Handtmann entwickelt Hochvolt-Batteriegehäuse

Handtmann entwickelt Hochvolt-Batteriegehäuse

Gleich drei verschiedene Module bilden den Hochvolt-Batteriebaukasten von Handtmann.

Illustrationen:

Handtmann Systemtechnik- Batteriekasten in Leichtbau.

Handtmann Systemtechnik- Batteriekasten in Leichtbau.

Handtmann-Batteriekasten-Leitungsführung-in-Guss

Handtmann Systemtechnik - Batteriekasten - Leitungsfuehrung in Guss.

Handtmann-Batteriesystem-Rahmen-Wabenstruktur

Handtmann Systemtechnik - Batteriesystem-Rahmen in Wabenstruktur.

Handtmann-Gewalzter-Boden-Kuehlkanäle-Batteriekasten

Handtmann Systemtechnik - Gewalzter Boden - Kuehlkanaele - Batteriekasten.

Handtmann-Honeycomb-Guss-Struktur

Handtmann Systemtechnik - Honeycomb-Guss-Struktur.

Handtmann-Tragstruktur-aus-dem-Extruder

Handtmann Systemtechnik - Tragstruktur aus dem Extruder.

Pressemeldung vom 12.08.2019

  • Handtmann entwickelt Hochvolt-Batteriegehäuse
  • Tragendes Leichtbau-System für die neue Generation von Elektrofahrzeugen
  • Flexible Anpassung an verschiedene Batteriesysteme
  • Leichtbautechnik in Aluminium fördert hohe Nutzlast
  • Einfacher Aufbau erlaubt vertretbare Kosten

Biberach, 12. August 2019. Der Hochvoltspeicher bildet jeweils das größte und teuerste Bauteil für ein Auto mit elektrischem Antrieb (BEV). Aluminium-Spezialist Handtmann in Biberach hat für die Technik der Hochvoltspeicher ein neues Baukasten-System entwickelt, das sich der Architektur im Fahrzeug einfach anpassen lässt.

Der Handtmann-Baukasten deckt von den Abmessungen her die übliche Gehäusegröße bis hin zu vier Quadratmeter großen Einheiten ab, die durch den freien Bauraum zwischen den Achsen des Fahrzeugs vorgegeben ist. Bei Bedarf nimmt so ein Batteriegehäuse 500 bis 700 Kilogramm Nutzlast an Batteriezellen auf, wobei das Gehäuse nach dem Baukastensystem von Handtmann je nach Ausführung bis zu 100 Kilogramm Gewichtsersparnis aufweisen kann.

Handtmann sorgt durch ausgeklügeltes Design der Gehäusestruktur dafür, dass die Batterie der Zukunft möglichst leicht ausfällt. Gängige Systeme weisen derzeit ein Batterie-Systemgewicht von bis 700 Kilogramm auf.

Bei den heute bekannten Baumustern bringt allein das Batteriegehäuse aus Stahlblech mitsamt Anschlusstechnik bis zu 200 Kilogramm auf die Waage. Die Handtmann Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie 30 bis 50 Prozent leichter ausfallen.

Drei Baumuster ermöglichen fortschrittlichen Leichtbau

Die drei Module des Baukasten-Systems sind gekennzeichnet durch verschiedene Materialgruppen, die für das Batteriegehäuse zum Einsatz kommen. Für das erste Baumuster, den Profil-Verbund, besteht der Rahmen aus extrudierten Profilen, die maschinell verschweißt werden. Für die zweite Bauart, der Hybrid-Bauweise, kommen für den Batteriekörper ebenfalls extrudierte Profile zum Einsatz. Dazu kommen hochintegrierte Funktionselemente aus Hockdruck-Aluminiumguss. Sie werden verschweißt mit den tragenden Aluprofilen aus dem Extruder. Für die dritte Variante besteht der gesamte Gehäuserahmen aus einem einzigen Aluminium-Druckguss-Bauteil.

Der Boden der Batteriegehäuse besteht einheitlich bei allen drei Baumustern aus gewalztem Aluminiumblech, wahlweise mit oder ohne zusätzliche Kühlkanäle.

1.    Der Profil-Verbund

Die extrudierten Profile für Träger und Seitenkästen sowie das Walzblech für den Boden zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus. In der Automobilindustrie bewähren sich diese Materialien mit Kennwerten zur Dehngrenze von Rp0.2 ≥ 290 MPa und einer Bruchdehnung von A50 > 10 % schon länger, beispielsweise für Crashboxen, die eine definierte Knautschzone aufweisen müssen.

