Mobilität der Zukunft sowie branchenübergreifend für den Umwelt- und Klimaschutz. Mit dem „Technologie-Transferprogramm Leichtbau“ will das BMWi ab Anfang 2020 seinen Aktivitäten neuen Schub verleihen. Circa 280 Millionen Euro an öffentlichen Mitteln (Stand: Dezember 2019) sind zur Förderung des Leichtbaus für den Zeitraum von 2020 bis 2023 vorgesehen. Neue Materialien mit möglichst geringem CO2-Footprint, innovative Fertigungsverfahren wie die additive Fertigung sowie digitale Entwicklungstools sind hier nur einige Schlagworte.

Wie und was konkret gefördert wird, erläutern auf dem »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfel« am 24./25.3.2020 in Würzburg die Parlamentarische Staatssekretärin im BMWi Elisabeth Winkelmeier-Becker sowie Werner Loscheider, Leiter Referat „Bauwirtschaft, Leichtbau/Neue Werkstoffe, Ressourceneffizienz“.

Paradebeispiel Batteriekasten

Als ein Paradebeispiel für kosteneffizienten Leichtbau im Elektrofahrzeug nennt Martin Hillebrecht die Strukturintegration des Batteriekastens. Hier hat EDAG in einem Gemeinschaftsprojekt mit Siemens Industry Software, Baomarc Automotive Solutions und Carl Cloos Schweißtechnik den Demonstrator „ScaleBat“ entwickelt. Dabei handelt es sich um ein skalierbares, variantenreiches Batteriegehäuse, das auch wirtschaftlich in großen Stückzahlen produziert werden kann. Das Konzept beweist, dass sich strukturelle, crashrelevante Maßnahmen an anderen Stellen reduzieren lassen und zudem eventuelle Mehrkosten des Leichtbaus mindestens kompensiert werden können.

Tesla kann es nicht unbedingt besser, sondern traut sich einfach mehr.

Mark Gevers, Director Business Development bei Tecosim

Mark Gevers, Director Business Development beim Engineering-Dienstleister Tecosim, geht noch einen Schritt weiter: Er bezeichnet die intelligente Integration des Batteriekastens in die Fahrzeugstruktur sogar als einen ganz wesentlichen Hebel in Bezug auf den Leichtbau und damit die Effizienz von E-Fahrzeugen. Hier sei Tesla den traditionellen OEMs voraus, etwa weil die US-Amerikaner den Batteriekasten vorne fest an die Fahrzeugstruktur binden und hinten im Crashfall abreißen lassen.

Beim Worst-Case-Lastfall, dem sogenannten Seitenaufprall Pfahl, kann sich die Fahrzeugstruktur verformen und damit Energie abbauen, während der Batteriekasten darunter weggeschoben wird. Dieser Ansatz spare viele Kilogramm Material als Sicherheitsreserve und mache es möglich, den Bauraum im Batteriekasten besser auszunutzen, sagt Gevers.

Vorsprung von Tesla

„Der Vorsprung von Tesla in der Fahrzeugstruktur tut der deutschen Automobilindustrie besonders weh. Denn Tesla kann es nicht unbedingt besser, sondern traut sich einfach mehr“, sagt Gevers und verweist auf seine Benchmarkanalyse, die er im Rahmen des »Automobil Industrie Leichtbau-Gipfels« Ende März in Würzburg vorstellen wird.

Insgesamt ist seiner Meinung nach bei den traditionellen Herstellern gewerkeübergreifend eine bessere Kommunikation und Zusammenarbeit notwendig. Schließlich handele es sich bei der Crashsicherheit um ein integrales Thema. „Die Ideen sind ja da. Aber die deutsche Automobilindustrie muss wieder mutiger werden, mehr an ihre Grenzen gehen“, bilanziert Gevers. Martin Hillebrecht ergänzt: „Wir sollten die Zukunft der Mobilität und der Elektrifizierung nicht allein den Betriebswirten, sondern wieder stärker den Ingenieuren überlassen. Technische Fakten sollten bei der Entscheidungsfindung wieder eine entscheidende Rolle spielen. Anderenfalls bin ich mir sicher, dass wir einen Wettbewerbsvorteil verpassen, wenn wir den Leichtbau weiterhin auf Lücke setzen.“

Ludger Lührmann ist optimistisch. „Als Ingenieure müssen wir in unseren Unternehmen die positiven Eigenschaften des Leichtbaus den Kunden gegenüber immer wieder aufzeigen. Dann werden wir in der Industrie, in den Hochschulen, der Politik und in den Medien viele Mitstreiter für diese Schlüsseltechnologie finden.“

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 Claus-Peter Köth

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