DE102018202120A1

DE102018202120A1 - Batterieanordnung zur strukturellen Integration von Batterien in ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102018202120A1
Application number: DE102018202120.1A
Authority: DE
Inventors: Kristian Zimmermann
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2019-08-14
Also published as: EP3525259B1; US20190252655A1; CN110165100A; EP3525259A1; US11302979B2

Abstract

Eine Batterieanordnung (10) zur strukturellen Integration von Batterien (1) in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug (100), umfasst zumindest eine Batterie (1); und zwei tragende mehrschichtige Strukturlaminate (2), zwischen denen die zumindest eine Batterie (1) beidseitig über Batteriehalterungen (3) gehalten wird, wobei jedes mehrschichtige Strukturlaminat eine Kühlplattenschicht (4) und eine Stromabnehmerschicht (5) aufweist, wobei die zumindest eine Batterie (1) elektrisch an die Stromabnehmerschicht (5) gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieanordnung zur strukturellen Integration von Batterien in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug.
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.
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 bzw. Batteriezellen in Form so genannter Batterie-Packs in eine Fahrzeugstruktur, z.B. eine Kraftfahrzeugkarosserie. In einem derartigen Batterie-Pack bzw. Batteriesatz können durchaus mehrere Tausend Einzelzellen miteinander verbunden sein, 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 jedoch nicht immer geeignet, um die technischen Anforderungen und Randbedingungen für Luftfahrzeuge in struktureller Hinsicht zu erfüllen. Zusätzliche Verstärkungsmaßnahmen wie beispielsweise ergänzende versteifende Strukturen würden unmittelbar das Gewicht und letztendlich somit den Treibstoffverbrauch vergrößern.
Um derartige Batterien möglichst effizient zu betreiben, ist es in typischen Anwendung unumgänglich, eine aktive Temperaturregelung der Batterien vorzusehen. Dies ist nicht zuletzt im Luft- und Raumfahrtbereich aufgrund der stark schwankenden Betriebs- bzw. Umgebungstemperaturen relevant. Für eine geeignete Temperierung der Batterien eines Batterie-Packs können beispielsweise Vorrichtungen wie Kühlplatten oder ähnlich zur Anwendung kommen, bei welchen eine Flüssigkeit und/oder ein Gas durch Fluidkanäle gespült wird, siehe beispielsweise die Druckschriften US 8,383,260 B2 und US 2017/0047624 A1 . Derartige Kühlvorrichtungen vergrößern das Gewicht zusätzlich.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für eine effiziente und leichtgewichtige Integration einer großen Anzahl von Batteriezellen in ein Fahrzeug zu finden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Demgemäß ist eine Batterieanordnung zur strukturellen Integration von Batterien in ein Fahrzeug vorgesehen. Die Batterieanordnung umfasst zumindest eine Batterie; und zwei tragende mehrschichtige Strukturlaminate, zwischen denen die zumindest eine Batterie beidseitig über Batteriehalterungen gehalten wird, wobei jedes mehrschichtige Strukturlaminat eine Kühlplattenschicht und eine Stromabnehmerschicht aufweist, wobei die zumindest eine Batterie elektrisch an die Stromabnehmerschicht gekoppelt ist.
Ferner ist ein Luft- und Raumfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung vorgesehen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, Kühlplatten zusammen mit Stromabnehmern und weiteren Komponenten in Form eines geschichteten Laminataufbaus in ein einzelnes Bauteil zu integrieren, sodass alle diese Komponenten gemeinsam sowohl thermische als auch mechanische Funktionen erfüllen. Derart können zusätzliche strukturverstärkende Bauteile eingespart werden, was wiederum die Bauteilanzahl und letztendlich das Gewicht optimiert. Anders betrachtet kann mit diesen Maßnahmen die gewichtsabhängige Energie- bzw. Leistungsdichte einer Batterieanordnung bzw. eines Fahrzeugs verbessert werden. Weiterhin kann die Batterieanordnung existierende Strukturen gewissermaßen ersetzen, da Lasten durch die Batterieanordnung hindurch geleitet werden können. Druck- und Scherkräfte können dabei direkt durch die zumindest eine Batterie bzw. Batteriezelle geleitet werden, d.h. die zumindest eine Batterie kann zumindest einen Teil der Lasten übernehmen. Vielfältige Funktionen können mit einem einzelnen Bauteil umgesetzt werden, d.h. es wird eine multifunktionale Batterieanordnung geschaffen. Die Stromabnehmerschicht kann hierbei ein elektrisch leitfähiges Material umfassen, sodass diese eine üblicherweise verwendete Stromschiene, z.B. eine Kupferschiene, ersetzen kann. Das mehrschichtige Strukturlaminat kombiniert somit Eigenschaften einer Stromschiene, einer Kühlplatte und eines strukturellen Bauteils in einem einzelnen Element.
Ein Laminat bzw. ein Laminataufbau im Sinne der Erfindung bezeichnet einen Werkstoff bzw. ein Bauteil, welches aus zwei oder mehreren flächig miteinander in stoffschlüssiger Weise verbundenen Schichten besteht. Diese Schichten können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Funktionen erfüllen. Die einzelnen Schichten können beispielsweise miteinander verklebt, verpresst, verschweißt und/oder verbacken sein oder dergleichen. Beispielsweise können die einzelnen Schichten über einen Verbindungsstoff bzw. über ein Matrixmaterial miteinander verbunden werden, z.B. mit einem Klebstoff und/oder einem Kunstharz. Ebenso können einzelne oder mehrere Schichten in ein derartiges Material eingebettet sein.
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, einer Batteriezelle oder dergleichen. Prinzipiell umfassen Batterien gemäß der Erfindung jedoch ebenso zusammengeschaltete Sekundärzellen und/oder zusammengeschaltete Speicherelemente, d.h. eine Batterie aus Sekundärzellen. Batterien im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung können die mehrschichtigen Strukturlaminate weiterhin jeweils eine Signalleitungsschicht umfassen, an welche die zumindest eine Batterie elektrisch gekoppelt ist. Die Signalleitungsschicht kann beispielsweise dazu dienen, die zumindest eine Batterie bzw. Batteriezelle zu steuern und/oder regeln. Alternativ oder zusätzlich können Ströme, Spannungen und/oder Temperaturen der zumindest einen Batterie bzw. der Batterieanordnung gemessen werden. Die daraus basierenden Daten können über die Signalleitungsschichten an ein Batteriemanagementsystem (BMS) weiter geleitet werden. Anhand der Daten können Rückschlüsse bzgl. Ladezustand etc. gezogen werden. Beispielsweise kann die zumindest eine Batterie über die Signalleitungsschicht(en) kommunikativ mit einer zentralen Recheneinheit gekoppelt sein, wobei die Recheneinheit dazu ausgebildet sein kann, einen Zustand bzw. Status der zumindest einen Batterie zu überwachen, auszuwerten und gegebenenfalls zu regeln.
Gemäß einer Weiterbildung können die mehrschichtigen Strukturlaminate weiterhin jeweils zumindest eine elektrische Isolierungsschicht umfassen. Beispielsweise kann eine Isolierungsschicht zwischen einer metallischen Stromabnehmerschicht und einer metallischen Kühlplattenschicht angeordnet sein, um Kurzschlüsse zwischen diesen beiden Schichten zu vermeiden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Isolierungsschicht beispielsweise Signalleitungsschicht(en), Stromabnehmerschicht(en) und/oder Kühlplattenschicht(en) elektrisch voneinander isolieren.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Kühlplattenschicht jeweils einen Kern des mehrschichtigen Strukturlaminats bilden. Die Kühlplattenschicht kann somit einen strukturellen Kern des Laminats darstellen, welcher dieses widerstandsfähig gegenüber unterschiedlichen Lasten macht. Beispielsweise kann die Kühlplattenschicht aus einem Metallmaterial mit hoher Beständigkeit und Festigkeit ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann zumindest eines der mehrschichtigen Strukturlaminate mehrere Stromabnehmerschichten, Signalleitungsschichten und/oder elektrische Isolierungsschichten umfassen, welche beidseitig um die Kühlplattenschicht angeordnet sind. Darüber hinaus kann eine Batteriehalterung beidseitig jeweils mit dem Strukturlaminat verbunden sein, z.B. an dieses angeklebt sein oder mit diesem verbacken sein. Derart ist es möglich eine mehr oder weniger große Anzahl von Strukturlaminaten nebeneinander mit jeweils dazwischen befindlichen Batterien miteinander zu kombinieren, um somit eine große Anzahl von Batterien in einem Laminataufbau zu integrieren. Jeweils zwei Strukturlaminate mit den zwischen diesen befestigten Batterien können hierbei gewissermaßen als Batteriemodul oder Batteriesegment angesehen werden, an welches beidseitig jeweils weitere Batteriemodule folgen können, um größere Strukturen aus einer Vielzahl von Einzelmodulen aufzubauen.
Gemäß einer Weiterbildung kann die zumindest eine Batterie zumindest einseitig über eine elektrisch leitende Feder mit der Stromabnehmerschicht gekoppelt sein. Ein Anschweißen der zumindest einen Batterie an die Stromabnehmerschicht ist in dieser Weiterbildung nicht notwendig (wie es üblicherweise für die Verbindung von Batterien mit Stromschienen geschieht). Batterien sind somit einfach montierbar, z.B. durch simples Einstecken und/oder Einschieben einzelner Batterien in die Batteriehalterung. Generell wird die Zugänglichkeit der Batterieanordnung während der Montage deutlich verbessert. Andererseits gleicht eine derartige Feder automatisch Toleranzen aus.
Gemäß einer Weiterbildung können die Batteriehalterungen mit einer Batterieaufnahme zur einseitigen Aufnahme der zumindest einen Batterie ausgebildet sein. Beispielsweise kann die zumindest eine Batterie beidseitig formschlüssig in den Batteriehalterungen gelagert sein. Zur Montage kann die zumindest eine Batterie zunächst einseitig in einer Batteriehalterung eines Strukturlaminats eingebracht und befestigt werden, wobei die zumindest eine Batterie passgenau in er entsprechende Batterieaufnahme gehalten werden kann. In einem zweiten Schritt kann eine Batteriehalterung eines weiteren Strukturlaminats angesetzt und mit dem Aufbau derart zusammengesteckt werden, dass die zumindest eine Batterie mit der anderen Seite in die weitere Batteriehalterung eingebracht wird. Beispielsweise können die Batteriehalterungen aus einem Kunststoff gefertigt sein und stoffschlüssig mit dem mehrschichtigen Strukturlaminat verbunden sein und/oder an diesem befestigt sein. Die Batterieaufnahmen können weiterhin mit einem Durchgansloch bzw. einer Durchgangsöffnung zu der entsprechenden Stromabnehmerschicht hin ausgebildet sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann die zumindest eine Batterie über eine stoffschlüssige Verbindung an der Batteriehalterung befestigt sein. Die zumindest eine Batterie kann z.B. über einen thermisch leitfähigen Klebstoff an der Batteriehalterung befestigt sein. Prinzipiell sind zur Befestigung der zumindest einen Batterie jedoch ebenso mechanische Halterungen und/oder Steck-, Klick- und/oder Schnappmechanismen oder dergleichen möglich.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Kühlplattenschicht integral aus einem Metallmaterial mit einer Vielzahl von Fluidkanälen gefertigt sein. Beispielsweise kann die Kühlplattenschicht aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem metallischen Material und/oder einer Kombination dieser Materialien gefertigt sein. In einem konkreten Beispiel ist die Kühlplattenschicht aus Titan gefertigt. Beispielsweise kann ein additives Verfahren zur Fertigung der Kühlplattenschicht verwendet werden, bei welchem diese vollständig in integraler Weise gefertigt wird, ohne dass besonderer Aufwand, zusätzliche Montageschritte oder gar händische Arbeit notwendig wären. Grundsätzlich können die Kühlplattenschichten aus sämtlichen Materialien oder Materialkombinationen gefertigt werden, für welche additive Verfahren bekannt sind.
Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, auch allgemein als „3D-Druckverfahren“ bezeichnet, werden ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell eines Objekts ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet. So wird beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) ein Bauteil schichtweise aus einem Modelliermaterial, beispielsweise ein Kunststoff oder ein Metall, aufgebaut, indem das Modelliermaterial in Pulverform auf eine Unterlage aufgebracht wird und gezielt durch lokale Laserbestrahlung verflüssigt wird, wodurch sich nach Abkühlung ein festes, zusammenhängendes Bauteil ergibt. 3D-Drucken bietet außergewöhnliche Designfreiheit und erlaubt es unter anderem Objekte mit überschaubaren Aufwand herzustellen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unter erheblichem Aufwand herstellbar wären. Aus diesem Grund sind 3D-Druckverfahren derzeit weit verbreitet im Industriedesign, in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie oder generell in der industriellen Produktentwicklung, in der eine ressourceneffiziente Prozesskette zur bedarfsgerechten Klein- und Großserienfertigung individualisierter Bauteile eingesetzt wird.
