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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriegehäuse zur strukturellen Integration von einer Batterie in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, eine Batterieanordnung mit einem derartigen Batteriegehäuse und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Batteriegehäuses.
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Obwohl in vielfältigen Anwendungen einsetzbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Passagierflugzeuge näher erläutert. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können jedoch ebenso in unterschiedlichen Fahrzeugen und in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge, für Luftfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge eingesetzt werden.
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Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind als wiederaufladbare Energiespeicher in den unterschiedlichsten Bereichen der Technik anzutreffen. Insbesondere dienen sie bei der Elektromobilität als Energiespeicher für Elektroautos und Hybridfahrzeuge. Viele Hersteller implementieren hierzu eine Vielzahl von Batterien in Form so genannter Batterie-Packs im Bereich des Bodens einer Fahrzeugkarosserie, siehe beispielsweise die Druckschriften
DE 10 2011 005 403 A1 und
EP 2 008 354 A2 . Hierbei kann es durchaus notwendig sein, mehrere Tausend Einzelzellen miteinander zu verbinden, z.B. Lithium-Ionen-Rundzellen mit einem Zylinderdurchmesser von etwa 20 mm und einer Länge von etwa 100 mm. Die hierbei verfolgten generischen Integrationskonzepte sind mitunter jedoch nicht geeignet, um die technischen Anforderungen und Randbedingungen für Luftfahrzeuge in struktureller Hinsicht zu erfüllen.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 024 408 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verstärkung von Schaumwerkstoffen bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, welches auch als „Tied-Foam-Core“-Technik bezeichnet wird. Bei dem Verfahren wird ein Schaumwerkstoff mit Faserbündeln versehen, die mit einer Nadel in den Schaumwerkstoff eingebracht werden. Dabei wird mit der Nadel zunächst von einer Seite aus ein Durchgangsloch in den Schaumwerkstoff gestochen, um dann ein auf der anderen Seite befindliches Faserbündel mit der Nadel aufzugreifen und in den Schaumwerkstoff einziehen zu können. Anschließend wird das Durchgangsloch mit dem darin befindlichen Faserbündel mit einem Matrixmaterial, z.B. einem Kunstharz, infiltriert und ausgehärtet, sodass der Schaumwerkstoff im Ergebnis mit rigiden Pins durchsetzt und verstärkt wird. Für eine Sandwichstruktur kann dieser Infiltrationsschritt bei bereits applizierten Decklagen durchgeführt werden, wobei die Decklagen und das verstärkte Kernmaterial gemeinsam ausgehärtet werden können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für eine kostengünstige und gleichzeitig sichere Integration einer großen Anzahl von Batterien in ein Fahrzeug zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17.
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Demgemäß ist ein Batteriegehäuse zur strukturellen Integration von Batterien in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, vorgesehen. Das Batteriegehäuse umfasst ein inneres Gehäuse zur Aufnahme einer Batterie und ein äußeres Gehäuse, welches das innere Gehäuse derart umgibt, dass ein Hohlraum zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren Gehäuse gebildet wird, wobei eine Vielzahl von Pins in dem Hohlraum ausgebildet sind, die das innere Gehäuse mit dem äußeren Gehäuse verbinden.
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Weiterhin ist eine Batterieanordnung mit zumindest einem erfindungsgemäßen Batteriegehäuse vorgesehen. Die Batterieanordnung umfasst weiterhin zumindest eine Batterie, welche in dem inneren Gehäuse des zumindest einen Batteriegehäuses angeordnet ist.
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Weiterhin ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung vorgesehen.
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Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung zumindest eines Batteriegehäuses zur strukturellen Integration von Batterien in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, vorgesehen. Das Verfahren umfasst Bilden von, insbesondere zwei, Gehäusehalbschalen aus einem Schaumwerkstoff, wobei jede Gehäusehalbschale auf zumindest einer inneren Seite mit zumindest einer Aufnahmevertiefung geformt wird, Bedecken der inneren Seite und einer der inneren Seite gegenüberliegenden äußeren Seite mit jeweils einer Decklage, Verbinden der Decklage der äußeren Seite mit der Decklage der inneren Seite zumindest im Bereich der zumindest einen Aufnahmevertiefung über Pins und/oder Faserbündel, Zusammenfügen der Gehäusehalbschalen an den mit einer Decklage versehenen inneren Seiten zu einer Gehäuseschale, wobei die Aufnahmevertiefungen der Gehäusehalbschalen jeweils paarweise ein inneres Gehäuse zur Aufnahme einer Batterie und die äußeren Seiten der Gehäuseschalen jeweils ein das innere Gehäuse umgebendes äußeres Gehäuse bilden, Infiltrieren der Gehäuseschale mit einem Matrixmaterial und Aushärten der Gehäuseschale zu zumindest einem Batteriegehäuse.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, jeweils eine Batterie in ein eigenes Gehäuse einzukapseln, wobei ein inneres Gehäuse von einem Hohlraum umgeben ist, der für unterschiedliche Zwecke genutzt werden kann und der zudem von strukturverstärkenden Pins durchsetzt ist, die das innere Gehäuse strukturell in einem äußeren Gehäuse verankern. Die Pins können hierbei in unterschiedlichen Ausführungen vorteilhaft ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet werden, je nachdem welche Anforderungen der konkrete Anwendungsfall dem Fachmann stellt. Der Hohlraum kann beispielsweise genutzt werden, um die Betriebstemperatur der eingeschlossenen Batterie zu regeln, beispielsweise indem ein Luftstrom oder allgemein ein Fluidstrom durch den Hohlraum geleitet wird. Abweichend von Fluiden zur Temperaturregulierung kann im Schadensfall auch ein geeignetes Löschmittel oder brandhemmendes Fluid eingeleitet werden. Darüber hinaus kann ein derartiger Hohlraum als Ablasskanal dienen, um eventuell in einem Schadensfall auftretende Gase oder Flüssigkeiten abzuleiten. Das innere Gehäuse kann vorteilhafterweise derart ausgebildet werden, dass eine thermische Ausdehnung der Batterie ermöglicht wird, um beliebigen Betriebsbedingungen gerecht zu werden. Hierbei können die Pins derart flexibel das innere Gehäuse mit dem äußeren Gehäuse verbinden, dass das innere Gehäuse in einem gewissen Rahmen innerhalb des äußeren Gehäuses beweglich ist.
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Eine derartige Kapselung einer Batterie bietet insbesondere im Luft- und Raumfahrtbereich Vorteile, wo aufgrund der hohen Leistungsanforderungen je nach Fahrzeug Zehntausende oder mehr Einzelbatterien bzw. Einzelzellen zu verbauen sind, um beispielsweise einen elektrischen Antrieb mit Energie zu versorgen. Hierbei kann es notwendig sein, die Batterien zu erwärmen bzw. abzukühlen, um einen möglichst effizienten Arbeitspunkt einzustellen. Darüber hinaus kann sich der optimale Arbeitspunkt während des Einsatzes des Fahrzeugs stark verändern (z.B. während Start, Landung, Roll- und/oder Flugbetrieb etc.), wobei allgemeine Betriebstemperaturen des Fahrzeugs durchaus zwischen -55° Grad und 75° Grad oder mehr schwanken können, zumindest heutige Batterien jedoch etwa bei Raumtemperatur optimal zu betreiben sind. Hinzu tritt, dass jede Batterie während des Betriebs Wärmeenergie in der Größenordnung von mehreren Watt erzeugt, welche ebenfalls abzuführen ist. In der Folge kann es je nach Anwendung gefordert sein, dass jede Einzelbatterie individuell angeschlossen und gesteuert bzw. geregelt wird, und bei Bedarf ersetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglich nun genau dies, wobei insbesondere in einem Schadenfall aufgrund der physischen Trennung sichergestellt werden kann, dass benachbarte Batterien nicht betroffen sind, z.B. von den ggf. unter hohem Druck und unter hoher Temperatur auftretenden Gasen. Die Dimensionierung des Hohlraums, respektive die äußeren Maße des Batteriegehäuses, kann entsprechend vorteilhaft gewählt werden, um beispielsweise einen gewünschten Volumenfluss eines Fluids durch den Hohlraum zu ermöglichen.
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Eine Batterie im Sinne der Erfindung ist ein allgemeines wiederaufladbares elektrisches Speicherelement. Hierbei kann es sich um eine Sekundärzelle handeln, d.h. ein einzelnes Speicherelement im Sinne eines Sekundärelements, einer Akkumulatorzelle, einer Akkuzelle oder dergleichen. Prinzipiell umfassen Batterien gemäß der Erfindung jedoch auch zusammengeschaltete Sekundärzellen und/oder zusammengeschaltete Speicherelemente, d.h. eine Batterie aus Sekundärzellen. Batterien im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die vorliegende Erfindung befasst sich vornehmlich mit der strukturellen Lagerung bzw. Halterung von Batterien. Die konkrete elektrische Verschaltung und Verbindung der Batterien kann in einer beliebigen dem Fachmann geläufigen Weise durchgeführt werden.
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Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Idee beruht auf der Verwendung von Verfahrensschritten, die sich besonders für die kosteneffiziente Massenproduktion von Faserverbundbauteilen eignen, wobei letztere wiederum speziell im Luftfahrtsektor besondere Vorteile aufweisen. Hierbei wird das Batteriegehäuse bei der Herstellung im Innern durch einen Schaumwerkstoff definiert, welcher unter anderem als Formgebungswerkzeug während der Herstellung dient. Vermittels des Schaumwerkstoffs als Trägermaterial können Pins und/oder Faserbündel (welche später durch Harzinfiltration zu Pins ausgehärtet werden) über die vorteilhafte „Tied-Foam-Core“-Technik in einem automatisierten Verfahren zur Verstärkung des Gehäuses und zur Verbindung des inneren Gehäuses und des äußeren Gehäuses eingebracht werden. Diese Technik ist besonders zeit- und kosteneffizient und daher speziell für die Massenfertigung von identischen Modulen geeignet. Einzelne Batteriegehäuse lassen sich nun ohne weiteres in vielfältigen Anordnungen und Ausrichtungen zu Reihen, Paneelen und/oder Packungen aus Batteriegehäusen verbinden, wobei viele Tausend Einzelbatterien kombinierbar sind. Vorteilhafterweise kann eine solche Anordnung auch vor der Infiltration mit einem Harzsystem, oder vor dem Aushärten erfolgen, um eine insgesamt integrale Struktur zu erreichen. Die bei der Herstellung verwendeten Gehäusehalbschalen können zudem für unterschiedliche Zwecke genutzt werden. Beispielsweise können Hohlräume definiert werden, um Kühl- und/oder Heizfluide oder dergleichen durch das Gehäuse zu leiten. Der Hohlraum zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren Gehäuse kann als Sicherheitsbarriere für Notfälle oder Fehlfunktionen ausgestaltet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Weiterbildung kann eine Trennschicht vorgesehen sein. Die Trennschicht kann in dem Hohlraum ausgebildet sein. Die Trennschicht kann das innere Gehäuse derart mit dem äußeren Gehäuse verbinden, dass der Hohlraum durch die Trennschicht in zwei getrennte Bereiche unterteilt wird. Die Trennschicht kann für unterschiedliche Zwecke und Anwendungen genutzt werden.
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Beispielsweise kann die Trennschicht den Hohlraum in zwei fluiddicht getrennte Bereiche unterteilen. Die beiden getrennten Bereiche können zum Durchleiten von Fluiden in unterschiedliche Richtungen genutzt werden, z.B. von Kühlfluiden, Heizfluiden, Löschfluiden usw. In einem Beispiel kann ein Bereich als Ablasskanal für Giftstoffe verwendet werden, welche in einem Schadenfall aus der Batterie austreten können. Der andere Bereich kann hingegen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit verwendet werden.
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Beispielsweise kann die Trennschicht als Versteifungsschicht des Batteriegehäuses ausgebildet sein. In dieser vorteilhaften Ausführung kann die Trennschicht somit dazu verwendet werden, um das Batteriegehäuse robust gegenüber starken Beschleunigungen auszubilden. Beispielsweise können mehrere Batteriegehäuse in unterschiedlicher Orientierung miteinander verbunden werden, wobei die Trennschichten als Versteifungsbereiche dienen. In einem Beispiel kann ein Paneel aus Batteriegehäusen vorgesehen sein, wobei die Trennschicht in eine Normalenrichtung orientiert ist. In diesem Sinne kann die Trennschicht zur Verbesserung der Biege, Schub- und/oder Schersteifigkeit des Gesamtverbunds ausgebildet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin Entfernen des Schaumwerkstoffs aus dem Batteriegehäuse zur Bildung eines Hohlraums zwischen dem inneren Gehäuse und dem äußeren Gehäuse umfassen. Hierzu kann beispielsweise eine mechanische und/oder chemische Behandlung des Schaumwerkstoffs vorgesehen sein, z.B. ein Sandstrahlverfahren und/oder ein flüssiges Lösungsmittel.
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Gemäß einer Weiterbildung kann der Hohlraum zumindest teilweise mit einem Schaumwerkstoff gefüllt sein. Der Schaumwerkstoff kann somit zumindest teilweise in dem Hohlraum belassen werden bzw. es kann nachträglich ein Schaumwerkstoff eingebracht werden. Der Schaumwerkstoff kann beispielsweise zur thermischen Isolierung oder zur Verbesserung der Feuerfestigkeit des Batteriegehäuses genutzt werden. Beispielsweise kann der Schaumwerkstoff in einem der durch eine Trennschicht definierten getrennten Bereiche vorgesehen sein, während der andere Bereich zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit oder von Ausgasungen bestimmt sein kann.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das innere Gehäuse und das äußere Gehäuse aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, geformt sein. Die Pins können aus harzinfiltrierten Faserbündeln gebildet sein. Beispielsweise können Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern oder dergleichen zum Einsatz kommen. Als Kunststoff- bzw. Matrixmaterial kann beispielsweise ein Kunstharz oder ein anderer dem Fachmann bekannter Kunststoff verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das innere Gehäuse zur passgenauen Aufnahme der Batterie ausgebildet sein. In diesem Sinne wird jegliche Bewegung der Batterie innerhalb des Batteriegehäuses unterbunden. Dies ist speziell im Falle von Luftfahrzeugen relevant, da hier Schwingungen über ein breites Spektrum von Frequenzen und Amplituden auftreten können und die Batterien ferner im Falle von Stößen oder Einschlägen möglichst gut geschützt werden sollten. Alternativ kann jedoch auch ein gewisser Freiraum zwischen der Batterie und dem inneren Gehäuse belassen werden. In diesem Fall kann die Bewegung der Batterie über zusätzliche Vorkehrungen eingeschränkt werden. Beispielsweise kann die Art dieser Vorkehrung auch einen späteren Austausch einzelner Batteriezellen erleichtern.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das innere Gehäuse zylinderförmig zur Aufnahme einer zylinderförmigen Batterie ausgebildet sein. Derart kann das erfindungsgemäße Batteriegehäuse beispielsweise zur Aufnahme von bekannten und eventuell standardisierten Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Batterieanordnung kann die zumindest eine Batterie in dem inneren Gehäuse befestigt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Batterieanordnung kann die zumindest eine Batterie stoffschlüssig mit dem inneren Gehäuse verbunden sein. Beispielsweise kann die Batterie mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff in dem inneren Gehäuse angebracht sein. Beispielsweise kann ein Klebstoff gewählt werden, welcher über Strahlungseinwirkung oder dergleichen auflösbar ist, sodass die Batterie im Schadensfall austauschbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann die zumindest eine Batterie mechanisch lösbar an dem inneren Gehäuse befestigt sein, z.B. mit einer mechanischen Halterung und/oder über einen Steck-, Klick- und/oder Schnappmechanismus.
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Gemäß einer Weiterbildung der Batterieanordnung kann das innere Gehäuse zusammen mit der Batterie einen Zwischenraum definieren, welcher mit einer niedrigviskosen Flüssigkeit aufgefüllt sein kann. Durch die niedrigviskose Flüssigkeit wird nicht nur die Bewegung der Batterie innerhalb des inneren Gehäuses eingeschränkt oder praktisch vollständig unterbunden. Darüber hinaus kann die niedrigviskose Flüssigkeit zur thermischen Leitung verwendet werden, d.h. um die Batterie effektiver zu kühlen und/oder aufzuheizen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Batterieanordnung kann eine Vielzahl von Batteriegehäusen und eine Vielzahl von Batterien vorgesehen sein. Einerseits ist es möglich einzelne Batteriegehäuse nach deren Einzelherstellung miteinander zu verbinden, z.B. mittels Kleben oder anderen Fügeverfahren. Andererseits kann eine Batterieanordnung mit mehreren Batteriegehäusen bereits direkt als (integrales) Mehrfachmodul gefertigt werden.
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Die Hohlräume der einzelnen Batteriegehäuse der Batterieanordnung können in dieser Weiterbildung fluiddicht voneinander abgetrennt sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Batterien in den einzelnen Batteriegehäusen voneinander entkoppelt betrieben werden können. Beispielsweise kann der Hohlraum jeweils zum Ab- und/oder Zuleiten von Fluiden verwendet werden, ohne dass es zu einer Beeinflussung der benachbarten Batterien kommt.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Batterieanordnung als Sandwichpaneel, Verkleidungspaneel und/oder Fußbodenpaneel und/oder dergleichen ausgebildet sein. In diesem Sinne kann die erfindungsgemäße Batterieanordnung insbesondere als multifunktionales Sandwich-Paneel mit strukturell integrierten Batterien ausgebildet sein, welches beispielweise als Bodenpaneel verwendet werden kann und darüber hinaus mit Wärmedämmungs- und/oder Klimatisierungseigenschaften versehen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens können die Gehäusehalbschalen mit einer Mehrzahl von Aufnahmevertiefungen gebildet werden, sodass eine Mehrzahl von Batteriegehäusen gleichzeitig hergestellt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann ein Formerhaltungswerkzeug vorübergehend in die Aufnahmevertiefungen der beiden Gehäusehalbschalen eingebracht wird, um eine gewünschte Form des inneren Gehäuses während des Aushärtens zu fixieren. Beispielsweise kann die Aufnahmevertiefungen zumindest zeitweise mit einem Metallzylinder gefüllt werden, welcher bei den folgenden Verfahrensschritten die gewünschte Form für das innere Gehäuse sicherstellt.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung mit einem Batteriegehäuse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriegehäusen aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung mit mehreren Batteriegehäusen aus 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
- 4a-d schematische perspektivische Schnittansichten eines Batteriegehäuses zu verschiedenen Zeitpunkten während der Herstellung mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens aus 4a-d; und
- 6 schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs mit der Batterieanordnung aus 1-3.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung 10 mit einem Batteriegehäuse 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Das Batteriegehäuse 1 dient der strukturellen Integration einer Batterie 2 in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftahrzeug 100 (z.B. ein Passagierflugzeug), wie es in 6 schematisch zu sehen ist. Das Batteriegehäuse 1 umfasst ein inneres Gehäuse 3, in dem eine Batterie 2 angeordnet ist, sowie ein äußeres Gehäuse 4. Zwischen dem inneren Gehäuse 3 und dem äußeren Gehäuse 4 ist ein Hohlraum 5 ausgebildet, der mit Pins 6 durchsetzt ist, welche das innere Gehäuse 3 mit dem äußeren Gehäuse 4 verbinden. Ferner ist eine Trennschicht 7 in dem Hohlraum 5 des Batteriegehäuses 1 ausgebildet, welche ebenfalls das innere Gehäuse 3 mit dem äußeren Gehäuse 4 verbindet. In dem konkreten gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum 5 durch die Trennschicht 7 in zwei getrennte Bereiche unterteilt.
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Die gezeigte Anordnung der Pins 5 ist hier rein beispielhaft zu verstehen. Prinzipiell können diese in unterschiedlichen Ausführungen ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet sein. Vorliegend verbinden die Pins 5 das innere Gehäuse 3 lediglich mit einer oberen und einer unteren Seite des äußeren Gehäuses 4, d.h. gegenüberliegende Seiten. Ebenso können die Pins beispielsweise alle Seiten des äußeren Gehäuses 4 mit dem inneren Gehäuse 3 verbinden. Das Batteriegehäuse 1 ist derart ausgebildet, dass eine thermische Ausdehnung der Batterie 2 ermöglicht wird, um unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Passagierflugzeugs 100 gerecht zu werden. Hierzu sind die Pins 6 entsprechend flexibel ausgebildet, sodass das innere Gehäuse 3 innerhalb des äußeren Gehäuses 4 (leicht) beweglich ist. Prinzipiell kann das innere Gehäuse 3 alternativ oder zusätzlich aus einem geeigneten Material bestehen, welches eine entsprechende Ausdehnung des inneren Gehäuses 3 unter Wärmeeinfluss ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich können die Pins 6 beispielsweise aus einem geeigneten Material mit einem entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet sein, sodass diese bei einer Temperaturänderung deformierbar sind. Das innere Gehäuse 3 und das äußere Gehäuse 4 bestehen aus einem faserverstärkten Kunststoff. Die Pins 6 sind aus harzinfiltrierten Faserbündeln gebildet.
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Das innere Gehäuse 3 ist zylinderförmig zur Aufnahme einer zylinderförmigen Batterie 2 ausgebildet. Bei der Batterie 2 kann es sich beispielsweise um einen bekannten Typ einer Lithiumionen-Sekundärbatterie handeln, welche als Rundzelle ausgebildet ist und beispielsweise in dem Bereich der Elektroautomobile vielfach verwendet wird. Die Batterie 2 kann prinzipiell in dem inneren Gehäuse 3 des Batteriegehäuses 1 befestigt sein, z.B. über einen thermisch leitfähigen Klebstoff oder über eine mechanische Halterung. Das innere Gehäuse 3 kann zur passgenauen Aufnahme der Batterie 2 ausgebildet sein. Alternativ kann wie in 1 gezeigt auch ein Zwischenraum zwischen der Batterie 2 und dem inneren Gehäuse 3 bestehen bleiben. Dieser kann beispielsweise mit einer niedrigviskosen und thermisch ausreichend leitfähigen Flüssigkeit aufgefüllt werden, um eine geeignete Isolierung gegenüber mechanisch angeregten Schwingungen, Stößen und/oder Einschlägen zu erreichen.
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Für die Einbindung elektrischer Antriebe in ein typisches Passagierflugzeug 100, wie es in 6 gezeigt wird, werden viele Tausend einzelner Batterien bzw. Batteriezellen oder Akkuzellen benötigt. Die strukturellen Einbaumittel für die Halterung der Batterien müssen die entsprechenden Sicherheitsbestimmungen erfüllen. Außerdem sollte der Einbau einer sehr großen Zahl von Einzelbatterien kostengünstig und schnell möglich sein. Die gezeigte Ausführung eines Batteriegehäuses erfüllt nun beide dieser Voraussetzungen. Das Herstellungsverfahren eines solchen oder ähnlichen Gehäuses wird mit Bezug auf 4a-d weiter unten näher erläutert. Im Folgenden werden kurz die strukturellen Eigenschaften eines derartigen Batteriegehäuses 1 dargelegt.
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Aufgrund des Doppelgehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung wird jede Batterie 2 von den benachbarten Batterien isoliert. Einerseits wird über die Pins 6 eine strukturell stabile Einbindung der Batterie in das äußere Gehäuse 4 bzw. die Batterieanordnung 10 erreicht. Andererseits erlauben die Pins 6 im Zusammenspiel mit dem inneren Gehäuse 3 und einer entsprechenden Befestigung der Batterie 2 an dem inneren Gehäuse 3 eine gewisse Flexibilität gegenüber temperaturbedingten Änderungen in der Ausdehnung der Materialien. Unter typischen Einsatzbedingungen von Passagierflugzeugen 100 kann die Betriebstemperatur zwischen -55° Grad und 75° Grad oder mehr schwanken. Um einen optimalen Betrieb der Batterien 2 zu gewährleisten, können diese entsprechend abgekühlt und/oder erwärmt werden. Hierzu kann in der vorliegenden Ausführung aufgrund der Einkapselung jede einzelne Batterie auch individuell angeschlossen und gesteuert bzw. geregelt werden. Benachbarte Batterien werden bei einem Versagen oder einem Schaden einer Batterie 2 nicht direkt beeinflusst. Die Dimensionierung des Hohlraums 5 kann entsprechend vorteilhaft gewählt werden, um beispielsweise einen gewünschten Volumenfluss eines Fluids, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, durch den Hohlraum 5 zu ermöglichen. Der Hohlraum 5 kann beispielsweise genutzt werden, um die Betriebstemperatur der eingeschlossenen Batterie 2 zu regeln, beispielsweise indem ein Fluidstrom durch den Hohlraum 5 geleitet wird. Darüber hinaus kann der Hohlraum 5 als Ablasskanal dienen, um eventuell in einem Schadensfall auftretende Gase oder Flüssigkeiten abzuleiten. Darüber hinaus kann auch die Trennschicht 7 vorteilhaft ausgebildet werden. So kann die Trennschicht 7 den Hohlraum 5 in zwei fluiddicht getrennte Bereiche unterteilen. Alternativ oder zusätzlich kann die Trennschicht 7 als Versteifungsschicht des Batteriegehäuses 1 fungieren. Dies soll mit Bezug auf 2 und 3 verdeutlicht werden.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung 10 mit mehreren Batteriegehäusen 1, welche jeweils dem Batteriegehäuse 1 aus 1 entsprechen. 3 zeigt ebenfalls eine schematische perspektivische Schnittansicht einer Batterieanordnung 10 mit mehreren Batteriegehäusen 1, wobei die einzelnen Batteriegehäuse 1 anders als in 2 orientiert sind. Die Batteriegehäuse 1 können gemeinsam oder separat hergestellt sein, wobei diese in letzterem Fall beispielsweise nachträglich aneinandergefügt worden sein können.
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In der Ausführungsform nach 2 ist die Trennschicht 7 jeweils horizontal angeordnet und trennt die Hohlräume 5 der Batteriegehäuse 1 jeweils in einen oberen und einen unteren Bereich. Die Hohlräume 5 der einzelnen Batteriegehäuse 1 können hierbei fluiddicht voneinander abgetrennt sein. Ferner können auch die oberen und unteren Bereiche jeweils fluiddicht voneinander getrennt sein. Beispielsweise kann jeder Hohlraum 5 in zwei getrennte Fluidkanäle unterteilt sein, welche in entgegengesetzter Richtung von einem Fluid durchflossen werden, z.B. einer Kühl- oder Heizflüssigkeit. Hierdurch ist somit jedes Batteriegehäuse 1 separat von den anderen regelbar. Die Batterieanordnung 10 kann beispielsweise als Sandwichpaneel, z.B. als Fußbodenpaneel dergleichen, mit strukturell integrierten Batterien 2 ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann der Hohlraum 5 je nach Anwendung zumindest teilweise mit einem Schaumwerkstoff gefüllt sein, um beispielsweise gewünschte Dämmungseigenschaften oder dergleichen für das Sandwichpaneel zu erreichen. Die Batterieanordnung 10 kann somit eine lasttragende Struktur des Luftfahrzeugs 100 bilden bzw. einen Teil einer lastragenden Struktur darstellen.
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In der Ausführungsform nach 3 ist die Trennschicht 7 hingegen senkrecht zur Horizontalen ausgerichtet. In dieser Ausführungsform dient die Trennschicht 7 als Versteifungsschicht des Batteriegehäuses 1 bzw. der Batterieanordnung 10. Prinzipiell ist es somit möglich komplexe Anordnungen einer Vielzahl einzelner Batteriegehäuse 1 zu bilden, z.B. können Reihen von Batteriegehäusen 1 entsprechend zu 2 und 3 übereinander, hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es beispielsweise mögliche eine Vielzahl von Batteriegehäusen 1 in einer Ebene anzuordnen, wobei die Batterien 2 jeweils entlang einer Normalenrichtung der Ebene ausgerichtet sind (d.h. in diesem Fall würde die Bildebene von 2 oder 3 die Ebene der Batterieanordnung 10 darstellen, wobei die Batterien 2 aus der Ebene herausragen, d.h. senkrecht zu der Bildeben von 2 oder 3 ausgerichtet sein).
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4a-d zeigt schematische perspektivische Schnittansichten eines Batteriegehäuses 1 zu verschiedenen Zeitpunkten während der Herstellung mit einem Verfahren M gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens M aus 4a-d. Ein derartiges Verfahren M kann beispielsweise dazu genutzt werden die Batteriegehäuse 1 der 1-3 herzustellen.
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Das Verfahren M umfasst unter M1 Bilden zweier Gehäusehalbschalen 11 aus einem Schaumwerkstoff 12. Hierbei wird jede Gehäusehalbschale 11 auf einer inneren Seite 14 mit zumindest einer (im gezeigten Beispiel mit zwei) Aufnahmevertiefung 13 geformt. Bei dem Schaumwerkstoff kann es sich um einen beliebigen Schaumstoff handeln, z.B. ein PMI-Hartschaumstoff. Es können jedoch auch andere Schaumstoffe verwendet werden, die beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Polyurethanen bestehen. Das Verfahren M umfasst unter M2 ferner Bedecken der inneren Seite 14 und einer der inneren Seite 14 gegenüberliegenden äußeren Seite 15 mit jeweils einer Decklage 16. Jede Decklage 16 kann beispielsweise aus einem Kunststoffverbund bestehen und/oder ein textiles Gewebe oder dergleichen umfassen. Das Verfahren M umfasst unter M3 ferner Verbinden der Decklage 16 der äußeren Seite 15 mit der Decklage 16 der inneren Seite 14 zumindest im Bereich der zumindest einen Aufnahmevertiefung 13 über Pins 6 und/oder Faserbündel 8. Die Pins 6 und/oder Faserbündel 8 können an die Decklagen 16 angelegt und festgeklebt, einlaminiert und/oder angenäht werden usw. Hierbei kann beispielsweise eine „Tied-Foam-Core“-Technik zum Einsatz kommen. Zusätzliche Lagen von Fasermaterial und/oder Faserverbundmaterial können auf die Oberflächen aufgelegt werden, um beispielsweise überstehende Ende der Pins 6 und/oder Faserbündel 8 abzudecken, sodass die Pins 6 und/oder Faserbündel 8 letztendlich einlaminiert werden und eine integrale Verbindung mit den Decklagen 16 bilden.
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Das Verfahren M umfasst unter M4 ferner Zusammenfügen der beiden Gehäusehalbschalen 11 an den mit einer Decklage 16 versehenen inneren Seiten 14 zu einer Gehäuseschale 17. Hierbei bilden die Aufnahmevertiefungen 13 der beiden Gehäusehalbschalen 11 jeweils paarweise ein inneres Gehäuse 3 zur Aufnahme einer Batterie 2 und die äußeren Seiten 15 der Gehäuseschalen 17 jeweils ein das innere Gehäuse 3 umgebendes äußeres Gehäuse 4. Die Decklagen 16 auf den inneren Seiten 14 werden hierbei übereinander gelegt und bilden im Zusammenschluss eine Trennschicht 7. Um eine gewünschte Form des inneren Gehäuses 3 bei den folgenden Verfahrensschritten zu gewährleisten, kann ein Formerhaltungswerkzeug (nicht dargestellt, z.B. ein Metallzylinder) vorübergehend in die Aufnahmevertiefungen 13 der beiden Gehäusehalbschalen 11 eingebracht werden. Anschließend wird unter M5 die Gehäuseschale 17 ggf. einschließlich der Pins 6 und/oder Faserbündel 8 mit einem Matrixmaterial, z.B. einem Kunstharz, infiltriert und unter M6 zu einem Batteriegehäuse 10 ausgehärtet. Abschließend wird der Schaumwerkstoff unter M7 aus dem Batteriegehäuse 1 zur Bildung eines Hohlraums 5 zwischen dem inneren Gehäuse 3 und dem äußeren Gehäuse 4 entfernt und es werden Batterien 2 in den inneren Gehäusen 3 befestigt.
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Rein beispielhaft wird in 4a-d die gleichzeitige Herstellung zweier Batteriegehäuse 1 gezeigt, welche jeweils ein inneres Gehäuse 3, ein äußeres Gehäuse 4 und eine Vielzahl von Pins 6 aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass mit einem entsprechend abgewandelten Verfahren M eine beliebige Anzahl von Batteriegehäusen 1 in identischer oder unterschiedlicher Ausgestaltung angefertigt werden können. Insbesondere können die in 1-3 gezeigten Batteriegehäuse 1 mit einem entsprechenden Verfahren M hergestellt werden. Sinngemäß können die einzelnen Halbschalen 11 in 4a auch beidseitige Aufnahmevertiefungen 13 erhalten, was eine insgesamt engere Verschachtelung einer Vielzahl von Batteriezellen erlaubt.
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In dem beschriebenen Verfahren M dient der Schaumwerkstoff als Formgebungswerkzeug und wird in späteren Schritten wieder entfernt. Prinzipiell sieht die vorliegende Erfindung auch Verfahren vor, bei denen der Schaumstoff zumindest teilweise in dem Hohlraum 5 verbleibt, beispielsweise zum Zweck der Dämmung oder dergleichen. Je nach Anwendung wird es für den Fachmann selbstverständlich sein, dass er in den einzelnen Verfahrensschritten weitere Faser(verbund)lagen vorsehen kann, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Ferner können die derart hergestellten Batteriegehäuse 1 in vielfältiger Weise zu Reihen, Lagen bzw. Paneelen und/oder Packungen aus einer Vielzahl von Batteriegehäusen 1 kombiniert und aneinandergefügt werden. Hierzu können die Bauteil weiterhin auch zurechtgeschnitten werden. Das beschriebene Verfahren M kann industriell in automatisierter Weise zur zeit- und kosteneffizienten Massenfertigung solcher Batteriegehäuse 1 verwendet werden und ist derart insbesondere für den Luft- und Raumfahrtbereich besonders interessant. Allerdings sind die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen jedoch ebenso in unterschiedlichen Fahrzeugen und in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge, für Luftfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge nutzbar.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriegehäuse
- 2
- Batterie
- 3
- inneres Gehäuse
- 4
- äußeres Gehäuse
- 5
- Hohlraum
- 6
- Pin
- 7
- Trennschicht
- 8
- Faserbündel
- 10
- Batterieanordnung
- 11
- Gehäusehalbschale
- 12
- Schaumwerkstoff
- 13
- Aufnahmevertiefung
- 14
- innere Seite
- 15
- äußere Seite
- 16
- Decklage
- 17
- Gehäuseschale
- 100
- Luftfahrzeug
- M
- Verfahren
- M1
- Verfahrensschritt
- M2
- Verfahrensschritt
- M3
- Verfahrensschritt
- M4
- Verfahrensschritt
- M5
- Verfahrensschritt
- M6
- Verfahrensschritt
- M7
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005403 A1 [0003]
- EP 2008354 A2 [0003]
- DE 102005024408 A1 [0004]