DE102012214783A1

DE102012214783A1 - Wärmetauscher für eine Batterieeinheit

Info

Publication number: DE102012214783A1
Application number: DE201210214783
Authority: DE
Inventors: Stefan Hirsch; Joachim TREIER; Lars Ludwig; Thomas Kuznia
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-02-20
Also published as: CN203553305U; US20140048230A1; US9853296B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Batterieeinheit, umfassend Kühlmittel führende Rohre (3b), welche beidseitig in je einen Sammler (3a, 3c) enden, wobei jeder Sammler (3a, 3c) mit mindestens einem Rohr (3b) verbunden ist und ein Potentialausgleichelement zum elektrischen Potentialausgleich mindestens einen Sammler (3a, 3c) mit einem Gehäuse (5) der Batterie (2) verbindet. Um einen möglichst kostengünstigen Potentialausgleich zwischen dem Wärmetauscher und einem Batteriegehäuse herzustellen, sind das Potentialausgleichselement (14, 15, 17, 23, 24) und der Sammler (3a, 3c) einteilig ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Batterieeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Beim Betrieb einer Batterie entsteht Verlustwärme, die zur Aufheizung der Batterie führt. Besonders Lithium-Ionen-Batterien altern ab einer bauartbedingten Temperatur deutlich schneller, so dass sich die Lebensdauer der Batterie unerwünscht verkürzen kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Batteriekühler eingesetzt. Solche sind unter anderem durch die ältere Anmeldung der Anmelderin DE 10 2011 005 236.4 bekannt geworden.
Häufig werden Batteriezellen an der Unterseite – Ableiter bzw. Anschlüsse befinden sich demnach oben – mit Hilfe eines flächigen Kühlers bzw. einer Kühlplatte gekühlt, wobei der flächige Kühler bzw. die Kühlplatte im Weiteren als Wärmetauscher bezeichnet werden. Dieser Wärmetauscher enthält innen liegende Rohre, in denen ein Kühlmittel geführt wird. Es sind Konstruktionen aus Rohren bekannt, die jeweils beidseitig in je einen Sammler eingesteckt werden. Weiterhin gibt es Konstruktionen, die aus Schichtblechen oder geprägten Blechen aufgebaut sind. Den meisten Konstruktionen gemein ist, dass sie vollständig aus Aluminium bestehen und in einem Lötprozess zu einem fliuddichten Wärmetauscher gefügt werden.
Im Fall einer Batterie müssen einerseits die Batteriezellen in unmittelbaren, d. h. wärmeleitenden Kontakt mit dem Wärmetauscher gebracht werden, andererseits muss aus Sicherheitsgründen eine elektrische Isolierung zwischen Batteriezellen und Wärmetauscher vorhanden sein. Darüber hinaus besitzt der Wärmetauscher eine Möglichkeit zum elektrischen Potentialausgleich mit einem Gehäuse der Batterie.
Zum elektrischen Potentialausgleich werden flexible Kupferleitungen verwendet, die den Wärmetauscher mit dem Gehäuse der Batterie verbinden. Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion mit dem aus Aluminium bestehenden Wärmetauscher wird eine Cupalscheibe verwendet. Weiterhin ist eine Vielzahl von zusätzlichen Bauteilen in Form von Fächer- oder Unterlegscheiben, Schrauben und Muttern notwendig, die außerdem lagerichtig montiert werden müssen, damit der notwendige wärmeleitende Kontakt sowie die elektrische Isolierung zwischen Wärmetauscher und Batterie gewährleistet wird.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher für eine Batterieeinheit zu schaffen, die einen kostengünstigen und wenig montagefehleranfälligen Potentialausgleich zwischen dem Wärmetauscher und dem Gehäuse der Batterie ermöglicht.
Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach das Potentialausgleichselement und der Sammler einteilig ausgebildet sind. Aufgrund der Verwendung des Sammlers selbst als Potentialausgleichselement kann auf eine zusätzliche Kupferleitung gänzlich verzichtet werden. Somit entfällt auch die Vielzahl der zusätzlichen Bauteile, die benötigt werden, um die flexible Kupferleitung lagerichtig zu montieren. Dadurch wird nicht nur eine kostengünstige sondern auch eine fehlerfreie Montage des Wärmetauschers an dem Gehäuse der Batterie ermöglicht. Aufgrund dessen, dass das Potentialausgleichselement Bestandteil des Sammlers selbst ist, wird der Übergangswiderstand auf der Seite vom Sammler auf das Potentialausgleichselement im Vergleich mit dem Übergangswiderstand vom Sammler zu einem Kupferkabel mit entsprechender Verschraubung reduziert bzw. kann weitgehend unterbunden werden. Der Montageaufwand bei der Herstellung des Potentialausgleichs wird erheblich reduziert, wodurch auch Fehlermöglichkeiten eingegrenzt werden. Die elektrische Isolierung zwischen Wärmetauscher und Batterie ist somit einfach zu realisieren.
