DE102009016577A1

DE102009016577A1 - Kühlplattenkonstruktion für Batterien mit separaten Kanälen

Info

Publication number: DE102009016577A1
Application number: DE200910016577
Authority: DE
Inventors: Derek R. Weber; Steven J. Spencer; Paul F. Spacher
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: DE102009016577B4; US7851080B2; US20090258289A1; CN101557004A; CN101557004B

Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform, die eine Batteriekühlplatte aufweist, besitzt separate Kanäle. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt jeder der Kanäle eine Breite im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst die Batteriekühlplatte einen ersten Kühlkanal, der einen Strömungspfad allgemein in einer U-Form besitzt, und eine Mehrzahl anderer Kanäle, die jeweils einen allgemein U-förmigen Strömungspfad besitzen, und wobei die anderen Strömungskanäle in einer ineinander greifenden Position in Bezug auf den ersten Strömungskanal angeordnet sind. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Batteriekühlplatte umfasst eine Batteriekühlplatte einen darin geformten serpentinenförmigen Kühlströmungspfad, wobei der Kühlströmungspfad ein erstes Kühlsegment und ein benachbartes oberstromiges zweites Kühlsegment aufweist, wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen ersten Kühlkanal und einen zweiten Kühlkanal und zumindest einen zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal angeordneten, ersten Steg aufweist, und wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen Steg mehr und einen Kanal mehr als das erste Kühlsegment besitzt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/043,577, die am 09. April 2008 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Batteriekühlplatten und Produkte, die diese verwenden.
HINTERGRUND
1 zeigt eine Batteriekühlplatte 10 mit einem Ladekanal 12 und einem Serpentinenabschnitt, der eine Mehrzahl von in einer Serpentinengestaltung miteinander verbundenen Kühlsegmenten aufweist. Die Kühlsegmente umfassen zumindest ein erstes Segment 16, ein zweites Segment 18, ein drittes Segment 19, ein viertes Segment 20, ein fünftes Segment 22, ein sechstes Segment 24 und so weiter. Jedes der Segmente umfasst einen relativ breiten Kanal mit einer durchschnittlichen Breite, die durch die Linie W dargestellt ist und etwa 20 mm betragen kann. Jedoch ist die Batteriekühlplatte 10, die in 1 gezeigt ist und eine derartige relativ große Kanalgeometrie besitzt, während der Vakuum- und Füllprozesse an der Montagelinie einer Verformung ausgesetzt. Ferner besteht die Neigung, dass bei einer derartigen Konstruktion Luftblasen in das System eingeschlossen werden.
ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform umfasst ein Produkt, das eine Batteriekühlplatte mit einem darin geformten, serpentinenförmigen Kühlströmungspfad aufweist, wobei der Kühlströmungspfad ein erstes Kühlsegment und ein benachbartes oberstromiges zweites Kühlsegment aufweist, wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen ersten Kühlkanal und einen zweiten Kühlkanal und zumindest einen zwischen dem ersten Kühlkanal und dem zweiten Kühlkanal angeordneten, ersten Steg umfasst, und wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen Steg mehr und einen Kanal mehr als das erste Kühlsegment besitzt.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform umfasst eine Batteriekühlplatte, die ein erstes Substrat und eine Mehrzahl von aus dem ersten Substrat geformten Kühlkanälen aufweist, wobei die Kühlkanäle eine untere Wand und eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand aufweisen, die jeweils unter einem stumpfen Winkel von der unteren Wand wegführen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzt der Kanal eine Breite im Bereich von etwa 0,05 mm bis weniger als 6 mm.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das eine Batteriekühlplatte und einen ersten Kühlkanal, der einen Strömungspfad allgemein in einer U-Form besitzt, und eine Mehrzahl anderer Kanäle aufweist, die jeweils einen allgemein U-förmigen Strömungspfad besitzen, und wobei die anderen Strömungskanäle in einer ineinander greifenden Position in Bezug zu dem ersten Strömungskanal angeordnet sind.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine Batteriekühlplatte nach dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Batteriekühlplatte gemäß einer Ausführungsform zeigt;
2a eine vergrößerte teilweise Ansicht eines Abschnitts der Batteriekühlplatte von 2 ist;
2b ein vergrößerter Abschnitt der Batteriekühlplatte von 2 ist;
2c ein vergrößerter Abschnitt der Batteriekühlplatte von 2 ist;
3 eine andere Ausführungsform einer Batteriekühlplatte mit ineinander greifenden Strömungskanälen zeigt, die einen allgemein U-förmigen Strömungspfad aufweisen; und
4 eine Schnittdarstellung einer Batteriekühlplatte gemäß einer Ausführungsform ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (illustrativer) Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Nun Bezug nehmend auf 2 kann eine Ausführungsform ein Produkt aufweisen, das eine Batteriekühlplatte 100 aufweist. Das Folgende beschreibt die Kühlplatte 100 und den darin definierten Kühlpfad, der von der Auslassöffnung 102 in einer stromaufwärtigen Richtung der Kühlmittelströmungsrichtung zu der Einlassöffnung 122 hin verläuft. Die Kühlplatte 100 kann eine Sammelleitungsauslassöffnung 102 aufweisen, die mit einer Mehrzahl von Austrittskanälen 104 kommuniziert, die mit einem oberstromigen Austrittskanalabschnitt 106 verbunden sind. Der Austrittskanalabschnitt 106 ist mit einem stromaufwärtigen ersten Kühlsegment 110 verbunden. Ein zweites Kühlsegment 112 ist oberstromig des ersten Kühlsegmentes 110 vorgesehen. Ähnlicherweise sind ein drittes bzw. viertes Kühlsegment 114, 116 oberstromig des zweiten Kühlsegments 112 vorgesehen. Ein Kollektor bzw. Sammler 118 kann oberstromig des vierten Kühlsegmentes 116 vorgesehen sein, der eine gleichmäßige Verteilung von Kühlfluid zu den Kühlplattenkanälen ermöglicht. Es können Einlasskanäle oder -tunnel 120 oberstromig des Kollektors 118 vorgesehen sein, die mit einer Einlasssammelleitungsöffnung 122 kommunizieren.

Von einer Batteriekühlplatte, die wie gezeigt aufgebaut und oben beschrieben ist, wird erwartet, dass sie die in der folgenden Tabelle dargestellten Charakteristiken besitzt.

Teil-Stück	Rohre	Durchfluss/ Rohr (m³/s)	Geschwindigkeit	Dh	Re	f	Rohrlänge (m)	dp (kpa)
1	6	1,92901E-07	0,114	0,00103	41,5	1,492	0,382	3,84
2	3	3,85802E-07	0,227	0,00103	83,1	0,746	0,121	2,43
3	2	5,78704E-07	0,341	0,00103	124,6	0,497	0,287	8,65
4	1	1,15741E-06	0,312	0,00098	108,7	0,690	0,309	11,35
					Gesamt dP 26,2594 Kpa 3,80762 psi

Bei einer Ausführungsform umfasst die Batteriekühlplatte 100 ein erstes und ein zweites Kühlteilstück, die benachbart sind. Hierbei besitzt das zweite oberstromige Kühlteilstück einen Kanal mehr und einen Steg mehr als das benachbarte oberstromige Kühlsegment. Nun Bezug nehmend auf 2A umfasst beispielsweise bei einer Ausführungsform das erste Kühlsegment 110 nur einen ersten Kanal 124 und keinen Steg. Das benachbarte oberstromige zweite Kühlsegment 112 umfasst einen ersten Kanal 128 und einen zweiten Kanal 130 und einen ersten Steg 126 dazwischen. Der erste Kanal 128 kann teilweise durch eine Außenwand 186 des zweiten Kühlsegmentes und den ersten Steg 126 definiert sein, und der zweite Kanal 132 kann durch eine Außenwand 188 und den ersten Kanal 126 definiert sein. Der erste Kanal 126 kann ein erstes Ende 132 und ein zweites Ende 134 aufweisen, wie in 2b gezeigt ist.
Nun Bezug nehmend auf 2B umfasst das dritte Kühlsegment 114 einen Kanal mehr und einen Steg mehr als das benachbarte unterstromige Segment 112. Das dritte Kühlsegment 114 umfasst einen ersten Kanal 140, einen mittleren Kanal 142 und einen dritten Kanal 144. Der erste Kanal 140 kann teilweise durch eine erste Außenwand 200 und einen ersten Steg 136 definiert sein. Der mittlere Kanal kann durch den ersten Steg 136 und den zweiten Steg 138 definiert sein. Der dritte Kanal 144 kann durch den zweiten Steg 138 und die zweite Außenwand 102 des dritten Kühlsegments 114 definiert sein. Der erste Steg 136 kann ein erstes Ende 146 aufweisen, und der zweite Steg 138 kann ein erstes Ende 148 aufweisen. Die Enden 146 und 148 können um eine Distanz von dem Ende 134 des ersten Steges 126 des zweiten Kühlsegments 112 beabstandet sein, um eine erste Übergangszone 150 bereitzustellen, die frei von Stegen und ausreichend ist, um eine Verteilung von Kühlfluid von den drei Kanälen des dritten Kühlteilstücks 114 zu den beiden Kanälen des zweiten Kühlteilstücks 112 zu ermöglichen.
Nun Bezug nehmend auf 2C kann der erste Steg 136 des dritten Kühlteilstücks 114 ein erstes Ende 152 aufweisen, und gleichermaßen kann der zweite Steg 138 ein zweites Ende 154 aufweisen. Das vierte Kühlsegment 116 kann zumindest einen Kanal mehr und zumindest einen Steg mehr aufweisen, als das vorherige benachbarte unterstromige dritte Kühlsegment 114. Wie in 2C gezeigt ist, kann das vierte Kühlsegment 116 eine Mehrzahl beabstandeter Stege aufweisen, beispielsweise einen ersten Steg 156, einen zweiten Steg 158, einen dritten Steg 160, einen vierten Steg 162 und einen fünften Steg 164. Ein erster Kanal 166 ist teilweise durch eine erste Außenwand 176 und den ersten Steg 156 des vierten Kühlsegmentes 116 definiert. Ein zweiter Kanal 168 kann durch den ersten Steg 156 und den zweiten Steg 158 definiert sein. Ein dritter Kanal 170 kann durch den zweiten Steg 158 und den dritten Steg 160 definiert sein. Ein vierter Kanal 172 kann durch den dritten Steg 160 und den vierten Steg 162 definiert sein. Ein fünfter Kanal 174 kann durch den vierten Steg 162 und den fünften Steg 164 definiert sein. Und ein sechster Kanal 178 kann durch eine zweite Außenwand 180 und den fünften Steg 164 des vierten Kühlsegments 116 definiert sein. Eine zweite Übergangszone 151, in der kein Steg vorhanden ist, kann zwischen den Stegenden 152, 154 und den Stegenden 157, 159, 161, 163, 165 vorgesehen sein, um eine gleichmäßige Verteilung von Kühlfluid von den Kanäle des Segments 116 in die Kanäle des Segments 114 zu ermöglichen.
Ein Zusatz von Kanalseitenwänden und Stegen (in 6 am besten zu sehen) unterstützt, da die Breite der verschiedenen Kühlsegmente zunimmt, die Kühlplatte und verhindert, dass Abschnitte derselben unter hohem Vakuum und den Füllvorgängen während der Herstellung an der Montagelinie verformt werden. Ferner erhöht eine Erhöhung der Anzahl von Kanälen, jedoch mit schmaleren Breiten in Bereichen des Kühlmittelströmungspfades, in denen der Strömungspfad relativ breiter ist, die Geschwindigkeit durch die Kanäle und reduziert daher die Wahrscheinlichkeit, dass in den Kanälen Luft eingeschlossen wird.
Nun Bezug nehmend auf 3 umfasst eine beispielhafte Ausführungsform eine Batteriekühlplatte 100 mit einem ersten Kühlkanal 500, der mit einer Auslasssammelleitungsöffnung 102 kommuniziert. Der erste Kühlkanal 500 besitzt einen allgemein U-förmigen Strömungspfad. Ein zweiter Kühlkanal 104 kann in einer ineinander greifenden Position in Bezug auf den ersten Kühlkanal 500 vorgesehen und durch einen ersten Steg 502 getrennt sein. Ein dritter Kanal 508 kann in einer ineinander greifenden Position in Bezug auf den zweiten Kanal 504 vorgesehen sein und durcheinen zweiten Steg 506 getrennt sein. Ein vierter Kanal 512 kann in einer ineinander greifenden Position in Bezug auf den dritten Kanal 508 vorge sehen sein und durch einen dritten Steg 510 getrennt sein. Auf eine ähnliche Art und Weise kann eine Mehrzahl anderer Kanäle vorgesehen werden. Beispielsweise kann ein fünfter Kanal 516 von dem vierten Kanal durch einen vierten Steg getrennt sein, ein sechster Kanal 512 kann von dem fünften Kanal durch einen fünften Steg 518 getrennt sein, ein siebter Kanal 524 kann von dem sechsten Kanal durch einen sechsten Steg 522 getrennt sein, und ein achter Kanal 528 kann von dem siebten Kanal durch einen siebten Steg 526 getrennt sein, ein neunter Kanal 532 kann von dem achten Kanal durch einen achten Steg 530 getrennt sein. Es kann ein zentraler Steg 534 benachbart dem neunten Kanal 528 vorgesehen sein. Wiederum wird die Batteriekühlplatte bei Füll- und Vakuumbetriebsabläufen durch die Verwendung einer Mehrzahl relativ schmaler Kanäle weniger anfällig gegenüber Verformung gemacht, um einen Einschluss von Luft oder anderen Gasen in den Kanälen zu verhindern Bei der in 3 gezeigten Konstruktion der Kühlplatte 100 besitzen alle Kanäle im Wesentlichen dieselbe Länge.
