DE102008034885A1 - Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie (B) mit mehreren Batteriezellen (1). Die Kühlvorrichtung umfasst eine Kühlplatte (3) mit wenigstens einem Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) zur Durchleitung eines Kühlmediums. Dabei ist der wenigstens eine Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) derart ausgebildet, dass unter für die Kühlplatte (3) vorgesehenen Betriebsbedingungen eine Temperatur einer Oberfläche der Kühlplatte (3) räumlich im Wesentlichen konstant ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen.
  • Üblicherweise weist eine Batterie zur Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Hybridantrieb oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen, einen Zellblock aus mehreren elektrisch in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen, beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, auf.
  • Die Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Dazu wird in der Regel eine Flüssigkeitskühlung oder eine Kühlung mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
  • Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Flüssigkeitskühlung ist am Zellblock der Batterie wenigstens ein von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmter Kühlkanal angeordnet. Längs der Batteriezellen wird die Wärme entweder durch separate Kühlstäbe oder Kühlplatten oder durch Zellwände der Batteriezellen geleitet. Bei der Wärmeableitung durch die Zellwände sind diese beispielsweise metallisch ausgeführt und in einem oder mehreren Bereichen zur besseren Wärmeleitung aufgedickt.
  • Ein Nachteil der bekannten Flüssigkeitskühlung ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Kühlplatte. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die an einer Stelle in den Kühlkanal eintritt, erhöht sich mit zunehmender Wärmeaufnahme, so dass die Temperatur der Kühlplatte entlang des Kühlkanals ansteigt. Deswegen werden die Batteriezellen, die sich im Bereich eines Austritts der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal befinden, schlechter gekühlt als die Batteriezellen im Bereich des Eintritts der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal.
  • Die unterschiedliche Temperatur der Batteriezellen führt zu einer ungleichmäßigen Alterung der Batteriezellen. Neben der Auswirkung auf die Gesamtlebensdauer der Batterie, die durch die am stärksten gealterten Batteriezellen bestimmt wird, unterscheiden sich die einzelnen Batteriezellen dadurch mit zunehmender Nutzungsdauer der Batterie immer mehr voneinander hinsichtlich ihres Lade- und Entladeverhaltens und ihrer Selbstentladung.
  • Daraus resultiert ein mit zunehmender Nutzungsdauer der Batterie steigender Bedarf, die unterschiedlichen Zellspannungen der Batteriezellen auszugleichen. Zum Ausgleich der Zellspannungen werden gegenwärtig Batteriezellen mit höherer Zellspannung über elektrische Widerstände entladen. Dies reduziert die effektiv zur Verfügung stehende Batteriekapazität.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen umfasst eine Kühlplatte mit wenigstens einem Kühlkanal zur Durchleitung eines Kühlmediums. Der Kühlkanal weist wenigstens eine Einlassmündung und wenigstens eine Auslassmündung für das Kühlmedium auf und ist derart ausgebildet, dass unter für die Kühlplatte vorgesehenen Betriebsbedingungen eine Temperatur einer Oberfläche der Kühlplatte räumlich im Wesentlichen konstant ist.
  • Die gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Kühlplatte hat den Vorteil, dass dadurch die verschiedenen Batteriezellen der Batterie gleichmäßig gekühlt werden und dadurch eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweisen. Dadurch wird eine gleichmäßige Alterung der Batteriezellen erreicht und die Lebensdauer der Batterie erhöht.
  • Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der gleichmäßigen Belastung der Batteriezellen auch deren Abnutzung gleichmäßig fortschreitet. Dadurch wird der Bedarf eines Spannungsausgleiches zwischen den einzelnen Batteriezellen reduziert und bei einer Regelung dieses Spannungsausgleichs mittels elektrischer Widerstände die effektive Kapazität der Batterie erhöht.
  • Vorteilhaft ist ferner, dass durch Temperaturunterschiede verursachte Spannungen im Zellblock reduziert werden, wodurch die Funktionalität und Sicherheit der Batterie erhöht werden.