3D-Druckverfahren sind vorliegend besonders vorteilhaft, da sie die Herstellung von dreidimensionalen Komponenten in urformenden Verfahren ermöglichen, ohne spezielle, auf die äußere Form der Komponenten abgestimmte Fertigungswerkzeuge zu benötigen. Dadurch werden hocheffiziente, Material sparende und Zeit sparende Herstellungsprozesse für Bauteile und Komponenten ermöglicht. Besonders vorteilhaft sind derartige 3D-Druckverfahren im Luft- und Raumfahrtbereich, da dort sehr viele verschiedene, auf spezielle Einsatzzwecke abgestimmte Bauteile eingesetzt werden, die in solchen 3D-Druckverfahren mit geringen Kosten, geringer Fertigungsvorlaufzeit und mit geringer Komplexität in den für die Herstellung benötigten Fertigungsanlagen herstellbar sind. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder draht-förmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.
Gemäß einer Weiterbildung können weiterhin zumindest zwei Deckplatten vorgesehen sein, welche die mehrschichtigen Strukturlaminate mit der dazwischenliegenden zumindest einen Batterie abschließen. Die Deckplatten können beispielsweise aus einem Kunststoff, einem Keramikmaterial, einem Metallmaterial oder einer Kombination aus diesen Materialien gefertigt sein. Grundsätzlich können die Deckplatten somit im Zusammenspiel mit den mehrschichtigen Strukturlaminaten gewissermaßen ein Gehäuse der Batterieanordnung bilden, wobei zumindest die mehrschichtigen Strukturlaminate jedoch auch strukturelle Aufgaben übernehmen.
Gemäß einer Weiterbildung kann zumindest eine der Deckplatten als Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Kühlrippen ausgebildet sein. In dieser Ausführung bietet sich insbesondere eine Ausbildung der entsprechenden Deckplatte bzw. Deckplatten aus einem metallischen Material an. Die Kühlrippen sind besonders vorteilhaft, um von den Batterien erzeugte Wärme nach außen hin abzuleiten.
Gemäß einer Weiterbildung können die Deckplatten eine Vielzahl von mehrschichtigen Strukturlaminaten mit dazwischenliegenden Batterien abschließen. Allgemein kann jeweils ein Set aus zwei mehrschichtigen Strukturlaminaten mit den dazwischen gehaltenen Batterien als Batteriemodul aufgefasst werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl derartiger Batteriemodule miteinander kombiniert werden, um ein Batterieset mit einer großen Anzahl von Einzelzellen zu bilden. Die Vielzahl von Batteriemodulen kann hierbei von den Deckplatten abgeschlossen werden. Gemäß einer Weiterbildung kann die Batterieanordnung einen Bestandteil eines Strukturbauteils des Luft- oder Raumfahrzeugs bilden.
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.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1 schematische Schnittansicht der Einzelteile einer Batterieanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 schematische Schnittansicht der Batterieanordnung aus 1 in montiertem Zustand;
3 schematische Perspektivansicht eines Strukturbauteils mit der Batterieanordnung aus 2;
4 schematische Perspektivansicht einer Tragflügelstruktur mit dem Strukturbauteil aus 3;
5 schematische Frontansicht eines Luftfahrzeugs mit der Tragflügelstruktur aus 4; und
6 schematische Seitenansicht des Luftfahrzeugs aus 5.

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.
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.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht der Einzelteile einer Batterieanordnung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, während 2 die Batterieanordnung aus 1 in montiertem Zustand abbildet.
