Leichtbau und mehr - Kunststoffe.de · 2013-08-05 · ährend der Leichtbau als be-kanntes Konzept das gesamte Fahrzeug mit allen seinen Kom-ponenten umfasst (Bild 1), ist die Batterie

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CLAUS DALLNER

VOLKER ZEIHER

Während der Leichtbau als be-kanntes Konzept das gesamteFahrzeug mit allen seinen Kom-

ponenten umfasst (Bild 1), ist die Batteriesamt ihrer Peripherie ein ganz neuartigesTeilstück des Autos und hält eine Vielzahlvon neuen Herausforderungen bereit:Nicht nur bezüglich ihrer elektrochemi-

schen Funktionsfähigkeit, sondern auchin Sachen Rahmen, Gehäuse, Stecker, Ka-bel und Integration ins Fahrzeug. Auf-grund dieser zahlreichen Entwicklungs-felder und der z.T. noch ungelösten Auf-gaben wird sich das Elektroauto im Marktnur schrittweise durchsetzen.

Eine der größten Herausforderungenfür das reine Elektrofahrzeug ist die bis-her unzureichende Energiedichte der Bat-terie im Vergleich zu konventionellenEnergieträgern. Daraus resultieren einge-schränkte Reichweite und hohes Gewicht.Über sogenannte Range Extender kann

die begrenzte Reichweite – zurzeit etwa150 km – der rein batterieelektrisch be-triebenen Fahrzeuge deutlich gesteigertwerden, wobei der Range Extender, z.B.

Kunststoffkonzepte. Technische

Kunststoffe müssen heute bekann-

termaßen vor allem in den Feldern

Gewichtsreduktion, Leistungsfähig-

keit und Sicherheit ihre Aufgaben

erfüllen. Genau das sind auch zen-

trale Anforderungen, die bei der

Entwicklung von Fahrzeugen mit al-

ternativen Antrieben von Bedeutung

sind, denn die Hauptprobleme der

ersten batteriebetriebenen Automo-

bile – der Elektrofahrzeuge – sind

die geringe Reichweite und das ho-

he Gewicht der Batterien sowie die

erhöhten Sicherheitsanforderungen

im Betrieb. Zu diesen Aspekten kön-

nen vor allem neue anspruchsvolle

technische Kunststoffe ihren Beitrag

leisten.

Das Elektroauto: Leichtbau und mehr

Thermoplastische Polyurethane (TPU) eignen sich für die Ummantelung der Ladekabel vonElektrofahrzeugen (Foto: Gettyimages/BASF)

66 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 3/2011

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eine Brennstoffzelle, die Funktion einesGenerators zur Stromerzeugung über-nimmt.

Den ersten Schritt zu elektrisch betrie-benen Fahrzeugen stellen heute aber vorallem hybride Antriebskonzepte dar:Nach Analysen von JD Power wächst derMarktanteil der Hybridfahrzeuge mit20 % pro Jahr, in den nächsten Jahren je-doch noch von einem sehr niedrigen Ni-veau aus.

Die Batterie: Elektrochemieund Leichtbau

Um gemeinsam neuartige Produkte undLösungen für die Elektromobilität zu er-

arbeiten, kooperiert die BASF eng mitKunden und Partnern: Einerseits enga-gieren sich die Elektrochemiker zurzeitintensiv im branchenübergreifenden Pro-jekt HE-Lion an einer Weiterentwicklungder Lithium-Ionen-Batterie, um Energie-dichte und Sicherheit zu erhöhen sowiedie Ladezeit zu verringern. In diesemZusammenhang arbeitet das Unterneh-men auch an neuen Metalloxiden für dieKathode der Lithium-Ionen-Batterie, dieab 2012 in einer Neuanlage in den USAim Industriemaßstab gefertigt werden.Darüber hinaus wurde im August 2010das akademische ForschungsnetzwerkElektrochemie und Batterie ins Lebengerufen: Zusammen mit Experten von

Bild 1. Ob Elektrofahrzeug oder Hybridauto: Das Innenleben wird sich deutlich vom konventionellenPkw mit Ottomotor unterscheiden (Foto: BASF)

Bild 2. Die Batterie des Elektro-fahrzeugs umfasst Module mit den ver-schiedensten, neuartigen Anforderungen (Foto: BASF)

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Universitäten und Forschungseinrichtun-gen in Deutschland, der Schweiz undIsrael bemühen sich die Forscher derBASF um innovative Konzepte wie die Li-thium-Schwefel- und die Lithium-Luft-Batterie.

