E-mobilita Ľahká konštrukcia nie je len rozsah batérií

Elektrické autá budú v budúcnosti tiež ľahšie
Batériová diéta

Tobias Meyer
Reportér na voľnej nohe neďaleko Norimbergu

Pred niekoľkými rokmi bola ľahká konštrukcia ešte stále považovaná za dôležitý stĺp v automobilovom priemysle budúcnosti - potom bola elektronická mobilita zasiahnutá ako bomba: Vozidlá vnímané ako zelený oštep nosia radi pod zemou pol tony batérií. Zdá sa, akoby kilogramy, ktoré boli predtým namáhavo usporené v spaľovacom motore, dnes už úplne nepodstatné. Experiment Ferdinanda Dudenhöffera, ktorý bol v tom čase profesorom na univerzite v Duisburgu v Essene, ktorému sa v roku 2017 dostalo veľkej pozornosti médií, ukázal, že spotreba silne naložených elektronických automobilov sa v porovnaní s prázdnymi jazdami len ťažko zvyšuje. Hlavným dôvodom je spätné získavanie energie (rekuperácia) pri brzdení, pričom hmotnosť generátora tiež produkuje viac elektriny, a tým do značnej miery kompenzuje užitočné zaťaženie.

Christoph Wagener z dodávateľa konštrukčných dielov Kirchhoff Automotive vysvetľuje, že to neznamená, že celá koncepcia ľahkej konštrukcie je okamžite zastaraná, ale že výsledky spoločnosti Dudenhöffer sú v zásade správne: „Pri úspore hmotnosti 100 kg by v batérii na vzdialenosť 100 km zostalo iba 0,46 kWh viac. Rekuperácia ešte nie je zahrnutá. V prípade nafty a benzínu by o 100 kg menej mohlo ušetriť iba okolo 0,12 až 0,16 l. “Pretože je však také obrovské zníženie hmotnosti veľmi nákladné, Wagener vidí ciele budúcej ľahkej konštrukcie karosérie v elektronických vozidlách tiež pravdepodobnejšie v šetrení zdrojov použitím menšieho množstva materiálu, čo zase znamená, že chudšie môžu byť aj iné komponenty, ako napríklad nápravy. Väčšia hmotnosť vozidla je tiež nevýhodná v prípade nárazu, pretože sa musí rozptýliť viac energie. „V budúcnosti sa preto bude ešte viac zameriavať na nákladovo efektívne, holistické a systémové ľahké konštrukcie,“ predpovedá Wagener.

Bezpečnosť pred dosahom

Najmä v prípade nehody s elektrickým vozidlom predstavuje vždy riziko požiaru, chemická zložka batérie sa považuje za ťažko ovládateľnú. Podľa Wagenera preto bude musieť byť v budúcnosti celé telo optimalizované ešte viac, aby sa v prípade nárazu vedelo okolo batérie čo najviac energie nárazu. Je tiež dôležité integrovať výkon pri náraze priamo do krytu batérie. Aj tu zohrávajú rozhodujúcu úlohu koncepty ľahkých konštrukcií, pretože hrubé pancierovanie nemožno uplatniť všade.

Michael Begert zo špecialistu na vývoj produktov Edag tiež pozná tému e-mobility a ľahkej konštrukcie, podľa vyjadrenia ktorého treba brať do úvahy, že asi tretinu veľmi kritizovanej hmotnosti batérie predstavuje jej kryt a doplnky, kde je stále veľa potenciálu na využitie. „Ľahkej stavbe sa v súčasnosti zo strany vrcholového manažmentu venuje malá pozornosť a rozpočet na vývoj klesá. Na druhej strane sa uprednostňuje digitalizácia, elektrifikácia a autonómne riadenie, “pokračuje Begert. Podľa jeho názoru v segmente elektrických automobilov ide v súčasnosti skôr o čo najrýchlejší vstup na trh, čo si vyžaduje rýchly vývoj. Tu má podvozok, ktorý je o pár kíl ľahší, rýchlo menšiu prioritu ako v spaľovacom segmente, kde sa bojuje o každý gram CO2.

Ľahké vlákna pre batériu

Záväzok výrobcu lisov Schuler ukazuje, ako globálne toto odvetvie myslí. Tieto stroje vyrábajú plechové diely pre automobilový, železničný a letecký priemysel a ďalšie priemyselné odvetvia a razia mince pre viac ako 180 krajín. Uvedenie kovu do formy bolo doteraz kľúčovou kompetenciou skupiny. Pretože kompozitný materiál čoraz viac zaostáva aj pri ľahkej konštrukcii, čoraz viac sa tu angažuje aj tradičná spoločnosť z Göppingenu. „Súčasnými výzvami sú neefektívne využitie materiálu, vysoká miera odmietnutia a v niektorých prípadoch žiadne nepretržité zabezpečenie kvality. Procesy sú navyše vhodné iba pre malé a stredné objemy výroby, “vysvetľuje Patric Winterhalter, produktový manažér spoločnosti Schuler.

