1) Konzepte für Batteriegehäuse dominieren auf der Tagesordnung des IABC
2) Plan für größere Batterien und kostengünstigere Materialien in Elektroautos
3) Materialgemische setzen sich durch
4) Preisparität bis 2024: Batteriebetriebene Elektroautos & Verbrennungsmotoren
5) 3D-Rollumformen und 3D-Druck für innovative Profile

Rohkarosserie des Chevy Corvette 2020

Konzepte für Batteriegehäuse dominieren auf der Tagesordnung des IABC 

Das mit Abstand dominierende Thema auf dem IABC-Kongress 2019 in den USA waren die Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge. Um den Bedarf bei größeren Reichweiten zu erfüllen, müssen die Batteriezellen schwerer werden (Wh/kg) und eine sehr viel größere Energiedichte bekommen (Wh/l). Aus vielen Gründen ist es jetzt sinnvoll für die Autohersteller, ihre batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge mit mehr Batteriezellen/Modulen auszustatten.

Je größer und schwerer die Batterien werden, desto erfindungsreicher müssen aber die Konstruktionen der Rohkarosserien werden, um die Zellen gegen Intrusion bei einem Aufprallunfall zu schützen. Besonders anspruchsvoll für Batterien von Elektroautos ist der Pfahlaufpralltest.

Zum Glück für die Konstrukteure sind Batteriegehäuse multifunktional: Wenn es mit der übrigen Bodenkonstruktion der Rohkarosserie kombiniert ist, fügt es Steifigkeit und Torsionssteifigkeit hinzu und übertrifft diese Werte im Vergleich zu Verbrennern um über 30 % (Quelle: Caresoft Global Inc.).

Zahlreiche Konzepte für Batteriegehäuse wurden vorgestellt, darunter das Docol Konstruktionskonzept für Elektroautos mit seinen 3D-rollumgeformten Trägern mit geringer Einbauhöhe.

Plan für größere Batterien und kostengünstigere Materialien in Elektroautos

Nach 2020 wird ein Leichtbau mit Aluminium teurer werden als das Hinzufügen weiterer Batteriemodule, wie Don Malen von der University of Michigan und Bloomberg New Energy Finance berichtete. Die Verbraucher würden ohne Zweifel größere Batterien nachfragen, um die Reichweite zu vergrößern und die „Reichweitenangst“ zu verringern.

Größere Batterien würden Rohkarosserien aus ultrahochfesten Stählen erforderlich machen, um die höhere Energie durch die größere Fahrzeugmasse abzudämpfen.

Batteriegehäuse aus Aluminium sind bereits ein Kostennachteil im Vergleich zu Gehäusen aus extra- und ultrahochfesten Stählen. Improvalue belegt einen Kostenvorteil von 88 USD gegenüber 110 USD zugunsten von Batteriegehäusen aus extra- und ultrahochfesten Stählen verglichen mit Aluminium. (Annahmen: ideale Fabrik, 200.000 Fahrzeuge/Jahr; 5 Produktionsjahre und Berücksichtigung von Materialkosten, Umformprozesse, Montage und E-Beschichtung.)

Der Referent auf dem IABC bemerkte, dass diese Preisdifferenz sich in Zukunft noch vergrößern könnte, da die Batteriegehäuse von Elektroautos größer werden und die Konstrukteure noch innovativer mit extra- und ultrahochfesten Stählen arbeiten werden. Die Empfehlung: Übertragen Sie nicht einfach die Gehäusekonstruktion von Aluminium auf Stahl. Nutzen Sie stattdessen die spezifischen Vorteile der extra- und ultrahochfesten Stähle für neue Konstruktionen aus, die Ihre existierenden Fertigungsprozesse nutzen, und erwägen Sie den Einsatz von neuen Stahlumformprozessen wie das 3D-Rollumformen.

Und auch bei größeren, noch leistungsfähigeren – und schwereren – Batterien wird ein Leichtbau weiterhin kritisch sein. Einerseits werden die Hersteller das zusätzliche Gewicht der größeren Batterien zum Teil ausgleichen. Und ein Leichtbau mit extra- und ultrahochfesten Stählen ist wirtschaftlich (und ökologisch) sinnvoller als ein Bau mit dem treibhausgasintensiven Aluminium und CRFG. Es bleibt zu hoffen, dass wir in den kommenden Jahren Feststoffbatterien mit einer höheren (Energie-)Dichte sehen werden. Sie werden leichter als Lithium-Ionen-Akkus sein, aber wahrscheinlich auch teurer, so dass die Konstrukteure in absehbarer Zukunft bei extra- und ultrahochfesten Stählen bleiben werden.

Materialgemische setzen sich durch

Bei einigen Premium-Automodellen (Tesla X, S und 3, BMW i3 und Jaguar I-Pace) werden große Mengen Aluminium in den Rohkarosserien verbaut. Bei anderen kostenbewussten Modellen (Renault Zoe, Nissan Leaf, Chevy Bolt) setzt man auf stahlintensive Materialgemische.

Materialgemische scheinen auf dem Vormarsch zu sein, da bestimmte Materialien bestimmte Herausforderungen bei der Optimierung lösen.

So ist die Materialliste für die neue Plattform des Ford Explorer 2020 instruktiv:
Unlegierter Stahl 24,2 %
Hochfester Stahl 21,4 %
Extrahochfester Stahl 13,1 %
Ultrahochfester Stahl 9,2 %
Pressgehärteter Stahl 25,2 %
Aluminium – geprägt 0,1 %
Aluminium – extrudiert 3,7 %
Aluminium – gegossen 2,1 %
Magnesium – gegossen 0,5 %

Ford präsentierte seine Optimierung der Topologie bei der Rohkarosserie, darunter die Topologieanalyse der „Knochenbauinterpretation“ für den Hauptlastpfad, oberen Lastpfad, Zugstäbe und Druckstäbe. Seine „bionische“ Verstärkungsstruktur beim Ford Escape/Kuga 2020 führt zur Umwandlung der Stoßlasten in Zug und Druck – bei minimaler Biegung.

Beim Escape/Kuga 2020 wurden die zentralen Bauteile wie Frontkonstruktion, Säulen, Dachprofilschienen und untere Heckkonstruktion individuell für die großen Regionalmärkte entworfen. Während diese Bauteile speziell auf die regionalen Leistungsanforderungen zugeschnitten wurden, erzielen sie als Gruppe einen optimalen Massenwirkungsgrad.

Der Escape/Kuga 2020 ist ein leichteres Fahrzeug als seine Vorgängermodelle. Seine Konstruktion:

• Ist 90 kg leichter mit einer 5 kg leichteren Rohkarosserie durch den Einsatz von extra- und ultrahochfesten Stählen.
• Bietet einen besseren Insassenraum mit größerer Ladekapazität durch eine effiziente Profil- und Verbindungskonstruktion.
• Hat ein um 12 % besseres statisches Biegeverhalten und um 10 % besseres Torsionsverhalten als die auslaufenden Modelle.
• Ist weiterhin erschwinglich durch Verwendung von dünnen Blechen aus extra- und ultrahochfesten Stählen in der Rohkarosserie.

