DE102008028400A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie - Google Patents

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Martin Dipl.-Ing. Steinbach
Hans-Georg Dr. Herrmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherelementen (6) und einen von einem kühlenden Fluid durchströmbaren Kühlkörper (1), wobei zumindest eines der elektrischen Speicherelemente (6) jeweils an zumindest einem Kühlblech (3) in thermischem Kontakt festgelegt ist und wobei das Kühlblech (3) zur Übertragung von Wärme des Speicherelements (6) an das Fluid mit einem Kühlkörper (1) verbunden ist, wobei das Kühlblech (3) eine flächige, mechanische Verbindung mit dem Kühlkörper (3) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Kühlung von elektrischen Energiespeichern von modernen Kraftfahrzeugen stellt besondere Anforderungen aufgrund der teilweise hohen Leistungsdichte. Solche Energiespeicher können unter anderem als Fahrbatterien von Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Es kann sich um Lithium-Ionen-Batterien, Supercaps, Brennstoffzellen, herkömmliche Akkumulatoren oder Kombinationen aus solchen Elementen handeln. Es sind eine Reihe von Vorschlägen zur effizienten Kühlung solcher Bauteile bekannt, die aber oft nur aufwendig oder kostspielig herstellbar sind oder in ihrer Leistung beschränkt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine effektive und betriebssichere Kühlung bereitstellt.
  • Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die flächige, mechanische Verbindung ist ein guter thermischer Kontakt gegeben, was bei zum Beispiel einer ausschließlichen Verklebung der Kühlbleche mit dem Kühlkörper nur schwer erreichbar ist. Unter dem Kühlkörper im Sinne der Erfindung wird in bevorzugter Ausführung ein fluiddurchströmter, im Wesentlichen plattenförmiger Körper verstanden, wobei das Fluid ein flüssiges Kühlmittel eines Kühlkreislaufs oder auch ein im Kühlkörper verdampfendes Kältemittel z. B. einer Fahrzeug-Klimaanlage sein kann. Auch eine mehrflutige Auslegung des Kühlkörpers mit einer Kühlmittelflut und einer Kältemittelflut ist denkbar, um in sämtlichen Betriebssituationen eine ausreichende Kühlleistung bereitstellen zu können.
  • In bevorzugter Weiterbildung ist die mechanische Verbindung so gestaltet, dass das Kühlblech nach einer Verbindung mit dem elektrischen Element an dem Kühlkörper festlegbar ist. Hierdurch können die Herstellungsschritte sinnvoll separiert und besser automatisiert werden. Die Verbindung der elektrischen Elemente mit dem Kühlblech kann dabei zum Beispiel mittels Verklebung, klemmender Halterung oder anderer Maßnahmen erfolgen. Insbesondere kann es sich bei den elektrischen Elementen um Lithium-Ionen-Batterien in flacher Bauweise ohne eigensteife Hülle („Coffee-Bags”) handeln.
  • Zur Sicherstellung einer ausreichenden mechanischen Steifigkeit und thermischen Leitfähigkeit hat das Kühlblech bevorzugt eine Dicke zwischen etwa 0,2 mm und etwa 2 mm. Je nach Anforderungen kann das Kühlblech eine Mehrzahl von Blechlagen umfassen, wodurch zum einen eine gute Biegbarkeit bei zugleich ausreichendem Gesamtquerschnitt erzielbar ist. Allgemein bevorzugt bestehen die Kühlbleche aus einem gut wärmeleitfähigen und zugleich formbaren Material wie etwa Aluminium, Kupfer oder kupferbeschichtetes Aluminium.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Kühlkörper eine Durchbrechung, wobei das Kühlblech die Durchbrechung zumindest teilweise durchgreift. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass ein über die dem elektrischen Element gegenüberliegende Seite des Kühlkörpers überstehender Teil des Kühlblechs zur mechanischen, insbesondere kraftschlüssigen und/oder reibschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem Kühlkörper deformiert ist. Durch die Festlegung mittels Deformation des Kühlblechs lässt sich ein guter thermischer Kontakt bei zugleich dauerhaft sicherer Festlegung an dem Kühlkörper erzielen.
