用于交通工具的结构构件的制作方法

1.本发明涉及一种用于交通工具、尤其航空器或航天器的结构构件。本发明还涉及一种具有这样的结构构件的航空器或航天器。


背景技术：

2.尽管可以在各式各样的应用中使用，但是将参照乘用飞行器对本发明及本发明所基于的问题进行详细解释。然而所述方法和装置同样可以用于各种交通工具和交通运输行业的所有领域，例如用于道路交通工具、轨道交通工具、航空器和水上交通工具。
3.最近，尤其在航空领域中，为了减轻重量而越来越多地提出将电能量储存器并入到飞行器的纤维复合结构中，例如其方式为：由功能多层层压件构建电化学电池单体，然后将电化学电池单体材料配合地整合到飞行器构件的分层纤维复合结构中。对于结构复合电池(例如锂离子电池单体)，碳纤维由于其机械特性并且锂离子容易嵌入而适合于作为电极。碳纤维具有高刚度和强度，这提供了机械增强和对于进出电池单元的电子传输而言有利的导电特性。作为用于在电极之间传输离子的分隔部，可以使用聚合物，以便粘合纤维并且形成复合电池。因此，例如文献ep 2 852 990 b1描述了这样的电池单体在不同的结构构件中的制造和应用。
4.在电池的这种结构整合的过程中还出现的问题是，如何能够对电池进行对于电池的尽可能高效的运行而言必需的主动温度调节。尤其在航空和航天领域中由于运行温度或环境温度强烈波动，这一点至关重要。
5.这些文献(即，leijonmarck等人的“solid polymer electrolyte-coated carbon fibres for structural and novel micro batteries(用于结构和新型微电池的固体聚合物电解质涂层碳纤维)”，复合材料科学与技术，2013年第89期第149至157页，以及asp等人的“realisation of structural battery composite materials(结构电池复合材料的实现)”，第20届复合材料国际会议，哥本哈根，2015年7月19日至24日)描述了涂层碳纤维在结构电池中的使用。碳纤维具有借助电化学浴施加的几百纳米厚度的固体聚合物电解质涂层(典型的碳纤维直径为约6微米至7微米)。该涂层尤其电绝缘地起作用，其中纤维直径由于涂层而仅增大了大约一微米。这样的涂层可以承受几百摄氏度的温度。


技术实现要素：

6.在此背景下，本发明的目的在于，找到一种针对对交通工具结构中的结构电池进行温度调节的特别简单且轻量的解决方案。
7.根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1所述特征的结构构件并且通过一种具有权利要求11所述特征的航空器或航天器来实现。
8.因此，提供一种用于交通工具、尤其航空器或航天器的结构构件。所述结构构件具有纤维复合层压件。所述纤维复合层压件包括：电能量储存器，所述电能量储存器作为多层的电化学纤维复合电池被设计成用于以可重复充电的方式储存电能；以及电热温度调节
层，所述电热温度调节层被设计成为了调节温度而根据需要将热能供应到所述电能量储存器以及从所述电能量储存器排出热能。所述结构构件还包括控制装置，所述控制装置被设计成用于借助所述电热温度调节层来控制对所述电能量储存器的温度调节。
9.此外，提供一种具有根据本发明的结构构件的航空器或航天器。
10.本发明所基于的基本思想是将主动的加热层和冷却层整合到同一层压件中，结构电池层也被并入到该层压件中。基于这样的多功能层压件，获得了在层压件内直接调节结构电池的温度的可能性。由于这种调节，例如可以改善在冷条件下的容量和/或防止过热(热失控)。由于电池和加热元件或冷却元件都被直接整合到层压件中，因此可以省去电缆、线路、插接头、夹子、支架等，从而简化了整体基础设施。由此可以大幅节省重量和安装费用。此外，实际上不再出现电阻损耗。通常，由于所有元件彼此靠近地处于经整合且紧凑的构造中，因此可以提高整个系统的(结构)效率和效益。
