Das Docol® Konstruktionskonzept für Elektrofahrzeuge ist eine virtuelle Plattform für die Entwicklung neuer Lösungen aus extra- und ultrahochfestem Stahl für Elektrofahrzeuge. Seine erste Aufgabe ist, innovative Konstruktionen von Rohkarosserien zu entwickeln, um die Batterien von Elektrofahrzeugen besser gegen Einwirkungen durch Unfälle zu schützen – besonders gegen seitlichen Pfahlaufprall.
Das Docol Konstruktionskonzept für Elektroautos ist eine Idee von Robert Ström. Ström ist ein langjähriger Veteran bei der Automobiltechnik und Crash-Simulation und hat vor seiner Tätigkeit bei SSAB für BMW gearbeitet.
Was meinen Sie mit dem „Docol Konstruktionskonzept für Elektroautos“?
Die Batteriepacks für Elektroautos werden bei längeren Reichweiten größer. Doch dabei bleibt die größte Herausforderung für die Konstrukteure unverändert: Wie schützen wir die Batteriezelle bei einem Unfall? Es darf keinerlei Intrusion in die Zellen vorkommen, selbst beim sehr anspruchsvollen Pfahlaufpralltest. Das Konzept für Elektroautos ist eine „virtuelle Plattform“, um innovative Ideen und grundlegende Forschungen für Lösungen mit extra- und ultrahochfestem Stahl für Elektrofahrzeuge zu fördern.
Bitte nennen Sie ein Beispiel für das Docol Konzept für Elektroautos.
Wir haben Konstruktionen und erste Prototypen für ein Batteriegehäuse aus extra- und ultrahochfestem Stahl mit einer Bodenkonstruktion aus martensitischem Docol 1700 Stahl zusammengesetzt, der zu Trägern 3D-rollumgeformt und dann zu einem Netzmuster verschweißt wurde.
Was ist 3D-Rollumformen?
In einer 3D-Rollumformmaschine können sich die Rollen während des Umformprozesses in alle Richtungen bewegen. Wir haben durch 3D-Rollumformen einen Träger geschaffen, bei dem ein Teil befestigt und ein Teil beweglich ist. Dann kann ein Träger senkrecht zu einem ähnlichen Träger angeordnet werden, das auf den Kopf gestellt wird, ohne dessen Höhe in der Z-Richtung zu verdoppeln. Das ist entscheidend für Hersteller von Elektroautos: Wenn das Batteriegehäuse groß ist, reduziert sich entweder der Platz in der Fahrgastzelle oder man bekommt ein höheres, weniger stromlinienförmiges Fahrzeug.
Gibt es noch weitere Vorteile für diese die Batterielast tragende Konstruktion?
Das Netz aus den 3D-Trägern hält einen festgelegten Abstand zwischen der Bodenplatte des Gehäuses und dem Batteriehalter aufrecht und sorgt für einen ausreichenden Schutz der Batterie gegen Schläge von unter dem Fahrzeug. Und weil die „Kerben“ entlang der Länge der Träger laufen, sind die Lastpfade in der X- und Y-Richtung ununterbrochen und daher so fest wie möglich.
Welche weitere Konstruktionen machen dieses Batteriegehäusekonzept schlagfest?
Ein Rahmen um den Batteriehalter aus 1700M bietet einen Aufprallschutz und eine Stabilisierung. Und der Halter des Batteriegehäuses ist aus Stahl hergestellt, der so gezogen ist, dass er vollständig vertikale (90°) Seitenwände bildet, um den Platz für den Batteriepack zu optimieren. Der Halter verhindert zudem, dass die Batteriezellen während und nach einem Unfall in die Umwelt auslaufen.
Was ist das geschätzte Gewicht des gesamten Batteriegehäuses?
Das niedrigste Gewicht des Batteriegehäuses ist 75 kg. Das gilt für ein Batteriepack mit den Maßen 1.742 x 1.320 x 120 mm.
Gibt es weitere Konzepte für Elektroautos?
Anders als ein Auto mit einem Verbrennungsmotor muss ein Elektroauto mehr Energie durch die Schweller des Fahrzeugs aufnehmen. Warum? 1) Das Gewicht der Batterie des Elektroautos, 2) der steifere Unterboden bei einem Elektroauto und 3) die Anforderung, dass es keinerlei Einwirkungen auf den Batteriepack des Elektroautos geben darf.
Gilt nicht extrudiertes Aluminium als effiziente Weise, um höhere Energieniveaus zu dämpfen?
Ja, aber zu einem sehr viel höheren Preis als bei extra- und ultrahochfestem Stahl. Wir haben versucht, die Leistung von Schwellern aus extrudiertem Aluminium aus EN AW-6082 T6 mit einer Dicke von 4,5 mm für die Außenwände und 3 mm für die Rippen zu erreichen. Entsprechend hat SSAB viele, viele Simulationen für zahlreiche verschiedene Profilentwürfe für 2D-rollumgeformte Schweller aus Docol CR 1700M Stahl durchgeführt. Doch vor allem haben wir die Wanddicke für alle 1700 M Profile so eingestellt, dass sie dasselbe Gewicht wie die Schweller aus 6082 T6 Aluminium haben.
Und was haben Sie herausgefunden?
Wir haben das Schwellerprofil mit der besten Leistung ermittelt: Sein Crashverhalten entspricht dem eines Aluminiumträgers. Und noch einmal: Das Gewicht ist bei beiden Materialien gleich, extra- und ultrahochfestem Stahl und Aluminium.
Gibt es schon Prototypentests mit den Schwellern aus Docol 1700M?
Ja, die ersten Prototypentests liegen vor. Sie sind gut verlaufen. Wir müssen aber noch weitere Tests bei der Schweißnaht durchführen, mit der das Profil hergestellt wurde, um festzustellen, ob sie duktil genug sind, um eine Verformung ohne Rissbildung zu verarbeiten.
Welche anderen Konzepte für Elektroautos sind in Arbeit?
Die effizienteste Art zum Schutz des Batteriepacks von Elektroautos durch Einwirkung während eines Seitenaufpralls ist, sicherzustellen, dass sich die Querträger unmittelbar unter dem Boden der Fahrgastzelle nicht verformen. Die Querträger müssen fest sein und dürfen keinerlei Energie aufnehmen. Stattdessen müssen sie die Seitenaufprallkraft von der einen auf die andere Seite des Fahrzeugs übertragen.
Haben Sie mit verschiedenen Profilen aus extra- und ultrahochfesten Stählen bei den Querträgern experimentiert?
Ja, erneut unter Verwendung von Docol 1700M. Es gibt große Leistungsunterschiede zwischen den verschiedenen Profildesigns. Wenn zum Beispiel alle Trägerprofile dasselbe Gewicht haben, schneiden Träger mit großem Radius am besten ab.
Aber haben extra- und ultrahochfeste Stähle nicht sehr hohe Streckgrenzen? Könnten also bei diesen Trägern mit ihrem großen Radius und dünnen Wänden nicht lokale Knickungen auftreten?
Ja, aber ein Weg zur Begrenzung der lokalen Knickungen ist, breite Segmente eines Profils durch eine Kerbe weniger breit zu machen. Kerben bieten mehr Radien, durch die die Kräfte geleitet werden können. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass ein optimierter Querträger eine mehr als doppelt so große Leistung bei Crash-Lastübertragung erzielt als das quadratische Profil. Und kritisch bei dieser Anwendung bei Querträgern ist die Spitzenlast, nicht die Energieaufnahme. Bei einem Unfall mit einem Elektroauto darf die Spitzenlast der Querträger nicht überschritten werden.
Wie geht es weiter mit dem Konzept für Elektroautos?
Wir möchten an das Eigeninteresse der Hersteller appellieren und sie auffordern, für kritische Bauteile in batteriebetriebenen Elektroautos extra- und ultrahochfeste Stähle zu verwenden. Dabei können sie dieselben Gewichtseinsparungen wie mit teurerem Aluminium oder anderen CO2-intensiven Materialien erzielen. Wir möchten zudem, dass die Hersteller eine höhere Materialausnutzung bei extra- und ultrahochfesten Stählen erreichen, so dass sie zusätzliche Einsparungen erzielen können. Wir stellen Autokonstrukteuren Simulationen mit extra- und ultrahochfesten Stählen bereit, darunter Seitenaufprallsimulationen, die zeigen, wie die Leistung von kritischen Sicherheitsbauteilen verbessert werden kann – etwa die Verbesserung der Leistung von Bodenquerträgern um einen Faktor zwei.
Und schließlich möchten wir innovative neue Konstruktionen und Produktionsverfahren für extra- und ultrahochfeste Stähle demonstrieren, wie etwa 3D-Rollumformen für platzsparende Batteriegehäuse in Elektroautos. Innovationen wie etwa 3D-Rollumformen von extra- und ultrahochfesten Stählen zur Herstellung von Kreuzgeflechten, die unter Druck funktionieren, eröffnen neue Denkweisen bei den Konstrukteuren für die Leistungsmaximierung bei der Axialbelastung – quer wie längs.
Stehen Sie vor Herausforderungen bei der Konstruktion von Elektroautos, die Sie mit extra- und ultrahochfesten Stählen bewältigen möchten? Es ist nie zu früh, um uns für Ihr nächstes Projekt anzusprechen.