DE102008034887A1

DE102008034887A1 - Kühlvorrichtung für eine Batterie und Kraftfahrzeug mit einer Batterie

Info

Publication number: DE102008034887A1
Application number: DE200810034887
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Ing. Meintschel; Tobias Dipl.-Ing. Ostertag; Dirk Dipl.-Ing. Dr. Schröter; Holger Dipl.-Ing. Schulze
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie (1) mit mehreren Batteriezellen (9) und ein Kraftfahrzeug (14) mit einer derart gekühlten Batterie (1). Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung umfasst eine mit einem Kühlmittel durchströmbare und mit den Batteriezellen (9) Wärme leitend verbundene Kühlplatte (7) und einen bedarfsweise zur Kühlung der Batterie (1) einsetzbaren Luftkühler.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und ein Kraftfahrzeug mit einer derart gekühlten Batterie.
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 Kühlung mittels eines Kühlmittelkreislaufes oder mittels vorgekühlter Luft, die zwischen die Zellen geleitet wird, eingesetzt.
Bei der aus Bauraumgründen bevorzugten Kühlung mittels eines Kühlmittelkreislaufes ist am Zellblock der Batterie häufig eine Kühlplatte mit wenigstens einem von einem Kühlmittel, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmten 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.
Nicht bekannt ist eine kostengünstige Kühlung bei niedrigen Außentemperaturen. Unter ca. 5°C verdampft das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf nicht mehr in ausreichendem Maße. Für diesen Temperaturbereich wird daher ein Zusatzkühler benötigt. Dazu kann beispielsweise ein separater zweiter Kühlmittelkreislauf verwendet werden, der über einen Wärmetauscher (ein sogenannter Chiller) an den ersten Kühlmittelkreislauf gekoppelt und bedarfsweise zuschaltbar ist. Diese Lösung ist jedoch aufwändig und kostspielig.
Aus DE 60 2005 003 395 T2 ist ein Elektrofahrzeug mit einem Motor als Antriebsquelle und einer Batterie zum Zuführen von Leistung zum Motor bekannt. Dabei ist die Batterie an einem vorderen Rahmen der Karosserie des Elektrofahrzeuges derart angebracht, dass eine Kühlfläche der Batterie direkt dem Fahrtwind ausgesetzt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Batterie sieht dabei Kühlrippen an der Kühlfläche vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstige Kühlvorrichtung für eine Batterie mit einer von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlplatte anzugeben, die die Batteriezellen auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ausreichend kühlt und insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Kraftfahrzeug mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Batteriezellen weist eine mit einem Kühlmittel durchströmbare und mit den Batteriezellen Wärme leitend verbundene Kühlplatte und einen bedarfsweise zur Kühlung der Batterie einsetzbaren Luftkühler auf.
Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Kühlung der Batteriezellen durch den Luftkühler bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
Ferner wird dadurch der Bauraumbedarf gegenüber einer Zusatzkühlung mittels eines separaten zweiten Kühlmittelkreislaufes erheblich reduziert.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für die Batterie auf. Dabei ist der Luftkühler an einer dem Fahrtwind ausgesetzten Außenfläche des Kraftfahrzeuges angeordnet.
Dies hat den Vorteil, dass der Fahrtwind zur Luftkühlung verwendet werden kann. Bei Kraftfahrzeugen, bei denen das die Kühlplatte durchströmende Kühlmittel durch eine Klimaanlage des Kraftfahrzeuges temperiert wird, ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass die Klimaanlage in Betriebszuständen, in denen der Luftkühler zur Batteriekühlung beiträgt, entlastet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Batterie mit einer Kühlvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
2 eine Batterie mit einer Kühlvorrichtung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
3 eine Schnittdarstellung einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung bei einer niedrigen Temperatur,
4 eine Schnittdarstellung einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung bei einer hohen Temperatur,
5 eine Schnittdarstellung eines Teilbereiches einer Batterie mit einer Kühlvorrichtung bei einer hohen Temperatur,
6 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie in einer Untersicht,
7 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie in einer Seitenansicht, und
8 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie in einer Rückansicht, Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen eine Batterie 1 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Dabei zeigt 1 die Batterie in einer perspektivischen Darstellung und 2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der Batterie 1.
Die Batterie 1 weist ein Batteriegehäuse auf, welches aus einem Gehäuseunterteil 2, einem Gehäusemittelteil 3 und einem Gehäusedeckel 4 besteht. Das Gehäusemittelteil 3 ist an dem Gehäuseunterteil 2 und dem Gehäusedeckel 4 mittels Verbindungselementen 15, beispielsweise Schraub- oder Nietelementen, befestigbar. Alle drei Teile des Batteriegehäuses bestehen beispielsweise aus Aluminium.
Die elektrischen Pole der Batterie 1 sind über eine elektrische Anschlusseinheit 16 aus dem Batteriegehäuse herausgeführt.
In dem Batteriegehäuse ist ein Zellverbund aus mehreren Batteriezellen 9 angeordnet. Dabei sind je zwei Batteriezellen 9 über einen Zellverbinder 17 elektrisch verbunden, welcher einen ersten Polkontakt 18 einer der Batteriezellen 9, beispielsweise deren Minuspol, mit einem zweiten Polkontakt 19 der anderen Batteriezelle 9, beispielsweise deren Pluspol, verbindet.