Auf der anderen Seite müssen aberebenso Gehäuse, periphere Funktionenund Verbindungselemente der Batterie soleicht wie möglich sein, um ihre Effizienzdurch Gewichtsreduktion zu erhöhen.Aktuell beträgt das Zusatzgewicht, das ei-ne Batterie ins Fahrzeug einbringt, je nachModell und Konzept zwischen 150 und450 kg. Durch den Einsatz von Kunststof-fen verringert sich nicht nur das Gewichtder Batterie, sondern des gesamten Fahr-zeugs: Die Leichtbauentwicklungen derletzten Jahrzehnte müssen also in dasElektrofahrzeug hinein fortgesetzt wer-den.

Über die elektrochemischen Entwick-lungen im Batterieinnern hinaus hängtdie Realisierbarkeit des Serien-Elektro-oder -Hybridfahrzeugs davon ab, wie dieBatterie und die zugeordneten Module

sicher und effizient in das Fahrzeug-ensemble integriert werden können. Bei-spielsweise müssen die Kunststoffe, die indirektem Kontakt mit der Batterie stehen,für den Fall eines Flüssigkeitsaustritts be-ständig gegen die aggressiven Elektrolyteund ihre Zersetzungsprodukte sein. Undobwohl die Betriebstemperaturen derBatterie niedrig sind, können im Fehler-fall trotzdem schlagartig hohe Tempe-raturen, Ströme und Funken entstehen.Daher werden beträchtliche Anforderun-gen an Brandsicherheit, Temperaturbe-ständigkeit und Kriechstromfestigkeit ge-stellt.

Gewicht, Leistung, Sicherheit:Module und Anforderungen

Das Herz der Batterie ist der Stapel auseinzelnen Batteriezellen.Daneben bestehtder Stromspeicher des Elektrofahrzeugsaus den Komponenten Ladesystem,Kühl-system, Gehäuse/Abdeckung, Steuerung

Bild 3. Beim Batteriezellstapel stehen Hydrolysestabilität, Kühlmittelresistenz, halogenfreier Flamm-schutz und möglichst geringes Gewicht im Vordergrund (Foto: Mavel/Autobench)

Anforde-rungen

Flamm-schutz

ChemischeBeständig-

keit

Dimen-sionsstabi-

lität/geringerVerzug

Dicht-heit

Temperatur-beständig-

keit

Design-freiheit

Kriech-beständig-

keit

Farbstabi-lität/Ein-

färbbarkeit

Crash-Resistenz

ElektrischeIsolierung/

Durch-schlag-

festigkeit

Elektro-magneti-sche Ab-

schirmung

Bauteile

Batteriezell-Module

x x x x x x x x

Batterie-Gehäuse

x x x x x x x x

Ladesystem x x x x x x

Hochspan-nungssteck-verbinder

x x x x x x

Dichtemechatro-nische Kom-ponenten

x x x x

Kühl-Aggregate

x x x x

Tabelle 1. Anforderungen an Materialien für Komponenten von Lithium-Ionen-Hochspannungsbatterien

Bild 4. AbdichtendesMetall-Umspritzen,Verzugsarmut, gutesFließvermögen undhoher Flammschutzsind die Kernthemenbei Kabeln undSteckern des Elektro-oder Hybridfahrzeugs(Foto: Mavel/Autobench)

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und Hochspannungsverbindungssystem(Bild 2).

Beim Batteriezellstapel (engl.: batterypack, Bild 3) sind nicht nur die nahelie-genden Kriterien Gewicht, halogenfreierFlammschutz bis zur Brandklasse UL94-V0 und Resistenz gegen hohe Tempera-tur,Wasser und Kühlmittel von besonde-rer Bedeutung. Auch auf Verzugsfreiheitder Bauteile, gute Dichtheit und Kriech-festigkeit wird Wert gelegt. Beim Ladesys-tem hingegen kommen zur Forderungnach Flammbeständigkeit Schlagfestig-keit und dauerhafte elektrische Isolier-fähigkeit hinzu sowie Kriechstromfestig-keit und das Abschirmverhalten von Ka-beln und Steckern. Bei Lade- ebenso wiebei Hochspannungsverbindungssyste-men ist die Farbstabilität des eingefärb-ten Kunststoffs wichtig, denn gerade indem sensiblen Bereich hoher Spannun-gen ist die Farbkodierung der einzelnenSteckverbinder, Leitungen und Kabel re-levant (Bild 4).

Die thermisch belasteten Teile der Bat-terie, die gekühlt werden müssen, verlan-gen neben Kühlmittelresistenz und Di-mensionsstabilität eine möglichst freieFormgebung – eine Eigenschaft, die ther-moplastische Kunststoffe bekanntlich vonHaus aus mitbringen. Crash-Resistenz,d.h. hohe mechanische Leistungsfähig-keit, die nahe an die eines Metalls heran-reicht, ist für fast alle diese Bauteile einenotwendige Bedingung: Gerade rund umdie Batterie herrschen Sicherheitsanfor-derungen,die oft nur von crash-optimier-ten Kunststoffen und Bauteilen erfülltwerden können.

Dieses komplexe System aus Eigen-schaftskombinationen für die verschiede-nen Module, die weit über klassische For-derungen nach Hitze- und Chemikalien-beständigkeit, Flammschutz und Dimen-sionsstabilität hinaus gehen, ist in Tabelle 1zusammengefasst. Um dem Elektroautoeine möglichst problemlose Marktein-führung zu ermöglichen, ist es unbedingt

notwendig, dass dieses gesamte Eigen-schaftsspektrum im Blick bleibt und zurRichtschnur für die Bauteilgestaltungwird. Ziel der BASF als global aktiverKunststoffhersteller ist es daher, mit maß-geschneiderten Kunststoffen die Realisie-rung großserientauglicher Systeme zu er-möglichen. Dazu lassen sich einerseits be-reits im Portfolio vorhandene Spezial-kunststoffe verwenden.Ganz ohne neu zuentwickelnde spezielle Materialvariantenwird es jedoch nicht gehen. In jedem Fallmüssen Kunststoffhersteller, OEM unddie anderen Partner entlang der Wert-schöpfungskette entschieden und in en-gem Schulterschluss handeln, um neueBauteilkonzepte zu erarbeiten, damit dasElektrofahrzeug seinen breiten Marktein-tritt zügig schafft.

Geeignete Kunststoffe

In Tabelle 2 sind einige technische Kunst-stoffe der BASF den geforderten Eigen-

Handelsname BASF-Kunststoff

Material Flammschutz Dimensions-stabilität

Hydrolyse-beständigkeit

Festigkeit/Steifig-keit/Temperatur-

beständigkeit

UL 94 halogenfrei

Ultramid A3X2G5 bis G10 PA66, 25–50 % GF V0 x – x x

Ultramid C3U PA66/6 V0 x – x x

Ultradur B4406G6 PBT, 30 % GF V0 – x – x

Ultradur FRee B4450G5 PBT, 25 % GF, hell einfärbbar

V0 x x – x

Ultradur B4330G6 HR PBT, 30 % GF,hydrolyse-resistent

HB x x x x

Ultrason E 2010G6 PESU, 30 % GF V0 x x x x

Tabelle 2. Einige beispielhafte BASF-Materialien, die über die Basis-Eigenschaften für Batteriekomponenten verfügen

Bild 5. Bei Opel sind inzwischen zahlreiche neue Modelle für den Fußgän-gerschutz mit dem Lower Bumper Stiffener (oben; Werkstoff UltramidB3WG6 CR) ausgerüstet worden. Ebenso wie bei Crash-Absorbern (rechts;Werkstoff: langglasfaserverstärktes Ultramid Structure LF) und Hybridbau-teilen wie dem Struktureinleger im Peugeot 308 (links; Werkstoff: Ultra-mid A3WG10 CR) handelt es sich hier um crash-optimierte leichte Kunst-stoff-Karosseriebauteile (Foto: BASF)

Bild 6. Im Fall der neuen Opel-Motorlager (links unten) ebenso wie bei derPendelstütze im Porsche (rechts) oder dem Getriebequerträger bei BMW(oben) konnten innerhalb der letzten zwei Jahre hochanspruchsvolle Me-tallbauteile aus dem Motor- und Getriebebereich durch ebenso leistungs-fähige, aber deutlich leichtere Bauteile aus speziellen Polyamiden ersetztwerden (Foto: BASF)

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schaftsprofilen zugeordnet.Hierragen beispielsweise die neuenUltradur-B4330-HR-Typen(PBT) für Anwendungen mithohen Hydrolyse- und Kor-rosionsanforderungen heraus.Flammgeschütztes Ultradur istgrundsätzlich für Stecker inte-ressant. Der Hochtemperatur-kunststoff Ultrason (PESU) bie-tet sich für Module an, die beivielen Eigenschaften gleichzeitighohe Leistung vom Material ver-langen.

