Finaler Thinking Leichtbau lässt Batteriehalter abspecken

Quelle: Pressemitteilung der Leichtbau-BW

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Wohl zum letzten Mal gibt es einen Monatssieger in Sachen Thinking, zum Thema gelungener Leichtbau. Diesmal von der Dipl.-Ingenieure Rainer & Oliver Puls GmbH und dem IPEK.

Hier kommt der höchstwahrscheinlich letzte Sieger eines Thinking der Leichtbau-BW. Es handelt sich um einen im Materialmix verbesserten Batteriezellhalter, der rund 60 Prozent weniger wiegt, als der übliche aus Aluminium. Hier verraten die Experten, was dahintersteckt.
Hier kommt der höchstwahrscheinlich letzte Sieger eines Thinking der Leichtbau-BW. Es handelt sich um einen im Materialmix verbesserten Batteriezellhalter, der rund 60 Prozent weniger wiegt, als der übliche aus Aluminium. Hier verraten die Experten, was dahintersteckt.
(Bild: Leichtbau-BW)

Ein Batteriezellhalter wurde eigentlich aus einem Aluminiumblock gefertigt, in den zur Aufnahme der zylindrischen Batteriezellen viele einzelne Löcher gebohrt werden mussten. Die einzelnen Zellen werden danach noch mit Silikon ummantelt, bevor sie in ihren Platz in der Aluminiumzellhalterung eingefügt werden. Die neue und mit dem Thinking Dezember ausgezeichnete Leichtbauvariante des Zellhalters ist nun aber im Multi-Material-Design ausgeführt, wobei das richtige Material an der richtigen Stelle seinen Dienst tut. Durch Kombination des systemischen Leichtbaus mit detaillierten CFD (Computational Fluid Dynamics), also fluiddynamische, thermische und strukturmechanische Simulationen sowie einem begleitenden Mix aus physisch-virtueller Validierung entstand letztendlich eine neue, leichtere und verbesserte Version des Batteriezellhalters. Leider musste man gestern erfahren, dass die Leichtbau BW, die den Thinking immer vergeben hat, zum 31. Dezember die Geschäfte einstellen wird.

Leichtbau ist nicht nur weniger Gewicht

Im systemischen Leichtbau ist nicht nur das Gewicht der Einzelteile entscheidend. „Man betrachtet das Produkt unter funktionellen Gesichtspunkten als Gesamtsystem. Zu erfüllende Funktionen werden zunächst definiert und priorisiert. Trage man die Bedeutung einer Funktion in Relation zum Massenanteil auf, der diese Funktion gewährleiste, ergebe sich eine Matrix mit der der Leichtbau priorisiert werden kann, was durchaus über Bauteilgrenzen hinweg klappe. So beschreibt die Vorgehensweise Marcel Nöller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IPEK – Institut für Produktentwicklung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) den sogenannten ETWA (Extended Target Weighing Approach), also die Methode des systemischen Leichtbaus (Bild 2).

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Nur wer cool bleibt, hält länger durch

Der Fokus der Entwicklung lag auf mobilen Anwendungen, bei denen hohe Leistungen zu erwarten sind sowie Schnellladefunktionen gefordert wurden. Deshalb muss das Batteriemodul mit Flüssigkeit gekühlt werden. Zur nachträglichen Elektrifizierung von Sonderfahrzeugen – beispielsweise kleineren Baustellenfahrzeugen, Funktionsfahrzeugen am Flughafen oder Kehrmaschinen – benötigt man diese kleinen Batteriemodule, die etwa 35 × 70 Zentimeter groß sind und verteilt im Fahrzeug eingesetzt werden, erklärt Nöller. Der Zellhalter konnte dabei deutlich verkleinert werden, was zunächst zu einer höheren Energie- und Leistungsdichte der Module führte.

Als wesentliche Funktion galt es deshalb, die dabei auftrende Wärme sicher abzuführen, was insbesondere beim Schnellladen wichtig ist sowie für eine möglichst lange Lebensdauer der dichter gepackten Batteriezellen. Dazu eignet sich das Ursprungsmaterial Aluminium sehr gut, denn es hat nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die nötige mechanische Stabilität für ein solches Strukturbauteil. Aber Kunststoff eignet sich gut als elektrischer Isolator und zum Ausgleich von Toleranzen, wirft Nöller ein. Das Design kombiniert deshalb recycelbare thermoplastischen Elastomere (TPE) mit dünnem Aluminiumblech, das als versteifende und primär wärmeleitende Komponente dient. Außerdem war eine grundsätzliche Gestaltänderung des Zellhalters notwendig, welche die Modularität gewährleistet und Möglichkeiten für ressourcenschonendere Herstellungsverfahren bietet, sowie die Serienfertigung mit einigen hundert bis eintausend Stück pro Jahr ermöglicht.

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