Elektroautos – sicher und leicht müssen sie sein

Elektromobilität ist aktuell eines der wichtigsten Themen. Um die Klimaziele im Verkehrsbereich zu erreichen, werden alternative Lösungen zu Verbrennern benötigt. Das Ziel der neuen Bundesregierung ist ambitioniert: Deutschland soll der Leitmarkt für Elektromobilität werden. Im neuen Koalitionsvertrag werden optimistische Ziele für den Automobilbereich gefordert. So sollen bis zum Jahr 2030 rund 15 Millionen vollelektrische Pkw in Deutschland zugelassen werden. 

Elektroautos sind die Zukunft

Bis zum 1. Oktober 2021 betrug die Zulassung in Deutschland rund eine Millionen Elektroautos. Davon laut statista.com 517.000 Autos mit ausschließlich elektrischer Energiequelle, sowie 494.000 Plug-In Hybride. Um das Ziel von 15 Millionen vollelektrischen Pkw zu erreichen, muss die Entwicklung der Autos und der Lade-Infrastruktur deutlich vorangetrieben werden.

Die Forschungen und Entwicklungen dafür laufen bereits auf Hochtouren. Doch neben Chipmangel und fehlenden Ladestationen, gilt es weitere Herausforderungen zu bewältigen. Dazu zählen:

• Die Sicherheit der Insassen, Rettungskräfte und Mechaniker in jeder Situation.
• Die Erfüllung extrem hoher Flammschutz-Anforderungen im Falle eines Brandes.
• Die Verbesserung der Reichweite durch Leichtbaulösungen.

LANXESS bietet als Spezialchemie-Unternehmen viele Produkte und Lösungsansätze für diese Herausforderungen. Viele davon sogar aus einer Hand. 

Mehr Sicherheit unter der Haube

In Fahrzeugen mit Elektroantrieb wird naturgemäß mit höheren Spannungen und Stromstärken gearbeitet als bei Verbrennungsmotoren. Bis zu 400 Volt (V) Gleichspannung im Batteriekreis und bis 1000 V Wechselspannung im Motorkreis sind möglich. Bereits Wechselspannungen über 42 V und Gleichspannungen über 60 V gelten als potenziell lebensgefährlich.

Im Elektroauto werden die stromführenden Teile des elektrischen Antriebs orange gekennzeichnet. Sie müssen als gefährlich erkennbar sein. Unser neuer Farbstoff Macrolex Orange HT ist genau der richtige orange-Ton dafür. Diese Farbgebung kennzeichnet zunehmend in Elektro- und Hybridfahrzeugen stromführende Leitungen oder Bauteile für Hochspannungsanwendungen. Die Signalfarbe soll Mechaniker und Rettungskräfte auf die potenzielle Gefahr eines Stromschlags hinweisen. 

Macrolex Orange HT ist sehr gut für den Einsatz in Polyamiden geeignet. Aber auch andere Kunststoffsorten wie Polycarbonat oder Polyphenylensulfid, die wegen ihrer hohen Verarbeitungstemperaturen oft eine Herausforderung für Farbmittel sind, können damit eingefärbt werden.

Außer in Hochspanungsanwendungen kann Macrolex Orange HT auch zur Einfärbung von anderen Kunststoffprodukten eingesetzt werden. Dazu zählen beispielsweise Gehäuse von Werkzeugen oder anderen elektronischen Geräten sowie technische Kunststoffe für Fahrzeugteile oder Konstruktionsanwendungen.

Sichere Verbindung in vielen Farben

Kabelbäume verlaufen im gesamten Fahrzeug und bündeln die zahlreichen Leitungen des Bordnetzes für elektrische und elektronische Funktionen wie Stromrichter, Batterieladesystem, Elektroantrieb oder Infotainment. Kabelbäume zählen zu den komplexesten Baugruppen in Elektrofahrzeugen.

Die Kabel erreichen zusammen genommen schnell mehrere Kilometer Länge, was ein Grund für das hohe Gewicht von Kabelbäumen ist. Ihre Komplexität macht Kabelbäume zu sehr teuren Einbauteilen. Deshalb dürfen ihre Steckverbinder während der Montage nicht brechen.

