Batteriegehäuse aus Metallschaum
Das Batteriegehäuse der Havel Lite®-Serie ist eine Fahrzeugkomponente für Elektrofahrzeuge und besteht komplett aus Aluminiumschaum-Sandwiches. Geringes Gewicht, gutes Crashverhalten, hohe Steifigkeit und Möglichkeiten zur Temperaturregulierung prädestinieren diese neu entwickelte Komponente für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Die Abmessungen entsprechen dem Lastenheft des Kunden – vom Zeichnungsteil bis zur Serienfertigung kommt alles aus einem Haus.
Stand:
Warum Aluminiumschaum-Sandwiches für ein Batteriegehäuse?
Aluminiumschaum verbindet extreme Leichtigkeit, Formbarkeit, Wiederverwertbarkeit sowie hervorragende Absorption und Leitfähigkeit – und ist durch diese vielseitigen Eigenschaften ideal für die Ummantelung von Batterien in der Automobilindustrie geeignet. Trennwände aus Aluminiumschaum-Sandwiches zwischen den Batteriezellen fungieren als Abstandshalter und Crashabsorber. In den Aluminiumschaum können außerdem Profile oder Rohre zur Batteriekühlung integriert werden.
Das Crashverhalten (Crash-Absorption) wird nach Standard DIN 50134 – Kompressionstest von metallischen Zellmaterialien – dargestellt; ein gefertigtes Beispielbauteil aus Aluminiumschaum misst 975 × 536 × 55 mm bei 4 mm Materialstärke.
Wie wird das Kühlsystem in den Metallschaum eingebracht?
Für die Integration eines Rohrsystems in den Metallschaumkern gibt es zwei Fertigungstechnologien: das direkte Einschäumen und das nachträgliche Einfügen. Beim direkten Einschäumen wird das Rohrsystem in den Metallschaumkern eingeschäumt – eine metallurgische Bindung der Deckbleche ist somit möglich. Beim nachträglichen Einfügen wird das Rohrsystem nachträglich in den Metallschaumkern eingefügt; die Deckbleche werden dann mit dem Metallschaum verklebt.
- Direktes Einschäumen
- Das Rohrsystem wird direkt in den Metallschaumkern eingeschäumt. Eine metallurgische Bindung der Deckbleche ist somit möglich.
- Nachträgliches Einfügen
- Das Rohrsystem wird nachträglich in den Metallschaumkern eingefügt. Die Deckbleche werden nachträglich mit dem Metallschaum verklebt.
Wie wurde der Crashschutz des Batteriegehäuses getestet?
Aktuelle Elektrofahrzeuge tragen die sicherheitsrelevante Batterietechnologie meist im Bereich des Fahrzeugunterbodens – der Schutz der Batteriemodule vor einer Crashbelastung von unten hat daher sehr hohe Priorität. Eine der neuen Schutzlösungen ist der Schutz der Batteriezellen durch Sandwiches aus Aluminiumschaum mit Aluminium-Decklagen (AAS). Im EVERSAFE-Projekt wurde der Unterboden-Aufprall in Simulation und im realen Versuch untersucht: Ein Fahrzeug mit einer Masse von 943 kg fährt mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h über ein halbrundes Hindernis, dessen höchster Punkt höher als der niedrigste Batteriegehäusepunkt liegt – infolge des Überfahrens kommt es zur Aufprallbelastung auf das Gehäuse.
Energieabsorption und Crash-Verhalten wurden zusätzlich mit Seitencrashtest und Pollertest geprüft, den Pollertest in Simulation und im realen Versuch.
Wie reguliert das Batteriegehäuse die Temperatur der Zellen?
Beim Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen sind drei thermische Grenzen zu berücksichtigen: Unter 0 °C sinken Leistungsfähigkeit und Reichweite deutlich, über 30 °C nimmt die Alterung der Batterie stark zu, über 40 °C kann es zu irreversibler Schädigung kommen. Mit den Fertigungstechnologien von Havel metal foam lassen sich Rohre und Profile in den Metallschaum integrieren und so die guten Wärmeleiteigenschaften des Aluminiums nutzen: Die geschaffenen Innenhohlräume dienen dem Verlegen zusätzlicher Leitungen oder dem direkten Durchfluss von Medien zur Kühlung bzw. Heizung der Batteriezellen.
- Bei Temperaturen unter 0 °C sinkt die Leistungsfähigkeit der Batterie und somit die Reichweite deutlich.
- Bei Temperaturen über 30 °C nimmt die Alterung der Batterie stark zu.
- Bei Temperaturen über 40 °C kann es zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie kommen.
Wie ist das Batteriegehäuse konstruiert?
