Kampf um die Box

Ganz gleich, ob Sie sie Packs, Boxen oder Trays nennen: Die Strukturen, die die Batteriezellen von Elektrofahrzeugen umhüllen und schützen, sowie die unterstützende elektrische und thermische Management-Hardware gehören zu den obersten Subsystemprioritäten der Branche. Die Optimierung des Batteriepakets erfordert eine Vielzahl von Herstellungs- und Materialentscheidungen, Kompromisse bei Masse und Verpackung, Sicherheitsbestimmungen sowie strukturelle Design- und Konstruktionsherausforderungen, erklärten OEM- und Zuliefererexperten gegenüber SAE Media.

„Möchten Sie, dass das Batteriepaket im Fahrzeug verschraubt oder in die Karosseriestruktur integriert wird?“ fragte Darren Womack, Senior Department Manager, Body and Structures, bei Magnas globaler Forschungs- und Entwicklungsgruppe. Heißprägen, Kaltprägen, Rollformen, Hydroformen, Guss und Stahl, Aluminium, Verbundwerkstoffe und Thermoplaste – sie alle lösen „lebendige Diskussionen“ in der Verpackungsentwicklung aus, sagte er kürzlich bei einem Analystentreffen.

OEMs wollen eindeutig redundante Strukturen eliminieren, um den Bauraum zu optimieren und Masse und Komplexität zu reduzieren, sagte Womack. Die Integration der EV-Batterie in die umgebende Plattform erfordert verschiedene Konfigurationen. Das Cell-to-Pack-Design, das derzeit bei BYD produziert wird, macht den Zwischenmodulschritt überflüssig und platziert die Zellen direkt im Pack. Die Cell-to-Chassis-Technologie integriert die Batteriezelle in das Fahrzeugchassis, den Elektroantrieb und das Wärmemanagement. Alle Batteriekomponenten sind in der Rohkarosserie des Fahrzeugs untergebracht, sodass kein separates Gehäuse erforderlich ist.

Bei solchen Aufbauten, die von Tesla und anderen untersucht werden, fungieren die Fahrgestellwanne und die Fahrzeugseitenstruktur gleichzeitig als Bodenplatte und Seiten der Batterie. Dabei sind Schlagfestigkeit, präzise Packungsmontage und robuste Versiegelung von größter Bedeutung.

„Jeder OEM möchte ein ‚Playbook‘ – ein Menü mit Optionen basierend auf seinen Kriterien, einschließlich Zellenformfaktor, Batteriegröße und Fahrzeug“, erklärt Mario Greco, Direktor für Strategie und Marketing, Global Automotive, beim Aluminiumspezialisten Novelis. „Keine einzelne Lösung für Batteriegehäuse wird für jeden geeignet sein.“

Eine großvolumige Lösung kann beispielsweise ein gestanztes, einteiliges Gehäuse sein. Es könnte eine integrierte Kühlstruktur umfassen, da sich die Fahrzeugarchitektur für ein Zelle-zu-Chassis-Design statt für ein Zelle-zu-Pack-Design eignet, sagte er. „Ich denke, wir werden eine Konvergenz zwischen dem ‚Skateboard‘ und den Unibody-Architekturen der nächsten Generation sehen“, sagte Greco, „denn die etablierten OEMs, die in Elektrofahrzeuge einsteigen, verfügen über völlig neue Unibody-Architekturen, die darauf ausgelegt sind, ihnen eine ganze Weile zu dienen.“ während."

Trotz der erheblichen Massenbelastung durch flüssigkeitsgekühlte Lithium-Batteriepakete sind laut Gregor Klement, Global Chief Engineer, Battery Trays, bei Magna, Verbesserungen bei der Massenreduzierung bei Elektrofahrzeugen immer noch möglich. „Mit Blick auf die Zukunft sehen wir eine immer stärkere Integration der Batterie in die Fahrzeugkarosserie“, sagte er, wobei sowohl Leichtmetalle als auch Verbundwerkstoffe eine Rolle spielen. „Magna R&D arbeitet an Cell-to-Chassis-Lösungen, und wir sehen, dass Kunden in eine ähnliche Richtung blicken. Durch den Verzicht auf überflüssige Strukturteile sehen wir Möglichkeiten für eine deutliche Gewichts- und Kostenverbesserung.“ Aber er geht davon aus, dass das Batteriegewicht wahrscheinlich nie vollständig ausgeglichen werden wird.

„Da sich die Fahrzeugelektrifizierung noch in der Anfangsphase befindet, ist die Entwicklung vieler EV-Subsysteme auf dem kritischen Weg“, sagte Jeremy Loveday, Program Engineering Manager für Cadillacs Superluxury 2024 Celestiq. In diesem Szenario bieten Tier-1-Unternehmen sowohl Nah- als auch Fernlösungen für die OEM-Bewertung an. Das Ende 2022 vorgestellte 3-in-1-Batteriekastenkonzept von DuPont ist ein neues Beispiel für modulares Design, das Zellkühlung, elektrische Verbindung und Strukturkomponenten vereint. Sein Gehäuse besteht aus Zytel HTN des Unternehmens, einem Polyamid auf Nylonbasis, das hohen Temperaturen standhält.

