Übersicht über Lithium-Akkupack und Rahmen
Ein Lithium-Akkumulator besteht im Wesentlichen aus einem Lastrahmen (Unterrahmen, Oberrahmen), einer Lithiumbatterie, Hochspannungsanschlusskomponenten (wie z. B. Hochspannungssteckern), Niederspannungsanschlusskomponenten (wie z. B. Niederspannungssteckern) usw.
Der Lithiumbatterierahmen dient nicht nur als Träger für verschiedene Komponenten, sondern fungiert auch als “Brücke”, die das gesamte Fahrzeug miteinander verbindet. Die Lithiumbatterie wird mithilfe der Montagestruktur des Lithiumbatterierahmens am Fahrzeug befestigt.
Um die Installation und Wartung zu vereinfachen, wird der Tragrahmen im Allgemeinen in einen oberen und einen unteren Rahmen unterteilt. Der untere Rahmen trägt hauptsächlich die Komponenten und das größere Gewicht des Batteriesystems; der obere Rahmen dient im Allgemeinen dem Schutz und hat geringere Anforderungen an die Tragfähigkeit;
Untere Rahmenkonstruktion
Als Hauptlastträger des Batteriesystems ist der untere Rahmen vergleichsweise komplex zu konstruieren. Im Konstruktionsprozess müssen zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden, insbesondere die mechanische Festigkeit, die Dichtungstechnik, die Korrosionsbeständigkeit und das geringe Gewicht. Aktuell werden für die Herstellung des unteren Rahmens in Batteriesystemen unter anderem Blechbearbeitung, Kaltumformung, Strangpressen und Druckguss eingesetzt.
(1) Design basierend auf der Fahrzeughülle und dem Lithiumbatterieprozess
Für unterschiedliche Rahmenkonstruktionen eignen sich verschiedene Lithiumbatterietypen und -verfahren.
Die Anordnung der Batterien erfolgt je nach Batterietyp und -prozess. Das Anordnungsschema der Batterien im Rahmen wird als Gruppierungstechnologie bezeichnet. Die Vor- und Nachteile des Gruppierungsschemas sowie die Einhaltung der Normen durch die Rahmenkonstruktion sind wichtige Indikatoren. Die Gruppierungseffizienz ist das Verhältnis von effektivem Gewicht zu effektivem Platzbedarf der Batterien. Je höher dieses Verhältnis, desto höher die Gruppierungseffizienz.
Bei der Konstruktion des Batterierahmens müssen die Anordnung, die Befestigung und das Wärmemanagement der Batterie im Rahmen berücksichtigt werden.
Prismatische Batterien sind hauptsächlich vertikal entlang der Höhe angeordnet.
Es gibt zwei Hauptbefestigungsarten: die Befestigung mit Halterungen, die die traditionelle Modullösung darstellt, und die halterungsfreie Befestigung, wie beispielsweise die CTP-Lösung (Cell to Pack), bei der die Batteriezelle direkt mit Klebstoff am Rahmen befestigt wird.
(2) Auslegung basierend auf Leistungs- und Energiedichte
Die Batterieanordnung erfolgt entsprechend der vom Fahrzeug benötigten Leistungs- und Spannungsplattform. Dabei kann die Größenaufteilung vom Gehäuse bis zur einzelnen Batterie vorläufig abgeschlossen werden. Anhand des Batterietyps und der ermittelten Batteriegröße lassen sich Energiedichte, Volumendichte usw. abschätzen. Anschließend kann die Auswahl und Anordnung der Batterie erneut überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie dem aktuellen Stand der Batterietechnologie in der Branche entspricht.
Unterschiedliche Batteriesysteme haben unterschiedliche Batteriespannungsplattformen, und die Anzahl der im System zu gruppierenden Batterien ist ebenfalls unterschiedlich.
Oberrahmenkonstruktion
Der obere Rahmen bildet zusammen mit dem unteren Rahmen einen geschlossenen Raum zum Schutz der internen Komponenten. Bei der Materialauswahl für den oberen Rahmen werden vor allem Umweltverträglichkeit, wie z. B. Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Korrosion, sowie eine ausreichende Festigkeit zur Erfüllung der Anforderungen an die strukturelle Stabilität des Batteriesystems berücksichtigt. Aktuell kommen hauptsächlich Blechwerkstoffe und Verbundwerkstoffe zum Einsatz.
Mit der Förderung und Anwendung der CTC-Lösung wird auch der obere Rahmen in das Fahrgestell des Fahrzeugs integriert.
Andere Hilfskonstruktionen
(1) Dichtungskonstruktion
Um Wasser- und Staubdichtigkeit zu gewährleisten, muss die Verbindung zwischen dem oberen und unteren Rahmen abgedichtet werden.
(2) Luftdruckausgleichskonstruktion
Zwischen dem Inneren und Äußeren des abgedichteten Rahmens besteht ein Druckunterschied, der von Temperatur, Höhe usw. beeinflusst wird. Ein zu großer Druckunterschied übt zusätzliche Kräfte auf den Rahmen aus, beeinträchtigt dessen Struktur und kann sogar zu dessen Explosion führen. Um den Druckunterschied zwischen Innen- und Außenbereich auszugleichen, werden häufig Vorrichtungen wie Luftdruckausgleichsventile oder Belüftungsventile eingesetzt.
Eine weitere Funktion der Luftdruckausgleichskonstruktion besteht darin, eine rechtzeitige Luftablassung zu gewährleisten.
(3) Wärmemanagement-Design
(4) Sicherheitsdesign
Bei der Rahmenkonstruktion müssen auch entsprechende Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden, wie z. B. Schutz vor elektrischen Schlägen, Überdruck, Kollisionen, thermischem Durchgehen usw.
(5) Hoch- und Niederdruckanschlusskonstruktion
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