Zu den neuen Produktent-wicklungen der BASF des Jahres2010 gehören in diesem Zusam-menhang die sehr chemikalien-beständigen PA610-Typen Ul-tramid Balance,die bei Sensorenund E&E-Komponenten rundum die Batterie ihre Vorteile aus-spielen. Und solange der Ver-brennungsmotor im Fahrzeugbleibt,werden die Temperaturendurch Turboaufladung weitersteigen, sodass hier das neueUltramid Endure mit einerDauergebrauchstemperatur von220°C seinen Beitrag leistet.

Auch das neue UltramidStructure, das mechanisch be-sonders belastbare langglasfa-serverstärkte Polyamid mit sei-ner hohen Dimensions- undTemperaturstabilität, deckt dieneuen Anforderungsprofile ab.So kann es in crash-relevantenBauteilen wie den Batterie-gehäusen oder -aufhängungenzum Einsatz kommen. Geradebei crash-belasteten Bauteilen ist die Ab-stimmung geeigneter CAE-Methodenwie Ultrasim auf die Materialien unver-zichtbar: Punktgenaue virtuelle Ausle-gung in einem frühen Stadium des Ent-wicklungsprozesses ist die Voraussetzungdafür, dass die hohen Crash-Anforderun-gen überhaupt erfüllt werden können,ohne dabei Gewicht und Kosten aus denAugen zu verlieren.

Zum Abdichten von Steckerkontaktenvor dem Umspritzen mit dem Gehäuse-werkstoff eignet sich Ultramid Seal Fit.Bei manchen Steckverbindern undSteckern ist nicht nur Flammschutz wich-tig, sondern auch die Möglichkeit, Kabelund Stecker farblich zu unterscheiden, so-dass es sich mit genormten, meist hellen,Farbcodes arbeiten lässt. Unter anderemfür diese Anwendung stellte die BASF imJahr 2010 die neuen Ultramid- und Ul-tradur-FRee-Typen vor, die nicht nur ha-

logenfrei flammgeschützt, sondern da-rüber hinaus in hellen Tönen einfärbbarsind.

Leichtbau bleibt ein Thema

Der klassische Leichtbau außerhalb derBatterie ist das zweite große Feld, das sichmit den Produktneuerungen bedienenlässt. Ansaugrohre, Zylinderkopfhaubenund Ölwannen aus Kunststoff sind inzwi-schen Stand der Technik. Ebenso lassensich aber Sicherheitsbauteile wie LowerBumper Stiffener und Crash-Absorber(Bild 5) sowie hoch belastete Strukturbau-teile – Motorlager, Pendelstützen und Ge-triebequerträger (Bild 6) –, die bisher ausMetall bestanden, in Zukunft aus demLeichtbauwerkstoff Kunststoff herstellen.Die Gewichtsreduktion pro Bauteil liegtbei bis zu 50 %. Und auch da geht nichtsmehr ohne CAE.

Beim Autositz verbindensich die Aspekte Komfort,Sicherheit, Gewicht undKosten, sodass der Kunst-stoff als Leichtbauwerkstoffhier all seine Vorteile zu-gleich einbringen kann.Der neue Seriensitz imOpel Insignia OPC ebensowie der Prototyp von Fau-recia (Bild 7) zeigen, dasssich bei Sitzen ohne Sicher-heitseinbußen fast voll-ständig auf Metall und da-mit auf viel Gewicht ver-zichten lässt. Zum Einsatzkommen Spezialpolyami-de, die sich durch hoheEnergieaufnahme bzw. ho-he Bruchdehnung aus-zeichnen oder Bestandteilinnovativer Hybridstruk-turen aus umspritzten End-losfaser-Verbundbauteilensind.

