Strukturelle Sicherheitssysteme

Elektrofahrzeuge (EVs) verlassen sich auf fortschrittliche strukturelle Sicherheitssysteme, um Aufprallenergie zu absorbieren, den Fahrgastraum zu erhalten und das Hochvolt-Batteriepaket zu schützen. Diese Systeme bilden die Grundlage der passiven Sicherheit und arbeiten zusammen mit Airbags und Sicherheitsgurten, um Verletzungen bei einer Kollision zu verhindern. Moderne EVs nutzen eine Kombination aus hochfesten Materialien, konstruierten Knautschzonen und starren Sicherheitszellen, um Aufprallkräfte effektiv zu kontrollieren.

Dieses Kapitel erklärt, wie strukturelle Sicherheitssysteme funktionieren, wie sie sich zwischen EVs und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor unterscheiden und wie sich die Technologie in den letzten drei Jahrzehnten entwickelt hat.

Was sind strukturelle Sicherheitssysteme?

Strukturelle Sicherheitssysteme sind die konstruierten Komponenten der Karosserie, die dafür ausgelegt sind, das Verhalten der Struktur bei einem Aufprall zu steuern. Ihre Ziele sind dreifach:

1. Energie absorbieren während eines Aufpralls durch kontrollierte Verformung.
2. Stabile Schutzzelle erhalten, in der Insassen geschützt sind.
3. Aufprallkräfte umleiten von kritischen Komponenten wie dem Batteriepaket.

Wichtige Elemente umfassen:

Knautschzonen

Vordere und hintere Bereiche, die so konstruiert sind, dass sie sich vorhersehbar verformen. Durch gestuftes Zusammenfallen verlangsamen sie die Crash-Pulsform und reduzieren die Kräfte auf die Insassen.

Insassenschutzzelle

Ein steifer, verstärkter Bereich, der während eines Aufpralls intakt bleibt. Hochfeststahl, Bor-Verstärkungen und Hohlkammer-Säulen schützen den Überlebensraum der Insassen.

Seitenaufprallstrukturen

Seitenverstärkungen, Türverstärkungen und Querverstrebungen im Boden, die das Eindringen bei seitlichen Aufprallen verhindern – eine der anspruchsvollsten Unfallarten.

Batterie-Schutzstruktur

Einzigartig bei Elektrofahrzeugen, umfasst dies:

• Steife Rahmen um das Batteriepaket
• Aufprallresistente Gehäuse
• Lastpfade, die Kräfte um die Batterie herumleiten – nicht in sie hinein

Lastpfadführung

Die strategische Führung von Aufprallkräften durch die stärksten Bereiche der Karosserie, um sicherzustellen, dass die Energie verteilt und nicht konzentriert wird. Dies hilft der Struktur, sich kontrolliert und vorhersehbar zu verformen.

Warum strukturelle Sicherheitssysteme wichtig sind

Strukturelle Sicherheitssysteme können oft den Unterschied zwischen leichten und lebensgefährlichen Verletzungen ausmachen. Sie sind wichtig, weil:

• Sie reduzieren die Spitzenkräfte auf den Körper, was das Risiko schwerer Verletzungen senkt.
• Sie verhindern das Eindringen in die Fahrgastzelle, was für das Überleben der Insassen entscheidend ist.
• Sie schützen die Batterie, was das Risiko von thermischen Ereignissen nach einem Aufprall minimiert.
• Sie beeinflussen die Ergebnisse von Crashtests, was sich direkt auf die Bewertungen von Euro NCAP, NHTSA und IIHS auswirkt.

Da Crashtests heutzutage immer anspruchsvoller werden, ist die strukturelle Leistung nun einer der größten Unterschiede zwischen Fahrzeugen mit hoher und niedriger Performance.

Wie EVs das strukturelle Sicherheitsdesign verändert haben

Elektrofahrzeuge haben die Art und Weise, wie Ingenieure Fahrzeugsstrukturen entwerfen, grundlegend verändert. Das Batteriepaket stellt dabei sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung dar.

Vorteile durch die Architektur von Elektrofahrzeugen

• Starke, flache Batteriepakete erhöhen die Bodensteifigkeit, was die gesamte Torsionssteifigkeit verbessert.
• Das Fehlen eines großen Motors eröffnet neue Möglichkeiten für längere und effektivere vordere Knautschzonen.
• Niedrigerer Schwerpunkt reduziert das Umkipprisiko und ermöglicht optimierte Strukturen für das Aufprallenergie-Management.

