用于将电池在结构上集成在运输工具中的电池装置的制作方法

本发明涉及用于将电池在结构上集成在运输工具、特别是航空器或航天器中的电池装置。

虽然可用于各种应用，但是针对客机来更详细地说明本发明及其所基于的问题。然而，所描述的方法和装置同样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、用于飞行器或用于水运工具。

背景技术：

锂离子可再充电电池可以在各种技术领域中被发现作为可再充电的能量存储器。特别地，它们以电动性用作电动汽车和混合动力汽车的能量存储器。为此目的，许多制造商在车辆结构(例如，机动车车身)中以所谓的电池组的形式实施多个电池或电池单元。在这样的电池组或电池组件中，数千个单个的电池可以相互连接，例如具有大约20mm的圆柱直径和大约100mm的长度的锂离子圆形电池。

然而，这里所追求的通用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边界条件。额外的增强措施(例如，额外的增强结构)会立即增加重量并最终增加燃料消耗。

为了尽可能有效地操作这样的电池，在典型的应用中，必须提供电池的主动温度控制。由于高度波动的操作或环境温度，这在航空和航天领域尤为重要。为了适当地控制电池组中的电池的温度，例如可以使用冷却板等装置，其中液体和/或气体通过流体通道冲刷，例如参见文献us8,383,260b2和us2017/0047624a1。这样的冷却装置另外增加了重量。

技术实现要素：

在此背景下，本发明的目的在于找到一种用于以高效且轻便的方式将大量电池单元集成在运输工具中的方案。

根据本发明，上述目的通过具有权利要求1的特征的电池装置和具有权利要求12的特征的航空器或航天器来实现。

因此，提供了一种用于将电池在结构上集成在运输工具中的电池装置。电池装置包括：至少一个电池；支撑性的两个冷却板，至少一个电池在两侧通过电池座保持在这两个冷却板之间；以及多个连接杆，其将两个冷却板相互连接。

还提供了具有根据本发明的电池装置的航空器和航天器。

本发明所基于的一个构思是使冷却板是多功能的，使得它们除了热功能之外还承担结构功能。一方面，冷却板用于控制电池的温度，也就是说，特别地用于散发由电池产生的热量。另一方面，根据本发明的冷却板用作结构部件，并且以这种方式有助于电池装置或运输工具的结构完整性。为此目的，根据本发明的电池装置以及因此电池本身由两个冷却板承载。附加的连接杆用于增强针对拉伸应力的设置。然而，压缩力和剪切力也可以直接通过至少一个电池或电池单元传导，也就是说，至少一个电池可以承担至少一些载荷。这可以节省额外的结构增强部件，这又优化部件的数量并最终优化重量。换言之，这些措施可用于改善电池装置或运输工具的重量相关的能量或功率密度。此外，由于载荷可以通过电池装置进行传导，因此电池装置可以在一定程度上替代现有结构。

本发明意义上的电池是一般的可再充电的电存储元件。其可以是蓄电池，也就是说是在二次元件、可再充电电池单元、电池单元等意义上的单个存储元件。然而，原则上，根据本发明的电池同样包括互连的蓄电池和/或互连的存储元件，也就是说包括蓄电池的电池。本发明意义上的电池特别地包括锂离子可再充电电池。电池座可以特别地设计成容纳圆柱形的电池或电池单元。

有利的构造和改进从进一步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，在每种情况下，一个冷却板可以通过剪切销连接至一个电池座。在这种情况下，剪切销尤其用于吸收作用在电池或冷却板上的剪切力。替代地或补充地，电池座可以通过另一种方式连接至冷却板，例如使用诸如粘合剂或焊接连接的整体材料连接。

根据一种改进，剪切销可以包含塑料材料。特别地，剪切销可以由塑料材料制成。与具有金属材料的变型相比，选择塑料材料可以减轻重量。由于在许多应用中出现的剪切力显著低于例如作用在电池装置上的拉伸力和/或压缩力，因此塑料材料提供了重量有效的方案。此外，以这种方式排除了具有至少一个电池的电连接的电短路。

