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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für einen elektrischen Energiespeicher, eine Energiespeichervorrichtung mit einem derartigen Kühlkörper, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kühlkörpers.
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Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Kraftfahrzeugen zur reduzieren, kommen zunehmend Fahrzeuge mit Hybridantrieb oder reinem Elektroantrieb zum Einsatz. Beiden Antriebskonzepten ist gemein, dass sie einen Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs sowie einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie aufweisen. Als elektrische Energiespeicher kommen dabei vorzugsweise elektrochemische Energiespeicher (z. B. auf Nickelmetallhydrid- oder Lithiumionenbasis) zum Einsatz. Zur Pufferung hoher Leistungsspitzen kommen unterstützend auch elektrostatische Energiespeicher (z. B. Doppelschichtkondensatoren, Supercaps) zum Einsatz. Da einerseits die Anforderung an die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Energiespeicher (hohe Speicherkapazität bei gleichzeitig hoher Spitzenleistung) immer weiter ansteigen und andererseits der Raumbedarf für elektrische Energiespeicher reduziert werden soll, steigen zwangsläufig die Abgabeleistung und damit auch die Abwärmeleistung der elektrischen Energiespeicher pro Volumeneinheit immer weiter an.
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Aufgrund der Temperaturempfindlichkeit der elektrochemischen Energiespeicher ist daher eine Temperierung, insbesondere eine Kühlung der einzelnen Batteriezellen unbedingt notwendig. Gemäß einem bekannten Konzept zur Kühlung der elektrochemischen Energiespeicherzellen werden diese einseitig an einer großflächigen Kühlfinne befestigt, beispielsweise mittels eines doppelseitigen Spezialklebebands. Die Kühlfinne ist fußseitig an einem Wärmetauscher befestigt, welcher meist mit einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Luft durchströmt wird. Die in den Energiespeicherzellen produzierte Wärme wird somit einseitig auf die Kühlfinnen übertragen, von dort zum Wärmetauscher abgeleitet und an das Kühlmedium übertragen.
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Die Kühlleistung des eben beschriebenen Kühlkonzepts ist jedoch begrenzt.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kühlkörper für einen elektrischen Energiespeicher, eine Energiespeichervorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen des genannten Kühlkörpers bereitzustellen, durch welche eine gesteigerte Kühlleistung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch den Kühlkörper, die Energiespeichervorrichtung und das Herstellungsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Kühlkörper für zumindest einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem Anspruch 1 weist einen Strömungskanal für ein Fluid auf, welcher im Innern des Kühlkörpers ausgebildet ist.
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Der Kühlkörper ist dazu ausgebildet, von einem Kühlmedium, beispielsweise von einer Kühlflüssigkeit, durchströmt zu werden. Da dieser Kühlkörper aufgrund des Strömungskanals in seinem Inneren durch ein Kühlmediums durchströmt werden kann, ist eine sehr effiziente Wärmeabfuhr gewährleistet. Die Kühlung eines elektrischen Energiespeichers, welcher im direkten, wärmeleitenden Kontakt mit einem solchen Kühlkörper steht, erweist sich als höchst effizient.
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In einer Ausgestaltung des Kühlkörpers nach Anspruch 2, ist dieser nach dem Strangpressverfahren hergestellt.
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Das Strangpressverfahren ermöglicht die Herstellung von Vollprofilen und auch Hohlprofilen und zeichnet sich in Pressrichtung durch eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich der Formgestaltung des Profils aus. Somit können in Pressrichtung Strömungskanäle mit beliebiger Querschnittsform und Durchmesser ausgebildet werden. Auch können mehrere Strömungskanäle mit sehr dünnen Trennwänden realisiert werden. Ferner wird auch eine hohe Präzision gewährleistet. Die Herstellung nach diesem Verfahren ist kostengünstig und ermöglicht eine einfache und automatisierte Weiterbearbeitung des Formteils im Durchlaufverfahren. So kann je nach Konstruktionsanforderungen im Anschluss an den Schritt des eigentlichen Strangpressens im kontinuierlichen Durchlaufverfahren eine nachträgliche, formgebende Nachbearbeitung (beispielsweise Fräsen, Bohren, Biegen, Stanzen, Pressen) und eine nachträgliche Weiterbehandlung (beispielsweise Eloxieren, Lackieren, Laminieren, Isolieren, Weichglühen, Härten) und ein abschließendes Ablängen (Kürzen auf eine gewünschte Länge) erfolgen. Das bevorzugte Material ist Aluminium, welches sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit einerseits ideal als Kühlkörper und auch andererseits gut für eine Formgebung nach dem Strangpressverfahren eignet. Durch die hohe Flexibilität hinsichtlich der Formgebung des entstehenden Formteils beim Strangpressverfahren ist eine individuelle Anpassungsfähigkeit an die individuellen, konstruktiven Gegebenheiten gewährleistet. Trotz dieser hohen Flexibilität sind die Herstellungskosten im Vergleich zu einer stückweisen Einzelherstellung deutlich geringer. Der nach dem Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörper zeichnet sich demnach nicht nur durch deutlich geringere Herstellungskosten sondern auch durch eine große Flexibilität hinsichtlich seiner Formgebung aus.
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In einer Ausgestaltung des Kühlkörpers nach Anspruch 3 weist dieser an zumindest einer Seitenfläche zumindest einen Kühlabschnitt zum wärmeleitenden Kontaktieren mit dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher auf, wobei an dem mindestens einen Kühlabschnitt eine Aufnahme für den zumindest einen Energiespeicher ausgebildet ist.
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Unter einer Aufnahme ist hierbei eine Formgestaltung zu verstehen, welche derart an die äußere Form des Energiespeichers angepasst ist, das eine möglichst große Kontaktfläche zu dem Energiespeicher gewährleistet ist. Beispielsweise kann es sich um eine großflächige Vertiefung handeln, welche hinsichtlich ihrer Oberflächengestaltung an eine zu kühlende Seitenfläche des Energiespeichers angepasst ist. Daneben kann der Aufnahme auch eine haltende Funktion zukommen. Durch die Ausbildung einer derartigen Aufnahme wird eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem Kühlkörper und dem zu kühlenden Energiespeicher erzeugt und somit die Wärmeübertragung verbessert. Gleichzeitig kann aufgrund der Haltefunktion der Aufnahme die Stabilität eines Systems aus mehreren Kühlkörpern und Energiespeichern verbessert werden.
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In einer Ausgestaltung des Kühlkörpers nach Anspruch 4 sind an zumindest einer Seitenfläche des Kühlkörpers zumindest zwei Kühlabschnitte und zumindest ein Zwischenabschnitt, welcher zwischen zwei Kühlabschnitten angeordnet ist, ausgebildet. Dabei ist der zumindest eine Zwischenabschnitt im Querschnitt verjüngt und/oder er weist mindestens ein Durchgangsloch auf.
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Durch den verjüngten Querschnitt kann der Kühlkörper am Zwischenabschnitt leicht gebogen werden, und so an die individuellen Anforderungen hinsichtlich seiner Form angepasst werden. Durch die Verjüngung wird auch eine Gewichtsreduzierung erreicht. Das Durchgangsloch erlaubt beispielsweise das Durchführen von Streben zur Positionierung, zur Fixierung oder zum Verbinden mit benachbarten Kühlkörpern. Darüber hinaus können auch elektrische Leitungen durchgeführt werden. Gerade bei längeren Kühlkörpern mit zahlreichen Kühlabschnitten führt dies zu einer besseren Zugänglichkeit einzelner Abschnitte.
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In einer Ausgestaltung des Kühlkörpers nach Anspruch 5 weist dieser zumindest eine Kontur zum (formschlüssigen) Koppeln des Kühlkörpers mit einem weiteren Körper auf. Zusätzlich oder alternativ kann er eine Kontur zum Anbringen einer Kontaktierungseinrichtung für zumindest eine Elektrode des zumindest einen elektrischen Energiespeichers, und/oder eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen.
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Die Kontur zum formflüssigen Koppeln des Kühlkörpers mit einem weiteren Körper erlaubt eine Fixierung und Positionierung des Kühlkörpers auf einem weiteren Körper, beispielsweise auf einer Trägerplatte. Auf diese Weise können auch mehrere Kühlkörper exakt zueinander positioniert und sicher fixiert werden. Eine derartige Trägerplatte kann beispielsweise Bestandteil eines Gehäuses einer Energiespeichervorrichtung sein. Durch die exakte Positionierung und Fixierung wird auch verhindert, dass elektrische Leitungen, welche zu dem Kühlkörper zugeordneten elektrischen Energiespeichern laufen, aufgrund von Relativbewegungen verschleißen. Bei dem weiteren Körper kann es sich beispielsweise auch um einen elektrisch isolierenden Gleitschuh handeln. Die Kontur kann sehr leicht während des Strangpressens in Pressrichtung ausgebildet werden, wobei kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt nötig ist. Gleiches gilt für die Kontur zum Anbringen Kontaktierungseinrichtung für eine Elektrode des Energiespeichers. Auf diese Weise kann die Kontaktierungseinrichtung sehr leicht und schnell und in unterschiedlicher Anzahl sehr nahe an den Elektroden der Energiespeicher positioniert und fixiert werden. Bei der Kontaktierungseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Polklemme zum Abgreifen bzw. zum Zuführen elektrischer Energie oder um einer Verbindungseinrichtung zum Verschalten mehrerer Energiespeicher handeln. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch Aufbringen einer Eloxalschicht auf dem durch das Strangpressverfahren hergestellten Formteils realisiert sein. Die isolierende Beschichtung kann dabei nach dem Strangpressen kontinuierlich aufgebracht werden was eine schnelle und kostengünstige Methode darstellt. Durch die elektrische Isolierung wird die Gefahr von Kurzschlüssen verringert.
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Eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 6 weist zumindest einen Kühlkörper nach Anspruch 1 auf und zumindest einen elektrischen Energiespeicher, welcher mit dem zumindest einen Kühlkörper in wärmeleitenden Kontakt steht.
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Diese Energiespeichervorrichtung stellt mit Verweis auf die bezüglich dem Anspruch 1 genannten Vorteile eine sehr effiziente Lösung zur Kühlung des Energiespeichers dar. Der Energiespeicher kann mit zumindest einer seiner Seitenflächen an dem Kühlkörper derart angebracht sein, dass die Seitenfläche in unmittelbarem, wärmeleitenden Kontakt mit dem Kühlkörper steht. Unter wärmeleitenden Kontakt ist somit das direkte Anbringen des Energiespeichers mit zumindest einer seiner Seitenflächen an dem Kühlkörper zu verstehen. Dadurch ist eine direkte Wärmeleitung vom Energiespeicher zum Kühlkörper möglich. Dies kann beispielsweise durch mechanische Befestigungsmittel (z. B. Klammern) oder durch Haftmittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise ein wärmeleitfähiger Kleber oder eine Klebefolie) erfolgen. Unter wärmeleitenden Kontakt ist dagegen nicht zu verstehen, dass der elektrische Energiespeicher nicht direkt an den Kühlkörper angebracht ist, sondern an einem von dem Kühlkörper separaten Körper, wobei die Wärmeleitung von dem Energiespeicher indirekt zu dem Kühlkörper über den separaten Körper erfolgt. Durch diese Energiespeichervorrichtung ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise mit hoher Effizienz hinsichtlich der Kühlwirkung. Ferner wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert.
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In einer Ausgestaltung einer Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 7 weist diese mindestens zwei Kühlkörper auf, wobei der zumindest eine Energiespeicher auf zwei unterschiedlichen Seitenflächen mit je einem Kühlkörper im wärmeleitenden Kontakt steht.
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Durch den doppelseitigen Kontakt mit zwei Kühlkörpern wird der Kühleffekt noch weiter verbessert.
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Eine Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 8 umfasst mehrere Energiespeicher und zumindest zwei Kühlkörper, welche jeweils an zumindest einer Seitenfläche zumindest zwei Kühlabschnitte und zumindest einen Zwischenabschnitt, welcher zwischen zwei Kühlabschnitten angeordnet ist und zumindest ein Durchgangsloch aufweist. Ferner umfasst die Energiespeichervorrichtung eine Spanneinrichtung, welche zumindest ein Spannelement aufweist, aufweisen. Die Energiespeicher stehen jeweils auf zwei unterschiedlichen Seitenflächen mit je einem Kühlkörper an dessen Kühlabschnitt im wärmeleitenden Kontakt. Die Kühlkörper und die Energiespeicher sind mittels der Spanneinrichtung gegeneinander verspannt, wobei das zumindest das Spannelement durch je ein Durchgangsloch der Kühlkörper geführt ist.
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Die beschriebene Konstruktion stellt eine sehr kompakte, kostengünstige und hocheffiziente Lösung zur Kühlung der elektrischen Energiespeicher dar. Durch die Spanneinrichtung werden die Kühlkörper mit ihrem Kühlabschnitten gegen die Energiespeicher gepresst, wodurch die Wärmeleitung verbessert wird. Gleichzeitig findet eine Fixierung der Energiespeicher und der Kühlkörper statt. Dadurch, dass an den Zwischenabschnitten Durchgangslöcher vorgesehen ist, kann über die gesamte Länge der Kühlkörper die Spannkraft, mit welcher die Kühlkörper gegeneinander verspannt werden, individuell an die örtlichen Bedingungen angepasst und möglichst nahe an den Energiespeichern eingeleitet werden. Die Spannkraft, d. h. die Kraft, welche die Kühlkörper und die dazwischen angeordneten Energiespeicher gegeneinander presst, wird mittels des Spannelements erzeugt. Bei dem Spannelement kann es sich beispielsweise um eine Zugfeder, welche an den Enden verankert ist, oder um eine Strebe, welche an den Enden verschraubt ist, handeln.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 9 weist der Kühlkörper an zumindest einer Seitenfläche zumindest zwei Kühlabschnitte und zumindest einen Zwischenabschnitt, welcher zwischen zwei benachbarten Kühlabschnitten angeordnet ist, auf. Dabei ist der Kühlkörper an dem zumindest einem Zwischenabschnitt derart gebogen, dass er den Energiespeicher teilweise umgibt. Der zumindest eine Energiespeicher steht dabei an zwei unterschiedlichen Seitenflächen mit je einem Kühlabschnitt des Kühlkörpers in wärmeleitenden Kontakt.
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Bei dieser Ausgestaltung kann Energiespeicher mit nur einem Kühlkörper an zwei unterschiedlichen, vorzugsweise gegenüberliegenden Seitenflächen in wärmeleitenden Kontakt stehen.
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Dies ist möglich, durch das Vorsehen eines zwischen den Kühlabschnitten liegenden Zwischenabschnitts, an welchem der Kühlkörper entsprechend gebogen ist. Diese Ausgestaltung stellt daher eine Alternative zur beidseitigen Kühlung des Energiespeichers mittels zwei separater Kühlkörper dar.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10 weist der Kühlkörper mehrere Kühlabschnitte und jeweils dazwischen angeordnete Zwischenabschnitte auf. Der Kühlkörper ist an zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zwischenabschnitten in entgegengesetzter Richtung gebogen. Die Energiespeichervorrichtung weist ferner zumindest zwei Energiespeicher auf, welche jeweils an unterschiedlichen Seitenflächen mit zwei Kühlabschnitten des Kühlkörpers in wärmeleitenden Kontakt stehen.
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Bei dieser Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung können mehrere Energiespeicher an zwei unterschiedlichen, vorzugsweise gegenüberliegenden Seitenflächen mit nur einem Kühlkörper in wärmeleitendem Kontakt gebracht und dadurch gekühlt werden. Durch das Biegen zweier aufeinanderfolgender Zwischenabschnitte in entgegengesetzte Richtungen wird eine kompakte Bauweise realisiert. Im Unterschied zu einer Lösung mit separaten Kühlkörpern ist hier keine zusätzliche Verbindung der Strömungskanäle notwendig.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 11 ist der zumindest eine Kühlkörper nach dem Strangpressverfahren hergestellt.
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Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen zu Anspruch 2 verwiesen, welche hier analog gelten.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12 weist dieser eine Spanneinrichtung auf, durch welche der mindestens eine Energiespeicher gegen den Kühlkörper gepresst werden kann.
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Durch die Spanneinrichtung wird der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Kühlkörper und den Energiespeichern deutlich verbessert, wodurch die Effizienz der Kühlwirkung noch verbessert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 13 weist die Spanneinrichtung zumindest ein Spannelement auf. Ferner ist an dem zumindest einem Zwischenabschnitt mindestens ein Durchgangsloch ausgebildet, durch dass das zumindest eine Spannelement geführt ist.
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Bezüglich der sich aus der Spanneinrichtung ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen zu Anspruch 8 verwiesen, welche hier in analoger Weise gelten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 14 ist an dem Kühlkörper zumindest eine Aufnahme für den zumindest einen Energiespeicher ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können zumindest eine Kontur zum Anbringen einer Kontaktierungseinrichtung für zumindest eine Elektrode des mindestens einen Energiespeichers und/oder zumindest eine Kontur zum formschlüssigen Koppeln des Kühlkörpers mit einem weiteren Körper ausgebildet sein.
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Bezüglich der Vorteile der Ausbildung einer Aufnahme für den Energiespeicher wird auf die Ausführungen zu Anspruch 3 verwiesen, welche hier analog gelten. Bezüglich der Vorteile, welchen sich durch eine Kontur zum Anbringen einer Kontaktierungseinrichtung für eine Elektrode des Energiespeichers und einer Kontur zum formschlüssigen Koppeln des Kühlkörpers mit einen weiteren Körper ergeben, wird auf die Ausführungen zu Anspruch 5 verwiesen, welche hier analog gelten.
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Anspruch 15 betrifft die Verwendung eines Formteils mit einem im Inneren verlaufenden Strömungskanal für ein Fluid als Kühlkörper für einen Energiespeicher.
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Bezüglich der sich daraus ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen aus Anspruch 1 verwiesen, welche hier analog gelten.
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Anspruch 16 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für zumindest einen Energiespeicher, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- – Strangpressen eines Formteils, welches zumindest einen Strömungskanal aufweist, welcher im Inneren des Formteils verläuft,
- – zumindest einmaliges Biegen des Formteils derart, dass das Formteil den zumindest einen Energiespeicher zumindest teilweise umgibt.
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Dieses Verfahren zielt auf die kostengünstige Herstellung eine Kühlkörpers, wie er in einer Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 9 Verwendung findet.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 17 wird das Formteil in Abständen abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen gebogen.
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Diese Ausgestaltung des Verfahrens zielt auf die kostengünstige Herstellung eines Kühlkörpers, wie er in einer Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 10 Verwendung findet.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 18 wird vor dem Biegen zumindest einer der nachfolgenden Schritte durchgeführt:
- – Weichglühen des Formteils an den zu biegenden Abschnitten; und/oder
- – Verjüngen des Querschnitts des Formteils an den zu biegenden Abschnitten.
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Durch diese Maßnahmen wird der Biegeprozess deutlich vereinfacht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 19 wird durch das Strangpressen an dem Formteil zumindest eine Aufnahme für den zumindest einen Energiespeicher ausgebildet.
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Diese Ausgestaltung des Verfahrens zielt auf die Herstellung eines Kühlkörpers wie er in einer Energiespeichervorrichtung gemäß Anspruch 14 Einsatz findet.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1a und 1b schematische Darstellungen eines elektrochemischen Energiespeichers;
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2a und 2b schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Kühlkörpers;
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3a und 3b eine schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Energiespeichervorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kühlkörpers;
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5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Energiespeichervorrichtung;
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6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung;
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7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung.
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In den 1A und 1B ist ein elektrochemischer Energiespeicher 1 (auch Energiespeicherzelle genannt) schematisch dargestellt, wie er beispielsweise als elektrische Energiequelle in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommt. 1B stellt eine Querschnittsansicht des Energiespeichers 1 gemäß 1A entlang der Schnittlinie B-B dar. Vorzugsweise handelt es sich um einen elektrochemischen Energiespeicher 1 auf Lithium-Ionen-Basis. Die elektrochemischen Energiespeicher können ein festes Gehäuse, vorzugsweise jedoch ein Gehäuse aus flexibler Metallfolie aufweisen. Bei Energiespeichern mit flexibler Metallfolie ist auch von sogenannten Softpacks die Rede.
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Bei dem in den 1A und 1B dargestellten Energiespeicher 1, besteht das Gehäuse 2 aus zwei in ihren Randbereichen 3 fest verschweißten, flexiblen Metallfolien 4, 5 (vorzugsweise Metallverbundfolien, wie beispielsweise Aluminiumverbundfolien), wodurch der Innenraum 6 hermetisch von der Umgebung abgeschlossen ist. Der Energiespeicher weist dadurch zwei relativ großflächige gegenüberliegende Seitenflächen auf, welche über die Schweißnähte an den Randbereichen 3 mit einander verbunden sind. Lediglich entlang einer Schweißnaht (in 1A oben) ragen Ableitelektroden 7, 8 aus dem Innenraum 6 heraus. Die Ableitelektroden 7, 8 haben unterschiedliche Polarität und dienen sowohl zum Abgreifen der im Energiespeicher 1 erzeugten elektrischen Energie, sowie zum Zuführen von elektrischer Energie beim Aufladen des Energiespeichers 1.
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In 1B sind die zwei im Randbereich 3 fest verschweißten Metallfolien 4, 5 erkennbar, welche das Gehäuse 2 des Energiespeichers 1 darstellen. Im Inneren 6 des evakuierten Energiespeichers 1 sind eine Kathode 9, eine im Abstand dazu angeordnete Anode 10, ein dazwischen angeordneter Separator 11, sowie ein die Zwischenräume ausfüllender Elektrolyt 12 (in 1B gepunktet dargestellt) angeordnet. Die Kathode und die Anode sind mit ihren jeweiligen Ableitelektroden 7, 8 fest verschweißt.
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Die zwei Elektroden (Kathode und Anode) 9, 10 sind mit unterschiedlichem, aktiven Material beschichtet, welches jeweils der Einlagerung (Interkalation) und Auslagerung von Ionen (z. B. Lithium-Ionen) dient und welches an den in der Batteriezelle 1 ablaufenden Redoxreaktionen aktiv teilnimmt. Die beiden Elektroden 9, 10 sind durch den dazwischen angeordneten Separator 11 zunächst elektrisch voneinander isoliert. Der Separator 11 ist ein poröser Körper, welcher derart ausgebildet ist, dass er zwar trocken elektrisch isoliert, jedoch aufgrund des in den Poren des Separators 11 aufgenommenen flüssigen Elektrolyten 12 einen Ionenaustausch zwischen den Elektroden 9, 10 ermöglicht.
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Mit fortschreitender Entwicklung dieser elektrochemischen Energiespeicher 1 nimmt deren Leistungsdichte, aber damit auch ihre Abwärmeleistung pro Fläche und Volumen immer weiter zu. Da die elektrochemischen Energiespeicher 1 sehr empfindlich auf Temperatureinflüsse reagieren, ist eine effiziente Kühlung dieser Energiespeicher 1 zur Vermeidung kritischer Temperaturen, welche sich negativ auf die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer auswirken, unbedingt erforderlich.
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In den 2A und 2B ist ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers 13 für den Energiespeicher 1 schematisch dargestellt. 2B ist dabei eine Querschnittsansicht des Kühlkörpers entlang der Schnittlinie A-A. Der Kühlkörper 13 weist einen Grundkörper bzw. ein Formteil 14 auf, in dessen Inneren (d. h. im Volumen) zumindest ein, vorzugsweise mehrere Strömungskanäle 15 (gestrichelt dargestellt) für ein Fluid, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, ausgebildet sind. Der Kühlkörper besteht vorzugsweise aus Aluminium, welches eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Kühlkörper 13 kann auf seiner Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht (nicht dargestellt), beispielsweise eine Eloxalschicht, aufweisen.
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An zumindest einer Seitenfläche des Kühlkörpers 13, vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen, kann jeweils eine Aufnahme 16 ausgebildet sein, an welche der Energiespeicher 1 (siehe 1A und 1B) mit zumindest einer seiner Seitenflächen angebracht werden kann. Die Aufnahme stellt eine Vertiefung dar, welche flächenmäßig groß genug ist, um den Kühlkörper mit einer Seitenfläche des Energiespeichers in unmittelbar wärmeleitenden Kontakt zu bringen. Dabei kommt der Aufnahme auch eine Haltefunktion für den Energiespeicher 1 zu.
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Ferner kann in einer weiteren Seitenfläche (in den 2A und 2B an der Oberseite des Kühlkörpers 13 erkennbar) eine Kontur 17 zum Anbringen einer Kontaktierungseinrichtung (in den 2A und 2B nicht dargestellt) für die Elektroden 7, 8 (siehe 3A) für den elektrischen Energiespeicher 1 ausgebildet sein. Für jede der Ableitelektroden 7, 8 des Energiespeichers 1 (siehe 3A) kann dabei eine solche Kontaktierungseinrichtung vorgesehen werden, durch welche die Elektroden 7, 8 von Aussen kontaktiert werden können, um beispielsweise elektrische Energie aus dem Energiespeicher 1 zu entnehmen (Entladen), sowie um elektrische Energie in den Energiespeicher 1 einzuleiten (Aufladen), oder um die Elektroden 7, 8 unterschiedlicher Energiespeicher 1 zu verbinden, oder um den Energiespeicher mit einer Steuer- oder Messelektronik (nicht dargestellt) zu verbinden. Wie in 2B sichtbar ist, kann diese Kontur 17 als eine Art Schiene ausgebildet sein, so dass eine entsprechen ausgebildete Polklemme durch Einschieben in diese Schiene an den Kühlkörper fixiert werden kann. Jedoch sind beliebige andere geeignete Formen der Kontur denkbar.
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Des Weiteren kann in einer weiteren Seitenfläche des Kühlkörpers 13 eine Kontur 18 zum formschlüssigen Verbinden des Kühlkörpers mit einem weiteren Körper (nicht dargestellt), beispielsweise mit einer Grundplatte oder einem elektrisch isolierenden Gleitschuh, ausgebildet sein. Auch diese Kontur 18 kann die Form einer Schiene aufweisen, durch welche ein Einschieben in eine entsprechend ausgebildete Gegenkontur auf Seiten des anderen Körpers sehr leicht möglich ist. Auf diese Weise kann der Kühlkörper 13 zusammen mit weiteren Kühlkörpern 13 auf sehr einfache, kostengünstige Weise an einer Grundplatte sicher fixiert und positioniert werden. Auch ist ein schnelles Auswechseln und eine Erhöhung oder Verringerung der Anzahl von Kühlkörpern sehr leicht möglich.
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In den 3A und 3B ist eine Energiespeichervorrichtung 19 schematisch dargestellt. Diese weist zumindest einen Kühlkörper 13, wie er beispielhaft anhand der 2A und 2B beschrieben ist, und zumindest einen Energiespeicher, wie er beispielsweise anhand der 1A und 1B beschrieben ist, auf. Gleiche Elemente sind dabei durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der elektrische Energiespeicher ist mit nur einer seiner Seitenflächen an dem Kühlkörper 19, vorzugsweise an der dafür ausgebildeten Ausnahme 16, direkt angebracht und steht so mit diesem in direktem, wärmeleitenden Kontakt. Zwischen dem Energiespeicher 1 und der Kühlkörper 19 kann eine Wärmeleitpaste oder ein doppelseitiges Klebeband vorgesehen sein. Die von dem elektrischen Energiespeicher 1 abgegebene Wärme (in 3B durch große Pfeile dargestellt) geht durch Wärmeleitung direkt auf den Kühlkörper 19 über und kann mittels eines durch die Strömungskanäle 15 strömendes Kühlfluid wirksam und schnell abgeführt werden. Der Kühlkörper ist mittels der Kontur 18 mit einem weiteren Körper 23 gekoppelt, an welchem eine entsprechende Gegenkontur ausgebildet ist. Bei dem weiteren Körper 23 kann es sich beispielsweise um eine Trägerplatte handeln, auf welche mehrere Kühlkörper mit entsprechend angebrachten Energiespeichern (wie in 3B dargestellt) positioniert sein können. Dadurch können die Kühlkörper 13 schnell und einfach auf der Trägerplatte positioniert und fixiert werden.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 13 schematisch dargestellt. Der Kühlkörper 13 ist dabei in mehrere Kühlabschnitte 20 und zwischen den Kühlabschnitten angeordnete Zwischenabschnitte 21 unterteilt. Die Kühlabschnitte 20 sind jeweils dafür vorgesehen, um mit einer Seitenfläche des Energiespeichers 1 (siehe 1A und 1B) in wärmeleitenden Kontakt gebracht zu werden. Vorteilhafterweise ist zumindest auf einer Seitenfläche des Kühlkörpers 13 eine Aufnahme 16 für die Energiespeicher 1 (siehe 1A und 1B) ausgebildet sein. Es können jedoch auch auf beiden Seiten des Kühlkörpers 13 entsprechende Aufnahmen 16 ausgebildet sein.
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An den Zwischenabschnitten 21 kann der Kühlkörper 13 im Querschnitt verjüngt, bzw. reduziert sein. Dadurch ist eine weitere Formgebung des Kühlkörpers 13 im Zwischenabschnitt 21, beispielsweise durch Biegen, leicht möglich. Ferner kann am Kühlkörper 13 im Bereich der Zwischenabschnitte 21 jeweils eine Durchgangsbohrung 22 ausgebildet sein. Diese Durchgangsbohrungen 22 können beispielsweise zum Durchführen elektrischer Leitungen und/oder zum Durchführen von Halte-/Positionier-/oder Spannstreben verwendet werden. Auch dieses Ausführungsbeispiel des Kühlkörpers 13 weist zumindest einen, vorzugsweise jedoch mehrere Strömungskanäle für ein Fluid auf, welche den Kühlkörper 13 in der gesamten Länge durchziehen.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiels können an einer Seitenfläche des Kühlkörpers 13 im Bereich der Kühlabschnitte 20 (in 4 an der Oberseite des Kühlkörpers 13 dargestellt) Konturen 17 zum Anbringen von Polklemmen (nicht dargestellt) für die Energiespeicher 1 (siehe 1A und 1B) ausgebildet sein. An einer weiteren Seite des Kühlkörpers 13 (in 4 an der Unterseite des Kühlkörpers 13 dargestellt) können Konturen 18 zum Verbinden des Kühlkörpers 13 mit einem weiteren Körper ausgebildet sein. Bezüglich der Ausgestaltung dieser Konturen 17, 18 wird auf die Beschreibung der 2a und 2b verwiesen. Desweiteren sind im Inneren des Kühlkörpers 13 zumindest ein, vorzugsweise mehrere Strömungskanäle 15 für ein Fluid ausgebildet.
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Im Querschnitt entspricht diese Ausführungsbeispiel der Darstellung in 2B
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 19 schematisch dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung umfasst zumindest zwei Kühlkörper 13, wie sie beispielhaft anhand der 3A und 3B oder anhand der 4 beschrieben sind. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Bezüglich der Details der Kühlkörper wird auf die Beschreibungen der 3A und 3B bzw. der 4 verwiesen.
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Die Energiespeichervorrichtung weist ferner zumindest einen, vorzugsweise mehrere Energiespeicher 1 auf, wie es anhand der 1A und 1B beschrieben ist. Bezüglich des Aufbaus des Energiespeichers 1 wird daher auf die Ausführungen zu den 1A und 1B verwiesen. Dabei sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Je nach Länge der Kühlkörper 13 können zwischen zwei Kühlkörpern 13 einer oder mehrere Energiespeicher 1 angeordnet sein. So können beispielsweise bei Verwendung von Kühlkörpern 13 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 drei Energiespeicher 1 zwischen zwei Kühlkörpern 13 angeordnet werden (der Übersichtlichkeit halber ist nur einer dargestellt). Der zumindest eine Energiespeicher 1 steht dabei an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit jeweils einem der Kühlkörper 13 in direktem, wärmeleitenden Kontakt. Dazu liegen die Seitenflächen des Energiespeichers 1 entweder unmittelbar an den jeweiligen Seitenflächen der Kühlkörper 13 an oder werden durch eine wärmeleitende Schicht (beispielsweise eine Wärmeleitpaste) direkt mit den Kühlkörpern 13 verbunden. Die in den Energiespeichern 1 erzeugte Wärme wird durch Wärmeleitung unmittelbar auf die Kühlkörper 13 übertragen (in 5 durch Pfeile symbolisiert), wobei diese Wärme dann durch ein durch die Strömungskanäle 15 fließendes Kühlfluid schnell abgeführt werden kann. Dadurch ist eine effiziente Kühlung der Energiespeicher 1 möglich.
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Die Energiespeichervorrichtung kann elektrisch isolierende Gleitschuhe 23 aufweisen. Die Fixierung der Schuhe 23 erfolgt dabei durch Koppeln der an den Kühlkörpern 13 jeweils ausgebildeten Konturen 18 und der an den Schuhe 23 entsprechend ausgebildeten Gegenkonturen 24. Wenn die Konturen 18 und Gegenkonturen 24, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, schienenartig ausgeprägt sind, können die Gleitschuhe 23 schnell an den Kühlkörpern 13 fixiert werden. Mit den Gleitschuhe 23 können die Kühlkörper auch auf einer elektrisch leitenden Unterlage (beispielsweise einer Trägerplatte) positioniert werden, wobei die Gefahr von Kurzschlüssen deutlich reduziert wird.
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An einem der Kühlkörper 13 ist beispielhaft eine Kontaktierungseinrichtung 25 für die Elektroden der Energiespeicher 1 dargestellt, welche durch Kopplung mit der am Kühlkörper 13 ausgebildeten Kontur 17 befestigt ist. Auch hier ist die am Kühlkörper 13 ausgebildete Kontur 17 und die an der Kontaktierungseinrichtung 25 ausgebildete Gegenkontur schienenartig, so dass die Kontaktierungseinrichtung 25 schnell und einfach an die Kühlkörper 13 angebracht werden können. Auch ist eine sehr flexible Positionierung möglich. Die Kontaktierungseinrichtung 25 werden in geeigneter Weise in elektrisch leitenden Kontakt mit den Ableitelektroden 7 der Energiespeicher gebracht (dargestellt durch Doppelpfeil), wodurch ein Abgreifen und Zuleiten elektrischer Energie vom bzw. zum Energiespeicher 1 oder ein elektrisches Zusammenschalten mehrerer Energiespeicher 1 möglich wird.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Energiespeichervorrichtung 19 in der Draufsicht schematisch dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung weist eine Anordnung aus mehreren Kühlkörpern 13 und mehreren dazwischen angeordneten Energiespeichern 1 auf, wie sie beispielhaft anhand der 5 beschrieben ist. Dabei sind die Kühlkörper 13 von der Art, wie sie in Ihrer Seitenansicht beispielhaft anhand von 4 und in ihrem Querschnitt beispielhaft in 2B beschrieben sind. Gleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Hinsichtlich der Details wird daher auf die Beschreibung zu den 1, 2B und 4 verwiesen. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 6 nicht alle möglichen Elemente der Kühlkörper 13 und der Energiespeicher 1 dargestellt.
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Die Strömungskanäle 15 der Kühlkörper 13 sind mittels flexibler Verbindungselemente 26, beispielsweise flexibler Kühlschläuche, miteinander verbunden, so dass ein Kühlfluid durch alle Kühlkörper 13 strömen kann und so eine effiziente Wärmeabfuhr erfolgt.
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Ferner weist die Energiespeichervorrichtung 19 eine Spanneinrichtung 27 auf, welche zwei Spannplatten 28, 29 und zumindest eine, vorteilhafter Weise jedoch mehrere Spannelemente 30 in Form von Spannstreben umfasst. Die Spannplatten 28, 29 weisen dieselbe Anzahl an Durchgangslöchern 31 auf, wie jeweils ein Kühlkörper 13. Die Kühlkörper 13 werden derart zwischen den Spannplatten 28, 29 angeordnet, dass die Durchgangslöcher 31 der Spannplatten 28, 29 und die der Kühlkörper 22 jeweils in einer Flucht liegen. Die Spannstreben 30 sind jeweils durch die in einer Flucht stehenden Durchgangslöcher 31 der Spannplatten 28, 29 und der Kühlkörper 22 geführt. Die Spannstreben weisen an einem Ende einen Kopf 32, welcher nicht durch die Durchgangslöcher 22, 31, passt, und auf der anderen Seite ein Gewinde 33 auf, auf welches jeweils eine Mutter 34 geschraubt ist. Zwischen der Mutter 34 und der Spannplatte 28 ist eine Schraubenfeder angeordnet, sodass die Verspannung federnd gestaltet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Aufblähen bzw. Zusammenziehen der Energiespeicher 1, wie es während des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs vorkommt, genügend Bewegungsspielraum bleibt und gleichzeitig die Kühlkörper 13 mit den Energiespeichern 1 immer in Kontakt stehen, Durch entsprechendes Verschrauben der Spanneinrichtung 27 werden die Kühlkörper 13 und die dazwischenliegenden Energiespeicher 1 mit einer bestimmten Kraft gegeneinander gedrückt bzw verspannt. Dadurch entsteht ein sehr enger Kontakt der Seitenflächen der Energiespeicher 1 mit den entsprechenden Kühlabschnitten 20 der Kühlkörper 13. Dadurch werden einerseits die Kühlkörper 13 und die Energiespeicher 1 sicher fixiert und andererseits der Wärmeübergang zwischen den Energiespeichern 1 und den Kühlkörpern 13 intensiviert.
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Dadurch dass die Spanneinrichtung 27 mehrere Spannstreben 30 aufweist, kann die Verspannkraft über die Länge der Kühlkörper 13 besser angepasst oder auch vergleichmäßigt werden.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 19 schematisch dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 19 weist zumindest einen Kühlkörper 13 auf, welcher mehrere Kühlabschnitte 20 und mehrere zwischenliegende Zwischenabschnitte 21 aufweist. Vom prinzipiellen Aufbau entspricht der Kühlkörper daher dem in 4 dargestellten Kühlkörper 13. Daher ist auch im Inneren dieses Kühlkörpers 13 zumindest ein Strömungskanal 15 (gestrichelt dargestellt) für ein Fluid ausgebildet. Auch dieser Kühlkörper kann an seiner Oberseite Konturen (nicht dargestellt) zur Befestigung von Polklemmen 25 und an seiner Unterseite Konturen (nicht dargestellt) zur Befestigung von Gleitschuhen zum Aufstellen des Kühlkörpers 13 auf einer Trägerplatte 23 auf.
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Auch weist der in 6 dargestellte Kühlkörper 13 Durchgangslöcher 22 auf, welche an den Zwischenabschnitten 21 ausgebildet sind. Auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlkörpers 13 können auch Aufnahmen (nicht dargestellt) für die Energiespeicher 1 ausgebildet sein.
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Der Kühlkörper ist an den Zwischenabschnitten 21 abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen gebogen, so dass er einen zwischen zwei aufeinander folgenden Kühlabschnitten 21 angeordneten Energiespeicher 1 zumindest teilweise umgibt. Im vorliegenden Fall ist der Kühlkörper 13 an den Zwischenabschnitten 21 jeweils um 180° gebogen. Auch der durch die Zwischenabschnitte 21 verlaufende Strömungskanal 15 wird dadurch gebogen so dass, im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in 6, keine Verbindungselemente zur Verbindung der Strömungskanäle 15 unterschiedlicher Körper benötigt wird. Dadurch kann die Funktionsfähigkeit des Kühlkörpers 13 weiter verbessert werden, da weniger zu verbindende Einzelteile notwendig sind. Der Kühlkörper 13 weist demnach nur einen Zufluss zum Einströmen eines Kühlfluids und einen Abfluss zum Ausströmen des Kühlfluids auf.
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Ähnlich wie zum Ausführungsbeispiel der 6 weist die Energiespeichervorrichtung mehrere Energiespeicher 1 auf, welche derart zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kühlabschnitten 21 des Kühlkörpers 13 angeordnet sind, dass sie mit gegenüberliegenden Seitenfläche mit den aufeinanderfolgenden Kühlabschnitten 20 des Kühlkörpers 13 unmittelbar in wärmeleitenden Kontakt stehen. Die aus den Energiespeichern 1 jeweils herausragenden Ableitelektroden 7, 8 werden mittels der Kontaktierungseinrichtungen 25 (beispielsweise Polklemmen) mit den Ableitelektroden 7, 8 entgegengesetzter Polarität der benachbarten Energiespeicher 1 elektrisch verbunden (durch Pfeile dargestellt), sodass eine Reihenschaltung der Energiespeicher entsteht.
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Auch das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 19 kann eine Spannvorrichtung 27 aufweisen. Die Spannelemente 30 ist hier als Zugfedern ausgebildet, welche jeweils durch die in den Zwischenabschnitten 21 ausgebildeten Durchgangslöcher 22 und die in den Spannplatten 28, 29 ausgebildeten Durchgangslöchern 31 geführt und an beiden Enden mit Köpfen 32 derart verspannt werden, dass die Energiespeicher 1 und die Kühlabschnitte 20 des Kühlkörpers 13 federnd gegeneinander verpresst werden. Es werden eine hohe Stabilität der Konstruktion und gleichzeitig eine sehr effiziente Wärmeübertragung von den Energiespeichern 1 auf die Kühlkörper 13 sichergestellt.
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Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Kühlkörper werden vorzugsweise nach dem Strangpressverfahren hergestellt. Dazu wird der Kühlkörper als Formteil mit einem im Inneren des Formteils verlaufenden Strömungskanal für ein Fluid durch Strangpressen hergestellt. Durch das Strangpressen ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich der Formgestaltung in Pressrichtung. Somit können auch mehrere Strömungskanäle mit unterschiedlicher Querschnittsform und Durchmesser und auch sehr dünnwandige Zwischenwände erzeugt werden. Ferner können auch durch Einsatz eines entsprechenden Werkzeuges beliebige Konturen an den Seitenwänden des Formteils in Pressrichtung erzeugt werden. Der Herstellungsprozess ist im Unterschied zu einer Einzelherstellung, in der Regel mittels spanender Verfahren (z. B. Fräsen) sehr kostengünstig, wobei die Kühlkörper in beliebiger Länge hergestellt und vor Ort auf die Ziellänge zugeschnitten werden können.
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Zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers nach 7 kann dieser nach dem Strangpressen beispielsweise an den Zwischenabschnitten 21 durch entsprechende Nachbearbeitung verjüngt und/oder unmittelbar vor dem Biegen an den Zwischenabschnitten 21 weichgeglüht werden. Nach dem Weichglühen und/oder Verjüngen wird der Kühlkörper 13 dann an den Zwischenabschnitten abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen gebogen. Bei dem Strangpressvorgang können durch Verwendung eines entsprechenden Werkzeugs auch die. Aufnahmen 16 für die Energiespeicher 1 ausgebildet werden.
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Der Kühlkörper ist jedoch nicht auf die Funktion des Kühlens der Energiespeicher beschränkt. Falls der im Kühlkörper ausgebildete Strömungskanal mit einem warmen Fluid (z. B. eine warme Flüssigkeit) durchströmt wird, kann der Kühlkörper auch zum Wärmen (des)der mit ihm gekoppelten Energiespeicher(s) verwendet werden. Dies ist besonders bei niedrigen Aussentemperaturen im Wintersinnvoll, um die Energiespeicher schnell auf eine optimale Betriebstemperatur zu bringen.
