Verschraubung Maßgeschneiderte Fügekonzepte für Batteriesysteme

Autor / Redakteur: Heinrich Georg Homrighausen / M.A. Frauke Finus

Der Richtungsstreit, welcher Antrieb im Auto die bessere Wahl ist, wurde nach vielen Diskussionen und vielleicht durch daraus abgeleitete politische Entscheidungen gelenkt – zumindest vorläufig. Und wenn sich marktführende OEM dann für eine Batteriestrategie entscheiden, verleiht das dem Markt Dynamik.

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Die Batterie ist das Detail der Elektromobilität, welches ausschlaggebend für die ökologische und ökonomische Eignung dieser Antriebsart ist. Und durch Reichweite und Ladekomfort wird der kostenintensive Akku zum wesentlichen Entscheidungskriterium der Käufer für oder gegen elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Die Batterie ist das Detail der Elektromobilität, welches ausschlaggebend für die ökologische und ökonomische Eignung dieser Antriebsart ist. Und durch Reichweite und Ladekomfort wird der kostenintensive Akku zum wesentlichen Entscheidungskriterium der Käufer für oder gegen elektrisch betriebene Fahrzeuge.
(Bild: basketman23)

Es ist spannend zu beobachten, wie sich die Elektromobilität in fast jedem Detail permanent weiterentwickelt. Weltweit arbeiten hunderttausende Ingenieure und Wissenschaftler an der Optimierung der Systeme. Die Batterie ist dabei das Detail der Elektromobilität, welches ausschlaggebend für die ökologische und ökonomische Eignung dieser Antriebsart ist. Und durch Reichweite und Ladekomfort wird der kostenintensive Akku zum wesentlichen Entscheidungskriterium der Käufer für oder gegen elektrisch betriebene Fahrzeuge.

Crashsicherheit und Brandschutz sind zwei der wichtigen Anforderungen, die jeder Hersteller, unabhängig von konstruktiven Strategien, erfüllen muss. Die Fügetechnik hat hier die Aufgabe, die Batteriekomponenten dauerbelastbar zu verbinden, auch dann, wenn sie aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind. Die Herausforderungen an die Fügetechnik werden im Folgenden anhand von drei Anwendungsbeispielen des Verbindungstechnik-Spezialisten Ejot bewertet.

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Verbindung ohne unerwünschte Spanbildung

In Batteriesystemen werden sehr viele Fügeverfahren eingesetzt, lösbare wie nicht lösbare. Die erste Anwendung zeigt die Möglichkeiten lösbarer Verschraubungen im Bereich des Batteriekasten-Deckels auf. Zum Einsatz kommt hier eine Variante der FDS-Schraube von Ejot, einem fließlochformenden Verbindungselement für lösbare höherfeste Blechverbindungen, welches üblicherweise ohne Bauteilvorbereitungen, wie Vorbohren oder Stanzen, auskommt. FDS-Schrauben haben sich millionenfach im Karosseriebau bewährt. Durch den hohen Gewindetraganteil im geformten Durchzug entsteht eine Verbindung ohne unerwünschte Spanbildung.

Die Besonderheit dieser Batteriedeckel-Verschraubung ist die zusätzlich aufgeprägte Aluminium-Dichtscheibe, die eine kopfseitige Abdichtung des Deckels ermöglicht. Die Dichtfunktion erfolgt durch die Fläche der Alu-Scheibe. In diesem Anwendungsfall ist die Vorlochung des Alu-Klemmteiles unabdingbar. Die Prägeverbindung von Scheibe und Schraube gewährleistet dabei Drehbarkeit und Verlier-Sicherheit. Der Schutz des Batterie-Innenlebens vor Feuchtigkeit und Schmutz ist gesichert und das Lösen der Schrauben zu Wartungszwecken ist problemlos möglich. Eine zusätzliche Abdichtung des Schraubenkopfes ist nicht notwendig. Ein wichtiges Kriterium der OEM, die globale Verfügbarkeit der Fügetechnik, ist durch den Hersteller und seine Lizenznehmer gewährleistet.

Keine Durchdringung des unteren Fügepartners

Das zweite Beispiel aus dem Umfeld der Batteriesysteme ist das Ejoweld-Verfahren, ein Reibschweißen mit Reibelement. Hierbei besteht die Möglichkeit, mit einem robotertauglichen Reibelement-Setzgerät Mischverbindungen ohne Vorbehandlung zu fügen. Der Batterie-Rahmenkasten besitzt einen Boden, welcher in diesem Beispiel aus Gewichtsgründen aus Aluminium gefertigt ist. In einem mehrstufigen Setzprozess wird das Aluminium durchdrungen, die Oberfläche des Stahlwerkstoffes aktiviert, das Reibelement sowie das Grundblech plastifiziert und abschließend die Verschweißung ausgebildet. Es entstehen hierbei keine intermetallischen Phasen sowie eine dichte Fügestelle, da der untere Fügepartner nicht durchdrungen wird. Und da sich letztendlich auch die Herstellung des gesamten Batteriesystems an ihrem CO2-Fußabdruck messen lassen muss, bietet diese Technologie aufgrund der niedrigen Energiebilanz deutliche Vorteile gegenüber dem Alternativverfahren Widerstandspunktschweißen.

Im Batteriesektor sind Gehäuse aus stranggepresstem Aluminium sowie Schalen aus Aluminium-Guss marktüblich. Die Direktverschraubung in Leichtmetalle eignet sich hier in besonderer Weise. Ejot hat, passend für diesen Anwendungsfall, mit der Altracs Plus eine selbstfurchende Schraube zur Erreichung maximaler Festigkeiten in Leichtmetall-Werkstoffe im Produkt-Portfolio. Dieses innovative Verbindungselement kann direkt in gegossene Löcher verschraubt werden und somit Zeit- und Kosteneinsparungen erzielen. Mit der Altracs Plus werden beispielsweise Anbauteile, wie Stecker oder Batteriekasten-Elemente, an die Guss-Struktur verschraubt. Weitere Anwendungsbereiche, wie die dynamisch sichere Befestigung der Batteriedeckel oder der Batterie-Packs, sind bereits umgesetzt oder könnten realisiert werden.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass sich in aktuellen Batteriesystemen fast alle Verbindungs- und Fügetechniken wiederfinden. Die besonderen Anforderungen der Batterietechnik hinsichtlich Brandschutz, Crashsicherheit, Dichtheit oder die Hochvolttechnik, mit ihren strengen Sicherheitsvorschriften, verlangen von der Fügetechnik höchste Montagesicherheit und Leistungsfähigkeit. Durch die kurzen Entwicklungszeiten neuer Batterie-Generationen müssen die Hersteller in der Lage sein, kurzfristig neue, belastbare Fügetechniken und die entsprechenden Montagesysteme für die relevanten Materialpaarungen zu testen und global serienreif bereit zu stellen.

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