Zu den vorgeschriebenen Crash-Lastfällen in Europa gehört unter anderem ECE R94 (Frontaufprall mit

Zu den vorgeschriebenen Crash-Lastfällen in Europa gehört unter anderem ECE R94 (Frontaufprall mit deformierbaren Barrieren beziehungsweise gegen starre Wände). Tecosim hat aktuell diesen Lastfall für das Unternehmen Streetscooter berechnet und die Karosserie des Elektrofahrzeug crash-optimiert.

Elektrofahrzeuge bedeuten für die Automobilhersteller neue Herausforderungen. Bisher basieren viele Elektroautos auf der Architektur und Grundkonzeption eines konventionellen Automobils. Kommende Fahrzeuggenerationen sollen dagegen speziellen Anforderungen gerecht werden, die sich aus dem Einsatz einer Batterie ergeben.

Die Automobilindustrie steht auch nach vielen Jahren intensiver Auseinandersetzung und Entwicklung von Elektrofahrzeugen immer noch vor Herausforderungen. Dabei geht es nicht zuletzt um Fragen zur Energiespeicherung oder die übergeordneten Diskussionen um die Infrastruktur der Ladesysteme, steigende Stromkosten und die tatsächliche Ökobilanz der Fahrzeuge. Das Unternehmen Tecosim, Spezialist für Berechnung und Simulation und CAE-Entwicklungspartner aller deutschen Automobilhersteller, befasst sich derzeit mit einer konkreten Aufgabe: der Crash-Sicherheit von Elektrofahrzeugen. Denn die gesetzlichen Anforderungen sind hoch und es gilt, künftige Modelle noch stärker auf die speziellen Bedürfnisse und Randbedingungen der Elektromobilität auszulegen.

Generationswechsel in der Crash-Sicherheit

Elektrofahrzeuge müssen prinzipiell die gleichen gesetzlichen Standards erfüllen wie konventionelle Fahrzeuge. In Europa müssen die Crash-Lastfälle wie die Gesetzeslastfälle ECE R94 und R95 beachtet werden. Die Federal Motor Vehicle Safety Standards FMVSS 208 (Frontaufprall), FMVSS 214 (seitlicher Pfahlaufprall) und FMVSS 301 (Heckaufprall) gelten für die USA.

Crash-Lastfällen

Zu den vorgeschriebenen Crash-Lastfällen in Europa gehört unter anderem ECE R94 (Frontaufprall mit deformierbaren Barrieren beziehungsweise gegen starre Wände). Tecosim hat aktuell diesen Lastfall für das Unternehmen Streetscooter berechnet und die Karosserie des Elektrofahrzeug crash-optimiert.

Viele der heute auf dem Markt befindlichen Elektrofahrzeuge basieren auf der Fahrzeugarchitektur und Grundkonzeption eines konventionellen Automobils, bei denen die Anpassungen teilweise noch überschaubar sind. Bei der Entwicklung kommender Fahrzeuggenerationen fließen dagegen die speziellen Anforderungen, die sich aus dem Einsatz einer Batterie und dem e-Package ergeben, von Anfang an in die Konstruktion ein und unterscheiden sich deutlich von bisherigen Konzepten. Mit Blick auf die Crash-Sicherheit stehen besonders die Unterbringung der sicherheitsrelevanten Hochvolt-Komponenten, der verringerte Deformationsraum sowie der Kompromiss zwischen Struktursteifigkeit, Crashperformance, Fahrzeuggewicht und Kosten im Fokus.

