Innovationen rund um die moderne Elektromobilität
Anforderungen durch die Elektromobilität
Die Elektromobilität gehört aktuell zu den vier Megatrends in der automobilen Welt. Reduzierung von Emissionen wie CO2, NOX oder Feinstaub sind in aller Munde. Weitreichende Veränderungen im Mobilitätsverhalten stellen insbesondere die Fahrzeughersteller, aber auch Automobilzulieferer wie HEYCO täglich vor neue Herausforderungen.
Wir von HEYCO haben uns schon frühzeitig darauf eingestellt und arbeiten deshalb eng mit unseren Kunden an den Mobilitätskonzepten der Zukunft. Dabei geht es sowohl um spezifische Bauteile, die ausschließlich in der Elektromobilität eingesetzt werden, aber natürlich auch um Bauteile, die aus dem klassischen Fahrzeugbau übernommen wurden.
Das können Komponenten rund um die Batterie sein, der Kernkomponente der Elektromobilität, aber auch angrenzende Bauteile, welche die relevanten Bauräume vor Außeneinflüssen schützen. Diese Mehrkomponenten-Abdeckungen und Strukturelemente integrieren dabei in der Regel mehrere Funktionen und dienen vor allem der Funktionssicherheit des Gesamtfahrzeugs und dem Schutz von Passagieren im Crash- oder Brandfall.
Die HEYCO-Gruppe ist durch ihre breite Aufstellung prädestiniert, um hybride und funktionsübergreifende Komponenten aus Metall, Kunststoff und technischen Textilien herzustellen, die höchsten Ansprüchen an automobile Sicherheit gerecht werden. Dabei kennen wir uns mit allen gängigen Automotive-Anforderungen ebenso aus, wie mit agilen Simultaneous Engineering-Projekten – ein Asset, welches bei dieser sich schnell entwickelnden Technologie besonders wichtig ist.
Batterie
Die zentralen Elemente des Batteriesystems sind die einzelnen Batteriezellen, die im Wesentlichen im Fahrzeug in drei Formaten vorkommen. Sowohl die an herkömmliche Batterien erinnernden Rundzellen, als auch die flachen Pouch-Zellen oder prismatischen Zellen bieten eine hohe Energiedichte und werden in Abhängigkeit der Fahrzeugarchitektur entsprechend ausgewählt.
Die HEYCO-Gruppe ist seit Jahren in gemeinsamen Entwicklungsprojekten direkt mit seinen Kunden und hat rund um die Batterie bereits zahlreiche Bauteile in der Fertigung. Neben den eigentlichen Zellrahmen zur Aufnahme von Rundzellen und deren zentralen Versorgung mit Kühlmedien gehören die Themen Brandschutz und Crashsicherheit zu HEYCOs Kernkompetenzen.
Zellrahmen (HEYCO) bestückt mit 40 Rundzellen. Gut zu erkennen sind die unterschiedlichen Materialien (schwarz/hart und gelb/weich) sowie die umspritzten Metalleinleger. (Quelle: AMG)
Zellrahmen
Der Zellrahmen ist das zentrale Bauteil im Batteriekasten und dient der Aufnahme sowie der Kühlung der Rundzellen. Die hohe Komplexität ist durch einen Aufbau mit mehreren Materialien im 2-K-Spritzguss bei gleichzeitiger Umspritzung von Metalleinlegern aus einer Speziallegierung gegeben.
Die harte Komponente der Spritzguss-Materialien dient der Formstabilität und gewährleistet eine geometrisch exakte Aufnahme der Rundzellen, die weiche Komponente stellt die Dichtigkeit des von einem Kühlmedium durchflossenen Systems sicher.
Die Metalleinleger dienen der Kontaktierung der Rundzellen und gewährleisten durch Zusammenschalten die hohe Energiedichte des Gesamtsystems.
Der komplexe und voll automatische Fertigungsprozess der Batteriezellrahmen umfasst neben dem bereits erwähnten Mehrkomponenten-Spritzguss zahlreiche weitere Operationen wie Laserschweißen, Laser-Beschriften, Hochvoltprüfen und Biegen der Kontaktfahnen.
Vollautomatische Mehrkomponenten- Spritzgussmaschine mit Drehteller
(Quelle: HEYCO)
Sondermaschine zum Umbiegen der umspritzten Metalleinleger zu Kontaktfahnen
(Quelle: HEYCO)
Laserschweißmaschine zur Verbindung der unterschiedlichen Batteriekomponenten
(Quelle: HEYCO)
Flamm- und Brandschutzausrüstung
Elektroautos haben nach neuesten Erkenntnissen kein höheres Brandrisiko als herkömmliche Autos mit Verbrennungsmotoren. Ebenso können Elektrofahrzeuge von den Einsatzkräften der Feuerwehr gelöscht werden, wobei die Brandbekämpfung unter Umständen komplexer ist.
Dennoch kommt dem Thema des Brandschutzes in Verbindung mit Elektrofahrzeugen eine besondere Bedeutung zu. Während bis heute vorwiegend auf konventionelle Karosserieformen gesetzt wurde, bei denen der Verbrennungsmotor durch das Batteriesystem ersetzt wurde, kommen bei den neuen und zukünftigen Automodellen andere Fahrzeugarchitekturen zum Einsatz.
Dabei werden die Batteriesysteme teilweise als tragende Elemente in die Karosse integriert. Da sich damit die Batterien in unmittelbarer Nähe der Passagierkabine befinden, kommt dem Insassenschutz im Havariefall eine ganz besondere Bedeutung zu.
Hier bietet die HEYCO-Gruppe mit der dazu gehörenden CARL STEINMANN Kunststoffverarbeitung GmbH eine Vielzahl an Lösungen an, welche die Ausbreitung eines Brandes lange genug verhindern, um allen Insassen die Möglichkeit zu geben, sich aus der Gefahrenzone zu begeben.
Anordnung der Batteriemodule im VW ID.3
(Quelle: Volkswagen)
Hybridkomponenten aus Kunststoff und Brandschutzmaterialien
Aktuelle Tests des ADAC haben gezeigt, dass Fahrzeugbrände bei Elektrofahrzeugen nicht häufiger vorkommen als bei herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen. Sollte dennoch der unwahrscheinliche Fall eines unkontrollierten Batteriebrandes, des sogenannten „Thermal Runaway“, eintreten, so muss durch externen Brandschutz gewährleistet werden, dass die Insassen sicher das Fahrzeug verlassen können.
Dazu werden über die entsprechenden Teile des Batteriesystems Schutzelemente aus speziellen Brandhemmern und aufgebrachten Brandschutzmaterialien positioniert. Diese weisen neben einer entsprechend hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit vor allem eine hohe Hitzebeständigkeit über einen definierten Zeitraum auf.
Brandschutzmaterial (Typ CS-TL 0005) der CARL STEINMANN Kunststoffverarbeitung GmbH aufgebracht auf eine Aluminiumplatte.
Vorteile des Materials:
- Flexibel im Originalzustand
- Sehr geringe Dicke
- Höchste Hitzebeständigkeit
- Geringes Gewicht
Die HEYCO-Gruppe liefert heute bereits entsprechende Brandschutzmaterialien für Hochvolt-Batteriesysteme in Serie.
Diese Materialgruppe kann in Abhängigkeit der Anforderung flexibel für den jeweiligen Einsatzzweck modifiziert werden und zeichnet sich durch seine hervorragenden Brandschutzeigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht und Dicke aus. Das STEINMANN-Material widersteht einer direkten Flammeneinwirkung von 1400°C länger als 10 Minuten und erfüllt auch mit allen weiteren Eigenschaften sämtliche Anforderungen, die von den Automobilherstellern für die Insassensicherheit spezifiziert sind. Dabei ist das Material zusätzlich besonders reiß- und schnittfest, sauber und gut zu verarbeiten.
Durch Zusammenarbeit der HEYCO- und STEINMANN-Entwicklungsexperten konnten innovative Hybridkomponenten entwickelt und getestet werden. Dazu wurden entsprechende Abdeckungen und Rahmenteile mit dem STEINMANN-Material versehen und erfolgreich den üblichen Tests unterzogen. Das Ergebnis: das Brandschutzmaterial lässt sich je nach Anwendungsfall und Positionierung im Fahrzeug sowohl mit speziellen Kunststoffmaterialien umspritzen oder auf diesen ultraschallverschweißen.
Diese Ergebnisse eröffnen einen großen Lösungsraum für leichte und formangepasste Kunststoffabdeckungen, die zusätzlich mit Brandschutzmaterial bestückt sind. Zudem sind solche Komponenten kostengünstiger als alternative Aluminiumplatten.
Mögliche Einsatzgebiete sind Abdeckungen und Brandschotts in Batterien mit Rund-, Pouch- oder prismatischen Zellen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, weitere Funktionen wie eine Kühlung zu integrieren oder andere Baugruppen zu montieren.
Beispiel für ein Rahmenteil aus Kunststoffspritzguss (blau) mit passend aufgebrachtem Brandschutzmaterial.
(Quelle: HEYCO)
Mica-Komponenten
Eine weitere Gruppe der Brandschutz-Komponenten aus dem Hause Carl Steinmann sind konfektionierte Platten aus Mica-Material. Mica oder Glimmer sind Schichtsilikate aus der Gruppe der Glimmermineralien, welche mit Kunstharz zu Platten unterschiedlicher Dicke gepresst werden können. Eine geringe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig höchster Temperaturbeständigkeit zeichnet das Mica-Material als geeignetes Brandschutzmaterial zum Einsatz im Fahrzeug aus.
STEINMANN konfektioniert Mica-Platten mit Laserschneideanlagen so, dass sie exakt oberhalb der Batteriesysteme angebracht werden können und den Flammendurchschlag in die Fahrgastzelle ausreichend lange unterbinden.
Die Vorteile der konfektionierten Mica-Platten sind seine sehr guten elektrischen Isolations- und Wärmeleiteigenschaften. Ebenso die sehr gute Kriechstrom- und Durchschlagsfestigkeit. (Quelle: HEYCO)
Geschmiedete Batterie-Verstärkungen für den Crashfall
Die größte Gefahr für einen Fahrzeugbrand bei einem Elektrofahrzeug geht von Schäden durch Deformation nach einem Unfallgeschehen aus. Dabei kann es zu direkter Deformation der Batterieeinheit als Auslöser für einen unkontrollierten Brand kommen oder zu einem Herausreißen des Batteriesystems aus seinen Verankerungen an der Karosserie.
Für beide Fälle stellt die HEYCO-Gruppe Lösungen bereit. HEYCO stellt geschmiedete und fertigbearbeitete Komponenten wie Strukturelemente, Kantenverstärkungen, Mittelschotts oder Befestigungsanker her. Die hochfesten und stabilen Konstruktionsbauteile verhindern, dass sich der Batteriekasten im Falle eines Crashs deformiert und die Batteriezellen geschädigt werden können. Außerdem halten sie das Batteriesystem fest an der vorgesehenen Stelle, in dem sie die Aufprallenergie kompensieren, ohne sich aus der Verankerung zu reißen.
Versteifung Batteriekasten
Haltevorrichtung Elektrogetriebe