  • Bei einer bevorzugten Variante des Ausführungsbeispiels erfolgt die mechanische Verbindung mit einem an dem Kühlkörper angeordneten Blechteil, insbesondere mittels gemeinsamer Umformung von Kühlblech und Blechteil. Dabei kann das Blechteil (oder die mehreren Blechteile) insbesondere im Zuge der Herstellung des Kühlkörpers zum Beispiel mittels flächiger Verlötung angebracht werden, wodurch Blechteil und Kühlkörper sicher und in besonders gutem thermischen Kontakt verbunden sind.
  • Bevorzugt wird im Interesse einer guten Wärmeableitung der überstehende Teil des Kühlblechs unmittelbar an den Kühlkörper angeformt.
  • Bei einer besonders bevorzugten Detailgestaltung weist die Durchbrechung des Kühlkörpers eine Schlitzform mit einem erweiterten Zentralbereich auf. Der Zentralbereich kann zum Beispiel einen runden Querschnitt mit insbesondere konischen Flanken haben, so dass durch eine Anformung des Kühlblechs an diesen Bereich der Durchbrechung eine Art Halbschalen-Hohlniet entsteht, dessen mechanische Festigkeit und thermische Anbindung besonders groß ist.
  • Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel hat das Kühlblech an seinem zu dem Kühlkörper gerichteten Ende eine sich in flachem Winkel verjüngende Ausformung, wobei die Ausformung insbesondere reibschlüssig in eine korrespondierende Ausnehmung des Kühlkörpers eingreift. In bevorzugter Detailgestaltung beträgt ein Öffnungswinkel der Ausformung des Kühlblechs zwischen etwa 3° und etwa 9°, insbesondere zwischen etwa 5° und etwa 7°. Bei einer solchen Festlegung erfolgt die Halterung weitgehend reibschlüssig, wobei der gewählte Öffnungswinkel im Bereich des selbsthemmenden Reibungswinkels der Materialpaarung liegt. Neben einer großen Kontaktfläche bietet sich dabei auch der Vorteil, dass die Ausnehmung den Kühlkörper nicht vollständig durchgreifen bzw. als Durchbrechung ausgeformt sein muss.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Kühlblech über zumindest einen Niet mit dem Kühlkörper verbunden. Eine Vernietung bietet sich ebenfalls als besonders geeignet zur Erlangung einer flächigen, kraftbeaufschlagten Anlage von Kühlblech und Kühlkörper an. Bei einer ersten Detailgestaltung besteht der Niet dabei kostengünstig und einfach verarbeitbar aus Kunststoff. Insbesondere können dabei mehrere der Niete einstückig an einer Kunststoffschiene ausgebildet sein, wodurch die Montage weiter vereinfacht und automatisiert werden kann. Eine Umformung der Kunststoff-Nietköpfe kann durch Warmverstemmen, Ultraschall-Schweißen oder andere thermomechanische Umformverfahren erfolgen. Bei einer ergänzenden oder alternativen Abwandlung besteht der Niet aus Metall und ist insbesondere als Blindniet ausgebildet. Durch Metallniete kann eine besonders große Andruckkraft von Kühlblech und Kühlkörper und somit ein besonders guter thermischer Kontakt erzielt werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in dem Kühlkörper eine Nut und an dem Kühlblech eine zu der Nut korrespondierende Ausformung vorgesehen ist, wobei das Kühlblech mittels der Ausformung formschlüssig in die Nut einsetzbar ist. Hierdurch lässt sich ein Formschluss in zumindest zwei Raumrichtungen erzielen, wobei zudem große Kontaktflächen innerhalb der Nut möglich sind. Je nach Anforderungen kann, insbesondere zur Sicherung einer Verschiebung in Richtung der Nut, eine zusätzliche Festlegung durch Klebstoff oder durch federnde Klemmung vorliegen.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kühlblech über ein Klemmglied gegen den Kühlkörper kraftbeaufschlagt gehalten ist, wodurch auf einfache Weise ein guter thermischer Kontakt erzielt wird. In bevorzugter Weiterbildung ist dabei das Klemmglied an einem mit dem Kühlkörper verbundenen Rahmenkorb abgestützt, wobei insbesondere mehrere Kühlbleche in dem Rahmenkorb angeordnet sind. Hierdurch kann die Montage weiter vereinfacht und automatisiert werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem den Kühlkörper durchgreifenden Kühlblech.
