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Untersuchung der Dichtheitseigenschaften hybridgefügter Mischbauverbindungen für den Einsatz in Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge T. Schmolke, G. Meschut, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn Die Elektromobilität gilt als integraler Bestandteil der Energiewende im Verkehr, da Elektrofahrzeuge in Verbindung mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie das Potential zur Reduzierung der CO2-Emissionen haben. Herzstück der Elektrofahrzeuge sind die im Unterbodenbereich angeordneten Traktionsbatterien. An die bevorzugt in Rahmen-Mischbauweise aus Aluminium-Strangpressprofilen und Stahlfeinblechen gefertigten Batteriegehäuse werden vielfältige Anforderungen gestellt. Vor allem für die Fügetechnik gilt es, die Dampfdichtheit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten. Verlässliche Prüf- und Bewertungsmethoden, um die Dichtheit und Langzeitbeständigkeit der Klebverbindung unter medialer- und mechanischer Belastung abzuschätzen, fehlen derzeit und werden grundlegend erarbeitet. 1 Einleitung Eine bezahlbare, nachhaltige und klimafreundliche Mobilität rückt gemäß den Experten der Nationalen Plattform „Zukunft der Mobilität“ in den Vordergrund, so dass mit einem signifikanten Durchbruch der Elektromobilität zwischen 2020 und 2030 zu rechnen ist. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges gilt daher als Innovationsträger der sich global vollziehenden Mobilitätswende. [1, 2] Es existieren vielfältige Anforderungen an Antriebsbatterien von vollelektrischen Fahrzeugen, welche mit Zielkonflikten hinsichtlich Crashsicherheit, Package, Kühlung, Dichtigkeit, Korrosionsschutz und elektromagnetischer Abschirmung einhergehen. Zur Herstellung des eigentlichen Batteriegehäuses aus verschiedenen Halbzeugen inklusive des Gehäusedeckels, der Anbindung des Gehäuses an den Schweller sowie an crashrelevante Strukturen, zur Anbindung des Gehäuses an die Sitze und zur Zellanbindung im Inneren des Gehäuses ist die Fügetechnik ein entscheidender Faktor. Dabei müssen die Fügestellen neben der eigentlichen Gewährleistung der sicheren Kraftübertragung zwischen den verbundenen Bauteilen unter Erfüllung der geforderten mechanischen Eigenschaften in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit zusätzliche Anforderungen erfüllen. Durch die Unterbringung des Batteriegehäuses im Nassbereich des Fahrzeugs müssen die Fügestellen eine Dichtheit gegenüber eindringender Feuchtigkeit aufweisen. [3, 4] Der Eintritt schon kleiner Mengen von Wasser oder Wasserdampf kann zu Kurzschlüssen der Batterie führen und ist daher unbedingt zu vermeiden. [5] Die Dichtheit muss in dem erwarteten Einsatztemperaturbereich sowie über der Lebensdauer des Fahrzeuges gewährleistet sein. Weiter unterliegen die Fügestellen aufgrund ihrer Nähe zu Straße einer höheren Korrosionsbelastung, welche bei der Auslegung mitberücksichtigt werden muss. Zur Veranschaulichung ist in Bild 1 ein exemplarisches Batteriegehäuse in Mischbauweise samt den Anforderungen an die eingesetzte Fügetechnik dargestellt. So muss der Batteriegehäusedeckel nach dem Einsetzen der Zellen prozesssicher schließbar und für das Austauschen von Batteriemodulen über die Lebensdauer des Fahrzeuges wieder lösbar sein. Das Bodenblech schützt die Batteriemodule gegen mechanische Belastungen von unten, so dass die Fügetechnik neben der Dichtheit die Übertragung hoher mechanischer Belastung gewährleisten muss. Die Anforderungen an die Fügetechnik werden von mechanischen Fügeelementen in Kombination mit verschiedenen Klebstoffen in hohem Maße erfüllt. Die Entwicklung eines Dichtheitsprüfkörpers im Labormaßstab ist dabei notwendig, um die Eignung der Fügeverfahren für die Anwendung im Batteriegehäusen zu überprüfen. <strong>DVS</strong> 369 7
