DE102013208996A1 - Temperiervorrichtung, Batteriepack, Wärmetauschelement, Zu- und/oder Ableitung und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Temperiervorrichtung (200) mit wenigstens einem Wärmetauschelement (201; 300), wobei jedes wenigstens einen Kanal (212; 312) aufweist, an je einem des wenigstens einen Wärmetauschelements (201; 300) der wenigstens eine Kanal (212; 312) über einen ersten Sammler (202) an eine Zuleitung (206) und über einen zweiten Sammler (203) an eine Ableitung (207) angeschlossen und von einem Temperiermittel durchströmbar ist. Im Verlauf wenigstens eines des wenigstens einen Kanals (212; 312) und/oder wenigstens einer der Zu- und/oder Ableitungen (206; 207) ist wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung (209; 309) ausgebildet. Die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung (209; 309) zum Einstellen der Durchströmung des wenigstens einen Kanals (212; 312) sind wählbar, einstellbar und/oder nachjustierbar. Beschrieben wird ferner ein Batteriepack (100) mit einer derartigen Temperiervorrichtung (200), ein Wärmetauschelement (201, 300), eine Zu- und/oder Ableitung (206; 207) und ein Herstellungsverfahren dafür. Ein einfacher, flexibler Abgleich der Durchströmungen des Temperiermittels wird damit ermöglicht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung sowie einen Batteriepack, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer derartigen Temperiervorrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Wärmetauschelement sowie eine Zu- und/oder Ableitung für ein Wärmetauschelement. Die Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren für eine derartige Temperiervorrichtung, für einen derartigen Batteriepack, für ein derartiges Wärmetauschelement oder eine derartige Zu- und/oder Ableitung.
• Stand der Technik
• Aus der Druckschrift DE 10 2008 027 293 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie bekannt, umfassend eine Mehrzahl von elektrischen Speicherelementen, z.B. Lithium-Ionen-Batterien oder je nach Anforderungen auch NiMH-Akkumulatoren oder Super-Caps, und einen Kühlkörper mit Kanälen zur Durchströmung mit einem Fluid. Dabei stehen die elektrischen Speicherelemente mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt und ist Wärme der Speicherelemente an das Fluid übertragbar, und der die Kanäle umfassende Kühlkörper ist als zumindest ein Strangpressprofil ausgebildet. Die beschriebene Vorrichtung wird als einfach und kostengünstig herstellbar und als dazu in der Lage bezeichnet, eine effektive und betriebssichere Kühlung bereitzustellen. In einer Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist zur Verteilung des Fluides auf die Kanäle an dem Kühlkörper ein Sammler angeordnet, wobei der Sammler endseitig des Strangpressprofils vorgesehen ist und zumindest einige der Kanäle in den Sammler münden. Bevorzugt sind jeweils eingangsseitig und ausgangsseitig Sammler angeordnet. Zur Sicherstellung einer besonders gleichmäßigen Verteilung des Fluides auf die daran angeschlossenen Kanäle kann der Sammler einen sich in Strömungsrichtung des Fluides veränderlichen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann dabei der veränderliche Querschnitt durch eine veränderliche Eindringtiefe des Kühlkörpers in den Sammler ausgebildet sein.
• Insbesondere zeigt die Druckschrift DE 10 2008 027 293 A1 in der dortigen 10 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Sammler mittels abgestuft unterschiedlich tief in ihn eingreifendem Kühlkörper einen veränderlichen freien Querschnitt über seine Länge aufweist. Hierdurch soll dem Druckabfall des Fluids über die Länge des Sammlers Rechnung getragen und eine gleichmäßige Fluiddurchströmung des Kühlkörpers, der auch aus mehreren einzelnen Strangpressprofilen bestehen kann, sichergestellt werden. Zu den in den dortigen 8 und 9 wiedergegebenen Ausführungsbeispielen ist ferner ausgeführt, dass bei der Fluiddurchströmung des Kühlkörpers ein in diesem auftretender Druckverlust zu berücksichtigen ist. Insbesondere, wenn der Kühlkörper mit Kältemittel durchströmt wird, welches – im Gegensatz zu einem Kühlmittel – bei Aufnahme von Wärme verdampft, ist darauf zu achten, dass der Druckverlust nicht zu hoch wird. Der Druckverlust bestimmt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels. Ein zu hoher Druckverlust hat somit eine Temperatur-Ungleichverteilung in dem Kühlkörper zur Folge. Der Temperaturgradient in dem Kühlkörper sollte nicht höher als 5 Kelvin sein. Dieser Druckverlust und der dadurch bewirkte Temperaturgradient im Kühlkörper begrenzt nach den Ausführungen der Druckschrift DE 10 2008 027 293 A1 die zulässige Länge eines Strömungsweges des Fluids, im beschriebenen Fall eine Anzahl von Umlenkungen der Fluiddurchströmung des Kühlkörpers, d.h. wie oft das Fluid verschiedene Kanäle des Kühlkörpers nacheinander durchströmt.
• Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit den vorbeschriebenen Maßnahmen aufgrund von Fertigungstoleranzen eine gleichmäßige Fluiddurchströmung des Kühlkörpers nur mit großem Aufwand erreichbar ist und dass keine Möglichkeit einer Korrektur oder Nachjustierung der Fluiddurchströmung besteht, sobald der genannte Sammler einmal mit dem Kühlkörper verbunden, d.h. hier insbesondere verlötet, ist.
• Aus der Druckschrift DE 10 2008 034 869 A1 ist eine Batterie mit mehreren einen Zellenverbund bildenden Batteriezellen bekannt. Derartige Batteriezellen müssen gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme abzuführen. Bei einer dazu – aus Bauraumgründen bevorzugten – Flüssigkeitskühlung ist am Zellblock der Batterie eine Kühlplatte mit wenigstens einem von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, durchströmten Kühlkanal angeordnet. Längs der Batteriezellen wird die Wärme entweder durch separate Kühlstäbe oder Kühlplatten oder durch Zellwände der Batteriezellen geleitet. Bei der Wärmeableitung durch die Zellwände sind diese beispielsweise metallisch ausgeführt und in einem oder mehreren Bereichen zur besseren Wärmeleitung aufgedickt. Als Nachteil der bekannten Flüssigkeitskühlung wird jedoch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Kühlplatte beobachtet. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit, die an einer Stelle in den Kühlkanal eintritt, erhöht sich mit zunehmender Wärmeaufnahme, so dass die Temperatur der Kühlplatte entlang des Kühlkanals ansteigt. Deswegen werden die Batteriezellen, die sich im Bereich eines Austritts der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal befinden, schlechter gekühlt als die Batteriezellen im Bereich des Eintritts der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal. Die unterschiedliche Temperatur der Batteriezellen führt zu einer ungleichmäßigen Alterung der Batteriezellen. Neben der Auswirkung auf die Gesamtlebensdauer der Batterie, die durch die am stärksten gealterten Batteriezellen bestimmt wird, unterscheiden sich die einzelnen Batteriezellen dadurch mit zunehmender Nutzungsdauer der Batterie immer mehr voneinander hinsichtlich ihres Lade- und Entladeverhaltens und ihrer Selbstentladung.
• Um eine Batterie mit mehreren Batteriezellen und einer verbesserten Kühlvorrichtung anzugeben, wird in der Druckschrift DE 10 2008 034 869 A1 eine Batterie mit mehreren einen Zellenverbund bildenden Batteriezellen und einer mit den Batteriezellen über Wärmeleitelemente wärmeleitend verbundenen Kühlplatte vorgeschlagen, bei der die Wärmeleitelemente von ihrer Position in dem Zellenverbund abhängige Wärmeübergangsflächen und/oder Wärmeübergangskoeffizienten zu den Batteriezellen und/oder der Kühlplatte aufweisen, so dass unter für die Batterie vorgesehenen Betriebsbedingungen die Innentemperaturen aller Batteriezellen annähernd gleich sind.
• In der Druckschrift DE 10 2008 034 869 A1 wird somit vorgeschlagen, Temperaturdifferenzen von einer Batteriezelle zur nächsten dadurch auszugleichen, dass die Wärmeübergangsflächen und/oder Wärmeübergangskoeffizienten der Wärmeleitelemente zu den Batteriezellen und/oder der Kühlplatte abhängig von ihrer Position in dem Zellenverbund dimensioniert sind.