  • 2 zeigt eine Draufsicht von unten auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung vor und nach einem teilweisen Umformen des Kühlblechs.
  • 3 zeigt die Vorrichtung aus 2 in zwei Schnittebenen entlang der Linien A-A und B-B.
  • 4 zeigt zeigt eine weitere Draufsicht von unten auf die Vorrichtung aus 2 nach einem vollständigen Umformen des Kühlblechs.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Vernietung von Kühlblech und Kühlkörper.
  • 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus 5.
  • 7 zeigt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 5.
  • 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung formschlüssiger Nuten.
  • 9 zeigt ein Kühlblech eines weiteren Ausführungsbeispiels mit konischen Ausformungen.
  • 10 zeigt eine schematische Schnittansicht durch das an einem Kühlkörper festgelegte Kühlblech aus 9.
  • 11 zeigt eine Schnittansicht eines Kühlblechs eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 12 zeigt ein das Ausführungsbeispiel aus 11 mit über ein Klemmglied an dem Kühlkörper festgelegtem Kühlblech.
  • 13 zeigt eine räumliche Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 12 in einem teilweise montierten Zustand ohne Klemmglied.
  • Bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist ein fluiddurchströmter Kühlkörper 1 eine Mehrzahl von schlitzförmigen Durchbrechungen 2 auf, durch die jeweils ein Kühlblech 3 gesteckt ist. An dem Kühlblech 3 sind jeweils eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batterien der Coffee-Bag-Bauweise durch Verklebung festgelegt (nicht dargestellt). Der die Durchbrechung 2 durchgreifende Teil steht auf der anderen (in der Zeichnungen oberen) Seite des Kühlkörper über und ist dort mit einem Blechteil 4 durch Umbördelung bzw. Verfalzung 5 verbunden. Das Blechteil 4 hat einen flächigen, umgebogenen Ansatz 4a, mittels dessen es flächig mit dem Kühlkörper verlötet ist.
  • Durch die gemeinsame Umformung von Kühlblech 3 und Blechteil 4 wird eine kraft-, reib- und formschlüssige Verbindung geschaffen, die eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Gegebenenfalls können zusätzlich Abschnitte des Kühlblechs 3 nach Art von Füßen umgebogen sein und auf der gemäß 1 unteren Seite des Kühlkörpers flächig anliegen.
  • 2 zeigt eine weitere Möglichkeit, ein durch eine Durchbrechung 2 des Kühlkörpers 1 gestecktes Kühlblech durch Umformung festzulegen.
  • Hierzu hat die Durchbrechung seitliche schlitzförmige Abschnitte 2a und einen zentralen, im Wesentlichen kreisförmigen Abschnitt 2b von größerer Breite. Das Kühlblech ist in seinem durch den Kühlkörper gesteckten Endbereich in drei Segmente 3a, 3b, 3c geteilt, wobei die seitlichen Segmente 3a, 3c um etwa 90 Grad umgelascht werden und nicht durch die schlitzförmigen Teile 2a der Durchbrechung 2 gesteckt sind, sondern das Kühlblech flächig gegen den Kühlkörper abstützen. Das mittlere, durch die Durchbrechung 2 gesteckte Segment 3b wird nach Art eines Halbschalen-Hohlniets an den Zentralbereich der Durchbrechung 2b angeformt. Überstände des den schlitzförmigen Teil 2a durchgreifenden Segments werden umgelascht.