  • Im Detail wird die im Wesentlichen räumlich konstante Temperaturverteilung auf einer Oberfläche der Kühlplatte durch eine geometrische Ausbildung des wenigstens einen Kühlkanals und/oder dessen geometrische Anordnung in der Kühlplatte erreicht.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Kühlkanal mit einer Anzahl von Windungen vor, wobei der Abstand je zweier benachbarter Windungen entlang des Kühlkanals von einer Einlassmündung zu einer Auslassmündung abnimmt.
  • Dabei erhöht die Abstandsabnahme benachbarter Windungen entlang des Kühlkanals in vorteilhafter Weise die Menge von durchschnittlich zur Verfügung stehendem Kühlmedium pro Flächeneinheit und kompensiert dabei die durch die zunehmende Erwärmung des Kühlmediums entlang des Kühlkanals abnehmende Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums, so dass insgesamt eine im Wesentlichen räumliche konstante Wärmeaufnahme pro Flächeneinheit durch die Kühlplatte resultiert.
  • Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Kühlkanal vor, der aus zwei an einer Kanalumkehrstelle miteinander verbundenen und im Übrigen nebeneinander verlaufenden Teilstücken besteht.
  • Dies hat den Vorteil, dass bei Durchströmung des Kühlkanals mit dem Kühlmedium nebeneinander liegende Abschnitte der beiden Teilstücke in entgegen gesetzter Richtung von Kühlmedium unterschiedlicher Temperatur durchströmt werden, wobei sich die Temperaturunterschiede gegenseitig kompensieren, da der Mittelwert der Temperaturen des Kühlmediums in den nebeneinander liegenden Abschnitten entlang des gesamten Kühlkanals im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkanal bevorzugt eine Anzahl von Windungen auf. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Wärmeaufnahme auf eine größere Fläche verteilt wird und somit die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung weiter verbessert wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Kühlplatte mit zwei nebeneinander verlaufenden Kühlkanälen vor, welche in zueinander entgegen gesetzten Richtungen mit dem Kühlmedium durchströmbar sind.
  • Dies hat den Vorteil, dass sich die Temperaturunterschiede des Kühlkanals in nebeneinander liegenden Abschnitten der beiden Kühlkänale gegenseitig kompensieren, so dass auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung eine gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht wird.
  • Aus den gleichen vorteilhaften Gründen wie in der vorher beschriebenen Ausgestaltung weisen die Kühlkanäle auch in dieser Ausgestaltung bevorzugt eine Anzahl von Windungen auf.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Kühlkanal vor, dessen Querschnittsfläche entlang des Kühlkanals von einer Einlassmündung zu einer Auslassmündung abnimmt.
  • Durch die Abnahme der Querschnittsfläche des Kühlkanals nimmt eine Strömungsgeschwindigkeit eines durch den Kühlkanal strömenden Kühlmediums entlang des Kühlkanals zu. Die zunehmende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wirkt vorteilhaft einer Abnahme eines Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlmediums durch dessen zunehmende Erwärmung entlang des Kühlkanals entgegen, so dass der resultierende Wärmeübergangskoeffizient des Kühlmediums unter für die Kühlplatte vorgesehenen Betriebsbedingungen im Wesentlichen räumlich konstant ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Kühlkanal mit einer Anzahl von in dem Kühlkanal angeordneten Wärmeübergangsflächen vor.
  • Derartige Wärmeübergangsflächen erhöhen vorteilhaft die für ein den Kühlkanal durchströmendes Kühlmedium verfügbare Wärmeübergangsfläche und somit eine Wärmeableitung durch das Kühlmedium.
  • Die Wärmeübergangsflächen sind bevorzugt als in einer Längsrichtung des Kühlkanals verlaufende Stege ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die so ausgebildeten Wärmeübergangsflächen eine Strömung des Kühlmediums in dem Kühlkanal wenig beeinflussen.
  • Dabei sieht eine erste Variante dieser Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Wärmeübergangsflächen in dem Kühlkanal hintereinander angeordnet sind und der Abstand je zweier benachbarter Wärmeübergangsflächen entlang des Kühlkanals von einer Einlassmündung zu einer Auslassmündung abnimmt.
