DE102021101976A1 - Strukturbauteil für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Strukturbauteil für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug, weist ein Faserverbundlaminat auf, umfassend einen elektrischen Energiespeicher, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern; und eine elektrothermische Temperaturregulierungslage, welche dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Energiespeicher zur Temperaturregulierung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen und von dem elektrischen Energiespeicher abzuführen; wobei das Strukturbauteil weiterhin eine Steuerungseinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, die Temperaturregulierung des elektrischen Energiespeichers mit der elektrothermischen Temperaturregulierungslage zu steuern.

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 Fahrzeugen und in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge, für Luftfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge eingesetzt werden.
  • 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.
  • Im Zuge einer derartigen strukturellen Integration von Batterien tritt weiterhin die Frage auf, wie eine aktive Temperaturregelung der Batterien umgesetzt werden kann, welche für einen möglichst effizienten Betrieb der Batterien gefordert sein kann. Dies ist nicht zuletzt im Luft- und Raumfahrtbereich aufgrund der stark schwankenden Betriebs- bzw. Umgebungstemperaturen relevant.
  • Die Druckschriften Leijonmarck et al., „Solid polymer electrolyte-coated carbon fibres for structural and novel micro batteries,“ Composites Science and Technology, 89, 149-157, 2013 und Asp et al., „REALISATION OF STRUCTURAL BATTERY COMPOSITE MATERIALS,“ 20th International Conference on Composite Materials, Kopenhagen, July 19-24, 2015 beschreiben die Verwendung von beschichteten Kohlenstofffasern in strukturellen Batterien. Die Kohlenstofffasern weisen eine feste Polymer-Elektrolyt-Beschichtung mit einer Dicke von mehreren hundert Nanometern auf, welche mittels eines elektrochemischen Bades aufgebracht wird (ein typischer Durchmesser von Kohlenstofffasern beträgt etwa 6 bis 7 Mikrometer). Diese Beschichtung wirkt unter anderem elektrisch isolierend, wobei der Faserdurchmesser aufgrund der Beschichtung nur um etwa einen Mikrometer vergrößert wird. Eine derartige Beschichtung kann Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius standhalten.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, besonders einfache und leichtgewichtige Lösungen für die Temperaturregelung struktureller Batterien in einer Fahrzeugstruktur zu finden.
  • 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 elektrischen Energiespeicher, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern, und eine elektrothermische Temperaturregulierungslage, welche dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Energiespeicher zur Temperaturregulierung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen und von dem elektrischen Energiespeicher abzuführen. Das Strukturbauteil umfasst weiterhin eine Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Temperaturregulierung des elektrischen Energiespeichers mit der elektrothermischen Temperaturregulierungslage zu steuern.
  • Weiterhin ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil vorgesehen.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, aktive Heiz- und Kühlschichten in dasselbe Laminat zu integrieren, in welchem auch die strukturellen Batterieschichten eingearbeitet sind. Auf der Basis eines derartigen multifunktionalen Laminats erhält man die Möglichkeit, die Temperatur der strukturellen Batterie unmittelbar innerhalb des Laminats zu regeln. Danke einer derartigen Regelung kann beispielsweise eine Kapazität unter kalten Bedingungen verbessert werden und/oder eine Überhitzung (thermisches Durchgehen) verhindert werden. Da sowohl die Batterie als auch die Heiz- bzw. Kühlelemente direkt in das Laminat integriert sind, 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.
  • 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 geeigneten Matrixmaterial (Kunstharz, Elektrolytpolymer etc.) und funktionalen Elementen (Kühlelementen, Heizelementen, 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 kann sowohl der Energiespeicher als auch die Temperaturregelungslage bereits während der strukturellen Fertigung des Strukturbauteils in dieses eingearbeitet und gemeinsam mit diesem zu einer einstückigen Struktur ausgehärtet werden. Die Steuereinrichtung kann hierbei die elektrische Infrastruktur des Strukturbauteils verwalten, einschließlich der Auf- und Entladung des Energiespeichers, der Temperaturregelung sowie der Energieübertragung von und zu anderen Komponenten des Fahrzeugs.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die elektrothermische Temperaturregulierungslage eine Kühlungslage und eine Heizungslage umfassen. Die Kühlungslage kann dazu ausgebildet sein, zur Abkühlung von dem elektrischen Energiespeicher bedarfsweise thermische Energie abzuführen. Die Heizungslage kann dazu ausgebildet sein, dem elektrischen Energiespeicher zur Aufheizung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen.
  • Damit werden Kühl- und Heizfunktionen in unterschiedlichen Lagen realisiert, welche entsprechend für ihre Aufgabe optimiert sein können. Alternativ können beiden Aspekte jedoch ebenso von einer einzelnen Lage übernommen werden. Beispielsweise kann die Temperaturregulierungslage als Peltier-Element ausgebildet sein, welches sowohl zur Kühlung, als auch zum Heizen (bei Stromrichtungsumkehr) verwendet werden kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die Kühlungslage ein Peltier-Element umfassen.
  • Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt und derart insbesondere zum Kühlen verwendet werden kann (in diesem Fall auch als Peltier-Kühler oder TEC, „Thermoeletric Cooler“, bezeichnet). Konkret werden in einem Peltier-Element zwischen zwei elektrisch isolierenden aber thermisch leitenden Kontaktplatten bzw. Kontaktfolien Halbleiterübergänge zweier Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Energieniveaus (entweder p- oder n-leitend) der Leitungsbänder in Reihe geschaltet, indem eine Vielzahl von Blöcken aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial (z.B. Bismuttellurid, Siliciumgermanium) abwechselnd an einer Oberseite und einer Unterseite über eine Metallbrücke miteinander kontaktiert werden. Die Metallbrücken bilden zugleich thermische Kontaktflächen und sind durch die aufliegende Folie oder Platte isoliert. Zugeführter elektrischer Strom durchfließt aufgrund der Reihenschaltung alle Blöcke nacheinander. Abhängig von Stromstärke und -richtung kühlt sich eine Seite ab, während sich die andere erwärmt. Der Strom pumpt somit Wärme von einer Seite auf die andere und erzeugt eine Temperaturdifferenz zwischen den Platten/Folien.
  • Aufgrund seines grundlegenden Aufbaus lässt sich ein Peltier-Element ohne großen Aufwand in den Schichtaufbau eines mehrlagigen Verbundlaminats integrieren. Eine Kontaktierung kann beispielsweise am Rande der außenliegenden Platten über einen elektrischen Anschluss erfolgen, z.B. eine Stromführungslage innerhalb des Laminats oder einem anderen elektrischen Kontakt. Über diesen Anschluss kann das Peltier-Element sowohl mit elektrischer Energie versorgt, als auch gesteuert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die Heizungslage eine Vielzahl von Leitungsfasern umfassen. Die Leitungsfasern können jeweils als Kohlenstofffaser mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung ausgebildet sein.
  • Dieser Weiterbildung liegt die Idee zugrunde, beschichtete Kohlenstofffasern als elektrische Leiter für die Realisierung eines Heizwiderstands zu verwenden, wobei die Leitungsfasern gleichzeitig als Verstärkungsfasern des Gesamtaufbaus fungieren können. Beispielsweise können derartige Leitungsfasern in einen Faserverbund integriert werden, bei welchem die Leitungsfasern zusammen mit weiteren Verstärkungsfasern in einem Matrixmaterial eingebettet sind, wobei sowohl das Matrixmaterial, als auch die weiteren Verstärkungsfasern eine verschwindende elektrische Leitfähigkeit aufweisen können. Eine Stromquelle kann endseitig an die Leitungsfasern angelegt werden, um einen Heizstrom durch diese zu leiten, z.B. mittels speziell hierfür in den Laminatverbund eingelassenen Stromführungslagen und/oder anderen elektrischen Kontakten.
  • Aufgrund der elektrisch isolierenden Beschichtung der Leitungsfasern können Leckströme oder ähnliche Effekte unterbunden oder sogar vollständig vermieden werden. Die Leitungsfasern können sich sogar ohne weiteres berühren, ohne dass es zu einem Leckstrom oder gar einem Kurzschluss kommen kann. Derartige Beschichtungen von Kohlenstofffasern können mit einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit von bis zu über 700 °C auch in einer Massenfertigung relativ kostengünstig und zeiteffizient hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Kohlenstofffasern der Leitungsfasern direkt als Verstärkungsfasern des Faserverbunds dienen können und gewissermaßen einen natürlichen Bestandteil von diesem bilden, ohne dass es zu Diskontinuitäten oder elektrochemischen Reaktionen kommt. Die elektrisch isolierende Beschichtung kann des Weiteren derart optimiert ausgewählt werden, dass es zu keinen Beeinträchtigungen des Bindungsverhaltens kommt, d.h. die Leitungsfasern ein ähnliches Bindungsverhalten aufweisen wie unbeschichtete Kohlenstofffasern.
  • Beispielsweise können die Leitungsfasern in Form von Einzelfasern, Bündeln, Bändern, Gelegen, Matten, Geweben und/oder Vliesen oder dergleichen angeordnet werden. Prinzipiell können die Leitungsfasern in unterschiedlichen, dem Fachmann bekannten Varianten angeordnet bzw. integriert werden, wie sie aus der allgemeinen Fertigung von Faserverbundbauteilen bekannt sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die Leitungsfasern eine Polymer-Elektrolyt-Beschichtung als elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen.
  • Beispielsweise kann eine feste Polymer-Elektrolyt-Beschichtung verwendet werden (englisch: „solid polymer electrolyte“). Derartige Polymer-Elektrolyt-Beschichtungen können eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, dabei jedoch gleichzeitig hervorragende Bindungseigenschaften für die Einbindung in faserverstärkte Bauteile, z.B. kohlenstofffaserverstärktes Thermoplast, bieten.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann elektrisch isolierende Beschichtung eine Dicke im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 1 Mikrometer aufweisen. Insbesondere kann die elektrisch isolierende Beschichtung eine Dicke von 0,5 Mikrometer aufweisen. Die Kohlenstofffasern können beispielsweise einen Durchmesser zwischen 6 und 7 Mikrometer aufweisen, sodass sich ein Durchmesser der Leitungsfasern von etwa 7 bis 8 Mikrometer ergibt.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die Heizungslage zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Kühlungslage angeordnet sein.
  • Damit kann die Heizungslage so dicht wie möglich an den Energiespeicher herangebracht werden, um dessen Temperatur möglichst effizient und schnell hochfahren zu können, z.B. um den Energiespeicher bei jeder Außentemperatur auf eine optimale Betriebstemperatur zwischen beispielsweise 10°C und 50°C zu bringen. Die Kühlungslage kann hingegen nahe bei einer Außenseite des Strukturbauteils angeordnet sein, um möglichst effizient Wärmeenergie an die Außenwelt abführen zu können.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der elektrische Energiespeicher zwischen zwei elektrothermischen Temperaturregulierungslagen angeordnet sein.
  • In dieser Weiterbildung wird der Energiespeicher somit in optimaler Weise von beiden Seiten gleichzeitig temperiert. Beispielsweise kann der Energiespeicher in Sandwichbauweise zwischen zwei Heizungslagen angeordnet sein, wobei sich an die Heizungslagen außen jeweils eine Kühlungslage anschließen kann.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann das Faserverbundlaminat mehrere strukturell stabilisierende Faserverstärkungslagen umfassen. Die Faserverstärkungslagen können Glasfasern in einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial aufweisen.
  • Damit 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 der elektrische Energiespeicher einen Temperatursensor umfassen. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine aktuelle Temperatur des 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.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die Steuerungseinrichtung als Mikrocontroller in das Faserverbundlaminat integriert sein.
  • Der Mikrocontroller kann hierbei das gesamte System aus Energiespeicher und Temperierungselementen steuern, um Energie zu laden, zu entladen und/oder die Betriebstemperatur des Energiespeichers zu regeln.
  • 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 eines Strukturbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
    • 2 schematische Schnittansicht einer Leitungsfaser aus dem Strukturbauteil aus 1; und
    • 3 schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs mit dem Strukturbauteil aus 1.
  • 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 eines Strukturbauteils 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt eine Leitungsfaser, wie sie in dem Strukturbauteil 1 verwendet wird. 3 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 strukturelles Bauteil einer Primärstruktur des Luftfahrzeugs 100 handeln wie beispielsweise ein tragendes, verbindendes und/oder versteifendes Element eines Rumpfes und/oder eines Flügelholms, z.B. ein Spant, ein Stringer, ein Querträger, ein Balken, ein Hautfeldsegment, ein Verbindungselement oder dergleichen. Hierbei sind unterschiedlichste geometrische gekrümmte oder nicht gekrümmte Formen denkbar, wie sie dem Fachmann aus dem Fahrzeugbau bekannt sind. Rein beispielhaft können die Strukturbauteile 1 stabförmig, ggf. mit einem bestimmten Querprofil wie L, T, Z, Ω etc., oder plattenförmig/flach ausgebildet sein. Grundsätzlich können Strukturbauteile 1, wie sie im Folgenden beschrieben werden, 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 der 1 ist 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 diesem beispielhaften Fall insbesondere 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 einen elektrischen Energiespeicher 3, welcher als mehrlagige elektro-chemische Faserverbundbatterie dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern. Der elektrische Energiespeicher 3 ist hierbei strukturell in das Faserverbundlaminat 2 integriert und zusammen mit diesem 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 1 umfasst der Energiespeicher 3 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.
  • 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.
  • Insgesamt führt dies somit dazu, dass das oder die Strukturbauteile 1 des Luftfahrzeugs 100 mit integrierten Energiespeicherfähigkeiten (Strukturbatterien) versehen werden können, ohne dass eine Verkabelung oder Anschlüsse benötigt werden, da dies über die integrierte Energieübertragung sowie geeignete Steuer- und Kontrolleinrichtungen geregelt werden kann. 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.
  • Die Stromführungslagen 4 sind mit einem Mikrocontroller verbunden, der als Steuerungseinrichtung 5 dazu ausgebildet ist, eine Auf- und Entladung von elektrischer Energie durch den Energiespeicher 3 zu regeln. Der Energiespeicher 3 enthält weiterhin einen Temperatursensor 12, der ebenfalls über einen elektrischen Kontakt 17 mit der Steuerungseinrichtung in Verbindung steht. Die Steuerungseinrichtung 5 ist dazu ausgebildet, eine aktuelle Temperatur des elektrischen Energiespeichers 3 mit dem Temperatursensor 12 zu überwachen.
  • Um die Temperatur des Energiespeichers 3 nicht nur überwachen, sondern darüber hinaus aktiv regeln zu können, umfasst das Faserverbundlaminat 2 weiterhin jeweils oberhalb und unterhalb des Energiespeichers 3 eine elektrothermische Temperaturregulierungslage 4, welche dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Energiespeicher 3 zur Temperaturregulierung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen und von dem elektrischen Energiespeicher 3 abzuführen. Auch diese Temperaturregulierungslagen 4 sind mit der Steuerungseinrichtung 5 verbunden. Die Steuerungseinrichtung 5 ist dabei somit dazu ausgebildet, die Temperaturregulierung des elektrischen Energiespeichers 3 mit den elektrothermischen Temperaturregulierungslagen 4 zu steuern.
  • Jede elektrothermische Temperaturregulierungslage 4 ist von dem Energiespeicher 3 über eine Faserverstärkungslage 11 getrennt, welche Glasfasern in einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial aufweist. Jede elektrothermische Temperaturregulierungslage 4 enthält ferner eine Kühlungslage 6 und eine Heizungslage 7, die ebenso wiederum mittels einer Faserverstärkungslage 11 voneinander und von einer äußeren Oberfläche des Faserverbundlaminats 2 getrennt sind.
  • Die Kühlungslage 6 ist hierbei als Peltier-Element dazu ausgebildet, von dem elektrischen Energiespeicher 3 bedarfsweise thermische Energie zur Abkühlung desselben abzuführen.
  • Die Heizungslage 7 ist andererseits zwischen dem elektrischen Energiespeicher 3 und der Kühlungslage 6 angeordnet und dazu ausgebildet, dem elektrischen Energiespeicher 3 zur Aufheizung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen. Hierzu umfasst die Heizungslage 7 eine Vielzahl von Leitungsfasern 8. Wie in 2 dargestellt ist, umfasst jede Leitungsfaser 8 eine Kohlenstofffaser 9 (hierbei kann es sich um eine Einzelfaser oder ein Faserbündel handeln) mit einer elektrisch isolierenden Polymer-Elektrolyt-Beschichtung 10.
  • Eine derartige elektrochemische Beschichtung kann beispielsweise durch Eintauchen der Kohlenstofffaser 9 in ein geeignetes elektrochemisches Bad erzeugt werden. Beispielsweise kann die Kohlenstofffaser 8 einen Durchmesser von mehreren Mikrometern aufweisen. Eine derartige Polymer-Elektrolyt-Beschichtung kann sehr dünn beispielsweise mit einer Stärke von weniger als einem Mikrometer ausgebildet werden, sodass sich der Gesamtdurchmesser der Leitungsfaser 2 kaum von dem der Kohlenstofffaser 8 unterscheidet.
  • Sowohl die Kühlungslage 6, als auch die Heizungslage 7 sind über entsprechende elektrische Kontakte 17 und/oder Stromführungslagen 16 an die Steuerungseinrichtung 5 elektrisch angebunden, sodass diese zwecks Kühlung oder Aufheizung des Energiespeichers 3 einen entsprechenden Strom in die Kühlungslage 6 oder die Heizungslage 7 leiten kann. Im Fall der Kühlungslage 6 werden die Halbleiterübergänge der Reihe nach von dem Strom durchflossen, sodass ein Temperaturgradient zwischen einer Oberseite und einer Unterseite der Kühlungslage 6 entsteht. Im Fall der Heizungslage 7 durchfließt ein entsprechender Strom die Kohlenstofffasern 9 der Leitungsfasern 8, welche sich aufgrund ihres elektrischen Widerstands aufheizen. Die entstehende Wärme wird in den Energiespeicher 3 geleitet.
  • Diese Ausbildung der Leitungsfasern 8 bietet hierbei mehrere Vorteile für die Verwendung in einem Faserverbundaufbau. Einerseits weist die Leitungsfaser 8 ähnliche Eigenschaften wie eine gewöhnliche Kohlenstofffaser in struktureller Hinsicht als auch in Bezug auf ihre Verträglichkeit mit Faserverbundmaterial auf. Aus diesem Grund kann sie ohne weiteres als Verstärkungsfaser in Faserverbundbauteilen zum Einsatz kommen bzw. in diese integriert werden, ohne dass es zu unerwünschten Reaktionen kommt. Andererseits kann die Polymer-Elektrolyt-Beschichtung als elektrischer Isolator ausgebildet sein, welche eine Leitungsfaser 8 von weiteren Leitungsfasern 8 elektrisch isolieren kann, ohne dass es zu Leckströmen und/oder Kurzschlüssen zwischen mehreren stromdurchflossenen und benachbarten Leistungsfasern 8 kommt. Darüber hinaus ist eine derartige Leitungsfaser 8 ausreichend temperaturbeständig.
  • Es versteht sich, dass das Faserverbundlaminat weiterhin jeweils Signalleitungslagen umfassen kann bzw. dass die Stromführungsschichten 16 zur Signalübertragung verwendet werden können, um den Energiespeicher zu steuern und/oder regeln. Alternativ oder zusätzlich zur Temperatur können auch Ströme und/oder Spannungen innerhalb des Aufbaus gemessen werden. Die daraus basierenden Daten können an ein Batteriemanagementsystem (BMS) weiter geleitet werden, welches beispielsweise in die Steuerungseinrichtung 5 integriert oder mit dieser verbunden sein kann. Anhand der Daten können Rückschlüsse bzgl. Ladezustand etc. gezogen werden und der Energiespeicher 3 entsprechend geregelt werden.
  • Damit wird eine integrierte multifunktionale Faserverbundstruktur geschaffen, welche eine temperaturregelbaren Energiespeicher aufweist, der jederzeit gemäß einem aktuell gewünschten Betriebsmodus aktiv abgekühlt oder aufgeheizt werden kann, wobei aufgrund der Integration des gesamten Aufbaus in ein Verbundlaminat keine separaten Kabel, Leitungen, Kabelhalterungen und/oder Klemmen usw. erforderlich sind. Damit kann auch das dazugehörige Gewicht sowie der normalerweise notwendige Installations- und Montageaufwand und die damit verbundenen Kosten vermieden werden. Das System zeichnet sich dabei durch vernachlässigbare elektrische Widerstandsverluste und hohe Reaktionsgeschwindigkeiten aus.
  • 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
    Energiespeicher
    4
    Temperaturregulierungslage
    5
    Steuerungseinrichtung
    6
    Kühlungslage
    7
    Heizungslage
    8
    Leitungsfaser
    9
    Kohlenstofffaser
    10
    Beschichtung
    11
    Faserverstärkungslage
    12
    Temperatursensor
    13
    Anodenlage
    14
    Elektrolytlage
    15
    Kathodenlage
    16
    Stromführungslage
    17
    elektrischer Kontakt
    100
    Luftfahrzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2852990 B1 [0003]

Claims (11)

  1. Strukturbauteil (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luft- oder Raumfahrzeug (100), wobei das Strukturbauteil (1) ein Faserverbundlaminat (2) aufweist, welches umfasst: einen elektrischen Energiespeicher (3), welcher als mehrlagige elektrochemische Faserverbundbatterie dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in wiederaufladbarer Weise zu speichern; und eine elektrothermische Temperaturregulierungslage (4), welche dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Energiespeicher (3) zur Temperaturregulierung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen und von dem elektrischen Energiespeicher (3) abzuführen; wobei das Strukturbauteil (1) weiterhin umfasst: eine Steuerungseinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, die Temperaturregulierung des elektrischen Energiespeichers (3) mit der elektrothermischen Temperaturregulierungslage (4) zu steuern.
  2. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, wobei die elektrothermische Temperaturregulierungslage (4) eine Kühlungslage (6) und eine Heizungslage (7) umfasst, wobei die Kühlungslage (6) dazu ausgebildet ist, zur Abkühlung von dem elektrischen Energiespeicher (3) bedarfsweise thermische Energie abzuführen, wobei die Heizungslage (7) dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Energiespeicher (3) zur Aufheizung bedarfsweise thermische Energie zuzuführen.
  3. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 2, wobei die Kühlungslage (6) ein Peltier-Element umfasst.
  4. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Heizungslage (7) eine Vielzahl von Leitungsfasern (8) umfasst, die jeweils als Kohlenstofffaser (9) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (10) ausgebildet sind.
  5. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 4, wobei die Leitungsfasern (8) eine Polymer-Elektrolyt-Beschichtung als elektrisch isolierende Beschichtung (10) aufweisen.
  6. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Heizungslage (7) zwischen dem elektrischen Energiespeicher (3) und der Kühlungslage (6) angeordnet ist.
  7. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elektrische Energiespeicher (3) zwischen zwei elektrothermischen Temperaturregulierungslagen (4) angeordnet ist.
  8. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Faserverbundlaminat (2) mehrere strukturell stabilisierende Faserverstärkungslagen (11) umfasst, welche Glasfasern in einem elektrisch isolierenden Matrixmaterial aufweisen.
  9. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der elektrische Energiespeicher (3) einen Temperatursensor (12) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, eine aktuelle Temperatur des elektrischen Energiespeichers (3) mit dem Temperatursensor (12) zu überwachen.
  10. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungseinrichtung (5) als Mikrocontroller in das Faserverbundlaminat (2) integriert ist.
  11. Luft- oder Raumfahrzeug (100) mit einem Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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