Für eine leistungsstarke und nachhaltige E-Mobilität:

Konsortium entwickelt neue Generation von Performance-Akkupacks mit recyclebarer Epoxid-SMC-Hülle

von Siawasch Aeenechi
Foto: © Lorenz Kunststofftechnik GmbH

Schneller, weiter, effizienter: Entwickler von E-Fahrzeugen und Plug-in-Hybriden wollen immer höher hinaus. Das zentrale Element ist dabei die Batterie. Um den steigenden Ansprüchen zu genügen, muss sie einerseits möglichst ergonomisch sein, andererseits aber auch sicherheitsrelevante Eigenschaften aufweisen. Denn Deformationen oder eindringende Fremdkörper, wie sie bei Unfällen, aber auch auf unebener Fahrbahn auftreten, können Kurzschlüsse und gefährliche, schwer zu löschende Brände auslösen. Materialien, die den Akkupack ausreichend schützen, sind jedoch häufig relativ schwer, was sich wiederum negativ auf den Verbrauch und die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Dieses Dilemma soll nun die neue Pure Performance Battery lösen.

Ein Konsortium bestehend aus Unternehmen aus der Automobil- und Maschinenbauindustrie sowie aus der Chemie- und Kunststoffbranche, dem auch die Lorenz Kunststofftechnik GmbH angehört, optimierte seine bewährten Hochspannungs-Akkupacks hinsichtlich ihrer Leistungs- und Widerstandsfähigkeit. Die neue Pure Performance Battery verfügt über eine platzsparende Aluminium-Sandwichplatte, die Schäden beim Bodenaufprall verhindert und die Integrationsfähigkeit steigert. Das Gehäuse aus glasfaserverstärktem Epoxid-SMC überzeugt dabei neben der hohen Feuerbeständigkeit und dem optimalen Crashverhalten durch seine ergonomische Gestaltung als „Komplettpaket“.

Bereits 2019 schloss sich die Lorenz Kunststofftechnik GmbH mit der Vestaro GmbH, der Forward Engineering GmbH, der Evonik Resource Efficiency GmbH und der Lion Smart GmbH zu einem Entwicklungskonsortium zusammen, zu dem 2021 auch die Minth GmbH stieß. Auf Basis des kumulierten Know-hows der unterschiedlichen Unternehmen konzipierte die Gruppe zunächst eine kostengünstige Glasfaser-SMC-Abdeckung für Hochspannungsbatterien auf Basis von Evoniks Hochleistungs-Epoxid-Härter Vestalite S. „Schon damals konnten wir eine Gewichtsreduzierung des Batteriegehäuses von fast 10 Prozent im Vergleich zu bisherigen Systemen aus kostenintensiveren Materialien erreichen“, berichtet Peter Ooms, Geschäftsführer der Lorenz Kunststofftechnik GmbH. „Darüber hinaus ermöglichen die hochmodernen SMC-Materialien die Herstellung komplexer Geometrien in einem einstufigen Prozess, sodass sie sich ideal für ein semiintegrales ergonomisches Design eignen.“ Nun haben die Partnerunternehmen erfolgreich eine neue Generation von Leistungs-Akkupacks für die Elektromobilität entwickelt.

Aluminium-Sandwichplatte verbessert Performance und Fahrzeugintegration

In den meisten E-Fahrzeugen befindet sich der Akkupack im Bodenbereich, um einerseits den Schwerpunkt und somit die Fahrperformance zu verbessern sowie andererseits mehr Raum in der Fahrzeugkabine zur Verfügung zu stellen. Allerdings erhöht diese Konstruktion das Risiko gefährlicher Batterieschäden aufgrund von Aufprallsituationen oder die Fahrzeugunterseite treffenden Gegenständen wie losen Steinen oder Ästen. Daher müssen besondere Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um Deformationen oder das Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern. „Der Bottom-Impact-Use-Case und die Fahrzeugintegration sind heutzutage zwei große Herausforderungen für Batterien in E-Fahrzeugen“, weiß Ooms. „Daher lag unser Hauptaugenmerk bei der Entwicklung der neuen Generation der Performance-Akkupacks auf diesen beiden Aspekten.“ Um die strengen Anforderungen zu erfüllen, konzipierte das Konsortium einen Ansatz, der größtmöglichen Nutzen aus der Gestaltungsfreiheit des bewährten SMC-Materials zieht.

