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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie, vorzugsweise einer Fahrzeugantriebsbatterie mit mehreren Batteriezellen, sowie einer Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe mit einer Fahrzeugantriebsbatterie und einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen der Batterie.
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Fahrzeugantriebsbatterien für reine Elektro-, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge stehen im Zentrum der Entwicklungen von alternativ angetriebenen Fahrzeugen. Die Lebensdauer der Batterie hängt sehr stark von der Temperaturbelastung der Batteriezellen während des Lade- und Entladevorgangs ab. Dies betrifft insbesondere Lithium-Ionen-Batterien und NiMH-Batterien. Es muss, um die Leistungsfähigkeit der Batterie beizubehalten, vermieden werden, dass die Batteriezellen über ihre Maximaltemperatur von 45°C bis 60°C erwärmt werden oder sich selbst erwärmen. Zu diesem Zweck sind Kühlvorrichtungen für Fahrzeugantriebsbatterien bekannt, bei denen die Fahrzeugantriebsbatterie über einen Kühlmittelkreislauf gekühlt wird.
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Da eine Fahrzeugantriebsbatterie im Fahrzeug einer großen Spanne von Umgebungstemperaturen, beispielsweise durch die Jahreszeiten bedingt, ausgesetzt ist, kann es insbesondere im Winter bei kalten Umgebungstemperaturen zu einem Betrieb der Batterie bei kalten Temperaturen kommen. Wie das Diagramm in 1 zeigt, sind Spannung und Kapazität der Batterie gegenüber höheren Temperaturen deutlich reduziert. In 2 ist die maximale zulässige Lade- und Entladeleistung bei verschiedenen Temperaturen für Lithium-Ionen-Batterien und NiMH-Batterien angegeben. Die maximale zulässige Leistung wird bei abnehmenden Temperaturen kleiner, wobei beispielsweise bei Temperaturen unter 0°C in einer normalen Verkehrssituation ein Ladevorgang oder ein Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs nicht möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie zu schaffen, die kompakt und mit geringem Gewicht ausgeführt ist, sowie eine Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe, welche sich aufgrund der guten Batteriekühlung und -heizung durch eine hohe Dauerleistungsfähigkeit auszeichnet.
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Dies wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie, mindestens einer Fahrzeugantriebsbatterie mit mehreren Batteriezellen erreicht. Die Vorrichtung weist einen Kühlmittelkreislauf, der mindestens eine Kühlmittelleitung umfasst, mindestens ein elektrisches Heizelement und mindestens ein gemeinsames Wärmeübertragungsbauteil zur Wärmeübertragung zwischen der Batterie und der Kühlmittelleitung und dem elektrischen Heizelement auf. Auf diese Weise kann die Vorrichtung die Batterie über das mindestens eine gemeinsame Wärmeübertragungsbauteil heizen oder kühlen, je nach dem, ob das elektrische Heizelement oder der Kühlmittelkreislauf aktiv ist. Da der Kühlmittelkreislauf und das elektrische Heizelement unabhängig voneinander betrieben werden können, ist eine schnelle und genaue Einstellung der Kühlleistung bzw. Heizleistung möglich und insbesondere ein schneller Wechsel zwischen der Heizfunktion und der Kühlfunktion der Vorrichtung. Da das Wärmeübertragungsbauteil für die Wärmeübertragung sowohl bei der Kühlfunktion als auch bei der Heizfunktion der Vorrichtung vorgesehen ist, lässt sich das Wärmeübertragungsbauteil optimal wärmeleitend an die Batterie koppeln. Die Vorrichtung ermöglicht somit eine gute Leistungsfähigkeit sowohl beim Kühlen als auch beim Heizen der Batterie, während die Vorrichtung selbst kompakt, mit geringem Bauraum und geringem Gewicht ausgeführt werden kann.
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Vorzugsweise kontaktiert die Kühlmittelleitung und/oder das Heizelement das Wärmeübertragungsbauteil direkt und liegt vorzugsweise vorgespannt an ihm an. Auf diese Weise ist eine gute Wärmeübertragung zwischen der Kühlmittelleitung und/oder dem Heizelement und dem Wärmeübertragungsbauteil gewährleistet. Die Vorspannung kann durch eine elastische Andrückkraft der Kühlmittelleitung bzw. des Heizelements oder des Wärmeübertragungsbauteils erreicht werden. Indem die Kühlmittelleitung und/oder das Heizelement vorgespannt an dem Wärmeübertragungsbauteil anliegen, werden wärmeisolierende Luftspalte zwischen der Kühlmittelleitung und dem Wärmeübertragungsbauteil bzw. zwischen dem Heizelement und dem Wärmeübertragungsbauteil verhindert.
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Das zumindest eine gemeinsame Wärmeübertragungsbauteil kann formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem zumindest einen elektrischen Heizelement und/oder zumindest einer Kühlmittelleitung verbunden sein.
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Um die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil und dem elektrischen Heizelement und/oder der Kühlmittelleitung zu verbessern, kann zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil und dem elektrischen Heizelement und/oder der Kühlmittelleitung eine Wärmeleitpaste vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen mehrere Wärmeübertragungsbauteile, insbesondere solche, die einer gemeinsamen Kühlmittelleitung zugeordnet sind, ein gemeinsames elektrisches Heizelement auf. Auf diese Weise kann bei einer Vorrichtung mit mehreren Wärmeübertragungsbauteilen die Anzahl der benötigten Heizelemente reduziert werden, wodurch insbesondere der elektrische Anschluss der Heizelemente vereinfacht wird. Sind mehrere Wärmeübertragungsbauteile jeweils einer gemeinsamen Kühlmittelleitung und einem gemeinsamen elektrischen Heizelement zugeordnet, so vereinfacht sich die Steuerung der Heiz- und Kühlvorrichtung.
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Das elektrische Heizelement ist insbesondere in einen rohrförmigen Mantel, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, eingebettet. Ein derartiges elektrisches Heizelement besitzt eine hohe mechanische Belastbarkeit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung als Kühlboden ausgeführt, welcher so ausgebildet ist, dass er an einer Flachseite der Batterie flächig anliegt, und welcher eine Halterung für die mindestens eine Kühlmittelleitung und das mindestens eine elektrische Heizelement aufweist. Eine Ausführung der Vorrichtung als Kühlboden ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise der Vorrichtung und ist insbesondere für neuartige Batteriezellen geeignet, bei denen eine Kühlung über nur eine Flachseite, beispielsweise die untere Stirnwand, möglich ist.
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Vorzugsweise ist der Kühlboden zur Flachseite der Batterie federelastisch ausgebildet. Auf diese Weise wird die Bildung von wärmeisolierenden Luftspalten zwischen dem Kühlboden und der Flachseite der Batterie verhindert.
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Das Wärmeübertragungsbauteil kann als Strangpress- oder Extrusionsprofil ausgebildet sein. Die Herstellung durch Extrusion ermöglicht eine einfache Herstellung des Wärmeübertragungsbauteils sowie eine vielseitige Geometrie des Profils.
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Das Wärmeübertragungsbauteil kann zwei Wärmeleitungsrippen auf der von der Batterie abgewandten Seite aufweisen, die in wärmeleitendem Kontakt mit dem elektrischen Heizelement stehen, wobei der Abstand der Wärmeleitungsrippen so gewählt ist, dass sich vorzugsweise ein Presskontakt zwischen den Wärmeleitungsrippen und dem elektrischen Heizelement bildet. Derartige Wärmeleitungsrippen ermöglichen einen guten wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil und dem Heizelement. Durch den Presskontakt zwischen den Wärmeleitungsrippen und dem Heizelement wird ein dauernder wärmeleitender Kontakt gewährleistet.
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Vorzugsweise sind die Wärmeleitungsrippen zumindest teilweise umgeformt, um eine formschlüssige Befestigung des Heizelements zu ermöglichen. Die formschlüssige Verbindung verbessert die Befestigung der Heizelemente am Wärmeübertragungsbauteil, und der wärmeleitende Kontaktbereich zwischen Heizelement und Wärmeleitungsrippen wird vergrößert.
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Das elektrische Heizelement verläuft beispielsweise U-förmig, wobei insbesondere die beiden Arme des U-förmigen Heizelements jeweils unterschiedlichen Wärmeübertragungsbauteilen zugeordnet sind.
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Es ist möglich, dass das Wärmeübertragungsbauteil das elektrische Heizelement abschnittsweise umgreift. Auf diese Weise wird die wärmeleitende Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil und dem elektrischen Heizelement vergrößert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsbauteil eine Kontaktplatte.