Die Abmessungen des Batteriegehäuses entsprechen dem Lastenheft des Kunden. Die Bodenplatte wird als durchgängiges Sandwich ausgeführt, um die Anforderung an Dichtigkeit zu gewährleisten. Die Gehäusewände können integral oder differenziell hergestellt werden: Bei der integralen Fertigung entstehen sie durch keilförmige bzw. rechteckige Aussparungen – mit weniger Fügestellen und Dichtigkeit durch eine geschlossene äußere Decklage. Bei der differenziellen Fertigung wird das Gehäuse aus einer Vielzahl einzelner Bauteile gefügt, die über Schweißen oder Kleben verbunden werden.
- Integrale Fertigung
- Gehäusewände durch keilförmige bzw. rechteckige Aussparungen – Reduktion der Fügestellen, Dichtigkeit durch geschlossene äußere Decklage.
- Differentiale Fertigung
- Gehäuse aus einer Vielzahl einzelner Bauteile, die über Schweißen oder Kleben miteinander gefügt werden.
Welche Vorteile bietet ein Batteriegehäuse aus Metallschaum?
Das Batteriegehäuse aus Metallschaum kombiniert geringes Gewicht mit Sicherheit und Funktion: Es ist nicht brennbar, entwickelt keine toxischen Gase, ist wasserdicht und zu 100 % recycelbar; die Materialprüfung von AAS und SAS nach DIN EN 45545-2 ergab eine Eingruppierung in HL3, ein Zertifikat wurde dazu nicht beantragt. Eingeschäumte Rohre und die hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen ein effizientes Heiz- und Kühlsystem; die rein metallische Bindung kommt ohne Klebstoffe aus.
- geringes Gewicht; Bauteile sind einschäumbar
- eingeschäumte Rohre und hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen ein effizientes Heiz- und Kühlsystem
- nicht brennbar (DIN EN 45545-2: Eingruppierung in HL3); keine toxischen Gase
- wasserdicht; Energieabsorption und gutes Crash-Verhalten (geprüft mit Seitencrashtest und Pollertest, den Pollertest in Simulation und im realen Versuch)
- Absorption von Schwingungen, Erschütterungen, Vibrationen und Geräuschen
- einfache mechanische Bearbeitung möglich (Bohren, Sägen, Fräsen, Schweißen); reparaturfähig
- verschiedene Legierungen möglich; rein metallische Bindung; 100 % recycelbar
- gute elektromagnetische Abschirmung
Aufbau und Kühlung
Wie ist das Batteriegehäuse aufgebaut?
Auch gefragt: Woraus besteht die Batteriebox? · Wie wird die Dichtheit erreicht?
Das Batteriegehäuse von Havel metal foam besteht vollständig aus Aluminiumschaum-Sandwiches; die Außenmaße folgen der Kundenspezifikation. Die Bodenplatte ist ein durchgehendes Sandwich, weil Festigkeit und Dichtheit an dieser Fläche zusammen gefordert sind. Die Wände entstehen entweder integral, mit keil- oder rechteckförmigen Aussparungen und einer geschlossenen Außenhaut, oder differenziell aus vielen Einzelteilen. Sandwichstege zwischen den Zellen wirken zugleich als Abstandhalter und als Crashabsorber. Entwickelt wurde das Gehäuse gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.
- Quellen
- Markeninhalte
Wie wird die Kühlung in das Gehäuse integriert?
Auch gefragt: Können Kühlrohre eingeschäumt werden? · Wird bei der Kühlung geklebt?
Havel metal foam bietet zwei Wege, und sie unterscheiden sich genau an einer Stelle. Direkt heißt, das Rohrsystem wird beim Aufschäumen in den Schaumkern eingeschäumt; die metallische Bindung der Decklagen bleibt dabei möglich, der Verbund also klebstofffrei. Nachträglich heißt, das Rohrsystem wird in einen bearbeiteten Kern eingelegt und die Deckplatten werden anschließend aufgeklebt. Diese Route ist eine der beiden Ausnahmen von der Klebstofffreiheit. Je nach Kerndicke können die Hohlräume zusätzliche Leitungen führen oder Medien direkt durchströmen lassen.
- Quellen
- Markeninhalte
Welche Temperaturgrenzen gelten für die Zellen?
Auch gefragt: Warum braucht die Batterie ein Thermomanagement? · Ist das Gehäuse dicht?
Havel metal foam legt für die Zellen drei Schwellen zugrunde: Unter 0 °C sinkt die Reichweite deutlich, über 30 °C nimmt die Alterung stark zu, und über 40 °C kann irreversibler Schaden entstehen. Das Gehäuse arbeitet damit gegen ein schmales Fenster, weshalb Wärmeleitfähigkeit und Kühlintegration hier mehr zählen als bei anderen Bauteilen. In 3D-geformter Ausführung ist der Werkstoff heliumdicht bis 10 bar; für Feststoffbatterien kommen Dichten um 0,7 g/cm³ und die 3D-Formbarkeit als passende Eigenschaften hinzu.
