电池壳体、电池装置和用于制造电池壳体的方法与流程

本发明涉及一种用于将电池在结构上集成在运输工具、特别是航空飞行器或航天飞行器中的电池壳体、具有这种类型的电池壳体的电池装置以及用于制造这样的电池壳体的方法。

尽管可用于不同的应用，但是将针对客运飞行器更详细地说明本发明及本发明所基于的问题。然而，所描述的方法和装置也可以用于不同的运输工具和运输工业的所有领域，例如用于公路运输工具、用于轨道运输工具、用于飞行器或用于船舶。

背景技术：

锂离子电池可以作为本领域最多样化的领域中的可再充电的蓄能器而存在。特别地，它们在电机动性中用作电动汽车和混合动力运输工具的蓄能器。为此目的，许多制造商在运输工具主体的地板区域中实施成称为电池组的形式的多个电池，例如参见文献de102011005403a1和ep2008354a2。在这种情况下，可能完全需要将数千个单独的电池单元彼此连接，例如柱体直径约为20毫米且长度约为100毫米的锂离子圆形电池单元。然而，在这种情况下追求的一般集成概念并不总是适合于满足飞行器在结构方面的技术要求和约束条件。

文献de102005024408a1描述了一种用于在纤维增强的塑料部件的制造过程中增强泡沫材料的方法，该方法也被称为“穿刺泡沫芯(tied-foam-core)”技术。在该方法中，泡沫材料具有用针引入泡沫材料中的纤维束。在这种情况下，首先用针从一侧在泡沫材料中刺穿通孔，以便之后能够用针拾取位于另一侧的纤维束并将其拉入泡沫材料中。随后将其中有纤维束的通孔用基质材料(例如，合成树脂)渗透，并固化，结果使得泡沫材料被刚性的销刺穿并增强。对于夹层结构，可以在已经施加了覆盖层时进行该渗透步骤，其中覆盖层和增强的芯材料可以一起固化。

技术实现要素：

在这种背景下，本发明基于找到用于将大量电池以成本效益高且同时牢固的方式集成在运输工具中的方案。

根据本发明，这个目的通过具有专利权利要求1的特征的电池壳体、具有专利权利要求9的特征的电池装置和具有专利权利要求17的特征的方法来实现。

根据本发明，提供一种用于将电池在结构上集成在运输工具、特别是航空飞行器或航天飞行器中的电池壳体。该电池壳体包括用于容纳电池的内壳体以及外壳体，外壳体围绕内壳体使得在内壳体和外壳体之间形成腔体，其中，多个销形成在腔体中并且将内壳体连接至外壳体。

此外，提供包括至少一个根据本发明的电池壳体的电池装置。该电池装置还包括设置在至少一个电池壳体的内壳体中的至少一个电池。

此外，提供一种包括根据本发明的电池装置的航空飞行器或航天飞行器。

还提供一种用于制造用于将电池在结构上集成在运输工具、特别是航空飞行器或航天飞行器中的至少一个电池壳体的方法。该方法包括：由泡沫材料形成壳体半外壳，特别是形成两个壳体半外壳，其中每个壳体半外壳在至少一个内侧上都形成至少一个容纳凹部；用相应的覆盖层覆盖内侧和与该内侧相对的外侧；通过销和/或纤维束至少在至少一个容纳凹部的区域中将外侧的覆盖层连接至内侧的覆盖层；在设置有覆盖层的内侧上将壳体半外壳接合在一起以形成壳体外壳，其中，壳体半外壳的容纳凹部在所有情况下都成对地形成用于容纳电池的内壳体，并且壳体外壳的外侧在所有情况下都形成围绕内壳体的外壳体；用基质材料渗透壳体外壳；以及固化壳体外壳以形成至少一个电池壳体。