Die Batterieanordnung 10 dient der strukturellen Integration von Batterien 1 in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug 100 (z.B. ein Passagierflugzeug), wie es in 5 und 6 schematisch zu sehen ist. Die Batterieanordnung 10 umfasst eine Vielzahl von Batterien 1 (z.B. einzelne Lithiumionen-Batteriezellen), die zwischen zwei tragenden mehrschichtigen Strukturlaminaten 2 beidseitig über Batteriehalterungen 3 gehalten werden. Das mehrschichtige Strukturlaminat 2 umfasst einen Kern aus einer Kühlplattenschicht 4, welcher von Stromabnehmerschichten 5 und Signalleitungsschichten 9 umgeben wird, die welche jeweils über elektrische Isolierungsschichten 11 voneinander und von der Kühlplattenschicht 4 getrennt sind. Die Kühlplattenschichten 4 weisen eine Vielzahl von Fluidkanälen 7 auf, welche zur Durchleitung eines Fluids, d.h. eines Gases und/oder einer Flüssigkeit ausgebildet sind. Die Batterien 1 sind hierbei beidseitig jeweils an eine Stromabnehmerschicht 5 und an eine Signalleitungsschicht 9 elektrisch angekoppelt. Die Kontaktierung der Batterien 1 findet hierbei über eine elektrisch leitende Feder 12 statt, welche jeweils auf beiden Seiten jeder Batterie 1 innerhalb einer Batterieaufnahme 6 der Batteriehalterung 3 angeordnet ist. Die Batterien 1 selber sind zudem über einen Klebstoff 19 an der Batteriehalterung 3 befestigt. Bei den Batterien 1 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.
Weiterhin umfasst die Batterieanordnung 10 zwei Deckplatten 8 (nicht in 1 zu sehen), welche die mehrschichtigen Strukturlaminate 2 mit den dazwischenliegenden Batterien 1 abschließen. Die Deckplatten 8 sind hierbei über Verbindungselemente 14 wie Schrauben, Nieten, Bolzen oder dergleichen fest mit dem mehrschichtigen Strukturlaminat 2 verbunden. Prinzipiell können die Deckplatten 8 eine Vielzahl von mehrschichtigen Strukturlaminaten 2 mit dazwischenliegenden Batterien 1 abschließen. In diesem Sinne kann die Batterieanordnung 10 in 2 als Batteriemodul aufgefasst werden, von dem beliebig viele nebeneinander, übereinander und/oder hintereinander angeordnet werden können.
3 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Strukturbauteils 15 mit einer oder mehrerer der Batterieanordnungen 10 aus 2. Beispielweise kann ein derartiges Strukturbauteil 15 einen Bestandteil einer Tragflügelstruktur 16 bilden, wie sie in 4 dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann sie ebenso ein Bestandteil einer Rumpfstruktur 17 bilden (vgl. 5 und 6). In 3 sind einwirkende Lasten mit Pfeilen gekennzeichnet, wodurch verdeutlicht werden soll, dass die Batterieanordnung 10 selber tragende strukturelle Funktion übernimmt. Hierbei dienen die mehrschichtigen Strukturlaminate 2 nicht nur dazu, die Batterien 1 in dem Luftfahrzeug 100 zu halten und fixieren. Darüber hinaus tragen die mehrschichtigen Strukturlaminate 2 zur Struktur des Luftfahrzeugs 100 als solches bei, wobei zudem die Batterien 1 einen Teil der Primärstruktur darstellen. Der Lastpfad erstreckt sich hierbei von den einzelnen Batterien 1 bzw. Batteriezellen über die Batteriehalterungen 3 zu den mehrschichtigen Strukturlaminaten 2 und von dort über die Deckplatten 8 in die Tragflügelstruktur 16 bzw. Rumpfstruktur 17 des Luftfahrzeugs 100. Die Batterieanordnung 10 kann in diesem Sinne insbesondere existierende Strukturen gewissermaßen ersetzen und/oder ergänzen, da Lasten durch die Batterieanordnung 10 hindurch geleitet werden können. Auf diese Weise können weitergehende strukturverstärkende Bauteile eingespart werden und damit Gewicht und schlussendlich Treibstoff und Kosten eingespart werden. Die Kühlplattenschichten 4 selber sind in dieser Ausführungsform als struktureller Kern der mehrschichtigen Strukturlaminate 2 vorteilhafterweise integral mit einem additiven Verfahren aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt, d.h. einem hochbeständigen Material mit einer hohen Festigkeit bei einer relativ geringen Dichte. 3D-Druckverfahren ermöglichen hierbei die Kühlplattenschichten 2 einschließlich der Fluidkanäle 7 vollständig in einem Prozessschritt zu fertigen, was mit herkömmlichen Verfahren bestenfalls unter erheblichem Aufwand möglich wäre. Die Kühlplattenschichten 4 können weiterhin an einen separaten, externen Wärmetauscher angeschlossen werden (nicht eingezeichnet) um die erzeugte Wärme- bzw. Verlustleistung abzuführen.