Das extrudierte oder gewalzte Material ist für das Batteriegehäuse der Zukunft geradezu prädestiniert. Schlichte Baumuster lassen sich rationell herstellen, die Systemkosten liegen günstig, maschinell ausgeführte Schweissverfahren sind heute eine bewährte Routine. Die Kosten für so eine Konstruktion steigen allerdings exponentiell mit der Komplexität der Baugruppen, wie sie etwa im vorderen oder hinteren Bereich der Gehäuse für Durchführungen von Kabeln, Kühlleitungen und der Definition von Befestigungspunkten zur Karosserieanbindung notwendig sind. Bevor hier die Kosten für die Montage in großer Serie davonlaufen, lohnt sich jeweils der Blick auf die integrierte Hybridbauweise.

2.    Das Hybrid-Baumuster

Für die Hybridbauweise, die eine Kombination von Strangpressprofilen- und Aluminium Druckguss für den Gehäuserahmen vorsieht, sind nur wenige Verbindungspunkte notwendig. Gussteile werden gezielt nur dort eingesetzt, wo verwinkelte Geometrie und hohe Funktionsdichte verlangt sind, zum Beispiel bei Befestigungspunkten, Durchführungen für Kühlmittel und Hochspannungsleitungen. Durch die extrudierten Profile im Rahmen ergeben sich geschlossene Seitenkästen mit hohem Trägheitsmoment und guter Steifigkeit. Der Abgleich der Baulänge für extrudierte und gewalzte Profile erlaubt die einfache Skalierbarkeit des Batteriegehäuses auf verschiedene Grundrisse und Batterieformate. Skalierbare Batteriegrößen für verschiedene Fahrzeuggrößen und –ausführungen lassen sich dadurch ebenso einfach ausführen wie beim reinen Profil-Verbund.

3.    Hochdruck-Gießen für einteilige Gehäuserahmen

Das Hochdruck-Gussverfahren macht es möglich, den gesamten umlaufenden Rahmen des Batteriegehäuses zusammen mit allen komplex geformten Funktionsteilen an einem Stück herzustellen. Diese Architektur wird mit der Aluminium-Bodenplatte fest verschweißt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit, die Seitenstruktur für die definierte Kraftaufnahme im Druckguß mit einer Knautschzone für den Crashfall auszulegen, beispielsweise mit Topologie-optimierten Waben-Elementen.

Für die Nutzlast von einem 500 Kilogramm schweren Satz an Batteriezellen genügt bei dieser Bauart ein etwa 100 Kilogramm schweres Gussgehäuse – die sorgfältige Auslegung aller Schweiß- und Verbindungselemente vorausgesetzt. Im direkten Vergleich ergibt sich dadurch ein Gewichtsvorteil von etwa 30 Prozent gegenüber einer Stahlblech-Konstruktion nach der heute üblichen Auslegung, wobei die crash-sichere Auslegung und die Nutzlast als vergleichbare Größen erhalten bleiben.

Allein die Abmessungen setzen der Guss-Bauart logische Grenzen. Die Schließkräfte für die Gussform würden für allzu groß dimensionierte Gehäuse mit mehreren Quadratmetern Fläche astronomische Dimension annehmen und dabei die Grenzen des technisch Machbaren überschreiten. Für kompaktere Gehäuse, wie sie für die Energiespeicher der Hybridantriebe (HV) oder Plug-In-Antriebe (PiH) im Format eines normalen Reisekoffers gebraucht werden, ist Druckguss aus Aluminium dagegen das ideale Herstellungsverfahren.

Vorteile für alle drei Bauweisen

Naheliegend war die Idee, für größere Baueinheiten eine Kombination aus Guss- und Extrusionsstruktur herzustellen und dadurch die Vorteile beider Layout-Varianten zu addieren. Die Kombination extrudierter Träger (Rp0.2 ≥ 350 MPa, A50>10%) mit gewalztem Blechboden für das Gehäuse führt zu einer optimierten Schweißkonstruktion, die bedeutende Vorteile für den Leichtbau aufweist.

Nach ausgedehnten Versuchen ergaben sich bei Handtmann Vorteile für eine sortenreine Lösung. So ein Baumuster kann im maschinellen Schweissverfahren bei hoher Automatisierung entstehen. Extrudierte Aluprofile bilden hier die tragenden Strukturen. Solange sich der vordere und hintere Gehäusebereich mit einfacher Geometrie ausführen lassen, bietet die reine Profilstruktur klare Vorteile: Das Gehäusegewicht kann den Bestwert von rund 50 Kilogramm erreichen. Auch in diesem Fall ist die gesamte Konstruktion ausgelegt für etwa 500 Kilogramm Traglast der Batteriezellen. Weitere Steigerungen sind auch bei diesem System durch gezielte Weiterentwicklung möglich.