11.原则上，本发明使得交通工具的主结构(例如飞行器的机身和/或机翼)能够被设计为结构上的能量储存器，例如用于给交通工具上的用电器供电和/或用于实现电驱动。为此，可以提供由增强纤维(例如碳纤维、玻璃纤维等)、适合的基质材料(合成树脂、电解质聚合物等)和功能元件(冷却元件、加热元件、触头、电极、导体轨道等)构成的相应的多层层压件，该多层层压件通过加载压力和温度而硬化成刚性的结构，其中层压结构的电流引导层可以作为电接头起作用。因此，能量储存器和温度调节层都已经可以在结构构件的结构制造期间被并入到该结构构件中并且与该结构构件共同地被硬化成一件式的结构。控制装置在此可以管理结构构件的电气基础设施，包括：能量储存器的充电和放电、温度调节以及从交通工具的其他部件和向交通工具的其他部件的能量传输。
12.有利的设计方案和改进方案由其他从属权利要求以及由参照附图的描述得出。
13.根据改进方案，所述电热温度调节层可以包括冷却层和加热层。所述冷却层可以被设计成为了进行冷却而根据需要从所述电能量储存器导排出热能。所述加热层可以被设计成为了加热而根据需要将热能供应到所述电能量储存器中。
14.由此，冷却功能和加热功能在不同的层中实现，这些层能够相应地针对其目的而进行优化。然而替代性地，这两个方面也可以由单个层来接管。例如，温度调节层可以被设计为珀尔帖元件(peltier-element)，珀尔帖元件可以用于冷却和加热(在电流反向时)。
15.根据改进方案，所述冷却层可以包括珀尔帖元件。
16.珀尔帖元件是电热转换器，其基于珀尔帖效应在电流流经时产生温度差并且因此尤其能够用于冷却(在该情况下也称为珀尔帖冷却器或tec，“热电冷却器”)。具体而言，在两个电绝缘、但导热的接触板或接触箔之间的珀尔帖元件中串联有具有不同能级(p传导或n传导)的传导带的两个半导体材料的半导体过渡部，其方式为：通过金属桥将由p掺杂和n掺杂的半导体材料(例如碲化铋、硅锗)构成的多个块交替地在顶侧和底侧上彼此接触。金属桥同时形成热接触面并且通过平放的箔或板绝缘。所提供的电流由于串联电路而依次流过所有块。根据电流强度和电流方向，一侧冷却，而另一侧加热。因此，电流将热从一侧泵送到另一侧并且在板/箔之间产生温度差。
17.由于珀尔帖元件的基本结构，珀尔帖元件可以在没有大的耗费的情况下整合到多层的复合层压件的层结构中。例如，接触可以在外部板的边缘处藉由电接头进行，例如藉由在层压件或另一电触头内的电流引导层。藉由该接头，珀尔帖元件既能够被供应电能，又能
够被控制。
18.根据改进方案，所述加热层可以包括多个传导纤维。所述传导纤维可以分别被设计为具有电绝缘涂层的碳纤维。
19.该改进方案的基本构思是，将经涂覆的碳纤维用作为用于实现加热电阻的电导体，其中传导纤维能够同时用作整体结构的增强纤维。例如，这样的传导纤维可以被整合到纤维复合物中，其中传导纤维与另外的增强纤维一起被嵌入基质材料中，其中基质材料和另外的增强纤维都可以具有消失的导电性。电流源可以在端侧被施加到传导纤维上，以便将加热电流传导通过传导纤维，例如借助于为此专门嵌入到层压复合物中的电流引导层和/或其他的电触头。
20.由于传导纤维的涂层电绝缘，可以抑制或甚至完全避免漏电流或类似的效应。传导纤维甚至可以毫无问题地接触，而不会出现漏电流或者甚至短路。这样的碳纤维涂层以直至超过700℃的极高耐热性，即使在大量生产中也可以相对成本有利地并且时间有效地在批量生产中制造。另外的优点在于，传导纤维的碳纤维可直接用作纤维复合物的增强纤维并且在一定程度上形成其天然的组成部分，而不会出现不连续性或电化学反应。此外，可以优化地选择电绝缘的涂层，使得不会出现结合特性的损害，也就是说，传导纤维具有与未经涂覆的碳纤维类似的结合特性。
21.例如，传导纤维可以以单纤维、束、带、基底(gelegen)、垫、织物和/或无纺布等的形式来布置。原则上可以以不同的、本领域技术人员已知的变型方案来布置或整合传导纤维，如其从纤维复合构件的一般制造中已知的那样。
22.根据改进方案，所述传导纤维可以具有聚合物电解质涂层作为电绝缘涂层。
23.例如，可以使用固体聚合物电解质涂层(英文：“solid polymer electrolyte”，固体聚合物电解质)。这种聚合物电解质涂层可以具有高的耐热性，然而在此同时提供了用于结合到纤维增强的构件(例如碳纤维增强的热塑性塑料)中的出色的结合特性。
24.根据改进方案，电绝缘涂层所具有的厚度可以在0.1微米至1微米范围内。尤其，电绝缘涂层所具有的厚度可以为0.5微米。碳纤维例如可以具有介于6微米与7微米之间的直径，从而使得传导纤维的直径为约7微米至8微米。
25.根据改进方案，所述加热层可以被布置在所述电能量储存器与所述冷却层之间。
26.因此使加热层能够尽可能靠近能量储存器，以便能够尽可能有效并且快速地提高能量储存器的温度，例如以便使能量储存器在每个外部温度的情况下达到例如10℃与50℃之间的最优的运行温度。相反，冷却层可以被布置在结构构件的外侧附近，以便能够尽可能有效地将热能排出到外界。
27.根据改进方案，所述电能量储存器可以被布置在两个电热温度调节层之间。
28.由此在该改进方案中，以最佳的方式从两侧同时对能量储存器进行调温。例如，能量储存器可以以夹层构造方式被布置在两个加热层之间，其中在这些加热层外部可以相应地连接冷却层。
29.根据改进方案，所述纤维复合层压件可以包括结构稳定的多个纤维增强层。所述纤维增强层可以在电绝缘基质材料中具有玻璃纤维。
30.因此，至少在电气基础设施的区域中能够使用具有可忽略的导电性的材料，例如使用玻璃纤维作为增强纤维以及使用合成树脂作为基质材料。
31.根据改进方案，所述电能量储存器可以包括温度传感器。所述控制装置可以被设计成用于借助所述温度传感器来监测所述电能量储存器的当前温度。
32.例如，相应的温度传导可以直接被引入到能量储存器的电解质层中。为了进行读取，温度传感器例如可以在侧向由复合层压件的层结构接触并且与控制装置电耦联。
33.根据改进方案，所述控制装置可以作为微控制器被整合到所述纤维复合层压件中。
34.在此，微控制器可以控制由能量储存器和调温元件构成的整个系统，以便充、放能量和/或调节能量储存器的运行温度。
35.只要有意义，上述设计方案和改进方案可以任意地相互组合。本发明的其他可能的设计方案、改进方案和实施方案也包括本发明的前面或者下面关于实施例所描述的特征的未明确提到的组合。在此，本领域技术人员尤其也将单独的方面作为改进内容或补充内容添加到本发明的相应的基本形式中。
附图说明
36.下面借助于在示意图中给出的实施例来更详细地阐述本发明。在附图中：
37.图1示出了根据本发明的实施方式的结构构件的示意性截面图；
38.图2示出了图1的结构构件中的传导纤维的示意性截面图；以及
39.图3示出了具有图1的结构构件的航空器的示意侧视图。
40.附图应当促成对本发明实施方式的进一步理解。附图阐明了实施方式并且与说明书相结合用于解释本发明的原理和方案。其他的实施方式和所提到的优点中的许多优点都从查看附图而得出。图中的元件不一定相对于彼此按比例示出。
具体实施方式
41.在附图的图示中，相同的、功能相同的和相同作用的元件、特征和部件(只要没有另外说明)分别设有相同的附图标记。
42.图1示出了根据本发明的实施方式的结构构件1的示意性截面图。图2示出了传导纤维，如在结构构件1中所使用的传导纤维那样。图3是具有这样的结构构件1的航空器100(例如，乘用飞行器)的侧视图。
43.结构构件1尤其可以是航空器100的主结构的结构构件，例如机身和/或翼梁的承载的、连接的和/或加固的元件(例如隔框、桁条、横梁、梁、蒙皮块节段、连接元件等)。在此可以设想各种不同的几何弯曲的或不弯曲的形状，如对于本领域技术人员来说从交通工具结构所已知的那样。仅示例性地，结构构件1可以棒形地(必要时以确定的横向轮廓如l、t、z、ω等)或板形/扁平地设计。原则上，如下文所述的结构构件1不仅可以用于飞行器中，而且可以用于通用航空器或运输行业中的其他应用(例如陆地、水上或轨道交通工具)。
44.图1的结构构件1被制造成由多个纤维复合层构成的纤维复合层压件2，如本领域技术人员原则上由用于制造结构构件的飞行器制造中已知的那样。换句话说，这种层压结构的层形成构件1的承载结构。
45.为此，纤维复合层压件2在该示例情况下尤其包括由玻璃纤维复合材料构成的多个纤维增强层11。这些层一方面起稳定结构的作用。另一方面，具体地，玻璃纤维是电绝缘
的并且在与相应基质材料(例如，合成树脂)组合的情况下可以使纤维复合层压件2的导电层或功能层彼此分离(如将在下面描述的那样)。
46.纤维复合层压件2还包括电能量储存器3，该电能量储存器作为多层的电化学纤维复合电池被设计成用于以可重复充电的方式储存电能。在这种情况下，电能量储存器3在结构上整合到纤维复合层压件2中并且与该纤维复合层压件一起制成。这意味着，航空器100的承载结构可以储存能量以及调用能量并且使能量可供使用，例如用于航空器100的乘客舱、驾驶舱或货舱中的用电器和/或用于航空器100的电驱动器。
47.在过去的几十年中，在航空和航天领域中具有层压复合材料的结构应用有所增加。在此，层压复合结构由正交各向异性材料的层构成。使用纤维增强复合材料比常规材料的优点尤其包括较低的自身重量、高的比强度、优异的疲劳强度、高的刚度重量比以及设计灵活性。
48.结构电池例如可以包括碳纤维作为阳极(例如嵌入到适合的粘合聚合物中)、由经涂覆的碳纤维构成的阴极(例如lifepo4涂覆，即利用基于锂金属氧化物的颗粒涂覆，并且同样嵌入到相应的结构电解质聚合物中)、带有经嵌入的玻璃纤维的用于分离电极和用于进一步传输离子的分隔部、适合的电解质材料(例如聚乙二醇电解质的聚合乙烯基酯衍生物)以及用于连接到外部电路上的集流器或集电器(例如由金属材料制成的附加涂覆层/涂层)。由于储存能量的整合能力，这种材料组合提供了显著的系统级的重量减轻。对于结构复合电池，碳纤维由于其机械特性并且锂离子容易嵌入而特别适合于作为电极。碳纤维具有高刚度和强度，这提供了械增强和对于进出电池(单体)的电子传输而言有利的导电特性。
49.在图1的示例中，能量储存器3包括具有位于最下方的阳极层13的堆叠结构，例如嵌入在结构固体电解质(例如富含锂离子的合成树脂)中的碳纤维。在阳极层13上有包含玻璃纤维的电解质层14。在该电解质层上又存在具有碳纤维的阴极层15(例如lifepo4涂覆并且同样嵌入到固体电解质中)。这两个电极层13、15在此与电流引导层16接触，这些电流引导层例如可以具有金属(例如铝、铜膜等)。
50.在此应理解的是，能量储存器的上述具体实施方案仅是示例性的，并且本领域技术人员可以替代性地或附加地使用所有已知的技术解决方案来实现在结构上经整合的能量源。
51.总之，这由此促使，航空器100的一个或多个结构构件1可以设有经整合的能量储存器能力(结构电池)，而不需要布线或接头，因为这可以经由经整合的能量传输装置以及适合的控制装置和监控装置来调节。因此，提供了一种具有快速充电和放电能力的结构能量储存和供应，而无需接头、线路、线束，并且不需要装配时的通常与之相关的安装耗费。
52.电流引导层4与微控制器相连接，该微控制器作为控制装置5被设计成用于调节通过能量储存器3的电能的充电和放电。此外，能量储存器3包括温度传感器12，该温度传感器同样藉由电触头17与控制装置连接。控制装置5被设计成用于借助温度传感器12来监测电能量储存器3的当前温度。
53.为了不仅能够监测能量储存器3的温度，而且此外还能够主动地调节能量储存器的温度，纤维复合层压件2还相应地在能量储存器3上方和下方具有电热温度调节层4，该电热温度调节层被设计成为了调节温度而根据需要将热能供应到电能量储存器3以及从电能
量储存器3排出热能。这些温度调节层4也与控制装置5相连接。控制装置5在此因此被设计成用于借助电热温度调节层4来控制对电能量储存器3的温度调节。
54.每个电热温度调节层4与能量储存器3通过纤维增强层11分离，该纤维增强层在电绝缘的基质材料中具有玻璃纤维。每个电热温度调节层4还包括冷却层6和加热层7，冷却层和加热层也进而借助于纤维增强层11彼此分离并且与纤维复合层压件2的外表面分离。
55.冷却层6在此被设计为珀尔帖元件，以用于为了冷却电能量储存器而根据需要从电能量储存器3排出热能。