  • Eine zweite Variante dieser Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeübergangsflächen in dem Kühlkanal gruppenweise hintereinander angeordnet sind, wobei jede Gruppe eine Anzahl von in dem Kühlkanal nebeneinander angeordneten Wärmeübergangsflächen umfasst. Dabei nimmt die Anzahl der Wärmeübergangsflächen je Gruppe entlang des Kühlkanals von einer Einlassmündung zu einer Auslassmündung zu. Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche des Kühlkanals mit zunehmender Anzahl der Wärmeübergangsflächen je Gruppe ebenfalls zu, um die Wärmeübergangsflächen in dem Kühlkanal nebeneinander anzuordnen.
  • Damit nimmt in beiden Varianten dieser Ausgestaltung der Erfindung die mittlere Anzahl von Wärmeübergangsflächen pro Längeneinheit entlang des Kühlkanals zu. Die dadurch entlang des Kühlkanals zunehmende Wärmeübergangsfläche pro Längeneinheit wirkt der Abnahme der Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums infolge dessen Temperaturerhöhung entlang des Kühlkanals vorteilhaft entgegen, so dass die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums entlang des Kühlkanals im Mittel im Wesentlichen konstant ist.
  • Die Erfindung sieht ferner eine Batterie mit mehreren Batteriezellen vor, welche eine mit den Batteriezellen Wärme leitend verbundene erfindungsgemäße Kühlvorrichtung aufweist.
  • Des Weiteren sieht die Erfindung eine Verwendung einer derartigen Batterie in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug, vor.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen in:
  • 1 eine Batteriezelle und ein Wärmeleitelement in einer perspektivischen Darstellung,
  • 2 eine Batteriezelle und ein Wärmeleitelement in einer Schnittdarstellung,
  • 3 eine Batteriezelle und ein Wärmeleitelement in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 4 eine Batterie in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 5 eine montierte Batterie in einer perspektivischen Darstellung,
  • 6 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 7 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer Draufsicht auf das Kühlplattenunterteil,
  • 8 eine Schnittdarstellung einer Batterie mit einer Kühlplatte gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
  • 9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer perspektivischen Darstellung des Kühlplattenunterteils,
  • 10 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer Draufsicht auf das Kühlplattenunterteil,
  • 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer Draufsicht auf das Kühlplattenunterteil,
  • 12 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer Draufsicht auf einen Abschnitt des Kühlplattenunterteils, und
  • 13 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte anhand einer perspektivischen Darstellung eines Abschnittes des Kühlplattenunterteils.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In den 1 bis 3 sind eine als Flachzelle ausgeführte Batteriezelle 1 und ein zu ihr korrespondierendes Wärmeleitelement 2 dargestellt, wobei 1 eine perspektivische Darstellung, 2 eine Schnittdarstellung und 3 eine Explosionsdarstellung der Batteriezelle 1 und des Wärmeleitelementes 2 zeigen.
  • Die Batteriezelle 1 weist ein Zellengehäuse 1.2 auf, das nicht dargestellte im Zelleninneren angeordnete, aufeinander liegende elektrochemisch aktive Elektrodenfolien umschließt. Das Zellengehäuse 1.2 ist vorzugsweise aus zwei gegenüberliegenden, ebenen, insbesondere plattenförmigen, und zueinander korrespondierenden Gehäuseseitenwänden 1.3 gebildet.
  • Die Polkontakte 1.4 der Batteriezelle 1 sind aus dem Zelleninneren der Batteriezelle 1 als fahnenartige Verlängerungen, welche elektrisch voneinander isoliert sind, herausgeführt.
  • Das Wärmeleitelement 2 ist in diesem Beispiel als ein Wärmeleitblech ausgebildet, dessen unterer Bereich ein L-förmig um etwa 90° von dem oberen Bereich 2.2 abgewinkelter Schenkel 2.1 ist. Der obere Bereich 2.2 ist Wärme leitend an der hinteren Gehäuseseitenwand 1.3 der Batteriezelle 1 angeordnet und korrespondiert zu dieser in seinen Abmessungen. Dadurch kann Wärme von der Batteriezelle 1 großflächig über den oberen Bereich 2.2 des Wärmeleitelementes 2 zu dessen Schenkel 2.1 geleitet werden.
