DE102013200239A1

DE102013200239A1 - Kühlsystem für fahrzeugbatterien

Info

Publication number: DE102013200239A1
Application number: DE201310200239
Authority: DE
Inventors: Bhaskara Boddakayala
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US20130183555A1; US9647249B2; CN103219559A; CN103219559B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Kühlsystem für eine Fahrzeugbatterie mit einer Kühlplatte, einem Einlasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid aus einem Wärmetauscher der Kühlplatte zuzuführen; einem Auslasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid zu dem Wärmetauscher zurückzuführen; und mehreren in der Kühlplatte gebildeten Mikrokanälen, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer abzuliefern.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft Kühltechniken für Elektrofahrzeug- und Hybrid-Elektrofahrzeugbatterien.
Herkömmliche Fahrzeuge umfassen elektrische Kraftübertragungen zum Verbessern des Kraftstoffverbrauchs und Verringern von unerwünschten Gasemissionen. Zu den Fahrzeugen, die elektrische Kraftübertragungen verwenden, gehören Hybrid-Elektrofahrzeuge (oder HEV), Einsteck-Hybride (oder PHEV), durchweg elektrische Fahrzeuge oder Batterieelektrofahrzeuge (EV oder BEV) und Brennstoffzellen. Die Batteriepacks für diese Systeme umfassen typischerweise eine Anordnung von 50–250 NiMH- oder Li-Ionen-Batteriezellen in einer beengten Anordnung. Die Packs sind dafür ausgelegt, die Energiedichte jeder Batteriezelle zu vergrößern.
Typischerweise nehmen Wärmeverluste mit Energiedichte zu. Batteriepacks können während des Betriebs eine beträchtliche Menge an Wärme erzeugen. Wenn die Umgebungstemperatur relativ warm ist, kann darüber hinaus die thermische Regelung des Batteriepacks schwierig sein. Unerwünschte Wärmeverluste können zum Beispiel die Energiekapazität des Batteriepacks vermindern und sich auf den Insassenkomfort auswirken. Typische Betriebsparameter für das Batteriepack liegen innerhalb von 30 bis 40 Grad Celsius. Um dies zu mindern, sind bestimmte Batteriepacks mit einem Kühlsystem ausgestattet, das flüssiges Kühlmittel aktiv in dem Batteriepack zirkuliert. Zum Beispiel offenbart die US-Patentveröffentlichung Nr. 2011/0132580 mit dem Titel „Device for Cooling a Vehicle Battery“ eine Kühleinrichtung für eine Fahrzeugbatterie, die ein Kühlelement aufweist, das Konvektionswärmeübertragung von den Batterien unter Verwendung von Fluidkanälen bereitstellt. Obwohl dieses Verfahren der Fluidübertragung effektiv sein kann, sind Verbesserungen mit Bezug auf den Entwurf eines Kühlelements notwendig, um Wärmeübertragung zu vergrößern und Leistungsanforderungen zu verringern.
Andere Systeme, die aktiv Kühlmittel durch ein Kühlsystem zirkulieren, verwenden kostspielige Kühlmittelkühler, thermische Expansionsventile (oder TXV) oder Solenoide zum Kühlen der Batterie auch unter heißen Umgebungsbedingungen. Diese Anordnungen erfordern mehr Teile, größeren Leistungsverbrauch und sind typischerweise kostspieliger als die hier besprochenen Anordnungen. Deshalb ist es wünschenswert, über ein Kühlsystem für eine Fahrzeugbatterie mit verbesserter Wärmeübertragung und verbesserten Systemkosten zu verfügen. Außerdem ist es wünschenswert, über ein Verfahren zu verfügen, um die Kühlfähigkeiten des Kühlsystems zurechtzuschneiden, um gewünschten Leistungsfähigkeitsanforderungen zu genügen.
Die vorliegende Offenbarung wendet sich an eines oder mehrere der obenerwähnten Probleme. Andere Merkmale und/oder Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen.
Eine beispielhafte Ausführungsform betrifft ein Kühlsystem für eine Fahrzeugbatterie, umfassend: eine Kühlplatte; einen Einlasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid aus einem Wärmetauscher der Kühlplatte zuzuführen; einen Auslasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid zu dem Wärmetauscher zurückzuführen; und mehrere in der Kühlplatte gebildete Mikrokanäle, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer abzuliefern.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform betrifft ein Fahrzeugbatteriepack, umfassend: mehrere Batteriezellen; eine an die Batteriezellen angrenzende Kühlplatte; einen Einlasskrümmer oder Auslasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, sich entlang einem Mittenteil der Kühlplatte zu erstrecken; und mehrere in der Kühlplatte gebildete Mikrokanäle, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer abzuliefern.