  • Bei der Schnittansicht nach 3 sind auf der linken Seite und der rechten Seite verschiedene Schnittebenen zur Veranschaulichung dargestellt. Zudem sind endseitige Bereiche der auf das Kühlblech 3 aufgeklebten Lithium-Ionen-Zellen 6 sichtbar.
  • Die Draufsicht von unten gemäß 4 zeigt aus Gründen der Veranschaulichung auch die an der gegenüberliegenden Seite des plattenförmigen Kühlkörpers abgestützen Segmente 3a, 3c, die eigentlich nicht sichtbar wären. Die Segmente 3a, 3c sind zudem mit Sicken 3d zur Verstärkung versehen. In dem Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Kühlbleche in der gleichen Durchbrechung 2 eingebracht, wobei es sich je nach Anforderungen auch um zwei Blechlagen des gleichen Kühlblechs handeln kann. Bei einem aus mehreren Lagen ausgebildeten Kühlblech können die Lagen an ihrem anderen Ende ähnlich dem Verbindungsbereich 5 in 1 miteinander verbunden sein.
  • Bei der Ausführungsform nach 5 wird an das Kühlblech (nicht dargestellt) eine Kunststoffschiene 7 angebracht, zum Beispiel mittels festclipsen, kleben oder umspritzen. Die Kunststoffschiene 7 hat mehrere vorragende Stifte bzw. Niete 8, die durch Durchbrechungen 9 des Kühlkörpers 1 gesteckt und anschließend zu Nietköpfen umgeformt werden. Die Umformung kann durch Warmverstemmung oder andere geeignete Maßnahmen erfolgen.
  • Der Kühlkörper 1 weist Flachrohre 1a auf, in denen Kältemittel oder ein Kühlmittel strömt. Zur weiteren Verstärkung sind die Niete in Verstärkungselementen 9 geführt.
  • 6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform aus 5, bei der keine Verstärkungselemente vorgesehen sind.
  • 7 zeigt eine weitere Variante der Vernietung von Kühlblech 3 und Kühlkörper 1, bei der ein metallischer Blindniet von der den elektrischen Elementen abgewandten Seite durch Durchbrechungen in Kühlkörper 1 und einer an dem Kühlkörper 1 anliegenden Lasche des Kühlblech 3 gesteckt und dann umgeformt wird. Diese Befestigung ist besonders bei engen Bauweisen vorteilhaft, wie zum Beispiel vorliegend durch die den Niet 10 übergreifenden elektrischen Elemente 6 gegeben.
  • 8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine endseitige Ausformung 11 des Kühlblechs 3 in eine korrespondierende Nut 12 des Kühlkörpers 1 formschlüssig eingeschoben wird. Falls eine Reibung oder durch Formgebung erzielte Federspannung nicht zur Festlegung in der Einschubrichtung ausreichend ist, kann zusätzlich eine Verklebung oder auch Umlaschung endseitig überstehender Blechteile erfolgen.
  • 9 und 10 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem endseitig des Kühlblechs 3 sich in flachem Winkel von etwa 6° verjüngende Ausformungen nach Art von Zungen 13 vorgesehen sind, die in korrespondierende, konische Ausnehmungen 14 des Kühlkörpers 1 eingesetzt sind. Die Ausnehmungen 14 können sackförmig oder auch als Durchbrechungen (siehe 10) vorliegen. Durch geeignete Wahl des Konuswinkels kann eine dauerhafte reibschlüssige Festlegung bei gutem flächigem Kontakt erzielt werden. Eine zusätzliche Sicherung kann durch nachträgliches Aufbringen von Klebstoff erfolgen oder auch durch zusätzliche Verrastung bei geeigneter Formgebung der Zungen 13.
  • 11 bis 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der das Kühlblech 3 endseitig durch Umbiegung zu flächigen Füßen 15 ausgeformt ist, die auf der Oberfläche des Kühlkörpers 1 aufliegen. An dem gegenüberliegenden Ende werden die Kühlbleche 3 durch ein Klemmglied 16 nach Art eines geraden, das Kühlblech durchgehend übergreifenden Bügels bzw. einer Druckplatte 16a mit seitlich eingehakten, federelastischen Verbindungsgliedern 16b gehalten und gegen den Kühlkörper 1 gedrückt.
  • Die Verbindungsglieder 16b sind einerseits mit den Bügeln 16a verbunden und andererseits in Ausnehmungen 17a eines Rahmenkorbs 17 vorgespannt eingehängt. Der Rahmenkorb 17 umfängt mehrere der Kühlbleche 3 und ist fest mit dem Kühlkörper 1 verbunden, was zum Beispiel im Zuge der Herstellung des Kühlkörpers 1 durch Verlötung erfolgen kann.
  • Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.

Claims (19)

  1. Vorrichtung zur Kühlung eines Fahrzeugbatterie, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherelementen (6), und einen von einem kühlenden Fluid durchströmbaren Kühlkörper (1), wobei zumindest eines der elektrischen Speicherelemente (6) jeweils an zumindest einem Kühlblech (3) in thermischem Kontakt festgelegt ist, und wobei das Kühlblech (3) zur Übertragung von Wärme des Speicherelements (6) an das Fluid mit dem Kühlkörper (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) eine flächige, mechanische Verbindung mit dem Kühlkörper (3) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) nach einer Verbindung mit dem elektrischen Element (6) an dem Kühlkörper (1) festlegbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) eine Dicke zwischen etwa 0,2 mm und etwa 2 mm aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) eine Mehrzahl von Blechlagen umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) eine Durchbrechung (2) auf weist, wobei das Kühlblech (3) die Durchbrechung (2) zumindest teilweise durchgreift.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein über die dem elektrischen Element (6) gegenüberliegende Seite des Kühlkörpers (1) überstehender Teil des Kühlblechs (3) zur mechanischen, insbesondere kraftschlüssigen und/oder reibschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem Kühlkörper deformiert ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung mit einem an dem Kühlkörper (1) angeordneten Blechteil (4) erfolgt, insbesondere mittels gemeinsamer Umformung von Kühlblech (3) und Blechteil (4).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der überstehende Teil des Kühlblechs (3) unmittelbar an den Kühlkörper (1) angeformt wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung des Kühlkörpers (1) eine Schlitzform (2a) mit einem erweiterten Zentralbereich (2b) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) an seinem zu dem Kühlkörper (1) gerichteten Ende eine sich in flachem Winkel verjüngende Ausformung (13) aufweist, wobei die Ausformung insbesondere reibschlüssig in eine korrespondierende Ausnehmung (14) des Kühlkörpers (1) eingreift.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel der Ausformung (13) des Kühlblechs (3) zwischen etwa 3° und etwa 9°, insbesondere zwischen etwa 5° und etwa 7°, beträgt.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech (3) über zumindest einen Niet (8, 10) mit dem Kühlkörper (1) verbunden ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Niet (8) aus Kunststoff besteht.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Niete einstückig an einer Kunststoffschiene (7) ausgebildet sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Niet (10) aus Metall besteht und insbesondere als Blindniet ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kühlkörper (1) eine Nut (12) und an dem Kühlblech eine zu der Nut korrespondierende Ausformung (11) vorgesehen ist, wobei das Kühlblech (3) mittels der Ausformung (1) formschlüssig in die Nut (12) einsetzbar ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Festlegung durch Klebstoff oder durch federnde Klemmung vorliegt.
  18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlblech über ein Klemmglied (16) gegen den Kühlkörper kraftbeaufschlagt gehalten ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Klemmglied (16) an einem mit dem Kühlkörper verbundenen Rahmenkorb (17) abgestützt ist, wobei insbesondere mehrere Kühlbleche (3) in dem Rahmenkorb (17) angeordnet sind.
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