• Aus der Druckschrift DE 10 2009 014 954 A1 ist eine Vorrichtung zur thermischen Anbindung eines Energiespeichers und/oder einer Kühlplatte bekannt, die ein Kontaktelement mit einer Wärmeübergangsfläche zum Bereitstellen der thermischen Anbindung aufweist. Insbesondere wird dort Bezug genommen auf einen aus Zellen aufgebauten Energiespeicher für Elektrofahrzeuge. Um diese Energiespeicher zu kühlen, werden sie über Kühlbleche mit einer Kühlplatte in thermischen Kontakt gebracht. Diese Kühlbleche werden flächig, ein- oder beidseitig, auf den Zellenaußenflächen angebracht. Die Kühlbleche werden dann mit der Kühlplatte in Kontakt gebracht. Die Kontaktfläche zur Kühlplatte ist dabei meistens gleich der Querschnittsfläche des Kühlbleches aus Dicke und Länge. Diese Kontakt- bzw. Übergangsfläche ist bei allen Konstruktionen der thermische Flaschenhals. Durch das einseitige Verbinden des Kühlbleches mit der Kühlplatte entsteht vor allem über der Höhe der Zelle eine Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz wird durch die Zellabwärme und die Dicke des Kühlbleches bzw. durch die Größe der Übergangsfläche zwischen Kühlblech und Kühlplatte bestimmt. Ein dickes Kühlblech verringert die Temperaturdifferenz
• Um eine verbesserte Vorrichtung zur thermischen Anbindung eines Energiespeichers und/oder einer Kühlplatte, eine verbesserte Vorrichtung zur thermischen Anbindung einer Mehrzahl von Kühlblechen an eine Kühlplatte und eine verbesserte Energiespeichervorrichtung zu schaffen, wird in der Druckschrift DE 10 2009 014 954 A1 der Einsatz von Batterie-Kühlelementen mit veränderlichem Wärmeübergang vorgeschlagen. Dazu weist das oben bezeichnete Kontaktelement einen ersten Bereich mit einer ersten Wärmeleiteigenschaft und mindestens einen weiteren Bereich mit einer weiteren Wärmeleiteigenschaft auf, wobei der erste Bereich und der mindestens eine weitere Bereich in Bezug auf die Wärmeübergangsfläche nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere wird eine Anordnung aus Kühlelementen, z. B. in Form eines Kühlblechs und einer oder mehrerer Wärmeleitfolien vorgeschlagen, die einen, über der Höhe des Kühlblechs, veränderlichen Wärmeübergang aufweisen. Damit kann die maximale Temperaturdifferenz an der Oberfläche einer Batteriezelle möglichst klein gehalten werden. Weiterhin wird nach demselben Prinzip ein veränderlicher Wärmeübergang zwischen Kühlplatte und angebauten Kühlelementen, beispielsweise Kühlblechen vorgeschlagen, um die Temperaturdifferenzen zwischen mehreren Batteriezellen möglichst klein zu halten.
• Auf diese Weise soll ermöglicht werden, die in der Batterie verbauten Zellen gleichmäßig zu kühlen bzw. aufzuheizen, und dabei die Temperaturdifferenz in den Zellen möglichst gering zu halten. Dabei sollen sowohl alle Zellen auf demselben Temperaturniveau liegen als auch die Temperaturdifferenz innerhalb der Zellen, hervorgerufen durch die Kühlung, möglichst gering gehalten werden. Es wird als ein Vorteil der beschriebenen Anordnung bezeichnet, dass eine Vielzahl von Variationen zum Bereitstellen des veränderlichen Wärmeübergangs möglich ist, da entsprechende Veränderungen sowohl an der Folie als auch an dem Kühlblech sowie kombiniert an beiden Elementen vorgenommen werden könnten, wodurch die Anordnung an unterschiedliche Anforderungen und Gegebenheiten angepasst werden könne.