  • Die 4 und 5 zeigen eine Batterie B mit mehreren Batteriezellen 1, wobei die Batterie B in 4 in einer Explosionsdarstellung und in 5 in einem montierten Zustand gezeigt wird. Die Batteriezellen 1 sind zu einem Zellenverbund 4 zusammengefasst. Zwischen den einzelnen Batteriezellen 1 ist jeweils ein Wärmeleitelement 2 angeordnet.
  • Zur Kühlung der Batterie B ist an den Batteriezellen 1 beispielsweise bodenseitig eine erfindungsgemäße Kühlplatte 3 angeordnet. Dabei sind die Schenkel 2.1 der Wärmeleitelemente 2 Wärme leitend mit der Kühlplatte 3 verbunden. Dadurch wird von den Batteriezellen 1 auf die zugehörigen Wärmeleitelemente 2 übertragene Wärme an die Kühlplatte 3 abgeführt, wenn deren Temperatur niedriger als die Temperatur der Wärmeleitelemente 2 ist.
  • Die Wärmeleitelemente 2 sind mittels Spannelementen 5, insbesondere Spanngurten, mit den Batteriezellen 1 verpresst und an der Kühlplatte 3 fixiert. Dazu weist die Kühlplatte 3 bevorzugt an einer dem Zellenverbund 4 abgewandten Seite in Längsrichtung Einkerbungen 3.3.2 auf, die zu den Abmaßen des Spannelementes 5, insbesondere dessen Breite und Höhe, korrespondieren. Die Anzahl der Einkerbungen 3.3.2 entspricht insbesondere der Anzahl der Spannelemente 5, die zur Befestigung des Zellenverbundes 4 verwendet werden.
  • Die Kühlplatte 3 weist ferner eine Kühlmittelanschlusseinheit 3.1 mit wenigstens einer Eintrittsöffnung 3.1.1 und wenigstens einer Austrittsöffnung 3.1.2 auf, über welche ein Kühlmedium der Kühlplatte 3 zuführbar bzw. aus ihr abführbar ist. Durch die Kühlmittelanschlusseinheit 3.1 ist die Kühlplatte 3 an einen Kühlmittelkreislauf anschließbar, beispielsweise an einen Kühlmittelkreislauf einer nicht dargestellten Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. In dem Kühlmittelkreislauf strömt das Kühlmedium, welches über den Kühlmittelkreislauf aufgenommene Wärme abführt.
  • 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte 3 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Die Kühlplatte 3 umfasst die Kühlmittelanschlusseinheit 3.1, einen Kühlplattendeckel 3.2 und ein Kühlplattenunterteil 3.3. Eine Draufsicht auf das Kühlplattenunterteil 3.3 ist in 7 dargestellt.
  • Der Querschnitt des Kühlplattenunterteils 3.3 hat die Kontur eines Rechtecks mit einer Ausbuchtung 3.3.0 an einer der kürzeren Rechteckkanten, wobei die Ausbuchtung 3.3.0 symmetrisch zu der Mittelsenkrechten dieser Rechteckkante ist, welche eine Symmetrieachse S des Querschnittes des Kühlplattenunterteils 3.3 ist.
  • Der Kühlplattendeckel 3.2 hat eine zu der Querschnittsfläche des Kühlplattenunterteils 3.3 korrespondierende Form und ist mit dem Kühlplattenunterteil 3.3 beispielsweise durch Lötung, Schweißung oder Klebung stoffschlüssig verbunden.
  • Das Kühlplattenunterteil 3.3 weist einen Kühlkanal 3.3.1 mit zwei Einlassmündungen 3.3.3 und einer Auslassmündung 3.3.4 auf. Dabei ist die Auslassmündung 3.3.4 auf der Symmetrieachse S im Bereich der Ausbuchtung 3.3.0 angeordnet und die beiden Einlassmündungen 3.3.3 sind symmetrisch zur Symmetrieachse S, ebenfalls im Bereich der Ausbuchtung 3.3.0, angeordnet.
  • Der Kühlkanal 3.3.1 weist ein geradlinig entlang der Symmetrieachse S zwischen der Auslassmündung 3.3.4 und einer Kanalvereinigungsstelle 3.3.5 verlaufendes Kanalmittelstück 3.3.6 auf, wobei die Kanalvereinigungsstelle 3.3.5 im Bereich der der Ausbuchtung 3.3.0 gegenüber liegenden Kante des Kühlplattenunterteils 3.3 angeordnet ist.
  • Zu beiden Seiten des Kanalmittelstücks 3.3.6 weist der Kühlkanal 3.3.1 je ein Kanalseitenstück 3.3.7 auf, welches von einer der Einlassmündungen 3.3.3 zu der Kanalvereinigungsstelle 3.3.5 verläuft. Die Kanalseitenstücke 3.3.7 sind jeweils mäanderförmig mit einer Anzahl von Windungen und zueinander symmetrisch zur Symmetrieachse S ausgebildet.
  • Dabei nimmt der Abstand je zweier benachbarter Windungen entlang der Kanalseitenstücke 3.3.7 von der jeweiligen Einlassmündung 3.3.3 zu der Kanalvereinigungsstelle 3.3.5 ab.
  • Diese Abstandsabnahme benachbarter Windungen ist derart bemessen, dass die Wärmeaufnahme durch ein den Kühlkanal 3.3.1 durchströmendes Kühlmedium unter den für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen pro Flächeneinheit des Kühlplattendeckels 3.2 im Wesentlichen räumlich konstant ist.
  • Dabei sind die für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen durch deren Verwendung zur Kühlung einer Batterie B, insbesondere durch eine Temperatur der Batteriezellen 1 und/oder der Wärmeleitelemente 2 im Normalbetrieb der Batterie B und durch den vorgesehenen Volumenstrom des Kühlmediums durch den Kühlkanal 3.3.1 gekennzeichnet.
  • Die Abstandsabnahme benachbarter Windungen entlang der Kanalseitenstücke 3.3.7 erhöht in vorteilhafter Weise die Menge von im Mittel zur Verfügung stehendem Kühlmedium pro Flächeneinheit und kompensiert dabei die durch die zunehmende Erwärmung des Kühlmediums entlang der Kanalseitenstücke 3.3.7 abnehmende Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums, so dass insgesamt eine im Wesentlichen räumliche konstante Wärmeaufnahme pro Flächeneinheit durch die Kühlplatte 3 resultiert.
  • Oberhalb der beiden Einlassmündungen 3.3.3 und der Auslassmündung 3.3.4 des Kühlkanals 3.3.1 weist der Kühlplattendeckel 3.2 jeweils einen Durchbruch 3.2.2 auf.
  • Die Kühlmittelanschlusseinheit 3.1 ist oberseitig an dem Kühlplattendeckel 3.2 derart befestigt, dass in ihrem Inneren verlaufende nicht dargestellte Kanäle die beiden über den Einlassmündungen 3.3.3 des Kühlkanal 3.3.1 liegenden Durchbrüche 3.2.2 mit der Eintrittsöffnung 3.1.1 und den über der Auslassmündung 3.3.4 liegenden Durchbruch 3.2.2 mit der Austrittsöffnung 3.1.2 verbinden.
  • Dadurch ist den Einlassmündungen 3.3.3 über die Eintrittsöffnung 3.1.1 Kühlmedium zuführbar, welches durch das jeweilige Kanalseitenstück 3.3.7 zu der Kanalvereinigungsstelle 3.3.5 und von dort durch das Kanalmittelstück 3.3.6 zu der Auslassmündung 3.3.4 leitbar und durch die Austrittsöffnung 3.1.2 aus der Kühlplatte 3 abführbar ist.
  • 8 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Batterie B mit einer in den 6 und 7 dargestellten Kühlplatte 3. Dabei schneidet die Ebene des Längsschnittes einen Querschnitt des Kühlplattenunterteils 3.3 entlang einer Geraden parallel zu der Symmetrieachse S durch die Windungen eines Kanalseitenstücks 3.3.7.
  • Die 9 und 10 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte 3, wobei jeweils nur das Kühlplattenunterteil 3.3 dargestellt ist. Dabei ist das Kühlplattenunterteil 3.3 in 9 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung und in 10 in einer Draufsicht dargestellt.
  • Das Kühlplattenunterteil 3.3 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Kühlkanal 3.3.11 auf, welcher im Bereich der Ausbuchtung 3.3.0 eine Einlassmündung 3.3.3 und eine Auslassmündung 3.3.4 hat.
  • Der Kühlkanal 3.3.11 verläuft von der Einlassmündung 3.3.3 als ein erstes Teilstück 3.3.8 mäanderförmig in einer Anzahl von Windungen zu einer Kanalumkehrstelle 3.3.10, welcher sich in einem Bereich der der Ausbuchtung 3.3.0 gegenüber liegenden Kante des Kühlplattenunterteils 3.3 befindet. Von der Kanalumkehrstelle 3.3.10 verläuft der Kühlkanal 3.3.11 als ein zweites Teilstück 3.3.9 in gleich bleibendem Abstand zu dem ersten Teilstück 3.3.8 neben diesem mäanderförmig zurück zu der Ausbuchtung 3.3.0 und endet dort in der Auslassmündung 3.3.4. Dabei sind die Windungen der beiden Teilstücke 3.3.8 und 3.3.9 gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Kühlplattenunterteils 3.3 verteilt und korrespondieren nebeneinander.
  • Bei Durchströmung des Kühlkanals 3.3.11 mit dem Kühlmedium werden nebeneinander liegende Abschnitte des ersten Teilstücks 3.3.8 und des zweiten Teilstücks 3.3.9 in entgegen gesetzter Richtung von Kühlmedium durchströmt. Unter den für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen erwärmt sich das Kühlmedium zunehmend entlang des Kühlkanals 3.3.11 und weist daher in den beiden nebeneinander liegenden Abschnitten eine Temperaturdifferenz auf, die umso höher ist, je näher die Abschnitte der Ausbuchtung 3.3.0 sind.
  • Der Mittelwert der Temperaturen des Kühlmediums in nebeneinander liegenden Abschnitten des ersten Teilstücks 3.3.8 und des zweiten Teilstücks 3.3.9 ist dabei entlang des gesamten Kühlkanals 3.3.11 im Wesentlichen konstant, so dass auch die Wärmeaufnahme des Kühlmediums pro Flächeneinheit des Kühlplattendeckels 3.2 räumlich im Wesentlichen konstant ist.
  • 11 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühlplatte 3, wobei nur das Kühlplattenunterteil 3.3 in einer Draufsicht dargestellt ist.
  • Das Kühlplattenunterteil 3.3 weist einen ersten Kühlkanal 3.3.12 und einen zweiten Kühlkanal 3.3.13 auf. Die Kühlkanäle 3.3.12 und 3.3.13 sind jeweils symmetrisch zu der Symmetrieachse S des Querschnitts des Kühlplattenunterteils 3.3 ausgebildet und weisen im Bereich der Ausbuchtung 3.3.0 je eine Einlassmündung 3.3.3 und je eine Auslassmündung 3.3.4 auf.
  • Dabei verläuft der erste Kühlkanal 3.3.12 von seiner Einlassmündung 3.3.3 auf einer Seite der Symmetrieachse S mäanderförmig zu dem Bereich der der Ausbuchtung 3.3.0 gegenüber liegenden Kante des Kühlplattenunterteils 3.3 in diesem Bereich senkrecht zu der Symmetrieachse S auf die andere Seite der Symmetrieachse S und dort mäanderförmig zur Auslassmündung 3.3.4 des ersten Kühlkanals 3.3.12.
  • Der zweite Kühlkanal 3.3.13 verläuft in einem festen Abstand zu dem ersten Kühlkanal 3.3.12 neben und somit parallel zu diesem, wobei die Einlassmündung 3.3.3 des zweiten Kühlkanals 3.3.13 neben der Auslassmündung 3.3.4 des ersten Kühlkanals 3.3.12 und die Auslassmündung 3.3.4 des zweiten Kühlkanals 3.3.13 neben der Einlassmündung 3.3.3 des ersten Kühlkanals 3.3.12 angeordnet sind. Bei Durchströmung der Kühlkanäle 3.3.12 und 3.3.13 mit dem Kühlmedium werden nebeneinander liegende Abschnitte der Kühlkanäle 3.3.12 und 3.3.13 daher in entgegen gesetzter Richtung von Kühlmedium durchströmt.
