Dissertation

Funktionsintegration von Karosserieelementen in das Batteriegehäuse

Autor*in:

Christopher Stephan Krüger

Seitenzahl:

176

DOI:

10.18154/RWTH-2023-03704

Jahr:

2023

Sprache:

Deutsch

Format:

digital

Im Zuge der voranschreitenden Elektromobilität gewinnen Batteriesysteme zur Speicherung der für den Vortrieb benötigten elektrischen Energie vermehrt an Bedeutung. Die Optimierung dieser Schlüsselkomponente steht aktuell im Fokus der Entwicklung. Dies ist darin begründet, dass aktuelle Batteriesysteme niedrigere Energiedichten vorweisen verglichen zu konventionellen Speichersystemen. Zur Erzielung einer für Kunden akzeptablen Reichweite sind volumetrisch große und gewichtsintensive Batteriesysteme notwendig. Allerdings ist der zur Verfügung stehende Bauraum im Fahrzeug begrenzt. Gleichzeitig gilt es die Batteriekomponenten, wie die Module, vor einer äußeren Lasteinwirkung zu schützen, die beispielsweise im Crashfall entsteht.

Marktaktuelle batterieelektrische Fahrzeuge sehen die Positionierung eines flächig ausgedehnten Batteriesystems im Bodenbereich des Fahrzeugs, mittig zwischen den Achsen, vor. Dieses wird im Montageprozess an die Fahrzeugkarosserie angebunden. Eine Zugänglichkeit oder Entnahmemöglichkeit des Batteriesystems aus dem Fahrzeug, beispielsweise für den Reparatur- oder Wartungsfall, ist typischerweise möglich. Bezüglich der Fahrzeugkarosserie und des Batteriegehäuses liegen jedoch aus Sicht des Strukturentwurfs zwei separate Strukturen vor, die bei der Zusammenführung strukturelle Doppelungen vorweisen. Bezüglich des Leichtbauaspekts und des Package-Raums für Module wird somit das erzielbare Potential nicht vollständig genutzt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden auf Gesamtfahrzeugebene die Redundanzen zwischen dem Batteriegehäuse und der Fahrzeugkarosserie beleuchtet und ein funktionsintegrierender Ansatz entwickelt. Dies erfolgte mit dem Ziel, das Strukturgewicht bestehend aus der Karosserie und dem Batteriegehäuse zu reduzieren und den Package-Raum für Module zu vergrößern. Die Richtung der Integration erfolgte dabei von der Karosserie hin zum Batteriegehäuse, sodass die Batterie stets als ein geschlossenes und weiterhin aus dem Fahrzeug lösbares System vorlag. Als karosserieseitig geeignete Komponenten wurden der Fahrzeugboden und der Fahrzeugschweller für eine Integration in das Batteriegehäuse identifiziert.

Das funktionsintegrierende Batteriegehäuse wurde auf System- und Gesamtfahrzeugebene mittels gängiger strukturmechanischer Lastfälle simulativ untersucht. In einer Gegenüberstellung mit statistischen Daten aus realen Crashtests ließen sich die Simulationsergebnisse einordnen, wobei sich zeigen ließ, dass diese im Rahmen der statistischen Streuung des Crashverhaltens realer Fahrzeuge und somit in einem akzeptablen Rahmen lagen. Gegenüber einer Referenz, die in Anlehnung an den Stand der Technik gestaltet wurde, können mit dem funktionsintegrierenden Ansatz das Gesamtgewicht aus Fahrzeugkarosserie und Batteriegehäuse um bis zu ca. 13,5 kg und der Package-Raum für die Module um bis zu 70 mm vergrößert werden