• Bei der aus der Druckschrift DE 10 2009 014 954 A1 bekannten Vorrichtung wird somit ein variabler Wärmeübergang zwischen Batteriezelle und Kühlblech vorgesehen, wozu der Wärmeübergang lokal zwischen Zelloberfläche und Kühlblech in Abhängigkeit von der Kühlblechhöhe und der Kühlblechtemperatur an der entsprechenden Stelle verändert wird. Auf diese Weise kann, wie gewünscht, eine geringere Temperaturdifferenz auf der Zelloberfläche erreicht werden.
• Bei der beschriebenen Folie kann es sich um eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie mit variablem Kontaktwiderstand handeln. Der variable Kontaktwiderstand der Wärmeleitfolie kann dadurch gegeben sein, dass die Wärmeleitfolie in eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichen spezifischen Kontaktwiderständen unterteilt ist. Ein variabler oder veränderlicher Wärmeübergang zwischen der Batteriezelle und dem Kühlblech kann auch durch Materialien mit verschiedenen Kontaktwiderständen, d. h. durch eine Veränderung des k-Wertes erreicht werden. Dazu werden z.B. verschieden gut wärmeleitende Materialien, beispielsweise auf verschiedenen Kunststoffen (PVC, PA oder POM) basierende Materialien oder etwa Streifen von Wärmeleitfolien mit abgestuft unterschiedlichen Kontaktwiderständen, so zwischen Kühlblech und Batteriezelle angeordnet, dass sich die beste Wärmeleitung bzw. der kleinste Kontaktwiderstand z.B. am höchsten Punkt des Kühlblechs und/oder der Batteriezelle ergibt. Neben einer ersten Wärmeleitfolie wird, abgestuft in Richtung Fußpunkt des Kühlbleches, mindestens eine weitere Wärmeleitfolie mit schlechterer Wärmeleiteigenschaft als die erste bzw. mit einem höheren Kontaktwiderstand als die erste eingesetzt. Auf diese Weise kann die Temperaturdifferenz auf der Batterieoberfläche verringert werden. Eine alternative Lösung besteht durch Verwendung einer Wärmeleitfolie, die bereits in eine Dimension hinsichtlich des Kontaktwiderstands eine geeignete Abstufung oder ein Profil aufweist. Dies kann z.B. über unterschiedliche Füllungsgrade erfolgen, d. h. die Materialeigenschaften ändern sich innerhalb einer Dimension. Die Anzahl der Bereiche und ihre jeweilige Höhe bzw. Breite können in Abhängigkeit von der gewünschten maximalen Temperaturdifferenz und von der Größe des ab- bzw. zuzuführenden Wärmestroms geeignet variieren. In weiteren Variationen der Vorrichtung zur thermischen Anbindung des Energiespeichers wird ein variabler Wärmeübergang zwischen einer Batteriezelle und einem Kühlblech durch eine Veränderung eines Anpressdrucks, verschieden große Kontaktflächen am Kühlblech oder verschieden große Kontaktflächen an der Wärmeleitfolie erzielt. Zum Erzielen einer variablen Kontaktfläche ist beispielsweise die Wärmeleitfolie gelocht.
• In der Druckschrift DE 10 2009 014 954 A1 wird ferner eine Vorrichtung zur thermischen Anbindung einer Mehrzahl von Kühlblechen an eine Kühlplatte vorgeschlagen. Diese Vorrichtung umfasst ein Kontaktelement mit einer Wärmeübergangsfläche zum Bereitstellen der thermischen Anbindung, wobei das Kontaktelement einen ersten Bereich mit einer ersten Wärmeleiteigenschaft und mindestens einen weiteren Bereich mit einer weiteren Wärmeleiteigenschaft aufweist. Der erste Bereich und der mindestens eine weitere Bereich sind in Bezug auf die Wärmeübergangsfläche nebeneinander angeordnet. Der erste Bereich ist zur thermischen Anbindung eines ersten Kühlblechs und der mindestens eine weitere Bereich zur thermischen Anbindung eines weiteren Kühlblechs geeignet ist. Über die Mehrzahl von Kühlblechen kann eine Mehrzahl von Energiespeichern thermisch an die Kühlplatte angebunden werden.
