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Oct 14, 2023

Aluminium-Strangpressprofile gewinnen das Rennen um Batteriegehäuse in Elektrofahrzeugen

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Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge (auch Rahmen, Gehäuse oder Batteriepacks genannt) haben einen ziemlich einfachen Zweck: die Aufnahme und den Schutz von Batteriemodulen. Selbstverständlich sind sie in verschiedenen Formen und Größen erhältlich und können problemlos an die unterschiedlichen Besonderheiten von Batteriemodulen angepasst werden.

Ähnlich wie bei anderen Autoteilen sind Batteriegehäuse ein Schauplatz für eine Reihe von Materialien, die um die Vorherrschaft kämpfen: Aluminium, hochfester Hochleistungsstahl, Kohlefaser, Magnesium. Während Gehäuse derzeit aus Stahl (oder einer Kombination aus Aluminium und Stahl) gefertigt werden, scheint Aluminium auf lange Sicht die Oberhand zu haben, was vor allem auf sein geringes Gewicht und seine guten technischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Automobilhersteller gehen davon aus, dass die Batteriesystemkosten, die mittlerweile zwischen 30 und 50 % der Gesamtkosten eines Elektroautos ausmachen, künftig sinken werden.

Für Batteriegehäuse ist die Wärmeleitfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Sie müssen Wärmeübertragungsfähigkeiten bieten (wie im Bremssystem eines Autos), um die Batterie kühl oder bei kaltem Wetter warm zu halten. Daher wird die Struktur tatsächlich Teil der Stromquelle. Dies kann die Leistung und den Lebenszyklus von Batteriemodulen erheblich beeinträchtigen, da Temperaturschwankungen von Modul zu Modul in einem Batteriepaket zu einer Leistungsminderung führen können. Gleichzeitig muss das Material über eine ausreichende Festigkeit und Schlagfestigkeit verfügen, um Batteriemodule sowie andere Teile eines Fahrzeugs vor Beschädigungen zu schützen.

Die Lade-/Entladeprofile von Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) sind im Allgemeinen aggressiver als die von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, was zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt. Daher ist für HEVs ein Wärmemanagementsystem erforderlich. Das Wärmemanagementsystem muss kompakt und leicht sein, sich leicht in das Fahrzeug einbauen lassen, zuverlässig und kostengünstig sein.

Auch Verbindungskabel können den Modulen Wärme zuführen. Um die Temperatur eines Batteriepacks im optimalen Temperaturbereich zu steuern, muss bei heißem Wetter möglicherweise Wärme von den Modulen abgegeben und bei kaltem Wetter zugeführt werden. Das Wärmemanagement und die Kontrolle des Batteriegehäuses könnten durch Luft- oder Flüssigkeitssysteme, Isolierung, Wärmespeicherung (Phasenwechselmaterial), aktive oder passive Ansätze oder eine Kombination erreicht werden.

Gute Batteriegehäusekonstruktionen mit Aluminium-Strangpressprofilen können den Montageprozess und die Befestigung der einzelnen Batteriemodule vereinfachen. Darüber hinaus sorgen sie im Vergleich zu anderen Materialien und Verfahren für eine höhere Energieabsorption im Falle eines Unfalls. Große Gehäuse können sich auf die gesamte Architektur der Karosserie auswirken. Bei einigen Modellen sind die Batteriegehäuse so groß wie der gesamte Fahrzeugboden zwischen den Rädern. Das heißt, sie müssen sorgfältig in die Fahrzeugstruktur integriert werden und mit der Karosserie eines Autos interagieren.

Alle führenden Hersteller von Aluminiumprodukten für die Automobilindustrie haben ihre eigenen Batteriegehäusebaugruppen mit Wärmemanagementsystemen entwickelt, darunter Constellium, Novelis oder Hydro.

Die Batteriegehäuse von Constellium beispielsweise werden aus hochwertigen (hochfesten) Aluminiumlegierungen hergestellt und sind so konstruiert, dass sie Stößen und Einbrüchen standhalten und gleichzeitig einzelne Module mithilfe innovativer Materialien, Design- und Verbindungstechnologien kühlen. Für die Unter- und Oberseite der Gehäuse werden 3xxx-, 5xxx- und 6xxx-Legierungsbleche und Aluminium von Constellium aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie der Formbarkeit in eine Vielzahl von Formen bevorzugt. Wenn das gesamte Gehäuse aus Aluminium besteht, entsteht eine natürliche elektromagnetische Abschirmung, die Störungen mit anderen elektrischen oder elektronischen Komponenten im Fahrzeug blockiert.

Die von Constellium hergestellte Gehäusestruktur besteht aus stranggepressten Aluminiumelementen, die einen Hohlraum aufweisen. Der Hohlraum ist mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt, einer Substanz, die beim Gefrieren oder Schmelzen Wärmeenergie absorbiert und wieder abgibt. Es handelt sich um ein wachsartiges Material, das als passives Kühlsystem für eine Batterie fungiert.

Die Eigenschaften des Phasenwechselmaterials (das an die Fahrzeugspezifikationen des Kunden angepasst werden kann) ermöglichen es dem Material, Wärme zu speichern oder wie Wachs zu „schmelzen“, um Wärme von der Batterie abzuleiten. Durch den Schutz der Batterie vor extremen Temperaturen trägt die Gehäusestruktur dazu bei, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Im Gegensatz dazu verwendet Novelis für die Herstellung des Gehäuses sein Aluminiumblech der Advanz-Serie. Dieses Material bietet die für Tiefzüge erforderliche Formbarkeit, bietet aber auch den erforderlichen Schutz gegen das Eindringen von Straßenschutt, Steinen und anderen möglichen Stößen. Diese Aluminiumlegierung weist außerdem eine gute Bruchzähigkeit und Energieabsorptionseigenschaften auf. Dieses Batteriegehäuse wurde für die Aufnahme von 90-kWh-Batteriemodulen entwickelt, was der Größe entspricht, die in einem Elektro-Pickup oder einem großen SUV verwendet wird. Das Design lässt sich jedoch an Batterien unterschiedlicher Größe anpassen. Durch die Verwendung von Blech anstelle von Strangpress- oder Gussteilen kann Novelis eine bessere Kosteneffizienz erzielen.

Auch für den Audi e-tron hat Audi sein Batteriegehäusesystem entwickelt. Die große Hochvoltbatterie des Audi e-tron kann bis zu 95 kWh Energie speichern und ist damit entscheidend für die hohe Reichweite des Autos. Zusammen mit dem Gehäuse mit seinen aufwändigen Crashstrukturen, bestehend aus 47 % Aluminium-Strangpressprofilen, 36 % Aluminiumblech und 17 % Aluminium-Druckgussteilen, wiegt das Batteriesystem rund 700 Kilogramm. Es ist an 35 Punkten mit der Karosseriestruktur des Audi e-tron verschraubt. Dies erhöht seine Torsionssteifigkeit um 27 % und trägt ebenso zum hohen Sicherheitsniveau des Audi e-tron bei wie das außen am Batteriegehäuse angeklebte Kühlsystem. Zum Schutz der Hochvoltbatterie des Autos wurden aufwändige Maßnahmen ergriffen. Ein stabiler Umfassungsrahmen aus Aluminiumgussknoten und Strangpressprofilen sowie eine 3,5 Millimeter dicke Aluminiumplatte schützen vor Beschädigungen durch Steinschläge oder Bordsteine. Im Inneren verstärkt eine fachwerkartige Aluminiumstruktur das Batteriesystem.

Voraussichtliches weltweites Wachstum der Aluminiumextrusion bis 2026. Von Geoff Scamans, Innoval Technology und Brunel University.

Die oben genannte Bloomberg New Energy Finance-Schätzung ergab, dass sich die Aluminium-Strangpresstonnage durch Multiplikation der Anzahl der geplanten Elektrofahrzeuge mit 80 kg Strangpressteilen pro Fahrzeug ergab. In dieser Zahl ist auch die benötigte Menge für Batteriegehäuse enthalten. Wenn man den chinesischen Markt mit einbezieht, könnte die für Elektrofahrzeuge benötigte Aluminium-Strangpresstonnage bis 2040 3 Millionen Tonnen überschreiten.

Laut CRU wird der Gesamtbedarf an Aluminium-Karosserieblechen und Strangpressteilen für Elektrofahrzeuge bis 2030 fast 10 Millionen Tonnen betragen. Das Verhältnis dieser Nachfrage zwischen Blechen und Strangpressprodukten dürfte 80/20 betragen, was einen Strangpressbedarf von 2 Millionen Tonnen ergibt.

Gleichzeitig müssen weltweit zahlreiche neue Strangpressen installiert werden, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, dass neben weiteren Extrusionskapazitäten auch die erforderlichen Wärmebehandlungs- und Endbearbeitungskapazitäten installiert werden müssen, um Aluminium-Strangpressprodukten für die Automobilindustrie die erforderlichen Qualitäts- und Leistungsmerkmale zu verleihen.

Kürzlich haben mehrere Hersteller von Elektrofahrzeugen von Stahl- auf Aluminiumkonstruktionen für Batteriegehäuse umgestellt, darunter Nissan (der Leaf), PSA und sogar VW, die traditionell auf Stahl setzen. Auch das stahlintensive Tesla Model 3 verwendet Batteriegehäuse aus Aluminium. Die Verwendung von CFK und glasfaserverstärktem Polymer (GFRP) in Batteriegehäusen wurde von Kia und GM für ihre Elektromodelle, einschließlich Spark, Volt und Bolt, entwickelt. Der Chevrolet Bolt EV ist das erste GM-Elektrofahrzeug, das auf ein Skateboard-Design umsteigt, wobei das Batteriegehäuse aus einem duroplastischen Vinyl-Hybridharz mit einer gewebten Glasverstärkung besteht.

Der Wettbewerb zwischen Aluminium und Stahl bei nachhaltigen Metallen wird anhalten, insbesondere da der Preisunterschied zwischen beiden abnimmt, wenn Aluminiumgehäuse aus recyceltem Aluminium hergestellt werden. Stranggepresste Aluminiumlegierungen sind eine optimale und nachhaltige Wahl für Batteriegehäuse, vor allem wenn sie geeignet mit Fahrzeugstrukturen verbunden sind.