- Quellen
- Markeninhalte
Aufprallversuche
Wie viel Verformung erreicht die Batterieseite bei einem Unterbodenaufprall?
Auch gefragt: Was ergab der Intrusionsversuch? · Wie wurde der Unterbodenaufprall untersucht?
Havel metal foam hat das Batteriegehäuse dazu im Projekt EVERSAFE in Simulation und im realen Versuch untersucht: Ein Fahrzeug von 943 kg überfuhr bei 40 km/h ein halbrundes Hindernis, dessen Oberkante über dem tiefsten Punkt des Gehäuses lag. Bei AAS 22 verformte sich die Aufprallseite um 15,7 mm, die Batterieseite dagegen nur um 2,3 mm, bei einer Kernverdichtung von 13,4 mm. Bei AAS 28 sind es 14,6 mm, 1,6 mm und 13,0 mm. Der Kern nimmt die Verformung also auf, statt sie durchzuleiten.
- Quellen
- Markeninhalte
Was ergab der Pollertest?
Auch gefragt: Wie wirkt sich die Sandwichdicke aus? · Nach welcher Norm wird das Druckverhalten bewertet?
Im Pollertest derselben EVERSAFE-Reihen von Havel metal foam, in Simulation und im realen Versuch, verformte sich bei AAS 15 die Aufprallseite um 18,3 mm und die Batterieseite um 10,0 mm, bei einer Verdichtung von 8,3 mm. Bei AAS 28 sind es 23,7 mm, 7,8 mm und 15,9 mm. Das dickere Sandwich verdichtet also annähernd doppelt so stark und lässt weniger durch, was die Auslegungsregel für dieses Bauteil ist: Schutz kommt aus dem Verformungsweg und nicht aus der Steifigkeit. Bewertungsgrundlage für das Druckverhalten ist die DIN 50134, die Kompressionsprüfung von metallischem Zellmaterial.
- Quellen
- Markeninhalte
Bauteile und Reifegrad
Welche Bauteile gibt es und wie weit sind sie entwickelt?
Auch gefragt: Ist das Serie oder Studie? · Welche Teile sind lieferbar?
Havel metal foam ordnet die Bauteile Stufen zu. In Serie mit über 3.500 Stück läuft die Batterie-Schutzplatte gegen Seitenaufprall, Aluminiumschaum-Sandwich mit 3 mm Decklagen, rund 1.000 × 700 mm und etwa 30 kg. In Kleinserie läuft die Batterie-Bodenplatte für leichte Nutzfahrzeuge, AAS 20-2-2, etwa 2.800 × 1.300 mm, 70 kg, lasergeschnitten mit eingeschweißten Inserts; eine zweite Bodenplatte für ein leichtes Fahrzeug misst rund 1.100 × 900 mm bei etwa 15 kg und trägt asymmetrische Decklagen von 1,5 und 2,5 mm. In Nullserie sind die Zellentrenner aus reinem Aluminiumschaum, in Form geschäumt, 300 bis 900 mm lang und unter 1.500 g je Satz. Als Prototypen laufen die seitlichen Crashelemente, in Form geschäumt, etwa 650 × 600 mm und rund 12,5 kg. Als Studie geführt sind der Batteriedeckel mit etwa 7 mm reinem Schaum und rund 11 kg sowie der Gehäuserahmen.
- Quellen
- Markeninhalte
Gibt es auch ein Gehäuse für stationäre Energiespeicher?
Auch gefragt: Wird der Werkstoff für Batteriespeicher eingesetzt? · Was schützt bei einem Zellversagen?
Ja. Havel metal foam führt ein Gehäuse für stationäre Energiespeicher aus SAS 20-2-2, also mit nur 4 mm Stahl in den Decklagen, ausgelegt auf Explosions- und Brandschutz für den Fall, dass Lithium-Ionen-Zellen versagen. Es ist damit ein anderes Produkt als das Fahrzeuggehäuse, mit einem anderen Lastfall: Beim stationären Speicher geht es nicht um Aufprall, sondern um die Beherrschung eines Zellversagens im Betrieb. Der Werkstoff bringt dafür Nichtbrennbarkeit und Energieabsorption in einem Bauteil zusammen.
- Quellen
- Markeninhalte
Projektanfrage in 2 Minuten – direkt ans Fachteam
Vom Lastenheft bis zur Serie – ohne Vertriebsschleife.
- Umgehende Antwort
- Kein Konto nötig
- Ihre Daten bleiben vertraulich