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Der Kühlboden und/oder die Kontaktplatte sollte eine vorgefertigte, selbsttragende Einheit sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsbauteil als federelastisches Teil ausgebildet und im nicht an der Batterie befestigten Zustand auf seiner zur Batterie gewandten Außenseite konvex nach außen gewölbt. Wird ein derartiges Wärmeübertragungsbauteil mit einer bestimmten Kraft gegen eine Flachseite der Batterie gedrückt, so liegt das Wärmeübertragungsbauteil federelastisch vorgespannt mit seiner zur Batterie gewandten Außenseite flächig an der Flachseite der Batterie an, wodurch wärmeisolierende Luftspalte zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil und der Batterie verhindert werden.
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Die Erfindung betrifft, wie eingangs bereits erörtert, auch eine Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe, mit einer Fahrzeugantriebsbatterie, welche mehrere nebeneinander angeordnete, zylindrische Batteriezellen mit einer Mantelfläche, einer oberen Stirnwand und einer unteren Stirnwand umfasst, wobei die Batterie eine Flachseite aufweist, und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Heizen und Kühlen der Fahrzeugantriebsbatterie. Die Vorrichtung liegt mit dem mindestens einen Wärmeübertragungsbauteil an der Flachseite der Batterie an.
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Mehrere Batteriezellen können zu einer vorgefertigten Einheit in Form einer Batteriezellengruppe zusammengesetzt sein. Die Batterie insgesamt lässt sich optional aus mehreren Batteriezellengruppen zusammensetzen.
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Vorzugsweise erstreckt sich nur ein Wärmeübertragungsbauteil unmittelbar unterseitig jeweils einer Batteriezelle oder einer Batteriezellengruppe, wobei eine Batteriezellengruppe eine aus mehreren Batteriezellen zusammengesetzte, vorgefertigte Einheit ist, wobei unterhalb jeder Batteriezellengruppe ein Kühlmittelzulauf, ein Kühlmittelrücklauf und ein elektrisches Heizelement entlanglaufen, sodass alle Batteriezellen einer Batteriezellengruppe im Wesentlichen auf die gleiche Temperatur gekühlt werden.
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Pro Batteriezellengruppe sollten nicht mehrere Kontaktplatten zur Kühlung verantwortlich sein, sondern nur eine Kontaktplatte. Alternativ können mehrere Kontaktplatten unter Bildung einer gemeinsamen Kontaktoberfläche für mindestens eine Batteriezellengruppe vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung sollte insbesondere an der von den elektrischen Anschlüssen der Batterie abgewandten Seite der Batterie positioniert sein. Wenn die obere Stirnwand diejenige Seite ist, an der die beiden Pole der Batterie vorhanden sind, sollte also die untere Stirnwand die gekühlte Batterieseite sein.
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Zur Erzielung einer gleichmäßigen Anpresskraft gibt es mehrere verschiedene Ansätze. Beispielsweise kann das Wärmeübertragungsbauteil an einem Gehäuse der Batterie befestigt und durch die Befestigung gegen eine Flachseite der Batterie gepresst werden. Das Wärmeübertragungsbauteil drückt dabei elastisch gegen die Flachseite der Batterie, eine Bodenplatte der Batterie oder direkt gegen die Batteriezellen.
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Eine Bodenplatte kann unter Umständen gerade bei Ausbildung einer Baugruppe mechanisch erforderlich sein, sodass die Bodenplatte zwischen den Batterien und dem oder den Wärmeübertragungsbauteilen liegt. Die Bodenplatte sollte natürlich aus sehr gut wärmeleitendem Material bestehen.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass unterhalb der Vorrichtung eine Anpressplatte vorgesehen ist, die vorzugsweise an der Batterie befestigt wird und durch die sozusagen über eine Art Sandwichkonstruktion die Vorrichtung zwischen der Batterie und der Anpressplatte zusammengedrückt und elastisch deformiert wird.
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Zu betonen ist, dass die obigen einzelnen Merkmale natürlich beliebig miteinander kombiniert werden können.
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In den Figuren zeigen:
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1 Spannungs- und Ladungskurven einer Fahrzeugantriebsbatterie bei verschiedenen Temperaturen;
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2 die maximal zulässige Lade- und Entnahmeleistung einer Batterie bei verschiedenen Temperaturen;
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3 eine Batteriezellengruppe einer erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe;
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4 eine schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragungsbauteils einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe mit zwei Wärmeübertragungsbauteilen gemäß 4;
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6 ein Wärmeübertragungsbauteil der Vorrichtung gemäß 4;
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7 eine Detailansicht eines Heizelements der Vorrichtung gemäß 4;
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8 eine detaillierte Schnittansicht des Heizelements am Wärmeübertragungsbauteil gemäß 7;
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9 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe mit einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen der Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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10 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 10;
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12 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe mit einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen der Batterie gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe samt Vorrichtung;
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14 eine Detailansicht des elektrischen Heizelements der Vorrichtung gemäß 13;
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15 eine Draufsicht auf einen Kühlboden einer Vorrichtung gemäß 13; und
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16 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Heizen und Kühlen einer Batterie gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Fahrzeugantriebsbatterien dienen als Energiespeicher zum Antrieb elektrischer Motoren, beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.
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Eine Fahrzeugantriebsbatterie besteht aus einer Mehrzahl von Batteriezellen, die elektrisch miteinander gekoppelt sind. Für eine einfache Handhabung der Fahrzeugantriebsbatterie können mehrere Batteriezellen in einer Batteriezellengruppe angeordnet sein, wobei mehrere Batteriezellengruppen zusammen die Fahrzeugantriebsbatterie bilden.
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In 3 ist eine Batteriezellengruppe 10 gezeigt, in der sechs Batteriezellen 12 in einem gemeinsamen Gehäuse 14 angeordnet sind.
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Die Batteriezellen 12 sind quaderförmig ausgebildet und weisen eine Mantelfläche sowie eine obere und untere Stirnwand auf.
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Die Batteriezellen 12 sind ferner auf der Oberseite der Batteriezellengruppe 10 elektrisch miteinander verbunden und weisen einen gemeinsamen elektrischen Anschluss 16 auf. Die Unterseite der Batteriezellengruppe 10 ist eine Flachseite 18, die wärmeleitend ausgebildet ist und über die eine Kühlung oder Heizung aller Batteriezellen 12 der Batteriezellengruppe 10 von den unteren Stirnwänden der Zellen aus möglich ist.
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Alternativ können auch andere Batteriezellengruppen 10 oder einzelne Batteriezellen 12 vorgesehen sein, beispielsweise solche, bei denen Flachseiten der Batteriezellen 12, das heißt beispielsweise deren untere Stirnwände selbst zur individuellen Kühlung der Batteriezelle 12 wärmeleitend ausgebildet sind.
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Eine Vorrichtung 20 zum Heizen und Kühlen der Batteriezellengruppe 10 der Fahrzeugantriebsbatterie ist in einer schematischen Schnittansicht in 4 gezeigt.
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Die Vorrichtung 20 ist in Form eines Kühlbodens 22 ausgebildet, welcher flächig an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 anliegen kann. Der Kühlboden 22 umfasst ein Wärmeübertragungsbauteil 24, welches als Kontaktplatte ausgebildet ist und welches ein entlang einer parallel zur Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 verlaufenden Achse A ausgebildetes Extrusionsprofil mit konstantem Querschnitt aufweist.
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Das Wärmeübertragungsbauteil 24 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, wobei Aluminium aufgrund seines geringen Gewichts bevorzugt ist.
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Das Wärmeübertragungsbauteil 24 umfasst eine Kontaktoberseite 26, mit der das Wärmeübertragungsbauteil 24 an der Flachseite 18 der Batterie anliegt. An der Unterseite des Wärmeübertragungsbauteils 24, welche entgegengesetzt zur Kontaktoberseite 26 liegt, sind mehrere axial verlaufende Verstärkungsrippen 28 vorgesehen, die das Wärmeübertragungsbauteil 24 insbesondere gegen ein Verbiegen gegenüber der Axialrichtung verstärken.
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Des Weiteren sind drei Paare von Wärmeleitungsrippen 30 vorgesehen, die Halterungen für Kühlmittelleitungen 32 und ein elektrisches Heizelement 34 bilden. Die Wärmeleitungsrippen 30 sind dabei so ausgebildet, dass eine gute Wärmeübertragung zwischen der Kühlmittelleitung 32 und dem Wärmeübertragungsbauteil 24 sowie zwischen dem elektrischen Heizelement 34 und dem Wärmeübertragungsbauteil 24 möglich ist.
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Am linken und rechten Rand des Wärmeübertragungsbauteils 24 weist das Wärmeübertragungsbauteil 24 ein Randprofil 36 auf. Die beiden Randprofile 36 stärken einerseits die mechanische Struktur des Wärmeübertragungsbauteils 24 und sind andererseits jeweils komplementär zueinander ausgebildet, sodass gleiche, benachbarte Wärmeübertragungsbauteile 24 mit ihren Randprofilen 36 formschlüssig ineinandergreifen.
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Am rechten Rand von 4 sind Teile eines solchen zweiten Wärmeübertragungsbauteils 24 gezeigt.
