Batteriegehäuse aus Metallschaum für Kraftfahrzeuge

Batteriebox der Zukunft

Der Einsatz von Leichtbauteilen gewinnt für die Produktion von Fahrzeugen zunehmend an Bedeutung. Zukunftsweisende Entwicklungen von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen erreichen die Effizienzziele nur durch den konsequenten Einsatz von extrem leichten Materialien wie Aluminium. Aluminiumschaum verbindet viele Vorteile, wie extreme Leichtigkeit, Formbarkeit, Wiederverwertbarkeit sowie hervorragende Absorption und Leitfähigkeit und ist daher ideal für die Automobilindustrie der Zukunft.

HMF bietet ein auf den Kunden zugeschnittenes Produkt. Vom Zeichnungsteil bis zur Serienfertigung kommt alle aus einem Haus.

Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge

Eine zukunftsweisende Entwicklung der HMF ist das Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge. Geringes Gewicht, gutes Crashverhalten, hohe Steifigkeit und Möglichkeiten zur Temperaturregulierung prädestinieren diese neu entwickelten Fahrzeugkomponenten für den Einsatz in Elektrofahrzeugen.

Das Batteriegehäuse der Havel Lite®-Serie besteht komplett aus Aluminiumschaum-Sandwiches. Durch die vielseitigen Eigenschaften des Schaums ist das Produkt ideal für den Einsatz als Ummantelung von Batterien in der Automobilindustrie geeignet.

Trennwände aus Aluminiumschaumsandwiches zwischen den Batteriezellen fungieren als Abstandshalter und Crashabsorber. In den Aluminiumschaum können ebenfalls Profile oder Rohre zur Batteriekühlung integriert werden.

Fertigungstechnologien

  • Direktes Einschäumen eines Rohrsystems in den Metallschaumkern. Eine metallurgische Bindung der Deckbleche ist somit möglich.
  • Nachträgliches Einfügen des Rohrsystems in  den Metallschaumkern. Die Deckbleche werden nachträglich mit dem Metallschaum verklebt.

Entwicklung

Aktuelle Konstruktionen von Elektrofahrzeugen sind an konventionelle verbrennungsmotorische Fahrzeuge angelehnt, enthalten jedoch die sicherheitsrelevante Batterietechnologie meist im Bereich des Fahrzeugunterbodens. Der Schutz der Batteriemodule besitzt daher eine sehr hohe Priorität. Für den Schutz des Batteriesystems vor einer Crashbelastung von unten sind neue Lösungen und deren experimentelle Untersuchung erforderlich. Eine dieser neuen Lösungen ist der Schutz der Batteriezellen durch Sandwiches aus Aluminiumschaum mit Aluminium-Decklagen (AAS).

Versuchsreihen & Tests

Im EVERSAFE-Projekt wurde der Unterboden-Aufprall simuliert, bei dem ein Fahrzeug mit einer Masse von 943 kg und einer Geschwindigkeit von 40 km/h über ein halbrundes Hindernis fährt, dessen höchster Punkt höher als der niedrigste Batteriegehäusepunkt liegt. Infolge des Überfahrens kommt es zur Aufprallbelastung auf das Gehäuse.

Wärmeaustausch

Beim Einsatz von Lithium-Ionen-Akkus in Elektrofahrzeugen sind aus thermischer Sicht drei Hauptaspekte zu berücksichtigen:

  1. Bei Temperaturen unter 0 °C sinkt die Leistungsfähigkeit der Batterie und somit die Reichweite deutlich.
  2. Bei Temperaturen über 30 °C nimmt die Alterung der Batterie stark zu.
  3. Bei Temperaturen über 40 °C kann es zu einer irreversiblen Schädigung der Batterie kommen.

Die thermischen Einflüsse auf eine Batterie, wie Eigenwärme, bedingt durch den Batterieinnenwiderstand, Außentemperatur und Wärmeverluste, müssen daher durch Heizen oder Kühlen, kontrolliert und geregelt werden. 

Thermomanagement

Mit Hilfe der von uns angewandten Fertigungstechnologien ist es möglich, Rohre und Profile in den Metallschaum zu integrieren und so die guten Wärmeleiteigenschaften des Aluminiums zu nutzen. Abhängig von der Gesamtstärke des Aluminiumschaumkerns können die so geschaffenen Innenhohlräume für das Verlegen zusätzlicher Leitungen oder den direkten Durchfluss von Medien zur Kühlung bzw. Heizung der in dem Gehäuse installierten Batteriezellen genutzt werden.

Konstruktion

Die Abmessungen des Batteriegehäuses entsprechen dem Lastenheft des Kunden. Die Bodenplatte wird als durchgängiges Sandwich ausgeführt. Hierdurch soll die Anforderung an Dichtigkeit gewährleistet werden. Die Herstellung der Gehäusewände kann integral oder differential erfolgen.

  • Integrale Fertigung

Die Gehäusewände werden durch keilförmige bzw. rechteckige Aussparung hergestellt. Als Vorteile dieser Variante sind die Reduktion der Fügestellen und die Dichtigkeit durch eine geschlossene äußere Decklage zu nennen.

  • Differentiale Fertigung

Bei der differentialen Herstellung wird das Gehäuse aus einer Vielzahl einzelner Bauteile gefertigt, die über Schweißen oder Kleben miteinander gefügt werden.

Aluminiumschaum-Sandwiches mit integrierten Profilen für Batteriekühlung

Material: Aluminiumschaum, Maße: 975 mm x 536 mm x 55 mm, Materialstärke: 4 mm

Aluminiumschaum-Sandwiches zwischen Batterien als Distanzhalter und Crash-Absorber

Skizze zum Crashverhalten/Crash-Absorption Standard DIN 50134 – Kompressionstest von metallischen Zellmaterialien

Vorteile eines Batteriegehäuses aus Metallschaum

  • geringes Gewicht
  • Bauteile sind einschäumbar
  • eingeschäumte Rohre und hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglichen ein effizientes Heiz- und Kühlsystem
  • nicht brennbar, erfüllt Brandschutz-Norm (DIN EN 45545-2)
  • erreicht Feuerwiderstandsklassen z.B. E30 (DIN EN 13501-2, DIN EN 1363-1)
  • wasserdicht
  • Energieabsorption und gutes Crash-Verhalten (geprüft mit Seitencrashtest und Pollertest)
  • Absorption von Schwingungen, Erschütterungen, Vibrationen und Geräuschen
  • einfache mechanische Bearbeitung möglich (Bohren, Sägen, Fräsen, Schweißen)
  • reparaturfähig
  • verschiedene Legierungen möglich
  • rein metallische Bindung
  • 100 % recyclebar
  • keine toxischen Gase (DIN EN 45545-2)
  • gute elektromagnetische Abschirmung