CN110165100A - 用于电池在运输工具中的结构集成的电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电池(1)在运输工具中的结构集成的电池装置，运输工具特别是航空器或航天器(100)，电池装置(10)包括：至少一个电池(1)；以及支撑性的两个多层结构层压体(2)，至少一个电池(1)在两侧通过电池座(3)保持在这两个层压体之间，其中，每个多层结构层压体具有冷却板层(4)和集电层(5)，其中至少一个电池(1)电连接至集电层(5)。

Description

用于电池在运输工具中的结构集成的电池装置
技术领域
本发明涉及用于将电池在运输工具，特别是航空器或航天器，中的结构集成的电池装置。
虽然可用于各种应用，但是将针对客机来更详细地说明本发明及其所基于的问题。然而，所描述的方法和装置也可用于不同的运输工具和运输工业的所有领域，例如用于公路运输工具、用于轨道运输工具、用于飞行器或用于水运工具。
背景技术
锂离子电池可以在最多样化的技术领域中作为可再充电的蓄能器见到。特别地，它们在电动性方面用作电动汽车和混合动力汽车的蓄能器。为此目的，许多制造商在车辆结构(例如，机动车车身)中以称为电池组的形式实施多个电池或电池单元。在这种类型的电池组或电池组件中，数千个单独的电池完全可以相互连接，例如具有大约20mm的圆柱直径和大约100mm的长度的锂离子圆形电池。
然而，这种情况下所追求的通用集成概念并不总是适合于满足飞行器在结构方面的技术要求和边界条件。额外的增强措施(例如，辅助的加强结构)会立即增加重量并最终增加燃料消耗。
为了尽可能有效地操作这种类型的电池，在典型的应用中，必须提供电池的主动温度控制。由于高度波动的操作或环境温度，这在航空和航天领域尤为重要。为了适当地控制电池组中的电池的温度，例如可以使用诸如冷却板等装置，其中液体和/或气体通过流体通道冲刷，例如参见文献US8,383,260B2和US2017/0047624A1。这种类型的冷却装置另外增加了重量。
在此背景下，本发明的目的在于找到一种用于以高效且轻便的方式将大量电池单元集成在运输工具中的方案。
发明内容
根据本发明，上述目的通过具有权利要求1的特征的电池装置和具有权利要求12的特征的航空器或航天器来实现。
根据本发明，提供了一种用于电池在运输工具中的结构集成的电池装置。电池装置包括：至少一个电池；以及支撑性的两个多层结构层压体，至少一个电池在两侧通过电池座保持在这两个多层结构层压体之间，其中每个多层结构层压体具有冷却板层和集电层，其中至少一个电池电连接至集电层。
此外，提供了具有根据本发明的电池装置的航空器和航天器。
本发明所基于的概念在于将冷却板与集电器和其他构件一起以层状的层压结构集成在单个部件中，使得所有这些构件一起执行热功能和机械功能。以这种方式，可以节省额外的结构增强部件，这又可以优化部件的数量并最终优化重量。换言之，通过这些措施可以改善电池装置或车辆的重量相关的能量和功率密度。此外，电池装置可以在一定程度上替换现有结构，因为可以通过该电池装置传导载荷。这里，压缩力和剪切力可以直接通过至少一个电池或电池单元传导，即，至少一个电池可以承载至少一些载荷。通过单个部件可以实现多种功能，即，提供多功能的电池装置。这里，集电层可以包括导电材料，因此集电层可以替换惯用的汇流条，例如铜导轨。因此，多层结构层压体将汇流条、冷却板和结构部件的特性结合在一个单独的元件中。
在本发明的上下文中，层压体或层压结构是指由以平面方式彼此连接的两层或更多层以整体结合的方式组成的材料或部件。所述层可以由相同或不同的材料组成，并且可以执行不同的功能。例如，各个层可以彼此粘接、压紧、焊接和/或烘烤等。例如，各个层可以通过连接物质或通过基质材料彼此连接，例如通过粘合剂和/或合成树脂。各个层或多个层也可以嵌入这种类型的材料中。
在本发明的上下文中，电池是一般的可再充电的蓄电元件。它可以是蓄电池，即，在二次元件、存储单元、可再充电电池、电池单元等意义上的单个存储元件。然而，原则上，根据本发明的电池还包括互连的蓄电池和/或互连的存储元件，即由蓄电池组成的电池。在本发明的上下文中，电池特别包括锂离子电池。
有利的改良和改进从其他从属权利要求和参照附图的描述中浮现出来。
根据一种改进，多层结构层压体还可以各自包括与至少一个电池电连接的信号传导层。例如，信号传导层可以用于控制和/或调节至少一个电池或电池单元。替代地或补充地，可以测量至少一个电池或电池装置的电流、电压和/或温度。基于此的数据可以通过信号传导层传输至电池管理系统(BMS)。基于该数据可以得出关于充电状态等的结论。例如，至少一个电池可以通过信号传导层通信地连接至中央计算单元，其中计算单元可以被设计为监视、评估以及可选地调节至少一个电池的状态或状况。
根据一种改进，多层结构层压体还可以各自包括至少一个电绝缘层。例如，绝缘层可以设置在金属集电层和金属冷却板层之间，以避免这两层之间的短路。替代地或补充地，例如，绝缘层可以使一个或多个信号传导层、集电层和/或冷却板层彼此电绝缘。
根据一种改进，在每种情况下，冷却板层可以形成多层结构层压体的芯。因此，冷却板层可以构成层压体的结构芯，使该层压体能够抵抗不同的载荷。例如，冷却板层可以由具有高抗性和强度的金属材料形成。
根据一种改进，多层结构层压体中的至少一个可包括设置在冷却板周围两侧的多个集电层、信号传导层和/或电绝缘层。此外，在每种情况下，电池座可以在两侧连接至结构层压体，例如可以粘接至其上或与其一起烘烤。以这样的方式，可以将较多或较少数量的结构层压体彼此相邻地组合在一起，其中在每种情况下电池位于它们之间，从而将大量电池集成在层压结构中。这里，在每种情况下，其间紧固有电池的两个结构层压体可以在一定程度上被认为是电池模块或电池段，该电池模块或电池段可以在每种情况下在两侧再加上另外的电池模块，以便由多个单独的模块构造较大的结构。
根据一种改进，至少一个电池可以至少在一侧通过导电弹簧连接至集电层。在该改进中，不需要将至少一个电池焊接至集电层(这是将电池连接至汇流条常用的方式)。因此，电池可以以简单的方式安装，例如通过简单地将各个电池插入和/或推入电池座中。总的来说，显著改善了在安装期间电池装置的易进入性。其次，这种类型的弹簧自动补偿公差。
根据一种改进，电池座可以设计有用于在一侧接收至少一个电池的电池插座。例如，至少一个电池可在两侧通过形状配合的方式安装在电池座中。对于安装，可以首先将至少一个电池在一侧引入结构层压体的电池座中并且紧固，至少一个电池可以通过精确配合的方式保持在对应的电池插座中。在第二步骤中，可以装配另一个结构层压体的电池座并将其与该结构一起插入，使得至少一个电池通过另一侧被引入另一个电池座中。例如，电池座可以由塑料制成，并且可以通过整体结合的方式连接至多层结构层压体和/或可以紧固至其上。此外，电池插座可以形成有朝向对应的集电层的通孔或贯通开口。
根据一种改进，至少一个电池可以通过整体结合的连接件紧固至电池座。例如，至少一个电池可以通过导热粘合剂紧固至电池座。然而，原则上，机械保持器和/或插入式、夹子式和/或快动式(snap-action)机构等也可用于至少一个电池的紧固。
根据一种改进，冷却板层可以与多个流体管道由金属材料一体地制成。例如，冷却板层可以由金属、金属合金、金属材料和/或所述材料的组合制成。在一个具体的例子中，冷却板层由钛制成。例如，可以使用增材方法制造冷却板层，其中冷却板层完全一体地制造，而无需特定的费用、额外的安装步骤或甚至手动操作。原则上，冷却板层可以由对于增材方法所已知的所有材料或材料组合制造。
在生成或增材制造方法(通常也称为“3D打印方法”)中，从物体的数字化几何模型出发，将一种或多种原材料依次上下层叠并硬化。因此，例如，在选择性激光熔化(SLM)中，通过将粉末形式的成型材料(例如，塑料或金属)施加于基板上并通过局部激光辐照以有针对性的方式液化它，由该成型材料成层地构造部件，结果在冷却后获得固体粘结部件。3D打印提供了非凡的设计自由度，并且尤其可以通过可忽略的费用制造不能使用传统方法制造或者只能以相当大的费用制造的物体。出于这个原因，3D打印方法目前广泛应用于工业设计、汽车工业、航空航天旅行业或通常的工业产品开发中，其中资源有效的工艺链用于个体化部件的基于需求的小型和大型的系列制造。
3D打印方法在当前情况下特别有利，因为它们允许在初级成型方法中生产三维部件，而不需要针对部件的外部形状定制的特定的制造工具。这使构件和部件的高效、节省材料和节省时间的制造过程成为可能。这样的3D打印方法在航空和航天旅行领域中特别有利，因为该领域使用针对特定使用目的定制的非常多的不同部件，并且这些部件可以通过这样的3D打印方法来制造，并且成本低、制造前期准备时间短并且制造所需的制造设施的复杂性小。在本申请的上下文中，3D打印方法包括所有生成或增材制造方法，其中基于几何模型，具有预定形状的物体通过特定的生成制造系统中的化学和/或物理过程由不定形的材料(例如，液体和粉末)或中间形状的半成品(例如，带或线形式的材料)来制造。在本申请的上下文中，3D打印方法使用其中原材料以预定形状依次构造成层的增材方法。