  • Da sich das Kühlmedium unter den für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen entlang jedes der Kühlkanäle 3.3.12 und 3.3.13 von der jeweiligen Einlassmündung 3.3.3 zu der jeweiligen Auslassmündung 3.3.4 zunehmend erwärmt, weist das Kühlmedium in nebeneinander liegenden Abschnitten des ersten Kühlkanals 3.3.12 und des zweiten Kühlkanals 3.3.13 unterschiedliche Temperaturen auf, deren Mittelwert entlang der Kühlkanäle 3.3.12 und 3.3.13 jedoch im Wesentlichen konstant ist. Dadurch ist auch die Wärmeaufnahme des Kühlmediums pro Flächeneinheit des Kühlplattendeckels 3.2 räumlich im Wesentlichen konstant.
  • Die 12 und 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Kühlplatten 3 anhand eines Abschnittes eines Kühlplattenunterteils 3.3 mit drei verschiedenen Kühlkanälen 3.3.14, 3.3.15, 3.3.16, wobei der Abschnitt des Kühlplattenunterteils 3.3 in 12 in einer perspektivischen Darstellung und in 13 in einer Draufsicht gezeigt ist. Daraus ergeben sich verschiedene Ausführungsbeispiele von Kühlplatten 3 mit einer Anzahl gleicher oder verschiedener Kühlkanäle 3.3.14, 3.3.15, 3.3.16.
  • Ein erster Kühlkanal 3.3.14 weist eine in Strömungsrichtung abnehmende Querschnittsfläche auf. Dabei ist die Querschnittsfläche entlang des Kühlkanals 3.3.14 derart bemessen, dass ein Wärmeübergangskoeffizient eines den Kühlkanal 3.3.14 durchströmenden Kühlmediums entlang des Kühlkanals 3.3.14 unter für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen im Wesentlichen räumlich konstant ist.
  • Dabei wird als Strömungsrichtung eine Richtung entlang des Kühlkanals 3.3.14 von dessen Einlassmündung 3.3.3 zu dessen Auslassmündung 3.3.4 bezeichnet.
  • Der Wärmeübergangskoeffizient des Kühlmediums in dem Kühlkanal 3.3.14 nimmt mit der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums zu und mit der Temperatur des Kühlmediums ab. Durch die in Strömungsrichtung abnehmende Querschnittsfläche des Kühlkanals 3.3.14 erhöht sich in Strömungsrichtung die Strömungsgeschwindigkeit eines den Kühlkanal 3.3.14 durchströmenden Kühlmediums. Dies kompensiert die in Strömungsrichtung zunehmende Erwärmung des Kühlmediums, so dass der Wärmeübergangskoeffizient des Kühlmediums unter für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen im Wesentlichen räumlich konstant ist.
  • Die Kühlkanäle 3.3.15 und 3.3.16 weisen Wärmeübergangsflächen 3.3.17 auf, welche als in einer Längsrichtung der Kühlkanäle 3.3.15 und 3.3.16 verlaufende Stege ausgebildet sind. Diese Wärmeübergangsflächen 3.3.17 erhöhen die für ein die Kühlkanäle 3.3.15 und 3.3.16 durchströmendes Kühlmedium verfügbare Wärmeübergangsfläche. Dadurch wird die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums im Bereich der Wärmeübergangsflächen 3.3.17 lokal erhöht.
  • In dem Kühlkanal 3.3.15 sind die Wärmeübergangsflächen 3.3.17 gruppenweise hintereinander angeordnet, wobei jede Gruppe eine Anzahl von im Kühlkanal 3.3.15 nebeneinander angeordneten Wärmeübergangsflächen 3.3.17 umfasst. Dabei nimmt die Anzahl der Wärmeübergangsflächen 3.3.17 je Gruppe in Strömungsrichtung zu. Um die wachsende Anzahl von Wärmeübergangsflächen 3.3.17 im Kühlkanal 3.3.15 nebeneinander anzuordnen, nimmt die Querschnittsfläche des Kühlkanals mit zunehmender Anzahl der Wärmeübergangsflächen 3.3.17 je Gruppe ebenfalls zu.
