AT9922U1

AT9922U1 - Hochtemperaturbatterie mit gekühlter trägerplatte

Info

Publication number: AT9922U1
Application number: AT0067906U
Authority: AT
Inventors: Guenter Dipl Ing Maier; Martin Dipl Ing Michelitsch
Original assignee: Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag
Priority date: 2006-09-18
Filing date: 2006-09-18
Publication date: 2008-05-15
Also published as: CN101536245A

Description

2 AT 009 922 U1

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbatterie, die aus einer Anzahl in Reihen angeordneten zylindrischen Zellen, einer gekühlten Trägerplatte zwischen zwei Reihen von Zellen und einer Umfassung besteht, wobei die Trägerplatte in ihrer Aussenkontur Ausnehmungen für die Zellen, zumindest einen internen Kühlkanal und Anschlüsse für einen Flüssigkeits-Kühlkreislauf aufweist.

Eine derartige Batterie ist aus der EP 514 840 bekannt, wobei die Zellen Kondensatoren sind. Dort wird der Kühlkanal im Inneren der Trägerplatte entweder durch Bohren der Kanäle und Fräsen der Verbindungskanäle an den Stirnflächen gefertigt, oder durch Einlegen eines Rohres in eine Form und Umgießen beziehungsweise Umspritzen des Rohres. Beide Herstellungsverfahren sind aufwändig, ohne jedoch eine ausreichend gleichmäßige Temperaturverteilung an der die Zellen berührenden Oberfläche der Ausnehmungen sicherzustellen. Letzteres, weil die Wandstärken zwischen dem Kühlkanal und den Ausnehmungen in weiten Grenzen voneinander verschieden sind. Das Einhalten einer optimalen Betriebstemperatur und eine gleichmäßige Temperaturverteilung sind aber für Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einer Hochtemperaturbatterie ganz wichtig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Batterie so auszubilden, dass sie möglichst einfach und billig mit variabler Anordnung der Zellen herstellbar ist und für alle Zellen eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sicherstellt. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Trägerplatte ein Strangpressteil aus Leichtmetall ist, dessen Profil in seinem Inneren durch Zwischenwände getrennte, in deren Längsrichtung des Strangpressteiles verlaufende Kanäle hat, wobei die Flüssigkeit in benachbarten Kanälen in entgegengesetzten Richtungen strömt, und wobei das die Trägerplatte bildende Strangpressprofil an seinen beiden Stirnflächen von einer Deckplatte verschlossen ist.

So wird die an sich bekannte Herstellung von Profilen durch Strangpressen dazu genutzt, eine Mehrzahl von parallelen Kühlkanälen mit weitgehend konstanter Wandstärke bezüglich der Oberfläche der Ausnehmungen und benachbarter Kühlkanäle mit entgegengesetzter Durchflussrichtung auszubilden. Damit wird in jeder Richtung eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht. Die die naturgemäß beiderseits des Strangpressprofils offenen Kühlkanäle abschließenden Endplatten bilden Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit, sodass das Strangpressprofil selbst mit einem Minimum an Bearbeitung verwendet wird.

Nebstbei bieten Strangpressprofile, weil sie in beliebiger Länge abgeschnitten werden können, bei dieser Anwendung den Vorteil, dass in einer Ausnehmung eine verschiedene Anzahl von Zellen hintereinander angeordnet werden kann. Dadurch können die Einbaumaße einer Batterie dem jeweils zur Verfügung stehenden Einbauraum angepasst werden. Das erlaubt es auch,-das die Trägerplatte bildende Strangpressprofil an seinen beiden Stirnflächen mit einer dem Profil entsprechenden, einheitlichen Deckplatte zu verschließen.

Die Verbindung zwischen den Kanälen kann durch Einfräsungen in der Deckplatte geschaffen werden. In einer bevorzugten Ausbildung jedoch werden sie durch von der jeweiligen Stirnfläche ausgehende Ausklinkungen der Zwischenwände hergestellt -(Anspruch 2), sodass die Deckplatten dafür nicht eigens bearbeitet werden müssen und baugleich sein können. Anstelle der Ausklinkungen können die rohrförmigen Wandteile mit dem Zufluss beziehungsweise Abfluss in Längsrichtung zurückgenommen sein (Anspruch 3).