V súčasnosti sa primárne používa proces vstrekovania živice (RTM), pri ktorom sa vopred zostavené vlákno - s výrezmi - umiestni do formy a potom vstrekne živicou. V Aachen Center for Integrative Lightweight Construction (AZL) na RWTH Aachen University v súčasnosti projekt iComposite 4.0 spolupracuje s ďalšími partnermi na znížení nákladov zhruba o polovicu. Ako ukážka bude vyrobená podlaha vozidla s hrúbkou steny 2,15 mm: V prvom kroku sú sklenené vlákna vstrekované robotom na negatívnu formu, čo zaisťuje minimálny odpad. V súčasnosti prebiehajú práce na meraní zosúladenia vlákien v reálnom čase a pomocou digitálneho dvojčaťa na identifikáciu, kde sú príslušné slabé miesta. Tie sa dajú kompenzovať presne vloženými uhlíkovými lištami. Potom nasleduje bežný proces RTM. Prediktívna kontrola kvality sa vykonáva u každého jednotlivého komponentu priamo vo výrobnom procese, pričom každý z nich je minimálne individuálny, ale vždy je zaručená požadovaná tuhosť. „V sériovom procese s 35 000 komponentmi ročne by sme mali jednotkové náklady menej ako 150 eur,“ hovorí Winterhalter.

Spoločnosti pracujú na ľahkých krytoch batérií z CFRP

Niektorí výrobcovia už vyrábajú konštrukčné diely z kompozitného materiálu: Spoločnosť SGL Carbon z Wiesbadenu spolupracuje s rôznymi partnermi na vývoji batériových boxov vyrobených z plastu vystuženého uhlíkovými vláknami (CFRP). Po výrobe prvých prototypov pre čínskeho výrobcu automobilov Nio v roku 2018 bola nedávno prijatá veľká objednávka od severoamerického výrobcu OEM na sériovú výrobu krytu a základne pre kryty batérií z uhlíka a plastu vystuženého sklenenými vláknami vo veľkom množstve. Nedávno prišli ďalšie objednávky od európskeho výrobcu športových vozidiel i od spoločnosti BMW: Pre mníchovskú spoločnosť sa bude vyrábať kryt na batériu zo sklenených vlákien. „Bežné skrinky na batérie pre elektrické automobily sú vyrobené hlavne z hliníka a ocele. V porovnaní s tým je puzdro na batérie z CFRP asi o 40% ľahšie, “vysvetľuje Sebastian Grasser, vedúci automobilového segmentu v divízii kompozitov - vlákien a materiálov v SGL Carbon.

Aj tu sa hmotnosť nepovažuje za jediného vodiča koncepcie ľahkej konštrukcie: na podporu jazdnej dynamiky musia mať komponenty tiež vysoký stupeň tuhosti. Materiál musí navyše chrániť podklad pred rozpadom, prispievať k optimalizovanému tepelnému hospodáreniu, ponúkať vynikajúcu požiarnu ochranu a spĺňať požiadavky na tesnosť pre vodu a plyn. Podľa SGL-Carbon by kompozitné materiály spĺňali všetky tieto požiadavky oveľa lepšie ako akýkoľvek iný materiál.

Ľahká konštrukcia ovplyvňuje aj stopu vozidla

Na výročnom zasadnutí pracovnej skupiny pre hybridné ľahké technológie VDMA preto odborníci poukázali na vyššie uvedený Dudenhoefferov váhový experiment, že výsledky sú v zásade správne, ale je treba myslieť na ďalšie závery: Pretože ak by sa elektronické auto od začiatku vyrábalo ľahšie motor môže byť skonštruovaný tak, aby bol slabší a batéria menšia, čo celkovo vyžaduje menej surovín.

Ľahká konštrukcia preto v budúcnosti už nebude iba konceptom redukcie hmotnosti s priamym cieľom väčšieho dojazdu, ale zlepší aj samotnú stopu vozidla. Koncept už neovplyvňuje iba samotné vozidlo, ale aj jeho výrobné procesy. Pretože ich emisiám sa bude v budúcnosti venovať tiež väčšia pozornosť: v súčasnosti sa stále kladie dôraz na batérie, ktoré sa vyrábajú čoraz „ekologickejšie“ spôsobom, ktorý priťahuje verejnosť. V budúcnosti však bude treba brať do úvahy aj ďalšie komponenty, ako je hliník a plasty, a preto má ľahká konštrukcia šetriaca zdroje zmysel aj pre elektrické vozidlá. Pre experta na karosériu Christoph Wagener boli vždy dané základné predpoklady: „Či už je to ľahká konštrukcia alebo nie, inžinier si túto otázku vlastne nekladie. Pre nás je prirodzenosťou vecí vyrábať komponenty z čo najmenšieho množstva materiálu a čo najľahšej úpravy. ““

Môžete sa dozvedieť viac o: