DE102021100713A1

DE102021100713A1 - Strukturbauteil für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102021100713A1
Application number: DE102021100713.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Linde; Matthias Hegenbart
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, weist ein Faserverbundlaminat auf, umfassend einen ersten elektrischen Energiespeicher, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundstruktur in dem Faserverbundlaminat unterhalb einer Oberfläche des Strukturbauteils dazu ausgebildet ist, elektrostatische Aufladungen, welche sich auf der Oberfläche des Strukturbauteils bilden, aufzunehmen und als elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern, wobei das Strukturbauteil weiterhin eine elektrische Kontakteinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, die in dem ersten elektrischen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie bedarfsweise abzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem solchen Strukturbauteil.
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 Luftfahrzeugen und zudem prinzipiell in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge eingesetzt werden.
Sogenannte statische Entlader, welche im Englischen auch als „static discharger“ oder „static discharge wicks“ bezeichnet werden, sind heutzutage an Hinterkanten von fast allen zivilen Flugzeugen montiert, um elektrische Aufladungen, welche sich aufgrund der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft entlang der Flugzeugoberflächen aufbauen können, an kontrollierten Punkten bzw. in räumlich stark eingegrenzten Bereichen per Koronaentladung in die Umgebung abzuführen. Derartige Aufladungen entstehen vornehmlich aufgrund von Reibungselektrizität, d.h. einer elektrischen Aufladung des Flugzeugs beim Durchfliegen von Regen, Schnee, Eis, Staub oder anderen Partikeln. Wenn die Ladung auf dem Flugzeugs groß genug wird, kann sie sich grundsätzlich an jeglichen spitz zulaufenden Flugzeugextremitäten, wie Antennen, Flügelspitzen, vertikalen und horizontalen Stabilisatoren und andere Vorsprüngen in die umgebende Luft entladen. Um zu verhindern, dass durch solche unkontrollierten Entladungen ein breitbandiges Hochfrequenzrauschen in der Flugzeugkommunikation verursacht wird, werden mit statischen Entlader besonders spitze Bereiche an vorspringenden Punkten zur Verfügung gestellt, an denen die Ladungen nach und nach kontrolliert abgeleitet werden können.
Typischerweise werden statische Entlader als dünne, spitze Stäbe an (elektrisch geerdeten) Querrudern, Höhenrudern, Seitenrudern, Flügeln, horizontalen und vertikalen Stabilisatorspitzen und ähnlichen Bereichen des Flugzeugs angebracht, vgl. beispielsweise die Druckschrift EP 3 068 195 B1 . Statische Entlader sind normalerweise mit einem hohen elektrischen Widerstand (z.B. 6-200 MΩ) ausgebildet und weisen eine niedrigere Koronaspannung als die umgebende Flugzeugstruktur auf. Somit kann ein möglichst störungsfreier Betrieb der Navigations- und Funkkommunikationssysteme an Bord trotz auftretender Aufladungen gewährleisten werden.
Auch wenn grundsätzlich aufgrund der statischen Aufladung signifikante Mengen elektrischer Energie erzeugt werden, wird klassischerweise keine Nutzung dieser Energie angestrebt. Es stellt sich somit die Frage, ob diese ohnehin anfallende elektrische Aufladung sinnvoll genutzt werden kann.
In jüngerer Zeit wird unter anderem im Luftfahrtbereich zwecks Gewichtsreduzierung vermehrt vorgeschlagen, elektrische Energiespeicher in die Faserverbundstruktur eines Flugzeugs einzuarbeiten, beispielsweise indem elektrochemische Zellen aus funktionalen Mehrlagenlaminaten aufgebaut werden, die dann in den geschichteten Faserverbundaufbau der Flugzeugbauteile stoffschlüssig integriert werden. Für strukturelle Verbundbatterien, z.B. Lithium-Ionen-Zellen, sind Kohlenstofffasern aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und der leichten Einlagerung von Lithium-Ionen als Elektroden geeignet. Kohlenstofffasern haben eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, die eine mechanische Verstärkung und eine günstige elektrische Leitfähigkeit für den Transport von Elektronen in und aus der Zelle bieten. Als Separator für den Transport von Ionen zwischen den Elektroden kann ein Polymer verwendet werden, um die Fasern zu binden und eine Verbundbatterie zu bilden. So beschreibt beispielsweise die Druckschrift EP 2 852 990 B1 die Herstellung und Verwendung derartiger Batteriezellen in unterschiedlichen strukturellen Bauteilen.
Weiterhin wird in der jüngeren Forschung die Idee verfolgt, auch die Funktion eines Superkondensators in ein Faserverbundlaminat zu integrieren, z.B. in kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK). Unter Beibehaltung seiner strukturellen Funktion und gleichzeitiger Ausbildung als Superkondensator kann dieser multifunktionale Werkstoff Gewicht und Platz sparen, siehe z.B. die Druckschrift DE 10 2017 106 192 A1 .
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, praktische Lösungen zu finden, um die elektrische Energie aus der statischen Aufladung von Fahrzeugoberflächen effektiv zu nutzen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Demgemäß ist ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, vorgesehen. Das Strukturbauteil weist ein Faserverbundlaminat auf. Das Faserverbundlaminat umfasst einen ersten elektrischen Energiespeicher, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundstruktur in dem Faserverbundlaminat unterhalb einer Oberfläche des Strukturbauteils dazu ausgebildet ist, elektrostatische Aufladungen, welche sich auf der Oberfläche des Strukturbauteils bilden, aufzunehmen und als elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern. Das Strukturbauteil umfasst weiterhin eine elektrische Kontakteinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die in dem ersten elektrischen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie bedarfsweise abzuführen.
Weiterhin ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil vorgesehen.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen strukturell integrierten Verbundlaminataufbau eines Fahrzeugs mit der Fähigkeit zur Energiegewinnung und Energiespeicherung auszustatten, um elektrostatische Aufladungen auf der Fahrzeugoberfläche nutzbar zu machen. Hierzu wird die elektrische Energie direkt von der Oberfläche in einen darunter befindlichen Energiespeicher abgeleitet, dort gespeichert und bedarfsweise zur weiteren Verwendung mittels einer Kontakteinrichtung abgeführt. Beispielsweise kann die elektrische Energie direkt an einen oder mehrere elektrische Verbraucher innerhalb des Fahrzeugs weitergeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Energie ebenso zwischengespeichert werden, sei es direkt in dem ersten elektrischen Energiespeicher, sei es in einem weiteren elektrischen Energiespeicher innerhalb der Faserverbundstruktur und/oder innerhalb des Fahrzeugs. Insbesondere kann die derart gewonnene elektrische Energie zu Aufladung von Batterien des Fahrzeugs verwendet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung kann der erste elektrische Energiespeicher als Superkondensator ausgebildet sein.
Superkondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren und zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie ggf. sehr schnell auf- und insbesondere entladen werden können. Anders formuliert weisen Superkondensatoren eine erheblich größere Leistungsdichte bei grundsätzlich geringerer Energiedichte als gewöhnliche elektrochemische Batterien auf.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Außenelektrodenlage des ersten elektrischen Energiespeichers flächig unterhalb der Oberfläche des Strukturbauteils ausgebildet sein und/oder zumindest bereichsweise die Oberfläche des Strukturbauteils bilden.
In diesem Sinne kann die Oberfläche oder eine unmittelbar darunter befindliche Fläche beispielsweise als Elektrode eines Superkondensators dienen. Dies bedeutet, dass die sich auf der Oberfläche bildende elektrische Ladung direkt auf die Außenelektrode des ersten Energiespeichers fließen und dort zwischengespeichert werden kann. Der erste elektrische Energiespeicher kann hierbei entsprechend geeignet geometrisch ausgelegt werden, um den Gegebenheiten der jeweiligen Anwendung gerecht zu werden. Beispielsweise kann im Falle eines Flugzeugs ein signifikanter Anteil einer Tragflächenoberfläche als strukturelle Elektrode ausgebildet werden. In einem anderen Beispiel können mehrere Bereiche einer Außenfläche eines Luftfahrzeus als Flächenelektroden ausgebildet werden, z.B. regelmäßig beabstandete Bereiche auf einer Tragfläche.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Strukturbauteil weiterhin einen zweiten elektrischen Energiespeicher umfassen. Der zweite elektrische Energiespeicher kann über die elektrische Kontakteinrichtung mit dem ersten elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt und dazu ausgebildet sein, elektrische Energie bedarfsweise von dem ersten elektrischen Energiespeicher aufzunehmen und in wiederaufladbarer Weise zu speichern.
