DE102010032901A1

DE102010032901A1 - Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie sowie Fahrzeugbatteriebaugruppe mit einer solchen Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102010032901A1
Application number: DE201010032901
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (12) für eine Fahrzeugbatterie, mit einem Kühlboden (18), der wenigstens eine Kontaktfläche (20) zur flächigen Anlage an einer Batteriezellengruppe (14) aufweist, wobei der Kühlboden (18) eine erste Flachleitung (22) und eine zweite Flachleitung (24) mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen, sowie einen Einlassverteiler (26), der an die erste Flachleitung (22) angeschlossen ist, ein Umlenkelement (28), welches die beiden Flachleitungen (22, 24) verbindet, und einen Auslasssammler (30), der an die zweite Flachleitung (24) angeschlossen ist, umfasst, wobei die Flachleitungen (22, 24) im Wesentlichen koplanar angeordnet sind und jeweils eine Flachseite der Flachleitungen (22, 24) als Kontaktfläche (20) für die Batteriezellengruppe (14) dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, mit einem Kühlboden, der wenigstens eine Kontaktfläche zur flächigen Anlage an einer Batteriezellengruppe aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Fahrzeugbatteriebaugruppe mit wenigstens einer solchen Kühlvorrichtung sowie wenigstens einer Batteriezellengruppe.
Fahrzeugbatterien von modernen Kraftfahrzeugen, insbesondere von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, weisen eine große Kapazität und eine hohe Leistungsdichte auf, um den gestellten Anforderungen hinsichtlich Beschleunigung und Reichweite gerecht zu werden. Im Fahrzeugbetrieb wird die Antriebsbatterie durch Entnahme gespeicherter Energie entladen oder durch Energieeintrag (z. B. beim Bremsen) aufgeladen. Bei diesen Entlade- und Ladevorgängen wird Wärme freigesetzt, welche die Leistung und Lebensdauer der Fahrzeugbatterie beeinträchtigen kann.
Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Kühlvorrichtungen bekannt, welche die Fahrzeugbatterie auf Betriebstemperaturen von maximal 40°C bis 60°C halten.
Die US 2009/0142653 A1 zeigt beispielsweise eine Kühlvorrichtung in Form eines Kühlbodens für einen Batterieblock. Da sich das Kühlrohr dabei mäanderförmig durch den gesamten Kühlboden erstreckt, ist die Rohrlänge in diesem Fall sehr groß und eine gleichmäßige Kühlung des Batterieblocks je nach verwendetem Kühlmittel entsprechend schwierig zu realisieren. Außerdem ist ein großer Rohrdurchmesser notwendig, um die erforderliche Kühlleistung für den Batterieblock zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer effizienten Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie, welche die Batterietemperatur auf ein gewünschtes Niveau absenkt, Temperaturspreizungen zwischen einzelnen Batteriezellen minimiert sowie darüber hinaus einfach und preiswert herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie, mit einem Kühlboden, der wenigstens eine Kontaktfläche zur flächigen Anlage an einer Batteriezellengruppe aufweist, wobei der Kühlboden eine erste Flachleitung und eine zweite Flachleitung mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen umfasst, sowie einen Einlassverteiler, der an die erste Flachleitung angeschlossen ist, ein Umlenkelement, welches die beiden Flachleitungen verbindet, und einen Auslasssammler, der an die zweite Flachleitung angeschlossen ist, wobei die Flachleitungen im Wesentlichen koplanar angeordnet sind und jeweils eine Flachseite der Flachleitungen als Kontaktfläche für die Batteriezellengruppe dient. Die vorgeschlagenen Flachleitungen weisen auch bei kurzer Leitungslänge bereits eine große Kontaktfläche zur Batteriezellengruppe auf, sodass sich über die einzelnen Batteriezellen eine sehr gleichmäßige Kühlung ergibt. Außerdem ermöglicht die Flachleitung bei geringer Bauhöhe einen großen Kühlmitteldurchsatz und damit eine hohe Kühlleistung. Ein weiterer Vorteil dieser Kühlvorrichtung liegt zudem darin, dass ein Kühlboden mit zwei Flachleitungen und einem Umlenkelement sehr einfach herstellbar ist und sich mit geringem Aufwand an einer Batteriezellengruppe montieren lässt.
Die oben genannten Flachleitungen sind dadurch definiert, dass sie einen Querschnitt aufweisen, bei dem die Breite größer ist als die Höhe der Leitungen. Die Flachseite der Flachleitung entspricht der breiten Seite des Querschnitts.
Die Flachleitungen, der Einlass- und der Auslasssammler sowie das Umlenkelement sind separate, aneinander befestigte Teile, wobei alternativ Einlass- und der Auslasssammler einstückig ineinander übergehen können.
In einer Ausführungsform der Kühlvorrichtung weist die Flachleitung über ihre Breite verteilt mehrere Kühlmittelkanäle auf. Eine solche Bauweise der Flachleitung mit mehreren Kühlmittelkanälen weist gegenüber Flachleitungen mit einem einzigen, flachen Strömungsquerschnitt erhebliche Stabilitätsvorteile auf. Insbesondere ist die Gefahr des Ausbeulens der Flachleitung minimiert. Ferner ist die Kühlung über die Breite der Flachleitungen sehr gleichmäßig.
Dabei sind bevorzugt alle Kühlmittelkanäle über die Höhe der jeweiligen Flachleitung gesehen im Wesentlichen in einer Ebene, vorzugsweise mittig, angeordnet. Eine solche Konstruktion der Flachleitungen lässt sich fertigungstechnisch einfach realisieren und ermöglicht darüber hinaus eine hocheffiziente Kühlung der Batteriezellengruppe bei geringer Bauhöhe des Kühlbodens.
Das Umlenkelement weist bevorzugt wenigstens zwei Umlenkkanäle auf, wobei jeder Umlenkkanal wenigstens einen Kühlmittelkanal der ersten Flachleitung mit wenigstens einem Kühlmittelkanal der zweiten Flachleitung verbindet. Somit ermöglicht das Umlenkelement eine einfache Änderung der Strömungsrichtung des Kühlmittels, ohne dass die Flachleitungen aufwendig bearbeitet, insbesondere verformt werden müssen. Durch die Bildung von wenigstens zwei voneinander getrennten Umlenkkanälen lässt sich darüber hinaus eine in der ersten Flachleitung vorhandene Kühlmittelverteilung über die einzelnen Kühlmittelkanäle näherungsweise beibehalten und auf die zweite Flachleitung übertragen. Ausgehend von zwei separaten Umlenkkanälen wird die Übertragung der Kühlmittelverteilung von der ersten Flachleitung auf die zweite Flachleitung mit wachsender Anzahl der Umlenkkanäle immer genauer, bis schließlich die Anzahl der Umlenkkanäle mit der Anzahl der Kühlmittelkanäle identisch ist, sodass jeder Kühlmittelkanal der ersten Flachleitung über einen Umlenkkanal mit genau einem Kühlmittelkanal der zweiten Flachleitung verbunden ist. Zur Vereinfachung der Herstellung des Umlenkelements werden jedoch in der Regel mehrere Kühlmittelkanäle der ersten Flachleitung über einen Umlenkkanal mit mehreren Flachleitungen der zweiten Flachleitung verbunden. Als guter Kompromiss zwischen einer möglichst genauen Beibehaltung der Kühlmittelverteilung über die beiden Flachleitungen bei gleichzeitig akzeptablem Herstellungsaufwand des Umlenkelements hat sich eine Anzahl von drei bis fünf Umlenkkanälen für jeweils zwei oder mehr Kühlmittelkanälen pro Flachleitung erwiesen.
Insbesondere können die erste Flachleitung und die zweite Flachleitung jeweils gleich viele Kühlmittelkanäle aufweisen und die Umlenkkanäle jeweils eine vorgegebene Anzahl von Kühlmittelkanälen der ersten Flachleitung mit einer identischen Anzahl von Kühlmittelkanälen der zweiten Flachleitung verbinden. Da die erste Flachleitung und die zweite Flachleitung gewöhnlich einen identischen Leitungsquerschnitt aufweisen, insbesondere vollkommen identisch sind, trägt auch diese Maßnahme zu einer möglichst exakten Übertragung der Kühlmittelverteilung von der ersten Flachleitung auf die zweite Flachleitung bei.
In einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung sind die erste Flachleitung und zweite Flachleitung im Wesentlichen parallel angeordnet und in entgegengesetzte Richtungen durchströmbar, wobei ein Ende der ersten Flachleitung mit einem benachbarten Ende der zweiten Flachleitung durch das Umlenkelement so verbunden ist, dass der Kühlboden U-förmig durchströmbar ist. Diese einfache, U-förmige Strömungsführung bringt den Vorteil mit sich, dass bei geringer Leitungslänge eine große Kontaktfläche entsteht. Außerdem sind bei einer U-förmigen Durchströmung des Kühlbodens der Einlassverteiler und der Auslasssammler in vorteilhafter Weise auf der gleichen Seite des Kühlbodens angeordnet. Dies vereinfacht den Anschluss des Kühlbodens an einen Kühlkreislauf und ist ferner auch unter dem Gesichtspunkt der Bauraumminimierung vorteilhaft.
Die Vorteile einer kurzen Flachleitungslänge sowie einer möglichst homogenen Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlmittelkanäle sind insbesondere für Kühlvorrichtungen interessant, bei denen die Flachleitungen jeweils einen Verdampfer bilden, in dem ein flüssiger Anteil eines als Kühlmittel verwendeten Kältemittels wenigstens teilweise verdampft. Die Kühlung ist auch in diesem Fall besonders homogen, mit einer geringen Temperaturspreizung zwischen den einzelnen Batteriezellen.
In einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist im Zulauf zum Einlassverteiler eine Drossel vorgesehen. Diese Drossel kann einstückig mit dem Einlassverteiler verbunden sein.
Sie sorgt insbesondere bei der Verwendung von zweiphasigen Kältemitteln für eine homogene Verteilung des Kühlmittels bzw. Kältemittels auf die Kühlmittelkanäle, indem das Gas-/Flüssigkeitsgemisch durch die Drossel düsenartig zerstäubt wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist der Einlassverteiler ein Rohrprofil, welches einen in Rohrlängsrichtung verlaufenden Schlitz aufweist, in den ein Ende der ersten Flachleitung eingesteckt ist, wobei sich der Rohrquerschnitt in Durchströmungsrichtung verringert, insbesondere stufenweise oder kontinuierlich verringert. Auch dieser sich verjüngende Querschnitt des Einlassverteilers führt zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlmittelkanäle.
Zur fertigungstechnischen Vereinfachung der Kühlvorrichtung können der Einlassverteiler und der benachbarte Auslasssammler in einem Bauteil zusammengefasst. Das Bauteil Ist dabei entweder einstückig hergestellt oder umfasst mehrere fest miteinander verbundenen Bauteilkomponenten.
Der Einlassverteiler und der Auslasssammler können aus jeweils einem Ober- und Unterteil bestehen, welche über eine Biegezone und/oder eine im Bereich der Rohrmittelebene verlaufende Lötverbindung verbunden sind.
Es ist möglich, dass Ober- und Unterteil einteilig, vorzugsweise aus einem lotbeschichtetem Aluminium-Blech, hergestellt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung weisen der Einlassverteiler und/oder der Auslasssammler einen Anschluss für Kühlmittel auf, wobei sich eine Anschlussachse quer, insbesondere senkrecht, zu einer von der Kontaktfläche aufgespannten Ebene erstreckt. Durch diese Konstruktion wird beispielsweise am Einlassverteiler einströmendes Kühlmittel umgelenkt und im Einlassverteiler gleichmäßig verteilt, bevor es in die Kühlmittelkanäle der Flachleitungen einströmt. Somit trägt auch diese Strömungsumlenkung zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlmittelkanäle der Flachleitung bei. Dieser Effekt macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn als Kühlmittel ein zweiphasiges Kältemittel verwendet wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung weisen der Einlassverteiler und/oder der Auslasssammler einen Anschluss für Kühlmittel auf, wobei sich eine Anschlussachse und eine Mittelachse der ersten oder zweiten Flachleitung schneiden. Mit anderen Worten werden die Flachleitungen in Bezug auf den Einlassverteiler bzw. den Auslasssammler mittig angeschlossen, was sich im Falle des Einlassverteilers wiederum positiv auf eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die Kühlmittelkanäle auswirkt.
Um eine inhomogene Verteilung des Kühlmittels über die Breite der Flachleitung zu vermeiden, sollte der Abstand zwischen der Anschlussachse und der Mittelachse der Flachleitungen, in Richtung der Flachleitungsbreite gemessen, maximal 20% der Flachleitungsbreite betragen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch eine Fahrzeugbatteriebaugruppe mit wenigstens einer oben beschriebenen Kühlvorrichtung sowie wenigstens einer Batteriezellengruppe, wobei jeder Kühlvorrichtung genau eine Batteriezellengruppe zugeordnet ist. Infolge dieser Zuordnung lässt sich mit geringem Aufwand eine modulare Baugruppe realisieren, bei der einzelne Batteriezellengruppen mit jeweils zugeordneter Kühlvorrichtung entsprechend dem vorhandenen Bauraum individuell positioniert werden können.
Besonders bevorzugt erstreckt sich dabei die von den Flachleitungen gebildete Kontaktfläche des Kühlbodens über etwa 30% bis 60% einer dem Kühlboden zugewandten Unterseite der Batteriezellengruppe. Aufgrund der gleichmäßigen Kühlmittelverteilung sowie der effizienten Kühlung der Batteriezellengruppe durch die Flachleitung reicht es aus, wenn sich die Kontaktfläche der Flachleitung nur über etwa die Hälfte der Unterseite der Batteriezellengruppe erstreckt, um die Batteriezellengruppen in einem gewünschten Temperaturbereich von vorzugsweise etwa 40°C bis 60°C zu halten. Dementsprechend vereinfacht sich der Aufbau des Kühlbodens erheblich, wodurch die Herstellungskosten der Kühlvorrichtung in vorteilhafter Weise sinken.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Fahrzeugbatteriebaugruppe mit erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung;
2 einen schematischen Schnitt II-II durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß 1;
3 einen schematischen Detailschnitt III-III durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß 2 im Bereich eines Auslasssammlers;
4 einen schematischen Detailschnitt IV-IV durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß 2 im Bereich eines Einlassverteilers;
5 einen schematischen Detailschnitt V-V durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß 2 im Anschlussbereich zwischen einer Flachleitung und einem Auslasssammler;
6 einen schematischen Detailschnitt gemäß 3 in einer alternativen Ausführungsvariante; und
7 einen schematischen Detailschnitt durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung im Bereich eines Einlassverteiler in einer zu 4 alternativen Ausführungsvariante.
Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine Fahrzeugbatteriebaugruppe 10 mit einer Kühlvorrichtung 12 und einer Batteriezellengruppe 14, wobei jeder Batteriezellengruppe 14 genau eine Kühlvorrichtung 12 zugeordnet ist.
Als Batteriezellengruppe 14 wird dabei eine vorgefertigte Einheit aus mehreren Batteriezellen 16 (vgl. auch 2) bezeichnet, wobei es sich bei den Batteriezellen 16 beispielsweise um Lithium-Ionen-Zellen, Supercaps, Brennstoffzellen, herkömmliche Akkumulatoren oder Kombinationen aus solchen Elementen handeln kann. Beispielsweise bilden sechs bis vierzehn Lithium-Ionen-Batteriezellen 16 eine vorgefertigte Batteriezellengruppe 14, welche auch als Batterieblock oder Batteriepack bezeichnet wird.
Je nach Leistungsbedarf wird eine geeignete Anzahl von Batteriezellengruppen 14 zusammengeschaltet, um eine Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs, insbesondere des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zu bilden. Da den einzelnen Batteriezellengruppen 14 jeweils genau eine Kühlvorrichtung 12 zugeordnet ist, kann jede Kühlvorrichtung 12 zusammen mit ihrer Batteriezellengruppe 14 unter bestmöglicher Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums relativ frei angeordnet und an einen Kühlkreis angeschlossen werden. Dieser Kühlkreis kann entweder ein separater Kühlkreis oder auch der Kühlkreis einer Fahrzeug-Klimaanlage sein. Als Kühlmittel des Kühlkreises können sowohl Kühlflüssigkeiten, wie Wasser, Glykol oder Wasser/Glykol-Gemisch, eingesetzt werden, oder auch phasenwechselnde Kältemittel, insbesondere auf Kohlendioxid-Basis. Bei der Verwendung von Kältemitteln, die eine flüssige und eine gasförmige Phase aufweisen, ist die Kühlvorrichtung 12 als Kühlmittelverdampfer ausgebildet, in welchem ein flüssiger Anteil des durchströmenden Kältemittels wenigstens teilweise verdampft.
Beim Betrieb der Kühlvorrichtung 12 mit einem Kältemittel wird aufgrund einer nahezu konstanten Temperatur bei der Verdampfung eine sehr homogene Temperaturverteilung innerhalb der Batteriezellengruppe 14 erzielt. Außerdem ergibt sich der Vorteil, dass die Kühlvorrichtung 12 in diesem Fall sehr einfach mit einer herkömmlichen Fahrzeug-Klimaanlage kombiniert werden kann.
Die Kühlvorrichtung 12 gemäß 1 weist einen Kühlboden 18 mit einer ebenen Kontaktfläche 20 zur flächigen Anlage an der Batteriezellengruppe 14 auf, konkret zur direkten Anlage an jeder einzelnen Batteriezelle 16 der Batteriezellengruppe 14.
Der Kühlboden 18 umfasst in 1 eine erste Flachleitung 22 und eine zweite Flachleitung 24 mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen, sowie einen Einlassverteiler 26, der an die erste Flachleitung 22 angeschlossen ist, ein Umlenkelement 28, welches die beiden Flachleitungen 22, 24 verbindet, sowie einen Auslasssammler 30, der an die zweite Flachleitung 24 angeschlossen ist (siehe auch 2).
Die Flachleitungen 22, 24 sind im Wesentlichen koplanar angeordnet, wobei jeweils eine Flachseite der Flachleitungen 22, 24 als Kontaktfläche 20 für die Batteriezellengruppe 14 dient.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die Flachleitungen 22, 24 auf flexiblen Lagerelementen 32 des Kühlbodens 18 angeordnet. Die übrigen Zwischenräume des Kühlbodens 18 sind wenigstens teilweise mit einem elastischen Kunststoffschaum 34 zur Isolierung ausgefüllt, über dessen Material und Form auch der gewünschte Anpressdruck der Kühlvorrichtung 12 eingestellt wird. Der Kühlboden 18 wird beispielsweise durch in 1 angedeutete Befestigungsmittel 36 elastisch komprimiert und dadurch gegen die Batteriezellengruppe 14 vorgespannt. Aufgrund der Vorspannung passt sich die flexibel ausgebildete Flachleitung 22 einer dem Kühlboden 18 zugewandten Unterseite der Batteriezellengruppe 14 so gut an, dass eine hervorragende Wärmeübertragung gewährleistet ist.
Infolge dieses Aufbaus der Fahrzeugbatteriebaugruppe 10 reicht in der Regel die Kühlleistung der Kühlvorrichtung 12 bereits aus, wenn sich die von den Flachleitungen 22, 24 gebildete Kontaktfläche 20 des Kühlbodens 18 über 30% bis 60% der dem Kühlboden 18 zugewandten Unterseite der Batteriezellengruppe 14 erstreckt.
Die beiden Flachleitungen 22, 24 sind in 1 koplanar angeordnet, wobei jeweils eine der beiden Flachseiten jeder Flachleitung 22, 24 die gekühlte Kontaktfläche 20 für die Batteriezellengruppe 14 bildet. Unter der Kontaktfläche 20 wird im Folgenden lediglich die an den Batteriezellen 16 der Batteriezellengruppe 14 anliegende Flachseite der Flachleitung 22, 24 verstanden, auch dann, wenn andere Abschnitte des Kühlbodens 18, beispielsweise die Lagerelemente 32 oder der Kunststoffschaum 34, weitere Kontaktabschnitte mit der Batteriezellengruppe 14 aufweisen.
Die Flachleitungen 22, 24 haben jeweils eine Breite b, die wenigstens doppelt so groß, vorzugsweise wenigstens fünfmal so groß wie eine Höhe h der Flachleitungen 22, 24 ist. Üblicherweise liegt die Breite b in der Größenordnung 15 bis 75 mm und die Höhe h in der Größenordnung 1 bis 4 mm.
Als bevorzugter Kompromiss zwischen einer möglichst großen Kontaktfläche 20 und einer möglichst geringen Bauhöhe der Flachleitungen 22, 24 bzw. des Kühlbodens 18 sowie einem akzeptablen Durchflusswiderstand und Herstellungsaufwand der Flachleitungen 22, 24 hat sich ein Seitenverhältnis von h:b ≈ 1:20 herausgestellt.
Wie in den 1 und 2 zu erkennen, weist die Flachleitung 22 über ihre Breite b verteilt mehrere Kühlmittelkanäle 38 auf. Die Kühlmittelkanäle 38 sind über die Höhe h der Flachleitungen 22, 24 gesehen im Wesentlichen mittig angeordnet. Dadurch lassen sich die Flachleitungen 22, 24 einfach herstellen und weisen ferner eine große Kontaktfläche 20 bei geringer Höhe h auf.
Die erste Flachleitung 22 und die zweite Flachleitung 24 weisen gemäß den 1 und 2 identische Querschnitte auf und sind besonders bevorzugt vollkommen identisch ausgebildet.
Die Flachleitungen 22, 24 sind beispielsweise als Strangpressprofil aus Aluminium hergestellt.
Zur Unterteilung der einzelnen Kühlmittelkanäle 38 sind Stabilisierungsrippen 40 vorgesehen (vgl. 5), welche bei Druckbeaufschlagung der Flachleitungen 22, 24 eine unerwünschte Verformung, insbesondere ein Ausbeulen der Flachseiten verhindern.
Das Umlenkelement 28 gemäß 2 weist drei Umlenkkanäle 42, 44, 46 auf, wobei jeder Umlenkkanal 42, 44, 46 wenigstens einen Kühlmittelkanal 38 der ersten Flachleitung 22 mit wenigstens einem Kühlmittelkanal 38 der zweiten Flachleitung 24 verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die erste Flachleitung 22 und die zweite Flachleitung 24 jeweils gleich viele Kühlmittelkanäle 38 auf, und die Umlenkkanäle 42, 44, 46 verbinden jeweils eine vorgegebene Anzahl oder Gruppen von Kühlmittelkanälen 38 der ersten Flachleitung 22 mit einer identischen Anzahl bzw. Gruppen von Kühlmittelkanälen 38 der zweiten Flachleitung 24.
Bei Verwendung eines zweiphasigen Kühlmittels würde sich dieses in einem Umlenkelement 28 mit nur einem Kanal zentrifugalkraftbedingt so entmischen, dass sich die flüssige Phase „nach außen” absetzt. Somit wäre in den gemäß 2 rechten Kühlmittelkanälen 38 der zweiten Flachleitung 24 ein höherer Anteil an der flüssigen Kühlmittelphase vorhanden, als in den gemäß 2 linken Kühlmittelkanälen 38, was insgesamt zu einer sehr inhomogenen Kühlleistung über die Kontaktfläche 20 der zweiten Flachleitung 24 führt. Durch die Unterteilung des Umlenkelements 28 in separate Umlenkkanäle 42, 44, 46 wird diese unerwünschte Entmischung des Kühlmittels beim Umlenken der Strömungsrichtung verhindert oder zumindest reduziert.
Gemäß 2 sind die erste und zweite Flachleitung 22, 24 im Wesentlichen parallel angeordnet und in entgegengesetzte Richtungen durchströmbar, wobei ein Ende 48 der ersten Flachleitung 22 mit einem benachbarten Ende 50 der zweiten Flachleitung 24 durch das Umlenkelement 28 so verbunden ist, dass der Kühlboden 18 U-förmig von Kühlmittel durchströmbar ist.
Das Umlenkelement 28 ist entweder einstückig oder aus zwei fest miteinander verbundenen Stanzteilen gefertigt. Es ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt und mit einem lötbaren oder schweißbaren Metall blattiert.
In 2 ist außerdem zu erkennen, dass der Einlassverteiler 26 und der benachbarte Auslasssammler 30 in einem Bauteil zusammengefasst sind. Dieses Bauteil ist ebenfalls entweder einstückig oder aus zwei fest miteinander verbundenen Bauteilkomponenten gefertigt. Die Flachleitungen 22, 24 sind ebenso wie das Umlenkelement 28 separate, aneinander befestigte Bauteile.
Die 3 zeigt einen Detailschnitt III-III der 2 im Bereich des Auslasssammlers 30. Der Auslasssammler 30 weist einen Schlitz 52 auf, in den die zweite Flachleitung 24 dichtend eingeschoben ist. Ferner weist der Auslasssammler 30 einen Anschluss 54 auf, über den Kühlmittel aus der zweiten Flachleitung 24 über den Auslasssammler 30 aus der Kühlvorrichtung 12 in ein Anschlussrohr 56 des Kühlkreises zurückströmen kann. Ein Oberteil 58 und ein Unterteil 60 des Auslasssammlers 30 sind über eine Biegefalte 62 einstückig verbunden, wobei die Biegefalte 62 eine Verformung des Auslasssammlers 30 erlaubt, sodass der Schlitz 52 gewisse Maßtoleranzen ausgleichen kann und die zweite Flachleitung 24 einklemmt.
Die 4 einen Detailschnitt IV-IV der 2 im Bereich des Einlassverteilers 26. Der Einlassverteiler 26 hat einen Schlitz 64, in den die erste Flachleitung 22 eingeschoben und dichtend mit dem Einlassverteiler 26 verbunden ist. Im Übrigen weist der Einlassverteiler 26 einen Anschluss 66 zum Anschließen eines Anschlussrohres 68 des Kühlkreises auf, sodass Kühlmittel aus dem Kühlkreis über das Anschlussrohr 68 in den Einlassverteiler 26 einströmen und von dort auf die einzelnen Kühlmittelkanäle 38 verteilt werden kann.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die Kühlmittelkanäle 38 zu gewährleisten, ist im Zulauf zum Einlassverteiler 26 eine Drossel 70 vorgesehen. Gemäß 4 ist die Drossel 70 auf den Anschluss 66 des Einlassverteilers 26 aufgesetzt. Bei der Verwendung von zweiphasigem Kältemittel hat die Drossel 70 den vorteilhaften Effekt, dass sie das Kältemittel düsenartig zerstäubt, sodass sich das Gas-Flüssigkeits-Gemisch homogen im Einlassverteiler 26 ausbreitet und sehr gleichmäßig auf die einzelnen Kühlmittelkanäle 38 der ersten Flachleitung 22 verteilt. Geeignete Drosseldurchmesser der Drossel 70 liegen dabei in der Größenordnung von 2 bis 5 mm.
Gemäß 4 erstreckt sich eine Anschlussachse A quer, insbesondere etwa senkrecht zu einer von der Kontaktfläche 20 aufgespannten Ebene E. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf eine homogene Kühlmittelverteilung aus, da das Unterteil 60 des Einlassverteilers 26 als Prallwand wirkt und das Kühlmittel damit gleichmäßig im Einlassverteiler 26 sowie auf die Kühlmittelkanäle 38 verteilt.
Die 5 zeigt einen Detailschnitt V-V der 2 im Bereich der ersten Flachleitung 22 mit Blick auf den Einlassverteiler 26. Dabei wird deutlich, dass sich eine Anschlussachse A des Einlassverteilers 26 und eine Mittelachse B der ersten Flachleitung 22 schneiden. Mit anderen Worten ist der Anschluss 66 bezogen auf eine Breite b der ersten Flachleitung 22 mittig zur Flachleitung 22 ausgerichtet. Auch diese möglichst mittige Ausrichtung des Anschlusses 66 trägt zu einer besonders homogenen Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlmittelkanäle 38 bei. Um Bauraumbeschränkungen oder sonstige Randbedingungen berücksichtigen zu können, muss der Anschluss 66 jedoch nicht exakt mittig angeordnet sein. Eine zufriedenstellende gleichmäßige Kühlmittelverteilung ergibt sich bereits, wenn ein Abstand zwischen der Anschlussachse A und der Mittelachse B in Richtung der Breite b der Flachleitung 22 gemessen maximal 20% der Breite b der Flachleitung 22 beträgt.
Die 6 zeigt analog zu 3 einen Detailschnitt im Bereich des Auslasssammlers 30 gemäß einer alternativen Ausführungsvariante. Hierbei ist das Anschlussrohr 56 über ein Verbindungsrohr 72 mit dem Anschluss 54 verbunden. Bei einem „vorkonfektionierten Kühlkreis” mit einer festgelegten Länge der Anschlussrohre 56, 68 sowie einer Verteilung der einzelnen Batteriezellengruppen 14 mit jeweils zugeordneter Kühlvorrichtung 12 entsprechend den jeweiligen Bauraumgegebenheiten ermöglichen Verbindungsrohre 72 einen gewissen Toleranzausgleich und damit einen einfachen Anschluss der einzelnen Kühlvorrichtungen 12 an den Kühlkreis. Nach einer Toleranzkompensation durch das Verbindungsrohr 72 ist zur Befestigung des Verbindungsrohrs 72 am Anschlussrohr 56 im vorliegenden Fall ein Pressring 74 vorgesehen, der die Rohre 56, 72 durch Presspassung oder Formschluss infolge Verformung aneinander fixiert.
Die 7 zeigt analog zu 5 eine schematische Detailskizze im Bereich des Einlassverteilers 26 gemäß einer alternativen Ausführungsvariante. Der Einlassverteiler 26 ist in diesem Fall ein Rohrprofil, welches einen in Rohrlängsrichtung X verlaufenden Schlitz 76 aufweist, in den ein Ende 78 der ersten Flachleitung 22 eingesteckt ist, wobei sich der Rohrquerschnitt in Durchströmungsrichtung 80 verringert. Vorzugsweise verringert sich der Rohrquerschnitt stufenweise oder kontinuierlich. Alternativ kann sich der Rohrquerschnitt jedoch auch gemäß einer individuellen Geometrie (vgl. 7) verringern, wobei diese Geometrie so gewählt ist, dass sich eine möglichst homogene Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Kühlmittelkanäle 38 der ersten Flachleitung 22 ergibt. Eine solche Konstruktion kann beispielsweise den Einlassverteiler 26 mit Drossel 70 (4) ersetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0142653 A1 [0004]

Claims

Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie, mit einem Kühlboden (18), der wenigstens eine Kontaktfläche (20) zur flächigen Anlage an einer Batteriezellengruppe (14) aufweist, wobei der Kühlboden (18) eine erste Flachleitung (22) und eine zweite Flachleitung (24) mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten Durchströmungsrichtungen, sowie einen Einlassverteiler (26), der an die erste Flachleitung (22) angeschlossen ist, ein Umlenkelement (28), welches die beiden Flachleitungen (22, 24) verbindet, und einen Auslasssammler (30), der an die zweite Flachleitung (24) angeschlossen ist, umfasst, wobei die Flachleitungen (22, 24) im wesentlichen koplanar angeordnet sind und jeweils eine Flachseite der Flachleitungen (22, 24) als Kontaktfläche (20) für die Batteriezellengruppe (14) dient.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachleitungen (22, 24) über ihre Breite (b) verteilt mehrere Kühlmittelkanäle (38) aufweisen.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kühlmittelkanäle (38) über die Höhe (h) der jeweiligen Flachleitung (22, 24) gesehen im Wesentlichen in einer Ebene, vorzugsweise mittig, angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (28) wenigstens zwei Umlenkkanäle (42, 44, 46) aufweist, wobei jeder Umlenkkanal (42, 44, 46) wenigstens einen Kühlmittelkanal (38) der ersten Flachleitung (22) mit wenigstens einem Kühlmittelkanal (38) der zweiten Flachleitung (24) verbindet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Flachleitung (22) und zweite Flachleitung (24) jeweils gleich viele Kühlmittelkanäle (38) aufweisen und die Umlenkkanäle (42, 44, 46) jeweils eine vorgegebene Anzahl von Kühlmittelkanälen (38) der ersten Flachleitung (22) mit einer identischen Anzahl von Kühlmittelkanälen (38) der zweiten Flachleitung (24) verbinden.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Flachleitung (22, 24) im wesentlichen parallel angeordnet und in entgegengesetzte Richtungen durchströmbar sind, wobei ein Ende (48) der ersten Flachleitung (22) mit einem benachbarten Ende (50) der zweiten Flachleitung (24) durch das Umlenkelement (28) so verbunden ist, dass der Kühlboden (18) U-förmig durchströmbar ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachleitungen (22, 24) jeweils einen Verdampfer bilden, in dem ein flüssiger Anteil eines als Kühlmittel verwendeten Kältemittels wenigstens teilweise verdampft.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf zum Einlassverteiler (26) eine Drossel (70) vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassverteiler (26) ein Rohrprofil ist, welches einen in Rohrlängsrichtung (X) verlaufenden Schlitz (76) aufweist, in den ein Ende (78) der ersten Flachleitung (22) eingesteckt ist, wobei sich der Rohrquerschnitt in Durchströmungsrichtung (80) verringert.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassverteiler (26) und der benachbarte Auslasssammler (30) in einem Bauteil zusammengefasst sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassverteiler und der Auslasssammler aus jeweils einem Ober- und einem Unterteil (58, 60) bestehen, welche über eine Biegezone (62) und/oder eine im Bereich der Rohrmittelebene verlaufende Lötverbindung verbunden sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und Unterteil einteilig, vorzugsweise aus einem lotbeschichtetem Aluminium-Blech, hergestellt sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassverteiler (26) und/oder der Auslasssammler (30) einen Anschluss (54, 66) für Kühlmittel aufweisen, wobei sich eine Anschlussachse (A) quer zu einer von der Kontaktfläche (20) aufgespannten Ebene erstreckt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassverteiler (26) und/oder der Auslasssammler (30) einen Anschluss (54, 66) für Kühlmittel aufweisen, wobei sich eine Anschlussachse (A) und eine Mittelachse (B) der ersten oder zweiten Flachleitung (22, 24) schneiden.
Fahrzeugbatteriebaugruppe mit wenigstens einer Kühlvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie wenigstens einer Batteriezellengruppe (14), wobei jeder Kühlvorrichtung (12) genau eine Batteriezellengruppe (14) zugeordnet ist.
Fahrzeugbatteriebaugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die von den Flachleitungen (22, 24) gebildete Kontaktfläche (20) des Kühlbodens (18) über 30% bis 60% einer dem Kühlboden (18) zugewandten Unterseite der Batteriezellengruppe (14) erstreckt.