Eine andere beispielhafte Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlsystems für eine Fahrzeugbatterie, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer Kühlplatte; Anbringen eines Einlasskrümmers an der Kühlplatte; Anbringen eines Auslasskrümmers an der Kühlplatte; und Bilden mehrerer Mikrokanäle, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer in der Kühlplatte abzuliefern. Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass sie ein kosteneffektiveres Kühlsystem für eine Fahrzeugbatterie bereitstellt. Die Notwendigkeit der Verwendung von kostspieligen Kühlmittelkühlern, thermische Expansionsventilen (oder TXV) oder Solenoidventilen wird eliminiert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass sie Kühlsysteme für Fahrzeugbatterien mit verbesserter Wärmeübertragung lehrt, die durch die Platzierung von in einer Kühlplatte gebildeten Mikrokanälen erzielt wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass sie eine Optimierungsfunktion für die Geometrie der Kühlplatte lehrt. Die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems kann dadurch gemäß der Kühlplattengeometrie zugeschnitten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher anhand von Beispielen mit Bezug auf die Figuren erläutert, wobei in den Figuren für identische oder im Wesentlichen identische Elemente dieselben Bezugszahlen verwendet werden. Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Durchführungsweisen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne Weiteres ersichtlich.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) mit einem beispielhaften Kühlsystem für die Fahrzeugbatterie.
2 eine perspektivische Ansicht des Fahrzeugbatteriepacks mit dem Kühlsystem von 1.
3 eine Seitenansicht des Fahrzeugbatteriepacks und Kühlsystems von 1.
4 eine perspektivische Ansicht des Kühlsystems von 1.
5 eine obere Querschnittsansicht des Kühlsystems von 1 mit darin gezeigtem Fluidweg. 6 eine Querschnittsansicht des Kühlsystems von 4 entlang der Linie 6-6. 7 eine Querschnittsansicht des Kühlsystems von 6 entlang dem Kreis 7. 8 ein Modell eines Teils eines Kühlsystems mit Mikrokanälen. 9 eine seitliche Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
10 eine obere Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
11 eine obere Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
12 eine obere Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
13 eine obere Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
14 eine obere Querschnittsansicht eines anderen beispielhaften Kühlsystems.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen in den mehreren Ansichten durchweg gleiche Zeichen Beispiele für dieselben oder entsprechende Teile repräsentieren, sind verschiedene Kühlsysteme zur Verwendung mit Fahrzeugbatterien gezeigt. Die dargestellten Kühlsysteme umfassen eine Kühlplatte, die dafür ausgelegt ist, an eine Menge von Batterien oder Batteriemodulen anzuliegen, um so Wärme von diesen zu entfernen. Die Kühlplatten umfassen einen Einlasskrümmer und einen Auslasskrümmer, die Fluidzirkulation zwischen der Kühlplatte und einem Wärmetauscher ermöglichen. Mikrokanäle sind insofern „Mikro“, als sie relativ zu der Kühlplatte eine extrem kleine Größe aufweisen. Mikrokanäle ermöglichen außerdem Fluidzirkulation zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer (z.B. eine 1:100-Beziehung). Bei bestimmten der dargestellten Ausführungsformen wird Kühlmittel in einen Kühlmittelverteiler eingeführt, der Kühlmittel zu den in die Kühlplatte eingebetteten Mikrokanälen sendet. Das Kühlmittel durchläuft die Mikrokanäle und absorbiert durch die Batteriezellen erzeugte Wärme und arbeitet somit als Wärmeträger. Fluid wird dann während des Betriebs der Batterie durch einen Wärmetauscher geleitet und aktiv zirkuliert. Im Folgenden werden mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Krümmer und Mikrokanäle dargestellt und besprochen.
Außerdem wird nachfolgend ein mathematisches Modell zum Zurechtschneiden der Leistungsfähigkeit eines Kühlsystems gemäß der Mikrokanalgeometrie besprochen. Auf diese Weise können die Kühlsysteme dafür ausgelegt werden, bestimmte Leistungsfähigkeitskenngrößen zu betonen oder zu ent-betonen. Wie gelehrt können die Kühlsysteme zurechtgeschnitten werden, um Wärmeabweisung zu maximieren, den Druck zu minimieren und/oder einen vorbestimmten Kompromiss zwischen diesen Kenngrößen und anderen zu treffen. Nunmehr mit Bezug auf 1 ist darin eine schematische Abbildung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 gezeigt. Wie gezeigt ist in der Kraftübertragung ein Verbrennungsmotor (oder ICE) 20 enthalten. Der ICE 20 ist mit der Verbrennungsmotor-Steuereinheit (oder ECU) 30 verbunden. Die ECU 30 ist durch eine Kommunikationsverbindung mit dem Kraftübertragungs-Steuermodul (oder PCM) 40 verbunden. Das PCM 40 ist außerdem mit einem Batteriesteuermodul (oder BCM) 50 verbunden, das ein Batteriepack 60 steuert. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die ECU 30 und/oder das BCM 50 in das PCM 40 integriert. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das BCM 50 eine Steuerung für ein Kühlsystem (oder eine Kühlvorrichtung) 70, das dafür ausgelegt ist, das Fahrzeugbatteriepack 60 zu kühlen. Das BCM 50 ist außerdem dafür ausgelegt, den Wärmetauscher 80 in Kommunikation mit dem Kühlsystem 70 zu steuern.
Mit Bezug auf 1 ist auf der Hinterachse des Fahrzeugs das Batteriepack 60 zwischen der Fahrer- und Beifahrerseite des Fahrzeugs positioniert. Auf einer Kühlplatte 90 sitzen mehrere Batteriezellen. Die Kühlplatte 90 befindet sich in Fluidkommunikation mit dem auf der Vorderachse des Fahrzeugs angebrachten Wärmetauscher 80. Der Wärmetauscher 80 kann zum Beispiel ein Kühler sein. Der Wärmetauscher 80 umfasst eine Pumpe 100, die in eine Einlaufdüse 110 für die Kühlplatte 90 pumpt. Fluid tritt durch eine Auslaufdüse 120 aus der Kühlplatte aus. Die Pumpe 100 wird durch das BCM 50 gesteuert, um Fluid gemäß programmierten Fahrzeug- und/oder Umgebungskenngrößen auszugeben.
In der Einlassfluidleitung 140 wie in 1 gezeigt ist ein Sensor 130 positioniert. Der Sensor 130 kann eine beliebige Art von Messeinrichtung sein oder mehrere verschiedene Sensoren repräsentieren. Zum Beispiel kann der Sensor 130 ein Temperatursensor, ein Drucksensor, ein Durchflussraten- oder Viskositätssensor sein. Die Fluidleitung 140 ist an die Einlaufdüse 110 angeschlossen, die mit einem Einlasskrümmer (220, wie nachfolgend mit Bezug auf 4 besprochen) in die Leitung 140 verbunden ist. Fluid wird durch die Kühlplatte 90 von 1 geleitet und tritt an einem Auslasskrümmer aus (z.B. 230, wie nachfolgend mit Bezug auf 4 besprochen). Von dem Auslasskrümmer tritt Fluid aus der Kühlplatte an der Auslaufdüse 120 von 1 aus, die an dem anderen Ende der Kühlplatte 90 positioniert ist. Die Auslaufdüse 120 ist an eine Auslassfluidleitung 150 angeschlossen. Außerdem ist in der Auslassfluidleitung 150 ein repräsentativer Sensor gezeigt. Daten in Bezug auf eine beliebige Anzahl von Leistungsfähigkeitskenngrößen können von dem Sensor abgelesen werden. Bei der dargestellten Ausführungsform wird Fluid an einem Auslasssammeltank 160 gesammelt, bevor es in den Wärmetauscher eintritt.
Das in 1 gezeigte Kühlsystem 70 ist eine Kühleinrichtung mit mehreren Facetten. Die Konvektionskühlung wird außerdem durch Verwendung eines Lüfters 170 in Kommunikation mit dem Batteriepack verbessert. Der Lüfter 170 ist mit Bezug auf das Packgehäuse (nicht gezeigt) angebracht und dafür ausgelegt, indirekte oder direkte Kühlung für die Batteriezellen bereitzustellen. Bei anderen Ausführungsformen sind mehrere Lüfter in dem Kühlsystem enthalten. Das BCM 50 ist mit dem Lüfter 170 verbunden, um die Lüfterverwendung gemäß programmierten Fahrzeug- und/oder Umgebungskenngrößen zu steuern.
Wie auch in 1 gezeigt ist, befindet sich ein Sensor 180 in Kommunikation mit dem Batteriepack 60. Der Sensor 180 kann ein einzelner Datensensor sein oder eine beliebige Anzahl von Messeinrichtungen zum Beispiel in Bezug auf Temperatur, Wärmeverlust, Stromstand oder andere Betriebsparameter. Der Sensor 180 ist mit dem BCM 50 verbunden. Nunmehr mit Bezug auf 2–3 ist darin eine Reihe von auf dem Kühlsystem 70 von 1 gestapelten Batteriezellen in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Wie gezeigt sind die Batterien 190 und das Kühlsystem 70 teilweise zusammengebaut. Die Batteriezellenanschlüsse 200 sind mit einem (nicht gezeigten) Bus in dem Batteriepack oder Batteriemodul verbunden. Eine obere Oberfläche der Kühlplatte 210 grenzt an die Batteriezellen an. Die Oberfläche besteht aus einem elektrisch isolierten Material. Die Kühlplatte 90 ist an einem Ende an einen Einlasskrümmer 220 und an dem anderen Ende an den Auslasskrümmer 230 angebracht. In dem Krümmer 220 ist eine Öffnung für die Einlaufdüse 110 gebildet, die dafür ausgelegt ist, den Krümmer 220 und eine Fluidleitung (z.B. 140 wie in 1 gezeigt) zu verbinden. Nunmehr mit Bezug auf 3 ist eine Seitenansicht der Baugruppe von 2 gezeigt. Die Kühlplatte 90 ist auf einer Fahrzeugoberfläche 240 (z.B. einer Bodenwanne) sitzend gezeigt. Die Einlaufdüse 110 ist gestrichelt an den Einlasskrümmer 220 angeschlossen gezeigt. Die Auslaufdüse 120 ist an den Auslasskrümmer 230 angeschlossen gezeigt. Die Kühlplatte 90 ist dafür ausgelegt, zwischen dem Einlass- und Auslasskrümmer 220 bzw. 230 angebracht zu werden, um so eine Lücke oder einen Zwischenraum 250 zwischen der Platte 90 und der Fahrzeugoberfläche 240 zu definieren.
In 4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Kühlplatte 90 gezeigt. Wie gezeigt ist die Kühlplatte 90 mit dem Einlasskrümmer 220 und dem Auslasskrümmer 230 verbunden. Einlasskühlmitteltemperaturen können bei oder über Umgebungstemperaturen liegen. Ein Einlass 260 umfasst die Einlaufdüse 110 und einen Teil des Einlasskrümmers 220. Ein Auslass 270 umfasst außerdem die Auslaufdüse 20 und einen Teil des Auslasskrümmers 230. Die Kühlplatte 90 ist mit mehreren Mikrokanälen 280 gebildet, die sich zwischen dem Einlasskrümmer 220 und dem Auslasskrümmer 230 erstrecken. Die Mikrokanäle 280 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer 220, 230. Der Ausdruck „Mikro“ wird für Kanäle verwendet, die im Vergleich zu dem Hauptteil, den sie versehen, der in diesem Fall die Kühlplatte 90 ist, eine relativ winzige Größe aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Mikrokanäle 280 Rillen, die mit Bezug auf die Kühlplatte 90 abgeteilt sind. Jeder Teil 290 umfasst vier Rillen, die sich zwischen den Krümmern 220, 230 erstrecken. Die Rillen 280 sind insofern miteinander verbunden, als mindestens ein Teil des Fluids in einer Rille desselben Teils durch eine andere Rille fließen kann.
Das Kühlsystem 70 ist dafür ausgelegt, ein Flussmuster wie in 5 gezeigt zu produzieren. Kühlmittel tritt in die Einlaufdüse 110 ein. Kühlmittel breitet sich dann durch den Einlasskrümmer 220 und in die Mikrokanäle 280 aus. Fluid wird durch die Mikrokanäle in den Auslasskrümmer 230 und durch die Auslaufdüse 120 wie gezeigt geleitet.
Der Einlasskrümmer 220 und die Mikrokanäle 280 werden nun mit Bezug auf 6 und 7 besprochen. 6 ist eine teilweise Querschnittsansicht entlang der Linie 6-6 von 4. Außerdem sind in 6 fünf Teile 290 der Kühlplatte 90 gezeigt. Wie gezeigt, umfasst in 7 jeder Teil vier Rillen 280. Zwischen den Rillen 280 befinden sich Rippen 300 oder Profilspitzen. Es sind drei Rippen 300 zwischen den Rillen 280 positioniert oder integriert.
Konvektionswärmeübertragung tritt von der Batterie zu der Flüssigkeit durch die Rippenoberfläche und die Wände 310 der Mikrokanäle 280 (wie in 7 gezeigt) auf.
Wie in 6 und 7 gezeigt, umfasst der Einlasskrümmer 220 eine darin gebildete rampenförmige Oberfläche 320. Der Einlass 260 ist mit einer variierenden Querschnittsfläche gebildet. An der Düse 110 weist der Einlass 260 eine Querschnittsfläche auf, die durch den Radius der Einlaufdüse N_r definiert wird, wie gezeigt. In dem ersten Teil des Einlasskrümmers besitzt der Einlass 260 eine Querschnittsfläche, die durch die Breite des Einlasskrümmers, die konstant ist, und die Höhe des Krümmers definiert wird. In einem ersten Teil des Einlasses 260 ist M_h1 die Höhe des Krümmers. Bei dieser Ausführungsform ist M_h1 größer als N_r. Die Querschnittsfläche in dem Krümmer wird durch die Position einer oberen Oberfläche des Krümmers mit Bezug auf eine untere Oberfläche des Krümmers definiert. Die untere Oberfläche ist an der rampenförmigen Oberfläche 320 geneigt, und dementsprechend ändert sich die Querschnittsfläche des Einlasses 260, d.h. nimmt in weiterer Entfernung von der Einlaufdüse 110 ab. Somit ist M_h3 kleiner als M_h2, das auch kleiner als M_h1 ist. Der Auslass 270 von 4 ist von ähnlichem Aufbau wie der Einlass 260 wie in 7 gezeigt. Der Auslasskrümmer 230 (in 4 gezeigt) ist mit einer rampenförmigen Oberfläche konfiguriert. Die Querschnittsfläche des Auslasses 270 nimmt von dem Krümmer 230 zu der Auslaufdüse 120 hin zu.
Mikrokanäle können dafür ausgelegt werden, variierende Abmessungen aufzuweisen. Nunmehr mit Bezug auf 8 umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlsystems für eine Fahrzeugbatterie Optimierungstechniken für Mikrokanalgeometrie. Es ist ein Querschnitt einer beispielhaften Kühlplatte 400 gezeigt. Die Kühlplatte 400 besteht aus drei verschiedenen Materialien. Eine obere Schicht 410 besteht aus einem dielektrischen Material, das thermisch leitfähig ist. Die Schicht 410 besteht aus einem elektrischen nichtleitfähigen Material. Die Schicht 420 besteht aus einem Metallmaterial (z.B. Aluminium). In der unteren Schicht 430 sind Mikrokanäle gebildet.

Nachfolgend ist Tabelle 1 gezeigt, in der die Kühlsystemleistungsfähigkeit auf der Basis von Mikrokanalgeometrie für mehrere Fallstudien gezeigt ist, wobei ein Einlasskrümmer und Auslasskrümmer von ähnlichem Aufbau wie mit Bezug auf 1–7 besprochen angenommen wird. Zwischen Prüfungen wurden verschiedene Abmessungen justiert. Einige Abmessungen wurden konstant gehalten. Die nachfolgende Tabelle 1 entspricht 8, worin die Abmessungen der Kühlplatte 400 und Mikrokanäle 440 gekennzeichnet sind. Die Breite des Kanals 440 wird als Wc bezeichnet. Ww ist das Material zwischen den Mikrokanälen. Die Dicke der Platte unter dem Boden des Mikrokanals wird mit t bezeichnet. Die Gesamtlänge jedes Mikrokanals wird mit L bezeichnet und die Breite der Kühlplatte wird mit W bezeichnet. Die Gesamthöhe der Platte wird mit H bezeichnet. Die Höhe jedes Mikrokanals wird durch Hc angegeben. Wie nachfolgend gezeigt, wurden Probefälle mit unterschiedlicher Mikrokanalbreite Wc und Anzahl von Mikrokanälen durchgeführt. Andere aufgelistete oder nichtaufgelistete Parameter können auch justiert werden, um die Kühlplattenleistungsfähigkeit zu optimieren. Eine zur Optimierung der Verringerung der Kühlmittelauslasstemperatur ausgelegte Kühlplatte hätte einen Mikrokanal mit einer Breite von 400 mm. Um die Wärmeabweisung zu optimieren, wurde eine mit den Kenngrößen von Fall 7 gebildete Kühlplatte implementiert. In der Kühlplatte waren 30 Gesamtkanäle gebildet und jeder Kanal ist ungefähr 7,1 mm breit. Um den Druckabfall von Einlass zu Auslass der Kühlplatte zu maximieren, wurde auch die Geometrie von Fall 7 verwendet. Auf diese Weise kann die Kühlplattengeometrie zurechtgeschnitten werden, um Leistungsfähigkeitsziele auf der Basis von empirischen Daten oder der Regressionsanalyse gerecht zu werden. Leistungsfähigkeitsziele können Abfälle der Kühlmitteltemperatur, Druckabfälle im Kühlmittel, Wärmeabweisung und andere Faktoren, die Kühlung unterstützen, umfassen. Tabelle 1 – Kühlungsleistungsfähigkeit auf der Basis der Mikrokanalgeometrie

Geometrische Parameter	Fall 1	Fall 2	Fall 3	Fall 4	Fall 5	Fall 6	Fall 7
Breite Wc des Kanals (mm)	400	68	33	20	13,7	9,7	7,1
Anzahl c der Kanäle insgesamt	1	5	10	15	20	25	30
Kühlmittel-auslass temperatur (Celsius)	30,6 4	30,7 5	30,8 75	30,9 5	31,0 5	31,1 4	31,2
Wärmeabweisungs fähigkeit (Watt)	292	443	516	565	620	677	743
Druckabfall, ungefähr (kpa)	0,03	0,09 1	0,40 9	1,12 5	2,45 7	4,99	9,87 2

Ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlsystems für eine Fahrzeugbatterie umfasst die besprochenen Optimierungstechniken. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bilden einer Kühlplatte (z.B. 90 wie in 4 gezeigt); Anbringen eines Einlasskrümmers an der Kühlplatte (z.B. 220 wie in 4 gezeigt); Anbringen eines Auslasskrümmers an der Kühlplatte (z.B. 230 wie in 4 gezeigt); Bilden mehrerer Mikrokanäle, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer in der Kühlplatte abzuliefern (z.B. 280 wie in 4 gezeigt); und Zurechtschneiden einer Geometrie der Mikrokanäle gemäß einem Leistungsfähigkeitsziel. Wie besprochen, umfasst das Zurechtschneiden der Geometrie der Mikrokanäle das Setzen einer beliebigen der oben erwähnten Abmessungen für die Mikrokanäle gemäß einem Leistungsfähigkeitsziel. Das Verfahren kann zum Beispiel das Identifizieren eines Leistungsfähigkeitsziel für das Kühlsystem (z.B. eine Wärmeabweisung von größer oder gleich 620 Watt) umfassen. Ein mathematisches Modell, wie etwa die oben gezeigte empirische Tabelle, wird konsultiert, um die Geometrie der Mikrokanäle zu bestimmen. Unter Verwendung der Kontrollkenngrößen von Tabelle 1 kann eine Kühlplatte mit mindestens 20 darin gebildeten Mikrokanälen mit einer Standardbreite von 13,7 mm gebildet werden, um die Zielwärmeabweisung zu erreichen. Nunmehr mit Bezug auf 9 ist darin ein Querschnitt eines anderen beispielhaften Kühlsystems 500 gezeigt. Das Kühlsystem 500 umfasst eine Kühlplatte 510 mit darin gebildeten Mikrokanälen 520. Die Mikrokanäle 520 weisen eine andere Größe und Konfiguration als zum Beispiel die Mikrokanäle 280 von 6–7 auf. In 9 sind mehrere Teile der Kühlplatte 510 gezeigt. Wie gezeigt, umfasst jeder Teil vier rechteckige Mikrokanäle 520, die in einem Mittelteil der Kühlplatte 510 gebildet sind. Jeder Mikrokanal 520 ist von angrenzenden Kanälen isoliert und nicht fluidverbunden.