Beispielsweise kann der zweite elektrische Energiespeicher eine Batterie umfassen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie bzw. eine Lithium-lonen-Zelle oder eine andere übliche Batterietechnologie handeln.
Eine Batterie im Sinne der Erfindung ist hierbei ein allgemeines wiederaufladbares elektrisches Speicherelement auf elektrochemischer Basis. 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 Akkumulatoren, z.B. Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Das Strukturbauteil kann hierbei auch zur Aufnahme von gewöhnlichen zylinderförmigen Batterien bzw. Batteriezellen ausgebildet sein. Grundsätzlich sind dabei jedoch ebenso Batterie- bzw. Zellvarianten mit anderen Geometrien möglich, z.B. prismatische Batteriezellen.
Dem Fachmann wird sich hierbei unmittelbar erschließen, dass darüber hinaus prinzipiell jede zur Energiespeicherung geeignete Technologie verwendet werden kann, welche elektrisch Energie effizient speichert.
Gemäß einer Weiterbildung kann der zweite elektrische Energiespeicher als struktureller Energiespeicher in das Faserverbundlaminat integriert sein.
Sowohl Batterien als auch (Super-) Kondensatoren können als Energiespeicher strukturell in Faserverbundstrukturen integriert werden. Im Prinzip ist es hierbei sogar möglich diese Technologien zusammen mit Leitungsabschnitten bzw. Leistungselektronik in dieselbe Faserverbundstruktur einzuarbeiten.
Gemäß einer Weiterbildung kann der zweite elektrische Energiespeicher eine mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie umfassen, welche als Bestandteil des Faserverbundlaminats gefertigt ist.
Im Prinzip ermöglicht es die Erfindung eine Primärstruktur eines Fahrzeugs, z.B. einen Rumpf und/oder einen Flügel eines Flugzeugs, als strukturellen Energiespeicher auszubilden, z.B. zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern an Bord des Fahrzeugs und/oder zur Realisierung eines elektrischen Antriebs. Hierzu kann ein entsprechendes Mehrlagenlaminat aus Verstärkungsfasern (z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern usw.), einem Matrixmaterial (Kunstharz, Elektrolytpolymer etc.) und funktionalen Elementen (Kontakten, Elektroden, Leitungsbahnen usw.) bereitgestellt werden, welches durch Beaufschlagung mit Druck und Temperatur zu einer rigiden Struktur ausgehärtet wird, wobei Stromführungslagen des Laminataufbaus als elektrische Anschlüsse fungieren können. Somit können sowohl die unterschiedlichen Energiespeicher als auch Leistungsübertragungslagen, Leistungselektronik und dergleichen bereits während der strukturellen Fertigung des Strukturbauteils in dieses eingearbeitet und gemeinsam mit diesem zu einer einstückigen Struktur ausgehärtet werden.
Damit können Kabel, Leitungen, Steckanschlüsse, Klammern, Halter und dergleichen vermieden werden, sodass die gesamte Infrastruktur vereinfacht wird. Hierdurch kann in erheblichem Maße Gewicht und Installationsaufwand eingespart werden. Außerdem treten praktisch keine elektrischen Widerstandsverluste mehr auf. Allgemein können (strukturelle) Effizienz und Effektivität des gesamten Systems gesteigert werden, da sich alle Element nahe beieinander in einem integrierten und kompakten Aufbau befinden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Faserverbundlaminat mehrere strukturell stabilisierende Faserverstärkungslagen umfassen.
Hierbei können zumindest im Bereich der elektrischen Infrastruktur Materialien mit vernachlässigbarer elektrischer Leitfähigkeit verwenden werden, z.B. Glasfasern als Verstärkungsfasern sowie ein Kunstharz als Matrixmaterial.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Strukturbauteil weiterhin eine Steuerungseinrichtung umfassen. Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine Entladung des ersten elektrischen Energiespeichers über die elektrische Kontakteinrichtung zu regeln.
Die Steuereinrichtung kann hierbei die elektrische Infrastruktur des Strukturbauteils verwalten, einschließlich der Auf- und Entladung der Energiespeicher sowie der Energieübertragung von und zu anderen Komponenten des Fahrzeugs.
