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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, mit dessen Hilfe insbesondere ein zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenes Batteriemodul gekühlt werden kann.
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Aus
DE 10 2010 009 732 A1 ist ein Batteriemodul mit einem Kühlsystem bekannt, bei dem für jede einzelne Batteriezelle des Batteriemoduls in einer die Batteriezellen oberhalb abdeckenden Abdeckung jeweils ein Kühlkanal vorgesehen ist, so dass ein Kühlmedium die Batteriezelle an einer nach oben weisenden Stirnseite der Batteriezelle umströmen kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis, die Kühlleistung eines Kühlsystems, das insbesondere zur Kühlung eines zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batteriemoduls geeignet ist, zu verbessern.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein insbesondere zur Kühlung eines zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batteriemoduls geeignetes Kühlsystem mit einer guten Kühlleistung ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Kühlsystem, insbesondere zur Kühlung eines zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batteriemoduls, vorgesehen mit einem ein Kühlvolumen begrenzenden Sammlergehäuse, wobei das Kühlvolumen eine Kühlflüssigkeit aufweist, einer thermisch an dem Kühlvolumen angebundenen Kühlplatte zur Wärmeübertragung, mehreren in das Kühlvolumen einmündenden Kühlkanälen, insbesondere zur jeweiligen Kühlung einer einzelnen Batteriezelle, wobei das Kühlvolumen in Schwerkraftrichtung oberhalb der Kühlplatte und oberhalb der Kühlkanäle ein mit mehreren, insbesondere allen, Kühlkanälen verbundenes Sammelvolumen zur Aufnahme von Gasen in einem oberhalb zur Kühlplatte beabstandeten Gasvolumen aufweist.
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In dem Sammlergehäuse können die mehreren Kühlkanäle zusammengeführt werden. Das Kühlvolumen des Sammlergehäuses ist hierbei durch das Sammlergehäuse und die Kühlplatte begrenzt, wobei die außerhalb des Sammlergehäuses verlaufenden Kühlkanäle über in dem Sammlergehäuse und/oder in der Kühlplatte vorgesehene Verbindungsöffnungen mit dem Kühlvolumen kommunizieren können. Die Kühlflüssigkeit kann von den Kühlkanälen über diese Verbindungsöffnungen in das Kühlvolumen eintreten und/oder von dem Kühlvolumen über diese Verbindungsöffnungen in die Kühlkanäle austreten. Insbesondere ist es möglich, dass die Kühlkanäle erwärmte Kühlflüssigkeit in das Kühlvolumen einleiten, so dass der Kühlflüssigkeit über das Sammlergehäuse und/oder die Kühlplatte Wärme entzogen und beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden kann. Insbesondere kann die dadurch gekühlte Kühlflüssigkeit wieder zur Kühlung verwendet werden und aus dem Sammlergehäuse über entsprechende Kühlkanäle zu einem zu kühlenden Bauteil, insbesondere eine Batteriezelle eines Batteriezellenblocks eines Batteriemoduls zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs, geleitet werden.
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Das Kühlvolumen des Sammlergehäuses ist im Vergleich zur Funktion die Kühlkanäle zusammenzuführen und einer passiven Kühlung zu unterziehen deutlich überdimensioniert. Das Kühlvolumen des Sammlergehäuses weist in Schwerkraftrichtung oberhalb der Kühlplatte und der Verbindungsöffnungen der Kühlkanäle ein Sammelvolumen auf, das für das Zusammenführen und Vermischen der Kühlflüssigkeiten der Kühlkanäle nicht notwendig ist und prinzipiell eingespart werden könnte. Das Sammelvolumen als Teil des Kühlvolumens ist jedoch so groß dimensioniert, dass die Kühlkanäle beziehungsweise die Verbindungsöffnungen der Kühlkanäle im laufenden Betrieb vollständig mit Kühlflüssigkeit geflutet beziehungsweise bedeckt sind. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich ohne großen apparativen Aufwand Gasvolumina, insbesondere bei der Befüllung des Kühlsystems mit Kühlflüssigkeit mit eingebrachte Umgebungsluft, kaum vermeiden lassen. Innerhalb des überdimensionierten Sammelvolumens kann ein bewusstes Gasvolumen vorgesehen werden, in dem sich die innerhalb des Kühlsystems befindlichen Gase ansammeln können. Das Gasvolumen wird sich innerhalb des Sammelvolumens an der höchsten Stelle sammeln, so dass das Gasvolumen zu den Kühlkanälen und deren Verbindungsöffnungen beabstandet gesammelt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine Gasvolumina in die Kühlkanäle hinein gelangen und die Kühlleistung dieses Kühlkanals beeinträchtigen. Insbesondere ist es möglich, dass die Kühlflüssigkeit des Kühlkanals eine Batteriezelle nahezu vollständig benetzen kann. Gegebenenfalls bei der Kühlung verdampfte Kühlflüssigkeit kann sich ebenfalls in dem Gasvolumen ansammeln und durch die Kühlung innerhalb des Sammlergehäuses vergleichsweise schnell wieder kondensieren. Durch das mit Hilfe des Sammlervolumens überdimensioniere Kühlvolumen des Sammlergehäuses kann innerhalb des Sammlervolumens in dem bewusst vorgesehenen Gasvolumen im Kühlsystem vorhandene Gase gesammelt werden, so dass diese Gase nicht in die unterhalb des Sammlervolumens liegenden Kühlkanäle eintreten können, wodurch ein insbesondere zur Kühlung eines zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Batteriemoduls geeignetes Kühlsystem mit einer guten Kühlleistung ermöglicht ist.
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Insbesondere weist die Kühlplatte Kühlrippen auf, wobei das im Sammelvolumen vorgesehene Gasvolumen in Schwerkraftrichtung oberhalb zu den Kühlrippen der Kühlplatte beabstandet vorgesehen ist. Die Kühlrippen ragen hierbei von einer zum Kühlvolumen weisenden Seite in das Kühlvolumen des Sammlergehäuses hinein. Es ist auch möglich, dass die Kühlplatte an einer von dem Kühlvolumen wegweisenden Seite beispielsweise kühlrippenartige Kühlelemente aufweist, die insbesondere eine verbesserte Wärmeübertragung an die Umgebung erreichen können. Durch eine derartige Dimensionierung des Sammlervolumens und des innerhalb des Sammlervolumens zu erwartenden Gasvolumens kann ein Auftauchen der Kühlrippe aus der Kühlflüssigkeit vermieden werden. Dadurch können die Kühlrippen während des Betriebs des Kühlsystems vollständig von Kühlflüssigkeit bedeckt sein, so dass ein besonders großer Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit und der Kühlplatte erreicht werden kann. Eine Kühlung der Kühlflüssigkeit oder eine Kühlung der Kühlplatte über die Kühlrippen der Kühlplatte kann dadurch verbessert werden und eine hohe Kühlleistung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist zwischen den Kühlrippen ein gesamtes Rippenkühlvolumen VK ausgebildet, während oberhalb der Kühlrippen das Sammelvolumen VS ausgebildet ist, wobei 0,05 ≤ VK/VS ≤ 0,75, insbesondere 0,10 ≤ VK/VS ≤ 0,50, vorzugsweise 0,20 ≤ VK/VS ≤ 0,40 und besonders bevorzugt VK/VS = 0,30 ± 0,05 gilt. Das Rippenkühlvolumen kann sich hierbei aus den Volumina zusammensetzen, die sich jeweils zwischen zwei benachbarten Kühlrippen von einem Kühlrippengrund bis zu einem Kühlrippenkopf über die Längserstreckung der Kühlrippen ergeben. Bei einer derartigen Dimensionierung des Sammelvolumens im Verhältnis zum gesamten Rippenkühlvolumen kann sich innerhalb des Sammelvolumens ein hinreichend großes Reservoir für Kühlflüssigkeit und anzusammelnde Gase ergeben, das auch im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen Kühlsystem bei auftretenden Vibrationen eine Benetzung der Kühlrippen mit Kühlflüssigkeit sicherstellen kann.