  • In dem Kühlkanal 3.3.16 sind die Wärmeübergangsflächen 3.3.17 hintereinander angeordnet sind, wobei der Abstand je zweier benachbarter Strömungsteiler in Strömungsrichtung abnimmt.
  • Damit nimmt in den Kühlkanälen 3.3.15 und 3.3.16 die mittlere Anzahl von Wärmeübergangsflächen 3.3.17 pro Längeneinheit in Strömungsrichtung zu. Dabei ist diese Zunahme jeweils derart bemessen, dass sie die Abnahme der Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums aufgrund dessen Temperaturerhöhung unter für die Kühlplatte 3 vorgesehenen Betriebsbedingungen kompensiert, so dass die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmediums entlang der Kühlkanäle 3.3.15 und 3.3.16 pro Längeneinheit im Mittel im wesentlichen konstant ist.

Claims (16)

  1. Kühlvorrichtung für eine Batterie (B) mit mehreren Batteriezellen (1), umfassend eine Kühlplatte (3) mit wenigstens einem Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) zur Durchleitung eines Kühlmediums mit wenigstens einer Einlassmündung (3.3.3) und wenigstens einer Auslassmündung (3.3.4) für das Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) derart ausgebildet ist, dass unter für die Kühlplatte (3) vorgesehenen Betriebsbedingungen eine Temperatur einer Oberfläche der Kühlplatte (3) räumlich im Wesentlichen konstant ist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) geometrisch derart ausgebildet und/oder in der Kühlplatte (3) angeordnet ist, dass unter für die Kühlplatte (3) vorgesehenen Betriebsbedingungen eine Temperatur einer Oberfläche der Kühlplatte (3) räumlich im Wesentlichen konstant ist.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) eine Anzahl von Windungen aufweist, wobei der Abstand je zweier benachbarter Windungen entlang des Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) von einer Einlassmündung (3.3.3) zu einer Auslassmündung (3.3.4) abnimmt.
  4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) aus zwei an einer Kanalumkehrstelle (3.3.10) miteinander verbundenen und im Übrigen nebeneinander verlaufenden Teilstücken (3.3.8, 3.3.9) besteht.
  5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander verlaufenden Teilstücke (3.3.8, 3.3.9) eine Anzahl von Windungen aufweisen.
  6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (3) zwei nebeneinander verlaufende Kühlkanäle (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) aufweist, welche in zueinander entgegen gesetzten Richtungen mit dem Kühlmedium durchströmbar sind.
  7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander verlaufenden Kühlkanäle (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) eine Anzahl von Windungen aufweisen.
  8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) eine entlang dieses Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) von einer Einlassmündung (3.3.3) zu einer Auslassmündung (3.3.4) abnehmende Querschnittsfläche aufweist.
  9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) eine Anzahl von Wärmeübergangsflächen (3.3.17) aufweist.
  10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsflächen (3.3.17) als in einer Längsrichtung des Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) verlaufende Stege ausgebildet sind.
  11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsflächen (3.3.17) in dem Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) hintereinander angeordnet sind und der Abstand je zweier benachbarter Wärmeübergangsflächen (3.3.17) entlang des Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) von einer Einlassmündung (3.3.3) zu einer Auslassmündung (3.3.4) abnimmt.
  12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsflächen (3.3.17) in dem Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) gruppenweise hintereinander angeordnet sind, wobei jede Gruppe eine Anzahl von in dem Kühlkanal (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) nebeneinander angeordneten Wärmeübergangsflächen (3.3.17) umfasst.
  13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Wärmeübergangsflächen (3.3.17) je Gruppe entlang des Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) von einer Einlassmündung (3.3.3) zu einer Auslassmündung (3.3.4) zunimmt.
  14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Kühlkanals (3.3.1, 3.3.11 bis 3.3.16) mit zunehmender Anzahl der Wärmeübergangsflächen (3.3.17) je Gruppe zunimmt.
  15. Batterie (B) mit mehreren Batteriezellen (1), gekennzeichnet durch eine mit den Batteriezellen (1) Wärme leitend verbundene Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1.
  16. Verwendung einer Batterie (B) gemäß Anspruch 15 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb oder in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug.
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