Besondere Anforderungen an die Crash-Sicherheit

Die Ingenieure von Tecosim berechnen, analysieren und animieren am Computer die bei den vorgegebenen Lastfällen auftretenden Energien, Verformungen von Strukturen und deren Auswirkungen. Sie ermitteln anhand von Unfallszenarien, ob die Karosserie und weitere relevante Komponenten die gesetzlichen Anforderungen an die Crash-Sicherheit erfüllen. Für die Hochvolt-Komponenten kommen besondere Auflagen hinzu, welche die Ingenieure bei ihrer Arbeit berücksichtigen müssen: Zunächst dürfen sich die Hochvolt-Komponenten durch einen Aufprall nicht vom Fahrzeug lösen oder in den Fahrgastraum eindringen. Eine Beschädigung der Leitungen und Speicher muss ausgeschlossen sein und hohe Isolationswiderstände eingehalten werden, um einen Kurzschluss oder die Elektrifizierung des Fahrzeuges zu verhindern. Des Weiteren ist eine Brandschutzprävention und der Schutz vor Verätzungen zu gewährleisten: Die Batterie darf daher nach einem Crash nur eine geringe Menge an Elektrolyten verlieren. Die Flüssigkeit darf je nach Ländervorschrift nicht oder frühestens nach 30 Minuten in den Fahrgastraum eintreten. Das Konzept einiger Fahrzeughersteller sieht vor, dass nicht nur Beschädigungen ausgeschlossen werden, sondern dass bei keinem Gesetzes- oder Verbraucherschutzlastfall das Hochvolt-System durch umliegende Strukturen berührt werden darf.

Interview mit Professor Matthias Busse, Vorstand Forum ElektroMobilität

Professor Matthias Busse

Professor Matthias Busse ist Leiter des Fraunhofer IFAM und Vorstand des Forums ElektroMobilität.

Das Forum ElektroMobilität bietet eine breite Vernetzung der Elektromobilitätsbranche

Was sind für Sie die Herausforderungen, die die Elektromobilität noch bereithält?
Eine große Herausforderung der Elektromobilität ist die Komplexität des Gesamtsystems, das eine Vielzahl von Technologien und Branchen umfasst. An den Schnittstellen entstehen laufend neue Herausforderungen, die gemeinsam gelöst werden müssen. Eine zielorientierte Zusammenarbeit ist dabei ein wichtiger Erfolgsfaktor, um Elektromobilität erfolgreich zu vermarkten. Beispiele für weitere Herausforderungen sind unter anderem Anschaffungskosten, Reichweite, Ladezeiten, oder die Kopplung an Erneuerbare.

Welche Vorteile bietet hier das Forum ElektroMobilität?
Das Forum ElektroMobilität ist ja ein technologieübergreifendes Netzwerk, das alle relevanten Branchen der Elektromobilität abdeckt. Dadurch kann das Forum als neutrale Institution die Interessen der Unternehmensmitglieder ideal mit den Kompetenzen der Forschungseinrichtungen aufeinander ausrichten. Vor diesem Hintergrund sehe ich das Forum in einer komplementären Rolle zur Nationalen Plattform und als eine Art Enabler für FuE-Kooperationen auf operativer Ebene. Dabei sind wir offen für weitere Partner, die ihren Beitrag zur Technologieentwicklung und Partnervernetzung leisten möchten.

Was sind die Schwerpunkte der derzeitigen Arbeit im Forum ElektroMobilität?
Seit Gründung 2009 hat der Verein einige Erfolge erzielt, zum Beispiel dokumentiert der jährliche Kongress in Berlin branchenübergreifend den aktuellen Technik-Stand – der 5. Kongress im März 2014. Unsere technologieorientierten Workshops werden 2013/2014 um neue Schwerpunkte erweitert, zum Beispiel um die Schnittstelle „eFahrzeug-Gebäude“. Darüber hinaus schlage ich als Gesamtprojektleiter der „Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität II“ auch eine Brücke zu den dortigen Technologieclustern.

Die Fragen stellte Julia Lansen, Redaktion

Anders sieht die Situation bei den Elektrofahrzeugen aus: Bei ihnen dürfen Brennstoffzellen und Energiespeicher nicht im Crash-Lastpfad angeordnet werden, denn eine Beschädigung und eventuelle Elektrifizierung des Fahrzeuges oder thermische Reaktionen müssen ausgeschlossen werden. Zusätzlich müssen Schutzvorrichtungen vorhanden sein, die den Energiespeicher im Ernstfall deaktivieren beziehungsweise abtrennen. Durch die Schutzzonen rund um die Hochvolt-Komponenten fällt der zur Verfügung stehende Deformationsraum in der Karosserie zusätzlich geringer aus. Damit muss der erforderliche Weg zum Energieabbau im Fahrgastraum zur Verfügung gestellt werden. Dies können wiederum die Rückhaltesysteme nur in geringem Umfang kompensieren. Gleichzeitig steigt durch die schweren Hochvolt-Komponenten und Schutzvorrichtungen das Fahrzeuggewicht. Die entsprechend höhere Beschleunigung macht einen noch größeren Deformationsraum notwendig.