Das die Trägerplatte bildende Strangpressprofil bildet mit seiner äusseren Kontur die kreisbogenförmigen Ausnehmungen für die Aufnahme der Zellen in zumindest zwei parallelen Reihen, sodass die Ausnehmungen für die Zellen paarweise Rücken an Rücken und Paare von Ausnehmungen Seite an Seite sind. In einer bevorzugten Ausbildung ist zwischen je vier Ausnehmungen ein erster ein Rohr bildender Profilteil vorgesehen, von dem die Zwischenwände sternförmig ausgehen (Anspruch 4). Durch diese Profilteile an den Stellen größter Breite der Trägerplatten wird so eine nicht durchströmte Zone und um diese herum werden so Kanäle ungefähr 3 AT 009 922 U1 gleichen Querschnittes für die Kühlströmung geschaffen. Dadurch bleibt die für den Wärmeübergang maßgebende Strömungsgeschwindigkeit weitgehend unverändert. In Weiterbildung haben die Deckplatten je ein mit dem jeweiligen ein Rohr bildenden Profilteil deckungsgleiches Loch, durch das die beiden Deckplatten auch in ihrer mittleren Region mittels erster Zugelemente zusammen gehalten sind (Anspruch 5). Die Zugelemente sind vorzugsweise Schraubbolzen, die die Deckplatten dichtend an die Trägerplatte anpressen.

In ähnlicher Weise können zwischen den obersten und untersten zwei Rücken an Rücken angeordnete Ausnehmungen einer Reihe und einem Querteil des Profils jeweils ein zweiter ein Rohr bildender Profilteil vorgesehen sein, welcher selbst drei Zwischenwände bildet (Anspruch 6) . Diese Profilteile sind einerseits an den Flüssigkeits-Kühlkreislauf angeschlossen (Anspruch 7) . Ihr anderes Ende ist flüssigkeitsdicht verschlossen. Dazu weisen die Deckplatten an der Seite des Anschlusses an den Kühlkreislauf Öffnungen auf (Anspruch 8), durch die die Kühlflüssigkeit zu- beziehungsweise abgeführt wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Umfassung von zweiten Zugelementen gebildet, die die Zellen an ihrer der Trägerplatte abgewandten Seite umschlingen, wobei die der Raum zwischen den zweiten Zugelementen und den nicht an der Trägerplatte anliegenden Teile der Zellen von einem dreikantigen Längsprofil ausgefüllt ist (Anspruch 9). So ist sichergestellt dass alle Zellen an den Ausnehmungen der Trägerplatte anliegen. Vorzugsweise sind diese hohle dreikantige Hohlprofile (Anspruch 10). Wenn diese ebenfalls von der Kühlflüssigkeit durchströmt sind, wird die Temperaturverteilung auch am Umfang der Zellen verbessert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1: Eine erfindungsgemäße Batterie, axonometrisch,

Fig. 2: Wie Fig. 1, aber ohne Deckel,

Fig. 3: Eine Stirnansicht gemäß A in Fig. 2,

Fig. 4: Eine Stirnansicht gemäß B in Fig. 2,

Fig. 5: Einen Längsschnitt gemäß V-V in Fig. 3 und Fig. 4.

In Fig. 1 sind die in zwei parallelen Reihen angeordneten Zellen mit den Bezugszeichen 1 bis 6 versehen, die Zellen 1 bis 3 bilden eine erste Reihe und die Zellen 4 bis € eine zweite. Die Zellen können Hochleistungszellen beliebiger Bauart und chemischer Funktionsweise sein. Sie sind zylindrisch und reichen entweder über die ganze Länge der Batterie oder sind wie im gezeigten Ausführungsbeispiel aus fünf hintereinander angeordneten Einzelzellen zusammengesetzt. Auf die elektrischen Verbindungen und Anschlüsse braucht nicht eingegangen zu werden, weil sie für die Erfindung unwesentlich sind. Zwischen zwei Reihen von Zellen erstreckt sich über die ganze Länge eine vom Kühlmittel in noch zu beschreibender Weise durchströmte Trägerplatte 8. Diese ist ein Strangpressprofil aus vorzugsweise Leichtmetall, oder aus einem anderen geeigneten Werkstoff. Die Herstellung der Trägerplatte durch Strangpressen erlaubt die Herstellung eines beiderseits offenen Hohlkörpers mit komplexem Querschnitt mit geringem Herstellungsaufwand. Ein so hergestelltes und in Stücke mit der Länge der Batterie zerschnittenes Profil ist an seinen beiden so gebildeten Stirnflächen 9, 10 mit einem Deckel 11 beziehungsweise 12 (siehe Fig. 5) verschlossen. Die Deckel 11,12 können auch so ausgebildet sein, dass sie die Zellen 1 bis 6 in ihrer Längsrichtung halten.

Die beiden Deckel 11,12 werden von ersten Zugelementen 13 (zum Beispiel langen Gewindebolzen) zusammengehalten. Dazu sind die Deckel 11, 12 mit Bohrungen 18 am Rand, und Bohrungen 19 in der mittleren Region der Trägerplatte 8 versehen. Alle Zellen 1 bis 6 der Batterie werden von zweiten Zugelementen 14, hier Spannbändern, an die Trägerplatte 8 angedrückt und zusammengehalten. Zwischen den zweiten Zugelementen 14 und der der Trägerplatte 8 abgewandten Kontur der Zellen bis 6 ist jeweils ein annähernd dreikantiges hohles Längsprofil 15 angebracht. Näherungsweise, weil zwei Seiten konkave Zylinderflächen bilden, die sich an je 4 AT 009 922 U1 zwei Zellen anlegen. Im vorderen Deckel 11 sind weiters Bohrungen 16, 17 für den Anschluss an den Kühlkreislauf vorgesehen, die untere (16) für den Zufluss und die obere (17) für den Abfluss.

Fig. 2 zeigt dieselbe Batterie mit abgenommenen vorderen Deckel 11, sodass sich die Stirnfläche 9 des Strangpressprofils und damit sein Querschnitt dem Betrachter darbietet. Es ist vergrößert und ohne die Zellen in Fig. 3 zu sehen.

In den Fig. 3 ist die vordere Stirnfläche 9 und Fig. 4 die hintere Stirnfläche 10 des Strangpressprofils alleine dargestellt. Die insgesamt mit 20 bezeichnete Außenwand des Strangpressprofils bildet kreisbogenförmige Ausnehmungen 21 bis 26 für die Zellen 1 bis 6, die so paarweise Rücken an Rücken und nebeneinander angeordnet sind. Weiters bildet die Außenwand 20 eine untere (28) und eine obere (29) Querwand. Am Übergang von den Ausnehmungen zu den Querwänden 28, 29 sind Bohrungen 18 für weitere erste Zugelemente angebracht.

Innerhalb dieser Aussenwand 20 ist durch verschiedene Wände eine Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Kanälen (44-53) ausgebildet. So ist zwischen der unteren Querwand 28 und den die Ausnehmungen 23, 26 bildenden Teilen ein erster rohrförmiger Profilteil 31, welcher die drei äußeren Wandteile berührt, gewissermaßen einen eingeschriebenen Kreis bildet. Ein ebensolcher erster rohrförmiger Profilteil ist zwischen der oberen Querwand 29 und den die Ausnehmungen 21, 24 bildenden Teile der Außenwand 20 angeordnet.

Zwischen den hier die Ausnehmungen 21, 22, 25 und 24 bildenden Wandteilen ist an der breitesten Stelle an der Höhe der Grate 27, ein zweiter rohrförmiger Profilteil 33 ausgebildet. Von ihm gehen sternförmig Zwischenwände 37, 38 zu den die Ausnehmungen bildenden äußeren Wandteilen aus. In gleicher Weise ist zwischen den Ausnehmungen 22, 23, 25, 26 ein zweiter rohrförmiger Profilteil 32 mit den Zwischenwänden 35, 36 ausgebildet. Ungefähr an den schmälsten Stellen des Strangpressprofils sind Trennwände 39, 40, 41.

Diese Zwischenwände 35-38 und Trennwände 39-41 bilden voneinander getrennte Strömungskanäle, in denen die Strömungsrichtung zwischen benachbarten Strömungskanälen abwechselt. Die Strömungsrichtungen sind in Fig. 3 in der üblichen Weise angedeutet: Ein Kreis mit Punkt steht für einen auf das Auge des Betrachters gerichteten Pfeil, ein Kreis mit Kreuz einen sich vom Betrachter entfernenden Pfeil. In Fig. 4, die die hintere Stirnfläche 10 zeigt, sind die Symbole für die Flussrichtung für ein und denselben Kanal denen der Fig. 3 entgegengesetzt.