Laut Frank Billotto, Business-Development Leader für Batteriematerialien in der Mobility and Materials-Gruppe von DuPont, bietet das Konzept eine halbdirekte Kühlung (Zellen werden durch ihre Laschen gekühlt) und eine einfache Montage über elektrische Verbindungen. Er sagte, das Design ermögliche Batterien mit größerer Energiedichte und verbessere so die Fahrzeugreichweite und Paketeffizienz.

Der „Kampf um die Box“ hat bei Ingenieuren und Materialwissenschaftlern eine neue Welle der Kreativität ausgelöst. Ungefähr 80 Prozent der aktuellen Elektrofahrzeuge verfügen über ein Batteriegehäuse aus Aluminium, aber Ingenieure stellen schnell fest, dass das Feld für Alternativen je nach Fahrzeugtyp, Betriebszyklen, Volumen und Kosten weit offen ist.

„Ich denke, wir werden in Zukunft mehr Gehäuse aus leichtem Stahl sehen, vor allem bei kleineren Fahrzeugen mit geringerer Reichweite“, sagte Dr. Andreas Asfeth, Technischer Direktor für North American Automotive bei Constellium, einem Spezialisten für Aluminium-Strangpressteile und -Bleche. Er würdigte die „hohe Kostenwettbewerbsfähigkeit“ von Stahl und sagte, der erhebliche Gewichtsvorteil des Eisenmetalls gegenüber Aluminium sei bei Batterien für Kleinfahrzeuge kein großes Problem.

Aber bei größeren Fahrzeugen mit großer Reichweite „repräsentiert die Batterie den Wert des Fahrzeugs. Je größer die Batterie, desto mehr Aluminium ist für Batteriepakete sinnvoll“, fügte Asfeth hinzu.

Batteriegehäuse aus Aluminium bieten in der Regel eine Gewichtseinsparung von 40 Prozent im Vergleich zu einer gleichwertigen Stahlkonstruktion. Laut Asfeth sind die Legierungen, die sich am besten für Batteriegehäuse eignen, die Al-Si-Mg-Cu-Familie der 6000er-Serie – Legierungen, die auch gut mit dem Recycling am Ende der Lebensdauer kompatibel sind, sagte er. Die derzeit hochmoderne Lösung für Bodenplatten sei die hochfeste 6111-Legierung im Peak-Age-Temper, die das Gewicht im Vergleich zur Referenzlegierung 5754 O-Temper um 30 Prozent reduziert, sagte er.

Constellium beschäftigt sich intensiv mit den Aufprallanforderungen von Fahrzeugen und entwickelt laut Asfeth eine „kostengünstige“ Legierung der 4xxx-Serie mit einem E-Modul von 80 GPa und einer Streckgrenze von 350 MPa. Die Legierung bietet Potenzial für eine Gewichtsreduzierung von 40 Prozent. Er fügte hinzu, dass die Stärken und Breiten der 4xxx-Serie der Legierung der 6000er-Serie ähneln und mit der herkömmlichen Kaltumformung kompatibel sind.

Die leistungsstarke 6xxx-Serie von Aluminium wird in zwei verschiedenen fortschrittlichen Strangpresslegierungen verwendet, die einem aktuellen Constellium-Prototyp eines Dual-Frame-Gehäuses zugrunde liegen. Der Innenrahmen (eine zweite Stütze zum Schutz der Zellen bei einem Aufprall) besteht aus festigkeitsoptimiertem 6000 (HSA6-Familie). Die als Knautschzone ausgeführte äußere Verstärkung ist eine duktile 6000er-Legierung, HCA6-Familie. Das Packdesign könnte sich jedoch ändern, wenn die Industrie auf Festkörper-Lithiumbatterien umsteige, sagte Asfeth. „Wir sehen möglicherweise eine gewisse tragende Funktion in den Festkörperbatteriezellen selbst und daher weniger strukturelle Anforderungen an das Gehäuse“, sagte er.

Lieferanten von Verbundwerkstoffen und Kunststoffen lassen sich von der derzeitigen Dominanz von Aluminium bei Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge nicht abschrecken. Sie entwickeln neue Formulierungen und Prozesse, die darauf abzielen, die Leistung und Kostenwettbewerbsfähigkeit des Leichtmetalls zu erreichen oder zu übertreffen.

„Aktuelle Batteriepacks verwenden viel Metall, das nicht optimiert ist. Sie wurden unter Verwendung bestehender Materialien und Technologien entwickelt“, sagte Dhanendra Nagwanshi, Global Automotive Leader, EV Batteries and Electricals, beim Thermoplast-Giganten SABIC. Er argumentiert, dass Thermoplaste der neuen Generation im Vergleich zu Aluminium je nach Anwendung eine Masseeinsparung von 30 bis 50 Prozent bieten. Außerdem bieten sie eine gleiche oder bessere Schlagfestigkeit, geringere Kosten durch vereinfachte Montage und eine geringere Umweltbelastung als Aluminium, behauptete er.

