KoRe - Kostenoptimierungspotential bei elektrischen Motorradenergiespeichern durch Zulassen von Verformungen in Crashlastfällen

Im aktuellen State of the Art ist keinerlei Verformung der Traktionsbatterie von Elektrofahrzeugen im Crashfall erlaubt um die Sicherheit des Fahrers, der Insassen sowie in der Nähe befindlicher Personen zu sichern. Dieser Ansatz führt zu einer Überdimensionierung der Traktionsbatterie, was unter anderem die Kosten erhöhen und die Performance des Fahrzeugs verschlechtern kann.

Kurzbeschreibung

Inhalte und Zielsetzungen

Das Hauptziel des Projekts ist es, das Einsparungspotential durch zulässige Deformationen am elektrischen Energiespeichersystem im Crashfall zu bestimmen. Durch das Zulassen von Deformationen an einzelnen Batteriezellen in einem Batteriepack besteht die Möglichkeit sämtliche Bauteile des Batteriesystems leichter und kostengünstiger zu dimensionieren, ohne dabei an Funktionalität und Sicherheit zu verlieren.

Methodische Vorgehensweise

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde zu Projektbeginn eine Methodik abgeleitet, mit der es möglich ist, anhand von Zellversuchen und prädiktiven Finite Elemente Simulationen die optimale Einbausituation von Batteriezellen in einem vorgegebenen Bauraum eines Fahrzeuges zu bestimmen. Dabei zeichnet sich die optimale Einbausituation einer Zelle durch die Fähigkeit aus, möglichst viel an Deformationsenergie aufzunehmen, bevor es zu einem Zellkurzschluss kommt. Um die optimale Auslegung der Zelle zu bestimmen, muss die richtungsabhängige Maximaldeformation, ab der ein Zellkurzschluss auftritt, die nach Zelltyp durchaus unterschiedlich sein kann, berücksichtigt werden.

Parallel dazu wurden die relevanten Komponenten des Batteriepacks untersucht, um Losungsansätze zu finden, die die Kosten des Batteriepacks ohne Verminderung der Funktionalität reduzieren können. Hierzu wurde eine Funktionskostenanalyse durchgeführt anhand derer kostentreibende Funktionen, wie Sicherheit gegen Verformung der Batterie und Kühlung der Zellen, sowie die Montage des Batteriepacks berücksichtigt wurden.

Die Ergebnisse der vorherigen Phasen wurden verwendet, um verschiedene Batteriepack-Konzepte zu generieren. Die Konzepte wurden anschließend anhand mehreren Kriterien (Kosten, Abmessungen, Kapazität, Sicherheit, ...) bewertet um das Konzept mit dem höchsten Potential zu bestimmen und für die nächste Phase auszuwählen.

Um das gesamte Potential des Konzeptes zu erreichen, wurde ein Optimierungsprozess hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Zielfunktionen durchgeführt. Ein wichtiger Punkt des Optimierungsprozesses ist die Sicherheit des Batteriepacks im Crashfall. Dieses Thema wurde mit der Unterstützung von Finite Elemente Crash Simulationen eines vereinfachten Motorradmodells analysiert. Wegen der relevanten Rechenleistung der numerischen Simulationen wurde im Rahmen des Projekts ein innovatives Simulationsmodell der Zelle entwickelt das eine strake Reduktion der Simulations- bzw. Optimierungszeit ermöglicht.

Am Ende des Optimierungsprozesses war es möglich ein Batteriepackmodell zu entwickeln, das

eine erhöhte Steifigkeit,
erhöhte Zellsicherheit und
geringere Masse

aufweist. Des Weiteren war es möglich die Montage- und Produktionskosten zu reduzieren.

Der letzte Schritt des Projektes war die Reproduktion eines relevanten Unfallszenarios mit einem Prototyp des Batteriepacks um die Ergebnisse des Optimierungsprozess zu validieren und die Sicherheit des Konzeptes zu prüfen.

Das Unfallszenario wurde so gewählt, dass es ein „Worst Case Szenario" für die Sicherheit eines Batteriepacks darstellt. Die Ergebnisse der Versuche zeigten nicht nur eine geringe Verformung des Batteriepacks, sondern auch das Ausbleiben eines Kurzschlusses der Zellen.

Ergebnisse und Ausblick

Mit den Ergebnissen des Projektes konnten neue Erkenntnisse für die sichere und kostengünstigere Entwicklung von elektrisch betriebenen Motorrädern gewonnen werden, was insbesondere für die Hersteller von elektrischen Motorrädern und Produzenten von Batteriesystemen einen wichtigen Wissenszuwachs bedeutet.

Projektbeteiligte

Projektleitung

Technische Universität Graz - Institut für Fahrzeugsicherheit
DI Christian Ellersdorfer

Projektpartner

KTM Sportmotorcycle AG, Ing. Philipp Habsburg

Kontaktadresse

Technische Universität Graz
Institut für Fahrzeugsicherheit
DI Christian Ellersdorfer

Tel.: +43 (316) 873-30318
Fax: +43 (316) 873-30302
E-Mail: christian.ellersdorfer@tugraz.at

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Programms "Mobilität der Zukunft" vom BMVIT finanziert.

Weiterführende Informationen finden Sie im Infonetz der FFG.