Auf diese Weise sind folgende Kanäle gebildet: Zwei zur hinteren Stirnfläche 10 hin durchströmte symmetrische erste Kanäle 44; ein zur vorderen Stirnfläche 9 durchströmter zweiter Kanal 45; ein zur hinteren Stirnfläche 10 durchströmter dritter Kanal 46; zwei zur vorderen Stirnfläche 9 durchströmte symmetrische vierte Kanäle 47; ein zur hinteren Stirnfläche 10 durchströmter fünfter Kanal 48; ein zur vorderen Stirnfläche 9 durchströmter sechster Kanal 49; zwei zur hinteren Stirnfläche 10 durchströmte symmetrische siebente Kanäle 50; ein zur vorderen Stirnfläche 9 durchströmter achter Kanal 51; ein zur hinteren Stirnfläche 10 durchströmter neunter Kanal 52; und zwei zur vorderen Stirnfläche 9 durchströmt symmetrische zehnte Kanäle 53.

Zur Umleitung der Strömung an den Stirnflächen könnten entsprechende Umleitungskanäle an der Innenseite der Deckel 11, 12 eingefräst sein. Erfindungsgemäß aber werden sie durch von den Stirnflächen 9, 10 ausgehende Ausklinkungen der Zwischenwände und Trennwände des Strangpressprofils 8 hergestellt. Da alle diese Ausklinkungen von einer der beiden Stirnflächen 9, 10 ausgehen, sind sie mit geringem Fertigungsaufwand anzubringen, etwa durch Fräsen.

In Fig. 3 sind die von der vorderen Stirnfläche 9 ausgehenden Ausklinkungen mit den folgenden Bezugszeichen versehen: 60 im rohrförmigen Pfofilteil 31 zur Verbindung des Zuflusses 16 mit den ersten Kanälen 44; 63 in der Trennwand 39 zur Verbindung des zweiten Kanals 45 mit dem dritten Kanal 46; 65 in den Zwischenwänden 35 zur Verbindung der beiden vierten Kanäle 47

