DE102006025535A1 - Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Elementen (5), die jeweils eine Bodenfläche (5a) und eine Seitenfläche (5b) aufweisen, wobei die Bodenflächen (5a) im Wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet sind, wobei ein zugeleiteter Luftstrom die elektrischen Elemente (5) zu Kühlzwecken umströmt, wobei die elektrischen Elemente (5) an einem zu der Ebene im Wesentlichen parallelen und mit Öffnungen (3) versehenen Bodenkörper (1) angeordnet sind, wobei der Bodenkörper (1) durch den Luftstrom durchströmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente insbesondere eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen werden Komponenten eingesetzt, die eine Vielzahl elektrischer Elemente umfassen, wobei hohe umgesetzte Leistung eine Kühlung der elektrischen Elemente erforderlich macht. Beispiele für den Einsatz solcher Elemente sind Hybrid-Fahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge und allgemein Fahrzeuge, bei denen zumindest ein elektrischer Hilfsantrieb vorliegt.
  • US 6,448,741 B1 beschreibt eine Anordnung zur Halterung von zylindrischen Batterien, von denen jeweils mehrere in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Kühlluft kann von einem Gebläse durch das Gehäuse geblasen werden, wobei der Luftstrom im Wesentlichen tangential an den gebogenen Seitenflächen der Batterien entlang strömt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente insbesondere eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die bei hoher Betriebssicherheit eine gute Kühlung gewährleistet und eine hohe Packungsdichte der elektrischen Elemente ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Durchströmbarkeit des Bodenkörpers in Verbindung mit der Anordnung der Bodenflächen der elektrischen Elemente in einer zum Bodenkörper parallelen Ebene ermöglicht eine optimierte Verteilung der Kühlluft auf die Elemente. Zudem ist eine besonders gute Kühlung gerade der Bodenflächen der Elemente erzielbar, die bei vielen Anwendungen und Formgebungen, insbesondere bei zylindrischen Seitenflächen der Elemente, kühlungskritische Bereiche sind.
  • In vorteilhafter Weiterbildung sind die Elemente jeweils in einem Becherteil aufgenommen sind, wobei das Becherteil an dem Bodenkörper gehalten ist. Hierdurch ist die Festlegung insbesondere standardisierter elektrischer elemente an dem Bodenteil sowie die Führung der Kühlluft vom Bodenkörper zum Element auf einfache Weise ermöglicht.
  • Bevorzugt weist dabei das Becherteil eine Außenwandung auf, wobei zwischen dem jeweiligen elektrischen Element und der Außenwandung zumindest ein Kanal zur Durchströmung mit Luft vorgesehen ist, so dass insgesamt ein guter Wärmeaustausch durch die Führung der Kühlluft entlang der Seitenwände gegeben ist. Besonders vorteilhaft verläuft der Kanal dabei wendelförmig um das Element, um den Wärmeaustausch weiter zu begünstigen. Es kann sich um eine oder mehrere Wendeln mit je nach Anforderung beliebiger Steigung der Wendeln handeln. In vorteilhafter Detailgestaltung sind an dem Kanal zur weiteren Optimierung der Kühlleistung turbulenzerzeugende Mittel ausgebildet.
  • Bevorzugt besteht das Becherteil im Wesentlichen aus einem isolierenden Material, insbesondere Kunststoff. Neben einer elektrischen Isolation der Elemente ist dadurch auch eine leichte und kostengünstige Bauweise gegeben. Kostengünstig ist das Becherteil bevorzugt als Spritzgussteil ausgebildet.
  • Alternativ oder ergänzend kann das Becherteil an ein jeweiliges elektrisches Element angespritzt sein, wodurch die Halterung der Elemente in den Becherteilen besonders sicher ist.
  • Weiterhin alternativ kann das Becherteil ein insbesondere aus Metall bestehendes Hülsenteil umfassen, wobei das elektrische Element kraftschlüssig von dem Hülsenteil gehalten ist. Das Hülsenteil weist dann Schlitzungen zur Führung des Luftstroms und zur gleichzeitigen Ausbildung von federnden Haltezungen auf, wobei das Hülsenteil von einer elektrisch isolierenden Außenwandung umgeben ist. Insgesamt wird hierdurch eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit entlang der Seitenwandung des Elements erzielt, was insbesondere für elektrische Elemente mit nur dünnen Seitenwänden vorteilhaft ist.
  • Allgemein bevorzugt hat das Becherteil eine im Wesentlichen zylindrische Form, so dass übliche elektrische Elemente in ihm aufnehmbar sind.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Becherteil über federnde Mittel, insbesondere nach Art eines Clips, an dem Bodenstück festlegbar. Dies vereinfacht die Montage sowie den Austausch einzelner oder Gruppen von elektrischen Elementen zu Wartungszwecken.