根据一种改进，还可以设置至少两个盖板，其封闭多层结构层压体，至少一个电池位于多层结构层压体之间。例如，盖板可以由塑料、陶瓷材料、金属材料或所述材料的组合制成。因此，原则上，与多层结构层压体配合的盖板在一定程度上可以形成电池装置的壳体，其中至少多层结构层压体也承担结构任务。
根据一种改进，至少一个盖板可以设计为具有多个散热片的热交换器。在该实施方式中，特别地由金属材料形成相应的一个或多个盖板是合适的。为了向外部散发电池产生的热量，散热片特别有利。
根据一种改进，盖板可以封闭多个多层结构层压体，电池位于多个多层结构层压体之间。通常，其间保持有电池的一组两个多层结构层压体在每种情况下都可以被理解为电池模块。例如，多个这样的电池模块可以彼此组合，以形成具有大量单个电池的电池组。这里可以通过盖板封闭多个电池模块。
根据一种改进，电池装置可以形成航空器或航天器的结构部件的一部分。
如果合适，上述改良和改进可以根据需要彼此组合。本发明的其他可能的改良、改进和实施方式还包括在上文或下文针对示例性实施方式描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。
附图说明
下面将基于示意图中表示的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施方式的电池装置的各个部分的示意性剖视图；
图2示出了处于安装状态的图1的电池装置的示意性剖视图；
图3示出了具有图2的电池装置的结构部件的示意性立体图；
图4示出了具有图3的结构部件的机翼结构的示意性立体图；
图5示出了具有图4的机翼结构的飞行器的示意性前视图；以及
图6示出了图5的飞行器的示意性侧视图。
附图旨在提供对本发明的实施方式的进一步理解。它们示出了实施方式，并结合说明书用于说明本发明的原理和概念。关于附图，浮现出其他实施方式和提及的许多优点。附图中的元件不一定相对于彼此按比例示出。
在附图中，除非另有说明，否则相同的、功能相同的和作用相同的元件、特征和部件均具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一个实施方式的电池装置10的各个部分的示意性剖视图，而图2描绘了处于安装状态的图1的电池装置。
电池装置10用于将电池1在结构上集成在运输工具、特别是图5和图6中示意性可以看出的飞行器100(例如，客机)中。电池装置10包括多个电池1(例如，各个锂离子电池单元)，电池1在两侧通过电池座3保持在两个支撑性的多层结构层压体2之间。多层结构层压体2包括由冷却板层4构成的芯，该冷却板层4被集电层5和信号传导层9围着，该集电层5和信号传导层9通过电绝缘层11各自相互分开并与冷却板层4分开。冷却板层4具有多个流体管道7，其设计用于流体(即，气体和/或液体)的通过。这里，电池1分别在两侧电连接至集电层5和信号传导层9。这里，电池1通过导电弹簧12接触，导电弹簧12分别在每个电池1的两侧设置在电池座3的电池插座6内。另外，电池1本身通过粘合剂19紧固至电池座3。例如，电池1可以是已知类型的锂离子二次电池，其是圆形电池的形式并且例如常用于电动汽车领域。
此外，电池装置10包括两个盖板8(图1中不可见)，盖板8封闭多层结构层压体2，电池1位于两个盖板8之间。盖板8在此通过连接元件14(例如螺钉、铆钉、螺栓等)固定地连接至多层结构层压体2。原则上，盖板8可以封闭多个多层结构层压体2，其中电池1位于盖板8之间。在这种情况下，图2中的电池装置10可以被理解为电池模块，所需的多个电池模块可以彼此相邻、彼此上下和/或彼此前后地设置。
图3示出了具有一个或多个图2的电池装置10的结构部件15的示意性立体图。例如，如图4所示，这样的结构部件15可以形成机翼结构16的一部分。替代地或补充地，它同样可以形成机身结构17的一部分(参见图5和图6)。在图3中，通过箭头标识有效的载荷，并且其结果旨在阐明电池装置10本身具有支撑性的结构功能。多层结构层压体2在此不仅用于将电池1保持和固定在飞行器100中。多层结构层压体2还对飞行器100的结构有贡献，其中电池1也是主要结构的一部分。载荷路径在此从单个电池1或电池单元经由电池座3延伸至多层结构层压体2并且从该多层结构层压体2经由盖板8延伸至飞行器100的机翼结构16或机身结构17中。在这种情况下，电池装置10尤其可以在一定程度上替换和/或补充现有结构，因为可以通过电池装置10传导载荷。由此可以节省另外的结构增强部件并因此减轻重量，最终节省燃料和成本。在该实施方式中，本身作为多层结构层压体2的结构芯的冷却板层4有利地由钛或钛合金(即，具有高强度和相对较低密度的高抗性材料)通过增材方法一体地制造。3D打印方法在此可以完全在一个工艺步骤中制造包括流体管道7的冷却板层4，这通过传统方法只有以相当大的费用才能实现。此外，冷却板层4可以连接至单独的外部热交换器(没有示出)，以便消除产生的热量或功率损失。
因此，由此将电池装置10在结构上集成在飞机100中，其中多层结构层压体2不仅执行结构功能，而且还可用于各种目的，包括将电池电连接在一起并且控制或调节电池以及控制电池的温度。此外，例如，多层结构层压体2与盖板8配合可用作电池装置10的防火层或保护性封装结构。
在前面的详细描述中，为了改善图示的严谨性的各种特征已经在一个或多个例子中进行了组合。然而，应该清楚的是，以上描述仅仅是说明性的，而绝不是限制性的。它用于覆盖各种特征和示例性实施方式的所有替代方式、修改和等同物。鉴于以上描述，基于本领域技术人员的技术知识，本领域技术人员将立即且直接地清楚许多其他例子。
已经选择和描述了示例性实施方式，以便尽可能充分地给出本发明的基本原理及其在实践中的应用可能性。结果，本领域技术人员可以针对预期的使用目的最佳地修改和使用本发明及其各种示例性实施方式。在权利要求和说明书中，术语“包含”和“具有”用作对应术语“包括”的中性语言概念。此外，术语“一个”、“一种”和“一”的使用原则上不应排除以这种方式描述的多个特征和部件。
附图标记列表
1 电池
2 结构层压体
3 电池座
4 冷却板层
5 集电层
6 电池插座
7 流体管道
8 盖板
9 信号传导层
10 电池装置
11 电绝缘层
12 导电弹簧
13 (贯通)孔
14 连接元件
15 结构部件
16 机翼结构
17 机身结构
18 电池触点
19 粘合剂
100 飞行器

Claims (13)

1.一种用于电池(1)在运输工具中的结构集成的电池装置(10)，所述运输工具特别是航空器或航天器(100)，所述电池装置(10)具有：
至少一个电池(1)；
两个支撑性的多层结构层压体(2)，所述至少一个电池(1)在两侧通过电池座(3)保持在两个多层结构层压体(2)之间，其中每个多层结构层压体具有冷却板层(4)和集电层(5)，其中所述至少一个电池(1)电连接至所述集电层(5)。
2.根据权利要求1所述的电池装置(10)，其中，所述多层结构层压体(2)还各自包括与所述至少一个电池(1)电连接的信号传导层(9)。
3.根据权利要求1或2所述的电池装置(10)，其中，所述多层结构层压体(2)还各自包括至少一个电绝缘层(11)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池装置(10)，其中，在每种情况下，所述冷却板层(4)形成所述多层结构层压体(2)的芯。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池装置(10)，其中，所述多层结构层压体(2)中的至少一个包括设置在所述冷却板层(4)周围两侧的多个集电层(5)、信号传导层(9)和/或电绝缘层(11)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池装置(10)，其中，所述至少一个电池(1)至少在一侧通过导电弹簧(12)连接至所述集电层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池装置(10)，其中，所述电池座(3)设计有用于在一侧接收所述至少一个电池(1)的电池插座(6)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池装置(10)，其中，所述至少一个电池(1)通过整体结合的连接件紧固至所述电池座(3)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池装置(10)，其中，所述冷却板层(4)与多个流体管道(7)由金属材料一体地制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池装置(10)，其还包括：
至少两个盖板(8)，所述至少两个盖板封闭所述多层结构层压体(2)，所述至少一个电池(1)位于盖板(8)之间。
11.根据权利要求10所述的电池装置(10)，其中，所述盖板(8)封闭多个多层结构层压体(2)，电池(1)位于盖板(8)之间。
12.一种航空器或航天器(100)，其具有根据权利要求1至11中任一项所述的电池装置(10)。
13.根据权利要求12所述的航空器或航天器(100)，其中，所述电池装置(10)形成所述航空器或航天器(100)的结构部件(15)的一部分。
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