Leittechnologien für die Energiewende - Neues Forschungsvorhaben „Konzeptentwicklung für ein Stahlbatteriegehäuse unter besonderer Berücksichtigung der Fügetechnik und des Korrosionsschutzes (Stahlbatteriegehäuse)“
Gegenwärtige ökologische, ökonomische und soziale Veränderungen führen zu einem Umdenken in der Entwicklung und Gestaltung von zukünftigen Fahrzeugen. Insbesondere die Reduzierung der CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus steht als wichtige Anforderung im Fokus. Die aktuellen Zielvorgaben hinsichtlich des Flottenverbrauchs sind derzeit nur mit elektrifizierten Fahrzeugen erreichbar, sodass dies zu einer Zunahme solcher Fahrzeuge auf dem Markt führen wird. Die massereichen Energiespeicher dieser Fahrzeuge, welche überwiegend aus Lithium-Ionen Zellen bestehen, werden in gängigen Konzepten innerhalb eines Batteriegehäuses im Unterbodenbereich der Fahrzeugstruktur integriert [1, 2]. Die Anforderungen hinsichtlich des Korrosionsschutzes sind aufgrund direkter äußerer Umwelteinwirkungen vergleichsweise hoch. Zudem werden an das Batteriegehäuse sehr hohe Anforderungen bezüglich der Crashsicherheit, der Dichtheit und des Bauraums gestellt. Vor allem die hohen Anforderungen an die Crashsicherheit lassen sich mit Batteriegehäusekonzepten in Stahlbauweise durch eine anforderungsgerechte Auswahl von höchstfesten Stahlgüten vergleichsweise gut erfüllen. Zudem weisen Stahlwerkstoffe in der Primärherstellung eine positivere CO2-Bilanz auf, als es bei alternativen Leichtbauwerkstoffen in der Regel der Fall ist. Auch die guten Brandschutzeigenschaften machen den Einsatz von Stahl in Batteriegehäusestrukturen besonders interessant [3].
Dem großen Potential von Stahlbatteriegehäusen stehen derzeit einige Herausforderungen gegenüber, die eine Markteinführung verhindern. Der Leichtbau mit dem Werkstoff Stahl gestaltet sich aufgrund der höheren Materialdichte im direkten Vergleich zu Aluminium und FVK als komplexere Aufgabe. Die höhere Steifigkeit und Festigkeit ermöglichen jedoch, bei richtiger Konzeptionierung, die Strukturen mit geringerem Volumenaufwand des Materials auszulegen. Weiterhin lässt sich durch intensive Funktionsintegration Materialaufwand und somit das Gewicht des Systems miniminieren. Trotz geringem CO2-Ausstoß bei der Produktion ist im Falle eines höheren Gewichts des Batteriegehäuses mit einem höheren Ausstoß während der Betriebsphase zu rechnen. Daher ist eine LCA-Analyse über den gesamten Lebenszyklus unabdingbar.
Die hier beschriebenen elementaren Zielkonflikte sollen detailliert untersucht und Lösungen erarbeitet werden, um einen deutlichen Wettbewerbsvorsprung in diesem stark im Wandel inbegriffenen, international hart umkämpften und für den Produktionsstandort Deutschland systemrelevanten Industriezweig der Mobilität zu ermöglichen.
Das Erreichen des ambitionierten Ziels der Bundesregierung, in den nächsten Jahren mit einem deutlich höheren Anteil elektrisch angetriebener Fahrzeuge die CO2-Belastung vor allem im urbanen Bereich zu senken, kann nur durch attraktive Angebote an Elektrofahrzeugen im unteren Preissegment erreicht werden. So lag der durchschnittliche Preis eines Neuwagens im Jahr 2019 bei ca. 33.000 €. [4] Das Ziel sollte es sein, in diesem Preisbereich ein großes Angebot an elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu schaffen. Stahlwerkstoffe sind günstige, verfügbare und auch bei KMU etablierte Materialien, die zum Erreichen dieses Ziels entscheidend beitragen können.
Das Ziel des Projektverbunds besteht deshalb in der Konzeption eines Stahlbatteriegehäuses unter besonderer Berücksichtigung der Fügbarkeit und des Korrosionsschutzes. Durch den verstärkten Einsatz des Werkstoffes Stahl entstehen weitreichende Herausforderungen an die Konzeption, die Fügetechnik und den Korrosionsschutz. Diese werden in diesem Vorhaben gezielt erforscht werden, um insbesondere auch KMU frühzeitig für eine Beteiligung an den entstehenden Prozessketten zu befähigen, da sie nicht über die erforderlichen Ressourcen verfügen. Dabei werden jeweils Verfahren untersucht, welche sowohl für geringere als auch größere Stückzahlen eine wirtschaftliche und nachhaltige Fertigung von Batteriegehäusen in Stahlbauweise ermöglichen.
Das interdisziplinäre Forschungsprojekt ist in vier Teilprojekte untergliedert, welche jeweils von einem projektbegleitenden Ausschuss (PA) der Industrieunternehmen unterstützt werden.
Neben dem Laboratorium für Werkstoff und Fügetechnik (LWF) der Universität Paderborn sind das Institut für Kraftfahrzeuge (ika) der RWTH Aachen University, das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) aus Berlin sowie das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) aus Stuttgart an dem Verbundprojekt beteiligt.
Die beteiligten Forschungseinrichtungen haben entsprechend ihres Kompetenzprofils unterschiedliche Forschungsschwerpunkte und decken die erforderlichen Disziplinen ab.
Das umfassende Projektmanagement des interdisziplinären Projektes übernimmt dabei die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA). Die Forschungsvereinigung Automobiltechnik (FAT) und die Forschungsgesellschaft für Pigmente und Lacke e. V. (FPL) unterstützen das Forschungsvorhaben als kooperierende Forschungsvereinigungen.
Die wissenschaftliche Leitung des Gesamtprojektes mit einer Laufzeit von 30 Monaten und einem Fördervolumen von über 1,3 Mio. € übernimmt Prof. Meschut vom LWF.
Das Vorhaben wird im Rahmen einer Programmkooperation des siebten Energieforschungsprogramms und der Industriellen Gemeinschaftsforschung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
[1] BRAUN, T. Der Audi e-tron Vortrag Aachener Karosserietage 2019 Aachen, 2019
[2] KOLLMEIER, M., KWAST, T., SEDLMAYR, M. Artikel „Modulare Karosserieplattform für die Elektromobilität“ Automobiltechnische Zeitschrift, Band121, Ausgabe 5 Springer Vieweg, Wiesbaden, 2019
[3] THYSSENKRUPP STEEL EUROPE Internetauftritt – „Das selectrify®-Batteriegehäuse aus Stahl: Da kann Aluminium einpacken“ www.thyssenkrupp-steel.com/de/branchen/automobiltrucks/elektromobilitaet/batteriegehaeuse/, abgerufen am 10.07.2020 thyssenkrupp Steel Europe AG, Duisburg, 2020
[4] DEUTSCHE AUTOMOBIL TREUHAND GMBH Pressemeldung – DAT Report 2020 Deutsche Automobil Treuhand GmbH, Ostfildern, 2020