Zur besseren Unterscheidung bei der Montage und Wartung müssen die vielen Steckverbinder in den unterschiedlichsten Farben gekennzeichnet werden. Gleichzeitig müssen sie schwer entflammbar und mechanisch robust sein.

Genau für diese Stecker-Anwendungen konzipierten unsere Produktentwickler und -entwicklerinnen den technischen Kunststoff Durethan BKV30FN04. Ein Polyamid 6, das sich bereits in zahlreichen Serieneinsätzen bewährt – wie etwa in Kabelbäumen für verschiedene Elektromodelle eines europäisch-amerikanischen Automobilherstellers. Ein weiterer Vorteil: Das Material ist halogenfrei.

Durethan BKV30FN04 kommt auch jenseits der Elektromobilität in Steckern zum Einsatz – so etwa in der Signalübertragungs- und Industrietechnik.

Leichtbaulösungen – für Elektroautos erst recht

In einer Forschungs-Kooperation haben LANXESS und die Firma Kautex Textron GmbH & Co. KG in einer mehrjährigen Kooperation erforscht, ob sich Hochvolt-Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge mit technischen Thermoplasten konstruieren und fertigen lassen. Gemeinsam haben sie in einer Machbarkeitsstudie einen seriennahen Technologie-Demonstrator entwickelt. Mit einer Länge und Breite von je rund 1.400 Millimetern handelt es sich um ein technisch anspruchsvolles, großformatiges Vollkunststoff-Gehäuseteil. Das Gewicht liegt im mittleren zweistelligen Kilogrammbereich.

Ziel des Projekts war, die Vorteile von thermoplastischen Kunststoffen gegenüber Metallen in puncto Gewichts- und Kostenreduktion, Funktionsintegration und elektrischem Isolationsverhalten darzustellen. 

Im nächsten Schritt wollen beide Partner die Ergebnisse der Zusammenarbeit nutzen, um mit Automobilherstellern in Entwicklungsprojekte zur Serienproduktion einzusteigen.

Batteriemodulgehäuse: leicht und schwer entflammbar

Innerhalb des sehr großen HV-Batteriegehäuses sitzen – je nach Zelltyp – häufig mehrere Module, in denen die Zellen montiert sind. Dafür haben wir zusammen mit dem koreanischen Autoteile-Hersteller INFAC ein Batteriemodulgehäuse entwickelt.

Das Batteriegehäuse besteht aus Durethan BKV30FN04. Der technische Kunststoff auf Basis von Polyamid 6 ist halogenfrei, flammgeschützt und glasfaserverstärkt. Die Vorteile:

• es ist besonders flammhemmend,
• hat sehr gute elektrische Eigenschaften,
• ist gut verarbeitbar und
• ermöglicht die Integration komplexer Funktionen, die für Gehäuseteile erforderlich sind. 

All das führt zu einer geringeren Anzahl von Bauteilen, einem vereinfachten Montageprozess und gleichzeitig zu weniger Gewicht.

Das neue Batteriegehäuseteil wird bereits in der Serienproduktion von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Die Modellreihe eines koreanischer Autohersteller kam 2021 auf den Markt. 

Für das Gehäuse des Batteriemoduls ist neben dem Wärmemanagement die Dämpfung entscheidend, um die Batterie vor äußeren Stößen zu schützen. Durethan BKV30FN04 ist nicht nur mechanisch robust. Es isoliert auch effektiv gegen Hochspannungen von bis zu 800 Volt und den entsprechenden Starkstrom, wenn das Bauteil dementsprechend ausgelegt ist. Mit seinen stark flammhemmenden Eigenschaften verhindert oder verzögert es im Brandfall die Ausbreitung von Flammen.

So sieht die Zukunft aus

Beobachtet man die Autoindustrie, erkennt man schnell, es werden laufend neue Modelle vorgestellt. Die Auswahl wird breiter. Nicht zuletzt durch die Forderung der EU-Kommission, bis 2035 die CO₂-Emmission auf null zu reduzieren, steht der Verbrenner vor dem Aus. Subventionen sollen gegenwirken und die Verkäufe von Elektroautos vorantreiben. In den nächsten Jahren wird sich viel verändern. Und LANXESS wird Teil des Wandels sein. Darauf freuen wir uns.