Preisparität bis 2024: Elektroautos und Verbrennungsfahrzeuge

Bis 2024 werden Elektroautos auch ohne staatliche Steuervorteile eine Preisparität mit Verbrennern bei allen Modelltypen und -klassen erreichen, da die Kosten für Lithium-Ionen-Akkus sinken. Die große Veränderung, auf die potenzielle Käufer von Elektroautos gewartet haben, ist nahezu eingetroffen: billigere Elektroautos mit einer größeren Reichweite und nachhaltigen Stromkosten

• Die Parität zwischen Verbrennern und Elektroautos ist bei einigen Autos im mittleren Preissegment bereits erreicht (z. B. Tesla Model 3, 2019, für 36.600 bis 61.100 USD gegenüber dem BMW 330i xDrive, 2019, für 41.245 bis 61.945 USD).
• Die Preise für die Batteriepacks werden bis 2024 bei 94 USD/kWh und bis 2030 bei 62 USD/kWh liegen (Bloomberg NEF).
• Europa verlangt bis 2030 Fahrzeuge, die einem Verbrauch von 2,55 Liter pro 100 Kilometer entsprechen.
• Vielerorts kostet Strom aus Solarenergie jetzt genauso viel oder weniger als Strom, der mit Hilfe von Erdgas erzeugt wird.
• Kommende große Investitionen in die Elektrifizierungsinfrastruktur (z. B. Ladestationen, eingebaute Ladeinfrastruktur in Straßen und Parkplätzen usw.). Die USA hinken hinterher: Hier gibt es 60.000 Ladestationen für Elektroautos, während es in China (wo Elektroautos gesetzlich vorgeschrieben sind) 900.000 sind.

Anders betrachtet: Bis 2022 wird der Preis für Batterien auf rund 100 USD/kWh sinken, was Elektroautos mit attraktiven Preisen und einer Reichweite über 610 Kilometer einen Schub geben wird.

3D-Rollumformen und 3D-Druck für innovative Profile

Der Ford Explorer 2020 demonstriert die 3D-Rollbiegetechnologie von Shape Corporation, die ein Umformen in vielen Ebenen und Richtungen ermöglicht – und das im Zuge des Rollumformprozesses. Die Vorschubgeschwindigkeit wird von der Mindestvorschubgeschwindigkeit der Induktionsschweißanlage auf der Straße bestimmt. In einem einzelnen 3D-Rollumformprozess wird martensitischer Stahl kundenspezifisch in Formstahlrohre mit dreidimensionaler Biegung und einem optimierten geschlossenen Profil für den Explorer 2020 umgeformt.

Die 3D-Rollbiegetechnologie von Shape kann bis R 400 mm biegen und verlangt nur einen Übergangsbereich von 100 mm für die Biegemaschine, um den Bewegungsradius zu ändern. Die Biegevorgänge sind von der 3D-Rollumformanlage abgekoppelt, um die Rollumformeffizienz zu maximieren und die Flexibilität der Biegeanlage zu gewährleisten.

SSAB präsentierte auch das 3D-Rollumformen von Batteriegehäusen im Rahmen seines Docol Konstruktionskonzepts für Elektroautos. Durch 3D-Rollumformen wird der lasttragende Boden des Gehäuses durch Träger erzeugt, bei denen ein Teil befestigt und ein Teil beweglich ist. Dann kann ein Träger senkrecht zu einem ähnlichen Profil angeordnet werden – also auf den Kopf gestellt und in einem Netzmuster angeordnet –, ohne dessen Höhe in der Z-Richtung zu verdoppeln, was Platz in der Fahrgastzelle einspart.

Der 3D-Druck (additive Fertigung) blendete die Konferenzteilnehmer mit äußerst komplexen und innovativen Bauteilen für die Rohkarosserie. Ein Beispiel war ein optimierter und gewichtsarmer Achsschenkel, der durch Drahtdruck 58 % leichter wurde. Additive Fertigung erscheint bis auf Weiteres am besten für Modelle mit kleineren Stückzahlen geeignet, bei denen die Einsparungen bei Formkosten (250.000 USD und höher) und Bauteilgewicht die Kosten für den 3D-Druck übersteigen. Obwohl der Drahtdruck bei den meisten Bauteilen immer noch viel zu langsam ist, beschleunigen sich die Abscheidungsraten in einem Takt, der nach und nach die Fertigungsprozesse für viele Bauteile von Rohkarosserien verändern wird.