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selectrify® – Stahllösungen für die Elektromobilität

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thyssenkrupp Steel Europe AG

Kaiser-Wilhelm-Straße 100

47166 Duisburg

Telefon+49 (0)203 52-0

Mit wirtschaftlichen Leichtbaulösungen für die Fahrzeugstruktur, hoch stabilen und sicheren Batteriegehäusen sowie Elektroband für besonders effiziente elektrische Antriebe zeigt thyssenkrupp Steel das enorme Potenzial innovativer Stahllösungen für E-Fahrzeuge.
Die Art, wie wir Autos bauen, verändert sich. Das Elektroauto 2.0 besitzt nicht einfach Batterie und Elektromotor anstelle konventioneller Antriebsaggregate. Es verlangt eine Auslegung, die sich den geänderten Anforderungen stellt und gleichzeitig neue Möglichkeiten bietet.

Elektroauto 2.0: Fast alles ändert sich

Ingenieure, Designer, Techniker und Werkstofflieferanten denken um. Packaging, Karosseriebau und Chassis von Batteriefahrzeugen unterscheiden sich grundlegend von konventionellen Konzepten. Der Wegfall von Verbrennungsmotor, Getriebe, Tank und Abgasanlageerlaubt mehr konstruktive Freiheiten und ändert beispielsweise das Crashkonzept der energieabsorbierenden Zonen im Front-End. Gleichzeitig erzeugt das hohe Gewicht der Antriebsbatterie zusätzliche Belastungen bei allen Crashlastfällen.

Wirtschaftliche Leichtbaulösungen sind gefragt, um die Mobilitätswende voranzutreiben. Hochstabile und sichere Batteriegehäuse müssen gewährleisten, dass Elektroautos mindestens das Sicherheitslevel konventioneller Fahrzeuge erreichen. Und mit effizienteren elektrischen Antrieben muss die gespeicherte Energie in mehr Reichweite umgesetzt werden.

Stahl: „The Material of Mobility“

thyssenkrupp Steel besitzt eine hohe Werkstoff- und Anwendungskompetenz rund um die Elektromobilität. Denn Stahl ist der Werkstoff, auf den es bei der Mobilitätswende ankommt. Er ist unverzichtbar – in Generatoren ebenso wie in Elektromotoren. Und erste Wahl, wenn es um Karosseriebau, Batteriegehäuse und Chassis-Lösungen geht.

„selectrify®“ ist der Name, unter dem thyssenkrupp Steel seine Aktivitäten rund um die Elektromobilität bündelt – und Synonym des enormen Potenzials innovativer Stahllösungen für E-Fahrzeuge.

Da kann Aluminium einpacken: Das selectrify®-Batteriegehäuse aus Stahl

Batteriegehäuse aus Stahl

Bisher hatte das Sicherheitskonzept eines Autos vor allem die Funktion, die Insassen bestmöglich zu schützen. Dazu gehört jetzt auch der Schutz der Antriebsbatterie. Batteriegehäuse haben die Aufgabe, das empfindlichste und kostspieligste Bauteil eines Elektrofahrzeugs umfassend zu schützen – das Batteriesystem mit Batteriezellen, Batteriemanagementsystem und Thermomanagement. Dabei geht es nicht nur um Crash- oder Intrusionsschutz: Auch Brandschutz, elektromagnetische Abschirmung und Korrosionsschutz sind zentrale Kriterien.

Das selectrify®-Batteriegehäuse ist ein neu entwickeltes Konzept aus Stahl mit exzellenter Performance. Es besteht aus einer Einhausung mit einem Rahmen, einem Anbindungsprofil, Abstützträgern oben und unten, Unterfahrschutz und Deckel. Seine vielfältigen, patentierten Bauweisen können die Anforderungen annähernd gewichtsneutral gegenüber Aluminium erfüllen. Das selectrify®-Batteriegehäuse beweist: Leichtbau, Sicherheit und Brandschutz lassen sich verbinden – und ermöglichen dabei noch hohe Kosteneinsparungen.

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Vorteile der selectrify®-Batteriegehäuse

Wie Stahl E-Autos in Form bringt: die selectrify®-Referenzstruktur

Referenzstruktur

Die selectrify®-Referenzstruktur ist die virtuelle Entwicklung der Karosserie eines Elektrofahrzeugs. Sie demonstriert die tiefgreifenden Veränderungen im Karosseriebau innovativer Pkw mit Elektroantrieb.

Das wirtschaftliche und großserientaugliche Konzept für gewichtsoptimierte und sichere Elektrofahrzeuge verdeutlicht das enorme Potenzial höchstfester Stähle und neuer Stahltechnologien. Seine Werkstoff- und Anwendungsideen wurden mit den Entwicklungswerkzeugen führender Automobilentwickler verifiziert.

Die in Längsrichtung skalierbare Referenzstruktur berücksichtigt die neuen Anforderungen. So führt eine große Unterflur-Batterie zu längeren Radständen und kompakte Elektroantriebe ermöglichen kürzere Überhänge. Neben neuen Spielräumen beim Fahrzeugdesign ergibt sich eine Abkehr von komplexen Geometrien hin zu einfacheren Strukturbauteilen und Profilen. Gleichzeitig erhöhen sich die strukturellen Anforderungen an Schweller und B-Säule – um die Batterie auch beim Seitencrash optimal zu schützen.

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Wie Stahl E-Motoren antreibt: der selectrify®-Antrieb

Antrieb

Im Antrieb kommt ein weiteres Produkt aus dem selectrify®-Portfolio zum Einsatz: Elektroband der Marke powercore®. In Europa ist thyssenkrupp Steel Marktführer bei kornorientierten und nicht-kornorientierten Elektrobändern. Der hochreine, weichmagnetische Werkstoff aus Eisen-Silizium-Legierung der Marke powercore® steckt in nahezu jedem Elektromotor. Der Einsatz im Automobil stellt besonders hohe Anforderungen an Elektromotoren. Sind in klassischen Anwendungen wie Bohrmaschinen Umdrehungen von etwa 4.000 min-1 üblich, erreichen Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen bis zu 20.000 min-1.

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Stahl: Herzstück der Mobilitätswende

Referenzstruktur

Stahl ist das Herzstück von Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren. Die Produktpalette von powercore® umfasst sowohl kornorientiertes Elektroband für den Einsatz in der Energieverteilung (Transformatoren) sowie nicht kornorientierte Sorten für die Anwendung bei der Energieerzeugung (Generatoren) und Energienutzung (Motoren). Mit intelligenten powercore®-Lösungen leistet thyssenkrupp Steel einen wertvollen Beitrag zur Energiewende.

Außerdem in der Entwicklung: funktionale Beschichtungen für einen wirtschaftlichen Paketbau bei den Motorenherstellern sowie für einen geringeren Schallpegel. So reduziert der Einsatz von bondal® E im Stator einer Asynchronmaschine den elektromagnetisch induzierten Schallpegel um bis zu 10 dB(A). Weitere, kostenintensive Materialien zur Geräuschreduzierung können so entfallen.

Energiewende – mit Lösungen von thyssenkrupp Steel

Antrieb

Damit die von der Bundesregierung und der Europäischen Union ausgerufenen Klimaziele tatsächlich erreicht werden können, muss der Strom für E-Autos aus erneuerbaren Energien stammen.

Für die Nutzung ist eine intelligente Verteilung des Stroms gefragt, außerdem müssen Speicherkapazitäten geschaffen werden. Schlussendlich bedarf es auch eines massiven Ausbaus von Ladestationen sowie der gesamten Ladeinfrastruktur.

Die Business Unit Electrical Steel von thyssenkrupp Steel hat hierfür die passenden Hightech-Werkstoffe und intelligente Lösungen in seinem powercore®-Portfolio.

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Ohne Stahl keine Elektromobilität

André Matusczyk

Stahl ist heute der erfolgreichste Leichtbauwerkstoff in der Automobilindustrie. Neun von zehn Fahrzeugen in Europa werden aktuell in einer von Stahl dominierten Leichtbauweise gefertigt. Auch für elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügt Stahl über optimale Eigenschaften und wird in Antriebsmotoren sowie Strukturen aktueller E-Autos und Plug-In-Hybride eingesetzt. André Matusczyk, Autochef von thyssenkrupp Steel, spricht im Interview über die Herausforderungen der E-Mobilität und die Rolle von Stahl für das automobile Morgen.

Herr Matusczyk, kann man Autos ganz ohne Stahl bauen?

Nein, unmöglich. Stahl war, ist und bleibt das Material der Mobilität und damit Kernwerkstoff für die Automobilindustrie – auch in Zeiten der Elektromobilität. Denn Stahl verbindet hohes Leichtbaupotenzial mit großer Wirtschaftlichkeit. Lassen Sie mich dies an ein paar Zahlen belegen: Die Struktur eines aktuellen E-Autos, beispielsweise des VW ID.4, wiegt inklusive Batteriekasten um die 440 Kilogramm. Türen und Klappen wiegen noch einmal rund 120 Kilo. Da Aluminium in der Struktur keinen oder nur einen sehr kleinen Gewichtsvorteil hat, wird hier generell bevorzugt Stahl eingesetzt. Vielfach gilt das auch für die Anbauteile, also Türen und Klappen. Zudem benötigen alle Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen eine größere Menge Elektroband. Von diesem Werkstoff – abhängig vom Modell und davon, ob es sich um ein reines Elektroauto oder um ein Plug-in-Hybrid-Fahrzeug handelt – stecken zwischen 20 und 90 Kilo in jedem Motor. Elektroband kann hier nicht durch andere Werkstoffe ersetzt werden.

Bei dem für die Sicherheit so wichtigen Batteriegehäuse in Elektroautos scheinen die Hersteller allerdings noch nicht zu 100 Prozent von Stahl überzeugt zu sein, oder?

Das hat sozusagen historische Gründe: Die ersten Elektrofahrzeuge waren eigentlich konventionelle Fahrzeuge, in die man nachträglich ein schweres Batteriegehäuse eingebaut hat. Aus diesem Komponentenansatz und der Notwendigkeit, das zusätzliche Gewicht möglichst klein zu halten, resultiert die heute zumindest in Europa noch gängige Bauweise in Aluminium. Das ist schade, weil wir mit unseren Untersuchungen nachweisen konnten, dass Stahl hier eine nur unwesentlich schwerere, aber dafür eindeutig günstigere und nachhaltigere Alternative ist. Ich bin mir sicher, dass wir in den nächsten Generationen immer mehr Fahrzeuge mit Batteriegehäusen aus Stahl oder zumindest in Materialmischbauweise sehen werden. Denn jetzt geht es um die funktionelle Integration des Batteriegehäuses in die Karosserie. Das bedeutet, dass das Batteriegehäuse Teil der seitlichen Crash-Struktur wird und bei der Konstruktion von Anfang an in die Auslegung der Struktur einbezogen ist.

Eine Herausforderung, die rund um E-Autos viel diskutiert wird, ist die Brandsicherheit. Wie beurteilen Sie den Werkstoff Stahl in diesem Zusammenhang?

Hochleistungsbatterien im Auto sind sicherheitstechnisch äußerst anspruchsvoll. Eine Beschädigung der einzelnen Batteriezellen muss unbedingt verhindert werden. Moderne Stähle bieten hier unglaublich hohe Festigkeiten und können zum Beispiel im Schweller, in der B-Säule und an weiteren crashrelevanten Stellen eine wichtige Schutzfunktion für die Batterie übernehmen. Wenn es trotzdem mal zum Brand kommt, kann Stahl eine Besonderheit ausspielen: Stahl schmilzt erst bei Temperaturen ab 1.425 Grad Celsius. Aluminiumlegierungen werden schon ab 500 Grad flüssig. Eine entsprechend dimensionierte Stahlabdeckung der Batterie kann also im Brandfall die entscheidenden Minuten länger halten und zur erfolgreichen Rettung von Menschenleben beitragen.

Mal allgemein: Was macht Stahl so besonders für den Bau von elektrischen wie konventionellen Fahrzeugen?

Stahl ist weltweit verfügbar und die Verarbeitungsprozesse sind nicht nur sicher, sondern auch jahrzehntelang erprobt. Außerdem ist Stahl qualitätsneutral recycelbar und Autos aus Stahl können überall auf der Welt problemlos repariert werden – ganz im Gegensatz zu Karosserien mit zum Beispiel faserverstärkten Kunststoffen. Aber das Wichtigste: Moderne Stähle sind hochfest und bieten großes Leichtbaupotenzial zu einem unerreicht guten Preis-/Leistungsverhältnis. Wir nennen das „wirtschaftlichen Leichtbau“ - hier ist Stahl absolute Weltspitze.

Heißt: Leichtbau, Sicherheit, Brandschutz und Wirtschaftlichkeit lassen sich mit Stahl gut verbinden?

Ja und noch mehr. Elektroautos sind kein Selbstzweck, wir wollen ja Emissionen verhinder und die Umwelt schützen. Das Elektroauto hat zwar weder Auspuff noch lokale Emissionen aber natürlich fallen bei der Produktion des Fahrzeugs trotzdem umweltschädliche Emissionen an. Es ist also wichtig, bei der Materialauswahl auch die produktionsbedingten Umweltbelastungen zu berücksichtigen. Und hier schneiden neue Stahlkonzepte für die Batterie- Einhausung ganz hervorragend ab. Gegenüber heute eingesetzten Lösungen auf Aluminiumbasis verursachen sie bei deutlich geringeren Kosten trotz eines leichten Mehrgewichts bis zu 50 Prozent weniger klimaschädliches CO2.

Das klingt gut, dennoch liegen in der Entwicklung noch einige Herausforderungen vor Ihnen. Worum wird es in den nächsten Jahren gehen?

Auch wenn wir heute schon ein breites Portfolio geeigneter Produkte anbieten können, sind weitere neue Leichtbaustähle vorstellbar, die den Anforderungen der Elektromobilität noch besser entsprechen. Daran arbeiten wir mit unseren Kunden. Auch im Bereich Elektroband sind wir noch nicht am Entwicklungsende angekommen und sehen weiteren Spielraum für Leistungsoptimierungen. Aber das Wichtigste ist: Wenn wir wirklich saubere Mobilität wollen, muss irgendwann auch der Werkstoff Stahl CO2-frei hergestellt werden. Wir haben hierfür eine eigene Technologie entwickelt und uns sehr ehrgeizige Ziele gesteckt. Schon 2030 wollen wir eine große Menge CO2-optimierter Produkte liefern und 30 Prozent CO2 einsparen. Bis 2050 wollen wir CO2-frei werden. Das ist nicht mal eben so getan – die Technologie ist extrem teuer und wir sind in Deutschland und in Europa nicht auf einer Insel. Im internationalen Wettbewerb können wir nur dauerhaft bestehen, wenn für alle Stahlanbieter die gleichen Regeln gelten. Das kann nur die Politik regeln. Gleichzeitig muss jedem klar sein, dass es Umweltschutz und Null-Emission nicht gratis gibt. Für in Produktion und Nutzung komplett CO2-freie Fahrzeuge wird der Endkunde mehr bezahlen müssen.

Herr Matusczyk, wir danken Ihnen für das Gespräch!

Kontakt Automotive – Karosserie

ThyssenKrupp Contact

Dr. Jürgen J. Schramm

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Marco Tietz

Leiter Technische Kundenberatung

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