Gemäß einer Weiterbildung kann der erste elektrische Energiespeicher und/oder der zweite elektrische Energiespeicher einen Temperatursensor umfassen. Die Steuereinrichtung kann somit zusätzlich dazu ausgebildet sein, eine aktuelle Temperatur des jeweiligen elektrischen Energiespeichers mit dem Temperatursensor zu überwachen. Beispielsweise kann ein entsprechender Temperaturführ direkt in eine Elektrolytlage des Energiespeichers eingelassen sein. Zum Auslesen kann der Temperatursensor beispielsweise seitlich von dem Schichtaufbau des Verbundlaminats kontaktiert und mit der Steuereinrichtung elektrisch gekoppelt werden.
Weiterhin kann das System eine Temperaturregelung umfassen, über welche die Steuereinrichtung auch eine Betriebstemperatur der Energiespeicher verwalten kann. Beispielsweise können sowohl Kühlungslagen, als auch Heizungslagen direkt in die Faserverbundstruktur integriert sein.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Steuerungseinrichtung als Mikrocontroller in das Faserverbundlaminat integriert sein.
Der Mikrocontroller kann hierbei das gesamte System aus Energiespeichern, Leistungselektronik, Temperaturreglern etc. steuern, um Energie zu laden, zu entladen, zu transportieren und/oder die Betriebstemperatur des Energiespeichers zu regeln.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Strukturbauteil als ein Hautfeld, ein Verschalungselement, eine Steuerfläche, eine Flügelkomponente, ein Leitwerksegment und/oder ein Rumpfsegment ausgebildet sein.
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 perspektivische Ansicht eines beispielhaften Strukturbauteils;
2 schematische perspektivische Ansicht eines Strukturbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 schematische perspektivische Ansicht eines Strukturbauteils gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
4 schematische Schnittansicht des Strukturbauteils aus 3; und
5 schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs mit einem der Strukturbauteile aus 1 bis 4.

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 perspektivische Schnittansicht eines beispielhaften Strukturbauteils 1. 5 ist eine Seitenansicht eines Luftfahrzeugs 100, z.B. ein Passagierflugzeug, mit einem derartigen Strukturbauteil 1.
Bei dem Strukturbauteil 1 kann es sich insbesondere um ein außenliegendes strukturelles Bauteil eines Luftfahrzeugs handeln wie beispielsweise ein Hautfeld, ein Verschalungselement, eine Steuerfläche, eine Flügelkomponente, ein Leitwerksegment und/oder ein Rumpfsegment oder dergleichen. Hierbei sind unterschiedlichste geometrische gekrümmte oder nicht gekrümmte Formen denkbar, wie sie dem Fachmann aus dem Fahrzeugbau bekannt sind. Grundsätzlich können Strukturbauteile 1, wie sie im Folgenden beschrieben werden, jedoch nicht nur in Flugzeugen, sondern auch in allgemeinen Luftfahrzeugen oder anderen Anwendungen aus der Transportindustrie, z.B. in Land-, Wasser- oder Schienenfahrzeugen, eingesetzt werden.
Das Strukturbauteil 1 weist eine Oberfläche 9 auf, über die sich im Flug des Luftfahrfahrzeugs 100 unterschiedliche geladene und ungeladene Partikel hinwegbewegen wie beispielsweise Staubteilchen, Luftmoleküle, Wassertropfen, Eisfragmente, Schnee usw. Aufgrund der Reibung zwischen der Oberfläche 9 des Luftfahrzeugs 100 und der Partikel bildet sich unter anderem sogenannte Reibungselektrizität und damit einhergehend eine elektrostatische Aufladung 19 auf bzw. entlang der Oberfläche 9. Neben der Reibungselektrizität können auch noch weitere Prozesse zu Aufladungen auf den außenliegenden Flugzeugstrukturen beitragen, z.B. Induktion aufgrund von atmosphärischer Elektrizität, Ionisierung aufgrund von Ladungstrennung im Abgasstrom usw.