本发明所基于的概念在所有情况下都在于将电池封装在专用壳体中，其中，内壳体被腔体围着，腔体可用于不同目的并且也被在结构上将内壳体锚固在外壳体中的结构增强的销刺穿。这里，对于本领域技术人员而言，可以根据具体应用的要求在不同的实施方式中有利地对销进行设计、设置和定向。例如，腔体可以用于调节封闭的电池的运行温度，例如通过引导穿过腔体的气流或总体而言的流体流。与用于调节温度的流体不同，在损坏的情况下也可以引入合适的灭火剂或阻燃流体。此外，这种类型的腔体还可以用作出口通道，以便导出在损坏的情况下可能出现的气体或液体。内壳体可以有利地设计成使得电池的热膨胀成为可能，以便满足任何运行条件。在这种情况下，销可以通过柔性的方式将内壳体连接至外壳体，使得内壳体可在一定程度上在外壳体内移动。

电池的这种封装特别是在航空航天领域中具有优势，其中由于高功率要求，根据运输工具必须安装一万或更多个单独的电池或单独的电池单元，例如以给电驱动器供应能量。在这方面，可能需要加热或冷却电池，以便尽可能有效地设定工作点。此外，在运输工具的使用期间(例如，在起飞、着陆、滑行和/或飞行模式等期间)，最佳工作点可能大大改变，其中运输工具的一般运行温度很可能在-55℃和75℃以上之间波动，但至少电池目前应该大致在室温下最佳地运行。除此之外，在运行期间，每个电池产生几瓦的数量级的热能，该热能同样应该被导出。因此，根据使用情况，对于每个单独的电池，可能需要单独地连接和控制或调节，并且在需要时能够更换。本发明现在精确地允许这一点，特别是在损坏的情况下这一点得到保证，由于物理分离，例如相邻的电池不受可能在高压和高温下出现的气体的影响。例如，可以对应有利地选择腔体的尺寸或电池壳体的外部尺寸，以允许穿过腔体的流体的期望的体积流量。

在本发明的上下文内的电池是通用的、可再充电的蓄电器元件。它可以是二次电池(即，在二次元件意义上的单个蓄电器元件)、电池单元、可再充电电池等。然而，根据本发明的电池原则上还包括互连的二次电池和/或互连的蓄电器元件(即，由二次电池单元组成的电池)。在本发明的上下文内的电池特别是包括锂离子电池。本发明主要涉及电池的结构安装或保持。电池的具体电路和连接可以通过本领域技术人员所熟知的任何方式实现。

本发明所基于的另一个概念涉及使用特别适用于纤维复合材料部件的成本高效的大规模制造的方法步骤，其中纤维复合材料部件尤其在航空旅行领域又具有特别的优点。这里，在制造过程中，电池壳体通过泡沫材料在内部限定，该泡沫材料尤其在制造过程中用作成形工具。通过作为支撑材料的泡沫材料，可以在自动化方法中通过有利的“穿刺泡沫芯”技术引入销和/或纤维束(其随后通过树脂渗透而固化以形成销)，以增强壳体并连接内壳体和外壳体。该技术在时间和成本方面特别有效，因此特别适用于相同模件的大规模制造。然后，各个电池壳体可以容易地以不同的设置和取向连接，以形成电池壳体的排、板和/或组，其中可以组合数千个单独的电池。这样的设置也可有利地在用树脂体系渗透之前或在固化之前进行，以实现整体的一体结构。另外，在制造过程中使用的壳体半外壳可用于不同的目的。例如，可以限定腔体，以便引导冷却和/或加热流体等穿过壳体。内壳体和外壳体之间的腔体可以构造成用于紧急情况或故障的安全屏障。

有利的改进和发展从另外的从属权利要求和参照附图的描述中浮现出来。

根据一种改进，可以设置分离层。分离层可以形成在腔体中。分离层可以将内壳体连接至外壳体，使得腔体被分离层分成两个分开的区域。分离层可用于不同的目的和应用。

例如，分离层可以将腔体分成以不透流体的方式分开的两个区域。两个分开的区域可用于在不同方向上引导流体穿过，例如，冷却流体、加热流体、灭火流体等。在一个例子中，一个区域可以用作可能在损坏的情况下从电池泄漏出来的有毒物质的出口通道。相比之下，另一个区域可用于引导冷却液体穿过。

例如，分离层可以设计为电池壳体的加强层。因此，在这种有利的实施方式中，分离层可以用于形成相对于严重的加速度而言坚固的电池壳体。例如，多个电池壳体可以以不同的取向彼此连接，其中分离层用作加强区域。在一个例子中，可以设置由电池壳体组成的板，其中分离层在法线方向上定向。在这种情况下，分离层可以设计用于改善整个组件的抗弯刚度、抗剪切性和/或抗剪切力的刚度。

根据一种改进，该方法还可以包括从电池壳体中移除泡沫材料，以在内壳体和外壳体之间形成腔体。为此目的，例如，可以提供对泡沫材料的机械和/或化学处理，例如，喷砂工艺和/或液体溶剂。

根据一种改进，腔体可以至少部分地填充有泡沫材料。因此，泡沫材料可以至少部分地进入腔体，或者可以回顾性地引入泡沫材料。例如，泡沫材料可用于隔热或用于改善电池壳体的耐火性。例如，泡沫材料可以设置在由分离层限定的一个分开区域中，而另一个区域可以确定用于引导冷却液体穿过或排气。

根据一种改进，内壳体和外壳体可以由塑料形成，特别是由纤维增强的塑料形成。销可以由树脂渗透的纤维束形成。例如，可以使用碳纤维、玻璃纤维和/或芳族聚酸胺纤维等。例如，合成树脂或本领域技术人员已知的其他塑料可用作塑料或基质材料。

根据一种改进，内壳体可以设计成以精确配合的方式容纳电池。在这种情况下，电池在电池壳体内的任何移动都被抑制。这尤其在飞行器的情况下是相关的，因为这里可能在广泛的频率和振幅范围内发生振动，并且还应该在发生冲击或撞击时尽可能好地保护电池。然而，可替代地，也可以在电池和内壳体之间留下一定的间隙。在这种情况下，可以通过附加措施来限制电池的移动。例如，该措施的方式还可以促进各个电池单元的后续更换。

根据一种改进，内壳体可以是用于容纳柱状电池的柱状设计。因此，例如，根据本发明的电池壳体可以设计成用于容纳已知的且可能标准化的锂离子电池。

根据电池装置的一种改进，至少一个电池可以紧固在内壳体中。

根据电池装置的一种改进，至少一个电池可通过一体粘合的方式连接至内壳体。例如，可以用导热粘合剂将电池装配在内壳体中。例如，可以选择可通过辐射等作用溶解的粘合剂，使得电池在损坏的情况下可更换。可替代地或者附加地，至少一个电池可以通过可机械释放的方式紧固在内壳体上，例如，使用机械支架和/或通过插入、点击和/或快动机构。

根据电池装置的一种改进，内壳体与电池一起可以限定中间空间，该中间空间可以填充有低粘度液体。低粘度液体不仅可以限制或几乎完全抑制电池在内壳体内的移动。此外，低粘度液体还可用于热传导，即更有效地冷却和/或加热电池。

根据电池装置的一种改进，可以设置多个电池壳体和多个电池。首先可以在单独的电池壳体单独制造之后将它们彼此连接，例如通过粘接或其他接合方法。其次，包括多个电池壳体的电池装置可以已经直接制造为(一体的)多个模件。

在该改进中，电池装置的各个电池壳体的腔体可以以不透流体的方式彼此分开。这提供了以下优点：电池可以在各个电池壳体中以彼此分离的方式操作。例如，可以在所有情况下都使用腔体来导出和/或导入流体，而不对相邻的电池产生任何影响。

根据一种改进，电池装置可以设计为夹层板、包覆板和/或地板等。在此情况下，根据本发明的电池装置尤其可以设计成在结构上集成有电池的多功能夹层板，例如其可以用作地板并且还可以设置有隔热和/或空调特性。

根据该方法的一种改进，壳体半外壳可以形成有多个容纳凹部，使得同时制造多个电池壳体。

根据该方法的一种改进，可以暂时将形状保持工具引入两个壳体半外壳的容纳凹部中，以在固化期间设定期望的内壳体形状。例如，容纳凹部可以至少暂时填充有金属柱体，该金属柱体在接下来的方法步骤期间确保期望的内壳体形状。

如果需要，上述改进和发展可以根据需要彼此组合。本发明的另外可能的改进、发展和实现方式还包括前面或下面针对示例性实施方式描述的本发明的特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

附图说明

下面将参照示意图中表示的示例性实施方式更详细地说明本发明，在示意性图：

图1示出了包括根据本发明的一种实施方式的电池壳体的电池装置的示意性立体剖视图；

图2示出了根据本发明的另一种实施方式的、包括多个图1中的电池壳体的电池装置的示意性立体剖视图；

图3示出了根据本发明的替代实施方式的、包括多个图1中的电池壳体的电池装置的示意性立体剖视图；

图4a至图4d示出了在使用根据本发明的实施方式的方法的制造期间的不同时间的电池壳体的示意性立体剖视图；

图5示出了来自图4a至图4d的方法的示意性顺序图；以及

图6示出了包括来自图1至图3的电池装置的飞行器的示意性侧视图。

附图标记列表

1-电池壳体；2-电池；3-内壳体；4-外壳体；5-腔体；6-销；7-分离层；8-纤维束；10-电池装置；11-壳体半外壳；12-泡沫材料；13-容纳凹部；14-内侧；15-外侧；16-覆盖层；17-壳体外壳；100-飞行器；m-方法；m1-方法步骤；m2-方法步骤；m3-方法步骤；m4-方法步骤；m5-方法步骤；m6-方法步骤；m7-方法步骤。

附图旨在提供对本发明的实施方式的进一步理解。它们示出了实施方式并结合说明书用来说明本发明的原理和概念。关于附图出现了其他实施方式和许多优点。附图的元件不一定相对于彼此按比例示出。

在附图中，除非另有说明，否则相同的、功能相同的和作用相同的元件、特征和部件均具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了包括根据本发明的一种实施方式的电池壳体1的电池装置10的示意性立体剖视图。

如图6中示意性所示，电池壳体1用于将电池2在结构上集成在运输工具、特别是飞行器100(例如，客运飞行器)中。电池壳体1包括内壳体3和外壳体4，内壳体3中设置有电池2。腔体5形成在内壳体3和外壳体4之间，并用将内壳体3连接至外壳体4的销6贯穿。此外，在电池壳体1的腔体5中形成有分离层7，该分离层7同样将内壳体3连接到外壳体4上。在所示的特定的示例性实施方式中，腔体5被分离层7分成两个分开的区域。

所示的销5的设置在此应理解为仅仅是举例。原则上，可以在不同的实施方式中形成、设置和定向销。在当前的情况下，销5仅将内壳体3连接至外壳体4的上侧和下侧，即连接至相对的侧。类似地，例如，销可以将外壳体4的所有侧都连接至内壳体3。电池壳体1设计成允许电池2的热膨胀，以满足客运飞行器100的各种运行条件。为此目的，销6具有对应的柔性设计，使得内壳体3能够(略微地)在外壳体4内移动。原则上，可替代地或附加地，内壳体3可以由允许内壳体3在热的作用下进行相应的膨胀的合适材料构成。可替代地或附加地，例如，销6可以由具有相应的热膨胀系数的合适材料形成，使得销在温度变化的情况下可变形。内壳体3和外壳体4由纤维增强的塑料构成。销6由树脂渗透的纤维束形成。

内壳体3具有用于容纳柱状电池2的柱状设计。例如，电池2可以是成圆形电池单元的形式并且例如经常用于电动汽车领域的已知类型的锂离子二次电池。电池2原则上可以紧固在电池壳体1的内壳体3中，例如通过导热粘合剂或通过机械支架。内壳体3可以设计用于以精确配合的方式容纳电池2。可替代地，如图1所示，也可以在电池2和内壳体3之间保留中间空间。例如，该中间空间可以用低粘度且足够导热的液体填充，以相对于机械激励振动、冲击和/或撞击实现适当的隔离。

对于电驱动器在典型的客运飞行器100中的集成，如图6所示，需要数千个单独的电池或电池单元或可再充电电池。用于电池支架的结构安装装置必须符合相应的安全规定。此外，数量非常多的单独的电池的安装旨在可能是成本高效且快速的。所示的电池壳体的实施方式现在满足这两个规定。下面将参照图4a至图4d进一步详细说明这样的或类似的壳体的制造方法。这种类型的电池壳体1的结构特性将在下面简要地给出。

由于根据本发明的双壳体，每个电池2都与相邻的电池隔离。首先，通过销6实现电池到外壳体4或电池装置10中的结构稳定的集成。其次，销6结合内壳体3和电池2在内壳体3上的对应紧固允许对于温度引起的材料膨胀变化来说具有一定的柔性。在客运飞行器100的典型使用条件下，运行温度可在-55℃和75℃之间波动。为了确保电池2的最佳运行，可以对应地冷却和/或加热电池2。为此目的，在本实施方式中，由于封装，每个单独的电池也都可以单独地连接和控制或调节。在电池2发生故障或损坏的情况下，相邻的电池不会受到直接影响。例如，可以对应有利地选择腔体5的尺寸，以允许穿过腔体5的流体(例如，气体或液体)的期望的体积流量。例如，腔体5可用于调节封闭的电池2的运行温度，例如通过被引导穿过腔体5的流体流动。此外，腔体5可以用作出口通道，以导出可能在损坏的情况下出现的气体或液体。此外，分离层7也可以通过有利的方式形成。因此，分离层7可以将腔体5分成以不透流体的方式分开的两个区域。可替代地或附加地，分离层7可用作电池壳体1的加强层。这一点旨在参照图2和图3来阐明。

图2示出了包括多个电池壳体1的电池装置10的示意性立体剖视图，每个电池壳体1对应于图1中的电池壳体1。图3同样示出了包括多个电池壳体1的电池装置10的示意性立体剖视图，其中各个电池壳体1的取向与图2中的不同。电池壳体1可以一起或分开制造，其中，例如，在分开制造的情况下，它们可以回顾地彼此附接。

在根据图2的实施方式中，分离层7在所有情况下均水平设置，并且在所有情况下均将电池壳体1的腔体5分成上部区域和下部区域。各个电池壳体1的腔体5在此可以通过不透流体的方式彼此分开。此外，上部区域和下部区域也可以在所有情况下均以不透流体的方式彼此分开。例如，每个腔体5可以分成两个分开的流体通道，流体(例如，冷却或加热液体)在相反的方向上流过这两个流体通道。因此，每个电池壳体1可以与其他电池壳体分开调节。例如，电池装置10可以设计成在结构上集成有电池2的夹层板，例如地板等。例如，为此目的，根据应用，可以用泡沫材料至少部分地填充腔体5，以实现期望的夹层板的绝缘性能等。因此，电池装置10可以形成飞行器100的承载结构，或者可以构成承载结构的一部分。

相比之下，在根据图3的实施方式中，分离层7垂直于水平方向定向。在该实施方式中，分离层7用作电池壳体1或电池装置10的加强层。因此，原则上，可以形成多个单独的电池壳体1的复杂设置，例如，根据图2和图3的多排电池壳体1可以相互叠置、前后设置和/或彼此相邻。可替代地或附加地，例如可以将多个电池壳体1设置在一个平面中，其中电池2在所有情况下都沿着平面的法线方向定向(即，在这种情况下，图2或图3的图像平面可构成电池装置10的平面，其中电池2从平面突出，即垂直于图2或图3的图像平面定向)。

图4a至图4d示出了在使用根据本发明的一个实施方式的方法m的制造期间的不同时间的电池壳体1的示意性立体剖视图。图5示出了来自图4a至图4d的方法m的示意性顺序图。例如，这种方法m可用于制造图1至图3的电池壳体1。

方法m包括在m1期间，由泡沫材料12形成两个壳体半外壳11。在这种情况下，每个壳体半外壳11在内侧14上形成有至少一个容纳凹部13(在所示的例子中具有两个)。泡沫材料可以是任何泡沫材料，例如，pmi硬质泡沫材料。然而，例如也可以使用由聚氯乙烯或聚氨酯构成的其他泡沫材料。方法m还包括在m2期间，用相应的覆盖层16覆盖内侧14和与内侧14相对的外侧15。例如，每个覆盖层16可以由塑料复合材料组成和/或可以包括纺织织物等。方法m还包括在m3期间，通过销6和/或纤维束8至少在至少一个容纳凹部13的区域中将外侧15的覆盖层16连接至内侧14的覆盖层16。销6和/或纤维束8可以施加到覆盖层16上并且牢固地粘合到其上、层压到其中和/或缝合到其上等。在这种情况下，例如可以使用“穿刺泡沫芯”技术。可以在表面上放置附加的纤维材料和/或纤维复合材料的层，例如以覆盖销6和/或纤维束8的突出端部，使得销6和/或纤维束8最终层压在其中并与覆盖层16形成一体连接。

在m4期间，方法m还包括在设置有覆盖层16的内侧14将两个壳体半外壳11接合在一起，以形成壳体外壳17。在这里，两个壳体半外壳11的容纳凹部13在所有情况下都成对地形成用于容纳电池2的内壳体3，壳体外壳17的外侧15在所有情况下都形成围绕内壳体3的外壳体4。在这里，内侧14上的覆盖层16相互叠置，并且组合形成分离层7。为了在随后的方法步骤期间确保期望的内壳体3的形状，可以暂时将形状保持工具(没有示出，例如金属柱体)引入两个壳体半外壳11的容纳凹部13中。随后，在m5期间，用基质材料(例如，合成树脂)渗透壳体外壳17(可选地包括销6和/或纤维束8)，并且在m6期间，固化形成电池壳体10。最后，在m7期间，从电池壳体1中移除泡沫材料，以在内壳体3和外壳体4之间形成腔体5，并且将电池2紧固在内壳体3中。

仅举例来说，图4a至图4d示出了两个电池壳体1的同时制造，每个电池壳体1具有内壳体3、外壳体4和多个销6。不言而喻，通过适当修改的方法m，可以将任意数量的电池壳体1制造成相同或不同的构造。特别地，图1至图3中所示的电池壳体1可以用对应的方法m制造。对应地，图4a的各个半外壳11也可以在两侧获得容纳凹部13，这允许多个电池单元整体更紧密地嵌套在一起。

在所描述的方法m中，泡沫材料用作成形工具并且在后续步骤中再被移除。原则上，本发明还提供了其中泡沫材料至少部分地保留在腔体5中的方法，例如出于绝缘等目的。根据用途，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在各个方法步骤中提供另外的纤维(复合)层以获得某些性能。此外，以这种方式制造的电池壳体1可以通过各种方式组合和接合在一起，以形成由多个电池壳体1组成的排、层或板和/或组。为此目的，还可以修整这些部件。所描述的方法m可以在工业上以自动的方式用于这样的电池壳体1的时间和成本高效的大规模制造，因此特别是对于航空航天领域特别有意义。然而，所描述的方法和装置也可用于不同的运输工具和运输工业的所有领域，例如用于公路运输工具、用于轨道运输工具、用于飞行器或用于船舶。

在前面的详细描述中，在一个或多个例子中组合了用于改善图示的严格性的各种特征。然而，这里应该清楚的是，以上描述仅仅是说明性的，并且不以任何方式具有限制性。它用于覆盖各种特征和示例性实施方式的所有替代、修改和等同物。鉴于以上描述，基于本领域技术人员的专业知识，许多其他例子对于本领域技术人员而言是显而易见的。

已经选择和描述了示例性实施方式，以便能够在实践中尽可能地呈现本发明的基本原理及其应用可能性。因此，专业人员可以针对预期的使用目的以最佳的方式修改和使用本发明及其各种示例性实施方式。在权利要求和说明书中，术语“包括”和“包含”用作对应术语“包括”的中性术语。此外，术语“一”、“一种”和“一个”的使用并不意图在原则上排除以这样的方式描述的多个特征和部件。