Die alte Bodenstruktur wurde durch eine vom jüngsten Konsortium-Mitglied Minth entwickelte Aluminium-Sandwichplatte ersetzt. Dank dieser Konstruktion konnte die Gruppe im Gegensatz zu vorher auf zusätzliche, seitlich angebrachte Deformationselemente verzichten und den frei gewordenen Raum stattdessen für Batteriezellen nutzen. Mithilfe des BEV-Bodenstruktur-Entwicklungstools von Forward Engineering wurde die Pure Performance Battery so ausgelegt und validiert, dass ein verbessertes Aufprallverhalten des Sandwichbodens nachgewiesen sowie der Platzbedarf für die Modulmontage reduziert werden konnten. Auf diese Weise ließ sich die Kapazität bei annähernd gleichen Außenabmessungen des Batteriepacks um 10 kWh auf insgesamt 75 kWh erhöhen. „Somit verbessert die Aluminium-Sandwichplatte nicht nur die Performance beim Bodenaufprall, sondern spielt zudem eine Schlüsselrolle im semi-integralen Fahrzeugkonzept“, fügt Ooms hinzu.

Modularer Aufbau und Epoxid-SMC-Gehäuse steigern Leistungsfähigkeit

Die neue Pure Performance Battery kann zum Beispiel 2,1 m lang und 1,58 m breit sein, aber auch andere Abmessungen haben, mit maximalen Höhen zwischen 0,15 und 0,22 m, und ermöglicht eine Vielzahl von Fahrzeugarchitekturen. Hinsichtlich der Ergonomie konkurriert sie zwar mit anderen High-End-Lösungen, übertrifft diese aber mit ihrer Leistungsfähigkeit. Der modulare Serienaufbau der Batterie ermöglicht zudem eine flexible Anpassung der Modulanzahl. Das Supercell-Konzept auf Basis der Light Battery von Lion Smart ermöglicht ein rechnerisches Schnellladeergebnis von rund 13 min für eine Ladeleistung von konstant über 200 kW (10 bis 80 Prozent SOC). Derzeit wird das System diesbezüglich optimiert, um zukünftig eine Ladezeit von weniger als 10 min zu erreichen.

Das Gehäuse aus glasfaserverstärktem Epoxid-SMC von Lorenz Kunststofftechnik überzeugt dabei nicht nur durch sein geringes Gewicht, sondern bietet zugleich ein sehr hohes Sicherheitspotential in Bezug auf Feuerbeständigkeit und Crashverhalten. „Es konnte allen relevanten brandbezogenen Tests standhalten“, erläutert Ooms. „Darunter waren auch Thermal-Runaway-Tests, die in einer süddeutschen Prüfeinrichtung durchgeführt wurden.“ Darüber hinaus konnten sämtliche Bedenken hinsichtlich der EMV-Abschirmleistung der Glasfaser-Verbundwerkstoffe mit einer breiten Material-Toolbox angegangen und unter OEM-Anforderungen validiert werden. Die Prozessvorteile ließen sich durch die Herstellung mehrerer komplexer Demonstratorgeometrien verifizieren. Bei diesen Versuchen waren Taktzeiten von rund 3 min realisierbar, was ein hohes Kosteneinsparungspotential andeutet.

Ressourceneffizienz dank Recyclingsystem und „Mix-and-Match“-Service

Doch nicht nur in Sachen Performance wurde die neue Generation der Hochleistungs-Akkupacks verbessert. „Zukunftsfähige Lösungen sollten in der heutigen Zeit nachhaltig sein“, weiß Ooms. „Deshalb hat sich das Konsortium mit seinen Entwicklungen auch diesem Thema angenommen.“ So lässt sich die Abdeckung durch das Lösen mehrerer Schraubverbindungen demontieren, um einen einfachen Zugang zu den Batteriemodulen und Peripheriegeräten zu ermöglichen. Im Gegensatz zu verklebten Systemen ist es bei der Pure Performance Battery möglich, einzelne Komponenten auszutauschen und zu reparieren. Das Batteriegehäuse selbst kann von Lorenz Kunststofftechnik recycelt und anschließend in neuen Verbundteilen wiederverwendet werden.

Insgesamt haben die Partner des Konsortiums während des Entwicklungsprozesses der neuen Akkupack-Generation erneut viel voneinander gelernt, um dem Kunden ein rundum fertiges Batteriepaket liefern zu können. Vor dem Hintergrund der Dynamik der Branche sind alle Projektpartner bereit, auch vom Basismodell abweichende Anfragen potenzieller Kunden zu bearbeiten und einen gemeinschaftlichen „Mix-and-Match“-Service anzubieten. „Dieses Angebot stellt eine große Chance für Anwender dar. Denn das Konsortium ermöglicht es, ein Unternehmen zu einem Thema anzusprechen und im selben Zuge von der Leistung und dem Know-how der anderen Mitglieder zu profitieren“, so Ooms abschließend.

Quelle: Lorenz Kunststofftechnik GmbH

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