Hiermit wird somit eine Batterieanordnung 10 strukturell in ein Luftfahrzeug 100 integriert, wobei mehrschichtige Strukturlaminate 2 nicht nur strukturelle Funktionen erfüllen, sondern darüber hinaus für vielfältige Zwecke verwendet werden können einschließlich der elektrische Ankopplung und Steuerung bzw. Regelung der Batterien sowie der Temperierung der Batterien. Ferner kann das mehrschichtige Strukturlaminat 2 beispielsweise im Zusammenspiel mit den Deckplatten 8 als Brandschutzschicht bzw. Schutzkapselung der Batterieanordnung 10 dienen.
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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Strukturlaminat
3: Batteriehalterung
4: Kühlplattenschicht
5: Stromabnehmerschicht
6: Batterieaufnahme
7: Fluidkanal
8: Deckplatte
9: Signalleitungsschicht
10: Batterieanordnung
11: elektrische Isolierungsschicht
12: elektrisch leitende Feder
13: (Durchgangs-)Bohrung
14: Verbindungselement
15: Strukturbauteil
16: Tragflügelstruktur
17: Rumpfstruktur
18: Batteriekontakt
19: Klebstoff
100: Luftfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8383260 B2 [0005]
US 2017/0047624 A1 [0005]

Claims

Batterieanordnung (10) zur strukturellen Integration von Batterien (1) in ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug (100), mit: zumindest einer Batterie (1); und zwei tragenden mehrschichtigen Strukturlaminaten (2), zwischen denen die zumindest eine Batterie (1) beidseitig über Batteriehalterungen (3) gehalten wird, wobei jedes mehrschichtige Strukturlaminat eine Kühlplattenschicht (4) und eine Stromabnehmerschicht (5) aufweist, wobei die zumindest eine Batterie (1) elektrisch an die Stromabnehmerschicht (5) gekoppelt ist.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die mehrschichtigen Strukturlaminate (2) weiterhin jeweils eine Signalleitungsschicht (9) umfassen, an welche die zumindest eine Batterie (1) elektrisch gekoppelt ist.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehrschichtigen Strukturlaminate (2) weiterhin jeweils zumindest eine elektrische Isolierungsschicht (11) umfassen.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühlplattenschicht (4) jeweils einen Kern des mehrschichtigen Strukturlaminats (2) bildet.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eines der mehrschichtigen Strukturlaminate (2) mehrere Stromabnehmerschichten (5), Signalleitungsschichten (9) und/oder elektrische Isolierungsschichten (11) umfasst, welche beidseitig um die Kühlplattenschicht (4) angeordnet sind.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zumindest eine Batterie (1) zumindest einseitig über eine elektrisch leitende Feder (12) mit der Stromabnehmerschicht gekoppelt ist.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Batteriehalterungen (3) mit einer Batterieaufnahme (6) zur einseitigen Aufnahme der zumindest einen Batterie (1) ausgebildet sind.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zumindest eine Batterie (1) über eine stoffschlüssige Verbindung an der Batteriehalterung (3) befestigt ist.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kühlplattenschicht (4) integral aus einem Metallmaterial mit einer Vielzahl von Fluidkanälen (7) gefertigt ist.
Batterieanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin mit: zumindest zwei Deckplatten (8), welche die mehrschichtigen Strukturlaminate (2) mit der dazwischenliegenden zumindest einen Batterie (1) abschließen.
Batterieanordnung (1) nach Anspruch 10, wobei die Deckplatten (8) eine Vielzahl von mehrschichtigen Strukturlaminaten (2) mit dazwischenliegenden Batterien (1) abschließen.
Luft- oder Raumfahrzeug (100) mit einer Batterieanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Luft- oder Raumfahrzeug (100) nach Anspruch 12, wobei die Batterieanordnung (10) einen Bestandteil eines Strukturbauteils (15) des Luft- oder Raumfahrzeugs (100) bildet.