56.另一方面，加热层7被布置在电能量储存器3与冷却层6之间并且被设计成为了进行加热而根据需要将热能供应到电能量储存器3。为此，加热层7包括多个传导纤维8。如图2所示，每个传导纤维8包括具有电绝缘的聚合物电解质涂层10的碳纤维9(在此，碳纤维可以是单纤维或纤维束)。
57.这样的电化学涂层例如可以通过将碳纤维9浸入适合的电化学浴中来产生。例如，碳纤维8可以具有几微米的直径。这样的聚合物电解质涂层可以非常薄地构造，例如其所具有的厚度小于一微米，从而使得传导纤维2的总直径几乎不与碳纤维8的总直径不同。
58.冷却层6和加热层7都藉由相应的电触头17和/或电流引导层16电连接到控制装置5上，从而使得控制装置为了冷却或加热能量储存器3而可以将相对应的电流引导到冷却层6或加热层7中。在冷却层6的情况下，电流依次流过半导体过渡部，从而在冷却层6的定侧和底侧之间产生温度梯度。在加热层7的情况下，相对应的电流流过传导纤维8的碳纤维9，该传导纤维由于其电阻而发热。所产生的热量被传导到能量储存器3中。
59.在此，传导纤维8的这种设计方案为在纤维复合结构中的应用提供了多个优点。一方面，传导纤维8在结构方面以及在其与纤维复合材料的相容性方面具有与普通碳纤维类似的特性。出于这个原因，传导纤维可以容易地作为增强纤维用在纤维复合构件中或者整合到这些纤维复合构件中，而不会出现不期望的反应。另一方面，聚合物电解质涂层可以被设计为电绝缘体，该电绝缘体可以使传导纤维8与另外的传导纤维8电绝缘，而不会在多个被电流流过并且相邻的传导纤维8之间出现漏电流和/或短路。此外，这样的传导纤维8具有足够的耐热性。
60.不言而喻，纤维复合层压件此外相应地可以包括信号线路层，或者电流引导层16可以用于信号传输，以便控制和/或调节能量储存器。替代于温度或除此之外，也可以测量结构内部的电流和/或电压。基于此的数据可以被传递给电池管理系统(bms)，该电池管理系统例如可以被整合到控制装置5中或者与该控制装置相连接。借助数据可以得出关于电量等的结论并且可以相对应地调节能量储存器3。
61.由此实现经整合的多功能的纤维复合结构，该纤维复合结构具有温度可调的能量储存器，该能量储存器可以随时根据当前期望的运行模式主动地被冷却或加热，其中由于将整个结构整合到复合层压件中，因此不需要单独的电缆、线路、电缆保持件和/或夹子等。因此，也可以避免相关的重量以及通常必要的安装和装配费用和与此相关的成本。在此，该系统的特征在于可忽略的电阻损耗和高的反应速度。
62.在前述详细描述中，各种特征为了提高图示的严谨性被组合在一个或多个示例中。然而在此应当清楚的是，上面的说明仅仅是展示性的而绝不是限制性的。该说明用于涵盖不同特征和实施例的所有替代方案、修改和等效方案。在查阅上文描述的情况下，本领域
技术人员基于其专业知识将立即且直接地明了许多其他示例。
63.选择并描述这些实施例以便能够尽可能最好地展现本发明所基于的原理及其在实践中的应用可能性。由此，本领域技术人员可以参照预期的使用目的来最优地修改和使用本发明及其不同的实施例。在权利要求书和说明书中，术语“包含”和“具有”被用作相应术语“包括”的中性语言术语。此外，术语“一”、“一个”和“一种”的使用原则上应当不排除以此方式描述的多个特征和部件。
64.附图标记清单
[0065]1ꢀꢀꢀꢀ
结构构件
[0066]2ꢀꢀꢀꢀ
纤维复合层压件
[0067]3ꢀꢀꢀꢀ
能量储存器
[0068]4ꢀꢀꢀꢀ
温度调节层
[0069]5ꢀꢀꢀꢀ
控制装置
[0070]6ꢀꢀꢀꢀ
冷却层
[0071]7ꢀꢀꢀꢀ
加热层
[0072]8ꢀꢀꢀꢀ
传导纤维
[0073]9ꢀꢀꢀꢀ
碳纤维
[0074]
10
ꢀꢀꢀ
涂层
[0075]
11
ꢀꢀꢀ
纤维增强层
[0076]
12
ꢀꢀꢀ
温度传感器
[0077]
13
ꢀꢀꢀ
阳极层
[0078]
14
ꢀꢀꢀ
电解质层
[0079]
15
ꢀꢀꢀ
阴极层
[0080]
16
ꢀꢀꢀ
电流引导层
[0081]
17
ꢀꢀꢀ
电触头
[0082]
100
ꢀꢀ
航空器