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Durch das formschlüssige Ineinandergreifen der benachbarten Wärmeübertragungsbauteile 24 verbinden sich die beiden Kontaktoberseiten 26 bündig zu einer großen gemeinsamen Kontaktoberfläche. Auf diese Weise wird eine große gemeinsame Kontaktoberfläche geschaffen, während die einzelnen Wärmeübertragungsbauteile 24 relativ klein sind und somit einfacher durch Extrusion gefertigt werden können als entsprechend größere Wärmeübertragungsbauteile. Ferner können sich mehrere kleine Wärmeübertragungsbauteile 24 leichter der nie völlig planen Flachseite 18 anpassen.
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Über die aneinanderliegenden Randprofile 36 der Wärmeübertragungsbauteile 24 ist eine Wärmeleitung zwischen benachbarten Wärmeübertragungsbauteilen 24 möglich, wodurch sich zwischen benachbarten Wärmeübertragungsbauteilen 24 eine mittlere Temperatur und eine mittlere Kühl- bzw. Heizleistung ausbildet.
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Um die Wärmeübertragung zwischen den Kühlmittelleitungen 32, dem elektrischen Heizelement 34 und den jeweiligen Wärmeleitungsrippen 30 oder zwischen benachbarten Wärmeübertragungsbauteilen 24, die über ihre Randprofile 36 formschlüssig aneinanderliegen, zu verbessern, kann eine Wärmeleitpaste zwischen den entsprechenden Bauteilen vorgesehen sein.
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Die Wärmeübertragungsbauteile 24 werden über Befestigungsvorrichtungen 38 mit der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 verbunden. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Befestigungsvorrichtungen 38 Schraubverbindungen, mit denen die Wärmeübertragungsbauteile 24 unmittelbar an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 befestigt sind.
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Auf der der Batteriezellengruppe 10 gegenüberliegenden Seite der Wärmeübertragungsbauteile 24 ist ein Wärmeisolierungsbauteil 40 vorgesehen, das formschlüssig mit dem Wärmeübertragungsbauteil 24 verbunden ist. Dazu greift das Wärmeisolierungsbauteil 40 in die Randprofile 36 des Wärmeübertragungsbauteils 24 ein. Es sind Ausnehmungen im Wärmeisolierungsbauteil 40 für die Verstärkungsrippen 28, Kühlmittelleitungen 32, das elektrische Heizelement 34 und die Wärmeleitungsrippen 30 sowie die Schrauben der Befestigungsvorrichtungen 38 vorgesehen. Das Wärmeisolierungsbauteil 40 kann auch auf andere Weise am Wärmeübertragungsbauteil 24, beispielsweise über die Befestigungsvorrichtungen 38 befestigt sein.
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5 zeigt eine Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe 100, die aus einer Batteriezellengruppe 10 mit einer Flachseite 18 und einer Vorrichtung 20 zum Heizen und Kühlen der Fahrzeugantriebsbatterie gebildet wird. Die Vorrichtung 20 umfasst zwei formschlüssig ineinandergreifende Wärmeübertragungsbauteile 24, die analog zu dem in 4 gezeigten Wärmeübertragungsbauteil 24 ausgebildet sind.
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6 zeigt das Wärmeübertragungsbauteil 24 ohne weitere Bauteile der Vorrichtung 20.
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Das Wärmeübertragungsbauteil 24 ist federelastisch ausgebildet und verläuft im nicht an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 befestigten Zustand konvex zur Flachseite 18 der Batterie, wobei es vorzugsweise eine gleichbleibende Dicke aufweist. Die Kontaktoberseite 26 verläuft gekrümmt, wobei der mittlere Bereich des Wärmeübertragungsbauteils 24 insbesondere bis zu 5 mm höher ist als der seitliche Rand der Kontaktoberseite 26.
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Wird das derartig geformte Wärmeübertragungsbauteil 24 (wie in 5 gezeigt) über die Befestigungsvorrichtungen 38 an die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 angeschraubt, so liegt das Wärmeübertragungsbauteil 24 im Wesentlichen eben an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 an und wird elastisch vorgespannt. Auf diese Weise werden Luftspalte zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil 24 und der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 verhindert.
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Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Kühlmittelleitungen 32 als separate Rohre ausgebildet, wobei die Wärmeleitungsrippen 30 eine Halterung für die Kühlmittelleitungen 32 bilden.
