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Projekte im acs

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Verbundprojekt ECoS

Crashoptimierte Seitenbodenstrukturen für E-Fahrzeuge

Die Sicherheit von Fahrzeuginsassen und Verkehrsteilnehmern hat bei der Auslegung von Fahrzeugstrukturen die höchste Priorität. Bei einem Unfall sorgt die Sicherheitsstruktur dafür, dass durch die Begrenzung von Beschleunigungs- und Intrusionswerten das Verletzungsrisiko für die Insassen minimiert wird. Bei Elektrofahrzeugen muss der Insassenschutz um den Schutz der Traktionsbatterie erweitert werden.

Werden Batteriezellen eines Hochvoltspeichers beschädigt, kann dieser im schlimmsten Fall Feuer fangen oder gar explodieren. Geeignete Strukturen sollen dies verhindern. Gerade der Seitenaufprall stellt aufgrund der geringen Verformungszone zwischen Karosseriestrukturen und Batteriezellen eine kritische Belastung dar. Auf die neuartigen Anforderung reagieren OEMs mit der Verstärkung von Crashstrukturen und innovativen Lösungskonzepten. Die Kernfragen lauten dabei:

  • Wie verändern sich spezifische Crash- Lastpfade für Elektrofahrzeuge?
  • Welche Architekturen resultieren im Vergleich zu Fahrzeugen mit konventionellem Antrieben?
  • Wie können neue, innovative Konzepte unter Einsatz verschiedener Werkstoff- und Fertigungs-technologien aussehen?

Im acs-Verbundprojekt „ECoS  E-Fahrzeug: Crashoptimierte Seitenbodenstrukturen" haben wir uns gemeinsam mit unseren Projektpartnern intensiv mit diesen Fragestellungen auseinandergesetzt.

Der Fokus des Projektes lag auf den seitlichen Crashstrukturen im Bereich des Karosserie-Unterbodens unter Berücksichtigung des Batteriekastens. Typische Charakteristika von E-Fahrzeugen sind:

  • Eine im Unterboden verbaute, zu schützende Batterie. Diese verändert grundlegend die Anforderungen an Crashstrukturen
  • Die Traktionsbatterie erhöht das Fahrzeuggesamtgewicht und verändert den Schwerpunkt
  • Grundkonflikt: Hohe Reichweite vs. kurze Knautschzone

Ziel war es, mit Hilfe von Simulationsmodellen die veränderten Lastpfade sowie das Deformationsverhalten zu analysieren und grundsätzlich unterschiedliche Lösungskonzepte zu entwickeln.

Die Basis für die Konzeptentwicklung stellte eine umfassenden Markt- und Technologieanalyse aktueller Elektrofahrzeuge dar. Beleuchtet wurden veränderte Anforderungen im Vergleich zu Verbrennerfahrzeugen, die Crashphysik und das Deformationsverhalten im Seitencrash. Wie OEMs diesen Veränderungen begegnen, wurde im darauf folgenden Screening analysiert. Hierbei zeigten sich signifikante Unterschiede in der Fahrzeugarchitektur und der Lastpfadgestaltung, die sich aus Strukturen im Unterboden, Schweller inkl. Verstärkungen und Batteriekasten zusammensetzen.

Als meist eingesetzte Bauweise ging ein hochfester Schweller mit innenliegendem Aluminium-Strangpressprofil als Verstärkung hervor. Diese Bauweise führt zu verschiedenen Herausforderungen, wie z.B. die Profilanbindung, die Kompensation der Wärmeausdehnung sowie der Vermeidung von Kontaktkorrosion. Somit stellt sich die Frage nach geeigneten, alternativen Bauweisen.

Mit Hilfe der zuvor durchgeführten Technologierecherche wurde im nächsten Schritt ein FEM-Vollfahrzeugmodell einer Verbrenner-Fahrzeugkarosserie modifiziert. Eine dabei vorgenommene Fallunterscheidung führte zu zwei E-Fahrzeugmodellen mit unterschiedlicher Lastpfadführung. Die Modifikation beinhaltete umfangreiche strukturelle und werkstoffseitige Adaptionen in Anlehnung an aktuelle Elektrofahrzeuge.

  • BEV-Variante A mit aktivem Batteriekasten: Diese beinhaltet eine Schwellerverstärkung in Form eines Al-Strangpressprofils. Der Batteriekasten enthält lasttragende und energieabsorbierende Strukturen aus Trägern und einem ausgeprägtem Crashrahmen.
  • BEV-Variante B mit passivem Batteriekasten: Diese hat verstärkte Karosseriestrukturen im Unterboden und reduzierte Strukturen im Batteriekasten sowie in der Schwellerverstärkung im Vergleich zu Modell A. Der Batteriekasten ist damit nur geringfügig an seitlichen Lastpfaden beteiligt.

Welche alternative Bauweisen von Schwellerverstärkungen möglich sind, konnte in gemeinsamen Workshops mit den Projektpartnern in Form von Grobkonzepten erarbeitet werden. Die Konzeptideen beinhalten Ansätze für die Werkstoffe Stahl, Aluminium, Kunststoff und Hybridverbund, hergestellt mit verschiedenen Fertigungstechnologien.

Im Rahmen zahlreicher Iterationsschleifen und Auswahlverfahren haben sich mehrere Konzeptansätze herauskristallisiert. Die finale Auslegung, mit dem maßgeblichen Ziel die geforderten Intrusionswerte einzuhalten, erfolgte mit Hilfe von Parameteroptimierungen. Dabei wurden ebenfalls die Fertigungsrestriktionen berücksichtigt.

Der abschließende Gewichtsbenchmark zeigt für alle Konzepte ein gewisses Einsatzpotential. Ein wichtiger Einflussfaktor ist dabei das Lastpfadkonzept aus Karosseriearchitektur und Batteriekasten. Insgesamt verfügt sowohl die Karosseriestruktur als auch die Schwellerstruktur über weitere Optimierungspotentiale.

Über die Entwicklung innovativer Konzepte hinaus konnte innerhalb des Projektkonsortiums folgender Mehrwert erzielt werden:

  • Gesamtverständnis der Lastpfadführung im Seitencrash und die Interaktion beteiligter Strukturen
  • Verständnis zu unterschiedlichen Technologien und ihrer Wirkungsweisen
  • Gegenüberstellung von neuen zu etablierten Konzepten

Wir möchten uns bei unseren Kooperations- und Projektpartnern für die gute Zusammenarbeit und für die Möglichkeit, dieses Projekt durchzuführen, herzlich bedanken.

Ihr Ansprechpartner:

 

M.Sc. Eduard Haberkorn

Leitung CAE

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