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Besonders bevorzugt münden die jeweiligen Kühlkanäle zwischen zwei Kühlrippen in das Kühlvolumen ein. Dadurch ist es nicht erforderlich, an den Stirnseiten der Kühlrippen einen quer zur Längserstreckung der Kühlrippen verlaufenden Spalt vorzusehen, damit die Kühlrippen nicht die Verbindungsöffnungen der Kühlkanäle abdecken. Eine unnötige Reduzierung der Längserstreckung der Kühlrippen wird dadurch vermieden. Ferner ergibt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau für das Kühlsystem, das dadurch mit kostengünstigen Herstellungsprozessen hergestellt werden kann.
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Insbesondere gilt für das Sammelvolumen VS und das Gasvolumen VG 0,02 ≤ VG/VS ≤ 0,40, insbesondere 0,10 ≤ VG/VS ≤ 0,33, vorzugsweise 0,10 ≤ VG/VS ≤ 0,30 und besonders bevorzugt VG/VS = 0,20 ± 0,05. Bei einer derartigen Dimensionierung des Sammelvolumens im Verhältnis zum zu erwartenden Gasvolumen kann sich innerhalb des Sammelvolumens ein hinreichend großes Reservoir für Kühlflüssigkeit ergeben, dass auch im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen Kühlsystem bei auftretenden Vibrationen eine Benetzung der Kühlplatte mit Kühlflüssigkeit sichergestellt werden kann. Ferner kann das Gasvolumen hinreichend groß dimensioniert werden, dass die Kühlflüssigkeit innerhalb des Kühlvolumens bei Vibrationen hin- und her schwappen kann, wodurch sich eine erhöhte Konvektion innerhalb der Kühlflüssigkeit ergibt, die zu einer verbesserten Wärmeübertragungsleistung führt.
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Vorzugsweise sind bei einer schrägen Ausrichtung der Kühlplatte zur Horizontalen um einen Winkel α die Kühlplatte und insbesondere die Kühlrippen mit Kühlflüssigkeit bedeckt, wobei 1,0° ≤ α ≤ 30,0°, insbesondere 2,5° ≤ α ≤ 20,0°, vorzugsweise 5,0° ≤ α ≤ 15,0° und besonders bevorzugt α = 10,0° ± 2,0° gilt. Daraus ergibt sich eine Dimensionierung für das Sammelvolumen, die auch bei im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs zu erwartenden Schrägstellungen eine gute Kühlleistung sicherstellt.
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Besonders bevorzugt ist die Kühlplatte mit dem Sammlergehäuse einstückig ausgestaltet und insbesondere durch Strangpressen herstellbar. Das Sammlergehäuse kann dadurch kostengünstig als Strangpressteil gemeinsam mit der insbesondere Kühlrippen aufweisenden Kühlplatte hergestellt werden. Insbesondere brauchen die Stirnseiten des Strangpressteils zur Begrenzung des Kühlvolumens nur noch mit flachen Stirnplatten verschlossen werden, wobei vorzugsweise nur die Stirnplatten die Verbindungsöffnungen zum Anschluss der Kühlkanäle aufweisen. Insbesondere können von einem entsprechenden Strangpressteil mehrere Sammlergehäuse abgelängt werden.
