In heutigen Hybrid- sowie Elektrofahrzeugen werden Lithium-Ionen-Zellen als Energiespeicher eingesetzt. Die gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen geringe Energiedichte führt zu verhältnismäßig großen und schweren Speichersystemen. Daher sind elektrisch betriebene tendenziell schwerer als konventionell angetriebene Fahrzeuge.
In aktuellen Fahrzeugen und -konzeptstudien wird der Energiespeicher meist in Fahrzeugbereichen mit geringer Deformationsgefahr positioniert. Der hier zur Verfügung stehende Bauraum ist jedoch limitiert, was die maximal mögliche Batteriekapazität und somit die Reichweite des Fahrzeugs stark einschränkt.
Die crashsichere Integration der Batterien in die Fahrzeugkarosserie erfordert in der Regel zusätzliche Verstärkungsmaßnahmen an der Fahrzeug- sowie Batteriestruktur. Ein mögliches Kriterium für die Auslegung von Fahrzeug- und Batteriestruktur ist die Deformation des Energiespeichers, welche in Crashversuchen oder -simulationen limitiert wird. Dies resultiert jedoch in einer konservativen Auslegung der Strukturen und führt zu einem höheren Fahrzeuggewicht.
Der Schlüssel zu einer package- und sicherheitsgerechten Auslegung der Fahrzeug- und Energiespeicherstruktur liegt in der frühzeitigen Einbindung des Energiespeichers und dessen Komponenten in den virtuellen Entwicklungsprozess mittels Finite-Elemente-Methode (FEM). Dies setzt jedoch detaillierte Kenntnisse und eine geeignete numerische Abbildung des mechanischen Verhaltens der Batteriezellen und -module voraus.
Umsetzung in Projekten
In den öffentlich geförderten Projekten „e performance“ (BMBF) und „OSTLER“ (EU) wurden entsprechende Ansätze erarbeitet und für die Entwicklung innovativer Batteriesysteme implementiert.
Im Rahmen von „e performance“ wurde ein modularer Systembaukasten für elektrifizierte Fahrzeuge entwickelt. Zentraler Baustein dieses Systembaukastens ist ein modulares und skalierbares Batteriesystem, das mithilfe eines patentierten Mechanismus im Crashfall deformierbar gestaltet werden kann. Die Verformbarkeit wurde mittels trapezförmigen Makrozellen (bestehend aus 26 Einzelzellen des Typs 18650) erreicht, welche aufeinander abgleiten können und dabei in das Batteriesystem integrierte Deformationselemente zur Absorption der Crashenergie nutzen.
Im Rahmen des durch die Europäische Union geförderten Projektes „OSTLER“ erforschte die fka zudem zusammen mit den Projektpartnern die Integration intelligenter Sicherheitskonzepte wie Airbagsysteme zum Schutz des Energiespeichers. Zur Auslegung dieser Systeme wurden Zellversuche an drei verschiedenen Zelltypen durchgeführt und beispielhaft für den Typ Pouchzelle ein Finite-Elemente-Modell entwickelt. Das Modell bildet die mechanischen Eigenschaften der Zellen ab und ermöglicht so die Bewertung der Zellsicherheit im Falle eines Unfalls.