Allerdings fordert diese Bauweise des Batteriegehäuses ein paar Besonderheiten. Sollen alle Anschlüsse für Kühlung, Lade- und Fahrstrom sowie das komplette Thermomanagement in hoher Integration auf engem Raum unterbracht werden, dann ist ein hohes Fertigungs-Know-how gefragt. Schweißkonstruktionen stoßen rasch an ihre Grenzen. Die Bauart sollte in vielen Fällen im Bereich der Funktionsknoten mit gegossenen Strukturen ergänzt werden – und das führt auf logischen Pfaden zielstrebig zum Hybrid-Baumuster nach dem Handtmann-Baukasten.

Der funktionelle Umfang ist bei allen Baumustern gleich

Alle drei Baumuster decken den gleichen funktionalen Umfang ab. Bei allen vorgestellten Lösungen sind die Aggregate und Leitungen für Lade- und Fahrstrom, das Thermomanagement und für die Systemkontrolle strukturell integriert. Um sowohl den Montageaufwand, als auch die Systemkosten direkt vergleichen zu können, wurden die verschiedenen Elemente vorweg konstruktiv definiert:

 

  • Aufnahme der Batteriemodule
  • Flüssigkeitskühlung mit Anschlüssen für die Kühlmittelführung
  • Einbindung der Karosserie-Anbindungspunkte
  • Umlaufender Rahmen mit Knautschzone
  • HV-Steckverbindungen und Kabeldurchführungen
  • An- und Unterfahrschutz

Die innere Struktur des Batteriegehäuses weist jeweils Profile auf, die nicht nur als Stütze für die einzelnen Fächer der Batteriezellen dienen. Sie stellen zugleich geeignete Lastpfade für den Crashfall zur Verfügung, ebenso die Leitungen für Kühlmittel und Systemkontrolle. Der Vorteil: Nichts an den drei Baumustern des Handtmann- Baukastensystems ist aufwendig oder kostentreibend. Alles bleibt einfach skalierbar.

Thema Crashsicherheit und Kraftaufnahme

Repräsentativ für eine realistische Belastung ist der sogenannte Crush-Test mit 200 kN nach Norm GB/T 31467.3-2015. Der Test simuliert den Widerstand des Gehäuses gegen einen Pfahlaufprall unter definierten Bedingungen. Im Gehäuse dürfen durch den Test keine Deformationen auftreten, um Kurzschlüsse zwischen den Zellen sicher auszuschließen.

Ausführliche Versuchsreihen bei Handtmann haben bewiesen, dass kein Versagen in der tragenden Struktur auftritt und keine Deformation der inneren Geometrie. Nach dem Test weisen die Zellabteile keine plastische Verformung auf. Es liegen vielmehr beträchtliche Sicherheitsreserven vor. Wo im Test etwa 200 kN Kraftaufnahme gefordert sind, ergeben sich teilweise Reserven von etwa 30 Prozent.

Für die Montage aller drei Baumuster kommen gleich mehrere technische Lösungen in Frage. Zusätzlich zum konventionellen MIG / MAG-Schweißen verfügt Handtmann über beträchtliche Erfahrungen im Laserschweißen sowie im FSW-Schweißverfahren (Friction Stir Welding = Reib-Rühr-Schweißen). Handtmann ist Experte für alle diese Verfahren und setzt sie bereits mit guter Routine in der Serienfertigung ein.

Die Entwicklung geht weiter

Mit dem Handtmann-Baukastensystem für Batteriegehäuse fällt die Anpassung an mehrere Auslegungs-Spezifika für die laufende Serie von BEV-Fahrzeugen leichter als zuvor. Der definierte Unterfahrschutz am Boden gehört ebenso dazu wie die zentralen Anschlüsse für das Kühlmittel, wahlweise für die Varianten mit innerer oder äußerer Kühlung.

Mit allen drei Bauarten sind Gehäusegewichte von 50 bis 100 Kilogramm je nach Bauweise machbar, die einen Gewichtsvorteil von 30 bis 50 Prozent zur Stahlblech-Bauweise ermöglichen. Dabei sind die Grenzen des Aluminium-Baukastensystems von der Dimensionierung her noch nicht ausgereizt. Handtmann fühlt sich heute schon dazu berufen, die Technik der Leichtbaukonstruktion für Hochvolt-Batteriegehäuse zu weiteren Höchstleistungen zu treiben.