Hochvoltspeicher / Batteriegehäuse

Hochvoltspeicher bzw. Batteriegehäuse für die Elektromobilität schützen die Batteriezellen und die Umwelt. Die Entwicklung der Batteriepacks beinhaltet komplexe, widersprüchliche Anforderungen wie "leicht und robust" oder "kostengünstige Herstellung und lange Lebensdauer". Diese Engineering-Konflikte löst M.TEC mit intelligenter Entwicklungssystematik und modernen Entwicklungstools auf, im Kundenauftrag von OEMs und Zulieferern. Konkret gibt es dabei in der Entwicklung & Konstruktion des Batteriepacks folgende wesentliche Herausforderungen:

Crush-Test

Sicherheit im Fahrzeugbetrieb

Als Maßstab für die Zulassung von Batteriegehäusen für die E-Mobilität in Europa und China gilt der sog. Crush-Test in einer Presse. Das Gehäuse muss die Batteriezellen schützen. Das Batteriegehäuse wird im Crush-Test als isoliertes Bauteil betrachtet; in diesem Fall spielen die Schutzmechanismen des Gesamtfahrzeugs keine Rolle.

Extreme mechanische Belastung

Das Gehäuse muss den Schutz der Batterien bei derart großen mechanischen Belastungen sowohl in Fahrzeugquer- als auch in -längsrichtung sicherstellen. M.TEC stellt die Belastbarkeit des Batteriegehäuses durch die Simulation der mehrdimensionalen Lastfälle sicher. Die Grundstruktur zur Reduzierung des Materialeinsatzes (Wirtschaftlichkeit) und des Gewichtes (Leichtbau) findet M.TEC durch den Einsatz der rechnergestützten Strukturoptimierung. Denn zu viel Material, Gewicht und damit hohe Stückkosten sind ein Wettbewerbsnachteil.

Mechanischer Schock-Test

Mehrdimensionaler Lastfall

Im Rahmen des Freigabeprozesses auf den internationalen Märkten muss das Batteriegehäuse mechanische Schock-Tests bestehen. Batteriegehäuse werden beispielsweise auf einen Schlitten gespannt und in verschiedene Raumrichtungen beschleunigt. Ein Kriterium ist der Schutz der Batteriezellen, weitere sind die Schnittstellen zum Fahrzeug und die grundsätzliche Dichtigkeit des Gehäuses auch nach einer Schockbelastung, um einen Elektrolytaustritt auszuschließen.

Frühe Konzeptabsicherung – Strukturoptimierung, Strukturanalyse

Um sicherzustellen, dass derartige Tests bestanden werden, setzt M.TEC schon in der Konzeptphase auf rechnergestützte Simulationen wie Strukturoptimierung und Strukturanalyse. Damit schafft M.TEC eine sichere Grundlage für die Konzeptauswahl. Durch FE-Simulationen im Entwicklungsprozess stellen wir sicher, dass die Bauteile die Tests im Rahmen der Qualifizierung bestehen.

Brand-Test / Fire Resistance Test

Feuer unter dem Fahrzeug

Im Rahmen der Zulassung wird überprüft, ob das Batteriegehäuse die Batteriezellen auch im Falle eines Brandes unter dem Fahrzeug, etwa durch Benzin, für eine bestimmte Zeit schützen kann. Unfälle mit brennenden Kraftstoffen sind möglich, solange Autos mit Verbrennungsmotor verwendet werden (Hybridfahrzeuge, andere Unfallbeteiligte).

Kritisch ist in diesem Fall vor allem die Dauer des Brandes. Im Extremfall können die Zellen überhitzen und beschädigt werden (Thermal Runaway). Unbedingt zu vermeiden ist der Austritt von Elektrolyt und Explosionen der Li-Ion-Zellen.

Hitzeschutz auf mehreren Ebenen

Um den Schutz für die geforderte Zeit zu gewährleisten nutzt M.TEC u. a. hybride Strukturen. Die strukturelle Festigkeit kann mit Metallbauteilen gewährleistet werden. Kunststoffe als schlechte Wärmeleiter sind geeignet, die Batteriezellen vor der Hitzeentwicklung vorübergehend zu isolieren. Außerdem schützen Sondertechnologien wie spezielle Lacke oder mechanische Wärmeschutzelemente den Kunststoff für eine bestimmte Zeit vor der extremen Hitze und offenen Flammen.

Dichtigkeit / Abdichtung

Schutz der Batteriezellen und der Umwelt

Batteriegehäuse müssen so konstruiert sein, dass einerseits kein Medium (Staub, Wasser) von außen an die Zellen gelangt. Andererseits darf die Umwelt nicht durch austretendes Elektrolyt verschmutzt werden. Zusätzlich werden Anforderungen an eine einfache Fertigung und kostengünstige, schnelle Wartung gestellt. Dies erfordert eine Gestaltung und Auslegung von Dichtungen, die diese Anforderungen über die gesamte Lebensdauer sicher erfüllen.

Unterschiedliche Anforderungen im Einklang

M.TEC betrachtet die Toleranzen, Materialien und Kräfte im Ganzen und entwickelt Dichtungen, die der effizienten Produktion und der geforderten Lebensdauer gerecht werden.

Gewicht / Leichtbau

Leichte und belastbare Hochvoltspeicher

Moderne Batteriegehäuse müssen leicht sein und die Zellen dennoch ausreichend schützen (hohe gravimetrische Energiedichte). Zu hohe Gewichte verringern die Reichweite. Mechanischer und thermischer Schutz erfordert einen entsprechenden Materialeinsatz. Das führt häufig zu einem überdimensionierten Batteriegehäuse, um die unterschiedlichen Anforderungen sicher zu erfüllen.

Intelligente Gehäusekonzepte

M.TEC begegnet diesem Widerspruch mit intelligenten Gehäusekonzepten. Sie beinhalten unterschiedliche Materialien, Fertigungsverfahren aus dem Leichtbau und eine innovative rechnergestützte Auslegung. Ein wesentliches Entwicklungstool hierbei ist die Strukturoptimierung. Sie stellt sicher, die maximale mechanische Belastbarkeit bei minimalem Materialeinsatz zu erreichen.