Vorteilhafterweise besteht das Potentialausgleichselement des Sammlers aus einem kupferfreien Material. Durch die Einsparung von Kupfer werden die Herstellungskosten weiter reduziert.
In einer Ausgestaltung ist das Potentialausgleichselement als Vorsprung ausgebildet. Ein solcher Vorsprung dient somit als Leiter für den Potentialausgleich und kann je nach vorliegendem Bauraum in der Batterieeinheit an verschiedenen Positionen des Sammlers ausgebildet werden.
In einer Weiterbildung ist das Potentialausgleichselement des Sammlers laschenähnlich ausgebildet. Die Lasche kann verlängert hergestellt werden, insbesondere um an die konstruktiven Verhältnisse der Batterieeinheit und des Wärmetauschers angepasst zu werden. Der für den Potentialausgleich nötige Leitungsquerschnitt kann durch die Breite des laschenähnlichen Potentialausgleichselementes erreicht werden. Lage und Ausrichtung des laschenähnlichen Potentialausgleichselementes lassen sich durch Werkzeuge mit hoher Wiederholgenauigkeit herstellen. Um eine notwendige Flexibilität beispielsweise für die Montage zu erreichen, kann dies durch eine ausreichende Länge und Formgestaltung des laschenähnlichen Vorsprunges, beispielsweise als Lyrabogen (U-förmiger Dehnungsbogen), erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich das laschenähnlich ausgebildete Potentialausgleichselement annähernd parallel zum Sammler. Dies hat den Vorteil, dass so wenig Bauraum wie möglich durch das Potentialausgleichselement benötigt wird. Darüber hinaus wird eine einfache lagerichtige Positionierung des Potentialausgleichelementes gewährleistet.
In einer Variante ist zur Verbindung des laschenähnlichen Potentialausgleichselementes mit dem Gehäuse der Batterie ein Kabelschuh auf dessen laschenförmiges Ende aufgebracht. Ein solcher Kabelschuh gewährleistet ein vereinfachtes elektrisches Kontaktieren mit dem laschenähnlichen Potentialausgleichselement, vorzugsweise durch Schrauben oder Stecken.
In einer Ausführungsform besteht der Kabelschuh aus Aluminium, wobei auf dessen Innen- und/oder Außenseite ein Oxidationsschutz aufgetragen ist. Der Oxidationsschutz verhindert das Aufwachsen von Oxidschichten an den Kontaktflächen des laschenähnlichen Potentialausgleichselementes zu dem Gehäuse der Batterie. Dadurch wird gewährleistet, dass der elektrische Kontakt und somit der Potentialausgleich zwischen dem Wärmetauscher und dem Gehäuse der Batterie zuverlässig hergestellt wird.
In einer Weiterbildung ist der Oxidationsschutz auf der Innenseite des Kabelschuhs als Kontaktfett ausgebildet, während die Außenseite des Kabelschuhs zum Oxidationsschutz verzinnt ist. Sowohl das Einbringen eines Kontaktfettes als auch die Verzinnung der Außenseite des Kabelschuhs stellen geläufige Methoden zur Verhinderung von Oxidschichten auf Kontaktflächen dar und sind einfach zu realisieren. Dadurch verringert sich der Herstellungsaufwand bzw. die Montagezeit des Wärmetauschers.
In einer besonders einfachen Ausführungsform wird das Potentialausgleichselement vom Kabelschuh umfasst und mit diesem verpresst. Somit wird eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen dem Sammler und dem Gehäuse der Batterie gewährleistet, wobei die Verpressung vorzugsweise als Vercrimpung oder Verstemmung erfolgt.
In einer Alternative ist das Potentialausgleichselement als Einpressstecker ausgebildet, welcher in eine Einpressaufnahme des Batteriegehäuses eingepasst ist oder als Einpressaufnahme ausgeführt, welche einen Einpressstecker des Batteriegehäuses aufnimmt. Durch den Einsatz solcher passgenauen Steckverbindungen kann auf zusätzliche Schraubverbindungen verzichtet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass sich auch beim Transport des Wärmetauschers die Schraubverbindungen nicht lockern können und somit der Potentialschutz zuverlässig gegeben ist.
In einer Ausgestaltung weist der Einpressstecker mindestens ein federndes Element auf. Dieses federnde Element bewirkt, dass ein dauerhafter Kontakt des Steckers mit der Einpressaufnahme gewährleistet wird. Somit ist auch der Potentialschutz zuverlässig sichergestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit mit einem Wärmetauscher
2 eine perspektivische Darstellung eines Sammlers mit geringer Bauhöhe nach 1
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Potentialausgleichselementes,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Potentialausgleichselementes,
5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Potentialausgleichselementes,
6 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Potentialausgleichselementes,
7 ein Ausführungsbeispiel für einen Kabelschuh.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Batterieeinheit 1, bei welcher eine Lithium-Ionen-Batterie 2 auf einem als Kühlplatte ausgebildeten Wärmetauscher 3 angeordnet ist. Zwischen der Lithium-Ionen-Batterie 2 und dem Wärmetauscher 3 ist eine elektrische Isolierung 4 angeordnet. Elektrische Anschlüsse 5 der Lithium-Ionen-Batterie 2 sind auf der, dem Wärmetauscher 3 abgewandten Seite der Lithium-Ionen-Batterie 2 angeordnet. Die Einheit aus Lithium-Ionen-Batterie 2 und Wärmetauscher 3 ist in einem Gehäuse 5 positioniert. Der Wärmetauscher 3 besteht aus zwei Sammlern 3a, 3c, zwischen welchen Kühlmittel führende Rohre 3b verlaufen.
Eine perspektivische Darstellung des Sammlers 3a gemäß 1 ist in 2 dargestellt. Der Sammler 3a ist zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem U-förmigen Bodenelement 7 und einem kürzeren U-förmigen Deckelelement 8, wobei die Deckelelementflanken 9 zwischen die Bodenelementflanken 26 geschoben sind. Das Deckelelement 8 ist fluiddicht mit dem Bodenelement 7 verbunden. Mehrere Durchgangsöffnungen 11 sind in den schmalen, die beiden Bodenelementflanken 26 verbindenden Abschnitt des Bodenelementes 7 ausgebildet. Jede Durchgangsöffnung 11 dient zur Aufnahme eines Kühlmittel führenden Rohres 3b. Die Durchgangsöffnungen 11 sind durch einen Kragen 10 begrenzt, der aus einem, zu einer Innenwand des Sammlers 3a hin umgeschlagenen Randbereich des Sammlers 3a gebildet ist. Der zweite Sammler 3c ist analog ausgebildet.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Potentialausgleichselementes, welches einteilig aus dem Sammler 3a ausgebildet ist. Dieses Potentialausgleichselement dient zur Erdung der Lithium-Ionen-Batterie 2 und verbindet den Sammler mit dem Gehäuse 5. Der Ausschnitt in 3 stellt ein Ende des sehr flach ausgebildeten Sammlers 3a dar, welcher einen kammartigen Bereich 12 aufweist, wobei aus den Ausnehmungen 13 des kammartigen Bereiches 12 annähernd senkrecht vom Sammler 3a weg Vorsprünge 14 gebogen sind. Diese Vorsprünge 14 dienen als Potentialausgleichselemente und sind mit dem Gehäuse 5 verbunden. Der sehr flach ausgebildete Sammler 3a ist aus Aluminium gefertigt, wobei die Vorsprünge 14, die integraler Bestandteil des Sammlers 3a sind, ebenfalls aus Aluminium bestehen. Die Verwendung von Aluminium für die Herstellung des Wärmetauschers 3 reduziert nicht nur den Materialaufwand, sondern ermöglicht auch eine einfache Herstellung, da der Sammler 3a gemeinsam mit den Vorsprüngen 14 durch eine einfache Stanzbiegepressung in einem Verfahrensschritt aus einem Aluminiumblech gebildet werden kann.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Potentialausgleichselementes des Sammler 3a, wobei das Potentialausgleichselement in Form einer lang ausgeführten Lasche 15 ausgebildet ist. Diese Lasche 15 erstreckt sich parallel entlang der Außenseite des Sammlers 3a und ist aufgrund seiner Länge in seiner Form beliebig gestaltbar, um den baulichen Gegebenheiten innerhalb des Gehäuses 5 angepasst zu werden und um mit dem Gehäuse 5 zuverlässig elektrisch verbunden zu werden. Der in 4 ausschnittweise dargestellte Sammler 3a weist dabei einen Anschlussstutzen 16 auf, an welchen ein nicht weiter dargestelltes Rohr 3b angeschlossen werden kann, durch welches das Kühlmittel in den ersten Sammler 3a und von diesem ersten Sammler 3a in die Rohre 3b verteilt wird. Aus den Rohren 3b wird das Kühlmittel dem zweiten Sammler 3c zugeführt, welcher das Kühlmittel an einen Kühlmittelkreislauf abgibt.
Eine dritte mögliche Ausführungsform des Potentialausgleichselementes ist in 5 dargestellt, bei welchem der als Potentialausgleichselement dienende laschenähnliche Vorsprung 17 senkrecht von dem Sammler 3a weggebogen ist, und einen Schlitz 18 aufweist, in welchem ein Gegenstück des Gehäuses 5 verankert werden kann.
In den 6a und 6b ist ein viertes Ausführungsbeispiel des Potentialausgleichselementes dargestellt. An den Sammler 3a sind senkrecht zu diesem abstehende Anschlussstutzen 19, 20 für je ein Kühlmittelrohr 3b ausgebildet, in welchen das Kühlmittel unterhalb der Lithium-Ionen-Batterie 2 geführt wird. 5a zeigt das Potentialausgleichselement in Form einer Steckverbindung 23, die ebenfalls integraler Bestandteil des Sammlers 3a ist und in der Ebene des Sammlers 3a verläuft. In diese Steckverbindung 23 wird eine nicht weiter dargestellte Buchse des Gehäuses 5 zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen dem Sammler 3a und dem Gehäuse 5 eingeführt.
Eine Alternative ist in 5b dargestellt, wo an dem Sammler 3a eine Buchse 24 ausgebildet ist, welche zur Herstellung der elektrischen Verbindung in einen Gehäusestecker 25 einfügbar ist.
Bei der Verwendung eines laschenähnlichen Potentialausgleichselementes 14, 15, 17, wie es in den 3, 4 und 5 dargestellt ist, wird das Potentialausgleichselement in einen Kabelschuh 21 eingebracht, wie er beispielhaft in 7 dargestellt ist. Der Kabelschuh 21 besteht dabei aus Aluminium und ist auf der Außenfläche verzinnt. Auf der Innenseite wird zum Schutz vor Oxidation Kontaktfett verwendet. Das Ende des Potentialausgleichselementes 14, 15, 17 wird in die Innenseite des Kabelschuhs 21 eingebracht und zu einer dauerhaften festen Verbindung vercrimpt oder verstemmt. Der Kabelschuh 21 weist dabei im Abschnitt 22 eine zylindrische Innenseite auf, in welche das Potentialausgleichselement 14, 15, 17 eingeführt wird. Alternativ kann der Kabelschuh 21 aber auch in seiner Innenseite dem Blechzuschnitt des Sammlers 3a entgegenkommend quaderförmig ausgeführt sein, so dass das Potentialausgleichselement 14, 15, 17 passgenau in den Kabelschuh 21 eingeführt werden kann.
Das beschriebene einteilig aus dem Sammler 3a ausgebildete Potentialausgleichselement ersetzt somit nicht nur ein flexibles Kabel sondern auch gegen Oxidation geschützte starre Verbindungsbauteile wie Stifte, Ösen und dergleichen, die durch einen zusätzlichen Montageschritt wie Ultraschallschweißen mit dem Sammler 3a verbunden werden. Dadurch werden die Übergangswiderstände von dem Sammler 3a auf das Potentialausgleichselement reduziert. Neben der Reduzierung des Montageaufwandes werden auch entsprechende Fehlermöglichkeiten verringert. Die Gesamtlösung ist somit sehr kostengünstig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011005236 [0002]

Claims

Wärmetauscher für eine Batterieeinheit, umfassend Kühlmittel führende Rohre (3b), welche beidseitig in je einen Sammler (3a, 3c) enden, wobei jeder Sammler (3a, 3c) mit mindestens einem Rohr (3b) verbunden ist und ein Potentialausgleichselement zum elektrischen Potentialausgleich mindestens einen Sammler (3a, 3c) mit einem Gehäuse (5) der Batterie (2) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (14, 15, 17, 23, 24) und der Sammler (3a, 3c) einteilig ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (14, 15, 17, 23, 24) des Sammlers (3a, 3b) aus einem kupferfreien Material besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (14, 15, 17, 23, 24) als Vorsprung (14) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (15, 17) laschenähnlich ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das laschenähnlich ausgebildete Potentialausgleichselement (17) sich annähernd parallel zum Sammler (3a, 3b) erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des laschenähnlichen Potentialausgleichselementes (15, 17) mit dem Gehäuse (5) der Batterie (2) ein Kabelschuh (21) auf dessen laschenähnliches Ende aufgebracht ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabelschuh (21) aus Aluminium besteht, wobei auf dessen Innen- und/oder Außenseite ein Oxidationsschutz aufgetragen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsschutz auf der Innenseite des Kabelschuhs (21) von einem Kontaktfett gebildet wird, während die Außenseite des Kabelschuhs (21) zum Oxidationsschutz verzinnt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (14, 15, 17) vom Kabelschuh (21) umfasst und mit diesem verpresst ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentialausgleichselement (14, 15, 17, 23, 24) als Einpressstecker (23) ausgebildet ist, welcher in eine Einpressaufnahme des Gehäuses (5) der Batterie (2) eingepasst ist oder als Einpressaufnahme (24) ausgeführt ist, welche einen Einpressstecker des Gehäuses (5) aufnimmt.