Foto: Kautex Textron
Großformatiges Hochvolt-Batteriegehäuse aus Vollkunststoff ohne Metallanteile: Der seriennahe Demonstrator hat eine Länge und Breite von je rund 1,4 m.

Automotive

Hochvolt-Batteriegehäuse ohne Metall

Kautex Textron und Lanxess entwickeln ein großformatiges Hochvolt-Batteriegehäuse aus Vollkunststoff, welches gänzlich ohne Metalle auskommt.

Kautex Textron und Lanxess entwickeln ein großformatiges Hochvolt-Batteriegehäuse aus Vollkunststoff, welches gänzlich ohne Metalle auskommt.

Lanxess und Kautex Textron haben in einer mehrjährigen Kooperation erforscht, ob sich großformatige Hochvolt-Batteriegehäuse komplett aus Vollkunststoff konstruieren und fertigen lassen und der Werkstoff Metall damit vollständig substituiert wird. Gemeinsam haben die Partner nun in einer Machbarkeitsstudie einen seriennahen Demonstrator aus Thermoplast entwickelt. Mit einer Länge und Breite von je rund 1,4 m handelt es sich um ein technisch anspruchsvolles, großformatiges Vollkunststoff-Gehäuseteil mit einem Gewicht im mittleren zweistelligen Kilogrammbereich.

Hochvolt-Batteriegehäuse ganz ohne Metall

Ziel des Projekts war, die Vorteile von thermoplastischen Kunststoffen gegenüber Metallen in puncto Gewichts- und Kostenreduktion, Funktionsintegration und elektrischem Isolationsverhalten darzustellen. „Wir haben dabei vollständig auf den Einsatz von metallischen Verstärkungsstrukturen verzichtet. Außerdem ging es darum, Wege zur wirtschaftlichen Fertigung der komplexen Großbauteile aufzuzeigen“, erklärt Felix Haas, Director Product Development bei Kautex Textron.

Dr. Christopher Höfs, Projektmanager E-Powertrain bei Lanxess ergänzt: „Im nächsten Schritt wollen beide Partner die Ergebnisse ihre Zusammenarbeit nutzen, um mit Automobilherstellern in Projekte zur Serienproduktion einzusteigen.“

Einstufige Fertigung mit kurzen Zykluszeiten

Der Demonstrator wurde in Anlehnung an das Batteriegehäuse eines Mittelklasse-Elektrofahrzeugs entwickelt. Er besteht aus einer Gehäusewanne mit Crash-Struktur, einem Gehäusedeckel und einem Unterfahrschutz. Die Gehäusekomponenten können in einem einstufigen D-LFT-Formpressprozess (Direct Long Fibre Thermoplastic, Direktverfahren) nacharbeitsfrei hergestellt werden. Lanxess hat als Material für die D-LFT-Formmasse das Polyamid 6 Durethan B24CMH2.0 optimiert.

Kautex Textron compoundiert diesen Kunststoff für den Prozess mit Glasfaser-Rovings. Die lokale Verstärkung der Gehäusestruktur erfolgt über endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe der Marke Tepex Dynalite von Lanxess. „Der Prozess ermöglicht kürzere und damit wirtschaftlichere Zykluszeiten als die Verfahren, bei denen Stahl oder Aluminium verarbeitet werden“, erläutert Haas.

Großformatiges Gehäuse in wenigen Arbeitsschritten

Gehäuse für Hochvolt-Batterien werden zurzeit vor allem aus extrudierten Strangpressprofilen aus Stahl oder Aluminium gefertigt. Die Gehäuselänge und -breite kann je nach Fahrzeugklasse deutlich über 2 m bzw. 1,5 m liegen. Ihre Größe, die Zahl der Komponenten und die zahlreichen Herstellungs- und Montageschritte machen die Metallgehäuse zu sehr kostenintensiven Bauteilen.

So fallen zahlreiche sekundäre Arbeitsschritte – wie Schweißen, Stanzen und Nieten – an, wenn Strukturen aus Strangpressprofilen in komplexe Gehäusebauteile überführt werden. Außerdem müssen die metallischen Bauteile in einem zusätzlichen Prozessschritt durch eine kathodische Tauchlackierung gegen Korrosion geschützt werden.

Zahl der Einzelkomponenten stark verringert

„Kunststoffe können dagegen ihre Formgebungsfreiheiten voll ausspielen. Durch die Integration von Funktionen – wie etwa Befestigungselementen und Komponenten des Thermomanagements – lässt sich die Zahl der Einzelkomponenten eines Batteriegehäuses stark verringern. Dadurch vereinfachen sich die Montage und der logistische Aufwand, was die Fertigungskosten senkt“, so Höfs.

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Foto: Kautex Textron
Das Hochvolt-Batteriegehäuse besteht aus einer Gehäusewanne mit Crash-Struktur, einem Gehäusedeckel und einem Unterfahrschutz.

Kunststoffe sind zudem korrosionsfest und elektrisch isolierend. Letzteres sorgt zum Beispiel dafür, dass das Risiko von Kurzschlüssen sinkt. Die niedrige Dichte von Kunststoffen und ihr Potenzial zum konstruktiven Leichtbau führen zu deutlich leichteren Gehäusen. Das kommt unter anderem der Reichweite der Elektrofahrzeuge zugute.

Mix an Anforderungen bei Hochvolt-Batterien

Hochvolt-Batteriegehäuse haben eine Vielzahl an Anforderungen zu erfüllen. So müssen sie etwa besonders steif und fest sein und gleichzeitig eine hohe Energieabsorption bei einem Crash zeigen. Dies wird unter anderem in mechanischen Schock- und Crush-Tests geprüft. Weiterhin ist es erforderlich, dass sich die Gehäuse im Fall eines Fahrzeugbrands oder eines thermischen Durchgehens der elektrischen Zellen flammwidrig verhalten. Außerdem müssen sich die Gehäuse in die Fahrzeugstruktur integrieren lassen.

„Wir arbeiten weiterhin gemeinsam daran, die Fertigung und strukturelle Auslegung der Bauteile zu optimieren. Ziel ist, den Großteil der Entwicklungsarbeit virtuell zu leisten, um zum Beispiel beim Prototyp-Design Kosten zu sparen und die ‘Time-to-Market‘ künftiger Serienbauteile zu verkürzen“, so Höfs.

Lanxess entwickelt zahlreiche Kunststoffe für den Bereich New Mobility. Kautex Textron, ein Unternehmen von Textron Inc., entwickelt unter anderem Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge.

mg