• In der Druckschrift DE 10 2009 014 954 A1 wird somit vorgeschlagen, Temperaturdifferenzen innerhalb einer Batteriezelle und/oder von einer Batteriezelle zur nächsten auszugleichen durch Variation einerseits der Wärmeleitung zwischen der Batteriezelle bzw. den Batteriezellen und dem Kühlblech bzw. den Kühlblechen, anderseits der Wärmeleitung zwischen den einzelnen Kühlblechen und der Kühlplatte.
• Aus der Druckschrift DE 10 2010 021 811 A1 ist ein Kühlsystem für Batteriemodule von Elektrofahrzeugen bekannt. Zu derartigen Batteriemodulen sind Einzelzellen, üblicherweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, in geeigneter Weise zusammengeschaltet. Zwischen einer Vielzahl von Einzelzellen des Batteriemoduls ist ein Kühlmedium führendes Element vorgesehen, das aus einer ersten Seite und einer zweiten Seite besteht und im Wesentlichen flächige Kontaktbereiche mit den Einzelzellen des Batteriemoduls ausgebildet hat.
• Als ideal geeignet für den Einsatz in Elektrofahrzeugen werden hermetisch geschlossene Batteriemodule bezeichnet, die ein Eindringen von Schmutz und/oder Feuchtigkeit zuverlässig verhindern. Diese geschlossenen Systeme haben den Nachteil einer stark eingeschränkten Kühlung und somit einer ungleichen Verteilung der Temperatur zwischen den einzelnen Batteriezellen. Um ein Kühlsystem für Batteriemodule zu schaffen, das eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Einzelzellen des Batteriemoduls zulässt und dabei gleichzeitig für eine homogene und effiziente Kühlung des gesamten Batteriemoduls sorgt, besteht im Kühlsystem gemäß der Druckschrift DE 10 2010 021 811 A1 das Kühlmedium führende Element aus einem wärmeleitenden Material und hat mehrere flächige Abschnitte ausgeformt, die in einem wärmeleitenden Kontakt mit den Einzelzellen stehen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärme führende Element ein mäanderförmig geprägtes Blech, das aus einer Vielzahl von U-förmigen Abschnitten aufgebaut ist. Jeder der U-förmigen Abschnitte weist eine flächige Basis auf, die die mehreren flächigen Abschnitte darstellen und die in vollflächigen und wärmeleitenden Kontakt mit den Einzelzellen des Batteriemoduls stehen. Bei dieser Ausführungsform des Kühlmedium führenden Elements ist das in den U-förmigen Abschnitten geführte Kühlmedium Luft. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das mäanderförmig geprägte Blech des das Kühlmedium führenden Elements auf einer Seite mit einem ebenen Blech versehen. Durch dieses ebene Blech, welches auf die flächigen Abschnitte der U-förmigen Abschnitte auf einer Seite des das Kühlmedium führenden Elements geschweißt wird, werden hermetisch verschlossene Kanäle gebildet. In diesen hermetisch verschlossenen Kanälen kann als Kühlmedium eine Flüssigkeit geführt werden.
• Eine weitere Ausführungsform des in der Druckschrift DE 10 2010 021 811 A1 beschriebenen Kühlsystems zeigt eine Ausgestaltung eines das Kühlmedium führenden Elements zur Wärmeabfuhr der in den Einzelzellen des Batteriemoduls erzeugten Wärme mit zwei Blechen, die derart geformt (tief gezogen) sind, dass nach dem Verbinden der beiden umgeformten Bleche im Innern des das Kühlmittel führenden Elements eine Vielzahl von Kanälen ausgebildet ist. Analog dazu ist außen am das Kühlmedium führenden Element eine Vielzahl von flächigen Abschnitten vorhanden, die nach dem Einbau in das Batteriemodul mit den Einzelzellen des Batteriemoduls in wärmeleitendem Kontakt stehen. Das das Kühlmedium führende Element hat einen Zulauf und einen Ablauf ausgebildet. Der Zulauf und der Ablauf und die Ausgestaltung der Kanäle im Innern des das Kühlmedium führenden Elements sind dabei derart ausgeformt, dass ein gleichmäßiger Volumenstrom des Kühlmediums im Inneren des das Kühlmedium führenden Elements, d.h. eine gleichmäßige Durchströmung der Vielzahl der Kanäle, gegeben ist. Bevorzugt wird auch hier als Kühlmedium eine Flüssigkeit verwendet. Die Kanäle sollen so gestaltet werden, dass die Wärmeabfuhr über die gesamte Breite des das Kühlmedium führenden Elements konstant ist. Damit soll verhindert werden, dass im Bereich des Zulaufs und im Bereich des Ablaufs weniger Wärme abgeführt wird, was zu heißeren Stellen in den Einzelzellen des Batteriemoduls führen könnte. Insgesamt soll also durch die Lehre der Druckschrift DE 10 2010 021 811 A1 erreicht werden, dass das Batteriemodul in sich homogen gekühlt wird.