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5 zeigt ein elektrisches Heizelement 34, das zu beiden Seiten von den Wärmeleitungsrippen 30 des Wärmeübertragungsbauteils 24 umgeben ist. Der Abstand der Wärmeleitungsrippen 30 ist so gewählt, dass sich ein Presskontakt zwischen den Wärmeleitungsrippen 30 und dem elektrischen Heizelement 34 bildet. Über den Presskontakt ist das elektrische Heizelement 34 kraftschlüssig mit dem Wärmeübertragungsbauteil 24 verbunden, während gleichzeitig eine Wärmeübertragung über den Presskontakt ermöglicht wird.
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In der in 7 gezeigten Ausführungsform sind zwei Befestigungsstellen 42 vorgesehen, an denen die Wärmeleitungsrippen 30 in Richtung des elektrischen Heizelements 34 umgeformt sind, um an diesen Befestigungsstellen 42 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem elektrischen Heizelement 34 und dem Wärmeübertragungsbauteil 24 zu ermöglichen.
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6 zeigt eine Schnittansicht einer Befestigungsstelle 42, bei der die Wärmeleitungsrippen 30 beidseitig in Richtung des elektrischen Heizelements 34 gebogen sind. Es ist auch möglich, dass nur eine der Wärmeleitungsrippen 30 in Richtung des elektrischen Heizelements 34 gebogen ist oder dass die Wärmeleitungsrippen 30 entlang ihrer gesamten Länge in Richtung des elektrischen Heizelements 34 gebogen sind.
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Die Kühlmittelleitungen 32 sind analog zum elektrischen Heizelement 34 an den ihnen zugeordneten Wärmeleitungsrippen 30 befestigt.
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Das Heizelement 34 kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist das elektrische Heizelement 34 eine zylindrisch gewickelte Heizwendel, die wärmeleitend und elektrisch isolierend in einen rohrförmigen Mantel aus rostfreiem Stahl eingebettet ist. Das Heizelement 34 besitzt somit eine hohe mechanische Stabilität.
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9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 20 zum Heizen und Kühlen, wobei vier Wärmeübertragungsbauteile 24 vorgesehen sind. 10 zeigt die gleiche Vorrichtung 20 in einer Explosionsansicht.
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Es sind vier Wärmeübertragungsbauteile 24 vorgesehen, die über ihre Randprofile 36 mit sechs Befestigungsschienen 44 verbunden sind. Die Befestigungsschienen 44 bilden die Befestigungsvorrichtung 38 zur Befestigung der Wärmeübertragungsbauteile 24 an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10. Die Befestigungsschienen 44 umfassen jeweils Fortsätze 46, mit denen sie formschlüssig mit dem Randprofil 36 des Wärmeübertragungsbauteils 24 verbunden sind (vgl. 11).
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Wie in der in 10 gezeigten Explosionsansicht gut zu erkennen ist, ist für jeweils zwei benachbarte Wärmeübertragungsbauteile 24 ein U-förmiges elektrisches Heizelement 34 vorgesehen. Jeweils ein Arm des U-förmigen Heizelements 34 ist einem Wärmeübertragungsbauteil 24 zugeordnet, wobei die beiden Wärmeübertragungsbauteile 24, die einem U-förmigen Heizelement 34 zugeordnet sind, benachbart zueinander liegen. Die beiden Arme des U-förmigen Heizelements 34 können starr oder flexibel, beispielsweise über ein Kabel, miteinander verbunden sein.
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Ein Kühlmittelleitungssystem 48 ist vorgesehen, welches vier parallel geschaltete Kühlmittelleitungen 32 aufweist, die über einen Kühlmittelverteiler 50 und eine gemeinsame Sammelleitung 52 miteinander verbunden sind. Der Kühlmittelkreislauf wird über eine nicht gezeigte Kältemaschine geschlossen.
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Für jedes Wärmeübertragungsbauteil 24 ist ein Wärmeisolierungsbauteil 40 vorgesehen.
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11 zeigt eine Detailansicht einer Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe 100 mit der Vorrichtung 20 zum Heizen und Kühlen der Batterie gemäß 9. Die Vorrichtung 20 ist zwischen einer Anpressplatte 102 der Fahrzeugantriebsbatteriebaugruppe 100 und der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 geklemmt, wobei die Befestigungsschienen 44 einen festen Abstand zwischen der Flachseite 18 und der Anpressplatte 102 definieren. Die Anpressplatte 102 drückt die Befestigungsschienen 44 in Richtung der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10, wobei die Befestigungsschienen 44 wiederum die Wärmübertragungsbauteile 24 gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 drücken, bis diese flach und vorgespannt an der Flachseite 18 anliegt. Entsprechende Schrauben sind nicht gezeigt.
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Der Abstand zwischen der Flachseite 18 der Batterie und der Anpressplatte 102 ist so ausgelegt, dass ein Wärmeisolierungsbauteil 40 zwischen der Anpressplatte 102 und dem Wärmübertragungsbauteil 24 sowie der Kühlmittelleitung 32 und dem elektrischen Heizelement 34 angeordnet werden kann.
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12 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung 20 aus 9 mit einem elektrischen Anschluss. Die beiden U-förmigen elektrischen Heizelemente 34 sind miteinander in Reihe geschaltet, sodass nur ein elektrischer Anschluss mit den symbolisierten +/–-Polen für die gesamte Vorrichtung 20 nötig ist. Ein elektrisches Steuerelement 54 ist vorgesehen, welches die Stromversorgung der elektrischen Heizelemente 34 regelt.
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Alternativ können die elektrischen Heizelemente 34 so angeschlossen sein, dass eine individuelle Steuerung eines einzelnen Heizelements 34 möglich ist.
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13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 20 zum Heizen und Kühlen der Batteriezellengruppe 10. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Kühlboden 22 mit einem Trägerbauteil 56, welches als verrippter Hohlkörper ausgebildet ist, in dem eine U-förmige Halterung 58 für eine Kühlmittelleitung 32 ausgeformt ist. Die durch das Trägerbauteil 56 gebildeten Hohlräume bilden eine Wärmeisolierung, wobei in mehreren Hohlräumen des Trägerbauteils 56 jeweils ein Wärmeisolierungsbauteil 40 vorgesehen ist.
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Auf der Oberseite der Kühlmittelleitung 32 liegt ein Wärmeübertragungsbauteil 24 in Form einer Kontaktplatte auf. Das Wärmeübertragungsbauteil 24 ist ein umgeformtes Blech aus einem gut wärmeleitenden Material.
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Die Auflagefläche des Wärmeübertragungsbauteils 24 bildet eine erste Wärmeübertragungszone zur Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil 24 und der Kühlmittelleitung 32. Die Formgebung des Wärmeübertragungsbauteils 24 ist an den Außenumfang der Kühlmittelleitung 32 angepasst, um die Fläche der ersten Wärmeübertragungszone zu maximieren.
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Zwischen der Kühlmittelleitung 32 und dem Wärmeübertragungsbauteil 24 ist eventuell eine Wärmeleitpaste vorgesehen, die die Wärmeübertragung zwischen den beiden Bauteilen verbessert.
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Das Wärmeübertragungsbauteil 24 erstreckt sich von der ersten Wärmeübertragungszone in der Mitte aus beidseits abgewinkelt nach außen, wodurch eine leichte V-Form gebildet wird.
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Angrenzend an die erste Wärmeübertragungszone besitzt das Wärmeübertragungsbauteil 24 eine Kontaktoberseite 26, die zu beiden Seiten der Wärmeübertragungszone angeordnet ist.
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An den von der Kühlmittelleitung 32 beabstandeten Enden des Wärmeübertragungsbauteils 24 ist das Wärmeübertragungsbauteil 24 in Richtung des Trägerbauteils 56 umgebogen und bildet zwei rückseitig abgewinkelte Zungen 60. Die Zungen 60 ragen in Schlitze am Trägerbauteil 56 hinein, die Lagerungen für die Zungen 60 bilden, welche bei einer vertikalen Bewegung des Wärmeübertragungsbauteils 24 eine Führung darstellen.
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Das Wärmeübertragungsbauteil 24 ist federelastisch ausgebildet. Die Vorrichtung 20 ist so an der Batteriezellengruppe 10 angebracht, dass alle Wärmeübertragungsbauteile 24 federelastisch gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 vorgespannt sind. Die Wärmeübertragungsbauteile 24 liegen dabei mit der Kontaktoberseite 26 im Wesentlichen flach und vollflächig an der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 mit einer möglichst großen Kontaktfläche an.
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Der Kühlboden 22 kann direkt an der Batteriezellengruppe 10 befestigt sein, beispielsweise über Schraubverbindungen, die das Trägerbauteil 56 gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 drücken und somit das Wärmeübertragungsbauteil 24 gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 beaufschlagen.
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Durch die Vorspannung des Wärmeübertragungsbauteils 24 wird das Wärmeübertragungsbauteil 24 einerseits gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 und andererseits gegen die Kühlmittelleitung 32 gedrückt, wodurch eine gute Wärmeübertragung gewährleistet wird, da wärmeisolierende Luftspalte zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil 24 und der Kühlmittelleitung 32 bzw. zwischen dem Wärmeübertragungsbauteil 24 und der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 verhindert werden.
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Alternativ kann der Kühlboden 22 zwischen der Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 und einer Anpressplatte analog zur in 11 gezeigten Ausführungsform angeordnet sein, wobei die Batteriezellengruppe 10 an der Anpressplatte befestigt ist und die Anpressplatte den Kühlboden 22 gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 beaufschlagt. Die Anpressplatte kann Teil eines Außengehäuses der Fahrzeugantriebsbatterie sein.
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Das in 13 gezeigte Trägerbauteil 56 weist zwei Kühlmittelleitungen 32 mit zwei Wärmeübertragungsbauteilen 24 auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Wärmeübertragungsbauteilen 24 ist ein elektrisches Heizelement 34 angeordnet, welches mit beiden Wärmeübertragungsbauteilen 24 in wärmeleitendem Kontakt steht.
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14 zeigt eine Detailansicht des elektrischen Heizelements 34 und den beiden benachbarten Wärmeübertragungsbauteilen 24 im gemeinsamen Trägerbauteil 56.
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Der Abstand der vertikal verlaufenden Zungen 60 der beiden Wärmeübertragungsbauteile 24 ist so gewählt, dass das Heizelement 34 zwischen den beiden Wärmeübertragungsbauteilen 24 eingepresst wird. Die Zungen 60 weisen Kontaktabschnitte 62 auf, in denen die Zungen 60 umgeformt sind und am Heizelement 34 anliegen, wodurch die Wärmeübertragung zwischen Heizelement 34 und Wärmeübertragungsbauteil 24 verbessert wird. Die Kontaktabschnitte 62 der Zungen 60 können auch so ausgebildet sein, dass das Heizelement 34 direkt gegen die Flachseite 18 der Batteriezellengruppe 10 gedrückt wird.
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15 zeigt eine Draufsicht auf einen Kühlboden 22, bei dem jeweils zwei Paare von Wärmeübertragungsbauteilen 24 mit einem gemeinsamen Heizelement 34 vorgesehen sind. Jeweils zwei benachbarte Kühlmittelleitungen 32 bilden ein Paar mit einer Kühlmittelzuleitung und einer Kühlmittelrückleitung.
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Eine Batteriezellengruppe 10 ist dabei so angeordnet, dass ihre Flachseite 18 mit mindestens zwei Wärmeübertragungsbauteilen 24 in Verbindung steht, die einer Kühlmittelzuleitung und einer Kühlmittelrückleitung zugeordnet sind, wodurch sich die Kühlleistung der Kühlmittelzuleitung und der Kühlmittelrückleitung mittelt.
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In 15 sind mehrere Trägerbauteile 56 entlang der Kühlmittelleitungen 32 und des Heizelements 34 vorgesehen, wobei vorzugsweise ein Trägerbauteil 56 genau einer Batteriezellengruppe 10 zugeordnet ist.
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16 zeigt eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung 20, die im Wesentlichen analog zur dritten Ausführungsform ausgebildet ist und sich im Wesentlichen nur durch die Ausbildung des Trägerbauteils 56 unterscheidet. Das Trägerbauteil 56 erstreckt sich entlang der gesamten Länge der Kühlmittelleitungen 32 und des Heizelements 34, wobei entlang der Kühlmittelleitungen 32 abschnittsweise verschiedene Wärmeübertragungsbauteile 24 vorgesehen sind. Die vier Wärmeübertragungsbauteile 24 im Vordergrund sind transparent gezeichnet, um den Verlauf der Kühlmittelleitungen 32 besser zu erkennen.
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Im Gegensatz zur dritten Ausführungsform sind die Hohlräume des Trägerbauteils 56 im Wesentlichen auf der vom Wärmeübertragungsbauteil 24 abgewandten Seite des Trägerbauteils 56 angeordnet, wodurch die Wärmeisolierungsbauteile 40 auf der der Batteriezellengruppe 10 entgegengesetzten Seite der Vorrichtung 20 vorgesehen sind.
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Die Trägerbauteile 56 können aus Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise durch Spritzgießen oder Extrusion.
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Die Wärmeisolierungsbauteile 40 können einstückig mit dem Trägerbauteil 56 oder als separate Bauteile hergestellt sein.
