Modulare Leichtbau-Starterbatterie (LBSB)

Unser eingereichtes Patent für ein modulares Batteriegehäuse, hat den ThinkIng August im August 2021 von Leichtbau bw erhalten und war als Starterbatterieanwendung in Veröffentlichungen in der VDI-Z und im Leichtbau-Special der ATZ.

Spezielle Bauform erhöht die Sicherheit im Crashfall

Die Bauform und das Zusammenspiel der Komponenten reduzieren im Batteriesystem die Belastungen, was zu den Gewichtseinsparungen am Gehäuse geführt hat. Im Crashfall ermöglicht seine spezieller Aufbau zudem, dass sich parallel angeordnete Module multiaxial verschieben können, und so die Aufprallenergie sehr effizient zehren und die Zellen schützen. Dank dieser Bauweise können weitere kosten- und masseintensive Maßnahmen zur Absorption dieser Crashenergie im Fahrzeug eingespart werden.

Flexibler Einbau und minimierter Bauraum 

Ursprünglich sollte das Leichtbau-Batteriegehäuse existierende Starterbatterien auf Basis von Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen beziehungsweise Blei-Schwefelsäure-Batterien substituieren. Deshalb wurden die Maße für die Grundfläche des Batteriegehäuses so gewählt, dass es in der Einbausituation bestehende Lösungen ersetzen kann. Aufgrund der platzsparenden Anordnung der zylindrischen Batteriezellen konnte die Höhe jedoch um etwa ein Viertel reduziert werden. 

Dank des geringeren Gesamtgewichts und kleineren Bauvolumens sind darüber hinaus auch neue Befestigungskonzepte denkbar, und einer Platzierung an der optimalen Position im Fahrzeug steht nichts im Weg. Optimiert man den Einbauort der Batterie, so kann dies weitere Kosten- und Gewichtseinsparungen über das Verkürzen der Kabelbäume oder eine Veränderung in der crashrelevanten Struktur bewirken. Andere Befestigungskonzepte würden weitere sekundäre Einsparungen, beispielsweise am Batterieträger, -Spannbügel und den Leitungen, erschließen. 

Wirtschaftlichkeit und Modularität 

Das Konzept für das Leichtbau-Batteriegehäuse zielte von Anfang an auf eine wirtschaftliche und großserientaugliche Produktion ab. Alle Bauteile des Gehäuses werden im Kunststoff-Spritzguss gefertigt. Sie sind auf eine ökonomische Fertigung – auch unter Verwendung von etwa zehn Prozent Rezyklat – ausgelegt. Für das Recycling und zur weiteren Verlängerung der Lebensdauer wurden Schnappverbindungen zwischen den Modulen vorgesehen, sodass alle Bauteile ausgetauscht werden können. Für die Fertigungsprozesse war als Partner die Koller Group aus Dietfurt am Projekt beteiligt.
Die Batteriezellen und die im Projekt eingesetzte Leistungselektronik – ein Batteriemanagementsystem, das vom Partner LITEWERKS erfolgreich im Motorsport eingesetzt wird – werden in Haltern auf der Innenseite aufgenommen. Diese Struktur stützt das Gehäuse zusätzlich und verschafft Zellen und Elektronik einen kühlenden Luftraum. Mehrere dieser Packs können durch die Schnappverbindungen einfach und reversibel miteinander kombiniert werden, sodass die Batterie bedarfsgerecht dimensioniert und auch repariert werden kann. Im modularen Aufbau sind zudem weiterer Bauraum für mögliche Kühlaggregate und entsprechende Luftdurchlässe im Halter vorgesehen.
Neben dem Einsatz als Ersatz für die 12-V-Starterbatterien, die auch in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden, und kommenden 48-V-Lösungen eignet sich das Leichtbau-Batteriegehäuse mit anderen Zellen wegen seiner guten Crasheigenschaften und der Steuerungs- sowie Kühlungsmöglichkeiten auch als Traktionsbatterie.

Flexibler Einbau und minimierter Bauraum 

Ursprünglich sollte das Leichtbau-Batteriegehäuse existierende Starterbatterien auf Basis von Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen beziehungsweise Blei-Schwefelsäure-Batterien substituieren. Deshalb wurden die Maße für die Grundfläche des Batteriegehäuses so gewählt, dass es in der Einbausituation bestehende Lösungen ersetzen kann. Aufgrund der platzsparenden Anordnung der zylindrischen Batteriezellen konnte die Höhe jedoch um etwa ein Viertel reduziert werden. 

Dank des geringeren Gesamtgewichts und kleineren Bauvolumens sind darüber hinaus auch neue Befestigungskonzepte denkbar, und einer Platzierung an der optimalen Position im Fahrzeug steht nichts im Weg. Optimiert man den Einbauort der Batterie, so kann dies weitere Kosten- und Gewichtseinsparungen über das Verkürzen der Kabelbäume oder eine Veränderung in der crashrelevanten Struktur bewirken. Andere Befestigungskonzepte würden weitere sekundäre Einsparungen, beispielsweise am Batterieträger, -Spannbügel und den Leitungen, erschließen. 

Mehrwert durch Leichtbau 

In einem eigenen Projekt mit dem BMW X5 (Hybrid-Antrieb) als Referenzfahrzeug wurden in Zusammenarbeit mit dem National Manufacturing Institute Scotland (NMIS) die zusätzlichen Kosten für den Leichtbau mit etwa 18 Euro pro Kilogramm Gewichtseinsparung beziffert.
Eingespart wurden etwa 33 Kilogramm Masse und circa zehn Liter Bauraum. Die Gewichtsreduzierung ist dabei zum größten Teil auf den Wechsel zur LiFePO4-Technologie zurückzuführen. Denn diese Zellen sind nicht nur leichter, sondern können ihre Nennkapazität auch fast vollständig ausschöpfen – im Gegensatz zur Blei-Variante. Daher reicht eine Versorgung mit einer geringeren Nennkapazität aus. Ebenso hat die bedarfsgerechte Gestaltung des Gehäusekonzepts ihren Teil zur Gewichtsreduzierung beigetragen.
Die Mehrkosten für den Leichtbau werden aber durch den geringeren Verbrauch, weitere Einsparungen an Kabelbaum und Crashstrukturen sowie die längere Lebensdauer ausgeglichen.

3D-Modell der modularen Leichtbau-Starterbatterie

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