  • Bei einer vorteilhaften Abwandlung sind eine Mehrzahl der Becherteile zusammen als einstückiges Formteil, insbesondere als Spritzgussteil, ausgebildet, was die Herstellung vereinfacht.
  • Allgemein bevorzugt besteht das Bodenstück im Wesentlichen aus Kunststoff und ist insbesondere als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet, was ein geringes Gewicht und niedrige Herstellungskosten ermöglicht. In alternativer Ausgestaltung kann das Bodenstück auch als Metallteil, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Bodenstück ein Wärmetauscher zur Kühlung des Luftstroms. Bevorzugt umfasst es dabei Mittel zur Durchleitung eines Kältemittels, um die Wärmetauscherfunktion möglichst effektiv und kleinbauend zu erfüllen. Besonders vorteilhaft ist das Bodenstück dabei als Verdampfer eines Kältekreises, insbesondere einer Fahrzeug-Klimaanlage, ausgebildet. Hierdurch lässt sich auf kleinem Bauraum eine sehr hohe Kühlleistung der elektrischen Elemente erreichen.
  • Allgemein bevorzugt wird zur Verbesserung der Kühlleistung der Luftstrom vor einer Durchströmung des Bodenstücks mittels eines Wärmetauschers, insbesondere eines Verdampfers einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs, gekühlt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen den elektrischen Elementen und dem Bodenstück ein insbesondere über Anschlagsmittel definierter Abstand vorgesehen. Hierdurch lassen sich Positionierung und elektrische Isolation des Elements auf einfache Weise sicherstellen. Zudem lässt sich so ein Zwischenraum zwischen Bodenfläche des Elements und Bodenstück erzielen, der einer Optimierung des Luftstroms dient. Zudem können Teile der Bodenfläche des Elements in den Zwischenraum ausweichen, falls das Element in Folge Überhitzung oder sonstiger Fehlfunktion platzt. Hierzu kann an der Bodenfläche eine Sollbruchstelle vorgesehen sein, in deren Bereich ein innerer Kontaktierungsdraht des Elements angeschlossen ist. Das Bersten der Bodenfläche z.B. in Folge einer Überhitzung führt somit zu einer Unterbrechung des Stromkreises.
  • Allgemein vorteilhaft sind zumindest einige der elektrischen Elemente elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien. Diese Elemente haben eine hohe Leistungsdichte und ergeben entsprechende thermische Probleme. Alternativ oder ergänzend können zumindest einige der elektrischen Elemente Kondensatoren sein. Auch moderne Kondensatoren, worunter auch so genannte „Supercaps" zu verstehen sind, können sehr hohe Leistungsdichten bereitstellen und erfahren eine entsprechende innere Erwärmung.
  • Besonders vorteilhaft weisen die elektrischen Elemente eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, wobei die Bodenfläche eine stirnseitige Fläche des Zylinders ist. Dies ist eine übliche Bauform, die zudem eine gute Verteilung der im Element entstehenden Wärme sicherstellt. Die nicht einfache Ableitung der Wärme von den zylindrischen Wänden bedingt eine besonders gute Kombinierbarkeit der zylindrischen Form der Elemente mit der vorliegenden Erfindung.
  • Bevorzugt weisen die elektrischen Elemente eine metallene Außenwandung auf, die auf einem elektrischen Potential des Elements liegt. Hierdurch lässt sich die Wärme des Elements gut nach Außen abgeben, wobei allerdings die Notwendigkeit einer guten elektrischen Isolierung der Elemente von umgebenden Teilen besteht. Bei Serienschaltung vieler einzelner Elemente können die Außenwände sehr hohe Potentialdifferenzen gegenüber der Fahrzeugmasse erreichen. Insbesondere bevorzugt sind daher die elektrischen Elemente gegenüber dem Bodenstück elektrisch isoliert, wobei die Durchschlagsfestigkeit der Isolation wenigstens etwa 1000 V entspricht.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Bodenstück zwei gegenüberliegende Seiten mit Öffnungen aufweist, wobei auf jeder der Seiten eine Mehrzahl von elektrischen Elementen angeordnet ist und über die Öffnungen mit Luft beströmbar ist. Hierdurch lässt sich bei gegebener Fläche des Bodenstücks eine besonders große Anzahl von Elementen kühlen, wobei insbesondere bei jedem der Elemente die Bodenfläche unmittelbar mit kühlender Luft beströmt wird.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine räumliche Darstellung einer teilweise montierten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht durch die Vorrichtung aus 2 entlang der Linie A-A.
  • 4 zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts B aus 3.
  • Die Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente umfasst ein Bodenstück 1, dass als hohle Kunststoffplatte ausgebildet ist. Die Kunststoffplatte besteht aus zwei zusammengesetzten Plattenhälften 1a, 1b, die jeweils als Spritzgussteil hergestellt werden.
  • Der zwischen den Plattenhälften vorgesehene Hohlraum 2 (siehe 3) wird über nicht dargestellte Anschlüsse von einem Gebläse mit gekühlter Luft beschickt. Die Luft strömt zu ihrer Kühlung zuvor an einem separaten, nicht dargestellten Verdampfer einer Fahrzeug-Klimaanlage entlang.
  • In jeder der Plattenhälften 1a, 1b sind mehrere kreisförmige Öffnungen 3 vorgesehen, aus denen die gekühlte Luft aus dem Hohlraum 3 austreten kann. In jeder der Öffnungen 3 ist jeweils ein Becherteil 4 festgelegt, wobei in 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit einige der Öffnungen 3 kein Becherteil 4 aufweisen.
  • Das Bodenstück weist an jeder der Plattenhälften 1a, 1b Becherteile 4 auf, so dass die Vorrichtung bezüglich einer Symmetrieebene des Bodenstücks 1 im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist (siehe 3). Die Becherteile der ersten Plattenhälfte 1a und der zweiten Plattenhälfte 1b sind jeweils in einer Ebene angeordnet bzw. ausgerichtet, die zu dem plattenförmigen Bodenstück 1 parallel ist.
  • Die Becherteile 4 sind von ihrer Form her Hohlzylinder, die zu der dem Bodenstück 1 jeweils abgewandten Seite hin offen sind, so dass ein zylindrisches elektrisches Element 5 in die Becherteile stramm einschiebbar ist. Die Becherteile bestehen aus Kunststoff, so dass aufgrund der Elastizität des Materials eine kraftschlüssige und ausreichend starke Halterung des eingeschobenen Elements 5 gegeben ist. Die Becherteile 4 haben eine geschlossene Außenwand 14, auf deren Innenseite wendelförmige Rippen 6 ausgebildet sind. Durch je zwei Rippen 6 wird somit ein wendelförmiger Kanal 7 abgetrennt, der zwischen einer Außenwand 5b des eingeschobenen Ele ments 5 und der Außenwandung 14 des hohlzylindrischen Becherteils 4 verläuft. Insgesamt umfasst jedes Becherteil 4 sechs Rippen 6 und Kanäle 7. Die vorliegende Ausbildung der Kanäle 7 durch Rippen 6 hat den Vorteil einer hohen Gestaltsteifigkeit bei zugleich geringer Wanddicke der Becherteile 4. Hierdurch wird Material gespart und eine große Packungsdichte der Elemente 5 ermöglicht.
  • Die Becherteile haben auf der Seite des Bodenstücks 1 einen Boden 8, der eine mit der Öffnung 3 überdeckende Durchbrechung 9 aufweist. Die Durchbrechung 9 hat einen in die Öffnungen 3 hineinragenden Kragen 10, an dem jeweils drei um 120° versetzte federnde Clips 11 ausgeformt sind. Diese unterschneiden mit nicht dargestellten Zungen den Rand der Öffnungen 3, so dass die Becherteile durch einfaches Einstecken an den Öffnungen 3 einrasten und sicher an dem Bodenstück 1 gehalten sind. Zugleich lassen sich zu Wartungszwecke, etwa bei Ausfall einzelner elektrischer Elemente 5, einzelne Becherteile wieder herausnehmen, wobei die Becherteile 4 bzw. Clipse 11 je nach Material und Ausformung nur einmal oder mehrfach verwendbar sind.
  • Vorliegend sind die elektrischen Elemente 5 Lithium-Ionen-Akkumulatoren, die teilweise seriell miteinander verschaltet sind. Die Elemente 5 haben eine metallische Außenwand, die eine dem Bodenstück zugewandte, kreisförmige Bodenfläche 5a und eine zylindrische Seitenfläche 5b umfasst. Die metallische Außenwand liegt auf einem der beiden Potentiale des Elements und kann aufgrund der seriellen Verschaltung auf einem Potential von mehr als 1000 V gegenüber dem Massepotential des Fahrzeugs liegen. Die Elemente 5 verfügen an ihrer dem Bodenstück 1 abgewandten Stirnfläche über (nicht dargestellte) Kontaktklemmen zur Verschaltung.
  • Die Becherteile 4 haben im Randbereich ihrer Böden 8 am Ansatz der Rippen 6 Abstufungen 12, die als Anschlagsmittel für das eingeschobene Element 5 dienen. Hierdurch verbleibt zwischen der Bodenfläche 5a des vollständig eingeschobenen Elements 5 und dem Boden 8 des Becherteils 4 ein definierter Abstand bzw. Hohlraum 13 (siehe 4). Durch diesen Hohlraum 13 kann die Kühlluft von der Öffnung 3 zu den randseitigen Kanälen 7 strö men, so dass insbesondere die Bodenfläche 5a des Elements 5 besonders gut gekühlt wird. Zudem kann der Boden 5a der Elemente 5 über bei Überhitzung über eine Sollbruchstelle (nicht dargestellt) bersten und in den Hohlraum 13 ausweichen. Dieses Ausweichen ermöglicht die Unterbrechung einer inneren Kontaktierung der Außenwand des Elements 5, die im Bereich dieser Sollbruchstelle vorgesehen ist. Hierdurch wird der Stromkreis unterbrochen, so dass eine weitere Überhitzung und größere Folgeschäden vermieden sind.

Claims (26)

  1. Vorrichtung zur Kühlung elektrischer Elemente, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Elementen (5), die jeweils eine Bodenfläche (5a) und eine Seitenfläche (5b) aufweisen, wobei die Bodenflächen (5a) im wesentlichen in einer Ebene ausgerichtet sind, wobei ein zugeleiteter Luftstrom die elektrischen Elemente (5) zu Kühlzwecken umströmt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Elemente (5) an einem zu der Ebene im Wesentlichen parallelen und mit Öffnungen (3) versehenen Bodenkörper (1) angeordnet sind, wobei der Bodenkörper (1) durch den Luftstrom durchströmbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (5) jeweils in einem Becherteil (4) aufgenommen sind, wobei das Becherteil (4) an dem Bodenkörper (1) gehalten ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) eine Außenwandung (14) aufweist, wobei zwischen dem jeweiligen elektrischen Element (5) und der Außenwandung (14) zumindest ein Kanal (7) zur Durchströmung mit Luft vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (7) wendelförmig um das Element (5) verläuft.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kanal (7) turbulenzerzeugende Mittel ausgebildet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) im Wesentlichen aus einem isolierenden Material, insbesondere Kunststoff, besteht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) als Spritzgussteil ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) an ein jeweiliges elektrisches Element (5) angespritzt ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) ein insbesondere aus Metall bestehendes Hülsenteil umfasst, wobei das elektrische Element kraftschlüssig von dem Hülsenteil gehalten ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenteil Schlitzungen zur Führung des Luftstroms und zur gleichzeitigen Ausbildung von federnden Haltezungen Anlage an dem elektrischen Element aufweist, wobei das Hülsenteil von einer elektrisch isolierenden Außenwandung umgeben ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) eine im wesentlichen zylindrische Form hat.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Becherteil (4) über federnde Mittel, insbesondere nach Art eines Clips (11), gegenüber dem Bodenstück (1) festlegbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Becherteile (4) zusammen als einstückiges Formteil, insbesondere als Spritzgussteil, ausgebildet sind.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) im Wesentlichen aus Kunststoff besteht und insbesondere als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) als Metallteil, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) als Wärmetauscher zur Kühlung des Luftstroms ausgebildet ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) Mittel zur Durchleitung eines Kältemittels umfasst.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) als Verdampfer eines Kältekreises, insbesondere einer Fahrzeug-Klimaanlage, ausgebildet ist.
  19. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom vor einer Durchströmung des Bodenstücks (1) mittels eines Wärmetauschers, insbesondere eines Verdampfers einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs, kühlbar ist.
  20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den elektrischen Elementen (5) und dem Bodenstück (1) ein insbesondere über Anschlagmittel (12) definierter Abstand (13) vorgesehen ist.
  21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der elektrischen Elemente (5) elektrochemische Akkumulatoren sind, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien.
  22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der elektrischen Elemente (5) Kondensatoren sind.
  23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Elemente (5) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen, wobei die Bodenfläche (5a) eine stirnseitige Fläche des Zylinders ist.
  24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Elemente (5) eine metallene Außenwandung aufweisen, die auf einem elektrischen Potential des Elements liegt.
  25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Elemente (5) gegenüber dem Bodenstück (1) elektrisch isoliert sind, wobei die Isolation insbesondere gegenüber Spannungen von wenigstens etwa 1000 V durchbruchsfest ist.
  26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenstück (1) zwei gegenüberliegende Seiten (1a, 1b) mit Öffnungen (3) aufweist, wobei auf jeder der Seiten 1a, 1b) eine Mehrzahl von elektrischen Elementen (5) angeordnet ist und über die Öffnungen (3) mit Luft beströmbar ist.
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