Bei anderen Ausführungsformen weisen die Mikrokanäle 520 verschiedene Größen und Formen auf. Zum Beispiel ist bei einer Ausführungsform die Basis des Mikrokanals winkelig angeordnet, um so ein dreieckiges Profil oder Tal in der Basis des Kanals zu bilden. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine kreisförmige Basis gebildet. Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind die Mikrokanäle auch rechteckige Kanäle, sind aber in einer geringeren Tiefe als in 9 gezeigt gebildet.
Fluid tritt durch einen Einlasskrümmer 530 in die Kühlplatte ein. In 9 ist ein Querschnitt des Einlasskrümmers 530 teilweise gezeigt. Wie gezeigt umfasst der Einlasskrümmer 530 eine Einlaufdüse 540 und eine darin gebildete rampenförmige Oberfläche 550. Der Einlass 560 wird mit variierender Querschnittsfläche gebildet. An der Düse 540 weist der Einlass 560 eine Querschnittsfläche auf, die durch den Radius der Einlaufdüse N_r wie gezeigt definiert wird. In dem ersten Teil des Einlasskrümmers 530 besitzt der Einlass 560 eine Querschnittsfläche, die durch die Breite des Einlasskrümmers, die konstant ist, und die Höhe des Krümmers, die variiert, definiert wird. In einem ersten Teil des Einlassteils ist M_h1 die Höhe des Krümmers (gemessen von dem oberen und unteren Teil des Krümmers). Bei dieser Ausführungsform ist M_h1 größer als N_r. Die untere Oberfläche ist geneigt, und dementsprechend ändert sich die Querschnittsfläche des Einlasses 560, d.h. nimmt in weiterer Entfernung von dem Einlass ab. Somit ist M_h3 kleiner als M_h2, das auch kleiner als M_h1 ist. Nunmehr mit Bezug auf 10 ist darin ein weiteres beispielhaftes Kühlsystem 600 für eine Fahrzeugbatteriebaugruppe gezeigt. Das Kühlsystem 600 umfasst eine Kühlplatte 610, die an einen Auslasskrümmer 620 und Einlasskrümmer 630 angebracht ist. In 10 ist eine obere Querschnittsansicht der Kühlplatte 610 gezeigt. Ein Einlass 660 umfasst eine Einlaufdüse 670, die an dem Einlasskrümmer 630 angebracht ist. Ein Auslass 640 umfasst eine Auslaufdüse 650, die auch an dem Auslasskrümmer 620 angebracht gezeigt ist. Die Kühlplatte 610 ist mit Mikrokanälen 680 gebildet, die sich zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer 630 bzw. 620 erstrecken. Die Mikrokanäle 680 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer. Das Kühlsystem 600 von 10 ist dafür ausgelegt, ein einzigartiges Flussmuster zu produzieren. Bei dieser Ausführungsform sind der Einlass 660 und Auslass 640 an einem gemeinsamen Ende 690 des Kühlsystems positioniert. Dadurch zirkuliert Kühlmittel in variierenden Distanzen (z.B. einer kürzeren Route durch Mikrokanäle in der Nähe des Endes 690 der Kühlplatte 610 und einer längeren Distanz durch die Mikrokanäle fern dem Ende 690). Bei dieser Ausführungsform sind der Einlass 660 und Auslass 640 an dem Ende 690 positioniert.
Das Kühlsystem 600 wie in 10 gezeigt ist mit einem Batteriepack für ein Fahrzeug kompatibel. Das Batteriepack besteht aus einer Reihe von Modulen 700. Bei dieser Anordnung können die Module 700 wie gestrichelt gezeigt auf dem Kühlsystem gestapelt werden. Während des Betriebs des Kühlsystems wird thermische Energie von der angrenzenden Oberfläche der Batteriemodule 700 entfernt.
Nunmehr mit Bezug auf 11 wird hier ein weiteres beispielhaftes Kühlsystem 750 für eine Fahrzeugbatteriebaugruppe gezeigt. Das Kühlsystem 750 umfasst eine Kühlplatte 760, die an einem Einlasskrümmer 770 und Auslasskrümmer 780 angebracht ist. In 11 ist eine obere Querschnittsansicht der Kühlplatte 760 gezeigt. Ein Einlass 790 umfasst eine Einlaufdüse 800, die an dem Einlasskrümmer 770 angebracht ist. Ein Auslass 810 umfasst eine Auslaufdüse 820, die auch an dem Auslasskrümmer 780 angebracht gezeigt ist. Der Einlass und Auslass 790 bzw. 810 sind kolinear mit Bezug auf die Kühlplatte 760 positioniert. Der Einlass 790 ist an dem Ende 830 der Kühlplatte 760 positioniert; der Auslass ist an dem Ende 840 der Kühlplatte positioniert. Der Einlasskrümmer 770 erstreckt sich durch einen Mittelteil der Kühlplatte 760. Der Auslasskrümmer 780 erstreckt sich um zwei Seiten der Peripherie der Kühlplatte 760 herum. Die Kühlplatte 760 ist mit Mikrokanälen 850 gebildet, die sich zwischen dem Einlasskrümmer 770 und dem Auslasskrümmer 780 erstrecken. Die Mikrokanäle 850 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer. Das durch das Kühlsystem von 11 produzierte Flussmuster ist gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine mittlere Kühlmittelleitung mit dem Einlasskrümmer 770 in der Mitte der Kühlplatte 760 positioniert vorgesehen. Kühlmittel tritt in eine Einlaufdüse 800 ein und verlässt den Auslasskrümmer an der Auslaufdüse 820. Kühlmittel zirkuliert in unterschiedlichen Distanzen (z.B. einer kürzeren Route direkt von dem Einlass 790 zu dem Auslass 810 und einer längeren Distanz durch die Mikrokanäle 850 an dem Auslasskrümmer 780 und dann durch den Auslass 810).