Herausforderungen

• Batterieschutz ist entscheidend – ein Eindringen muss unter allen Umständen vermieden werden.
• Die Gewichtsverteilung verändert Lastpfade, was eine Neukonzeption traditioneller Crashstrukturen erfordert.
• Unterbodenaufpralle, beispielsweise durch Trümmer, müssen mit Schutzblechen und verstärkten Rahmen ausgeglichen werden.

Infolgedessen verwenden EVs im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor häufiger Aluminium, ultrahochfeste Stähle und Verbundwerkstoffe.

Trends bei strukturellen Sicherheitssystemen

Die strukturelle Sicherheit entwickelt sich rasant weiter, da Automobilhersteller strengere Testprotokolle und neue Architekturen von Elektrofahrzeugen umsetzen.

1. Multi-Material-Karosseriestrukturen

Kombination von hochfestem Stahl, pressgehärtetem Stahl, Aluminium und Verbundwerkstoffen für optimale Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse.

2. Mega-Gussstücke und große Strukturabschnitte

• Reduzieren die Anzahl an Schweißnähten und Verbindungen.
• Verbessern die Konsistenz der Lastpfade.
• Erhöhen die Vorhersehbarkeit bei Crashtests.

3. Integration der Batterie als Strukturelement

Neuere EVs nutzen Cell-to-Pack-Designs und strukturelle Batteriepakete, die die Steifigkeit erhöhen und gleichzeitig das Gewicht reduzieren.

4. Fortschrittliche Simulation und KI-gestützte Crashtestmodellierung

Ingenieure nutzen tausende digitale Crashtest-Simulationen, um Strukturen zu optimieren, bevor Prototypen gebaut werden.

5. Verbesserter Schutz bei Seitenaufprall

Getrieben von strengeren IIHS- und Euro NCAP-Tests verwenden Fahrzeuge nun stärkere Türträger, höhere Schweller und verstärkte B-Säulen.

6. Fokus auf Reparierbarkeit

Einige Hersteller konstruieren strukturelle Bauteile jetzt mit Reparatursegmenten oder modularen Crashstrukturen, um Versicherungskosten zu senken.

Entwicklung in den letzten 30 Jahren

1990er Jahre

• Knautschzonen waren einfacher und weniger optimiert.
• Seitenschutz bei Aufprall war minimal.
• Fahrgastzellensteifigkeit variierte stark zwischen den Modellen.
• Strukturelle Materialien waren meist unlegierter oder herkömmlicher Stahl.

2000er Jahre

• Hochfeste Stähle wurden üblich.
• Euro NCAP führte zu schnellen Verbesserungen.
• Standards für Seitenaufprall und Überschlag wurden ausgeweitet.
• Insassenzellen wurden deutlich stabiler.

2010er Jahre

• Ultrahochfester Stahl und pressgehärteter Stahl wurden zum Standard.
• Elektrofahrzeuge führten neue Verpackungsideen und Strukturen zum Batterieschutz ein.
• Crashtest-Simulationen beschleunigten die Entwicklungszyklen.

2020er Jahre und darüber hinaus

• Strukturelle Batteriepakete und Mega-Gussstücke definieren die Fahrzeugarchitektur neu.
• Für Elektrofahrzeuge ausgelegte Plattformen ermöglichen effizientere Knautschzonen.
• Strengere Crash-Vorschriften treiben Innovationen in der Lastpfadtechnik voran.
• Hersteller optimieren Strukturen nicht nur für Sicherheit, sondern auch für Gewicht, Kosten und Reparierbarkeit.

Die folgenden Videos zeigen Crashtests alter versus neuer Fahrzeuge, um die Fortschritte in der Crashesicherheit zu demonstrieren.

Ist strukturelle Sicherheit wirklich wichtig?

Ja. Die strukturelle Leistung ist einer der zuverlässigsten Prädiktoren für reale Unfallfolgen. Selbst mit fortschrittlichen Fahrassistenzsystemen passieren Unfälle – und wenn sie passieren, ist eine stabile Struktur die letzte Verteidigungslinie.

Für Elektrofahrzeuge beeinflusst strukturelle Sicherheit zudem direkt:

• Batterieschutz
• Reparaturkosten
• Versicherungsbewertungen
• Crashtest-Ergebnisse
• Langfristige Fahrzeughaltbarkeit

Eine gut konstruierte Struktur kann einen schweren Unfall in ein überlebbares Ereignis verwandeln.