Ausblick: Kooperation,Normung, politischeRahmenbedingungen

Hybrid- und Elektrofahr-zeuge sind inzwischen in al-ler Munde. Konzepte sindvorhanden; die Notwendig-keit, Mobilität langfristigauch auf nicht-fossile Ener-gieformen umzustellen undEmissionen zu reduzieren,ist erkannt. Die Umsetzungin die Großserie lässt – vonwenigen Ausnahmen abge-

sehen – noch auf sich warten, denn eini-ge Entwicklungen finden im Verborgenenstatt.Das ist verständlich,geht es doch umindividuelles, hochinnovatives Know-how, das geschützt werden will. Aber eserschwert dem breiten Spektrum mögli-cher Kooperationspartner, ihre Kenntnis-se und Angebote in einem frühen Stadi-um zusammenzuführen.

Seit 2009 gibt es jedoch verschiedeneInitiativen, die das Elektrofahrzeug vo-rantreiben sollen, zum Beispiel den Stra-tegiekreis Elektromobilität eNova, eineAllianz relevanter Industrieunternehmenaus den Schlüsselbranchen Automobil,Batterie, Halbleiter und Kunststoff. DieBundesregierung unterstützt über dieNationale Plattform Elektromobilität(NPE), in der sich die BASF ebenfalls en-gagiert, die Entwicklung alternativerFahrzeugkonzepte und schafft politischeRahmenbedingungen.

Bild 7. Ein Kunststoffsitz ist deutlich leichter als seine konventionellenVorgänger. Oben: Der Vordersitz des Opel Insignia OPC ohne Stahlrahmenmit Sitzschale, Lehnenschale und Quertraverse besteht aus zwei PA-Versionen (Ultramid B3ZG8/Ultramid B3G10 SI) sowie aus Polypropylen-Schaumstoff (EPP: Neopolen). Unten: Werkstoff des von Faurecia undBASF entwickelten Sitz-Prototyps ist das eigens für diese Anwendungoptimierte neue Ultramid CompoSIT (Foto: BASF/Faurecia)

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Der internationale Wettbewerbsdruckist enorm, bestehende Weltmarktpositio-nen werden in Frage gestellt. Die deutscheund die europäische Industrie müssen ge-

meinsam mit Politik, Wissenschaft undGesellschaft schnell agieren, um den An-schluss an Asien und Amerika nicht zuverpassen, denn dort fließen von Seitender Regierungen hohe Summen in diesesArbeitsgebiet.

Auch verbindliche Normen und Stan-dards sind von großer Bedeutung für dieZukunft von Elektrofahrzeugen, dennnur mit feststehenden Normen lassensich neue Produktentwicklungen mit derausreichenden Sicherheit anstoßen.

Nur in enger Zusammenarbeit könnenalle Mitglieder der Wertschöpfungskettegemeinsam die neuen Herausforderungenbewältigen und dazu beitragen, dass mitdem Elektroauto ein wichtiger Hebel fürden Einsatz nicht-fossiler Energiequellenim Bereich Mobilität umgelegt wird.�

DIE AUTOREN

DR. CLAUS DALLNER ist im Segment Manage-ment Automobil der Geschäftseinheit EngineeringPlastics Europe der BASF SE, Ludwigshafen, tätig.

VOLKER ZEIHER ist im Segment Business Deve-lopment Industries der Geschäftseinheit EngineeringPlastics Europe der BASF SE, Ludwigshafen, tätig.

SUMMARY

ELECTRIC CARS: LIGHTWEIGHTCONSTRUCTION AND MORE PLASTIC CONCEPTS. It is well known that engineeringplastics today have vital functions to fulfill, especiallyin the areas of weight reduction, performance and safe-ty. These are precisely the requirements that are impor-tant in the development of vehicles with alternativedrive systems, because the main problems with the firstbattery-powered cars – electric cars – are the shortrange and high weight of the batteries and higher safe-ty requirements in operation. New sophisticated engi-neering plastics can make a valuable contribution tothese aspects.

Read the complete article in our magazine Kunststoffe international and on www.kunststoffe-international.com

Der Strategiekreis eNova ist eine Allianzrelevanter Industrieunternehmen aus denSchlüsselbranchen Automobil, Batterien,Halbleiterkomponenten und Materialien fürden Leichtbau. Zu den Unternehmengehören Audi, BMW Group, Daimler, Por-sche, Bosch, Continental, Hella, ZF, li-Tec,Infineon, Elmos, BASF, Siemens und Thys-senKrupp.

Das Ziel des Zusammenschlusses bestehtin der Gründung und Etablierung einerPlattform zur Unterstützung der deutschenAutomobilindustrie auf dem Weg zur inter-nationalen Führungsposition im Bereich derElektromobilität.

eNova!

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