Nun Bezug nehmend auf 4 kann bei einer beispielhaften Ausführungsform eine Batteriekühlplatte 100 vorgesehen sein, die ein erstes Substrat 600 und ein zweites Substrat 602 aufweisen kann. Das erste Substrat 600 kann geprägt bzw. gestanzt oder anderweitig geformt sein, um eine Mehrzahl darin definierter Kanäle 604 für eine Kühlfluidströmung hindurch zur Kühlung einer Batterie, wie einer Lithiumionenbatterie, bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform kann die Breite des Kanals, wie durch die Linie C dargestellt ist, kleiner als 6 mm sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Breite C des Kanals im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm liegen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Breite C des Kühlkanals etwa 2 mm betragen. Der Kühlkanal 164 kann durch eine Mehrzahl von Wänden definiert sein, die eine untere Wand 606 und eine erste Seitenwand 608 und eine zweite Seitenwand 610 aufwei sen. Die Seitenwände 608, 610 können von der unteren Wand 606 unter einem stumpfen Winkel wegführen. Ein Stegabschnitt 614 kann zwischen benachbarten Kanälen 604 vorgesehen sein. Eine obere Wand kann helfen, den Kanal 604 zu definieren und kann durch das zweite Substrat 602 oder durch eine Endplatte von einer der Batteriezellen vorgesehen sein. Bei einer Ausführungsform kann die Länge, wie durch die Linie L des Stegabschnittes 116 dargestellt ist, im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm betragen.
Das erste Substrat 600 und das zweite Substrat 602 können aus einer Mehrzahl von Materialien hergestellt sein oder eine Mehrzahl von Materialien aufweisen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Metalle, Legierungen daraus sowie polymere Materialien. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 600, 602 Aluminium aufweisen. Wenn ein Polymermaterial verwendet wird, sollte das Material eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit besitzen, oder es können Füllstoffe oder Additive in das Polymermaterial integriert werden, um dessen thermische Leitfähigkeit zu erhöhen. Das erste Substrat 600 kann eine Dicke T besitzen, die im Bereich von 0,1 mm bis etwa 0,5 mm liegt.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit werden Abwandlungen derselben nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Produkt, umfassend eine Batteriekühlplatte mit einem darin geformten, serpentinenförmigen Kühlströmungspfad, wobei der Kühlströmungspfad ein erstes Kühlsegment und ein benachbartes oberstromiges zweites Kühlsegment und ein drittes Kühlsegment oberstromig des zweiten Kühlsegmentes aufweist, wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen ersten Kühlkanal und einen zweiten Kühlkanal und zumindest einen zwischen dem ersten Kühlkanal und zweiten Kühlkanal angeordneten, ersten Steg umfasst, und wobei das zweite Kühlsegment zumindest einen Steg mehr und einen Kanal mehr als das erste Kühlsegment aufweist, und wobei das dritte Kühlsegment zumindest einen Steg mehr und einen Kanal mehr als das zweite Kühlsegment aufweist.
Produkt, umfassend eine Batteriekühlplatte, die ein erstes Substrat und eine Mehrzahl von aus dem ersten Substrat geformten Kühlkanälen umfasst, wobei die Kühlkanäle eine untere Wand und eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand aufweisen, die jeweils unter einem stumpfen Winkel von der unteren Wand weg führen, und wobei jeder der Kanäle eine Breite im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm besitzt.
Produkt, umfassend eine Batteriekühlplatte und einen ersten Kühlkanal, der einen Strömungspfad allgemein in einer U-Form besitzt, und eine Mehrzahl anderer Kanäle, die jeweils einen allgemein U-förmigen Strömungspfad besitzen, und wobei die anderen Strö mungskanäle in einer ineinander greifenden Position in Bezug auf den ersten Strömungskanal angeordnet sind.