根据一种改进，至少一个电池可以在两侧通过形状配合的方式安装在电池座中。例如，电池座可以由塑料制成。形状配合的连接在最大可能的程度上避免了公差。然而，原则上，同样提供了替代的实施方式。例如，电池可以通过导电弹簧在一侧或两侧连接至集电器，而电池不必以另一种方式连接至集电器，例如使用常规惯用的焊接连接。另一方面，这样的弹簧自动补偿公差。例如，可以使用导热粘合剂将至少一个电池紧固至电池座。然而，原则上，为了紧固至少一个电池，同样可以提供机械保持器和/或插入式、卡入式和/或卡扣式机构等。

根据一种改进，电池座可以是在一侧具有用于容纳至少一个电池的电池插座的板的形式。例如，每个电池座可以可释放地或不可释放地紧固至对应的冷却板，例如通过粘接连接和/或螺钉、插入或铆钉连接等。为了安装，最初可以将至少一个电池在一侧引入一个冷却板的电池座中并紧固。在第二步骤中，可以附接第二冷却板的电池座并且可以将其与该结构一起插入，使得至少一个电池的另一侧被引入另外的电池座中。

根据一种改进，还可以提供两个集电器，至少一个电池分别在两侧电连接至该两个集电器。例如，可以将汇流条(例如，铜导轨)分别应用于每个冷却板，电池座又可以粘接至该汇流条上(例如，电池座可以具有塑料和/或可以由塑料制成)。电池座还可以具有电池插座，电池插座设计有通向对应的集电器的通孔或通道。例如，至少一个电池可以通过传统的方式焊接到汇流条上，或者可以通过另一种方式电连接至汇流条。在金属冷却板的情况下，为了避免冷却板与集电器或汇流条之间的电短路，还可以在集电器下方将电绝缘层施加到冷却板上。电池的具体电布线和连接可以通过本领域技术人员熟悉的任何所需方式进行，例如以串联和/或并联电路的形式。

根据一种改进，冷却板可以由金属材料一体地制成并且具有多个流体通道。另一方面，为了减轻重量，电池座可以由塑料或另一种轻质材料形成。例如，冷却板可以由金属、金属合金、金属材料和/或这些材料的组合制成。在一个具体的例子中，冷却板由钛制成。为了制造冷却板，例如可以使用增材方法，其中冷却板完全一体地制成，而无需特别的劳动、额外的安装步骤或甚至手动工作。原则上，冷却板可以由对于增材方法所已知的所有材料或材料的组合制成。

在生成或增材制造方法(通常也称为“3d打印方法”)中，从物体的数字化几何模型出发，一种或多种原材料依次上下层叠成层并硬化。例如，在选择性激光熔化(slm)的情况下，通过将粉末形式的成型材料(例如，塑料或金属)施加于基板上并通过局部激光辐照以有针对性的方式液化它，由该成型材料构造成层的部件，由此在冷却后产生固体粘结部件。3d打印提供了非凡的设计自由度，并且尤其允许以合理的劳动制造不能使用传统方法制造或者只能以相当大量的劳动制造的物体。出于这个原因，3d打印方法目前广泛应用于工业设计、汽车工业、航空航天工业或一般的工业产品开发中，其中资源有效的工艺链用于个体化部件的适当的小规模和大规模制造。

3d打印方法在当前情况下特别有利，因为它们可以制造铸造方法中的三维部件，而不需要与部件的外部形状匹配的特殊的制造工具。这可以实现零件和部件的高效、节省材料和节省时间的制造过程。这样的3d打印方法在航空和航天领域特别有利，因为该领域使用非常多与特定的预期目的相匹配的不同部件，并且这些部件可以通过这样的3d打印方法来制造，而且成本低、制造前期准备时间短并且制造所需的制造设施的复杂性小。在本申请意义上的3d打印方法包括所有生成或增材制造方法，其中具有预定形状的物体通过特殊的生成制造系统中的化学和/或物理过程由不定形的材料(例如，液体和粉末)或中间形状的半成品(例如，带或线形式的材料)基于几何模型来制造。在本申请意义上的3d打印方法在这种情况下使用增材方法，其中原材料以预定形状依次构造成层。

根据一种改进，连接杆可包含金属材料。特别地，连接杆可以由金属材料制成。例如，连接杆可以包含金属、金属合金、金属材料和/或这些材料的组合和/或由它们制成。因此，以这种方式，连接杆可以具有用于吸收相对较大的拉伸载荷和/或压缩载荷的坚固的设计。

根据一种改进，还可以设置至少两个侧壁，其封闭冷却板，在冷却板之间具有至少一个电池。例如，侧壁可以由塑料、陶瓷材料、金属材料或这些材料的组合制成。因此，原则上，侧壁可以在一定程度上与冷却板相互作用地形成电池装置的壳体，而至少冷却板也承担结构任务。

根据一种改进，至少一个侧壁可以是具有多个冷却肋的热交换器的形式。在该实施方式中，特别地，由金属材料设计对应的侧壁是合适的。冷却肋特别有利于将电池产生的热量散发到外部。

根据一种改进，侧壁可以封闭多个冷却板，在多个冷却板之间具有电池。通常，其间保持有电池的一组两个冷却板可以分别被解释为电池模块。例如，多个这样的电池模块可以彼此组合，以形成具有大量单个电池的电池组件。在这种情况下，多个电池模块可以通过侧壁封闭。

根据一种改进，电池装置可以通过至少两个侧壁连接至航空器或航天器，该至少两个侧壁封闭冷却板，在冷却板之间具有至少一个电池。例如，侧壁可以具有用于连接至运输工具的紧固点和/或装置，例如凸耳、孔等。因此，在本发明的这种构造中，侧壁用作与对应的运输工具的安装接口。因此，在该实施方式中，载荷路径从各个电池或电池单元经由电池座延伸至冷却板，并且从冷却板经由侧壁延伸至运输工具。

如果有用的话，上述构造和改进可以通过任何期望的方式彼此组合。本发明的其他可能的构造、改进和实施方式还包括在上文或下文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

下面基于示意图中表示的示例性实施方式更详细地说明本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的电池装置的各个部分的示意性剖视图；

图2示出了处于安装状态的图1的电池装置的示意性剖视图；

图3示出了图2的电池装置的示意性立体图；

图4示出了图2的电池装置的示意性立体图，该电池装置具有附加的侧壁；

图5示出了根据本发明另一个实施方式的电池装置的示意性立体图；以及

图6示出了具有图1至图5中的一个电池装置的飞行器的示意性侧视图。

附图标记列表

1-电池；2-冷却板；3-电池座；4-连接杆；5-剪切销；6-电池插座；7-流体通道；8-侧壁；9-冷却肋；10-电池装置；11-绝缘层；12-集电器；13-(通)孔；14-紧固螺母；15-凸耳；100-飞行器。

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，并结合说明书用于说明本发明的原理和概念。关于附图，浮现出其他实施方式和提及的许多优点。附图中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示出了根据本发明的一个实施方式的电池装置10的各个部分的示意性剖视图，而图2和图3描绘了处于安装状态的图1的电池装置(图3以简化的方式仅示出了单个电池)。

电池装置10用于将电池1在结构上集成在运输工具、特别是图6中示意性所示的飞行器100(例如，客机)中。电池装置10包括多个电池1(例如，各个锂离子电池单元)，该多个电池在两侧通过电池座3保持在支撑性的两个冷却板2之间。在这种情况下，冷却板2具有多个流体通道7，这些流体通道被设计成引导流体，即气体和/或液体。电池装置10还包括多个连接杆4和多个剪切销5，多个连接杆4将两个冷却板2相互连接，多个剪切销5将冷却板2连接至电池座3。为了安装连接杆4和剪切销5，冷却板2和电池座3相应地设计有通孔13，销或杆可以穿过通孔13。可以采取不同的措施进行紧固。例如，连接杆4和/或剪切销5可以使用粘合剂粘接至冷却板2或电池座3。在另一个例子中，例如，连接杆4和/或剪切销5可以具有外螺纹，紧固螺母14可以拧到该外螺纹上。补充地或替代地，通孔13可包括对应的内螺纹。将向本领域技术人员揭示各个部件能够相互连接的多种方案。例如，电池座3可以另外粘接至冷却板2。

在该实施方式中，冷却板2用作支撑结构部件，其不仅将电池1保持和固定在飞行器100中，而且还这样用于在结构上增强飞行器100。在这种情况下，通过将冷却板2相互连接并与电池座3连接的连接杆4和剪切销5实现了相对于拉力或压力和剪切力的稳定性。在该实施方式中，冷却板2有利地使用增材方法由钛或钛合金(也就是说，具有高强度和相对较低的密度的高度稳定的材料)一体地制成。在这种情况下，3d打印方法可以完全在一个工艺步骤中制造包括通孔13和流体通道7的冷却板2，这使用传统方法只有以相当大量的劳动才可行。连接杆4同样由金属材料形成，例如同样由钛或钛合金制成。相比之下，为了使重量最小化，在该示例性实施方式中为剪切销5提供塑料材料。

电池座3还具有电池插座6，电池插座6以精确配合的方式容纳每个单独的电池1。例如，电池插座6可以是圆柱形的，以容纳一个或多个圆柱形的电池1。例如，电池1可以是已知类型的锂离子二次电池，其为圆形电池的形式并且例如经常用于电动汽车的领域。原则上，每个电池1可以紧固在电池插座6中，例如使用导热粘合剂或机械支架。在每个电池座3和相应的冷却板2之间分别设置有集电器12(例如，诸如铜导轨等汇流条)，从而可以将相应的电池1电连接在电池插座6内部。为此目的，例如可以将电池焊接到汇流条上。为了避免电短路，在对应的冷却板和集电器12之间还设置有绝缘层11。电池座3可以由具有高导热率的材料以板的形式制成。

在该示例性实施方式中，冷却板2不仅用于冷却或控制电池1的温度。另外，冷却板2还用于固定电池1。在这种情况下，冷却板2是具有支撑或增强功能的结构部件，因此是多功能的。这可以节省先进的结构增强部件，因此减轻重量并最终节省燃料。冷却板2还可以连接至单独的外部热交换器(没有示出)，以消除产生的热量或功率损失。

图4示出了图2和图3的电池装置10的示意性立体图，该电池装置具有两个附加的侧壁8。两个侧壁8以壳体般的方式封闭其间具有电池1的冷却板2，并且还用于将电池装置10安装或连接至飞行器100内。为此目的，侧壁8具有(紧固的)凸耳15。为了散发由电池1产生的热量，侧壁8还至少部分地设计有冷却肋9。就像冷却板2一样，侧壁8也可以由金属材料(例如，钛)制成。

图5纯粹通过举例的方式示出了根据本发明的另一个实施方式的完全组装好的电池装置10，其中多个电池1通过多个冷却板2保持。在这种情况下，基本结构可以对应于图1至图4的结构。因此，这里电池1也通过冷却板2和侧壁8以壳体般的方式被封闭。因此，载荷路径从各个电池1或电池单元经由电池座3延伸至冷却板2，并且从冷却板2经由侧壁8延伸至飞行器100。然而，图5通过举例的方式示出了电池1的两个模块，每个模块保持在两个冷却板2之间。这旨在表明原则上可以通过侧壁8封闭多个这样的模块或类似的模块，而不需要安装非常多个电池1。

在前面的详细描述中，出于改善图示的严谨性的目的，已经在一个或多个例子中组合了各种特征。然而，应该清楚的是，以上描述仅仅是说明性的，而绝不是限制性的。它用于覆盖各种特征和示例性实施方式的所有替代方式、修改和等同物。鉴于以上描述，基于本领域技术人员的技术知识，本领域技术人员将立即且直接地清楚许多其他例子。

已经选择和描述了示例性实施方式，以便能够以最佳可能的方式给出本发明的基本原理及其在实践中的应用可能性。结果，本领域技术人员可以针对预期的使用目的最佳地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“包含”和“具有”用作对应术语“包括”的中性语言概念。此外，术语“一个”、“一种”和“一”的使用原则上不应排除以这种方式描述的多个特征和部件。