Derartige Prozesse können zu einer Aufladung des Luftfahrzeugs 100 auf ein Potenzial von mehreren hunderttausenden Volt führen. Die Aufladung wird durch Entladungen ausgeglichen, im Wesentlichen Koronaentladungen, welche die Ladung an scharfen Punkten oder Kanten der Flugzeugstruktur in die umgebende Atmosphäre ableiten. Um diese Entladungen kontrolliert in die Atmosphäre abzuleiten, werden klassischerweise eine Vielzahl von sogenannten statischen Entladern 18 an der Flugzeugstruktur vorgesehen. Beispielhaft zeigt 1 zwei derartiger Entladestrukturen 18, die als spitz zulaufende Stangen von einer Hinterkante des Strukturbauteils 1 abstehen. Mit Hilfe solcher Entladeeinrichtungen kann ein negativer Einfluss der elektrostatischen Aufladungen 19 auf die Fahrzeugkommunikation zwar verhindert werden. Allerdings verzichtet man derart auch auf die Möglichkeit, die hierbei fortlaufend anfallende elektrische Energie sinnvoll zu nutzen. Beispielsweise wäre es denkbar, damit elektrische Energiespeicher an Bord des Luftfahrzeugs 100 aufzuladen, um elektrische Verbraucher zu versorgen und/oder um möglicherweise sogar einen elektrischen Antrieb des Luftfahrzeugs 100 anzutreiben.
Mit Bezug auf 2 bis 4 werden im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei denen die elektrische Energie der elektrostatischen Aufladungen 19 genutzt wird. Prinzipiell können diese Lösungen herkömmliche Lösungen auf der Basis von statischen Entladern 18 ergänzen oder sogar vollständig ersetzen.
Die Strukturbauteile 1 der 2 bis 4 sind jeweils als Faserverbundlaminat 2 aus einer Vielzahl von Faserverbundlagen gefertigt, wie es dem Fachmann grundsätzlich aus dem Flugzeugbau zur Fertigung von strukturellen Bauteilen bekannt ist. Anders ausgedrückt bilden die Lagen dieses Laminataufbaus die tragende Struktur des Bauteils 1.
Hierzu umfasst das Faserverbundlaminat 2 in diesen Ausführungsformen mehrere Faserverstärkungslagen 11 aus einem Glasfaserverbundmaterial. Diese Lagen wirken einerseits strukturell stabilisierend. Andererseits sind speziell Glasfasern elektrisch isolierend und können in Kombination mit einem entsprechenden Matrixmaterial (z.B. Kunstharz) elektrisch leitfähige bzw. funktionale Schichten des Faserverbundlaminats 2, wie sie im Folgenden beschrieben werden, voneinander trennen.
Das Faserverbundlaminat 2 umfasst weiterhin in diesen Ausführungsformen einen ersten elektrischen Energiespeicher 3, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundstruktur in dem Faserverbundlaminat 2 unterhalb einer Oberfläche 4 des Strukturbauteils 1 ausgebildet ist. Konkret ist der erste Energiespeicher 3 als elektrochemischer Kondensator, d.h. als Superkondensator, ausgebildet, wobei eine Außenelektrodenlage 7 des ersten Energiespeichers 3 als strukturelle Elektrodenlage flächig unterhalb der Oberfläche 9 des Strukturbauteils 1 ausgebildet ist und zumindest bereichsweise die Oberfläche 9 des Strukturbauteils 1 bildet (vgl. 2). Anders ausgedrückt ist der erste Energiespeicher 3 somit als Flächenkondensator ausgebildet.
Der Superkondensator ist somit als struktureller Energiespeicher in die Faserverbundstruktur des Strukturbauteils 1 integriert. Damit bildet der erste elektrische Energiespeicher 3 somit einen tragenden Bestandteil des Strukturbauteils 1. Damit kann der erste Energiespeicher 3 elektrostatische Aufladungen 19, welche sich auf der Oberfläche 9 des Strukturbauteils 1 bilden, aufnehmen und als elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise speichern.
