Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFWenn es um die Entwicklung marktfähiger Elektrofahrzeuge geht, stellt die Integration der Energiespeichersysteme die Konstrukteure vor eine große Herausforderung. Denn das Batteriegehäuse soll vor allem den Bauraum optimal ausnutzen, daneben sind Leichtbau und Funktionsintegration gefragt und schließlich müssen die einzelnen Batteriezellen geschützt werden. Die Lösungen müssen betriebsfest sein und dürfen die Fahrdynamik nicht negativ beeinflussen.
Batterieschutzgehäuse vor dem Fraunhofer Konzeptfahrzeug Frecc0.
Batterieintegration für Elektrofahrzeuge
Batterieschutzsystem als Leichtbaulösung
Im Teilprojekt „Integration von betriebsfesten und crashsicheren Batterien- und Energiespeichersystemen in Leichtbaustrukturen für Elektrofahrzeuge“ der Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität FSEM wurde am Fraunhofer LBF eine Integrationslösung für die Batterie in das Demonstratorfahrzeug Frecc0 entwickelt.
CAD-Darstellung von Rahmen, Halterung und Batterieschutzgehäuse.
Batterieschutzgehäuse im Detail.
Virtuelles Gesamtfahrzeugmodell für Fahrdynamikuntersuchungen.
Mit Bauraumuntersuchungen und konstruktiven Änderungen des Heckrahmens wurde Platz für das Batteriesystem geschaffen. Die im Heckrahmen vorgenommenen Anpassungen wurden mittels FE-Analysen bewertet. Die Lagerung des Batteriesystems erfolgt in der Nähe der ursprünglichen Lagerungspunkte von Verbrennungsmotor und Getriebe über drei Elastomerlager. Hierbei wurde auf ein einfaches Entnehmen des Batteriesystems großen Wert gelegt. Das Konzept der Anbindung an den Heckrahmen wurde modelliert und mit Hilfe der FE-Analysen die Betriebsfestigkeit verifiziert. Die Lastkollektive für die betriebsfeste Auslegung wurden mit Hilfe des Ganzfahrzeugmodells in Mehrkörpersimulationen ermittelt.
Für Prototypen und Kleinserien wurde ein Batterieschutzgehäuse entwickelt und umgesetzt. Das Ergebnis ist eine Leichtbaulösung mit einem hohen Grad an Funktionsintegration. So wird das Temperiermittel für die einzelnen Batteriezellen durch die tragende Struktur zu den einzelnen Batteriemodulen geleitet. Des Weiteren dienen leichte Faserverbund-Sandwichplatten als Schubfelder zur Verstärkung des kompakten Aluminiumrahmens und gleichzeitig als Schutzbeplankung vor eindringenden Teilen. Geeignete Werkstoffpaarungen sorgen für die notwendige Sicherheit bei minimalem Gewicht des Batteriesystems.
Mittels Mehrkörpersimulationen analysierten die Forscher den Einfluss der Batteriemasse und deren Lage auf die Fahrdynamik. Dazu wurde ein Ganzfahrzeugmodell des Frecc0 aufgebaut. Dieser virtuelle Frecc0 fuhr unterschiedliche Fahrmanöver. Darunter waren Beschleunigen, Bremsen, Lastwechsel, Spurwechsel, Schlechtweg und Schwellenüberfahrten. Neben der Ermittlung von Lastkollektiven und der Bewertung des Fahrverhaltens, diente das Modell ebenfalls für Sicherheitsbetrachtungen, um die FMEA zu unterstützen und spätere Ausfalltests im realen Fahrversuch vorab einzuschätzen.