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Insbesondere weist das Sammlergehäuse einen mit dem Sammlervolumen kommunizierenden Anschluss zur Abfuhr oder Zufuhr von Kühlflüssigkeit auf, wobei insbesondere der Anschluss in Schwerkraftrichtung unterhalb des Gasvolumens in das Sammlervolumen einmündet. Über den Anschluss kann das Kühlsystem mit Kühlflüssigkeit befüllt und/oder Kühlflüssigkeit entleert werden. Über den Anschluss eintretende Gase, insbesondere Umgebungsluft, kann sich bereits beim Einfüllen der Kühlflüssigkeit in dem Gasvolumen des Sammlervolumens ansammeln ohne hierzu durch die Kühlkanäle geleitet worden zu sein. Insbesondere ist es möglich, dass das Kühlsystem mehr als einen Anschluss aufweist, wobei über den einen Anschluss Kühlflüssigkeit zugeführt und über den anderen Anschluss Kühlflüssigkeit abgeführt wird, so dass die Kühlflüssigkeit nicht innerhalb des Kühlsystems im Kreis gefördert wird, sondern beispielsweise außerhalb des Kühlsystems eine zusätzliche Kühlung erfahren kann.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Batteriemodul zum rein elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einen mehrere Batteriezellen aufweisenden Batteriezellenblock und einem Kühlsystem, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zum Kühlen mindestens eines Batteriezellenblocks, wobei das Kühlsystem in Schwerkraftrichtung oberhalb zum zu kühlenden Batteriezellenblock angeordnet ist und jeweils eine Batteriezelle des zu kühlenden Batteriezellenblocks mit Hilfe jeweils eines Kühlkanals des Kühlsystems kühlbar ist. Durch das mit Hilfe des Sammlervolumens überdimensioniere Kühlvolumen des Sammlergehäuses kann innerhalb des Sammlervolumens in dem bewusst vorgesehenen Gasvolumen im Kühlsystem vorhandene Gase gesammelt werden, so dass diese Gase nicht in die unterhalb des Sammlervolumens liegenden Kühlkanäle eintreten können, wodurch ein Batteriemodul mit einer guten Kühlung ermöglicht ist.
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Insbesondere ist die Kühlplatte mit der mindestens einen Batteriezelle und/oder mit dem mindestens einen Batteriezellenblock wärmeleitend verbunden. In diesem Fall wird die Kühlplatte nicht ausschließlich zum Kühlen der Kühlflüssigkeit genutzt, sondern kann zumindest teilweise über Wärmeleitung Wärme aus der Batteriezelle und/oder dem Batteriezellenblock abführen und innerhalb des Kühlvolumens des Sammlergehäuses an die Kühlflüssigkeit abgeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittansicht eines Kühlsystems in einer horizontalen Grundstellung und
- 2: eine schematische Schnittansicht des Kühlsystems aus 1 in einer Schrägstellung.
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Das in 1 dargestellte Kühlsystem 10 weist ein mit einer Kühlplatte 12 einstückig ausgeführtes Sammlergehäuse 14 auf, wobei das Sammlergehäuse 14 und die Kühlplatte 12 ein Kühlvolumen V einschließen. Das Sammlergehäuse 14 weist einen Anschluss 16 auf, über den das Kühlsystem 10 mit einer Kühlflüssigkeit befüllt werden kann. Die Kühlplatte 12 weist mehrere durch Strangpressen herstellbare in das Kühlvolumen V hineinragende Kühlrippen 18 auf. Zwischen zwei benachbarten Kühlrippen 18 münden Kühlkanäle 20 in das Kühlvolumen V ein, wobei die Kühlkanäle zu Batteriezellen eines Batteriezellenblocks eines Batteriemodul für ein Elektro- und/oder Hybrid-Kraftfahrzeug führen, um dort entstehende Wärme abzuführen. In bevorzugter Ausführungsform münden die Kühlkanäle 20 auf einer Höhe zwischen einem Kühlrippengrund 22 und einem Kühlrippenkopf 24 der Kühlrippen 18 in das Kühlvolumen V ein. Zwischen einer in der dargestellten horizontalen Lage durch die verschiedenen Kühlrippenköpfe 24 definierten Höhe und einer oberhalb dieser Höhe begrenzten Wandung des Sammlergehäuses 14 ist ein Sammelvolumen VS ausgebildet. Innerhalb des überdimensioniert ausgeführten Sammelvolumen VS ist bewusst ein Gasvolumen VG zum Ansammeln von innerhalb des Kühlsystems befindlichen Gasen, insbesondere Luft, vorgesehen, so dass die im Gasvolumen VG angesammelten Gase nicht in die Kühlkanäle 20 gelangen können.
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Wie in 2 dargestellt ist das Sammelvolumen VS derart dimensioniert, dass auch bei einer Schrägstellung des Kühlsystems 10 gegenüber der Horizontalen um ca. 10° die Kühlkanäle 20 und die Kühlplatte 12 einschließlich der Kühlrippen 18 vollständig mit der Kühlflüssigkeit bedeckt sind und nicht in das Gasvolumen VG hinein auftauchen.