Oberhalb des Zellverbundes ist eine elektronische Baueinheit 10 angeordnet, welche mit der elektrischen Anschlusseinheit 16 verbunden ist und beispielsweise elektronische Bauelemente der Zellspannungsüberwachung, der Batteriesteuerung und/oder Sicherungselemente kapselt.
Unterhalb des Zellverbundes ist eine Kühlplatte 7 angeordnet, die in ihrem Inneren einen nicht dargestellten Kühlkanal aufweist, welcher mit einem Kühlmittel durchströmbar ist. Die Kühlplatte 7 ist Wärme leitend mit den Batteriezellen 9 verbunden. Zur Ein- und Ableitung von Kühlmittel in den Kühlkanal hinein bzw. aus ihm heraus weist die Kühlplatte 7 eine Kühlmittelanschlusseinheit 8 auf.
Der Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 ist als Luftkühler für die Batterie 1 ausgebildet. Dazu weist er an seiner Außenseite Kühlrippen 6 auf.
Zwischen der Kühlplatte 7 und der Innenseite des Bodens 5 des Gehäuseunterteils 2 ist ein Wärmeleitblech 11 angeordnet, mittels dessen in unten anhand der 3 bis 5 näher beschriebener Weise ein Wärme leitender Kontakt zwischen dem Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 und der Kühlplatte 7 herstellbar ist.
3 und 4 zeigen eine Schnittdarstellung der Batterie 1, wobei die Batterie 1 in 3 bei einer niedrigen Temperatur und in 4 bei einer hohen Temperatur gezeigt ist. 5 zeigt in größerem Detail einen Ausschnitt der in 4 gezeigten Schnittdarstellung.
Das Wärmeleitblech 11 ist mittig an der Innenseite des Bodens 5 des Gehäuseunterteils 2 befestigt. Zu zwei sich gegenüber liegenden Seitenflächen des Gehäuseunterteils 2 hin ist das Wärmeleitblech 11 nach oben gebogen, so dass durch seine eigene Vorspannung seine nach oben gebogenen Randbereiche an der Kühlplatte 7 anliegen.
Zwischen den nach oben gebogenen Randbereichen des Wärmeleitbleches 11 und dem Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 sind U-förmige Bimetallelemente 12 angeordnet. Dabei sind ein erster Schenkel 12.1 jedes Bimetallelementes 12 an dem Wärmeleitblech 11 und der zweite Schenkel 12.2 an dem Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 befestigt.
Die Außen- und Innenseiten der Bimetallelemente 12 bestehen aus verschiedenen Metallen, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls der Außenseite größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls der Innenseite ist. Beispielsweise ist das Metall der Außenseite Aluminium und das Metall der Innenseite ist Kupfer, oder das Metall der Außenseite ist Zink und das Metall der Innenseite ist Stahl.
Dadurch ziehen sich die Bimetallelemente 12 bei steigender Temperatur zusammen, so dass sich ihre Schenkel 12.1 und 12.2 aufeinander zu bewegen.
Bei ausreichend hoher Temperatur übersteigt die Kraft, mit der sich die Bimetallelemente 12 zusammenziehen, die Kraft, mit der die Vorspannung des Wärmeleitbleches 11 dieses an die Kühlplatte 7 drückt, so dass die Bimetallelemente 12 das Wärmeleitblech 11 von der Kühlplatte 7 abheben. Das Wärmeleitblech 11 wird dabei elastisch verformt. Die Temperatur, bei der dieses geschieht, hängt von der Ausbildung der Bimetallelemente 12 und der Vorspannung des Wärmeleitbleches 11 ab und ist dadurch vorgebbar.
Das Wärmeleitblech 11 besteht vorzugsweise aus Aluminium und/oder Kupfer und kann zur Erhöhung seiner Nachgiebigkeit aus dünnen übereinander liegenden Einzelblechen aufgebaut sein.
Vorzugsweise sind die Bimetallelemente 12 mittels Isolationshalterungen 13 mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit an dem Wärmeleitblech 11 befestigt. Dazu sind die Isolationshalterungen 13 an dem Wärmeleitblech 11 befestigt und weisen jeweils eine Tasche auf, in die der erste Schenkel 12.1 eines Bimetallelementes 12 einschiebbar ist.
Auf diese Weise werden die Bimetallelemente 12 von dem Wärmeleitblech 11 thermisch isoliert, so dass ihre Temperatur im Wesentlichen von der Temperatur des Bodens 5 des Gehäuseunterteils 2 und damit von der Temperatur einer Umgebung der Batterie 1 bestimmt wird.
Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Wärmeleitblech 11 bei niedrigen Umgebungstemperaturen an der Kühlplatte 7 anliegt und Wärme von der Kühlplatte zu dem Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 leitet. Somit trägt der Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 bei niedrigen Umgebungstemperaturen zur Kühlung der Batteriezellen 9 über deren Wärme leitenden Kontakt mit der Kühlplatte 7 bei. Bei hohen Umgebungstemperaturen heben die Bimetallelemente 12 das Wärmeleitblech 11 von der Kühlplatte 7 ab und unterbinden dadurch einen thermischen Kontakt zwischen der Kühlplatte und dem Boden 5 des Gehäuseunterteils 2. Bei hohen Umgebungstemperaturen wird die Batterie somit allein durch die Kühlplatte 7 gekühlt.
Alternative Ausführungsbeispiele der Batterie 1 ergeben sich, indem die Bimetallelemente 12 durch andere Trennelemente ersetzt werden, mittels welcher das Wärmeleitblech 11 temperaturabhängig von der Kühlplatte 7 getrennt werden kann. Derartige alternative Trennelemente können beispielsweise aus so genannten Shape-Memory-Materialien bestehen oder die Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten oder Gasen ausnutzen.
Die 6 bis 8 zeigen schematisch ein Kraftfahrzeug 14 mit einer gemäß der obigen Beschreibung ausgebildeten Batterie 1. Dabei ist das Kraftfahrzeug 14 in 6 in einer Untersicht, in 7 in einer Seitenansicht und in 8 in einer Rückansicht dargestellt.
Die Batterie 1 ist im Heckbereich des Kraftfahrzeuges 14 unterhalb des Kofferraumes angeordnet, wobei der Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 mit den Kühlrippen 6 nach unten aus dem Boden des Kraftfahrzeuges herausragt und die Kühlrippen 6 entlang einer Längsachse des Kraftfahrzeuges 14 orientiert sind.
Dadurch kann der Boden 5 des Gehäuseunterteils 2 vorteilhaft während einer Fahrt des Kraftfahrzeuges 14 durch den Fahrtwind gekühlt werden.

1: Batterie
2: Gehäuseunterteil
3: Gehäusemittelteil
4: Gehäusedeckel
5: Boden des Gehäuseunterteils
6: Kühlrippe
7: Kühlplatte
8: Kühlmittelanschlusseinheit
9: Batteriezelle
10: elektronische Baueinheit
11: Wärmeleitblech
12: Bimetallelement
12.1: erster Schenkel eines Bimetallelementes
12.1: zweiter Schenkel eines Bimetallelementes
13: Isolationshalterung
14: Kraftfahrzeug
15: Verbindungselement
16: elektrische Anschlusseinheit
17: Zellverbinder
18: erster Polkontakt
19: zweiter Polkontakt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 602005003395 T2 [0006]

Claims

Kühlvorrichtung für eine Batterie (1) mit mehreren Batteriezellen (9), gekennzeichnet durch eine mit einem Kühlmittel durchströmbare und mit den Batteriezellen (9) Wärme leitend verbundene Kühlplatte (7) und einen bedarfsweise zur Kühlung der Batterie (1) einsetzbaren Luftkühler.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkühler eine mit klimatisierter Luft und/oder Umgebungsluft beströmbare Kühlfläche aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung einen Lüfter zur Beströmung der Kühlfläche mit Luft aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche Kühlrippen (6) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche eine Oberfläche eines Batteriegehäuses der Batterie (1) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ein oder mehrere Kontaktelemente aufweist, mittels derer die Kühlfläche thermisch an die Batteriezellen (9) koppelbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung ein oder mehrere Trennelemente aufweist, mittels deren die thermische Kopplung der Kühlfläche an die Batteriezellen (9) durch die Kontaktelemente temperaturabhängig herstellbar und aufhebbar ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Kontaktelemente ein zwischen der Kühlfläche und der Kühlplatte (7) angeordnetes Wärmeleitblech (11) ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Trennelemente ein Bimetallelement (12) ist, das an einem ersten Ende an dem Wärmeleitblech (11) und an dem zweiten Ende an der Kühlfläche oder Kühlplatte (7) befestigt ist.
Kraftfahrzeug (14) mit einer Batterie (1) mit mehreren Batteriezellen (9) und einer Kühlvorrichtung für die Batterie (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkühler an einer dem Fahrtwind ausgesetzten Außenfläche des Kraftfahrzeuges (14) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (14) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkühler am Boden des Kraftfahrzeuges (14) in dessen Heckbereich angeordnet ist.