Master-/Diplomarbeiten

Im Zuge der stärker in den Fokus rückenden Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden auch neue Ladekonzepte erforscht, die vor allem im Bereich Komfort, aber auch im Bezug auf Sicherheit verbesserte Eigenschaften gegenüber den bestehenden konduktiven Ladeverfahren besitzen. Hierzu wird in dieser Arbeit ein Konzept des kontaktlosen induktiven Ladens mit instationärer Primärspule betrachtet und ein Entwurf einer Ladeinfrastruktur mit dreidimensionaler Positionierung entwickelt. Mittels einer Verfahrung soll erreicht werden, dass die Spulen beim Laden ohne Luftspalt in Kontakt stehen. Dadurch ergibt sich u.a. der Vorteil, dass kaum Wechselwirkungen des magnetischen Feldes mit der Umgebung auftreten. Im Rahmen der Arbeit werden Anforderungen an das System gesammelt, verschiedene technische Ansätze erörtert und nach einer Bewertung, der ausgewählte Ansatz ausgelegt sowie virtuell umgesetzt. Zentrale Aspekte bei der Entwicklung der Infrastruktur sind kompakte Abmessungen und die Absicherung vor Umwelteinflüssen. Das entworfene System besitzt die maximalen Maße von 650 mm Länge, 600 mm Breite und 178,5 mm Höhe, bei einem Gesamtgewicht von rund 30 kg. Die Spule verfährt in horizontaler Richtung unter einem Kunststoffgehäuse aus PEI (Polyetherimid), um vor äußeren Einflüssen geschützt zu sein. Bei der vertikalen Verfahrung dient ein Faltenbalg zur Abdichtung des Systems. Zur Gewährleistung eines parallelen Anlegens der Spulen ist ein zusätzlicher Wank- und Nickausgleich in Form einer Federmechanik integriert. Im Vergleich mit anderen Konzepten induktiven Ladens, mit stationären Primärspulen, ergeben sich eine erhöhte Komplexität des Systems und mögliche Störungen der vertikalen Bewegung aufgrund von äußeren Einflüssen wie Schnee und Eis. Schlüsselwörter: Elektrofahrzeug, Kontaktloses Laden, induktiv, konduktiv, Ladekomfort, Ladekonzepte, Luftspalt Null

In der Photovoltaik spielt es eine zunehmende Rolle die Effizienz von Solarmodulen nicht nur bei senkrechtem Lichteinfall, sondern auch bei verschiedenen Einfallswinkeln, zu untersuchen. Denn unter realen Bedingungen ist der Idealfall des senkrechten Lichteinfalls nur einmal im Jahr oder unter Einsatz von Nachführungseinrichtungen gegeben. Einen besonderen Einfluss auf die elektrische Leistung haben dabei die Frontgläser der Solarmodule. Bereits hier entscheidet sich, wie viel Licht später auf die Solarzellen treffen kann. Im Rahmen dieser Arbeit werden deshalb Gläser mit verschiedenen Oberflächenstrukturen und Antireflexionsschichten untersucht. Mit Hilfe einer Simulation wird die winkelabhängige Transmission einer strukturierten Oberfläche beschrieben. Die Simulation zeigt, dass es an der Glasoberfläche zu Mehrfachreflexionen kommt, auch Light-Trapping Effekt genannt, und die Transmission steigt. Anhand von Transmissions- und Leistungsmessungen werden die Ergebnisse der Simulation bestätigt. Ein weiteres Resultat der Transmissionsmessungen ist, dass aus dem winkelabhängigen Verhalten von Glas in Luft keine Rückschlüsse auf das winkelabhängige Verhalten von Glas im Solarmodul gezogen werden können. An der Glasrückseite entstehen dabei Totalreflexionen, die das Messergebnis, vor allem bei strukturierten Gläsern, verfälschen. Neben den Transmissionsmessungen werden mit ausgewählten Gläsern Leistungsmessungen durchgeführt. Wie Messungen unter Standard Test Bedingungen (STC) belegen, entfalten strukturierte Frontgläser ihr volles Potential nicht bei senkrechter Einstrahlung. Um die elektrische Leistung bei flachen Einfallswinkeln zu untersuchen werden out-door Messungen durchgeführt. Es zeigt sich, dass Solarmodule mit strukturierten Frontgläsern eine erhöhte elektrische Leistung bei flachen Einfallswinkeln haben. Bei Solarmodulen mit strukturierten Frontgläsern und strukturierten Zellverbinder konnte erstmals gezeigt werden, dass sich beide Technologien gegenseitig ergänzen. Eine Kombination der beiden Technologien steigert den elektrischen Ertrag um rund drei Prozent.

In der heutigen Mobilität ist ein stetiger Trend zu mehr Wirtschaftlichkeit und Effizienz zu beobachten. In Bezug auf den Einsatz von fossilen Energieträgern und dem umweltbelastenden CO2-Ausstoß werden immer größere Anstrengungen unternommen, um den Energiebedarf zu minimieren. Eine Möglichkeit diesem Ziel näher zu kommen, ist die Senkung der Fahrzeugmasse. Auch in Schienenfahrzeugen kann der Leichtbau durch Multimaterialsysteme signifikant verbessert werden. Dazu ersetzen endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile in hybriden Strukturen herkömmliche metallische Bauteile und erlauben neue Geometrien. Das dieser Arbeit zugrundeliegende Bauteilkonzept besteht aus einem kohlefaserfaserverstärkten, thermoplastischen Kunststoffbauteil (Organoblech) und dient der Verstärkung einer Aluminium-Wagenkastenstruktur. Ziel dieser Arbeit ist es, geeignete Fügeverfahren für die Verbindung des Faserverbundbauteils mit der metallischen Wagenkastenstruktur zu qualifizieren. Für die Anbindung des Faserverbundbauteils an die Seitenwandstruktur des Wagenkastens werden verschiedene Fügekonzepte analysiert. Spezifische Eigenschaften der verwendeten Fügepartner sowie Anforderungen aus dem Einsatz und der Herstellung der Verbindung stellen bei der Studie der Fügevarianten eine zentrale Anforderung dar. Eine abschließende Bewertung der Verfahren zeigt eine besondere Qualifikation von Verklebungen und mechanischen Fügeelementen. Mögliche Abläufe für die Füge- und Prozessfolge im Wagenkastenbau werden mit den ausgewählten Fügevarianten des Verklebens in Kombination mit Schrauben, Nieten und Bolzen generiert. Eine erste wirtschaftliche Betrachtung der Fügefolgen im Montageablauf zeigt keine wesentlichen Kostenunterschiede in Aspekten wie Material- und Maschinenkosten sowie der Montagezeit. Darauf folgt die Definition und Abschätzung der für den Fügeprozess erforderlichen Oberflächenvorbehandlung sowie der notwendigen Umgebungsbedingungen. Die favorisierten Fügekonzepte werden anschließend in anwendungsnahen Lastfällen, durch Scherzug- und Biegeschälversuche, erprobt und deren mechanische Eigenschaften dokumentiert. In der Umsetzung werden die für eine Verklebung der Fügepartner relevanten Parameter priorisiert, deren versuchstechnische Betrachtung zu den im Folgenden erläuterten Erkenntnissen führt. Eine Modifikation der Belastungsrichtung des verklebten, anisotropen Organobleches, zeigt eine Richtungsabhängigkeit der maximalen Spannungsaufnahme der Verbindung. Im Scherzugversuch wird die Fügeverbindung mit den für eine Klebeverbindung günstigen Scherzugkräften belastet. Auch schälende Belastungen, die senkrecht zur Klebefläche angreifen und eine ungünstige Belastungsart darstellen, werden im Versuch getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Schälanteile eines angreifenden Lastvektors Auslöser für das Versagen der Klebeverbindung sind. Diese können demnach durch höhere Bauteilsteifigkeiten der Fügepartner minimiert werden. Das zusätzliche Fügen durch mechanische Elemente vor und nach der Klebstoffaushärtung zeigt keine signifikante Erhöhung, jedoch auch keine Verringerung, der maximal übertragbaren Kräfte. Nach dem Versagen der Klebeverbindung kann eine unterschiedliche Restkraft der verschiedenen Fügeelemente beobachtet werden. Dadurch begründet sich ein Einsatz der mechanischen Fügetechnik als Notlaufelement im Fall des Versagens der Klebeverbindung im Bauteileinsatz. Weiterhin besteht eine berechtigte Verwendung im Fügeprozess der Klebeverbindung, wo die Elemente das Fixieren des Organoblechbauteils an der Seitenwand für die Zeit der Klebstoffaushärtung leisten können. Daraus resultieren begünstigende Prozessablauffaktoren, die einen schnelleren und effizienteren Montagefluss fördern sowie zusätzliche Spann- und Haltesysteme ersetzen. Sowohl im Scherzug- als auch im Biegeschälversuch kann in gewissen Grenzen eine Abweichung der aufgebrachten Klebeschichtdicke, die durch Bauteiltoleranzen der Fügepartner entstehen kann, keine Reduktion der Maximalspannung bewirken. Eine durch Schälkräfte beanspruchte