Die neueste Innovation von SABIC zielt direkt auf eine der Schwächen von Aluminium ab – seine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit. Aluminium beginnt bei etwa 1166 °F zu schmelzen; Temperaturen, die durch ein internes thermisches Durchgehen erzeugt werden, können zu Batteriebränden von bis zu 2012 °F führen.

Nagwanshi verwies auf SABICs Entwicklung eines neuen Stamax FR-Langglasfaser-PP mit „einzigartigen“ flammhemmenden Eigenschaften. „Wenn das Material mit Feuer in Kontakt kommt, verkohlt es. Die Verkohlung wird dann zu einer Isolierschicht“, sagte er. Die auf der UL2596-Norm für Batteriegehäusematerialien basierenden Tests des Unternehmens zeigten, dass der Kunststoff 30 Minuten lang 1832 °F aushalten kann – „eine Temperaturschwelle, bei der Aluminium perforieren würde“, fügte er hinzu.

SABIC produziert derzeit eine schwer entflammbare PP-Batteriepackabdeckung, die von Honda auf dem chinesischen Markt verwendet wird. Die Abdeckung macht Wärmedecken überflüssig und reduziert das Gewicht im Vergleich zu einer ähnlichen Metallabdeckung um 40 Prozent.

Prototypen thermoplastischer Batteriepacks und Module der nächsten Generation sind in der Entwicklung. Das in Rhode Island ansässige Unternehmen Tri-Mack Plastics stellte kürzlich leichte, hochfeste Gehäuse vor, die aus nur acht Lagen unidirektional kohlenstofffaserverstärktem thermoplastischem Verbundwerkstoff (TPC) mit einer Dicke von einem Millimeter (0,040 Zoll) bestehen. Ben Lamm, Process Engineering Manager des Unternehmens, sagte, dass das Material in Kombination mit dem Herstellungsprozess von Tri-Mack neue Möglichkeiten für die Teilegeometrie, die Teilekonsolidierung und integrierte EMI-Gegenmaßnahmen bietet.

Neue Varianten bewährter Harzfamilien und -mischungen zielen auch auf das Batteriegehäuse ab. Zu den Projekten von SABIC gehört ein Vollkunststoff-Batterieträger für Elektrofahrzeuge mit integrierten Kühlkanälen und Aufprallschutzelementen. Laut Nagwanshi bietet es eine Gewichtsreduzierung von bis zu 12 Prozent im Vergleich zu einer Aluminiumverpackung. Darüber hinaus sind integrierte Kunststoff-Metall-Hybridstrukturen auf Basis des Langglasfaser-PP Stamax FR in Planung. Tests haben gezeigt, dass die Strukturen die Falltestanforderungen erfüllen. Ingenieure sind von seiner Fähigkeit begeistert, erhebliche Energie zu absorbieren, wie sie bei Fahrzeug-Seitenaufpralltests erforderlich wäre.

Nagwanshi hält duroplastische Kunststoffe wie SMC in mancher Hinsicht für einen Konkurrenten, kritisiert jedoch, dass der Materialtyp aufgrund der Notwendigkeit einer Wärmedecke und der sekundären Herstellungsvorgänge „nicht optimiert“ sei. „Und Duroplaste kann man nicht recyceln“, fügte er hinzu.

Hugh Foran könnte mit seinem Branchenkollegen nicht einverstanden sein. Als Direktor für neue Geschäftsentwicklung/neue Märkte bei Teijin Automotive Technologies (Lieferant der duroplastischen Außenverkleidungen der C8 Corvette) sagte er, dass SMC-Mahlgut zahlreiche Zweitverwendungsanwendungen bietet. Für den Elektrofahrzeugmarkt hat sich Teijin zu einem wichtigen Anbieter von Abdeckungen für Batteriekästen aus Duroplast entwickelt.

„Wir haben über 30 davon für verschiedene Elektrofahrzeuge in Produktion“, sagte Foran gegenüber SAE Media. Obere Abdeckungen bestehen in der Regel aus feuerhemmendem Polymer oder Stahlblech, das innerem Feuer länger standhält als Aluminium und einen Aufprallschutz bietet. Doch der in Japan ansässige Anbieter blickt über die reine Packungshülle hinaus. Teijin hat auch einige Prototypen von Batteriekastenteilen aus Phenolharz geformt, die einer Hitze von bis zu 1.100 °F standhalten, und stellt sie Kunden zum Testen zur Verfügung.

Wird sich das Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge im Jahr 2028 deutlich von dem im Jahr 2023 unterscheiden? „Bei einigen Kunden sehen wir, dass in den nächsten Jahren die Umstellung auf Strukturbatterien und Cell-to-Chassis beginnen wird“, sagte Klement von Magna. „Andere sind in der Konzeptphase. Es ist nicht mehr weit, aber ich bin mir nicht sicher, ob jeder in diese Richtung gehen wird.“

Dieser Artikel wurde von Lindsay Brooke, Chefredakteurin der Zeitschrift Automotive Engineering, SAE Media Group, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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