Auf dem Kühlsystem 750 sind wie in 11 gezeigt mehrere Batteriemodule 860 positionierbar. Während des Betriebs des Kühlsystems wird thermische Energie von der angrenzenden Oberfläche der Batteriemodule entfernt. Eine erste Reihe von Batteriemodulen 750 ist auf einer Seite des Einlasskrümmers 770 angeordnet. Eine zweite Reihe von Batteriemodulen ist auf einer anderen Seite des Einlasskrümmers 770 angeordnet. Auf diese Weise wird ein Ventilationsdurchgang 870 zwischen der ersten Reihe von Batteriemodulen und der zweiten Reihe von Batteriemodulen definiert. Der Ventilationsdurchgang 870 stellt bei diesem Kühlsystem 750 zusätzliche Wärmeentfernung in dem Mittelteil des Batteriepacks bereit. Darüber hinaus ordnet der Ventilationsdurchgang 870 eine größere Distanz zwischen Batteriemodulen 860 an, wodurch Ventilation zwischen ihnen möglich wird.
Nunmehr mit Bezug auf 12 wird heir ein weiteres beispielhaftes Kühlsystem 900 für eine Fahrzeugbatteriebaugruppe gezeigt. Das Kühlsystem 900 umfasst eine Kühlplatte 910, die an einen Einlasskrümmer 920 und Auslasskrümmer 930 angebracht ist. 12 zeigt eine obere Querschnittsansicht der Kühlplatte 910. Ein Einlass 935 umfasst eine Einlaufdüse 940, die an dem Einlasskrümmer 920 angebracht ist. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Auslässe 950, 960 vorgesehen. Jeder Auslass 950, 960 umfasst eine Auslaufdüse 970, die auch an einen Teil des Auslasskrümmers 930 angebracht gezeigt ist. Der Einlass 935 und die Auslässe 950, 960 sind an dem Ende 980 der Kühlplatte 910 positioniert. Der Einlasskrümmer 920 erstreckt sich durch einen Mittenteil der Kühlplatte 910. Der Auslasskrümmer 930 erstreckt sich um drei Seiten der Peripherie der Kühlplatte 910 herum.
Die Kühlplatte 910 von 12 ist mit Mikrokanälen 990 gebildet, die sich zwischen dem Einlasskrümmer 920 und dem Auslasskrümmer 930 erstrecken. Die Mikrokanäle 990 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer 920, 930. Das durch das Kühlsystem 900 von 12 produzierte Flussmuster ist gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine mittlere Kühlmittelleitung mit dem Einlasskrümmer 920 in der Mitte der Kühlplatte 910 positioniert vorgesehen. Kühlmittel tritt in eine Einlaufdüse 940 ein und verlässt den Auslasskrümmer 930 an der Auslaufdüse 970. Kühlmittel zirkuliert in unterschiedlichen Distanzen (z.B. einer kürzeren Route direkt von dem Einlass 935 zu dem Auslass 950 oder 960 und einer längeren Distanz durch Mikrokanäle an dem Ende der Kühlplatte, das von dem Einlass und Auslass entfernt ist, Ende 1000). Auf diese Weise wird ein Ventilationsdurchgang 1010 zwischen den auf dem Kühlsystem 900 positionierten Batteriemodulen 1020 definiert. Eine erste Reihe von Batteriemodulen ist auf einer Seite des Einlasskrümmers 920 angeordnet. Auf einer anderen Seite des Einlasskrümmers ist eine zweite Reihe von Batteriemodulen angeordnet. Der Ventilationsdurchgang 1010 wird dazwischen gebildet.
Nunmehr mit Bezug auf 13 wird hier ein weiteres beispielhaftes Kühlsystem 1100 für eine Fahrzeugbatteriebaugruppe gezeigt. Das Kühlsystem 1100 ist in drei Teile segmentiert, die mehrere Fahrzeugbatteriepacks (oder Module) 1110 unterstützen, die in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs positioniert sind. Das Kühlsystem 1100 umfasst eine Kühlplatte 1120 mit einem schmalen Teil 1130 und zwei größeren senkrecht positionierten Teilen 1140 und 1150. Die Kühlplatte 1120 ist an einem Einlasskrümmer 1160 und Auslasskrümmer 1170 angebracht. In 13 ist eine obere Querschnittsansicht der Kühlplatte 1120 gezeigt. Ein Einlass 1190 mit Düse ist an dem Einlasskrümmer 1170 angebracht. Ein Auslass 1180 mit Düse ist auch an einem Teil des Auslasskrümmers 1160 angebracht gezeigt. Der Einlasskrümmer 1170 erstreckt sich durch einen Mittelteil der Kühlplatte 1120. Der Auslasskrümmer 1160 erstreckt sich um die Peripherie der Kühlplatte herum.