Bild 1. Exemplarischer Aufbau eines Batteriegehäuses in Mischbauweise 2 Versuchswerkstoffe und Prüfaufbau 2.1 Verwendete Werkstoffe, Klebstoffe und mechanische Fügeelemente Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden an hybrid gefügten Proben mit kaltaushärtenden, zweikomponentigen Klebstoffen in Kombination mit fließlochformenden Schrauben durchgeführt. Als Substrat werden neben einem stranggepressten Aluminiumwerkstoff zwei Stahlgüten untersucht. Tabelle 1. Verwendete Versuchsmaterialien Metallische Werkstoffe Werkstoff Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze Blechdicke Deckblech 1: DP-K330Y590T-DP-GI 590 MPa 20% 330-430 MPa 1,5 mm Deckblech 2: DP-900Y1180T-DP-GI 1180 MPa 8% 900-1070 MPa 1,5 mm Grundblech: EN AW 6106 T6 250 MPa 8% 200 MPa 2,0 mm Klebstoffe Chemische Basis Zugfestigkeit Bruchdehnung 2K Epoxidharz (2K-EP) 30 MPa 4% 2K silanterminiertes Polymer (2K-STP) 2 MPa 500% Mechanisches Fügeelemente Fließlochschraube M4x20 Metrische Schraube M4x20 Für die Klebung des Bodenbleches wird ein 2K-EP ausgewählt. Dieser hat das Potential den hohen mechanischen Anforderungen gerecht zu werden und härtet bei Raumtemperatur innerhalb von 7 Tagen aus. Zum Fügen des Deckels auf dem Rahmen des Batteriegehäuses wird ein 2K-STP verwendet. Dieser zeichnet sich durch eine sehr hohe Bruchdehnung bei vergleichbar geringer Festigkeit aus. Dies ermöglicht ein Trennen der Klebverbindung ohne die Fügeteile zu beschädigen. Hierzu kann, wie bei der Glasverklebung bewährt, einen Draht oder ein vibrierendes Messer zum Entfügen genutzt werden. Nach der Wartung der Batteriemodule ist das erneute Fügen mit dem kalthärtenden Klebstoff auf der durchtrennten Klebfläche möglich. 2.2 Grundlegende Informationen zur Dichtheitsprüfung Den Fokus der experimentellen Untersuchungen bildet die Dichtheitsprüfung an hybridgefügten Prüfkörpern in Mischbauweise. Dichtheit wird im Allgemeinen als die Strömungsrate eines Fluids in ein oder aus einem Prüfobjekt beschrieben. Da jedes technische Objekt Defekte oder Schwachpunkte in der Wand aufweist, gibt es kein vollkommen dichtes Objekt. Dichtheitsprüfungen dienen daher zum Testen, ob das Prüfobjekt eine definierte Grenzleckagerate nicht überschreitet. [3, 4] Generell kann dabei zwischen integraler und lokaler Dichtheitsprüfung unterschieden werden. Bei der integralen Dichtheitsprüfung wird die Gesamtdichtheit des Bauteils untersucht, wohingegen die lokale Prüfung zum Auffinden der Leckstelle dient. Für die experimentellen Untersuchungen der Dichtheitseigenschaften ist die Druckdifferenzmethode als integrales Prüfverfahren und die Schaumprüfung zur Lecklokalisierung ausgewählt worden. Diese Verfahren zeichnen sich durch eine vergleichbar einfache Handhabung und hohe Prozesssicherheit aus. Es können ohne großen experimentellen Aufwand eine Vielzahl an Einflussfaktoren des Fügeprozesses auf die Dichtheitseigenschaften des Verbundes untersucht werden. Bei der Druckdifferenzprüfung wird die Druckveränderung in einem bestimmten Zeitintervall gemessen. Zur Berechnung der Leckagerate wird anschließend das Innenvolumen des Prüfobjektes mit der Druckveränderung multipliziert und durch die Messdauer dividiert. Die Leckagerate besitzt die Einheit mmmmmmmmmmmmmmmm∗llll . ssss 8 <strong>DVS</strong> 369
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Seite 6: Doktorandenseminare Klebtechnik ORT
Seite 10 und 11: Vorwort Das 11. Doktorandenseminar
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Seite 18 und 19: erfolgt in Zusammenarbeit mit Indus
Seite 20 und 21: Bild 7. Korrosionswechseltest VDA 2

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