Strukturelle Superkondensatoren können beispielsweise auf der Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektroden und einem Festelektrolyt gefertigt werden. In einem konkreten Beispiel kann ein Aluminium-Stromkollektor mit Fasern aus Kohlenstoff-Nanoröhren als Elektrode bedeckt werden. Darüber kann eine Membran aus einem Polymerelektrolyten gebettet werden (z.B. IL-b-PE), um eine Halbeinheit zu erhalten. Die konkrete Zusammensetzung des Festelektrolyten kann hierbei spezifisch für die Li-lonen-Leitfähigkeit gewählt werden. Anschließend können zwei solcher Halbeinheiten sandwichartig aufeinander angeordnet und unter Druck zusammengefügt werden, um einen Superkondensator zu bilden. Ein derartiger Schichtaufbau kann in ein CFK-Laminat integriert werden. Ein derartiger Aufbau arbeitet somit als Superkondensator und erfüllt gleichzeitig eine strukturelle Funktion, sodass Gewicht und Installationsvolumen eingespart werden können.
Das Strukturbauteil 1 umfasst in dem Ausführungsbeispiel der 2 weiterhin eine elektrische Kontakteinrichtung 10 und einen daran elektrisch gekoppelten zweiten elektrischen Energiespeicher 4, z.B. eine Batterie. Die elektrische Kontakteinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, die in dem ersten elektrischen Energiespeicher 3 gespeicherte elektrische Energie bedarfsweise an den zweiten elektrischen Energiespeicher 4 abzuführen. Der zweite elektrische Energiespeicher 4 nimmt diese Energie auf und speichert sie ab. Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Energiespeicher 4 um eine beliebige an Bord des Luftfahrzeugs 100 befindliche Batterie bzw. Batterieanordnung handeln, z.B. zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern an Bord des Fahrzeugs und/oder zur Realisierung eines elektrischen Antriebs.
Der als Superkondensator ausgebildete erste Energiespeicher 3 dient hierbei vornehmlich der kurzfristigen Speicherung der elektrischen Energie, während der zweite elektrische Energiespeicher 4 als Batterie zum längerfristigen (relativ zum ersten Energiespeicher 3) Speichern der elektrischen Energie geeignet ist.
Anders als für die Ausführungsform der 2 ist in dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 der zweite Energiespeicher 4 als struktureller Energiespeicher mit in das Faserverbundlaminat 2 integriert. Wie 4 entnommen werden kann, ist der zweite Energiespeicher 4 konkret als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie als Bestandteil des Faserverbundlaminats 2 gefertigt. Dies bedeutet, dass die tragende Struktur des Luftfahrzeugs 100 Energie speichern sowie diese abrufen und zur Nutzung zur Verfügung stellen kann, z.B. für elektrische Verbraucher in einer Passagierkabine, in einem Cockpit oder in einem Frachtraum des Luftfahrzuges 100 und/oder für einen elektrischen Antrieb des Luftfahrzeugs 100.
In den letzten Jahrzehnten haben strukturelle Anwendungen mit laminierten Verbundwerkstoffen im Bereich der Luft- und Raumfahrt zugenommen. Laminierte Verbundstoffstrukturen bestehen hierbei aus Schichten von orthotropen Materialien. Vorteile des Einsatzes von faserverstärkten Verbundwerkstoffen gegenüber konventionellen Materialien sind u.a. geringeres Eigengewicht, hohe spezifische Festigkeit, ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeit, hohes Steifigkeits-zu-Gewichtsverhältnis und Designflexibilität.
Strukturelle Batterien können beispielsweise Kohlenstofffasern als Anode (z.B. eingebettet in ein geeignetes Bindungspolymer), eine Kathode aus beschichteten Kohlenstofffasern (z.B. LiFePO₄ beschichtet, d.h. mit Partikeln auf Lithium-Metalloxidbasis, und ebenfalls eingebettet in ein entsprechendes strukturelles Elektrolytpolymer), einen Separator mit eingebetteten Glasfasern zur Trennung der Elektroden und zum Weitertransport der Ionen, ein geeignetes Elektrolytmaterial (z.B. ein polymerisiertes Vinylesterderivat eines Poly(ethylenglykol)-Elektrolyten) sowie Stromkollektoren bzw. -Stromabnehmer zur Anbindung an einen externen Stromkreis umfassen (z.B. additiv aufgetragene Lagen/Beschichtungen aus einem Metallmaterial). Aufgrund der integrierten Fähigkeit, Energie zu speichern, bietet eine derartige Materialkombination erhebliche Gewichtseinsparungen auf Systemebene. Für strukturelle Verbundbatterien sind Kohlenstofffasern aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und der leichten Einlagerung von Lithium-Ionen als Elektroden besonders geeignet. Kohlenstofffasern haben eine hohe Steifigkeit und Festigkeit, die eine mechanische Verstärkung und eine günstige elektrische Leitfähigkeit für den Transport von Elektronen in und aus der Batterie (-zelle) bieten.
In dem Beispiel der 4 umfasst der zweite Energiespeicher 4 einen gestapelten Aufbau mit einer zuunterst liegenden Anodenschicht 13, z.B. Kohlenstofffasern eingebettet in einem strukturellen Festkörperelektrolyten (z.B. mit Lithium-Ionen angereichertes Kunstharz). Auf der Anodenschicht 13 befindet sich eine Glasfasern enthaltende Elektrolytlage 14. Auf dieser befindet sich wiederum eine Kathodenlage 15 mit Kohlenstofffasern (z.B. LiFePO₄ beschichtet und ebenfalls eingebettet in einen Festkörperelektrolyten). Die beiden Elektrodenlagen 13, 15 werden hierbei von Stromführungslagen 16 kontaktiert, die beispielsweise ein Metall aufweisen können, z.B. Aluminium, Kupferfolie etc.
Der zweite Energiespeicher 4 ist ferner von stabilisierenden Faserverstärkungslagen 11 aus Glasfasern in einem elektrische isolierenden Matrixmaterial umgeben. Auf der oberen dieser Faserverstärkungslagen 11 liegt eine strukturelle Innenelektrodenlage 8 des ersten Energiespeichers 3 auf. Oberhalb davon folgt wiederum eine strukturelle Elektrolytlage 6 und die Außenelektrode 7 des ersten Energiespeichers 3. Auch die Elektroden 7, 8 des ersten Energiespeichers 3 können über entsprechende Stromführungslagen 16 oder alternativ über elektrische Kontakte 17 seitlich kontaktiert werden. Die Elektroden 7, 8 können beispielsweise eine Faserstruktur aus Kohlenstofffasern aufweisen, die in ein mit Ionen angereichertes Kunstharz eingebettet ist. Die strukturelle Elektrolytlage 6 kann beispielsweise Glasfasern als Separator und ebenfalls einen geeigneten Elektrolyten umfassen.
Es versteht sich hierbei, dass die obige konkrete Ausführung der Energiespeicher rein beispielhaft ist und der Fachmann alternativ oder zusätzlich sämtliche bekannte technische Lösungen zur Umsetzung einer strukturell integrierten Energiequelle zur Anwendung bringen kann.
Die Stromführungslagen 16 bzw. elektrischen Kontakte 17 sind mit einem Mikrocontroller verbunden, der als Steuerungseinrichtung 5 dazu ausgebildet ist, eine Auf- und Entladung sowie eine Übertragung von elektrischer Energie durch die Energiespeicher 3, 4 zu regeln. Der zweite Energiespeicher 4 enthält rein beispielhaft weiterhin einen Temperatursensor 12, der ebenfalls über einen elektrischen Kontakt 17 mit der Steuerungseinrichtung 5 in Verbindung steht. Die Steuerungseinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, eine aktuelle Temperatur des zweiten elektrischen Energiespeichers 4 mit dem Temperatursensor 12 zu überwachen. Um die Temperatur des zweiten Energiespeichers 4 (und/oder des ersten Energiespeichers 3) nicht nur überwachen, sondern darüber hinaus aktiv regeln zu können, kann das Faserverbundlaminat 2 jeweils weitere funktionale Lage enthalten, z.B. Kühlungslagen und/oder Heizungslagen zur elektrothermischen Temperaturregulierung (hier nicht gezeigt).
Insgesamt führt dies somit dazu, dass das oder die Strukturbauteile 1 des Luftfahrzeugs 100 mit strukturell integrierten Energiespeichern 3, 4 versehen werden kann, um elektrostatische Entladungen von der Oberfläche abzuziehen, zu speichern und zu nutzen, ohne dass eine Verkabelung oder Anschlüsse benötigt werden, da dies über die integrierte Energieübertragung sowie geeignete Steuer- und Kontrolleinrichtungen geregelt werden kann. Ein Superkondensator dient hierbei als erste kurzfristige Speicherstufe, eine Batterie als zweiter längerfristiger Speicher.
Damit wird eine strukturelle Energiespeicherung und -versorgung mit schneller Lade- und Entlademöglichkeit ohne Anschlüsse, Leitungen, Kabelbäume und ohne dem damit für gewöhnlich verbundenen Installationsaufwand bei der Montage bereitgestellt. Damit können auch die damit verbundenen Kosten und das dazugehörige Gewicht vermieden werden. Das System zeichnet sich dabei durch vernachlässigbare elektrische Widerstandsverluste und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten aus. Die beiden Energiespeicher 3, 4 können hierbei gemeinsam in dasselbe Laminat eingearbeitet sein, welches gleichzeitig die tragende Struktur des jeweiligen Strukturbauteils 1 bilden kann. Allgemein können (strukturelle) Effizienz und Effektivität des gesamten Systems gesteigert werden, da sich alle Element nahe beieinander in einem integrierten und kompakten Aufbau befinden.
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: Strukturbauteil
2: Faserverbundlaminat
3: erster Energiespeicher
4: zweiter Energiespeicher
5: Steuerungseinrichtung
6: erste Elektrolytlage
7: Außenelektrodenlage
8: Innenelektrodenlage
9: Oberfläche
10: Kontakteinrichtung
11: Faserverstärkungslage
12: Temperatursensor
13: Anodenlage
14: zweite Elektrolytlage
15: Kathodenlage
16: Stromführungslage
17: elektrischer Kontakt
18: statischer Entlader
19: elektrostatische Aufladung
100: Luftfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3068195 B1 [0004]
EP 2852990 B1 [0006]
DE 102017106192 A1 [0007]

Claims

Strukturbauteil (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug (100), wobei das Strukturbauteil (1) ein Faserverbundlaminat (2) aufweist, welches umfasst: einen ersten elektrischen Energiespeicher (3), welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundstruktur in dem Faserverbundlaminat (2) unterhalb einer Oberfläche (4) des Strukturbauteils (1) dazu ausgebildet ist, elektrostatische Aufladungen (19), welche sich auf der Oberfläche (9) des Strukturbauteils (1) bilden, aufzunehmen und als elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern; wobei das Strukturbauteil (1) weiterhin umfasst: eine elektrische Kontakteinrichtung (10), welche dazu ausgebildet ist, die in dem ersten elektrischen Energiespeicher (3) gespeicherte elektrische Energie bedarfsweise abzuführen.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, wobei der erste elektrische Energiespeicher (3) als Superkondensator ausgebildet ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Außenelektrodenlage (7) des ersten elektrischen Energiespeichers (3) flächig unterhalb der Oberfläche (9) des Strukturbauteils (1) ausgebildet ist und/oder zumindest bereichsweise die Oberfläche (9) des Strukturbauteils (1) bildet.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strukturbauteil (1) weiterhin umfasst: einen zweiten elektrischen Energiespeicher (4), welcher über die elektrische Kontakteinrichtung (10) mit dem ersten elektrischen Energiespeicher (3) elektrisch gekoppelt und dazu ausgebildet ist, elektrische Energie bedarfsweise von dem ersten elektrischen Energiespeicher (3) aufzunehmen und in wiederaufladbarer Weise zu speichern.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 4, wobei der zweite elektrische Energiespeicher (3) als struktureller Energiespeicher in das Faserverbundlaminat (2) integriert ist.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 5, wobei der zweite elektrische Energiespeicher (3) eine mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie umfasst, welche als Bestandteil des Faserverbundlaminats (2) gefertigt ist.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Faserverbundlaminat (2) mehrere strukturell stabilisierende Faserverstärkungslagen (11) umfasst.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strukturbauteil (1) weiterhin umfasst: eine Steuerungseinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, eine Entladung des ersten elektrischen Energiespeichers (3) über die elektrische Kontakteinrichtung (10) zu regeln.
Strukturbauteil (1) nach Anspruch 8, wobei die Steuerungseinrichtung (5) als Mikrocontroller in das Faserverbundlaminat (2) integriert ist.
Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Strukturbauteil (1) als zumindest eines von einem Hautfeld, einem Verschalungselement, einer Steuerfläche, einer Flügelkomponente, einem Leitwerksegment und einem Rumpfsegment ausgebildet ist.
Luft- oder Raumfahrzeug (100) mit einem Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.