Die derzeit noch großen Maße der Energiespeicher und die massive Auslegung der Schutzvorrichtungen sind die Hauptgründe für ein vergleichsweise hohes Fahrzeuggewicht. Neue Fahrzeugkonzepte setzen daher auf den Einsatz leichter Materialien. Denn ein zu hohes Gewicht wirkt sich nicht nur auf die Crash-Energie und auf den benötigten Deformationsraum, sondern auch auf die Reichweite des Fahrzeugs aus. Doch bei allem Bestreben, das Fahrzeuggewicht zu senken, darf man einen wichtigen Aspekt nicht vergessen: Die Verwendung leichterer Materialien darf die Struktur nicht so sehr schwächen, dass die Crash-Lastpfade nicht mehr funktionieren. Ziel muss eine steuerbare Deformation bleiben.

Wichtiger Deformationsraum

Für den Schutz von Fahrzeuginsassen und Fußgängern spielt der Deformationsraum für den Energieabbau bei einem Crash eine wichtige Rolle. Aus der Crash-Physik ergibt sich eine Mindestlänge des Deformationsraums, die durch die Fahrzeuggeschwindigkeiten beeinflusst wird und zwingend erforderlich ist. Gleichzeitig wird diese Raumlänge oft durch das Design und Abmessungen beschränkt. Bei modernen Fahrzeugen nutzen Entwickler den vorhandenen Deformationsraum bereits im Rahmen der verwendeten Materialien und der Rückhaltesysteme effizient aus. So können Motor, Getriebe und Kühler konventioneller Fahrzeuge teilweise als Blockbildner dienen und sind Teil der Lastpfade zum Energieabbau.

Lösung Strukturintegration: Beim Frontalaufprall kann die Batterie unter den Innenraum in den vorhandenen Deformationsraum ausweichen. Beim Seitenaufprall können die Batterieeinheiten entlang einer begrenzten Biegelinie folgen. Bei einem Heckaufprall ist eine Stauchung der Batterie-Stacks möglich.

Lösungsfindung durch Parametrik und Optimierung

„Aus unserer Sicht ist ein spezielles, auf Elektrofahrzeuge abgestimmtes Design nötig, um die steigenden Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit vollständig zu erfüllen und den Einsatz als Serienfahrzeugen möglich zu machen. Mit dem Einsatz von FE-Berechnung in frühen Phasen der Fahrzeugentwicklung lassen sich innovative Lösungsansätze sehr gut verifizieren und optimieren“, sagt Udo Jankowski, der Geschäftsführer von Tecosim, der selbst Ingenieur ist. Als eine Lösung für zukünftige Fahrzeuggenerationen kristallisiert sich die Integration der Batterieeinheit in die Fahrzeugstruktur heraus. Konkret sollen kleine Einheiten von Batterie-Stacks geschaffen werden. Diese können untereinander mittels bedingt flexibler Verbindungen gekoppelt werden. Das Ziel ist, eine gewisse Verformbarkeit innerhalb der Fahrzeugstruktur zu ermöglichen. Das Batterie-Modul in seinem in sich stabilen Gehäuse kann so den im Fahrzeug vorhandenen Deformationsraum vergrößern. Voraussetzung ist die Belastbarkeit des Gehäuses, um eine geringe Beaufschlagung unbeschadet zu überstehen. Weitere Ansätze sind die Nutzung neuartiger Geometrien wie energieabsorbierende Wabenstrukturen für einen gleichmäßigen Energieabbau und steuerbare Lastpfadkonzepte. Es wird eine bewusst schwache Struktur entwickelt, die lastfallabhängig versagt und so einen Zielkonflikt lösen kann. Interessant für die Spezialisten von Tecosim ist die Auseinandersetzung mit neuen Materialien, auch wenn hier meist höhere Kosten berücksichtigt werden müssen. Eine weitere Herausforderung für die nächsten Jahre: Für neue Materialien sind teilweise die Kennwerte für die Crash-Auslegung von Pkw nicht ausreichend erforscht. jl

Autorin: Karolin Friele-Brendel, Tecosim