Die Kühlplatte 1120 von 13 ist mit Mikrokanälen 1200 gebildet. Die Mikrokanäle 1200 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer 1160, 1170. Das durch das Kühlsystem von 13 produzierte Flussmuster ist gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine mittlere Kühlmittelleitung mit dem Einlasskrümmer 1170 in der Mitte der Kühlplatte 1120 positioniert vorgesehen. Kühlmittel tritt in einen Einlass 1190 ein und verlässt den Auslasskrümmer an dem Auslass 1180. Es können acht Sätze von Batteriemodulen 1110 mit Bezug auf die Kühlplatte 1120 positioniert werden.
Nunmehr mit Bezug auf 14 wird hier ein weiteres beispielhaftes Kühlsystem 1300 für eine Fahrzeugbatteriebaugruppe gezeigt. Das Kühlsystem 1300 ist in drei Teile 1310, 1320 und 1330 segmentiert, die mehrere Fahrzeugbatteriepacks (oder Module) unterstützen, die in verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs positioniert sind. Das Kühlsystem 1300 umfasst eine Kühlplatte 1340 mit einem senkrecht mit Bezug auf zwei andere Teile 1310 und 1330 positionierten Teil 1320. Die Kühlplatte 1340 ist an einem Einlasskrümmer 1350 und Auslasskrümmer 1360 angebracht. Die Kühlplatte 1310 ist an einem Ablauf 1385 angebracht, der mit dem Auslasskrümmer 1360 verbunden ist. In 14 ist eine obere Querschnittsansicht der Kühlplatte 1340 gezeigt. An dem Einlasskrümmer 1350 ist eine Einlaufdüse 1370 angebracht. Außerdem ist eine Auslaufdüse 1380 an einem Teil des Auslasskrümmers 1360 angebracht gezeigt. Der Auslasskrümmer erstreckt sich den Ablauf 1390 herunter in Verbindung mit dem Ablauf 1385 und unter die Kühlplatte 1340.
Die Kühlplatte 1340 von 14 ist auch mit Mikrokanälen 1400 gebildet. Die Mikrokanäle 1400 befinden sich in Fluidkommunikation mit jedem Krümmer 1350, 1360. Das durch das Kühlsystem von 14 produzierte Flussmuster ist gezeigt. Es können mindestens drei Sätze von Batteriemodulen 1410 mit Bezug auf die Kühlplatte positioniert werden.
Mikrokanäle können unter Verwendung einer Anzahl verschiedener Herstellungstechniken gebildet werden, darunter, aber ohne Beschränkung darauf, Laserschneiden, Wasserschneiden, Extrudierung, Spritzguss, Fräsen oder andere Bearbeitungstechniken. Außerdem versteht sich, dass verschiedene Arten von Fluid oder Kühlmittel mit den verschiedenen Kühlsystemen benutzt werden können, die von der vorliegenden Offenbarung besprochen und betrachtet werden. Zum Beispiel kann Wasser benutzt werden und es kann eine Wasserglykolmischung, Kühlmittel, Kühlflüssigkeit, Öl, Luft oder eine andere Art von Fluid benutzt werden.
Obwohl die besten Durchführungsweisen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, sind für Fachleute auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Ausüben der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche ersichtlich.
Bezugszeichenliste
Fig. 1

80: Wärmetauscher
180: Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0132580 [0003]

Claims

Kühlsystem für eine Fahrzeugbatterie, umfassend: eine Kühlplatte; einen Einlasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid aus einem Wärmetauscher der Kühlplatte zuzuführen; einen Auslasskrümmer, der dafür ausgelegt ist, Fluid zu dem Wärmetauscher zurückzuführen; und mehrere in der Kühlplatte gebildete Mikrokanäle, die dafür ausgelegt sind, Fluid zwischen dem Einlasskrümmer und dem Auslasskrümmer abzuliefern.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Einlasskrümmer oder der Auslasskrümmer zwischen einer ersten und zweiten Menge von in der Kühlplatte gebildeten Mikrokanälen positioniert ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Einlass an einem Ende des Einlasskrümmers; und einen Auslass an einem Ende des Auslasskrümmers.
Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei der Einlass eine variierende Querschnittsfläche aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei der Einlass und der Auslass an einem gemeinsamen Ende des Kühlsystems positioniert sind.
Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei der Einlass und der Auslass kolinear mit Bezug auf die Kühlplatte positioniert sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Mikrokanäle Kanäle sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Mikrokanäle Rillen sind.
Kühlsystem nach Anspruch 8, wobei mindestens bestimmte der Mikrokanäle der mehreren Mikrokanäle miteinander verbunden sind.
Kühlsystem nach Anspruch 9, ferner umfassend: zwischen miteinander verbundenen Mikrokanälen integrierte Rippen.