Klebeverbindung zeigt durch die Temperaturbeanspruchung, die in der thermoplastischen Umformung der Organoblech-Bauteilherstellung Oberflächenveränderungen hervorruft, eine Verdopplung der übertragbaren Spannungen. Eine Scherzugbelastung der Probe weist einen ähnlichen, jedoch geringeren Trend der Spannungssteigerung auf. Die zusätzlich zur Verklebung eingebrachten mechanischen Fügeelemente können bei einer Biegeschälbeanspruchung nicht die Belastbarkeit der Klebeverbindung steigern, da der Startpunkt des Versagens in der Klebstoffschicht und somit geometrisch vor dem Fügeelement liegt. Der gesamte Verlust der Klebeanbindung kann jedoch durch das Stoppen des Rissfortschrittes verhindert werden, wodurch im Fall des Versagens mit mechanischen Fügeelementen ein positiver Effekt erzielt wird.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Simulation, Konstruktion und Herstellung eines Schmelzespeicher- und Dosiersystems mit Heißkanalverteilung zur Anfertigung von innovativen Multilayer-Injektionsflaschen. Das erarbeitete Verfahren bietet die signifikante Möglichkeit, die Kavität einer Spritzgießform für Vorformlinge separat mit zwei verschiedenen Kunststoffen zu befüllen und eine durchgängige Barriereschicht auszubilden. Aus diesem Grund zeichnen sich die spritzgeblasenen Injektionsflaschen durch sehr gute Barriereeigenschaften gegenüber Gasen, Unzerbrechlichkeit, geringes Gewicht und einer chemisch nicht reaktiven Oberfläche aus. Nach einer kurzen Einführung wird das Innovationspotenzial des Schmelzespeicher- und Dosiersystems anhand einer ausführlichen Recherche zum Stand der Technik einschließlich bestehender Patente herausgearbeitet. Danach werden verschiedene Anforderungen an das System definiert und mit Hilfe einer Bewertungsmatrix ein geeignetes Prinzip ausgewählt. Anschließend wird eine Theorie zur Herstellung von Multilayer-Vorformlingen aufgestellt, die auf der Co-Injektion unter Berücksichtigung von Temperaturverlauf, Fließgeschwindigkeiten und Scherraten an den Randschichten basiert. Aufbauend darauf werden verschiedene Einzelprinzipien für die Schmelzespeicherung, Schmelzedosierung sowie dazugehörige Antriebe untersucht und mit Hilfe der Bewertungsmatrix ein Gesamtkonzept abgeleitet. Die nachfolgenden Berechnungen zum Fließverhalten der Schmelze und die Auslegung der mechanischen Komponenten ebnen den Weg für die Konstruktion des Systems. Auf Grundlage der theoretischen Vorüberlegungen wird ein technischer Entwurf konstruiert, der die vollständige Geometrie und Funktion des Gesamtsystems beschreibt.

Aufgrund der niedrigen Energiedichte von Li-Ionen Batteriezellen im Vergleich zu den fossilen Kraftstoffen und dem damit verbundenen Mehrgewicht ist der Leichtbau ein signifikanter Treiber für die Entwicklung des elektrifizierten Antriebsstrangs. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Leichtbaukonzept mit Hilfe eines Faserverbundkunststoffes für einen Zellmodulrahmen entwickelt, der für die Verspannung und Fixierung von prismatischen Li-Ionen Zellen im Energiespeicher verantwortlich ist. Der Faserverbund-Rahmen muss dabei einer hohen Last standhalten, denn die Li-Ionen Zellen zeigen eine Ausbauchung, die sich negativ auf die Lebensdauer des Systems auswirkt und folglich verhindert werden muss. Das Konzept für den Faserverbund-Zellmodulrahmen wurde hinsichtlich der Parameter Bauraum, Gewicht, Kosten, mechanische Beanspruchung sowie thermische Isolationswirkung optimiert. Innerhalb des Vergleichs mit dem Referenzsystem konnten die Potentiale des Faserverbundkunststoffes aufgezeigt werden. Die Arbeit gliedert sich in die wesentlichen Schritte Analyse des aktuellen Systems anhand der Durchführung von Messungen zum mechanischen Verhalten der Li-Ionen Zelle, methodische Konzeptentwicklung und konstruktive Auslegung des Faserverbund-Zellmodulrahmens. Es wird nachgewiesen, dass bei gleichem Bauraum und Kosten das Gewicht sowie die Deformation im Vergleich zum Referenzsystem gesenkt werden können. Zusätzlich zeichnet sich der gewählte Faserverbundkunststoff als thermischer und elektrischer Isolator aus.