Claims

5 AT 009 922 U1 mit dem fünften Kanal 48; 67 in den Zwischenwänden 37 zur Verbindung des sechsten Kanals 49 mit den beiden siebenten Kanälen 50; 69 in der Trennwand 41 zur Verbindung des achten Kanals 51 mit dem neunten Kanal 52; 72 zur Verbindung der beiden zehnten Kanäle 53 mit dem Abfluss 17. Anstelle der Ausklinkungen 60, 62, 70, 71 können die rohrförmigen Wandteile 31, 34 in Längsrichtung zurückgenommen sein. Fig. 4 zeigt die Ausklinkungen in der hinteren Stirnfläche 10: 61 und 62 zur Verbindung der beiden ersten Kanäle 44 mit dem zweiten Kanal 45; 64 in den Zwischenwänden 35 zur Verbindung des dritten Kanals mit den beiden vierten Kanälen 47; 66 in der Trennwand 40 zur Verbindung des fünften Kanals 48 mit dem sechsten Kanal 49; 68 in den Zwischenwänden 38 zur Verbindung der siebten Kanäle 50 mit dem achten Kanal 51; 70 und 71 im rohrförmigen Profilteil 34 zur Verbindung des neunten Kanals 52 mit den beiden zehnten Kanälen 53. Mit den Ausklinkungen in den ersten rohrförmigen Profilteilen 31, 34 ergibt sich eine Besonderheit, die anhand der Fig. 5 zu erklären ist. In Fig. 5 ist zu sehen, dass der erste rohrförmige Profilteil 31, der mit dem Zufluss 16 des Kühlmittels in Verbindung steht, in der Nähe des vorderen Deckels 11 und in der Nähe des hinteren Deckels 12 je einen Pfropfen 75, 76 enthält. Diese Pfropfen 45, 46 trennen einen Eintrittsraum 78 auf der einen Seite und einen Durchgangsraum 79 auf der anderen Seite von einem zwischen den beiden Pfropfen 75, 76 liegenden nichtdurchströmten abgeschlossenen Raum 77. 50 strömt die durch den Zufluss 16 eintretende Kühlflüssigkeit in den Eintrittsraum 78, von diesem durch die Ausklinkungen 60 (siehe Fig. 3) in die beiden ersten Kanäle 44, die sich in Fig. 5 vor und hinter der Bildfläche, in Fig. 3 beiderseits des ersten rohrförmigen Profilteiles befinden. Am anderen Ende der ersten Kanäle 44 tritt das Kühlmedium durch die Ausklinkungen 61 in den Durchgangsraum 79 und von diesem über die Ausklinkung 62 in den zweiten Kanal 45. An der vorderen Stirnfläche 9 strömt das Kühlmedium dann durch die Ausklinkung 63 in den dritten Kanal 46, und so weiter. Analog, nur in entgegengesetzter Richtung ist die Strömung im ersten rohrförmigen Profilteil 34 zum Abfluss 17 geführt. Soweit ein Ausführungsbeispiel. Von diesem abweichend können im Rahmen der Erfindung die Zellen auch in mehr als zwei Reihen und/oder gegeneinander versetzt angeordnet und die Trägerplatte entsprechend anders geformt sein. Auch dann kann bei geeigneter Anordnung der inneren Wände erreicht werden, dass die Strömungsrichtungen in benachbarten Kanälen einander entgegengesetzt ist. Dadurch wird bei einfachster und billigster Herstellung eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der Oberfläche der Trägerplatte erreicht werden. Ansprüche: 1. Hochtemperaturbatterie, bestehend aus einer Anzahl in Reihen angeordneter zylindrischer Zellen (1-6), einer gekühlten Trägerplatte (8) zwischen zwei Reihen von Zellen und einer Umfassung, wobei die Trägerplatte in ihrer Aussenkontur Ausnehmungen (21-26) für die Zellen (1-6), einen internen Kühlkanal und Anschlüsse (17, 17) für einen Flüssigkeits-Kühlkreislauf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (8) ein Strangpressteil ist, dessen Profil in seinem Inneren durch Wände (35-41) getrennte, in der Längsrichtung des Strangpressteiles verlaufende Kanäle (44-53) hat, wobei die Flüssigkeit in benachbarten Kanälen in entgegengesetzten Richtungen strömt und wobei das die Trägerplatte (8) bildende Strangpressprofil an seinen beiden Stirnflächen von je einer Deckplatte (11,12) verschlossen ist.
2. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Kanälen (44-53) entgegengesetzter Strömungsrichtung durch abwechselnd 6 AT 009 922 U1 von den beiden Stirnflächen (9, 10) der Trägerplatte {8) ausgehende Ausklinkungen <60-72) der Wände (35-41) hergestellt ist.
3. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung zwischen den Kanälen 44 und 45 beziehungsweise 53 und 52 die rohrförmigen Profilteile 31, 34 in Längsrichtung zurückgenommen sind.
4. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, wobei das die Trägerplatte (8) bildende Strangpressprofil für die Aufnahme der Zellen (1-6) Rücken an Rücken und Seite an Seite kreisbogenförmige Ausnehmungen (21-24) hat, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je vier Ausnehmungen (21, 22, 25, 26; 22, 23, 25, 26) ein erster ein Rohr bildender Profilteil (32; 33) vorgesehen ist, von dem die Zwischenwände (35, 36; 37, 38) sternförmig ausgehen.
5. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (11, 12) mit dem ein Rohr bildenden Profilteil (32; 33)-deckungsgleich je ein Loch (19) haben, sodass die beiden Deckplatten (11, 12) mittels erster Zugelemente (13) miteinander verbunden sind.
6. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, wobei das die Trägerplatte (8) bildende Strangpressprofil für die Aufnahme der Zellen (1-6) Rücken an Rücken und Seite an Seite kreisbogenförmige Ausnehmungen (21-26) hat, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den obersten (21, 24) und untersten (23, 26) zwei Rücken an Rücken angeordnete Ausnehmungen (21, 24; 23, 26) und einem Querteil <28, 29) des Profils (8) ein zweiter ein Rohr bildender Profilteil (31, 34) vorgesehen ist, welcher drei Zwischenwände bildet.
7. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten ein Rohr bildenden Profilteile (31, 34) einerseits mit dem Zufluss (16) beziehungsweise Abfluss (17) des Kühlmittels strömungsverbunden sind.
8. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatten (11, 12) an der Seite der Strömungsverbindung Öffnungen für den Zufluss (16) beziehungsweise Abfluss (17) des Kühlmittels aufweisen und mindestens einen Pfropfen (75, 76) enthalten.
9. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfassung von zweiten Zugelementen (14) gebildet ist, die die Zellen (1-6) an ihrer der Trägerplatte (8) abgewandten Aussenseite umschlingen, wobei der Raum zwischen den zweiten Zugelementen (14) und den nicht an der Trägerplatte anliegenden Teilen der Zellen (1-6) von einem dreikantigen Längsprofil (15) ausgefüllt ist.
10. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dreikantige Längsprofil (15) hohl ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen