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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen elektrochemischen Energiespeicher auf Lithium-Ionen-Basis, sowie eine Energiespeichervorrichtung mit einer derartigen Kühleinrichtung.
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Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen werden in modernen Kraftfahrzeugen zunehmend Elektromotoren als Antriebsquelle eingesetzt. Die Versorgung dieser Elektromotoren mit elektrischer Energie erfolgt meist anhand leistungsstarker elektrischer Energiespeicher, beispielsweise elektrochemischer Batterien und/oder Kondensatoren. Da die maximale Leistungsabgabe sowie die Speicherkapazität der elektrischen Energiespeicher weiter gesteigert werden, sich gleichzeitig der Bauraum der elektrischen Energiespeicher immer weiter verringert, steigt die Leistungsdichte (Leistungsabgabe pro Bauraumvolumen) sehr stark an. Insbesondere bei den elektrochemischen Energiespeichern kommt es aufgrund exothermer Reaktionen oder aufgrund von Energieverlusten am Innenwiderstand der Zellen zu einer hohen Wärmefreisetzung. Zur Vermeidung kritischer Temperaturzustände, welche nicht nur aus sicherheitstechnischen Aspekten zu vermeiden sind, sondern zusätzlich auch die Lebensdauer der einzelnen Energiespeicher drastisch reduzieren, sind leistungsfähige Kühlkonzepte notwendig. An diese Kühlkonzepte sind hinsichtlich eines geringen Bauraums, einer einfachen und kostengünstigen Konstruktion und der Kühleffizienz sehr hohe Ansprüche gestellt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kühleinrichtung für einen Energiespeicher und eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine effiziente Kühlung bei gleichzeitig geringem Bauraum und geringen Herstellungskosten auszeichnen. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen beschrieben.
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Eine Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher gemäß dem Anspruch 1 weist zumindest einen Strömungskanal für ein Kühlmittel auf, welcher in zumindest zwei Abschnitte unterteilt ist und zumindest eine Einlassöffnung zum Zuführen von Kühlmittel und zumindest eine Auslassöffnung zum Abführen von Kühlmittel aufweist. Die Kühleinrichtung weist ferner einen Hohlraum und zumindest ein Rohr auf, welches unter Ausbildung eines Spalts zwischen einer Außenwand des Rohrs und einer Innenwand des Hohlraums in dem zumindest einen Hohlraum zumindest teilweise angeordnet ist. Dabei bildet der Innenraum des Rohrs einen der Abschnitte des Strömungskanals und der Spalt einen anderen der Abschnitte des Strömungskanals. Die Kühleinrichtung ist derart ausgebildet, dass beim Durchströmen des Strömungskanals mit Kühlmittel sich die Fließrichtung des Kühlmittels im Innenraum des Rohrs von der Fließrichtung des Kühlmittels im Spalt unterscheidet.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist derart ausgebildet, dass innerhalb des Strömungskanals ein Richtungswechsel der Kühlmittelströmung erzwungen wird. Vorteilhafter Weise kommt es zu einer vollständigen Richtungsumkehr der Kühlmittelströmung. Die Temperaturen des Kühlmittels im Innenraum des Rohrs und im Spalt unterscheiden sich zumindest abschnittweise. Durch dieses Gegenstromprinzip werden eine sehr effektive Kühlung und ein sehr effektiver Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden elektrischen Energiespeicher und dem Kühlmittel erreicht. Durch die relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit in dem zwischen der Innenwand des Hohlraums und dem Rohr ausgebildeten Spalt kommt es zu Turbulenzen im Kühlmittelstrom, was den Wärmeübergang auf das Kühlmittel deutlich verbessert. Aufgrund der konstruktiv bedingten Richtungsumkehr des Kühlmittelstroms innerhalb des Strömungskanals können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sehr eng beieinander angeordnet werden. Die Kühlmittelversorgung und die Kühlmittelabfluss können daher sehr kompakt ausgestaltet sein. Die vorgeschlagene Konstruktion zeichnet sich durch einen äußerst geringen Bauraum, eine sehr gute Kühleffizienz und geringe Material- und Herstellungskosten aus.
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In einer Ausgestaltung der Kühleinrichtung nach Anspruch 2 weist diese zumindest einen eben ausgebildeten Kontaktierungsabschnitt auf, an dem ein zu kühlender Energiespeicher mit der Kühleinrichtung in thermisch leitenden Kontakt gebracht werden kann. Die Kühleinrichtung weist ferner einen Kühlabschnitt auf, in dem der zumindest eine Strömungskanal verläuft und welcher seitlich des Kontaktierungsabschnitts angeordnet ist und mit diesem in thermisch leitendem Kontakt steht.
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Der Kontaktierungsabschnitt ist vorzugsweise eben und großflächig ausgebildet und flächenmäßig so dimensioniert, dass er eine größtmögliche Kontaktfläche mit dem zu kühlenden Energiespeicher bereitstellt. Durch die Unterteilung der Kühleinrichtung in zumindest einen Kontaktierungsabschnitt und zumindest einen seitlich daneben angeordneten Kühlabschnitt wird einerseits eine sehr gute thermisch leitende Anbindung des zu kühlenden Energiespeichers an die Kühleinrichtung gewährleistet gleichzeitig eine gute Zugänglichkeit des Kühlabschnitts erreicht, was eine einfachere Kühlmittelversorgung und -entsorgung ermöglicht. Somit können der Kühlabschnitt beziehungsweise der Kontaktierungsabschnitt hinsichtlich einer kompakten und robusten Kühlmittelversorgung und -entsorgung beziehungsweise hinsichtlich einer optimalen thermischen Anbindung mit dem zu kühlenden Energiespeicher ausgebildet sein.
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In einer Ausgestaltung des Kühleinrichtung nach Anspruch 3 weist diese zwei Kühlabschnitte auf, in denen jeweils mindestens ein Strömungskanal für das Kühlmittel verläuft und welche derart auf gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung angeordnet sind, dass der zumindest eine Kontaktierungsabschnitt zwischen den beiden Kühlabschnitten liegt.
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Durch die beiden seitlich angeordneten Kühlabschnitte wird die von dem mindestens einen Kontaktierungsabschnitt aufgenommen Abwärme des jeweiligen Energiespeichers mit noch verbesserter Effizienz an das Kühlmittel abgeführt.
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In einer Ausgestaltung der Kühleinrichtung in Anspruch 4 weist jeder Strömungskanal zwei Einlassöffnungen auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung in einer Flucht angeordnet sind. Ferner weist jeder Strömungskanal zwei Auslassöffnungen auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung in einer Flucht angeordnet sind.
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Die zwei Einlassöffnungen und die zwei Auslassöffnungen sind vorzugsweise auf denselben gegenüberliegenden Seiten angeordnet wie die Kontaktierungsabschnitte. Diese Konstruktion erlaubt eine sehr kompakte Anordnung mehrerer Kühleinrichtungen in einer Reihe, wobei die Einlassöffnungen die Auslassöffnungen benachbarter Kühleinrichtungen miteinander gekoppelt sind. So kann eine sehr kompakte und kostengünstige Parallelschaltung (hinsichtlich des Kühlmittelstroms) mehrerer Kühleinrichtungen realisiert werden.
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In einer Ausgestaltung der Kühleinrichtung in Anspruch 5 weist diese zwei Kontaktierungsabschnitte auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung angeordnet sind.
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Die Ausgestaltung der Kühleinrichtung erlaubt es, mindestens zwei zu kühlende Energiespeicher in thermischen Kontakt mit der Kühleinrichtung zu bringen. So kann die Kühleinrichtung beispielsweise zwei auf gegenüberliegenden Seiten angeordnete Kontaktierungsabschnitte für jeweils mindestens einen zu kühlenden Energiespeicher aufweisen, wobei sich die Kontaktierungsabschnitte zwischen den Kühlabschnitten befinden. Auf diese Weise kann der Bauraum optimal ausgenutzt und die Kühleffizienz der Kühleinrichtung weiter gesteigert werden.
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In einer Ausgestaltung der Kühleinrichtung nach Anspruch 6 weist diese einen einstückig ausgebildeten Grundkörper auf, an dem der zumindest eine Kontaktierungsabschnitt und der zumindest eine Hohlraum ausgebildet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Kühleinrichtung in Anspruch 7 ist der Grundkörper dabei nach einem Strangpressverfahren hergestellt.
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Durch den einstückig hergestellten Grundkörper mit integrierten Kontaktierungsabschnitten und Hohlraum ist die Wärmeleitung zwischen dem Kontaktierungsabschnitt und Kühlabschnitt sehr hoch. Vorteilhafter Weise ist der Grundkörper dabei aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise Aluminium. Durch das Strangpressverfahren kann der Grundkörper sehr leicht, kostengünstig und in hohen Stückzahlen hergestellt werden. In diesem Fall kann der Grundkörper ein nach dem Vorgang des Strangpressens ein Durchgangsloch aufweisen, welches zur Ausbildung des Hohlraums mit einem geeigneten Verschlusselement zumindest einseitig verschlossen werden kann. Die Abmessung des Grundkörpers kann in einer Dimension durch entsprechende Stückelung auf sehr einfache Weise variiert und den Gegebenheiten angepasst werden.
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Eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Anspruch 8 ist mit zumindest einem Energiespeichermodul ausgestattet. Das Energiespeichermodul weist zumindest zwei Kühleinrichtungen nach einem der Ansprüche 4 bis 7 auf, welche derart in einer Reihe hintereinander angeordnet sind, dass sich die Einlassöffnungen der Kühleinrichtungen in einer Flucht und die Auslassöffnungen der Kühleinrichtungen in einer Flucht befinden. Dabei sind einander zugeordnete Einlassöffnungen und einander zugeordnete Auslassöffnungen benachbarter Kühleinrichtungen derart miteinander gekoppelt, dass die Kühlflüssigkeit über die jeweiligen Einlassöffnungen und über die jeweiligen Auslassöffnungen von einer Kühleinrichtung zu der jeweils nächsten Kühleinrichtung strömen kann. Ferner weist das zumindest eine Energiespeichermodul mehrere elektrische Energiespeicher auf, die an den Kontaktierungsabschnitten der Kühleinrichtungen angeordnet sind.
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Die so aufgebaute Energiespeichervorrichtung zeichnet sich durch einen äußerst kompakten Aufbau und einer hervorragende Kühlleistung für die Energiespeicher aus. Durch die Koppelung der einzelnen Kühleinrichtungen innerhalb eines jeden der Energiespeichermodule sowohl über die Einlassöffnungen als auch über die Auslassöffnungen, entsteht eine Parallelschaltung der einzelnen Kühleinrichtungen bezüglich des Kühlmittelstroms. Die Dimension der Einlassöffnungen und der Auslassöffnungen und die Dimension der Strömungskanäle können so aufeinander abgestimmt sein, dass in jeder der Kühleinrichtungen innerhalb eines Energiespeichermoduls im Wesentlichen der gleiche Kühlmitteldurchsatz zustande kommt. So können Temperaturdifferenzen innerhalb der einzelnen Energiespeichermodule minimiert werden. Durch die Parallelschaltung der Kühleinrichtungen innerhalb der jeweiligen Energiespeichermodule ergibt sich ein sehr geringer Druckverlust bei der Durchströmung mit Kühlmittel.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 9 weist diese mehrere Energiespeichermodule auf, welche derart angeordnet sind, dass die Reihen hintereinander angeordneter Kühleinrichtungen der einzelnen Energiespeichermodule parallel zueinander stehen.
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Durch die Parallelschaltung mehrerer Energiespeichermodule können die in der Energiespeichervorrichtung enthaltenen elektrischen Energiespeicher auf mehrere, parallel angeordnete und hinsichtlich der Kühlmittelversorgung parallel geschaltete Energiespeichermodule aufgeteilt werden. Somit stehen zwei Freiheitsgrade zur Aufteilung der Vielzahl an elektrischen Energiespeicher zur Verfügung, wodurch eine Optimierung der Energiespeichervorrichtung hinsichtlich der Außenabmessungen und der Kühlmittelversorgung erreicht werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 10 weist diese eine Verteilereinrichtung auf, welche an einem Ende des mindestens einen Energiespeichermoduls angeordnet ist und zumindest einen Kühlmittelzuflussanschluss zum Anschluss einer Kühlmittelquelle, aufweist. Ferner weist die Verteilereinrichtung einen Verteilerkanal auf, welcher den Kühlmittelzuflussanschluss mit der mindestens einen Einlassöffnung einer ersten Kühleinrichtung innerhalb eines jeden Energiespeichermoduls verbindet. Ferner weist die Verteilereinrichtung zumindest einen Kühlmittelrückflussanschluss zum Anschluss einer Kühlmittelrückflussleitung und zumindest einen Sammelkanal auf, welcher die zumindest eine Auslassöffnung der ersten Kühleinrichtung innerhalb eines jeden Energiespeichermoduls mit dem Kühlmittelrückflussanschluss verbindet.
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Die Energiespeichervorrichtung zeichnet sich durch eine gemeinsame Verteilereinrichtung für alle enthaltenen Energiespeichermodule aus. Durch den Kühlmittelzuflussanschluss eine Kühlmittelquelle sehr schnell und einfach angeschlossen werden. Dies gilt für den Kühlmittelrückflussanschluss und eine Kühlmittelentsorgungsleitung. Der gemeinsame Verteilerkanal und der gemeinsame Sammelkanal für alle Energiespeichermodule gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung und einen gesammelten Rückfluss des Kühlmittels von allen Energiespeichermodulen. Durch die Konzentrierung der Kühlmittelverteilung und der Kühlmittelentsorgung in einem gemeinsamen Bauteil können nicht nur die Anzahl der Bauteile reduziert, sondern auch die Herstellungskosten weiter reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 11 weist diese eine Abschlusseinrichtung auf, welche einem gegenüberliegenden Ende des mindestens einen Energiespeichermoduls angeordnet ist und welche die ihr zugewandten Einlass- und Auslassöffnungen der jeweils letzten Kühleinrichtung innerhalb eines jeden Energiespeichermoduls verschließt.
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Durch das Verschließen der Einlass- und Auslassöffnungen entsteht ein Kühlmittelkreislauf innerhalb der einzelnen Energiespeichermodule von der Verteilereinrichtung über die Kühleinrichtungen zur Abschlusseinrichtung und zurück.
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In einer Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 12 weist diese eine Spanneinrichtung auf, mittels der das zumindest eine Energiespeichermodul zwischen der Verteilereinrichtung und der Abschlusseinrichtung verspannt werden kann.
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Durch die Spanneinrichtung werden die Bestandteile der Energiespeichermodule (Kühleinrichtungen und elektrische Energiespeicher), sowie die Verteilereinrichtung und die Abschlusseinrichtung stabil zusammengehalten. Ferner können die elektrischen Energiespeicher durch Aufbringen einer definierten Zugkraft gegen die Kontaktierungsabschnitte der Kühleinrichtungen gedrückt werden, wodurch der Wärmeübergang von den elektrischen Energiespeichern über die Kühleinrichtungen zum Kühlmittel deutlich verbessert werden kann. Vorteilhafter Weise ist die Spanneinrichtung derart ausgebildet, dass die Zugkraft beziehungsweise Spannkraft auf die Bestandteile der Energiespeichermodule variabel einstellbar ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
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1a und 1b schematische Querschnittsansichten eines Ausführungsbeispiels einer Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher;
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2 eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher;
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3 eine schematische Darstellung einer Kühleinrichtung mit einem elektrischen Energiespeicher;
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4 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für eine Energiespeichervorrichtung;
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5 eine schematische Querschnittansicht der Energiespeichervorrichtung;
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6 eine schematische Querschnittansicht einer Verteilereinrichtung;
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7 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Energiespeichereinrichtung mit mehreren Energiespeichermodulen.
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In den 1a und 1b ist ein Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 1 in Form von Querschnittsansichten schematisch dargestellt. 1b stellt dabei die Querschnittsansicht entlang der Schrittlinie A-A in 1 dar.
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Die Kühleinrichtung 1 weist an zwei gegenüberliegenden Enden jeweils einen Kühlabschnitt 2 und zwei zwischen den Kühlabschnitten 2 liegende, auf gegenüberliegenden Seiten (Flachseiten) angeordnete Kontaktierungsabschnitte 3 für einen zu kühlenden Energiespeicher (in 3 dargestellt) auf. Die Kontaktierungsabschnitte 3 sind dabei in 1a durch gestrichelte Linien seitlich begrenzt (in 1 ist der zweite Kontaktierungsabschnitt 3 auf der Rückseite der Kühleinrichtung 1 angeordnet und daher nicht erkennbar). An den Kontaktierungsabschnitten 3 ist ein zu kühlender elektrischer Energiespeicher (siehe 3), vorzugsweise eine elektrochemische Batterie auf Lithium-Ionen-Basis, in wärmeleitenden Kontakt mit der Kühleinrichtung 1 zu bringen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kontaktierungsabschnitts 3 wird anhand von 3 genauer erläutert. Die seitlich der Kontaktierungsabschnitte 3 liegenden Kühlabschnitte 2 weisen jeweils zumindest einen Strömungskanal 4 für ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, zumindest eine Einlassöffnung 5 zum Zuführen von Kühlmittel und zumindest eine Auslassöffnung 6 zum Abführen des Kühlmittels auf. Wie in 1b dargestellt, weist jeder Strömungskanal 4 zwei Einlassöffnungen 5 auf, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung 1 in einer Flucht angeordnet sind. Ferner weist die Kühleinrichtung 1 vorzugsweise zwei Auslassöffnungen 6 auf, welche auf den gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung 1 in einer Flucht angeordnet sind. Dabei sind die Einlassöffnungen 5 und die Auslassöffnungen 6 vorzugsweise auf denselben gegenüberliegenden Seiten der Kühleinrichtung 1 vorgesehen wie die Kontaktierungsabschnitte 3.
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In der Kühleinrichtung 1 sind in jedem Kühlabschnitt 2 jeweils zumindest ein Hohlraum 7 ausgebildet. Ferner weist die Kühleinrichtung 1 in jedem Kühlabschnitt 2 jeweils ein Rohr 8 auf, welches unter Ausbildung eines Spalts 9 zwischen einer Außenwand des Rohrs 8 und einer Innenwand des Hohlraums 7 in dem jeweiligen Hohlraum 7 zumindest teilweise, vorzugsweise ganz angeordnet ist. Dadurch wird der Strömungskanal 4 in zumindest zwei Abschnitte unterteilt, wobei der Innenraum des Rohrs 10 einen der Abschnitte und der Spalt 9 einen weiteren der Abschnitte des Strömungskanals 4 bilden.
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Wie anhand der 1b zu erkennen ist, ist die Kühleinrichtung 1 derart ausgebildet, dass beim Durchströmen des Strömungskanals 4 mit Kühlmittel sich die Fließrichtung des Kühlmittels im Innenraum des Rohrs 10 von der Fließrichtung des Kühlmittels (in 1b mit Pfeilen dargestellt) im Spalt 9 unterscheidet. Insbesondere kommt es beim Durchströmen des Strömungskanals 4 zu einer Richtungsumkehr des Kühlmittels.
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Unter der Annahme, dass die in 1b unten liegenden Öffnungen als Einlassöffnungen 5 und die darüber liegenden Öffnungen als Auslassöffnungen 6 für das Kühlmittel fungieren, kann über beide Einlassöffnungen 5 von beiden Seiten Kühlmittel in den Strömungskanal 4 eingeleitet werden. Die Kühleinrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass das über die Einlassöffnungen 5 zugeführte Kühlmittel zunächst das innenliegende Rohr 8 in Aufwärtsrichtung durchströmt und beim Austreten aus dem Rohr 8 in umgekehrter Richtung in dem Spalt 9 nach unten strömt und die Kühleinrichtung über die Auslassöffnungen 6 verlässt. Der Kühlmittelstrom innerhalb der Kühlmitteleinrichtung 1 kann jedoch auf einfach Weise auch umgekehrt werden, indem das Kühlmittel über die beiden oberhalb liegenden Öffnungen (welche dann Einlassöffnungen fungieren) zugeführt wird und über die unten liegenden Öffnungen (welche dann als Auslassöffnungen fungieren) wieder abgeführt wird.
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Um diesen Strömungsverlauf zu erreichen, ist die im Ausführungsbeispiel dargestellte Kühleinrichtung 1 in jedem Kühlabschnitt 2 mit jeweils einem Durchgangsloch 11 versehen, welches an seinen beiden offenen Enden mittels entsprechender Verschlusskörper 12 (beispielsweise Stopfen oder Verschlussschrauben) verschlossen und abgedichtet ist und so den Hohlraum 7 bildet. Das im Hohlraum 7 liegende Rohr 8 ist so dimensioniert, dass dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Hohlraums 7. Dadurch entsteht zwischen der Innenwand des Hohlraums 7 und der Außenwand des Rohrs 8 der Spalt 9, in dem das Kühlmittel strömen kann. Das Rohr 8 ist ferner so dimensioniert, dass zwischen seinen freien Enden und den Verschlusskörpern 12 ein Abstand besteht, so dass in den gebildeten Zwischenräumen ein Kühlmittelstrom möglich ist.
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An dem den Einlassöffnungen zugewandten freien Ende des Rohrs 8 ist der Rohrdurchmesser erweitert und entspricht im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Hohlraums 7. Im diesem Bereich des Rohrs 8 besteht kein Spalt zwischen der Innenwand des Hohlraums 7 und der Außenwand des Rohrs 8 existiert. In diesem Bereich ist somit keine Kühlmittelströmung möglich. Zusätzlich kann dieser Bereich durch ein entsprechendes Dichtmittel oder entsprechende Dichtungselemente (nicht dargestellt) weiter abgedichtet werden.
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Die Länge des Rohres 8 ist derart bemessen, dass es die Einlassöffnungen 5 nicht überdeckt, so dass ein freier Kühlmittelfluss durch die Einlassöffnungen 5 in das Rohr 8 möglich ist.
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Wie in 2 dargestellt weist die Kühleinrichtung vorzugsweise einen einstückig ausgebildeten Grundkörper 13 auf, an dem die Kontaktierungsabschnitte 3 und die Kühlungsabschnitte 4 ausgebildet sind. Ein derartiger Grundkörper 13 wird vorzugsweise nach Strangpressverfahren hergestellt. Die Einlassöffnungen 5 und die Auslassöffnungen 6 können nach Strangpressen in den erhaltenen Profilkörper auf einfache Weise gebohrt werden. Zur Abdichtung können die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen jeweils mit einer Ringnut 14 versehen werden, in die jeweils eine O-Ringdichtung 15 eingelegt werden kann. Die Rohre 8 können in die im Rahmen des Strangpressverfahrens ausgebildeten Durchgangslöcher 11 eingeführt werden. Die Durchgangslöcher 11 werden anschließend mittels der Verschlusskörper 12 verschlossen, sodass im Inneren die Hohlräume 7 verbleiben.
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In 2 ist erkennbar, dass die Kontaktierungsabschnitte 3 flächig und eben ausgebildet sind. Die Ausdehnung beziehungsweise die flächenmäßige Dimensionierung der Kontaktierungsabschnitte 3 richtet sich vornehmlich nach der Größe der zu kühlenden Energiespeicher. Bei den Energiespeichern 14 (siehe 3) handelt es sich meist um elektrochemische Batteriezellen, vorzugsweise auf Lithium-Ionen-Basis. Diese sind häufig als prismatische Batteriezellen mit einem starren Gehäuse aus Aluminium oder als sogenannte Flachzellen mit einem Gehäuse aus flexibler Folie ausgebildet. Die flächenmäßige Größe der Kontaktierungsabschnitte 4 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass die Kontaktfläche zwischen den zu kühlenden Energiespeichern 13 und der Kühleinrichtung 1 möglichst groß ist. Die Befestigung der zu kühlenden Energiespeicher 14 erfolgt vorzugsweise mittels eines doppelseitig klebenden, sehr gut wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Klebefolie (nicht dargestellt). Auch andere Befestigungsmethoden wie Wärmeleitkleber, Klemmeinrichtungen oder Schraubverbindungen sind denkbar. Die aufgrund von exothermen chemischen Prozessen und/oder durch Leistungsverluste am Wiederstand der Batteriezellen innerhalb des elektrischen Energiespeichers 14 produzierte Wärme wird über die große Kontaktfläche im Kontaktierungsabschnitt 3 auf die Kühleinrichtung 1 übertragen. Durch die einstückige Ausbildung des Grundkörpers 13 (siehe 2) wird die Wärme sehr effektiv zu den seitlich liegenden Kühlabschnitten 4 weitergeleitet und dort an das Kühlmittel abgegeben. Auf diese Weise ist eine hervorragende Kühlung der Energiespeicher 14 möglich.
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Zur Positionierung bzw. Zentrierung des Rohrs 8 im Hohlraum 7 kann die Kühleinrichtung eine Positioniereinrichtung 40 aufweisen. Die Positioniereinrichtung 40 kann beispielweise pro verwendetes Rohr 8 zumindest einen Positionierstift 41 aufweisen, welcher soweit durch ein zugehöriges, in der Außenwand der Kühleinrichtung 1 im Bereich des jeweiligen Kühlabschnitts 4 vorgesehenes Durchgangsloch 42 gesteckt wird, dass er das jeweilige, im Hohlraum angeordnete Rohr 8 berührt und dieses dadurch in seiner Position sichert. Der Positionierstift 41 fungiert somit als Abstandhalter zwischen der Außenwand des Rohrs 8 und der Innenwand des Hohlraums 7 fungieren. Gleichzeitig lässt der Positionierstift 41 aber den Kühlmittelfluss im Spalt 9 zu.
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An der Außenwand und/oder der Innenwand des Rohrs 8 können vorzugsweise auch Erhebungen 50 ausgebildet sein, welche Turbulenzen im Kühlmittelstrom erzeugen oder verstärken. Beispielsweise können sie Erhebungen eine Spiralform aufweisen (ähnlich einem Gewinde).
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Wie in 2 gezeigt ist, sind die Kontaktierungsabschnitte 3 vorzugsweise als Ausnehmung im Grundkörper 13 ausgebildet. Die Kühleinrichtung 1 weist daher im Bereich der Kontaktierungsabschnitte 3 einen geringeren Querschnitt auf als in den Kühlabschnitten 4. Diese Formgebung kann bereits beim Strangpressen erfolgen. Durch die Ausbildung der Kontaktierungsabschnitte 3 als Vertiefung oder als Ausnehmung wird der zu kühlende Energiespeicher 13 (siehe 3) in dem Kontaktierungsabschnitt 3 zu einem gewissen Grad versenkt wodurch der Überstand deutlich reduziert werden kann. Vorteilhafter Weise sind die Kontaktierungsabschnitte 3 derart ausgebildet, dass der zu kühlende Energiespeicher 13 zwischen zwei Kühleinrichtungen 1 an den jeweiligen Kontaktierungsabschnitten angeordnet werden kann und sich die einander zugewandten Seiten der Kühlabschnitte 3 der beiden Kühleinrichtungen 1 berühren oder einen sehr geringen Abstand haben (ca. 1 mm).
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Anhand der 4 bis 7 werden Ausführungsbeispiele einer Energiespeichervorrichtung 15 erläutert.
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In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 15 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 15 weist ein Energiespeichermodul 16 auf, welches mehrere Kühleinrichtungen 1 und mehrere elektrische Energiespeicher 14 aufweist, wie sie anhand der 1 bis 3 beschrieben wurden sind. Die elektrischen Energiespeicher 14 sind zwischen den Kühleinrichtungen 1 angeordnet, wobei jeder Energiespeicher 14 vorzugsweise beidseitig mit den Kontaktierungsabschnitten 3 jeweils einer Kühleinrichtung 1 in wärmeleitendem Kontakt steht.
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Die Energiespeichervorrichtung 15 weist ferner eine Verteilereinrichtung 17 auf, welche an einem Ende des Energiespeichermoduls 16 angeordnet ist, sowie eine Abschlusseinrichtung 18, welche an dem gegenüberliegenden Ende des Energiespeichermoduls 16 angeordnet ist. Die Verteilereinrichtung 17 weist einen Kühlmittelzuflussanschluss 19 zum Anschluss der Energiespeichervorrichtung 15 an eine (nicht dargestellte) Kühlmittelquelle auf. Ferner weist sie einen Kühlmittelrückflussanschluss 20 zum Anschluss der Energiespeichervorrichtung 15 an eine (nicht dargestellte) Kühlmittelrückflussleitung auf.
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Neben dem Anschluss der Energiespeichervorrichtung 15 an die Kühlmittelquelle und die Kühlmitterückflussleitung übernimmt die Verteilereinrichtung 17 ferner die Aufgabe, das von der Kühlmittelquelle gelieferte Kühlmittel auf die Kühleinrichtungen 1 zu verteilen und das von den Kühlmitteleinrichtungen 1 zurückgeführte, erwärmte Kühlmittel zu sammeln und der Kühlmittelrückflussleitung zu zuführen. Die genaue Ausgestaltung der Verteilereinrichtung wird weiter unten anhand von 5 näher erläutert.
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Die Abschlusseinrichtung 18 dient der Herstellung eines Kühlmittelkreislaufs innerhalb des Energiespeichermoduls 16. Dazu ist die Abschlusseinrichtung 18 derart ausgebildet, dass sie die ihr zugewandten Einlass- und Auslassöffnungen 5, 6 der jeweils letzten Kühleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls 16 verschließt (siehe dazu auch 5). Dadurch wird sichergestellt, dass kein Kühlmittel aus der letzten Kühleinrichtung 1 innerhalb der Reihe des Energiespeichermoduls 16 ausläuft sondern vielmehr das Kühlmittel zu der Verteilereinrichtung 19 zurückströmt.
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Die Energiespeichervorrichtung 15 weist ferner eine Spanneinrichtung 21 auf, mittels der das Energiespeichermodul 16 zwischen der Verteilereinrichtung 17 und der Abschlusseinrichtung 18 verspannt werden kann. Die Spanneinrichtung 21 ist im Ausführungsbeispiel als Gesamtheit von vier sich über die gesamte Länge der Energiespeichereinrichtung erstreckenden Schrauben 21, welche das Energiespeichermodul 16 zwischen der Verteilereinrichtung 17 und der Abschlusseinrichtung 18 mit einer variabel einstellbaren Kraft verspannen. Dadurch wird die Energiespeichereinrichtung 15 zusammengehalten und gleichzeitig die zu kühlenden Energiespeicher 14 mit einer definierten Kraft gegen die Kontaktierungsabschnitte 3 der sie umgebenden Kühleinrichtungen 1 gepresst. Dadurch wird die Wärmeleitung von den Energiespeichern 14 auf die Kühleinrichtungen 1 deutlich verbessert. Um die Durchführung der Schrauben 21 zu ermöglichen, sind sowohl die Verteilereinrichtung 17, die Abschlusseinrichtung 18 sowie die Kühleinrichtungen 1 an geeigneten Stellen mit Durchgangsbohrungen 22 versehen.
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Alternativ kann die Spanneinrichtung 21 auch als eine das Energiespeichermodul 16, die Verteilereinrichtung 17 und die Abschlusseinrichtung 18 umgreifende Schraubklammer ausgeführt werden (nicht dargestellt). Ferner ist auch ein (lösbares) Verkleben der genannten Komponenten oder ein verspannen der Komponenten mittels eines Stecksystems möglich.
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Die Verteilereinrichtung 17 wird anhand der 5 näher erläutert. In 5 ist eine schematische Querschnittansicht der Verteilereinrichtung 17 dargestellt. Zu erkennen ist die Bohrung 24 für den Kühlmittelzuflussanschluss 19 (siehe 4) sowie die Bohrung 23 für den Kühlmittelrückflussanschluss 20 (siehe 4). Die Verteilereinrichtung 17 weist ferner einen Verteilerkanal 25 auf, welcher über die entsprechende Bohrung 24 mit dem Kühlmittelzuflussanschluss verbunden ist und welcher so ausgebildet und angeordnet ist, dass er den Kühlmittelzuflussanschluss 19 mit den ihm zugewandten Einlassöffnungen 5 der ersten Kühlmitteleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls 16 verbindet, so dass das Kühlmittel von der Kühlmittelquelle über den Kühlmittelzuflussanschluss 19, die Bohrung 24, den Verteilerkanal 25 über die Einlassöffnungen 5 alle Kühlmitteleinrichtungen nacheinander durchströmt (siehe dazu auch 6).
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Ferner weist die Verteilereinrichtung 17 einen Sammelkanal 26 auf, welcher über die Bohrung 23 mit dem Kühlmittelrückflussanschluss 20 verbunden ist und welcher derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er die der Verteilereinrichtung 17 zugewandten Auslassöffnungen 6 der ersten Kühleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls 16 mit dem Kühlmittelrückflussanschluss 20 verbindet. Dadurch strömt das von den Kühleinrichtungen 1 über die Auslassöffnungen 6 zurückgeführte Kühlmittel in den Sammelkanal 26 und weiter über den Kühlmittelrückflussanschluss in die Kühlmittelrückflussleitung.
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In 6 ist eine schematische Querschnittsansicht der Energiespeichervorrichtung 15 dargestellt. Anhand dieser wird die Funktionsweise der Energiespeichereinrichtung 15 näher erläutert. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde dabei auf die Darstellung der Energiespeicher und die Benennung aller Komponenten der einzelnen Kühleinrichtungen 1 verzichtet. Vielmehr ist die Kühlmittelströmung innerhalb der Energiespeichereinrichtung 15 durch Pfeile dargestellt.
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In 6 ist das Paket von mehreren in der Reihe hintereinander angeordneten Kühleinrichtungen 1 dargestellt, wobei diese derart angeordnet sind, dass sich sowohl die Einlassöffnungen 5 der Kühleinrichtungen 1 in einer Flucht als auch die Auslassöffnungen 6 der Kühleinrichtung in einer Flucht befinden. Bei den Kühleinrichtungen 1 handelt es sich um solche, wie sie anhand der 1 bis 3 näher erläutert wurden. Durch diese Anordnung der Kühleinrichtungen 1 ergeben sich ein erster globaler Kühlmittelkanal 27, welcher durch die in einer Flucht befindlichen Einlassöffnungen 5 gebildet wird, und ein zweiter globaler Kühlmittelkanal 28, welcher durch die sich in einer weiteren Flucht befindlichen Auslassöffnungen 6 der Kühleinrichtungen 1 gebildet wird. Auf diese Weise ist eine Kühlmittelströmung zwischen den Kühleinrichtungen 1 sowohl über die Einlassöffnungen 5 als auch über die Auslassöffnungen 6 der Kühleinrichtungen 1 möglich. An einem Ende des Energiespeichermoduls ist die Verteilereinrichtung 17, auf der gegenüberliegenden Seite die Abschlusseinrichtung 18 angeordnet. Zu erkennen ist, dass die der Verteilereinrichtung 17 zugewandten Einlassöffnungen 5 der ersten Kühleinrichtung 1 innerhalb der Reihe von Kühleinrichtungen des Energiespeichermoduls mit dem Verteilerkanal 25 der Verteilereinrichtung 17 verbunden sind, so dass über diesen Weg dem Energiespeichermodul 16 Kühlmittel zugeführt werden kann. Ferner sind die der Verteilereinrichtung 17 zugewandten Auslassöffnungen 6 der ersten Kühleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls mit dem Sammelkanal 26 der Verteilereinrichtung 17 verbunden, so dass über diesen Weg rückfließendes Kühlmittel aus dem Energiespeichermodul 16 abgeführt werden.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Energiespeichermoduls verschließt die Abschlusseinrichtung 18 die ihr zugewandten Einlassöffnungen 5 und Auslassöffnungen 6 der letzten Kühleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls 16. Dadurch wird der Austritt von Kühlmittel aus diesen Öffnungen verhindert, wodurch das Kühlmittel im Kreislauf verbleibt.
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Auf diese Weise ergibt sich hinsichtlich der Kühlmittelversorgung eine Parallelschaltung aller Kühleinrichtung 1 innerhalb des Energiespeichermoduls 16. Wird nun Kühlmittel über den Verteilerkanal der Verteilereinrichtung 17 dem Energiespeichermodul 16 zugeführt, so strömt dies einerseits über die der Verteilereinrichtung 16 zugewandten Einlassöffnungen 5 in die Kühleinrichtungen 1 hinein, wobei ein Teil des Kühlmittels durch die jeweiligen Rohre der Kühleinrichtungen 1 nach oben und über den Spalt nach unten zurück zu den Auslassöffnungen strömt. Der andere Teil des Kühlmittels fließt unmittelbar über die der Verteilereinrichtung 16 abgewandten Einlassöffnungen zur jeweils nächsten Kühleinrichtung 1. Der Anteil des Kühlmittels, welcher die Kühleinrichtungen 1 durch das Rohr und den Spalt durchströmt, verlässt die jeweilige Kühleinrichtung 1 über die der Verteilereinrichtung zugewandten Auslassöffnungen und strömt zum Sammelkanal 26.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 15 ist in 7 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass es mehrere Energiespeichermodule 16 aufweist, welche derart angeordnet sind, dass die Reihen hintereinander angeordneter Kühleinrichtungen der einzelnen Energiespeichermodule 16 parallel zueinander stehen. Der Aufbau der Energiespeichermodule 16 selbst ist jedoch mit dem in den 4 bis 6 dargestellten Energiespeichermodul identisch. Die Energiespeichervorrichtung 15 weist für alle Energiespeichermodule 16 eine gemeinsame Verteilereinrichtung 17 und eine gemeinsame Abschlusseinrichtung 18 auf. Die einzelnen Energiespeichermodule 16 sind, wie schon anhand der 4 bis 6 erläutert, an die Verteilereinrichtung 17 angeschlossen, so dass diese die Energiespeichermodule 16 entsprechend mit Kühlmittel versorgen kann und andererseits auch das verbrauchte Kühlmittel abführen kann.
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Auch wenn in den hier erläuterten Ausführungsbeispielen die jeweils weiter unter im Bild dargestellten Öffnungen als Einlassöffnungen 5 und die darüber liegenden Öffnungen als Auslassöffnungen 6 bezeichnet werden, so wird darauf hingewiesen, dass die Nomenklatur und Funktion der Öffnungen auch vertauscht werden kann, was sich lediglich in einer Umkehr der Strömungsrichtung äußert. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf diese spezielle Ausgestaltung begrenzt.