• Durch die Herstellungsart des das Kühlmedium führenden Elements zur Wärmeabfuhr mit zwei tief gezogenen Blechen, zwischen denen die Kanäle für das Kühlmedium geformt sind, ist auch hier keine Möglichkeit einer Korrektur oder Nachjustierung der Fluiddurchströmung mehr gegeben, sobald das das Kühlmedium führende Element einmal hergestellt ist.
• Aus der Druckschrift DE 10 2010 056 204 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie bekannt, die ein insbesondere plattenförmiges Temperierelement umfasst. Bei Flüssigkeitskühlung, die aus Bauraumgründen vorzugsweise angewendet wird, ist dazu das Temperierelement insbesondere als eine von Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlplatte ausgebildet und am Zellblock der Batterie angeordnet. In dem Temperierelement sind zumindest ein erster separater Temperierkanal und ein zweiter separater Temperierkanal angeordnet. Die Batterie ist vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie, wobei die Temperierkanäle mit separaten Temperierkreisläufen des Fahrzeugs gekoppelt sind, beispielsweise der erste Temperierkanal mit einem Temperierkreislauf für ein Temperiermittel einer Klimaanlage und der zweite Temperierkanal mit einem Temperierkreislauf für ein Temperiermittel eines Motors des Fahrzeugs. Mittels zumindest eines Steuerelementes ist eine Durchströmung der Temperierkanäle unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar. Auf diese Weise ist die Batterie in einem Normalbetrieb von dem Temperierkreislauf der Klimaanlage über den ersten Temperierkanal kühlbar und bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder bei einer niedrigen Betriebstemperatur der Batterie mittels des Temperierkreislaufs des Motors über den zweiten Temperierkanal auf eine optimale Betriebstemperatur vorwärmbar.
• In einfachen Ausführungsbeispielen ist ein Querschnitt der Temperierkanäle über deren gesamte Länge konstant. Um eine homogene Wärmeübertragung und Wärmeverteilung über die gesamte Fläche des Temperierelementes zu erreichen, können die Temperierkanäle in weiteren Ausführungsformen auch einen über ihre Länge veränderten Querschnitt aufweisen, welcher in Flussrichtung des jeweiligen Temperiermittels abnehmend oder zunehmend ist. Derartig gestaltete Temperierkanäle sind jedoch sehr aufwendig zu fertigen.
• Die bekannten Kühl- oder Heizvorrichtungen, zusammengefasst auch als Temperiervorrichtungen bezeichnet, sind ausgebildet zum Temperieren, d.h. zum Kühlen und/oder Heizen, einzelner Batteriezellen oder eines einzelnen Batteriemoduls. Ist dagegen eine Mehrzahl von Batteriemodulen oder anderen Objekten möglichst gleichmäßig zu temperieren oder sind zum Temperieren eines oder mehrerer Objekte mehrkanalige, ein Temperiermittel, z.B. ein Kühlmedium, führende Elemente bzw. mehrere mit parallelen Durchströmungen des Temperiermittels zu beaufschlagende Kühlplatten, Temperierelemente oder dergleichen vorzusehen, erweisen sich die bekannten Kühl- und/oder Heizvorrichtungen als umständlich zu handhaben, unzureichend oder ungeeignet.
• Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
• Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Temperiervorrichtung, umfassend ein oder mehrere mit wenigstens einer Durchströmung des Temperiermittels zu beaufschlagende Kühlplatten, Temperier- oder Wärmetauschelemente oder dergleichen, insbesondere mit parallelen Durchströmungen des Temperiermittels zu beaufschlagende Kühlplatten, Temperier- oder Wärmetauschelemente oder dergleichen, zu schaffen, bei der die parallelen Durchströmungen des Temperiermittels einfach wählbar und einstellbar, aber auch nachstellbar bzw. nachjustierbar und dadurch leicht und präzise abgleichbar sind und die geeignet ist zum Temperieren eines oder mehrerer Objekte, insbesondere Fahrzeug-Batteriemodule. Die Erfindung hat ferner die Aufgabe, eine Einrichtung mit einem oder mehreren derartigen zu temperierenden Objekten, insbesondere einen wenigstens ein Fahrzeug-Batteriemodul umfassenden Batteriepack, mit einer derartigen Temperiervorrichtung zu schaffen. Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein Wärmetauschelement sowie eine Zu- und/oder Ableitung für ein derartiges Wärmetauschelement, insbesondere für eine derartige Temperiervorrichtung, zu schaffen. Schließlich hat die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für eine Temperiervorrichtung bzw. für einen Batteriepack der vorgenannten Art zu schaffen, das einfach ausführbar und flexibel auch in der Fertigung anwendbar ist zum – auch nachträglichen – Abgleichen der Durchströmungen des Temperiermittels.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Temperiervorrichtung mit wenigstens einem Wärmetauschelement, wobei jedes wenigstens einen Kanal aufweist, wobei an je einem Wärmetauschelement des wenigstens einen Wärmetauschelements der wenigstens eine Kanal über einen ersten Sammler an eine Zuleitung und über einen zweiten Sammler an eine Ableitung angeschlossen und von einem Temperiermittel durchströmbar ist, wobei im Verlauf wenigstens eines Kanals des wenigstens einen Kanals und/oder wenigstens einer der Zu- und/oder Ableitungen wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung zum Einstellen der Durchströmung des wenigstens einen Kanals wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar sind.
• Besonders vorteilhaft wird diese Aufgabe gemäß einer alternativen Ausbildung gelöst durch eine Temperiervorrichtung mit wenigstens zwei Wärmetauschelementen, wobei jedes wenigstens einen Kanal aufweist, wobei an je einem Wärmetauschelement der Wärmetauschelemente der wenigstens eine Kanal über einen ersten Sammler an eine Zuleitung und über einen zweiten Sammler an eine Ableitung angeschlossen ist und die Kanäle über die Sammler und/oder die Wärmetauschelemente über die Zu- und Ableitungen derart miteinander verbunden sind, dass wenigstens zwei der Kanäle von einem Temperiermittel parallel durchströmbar sind, wobei im Verlauf wenigstens eines der Kanäle und/oder wenigstens einer der Zu- und/oder Ableitungen wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung zum aufeinander Abstimmen der Durchströmungen der Kanäle wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar sind.
• In der Begriffsbestimmung der vorliegenden Erfindung umfasst jedes der Wärmetauschelemente wenigstens einen Kanal sowie je einen ersten und einen zweiten Sammler. In den Sammlern werden insbesondere – sofern vorgesehen – mehrere Kanäle eines Wärmetauschelements an ihrem Anfang einerseits und an ihrem Ende andererseits zusammengeführt und dadurch bevorzugt parallel durchströmbar. In einer Abwandlung können die Kanäle aber auch seriell durchströmbar angeordnet und verbunden sein. An das so gebildete Wärmetauschelement sind die Zu- bzw. Ableitungen über die Sammler angeschlossen, bei der vorliegenden Begriffsbestimmung jedoch nicht vom Wärmetauschelement selbst umfasst. Durch die beschriebene Ausbildung der Anschlüsse der Zu- bzw. Ableitungen an die Sammler sind wahlweise je wenigstens ein Kanal von einem ersten und einem zweiten Wärmetauschelement und/oder Kanäle desselben Wärmetauschelements parallel durchströmbar.
• In der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist die wenigstens eine wählbare und/oder einstellbare und/oder nachjustierbare Querschnittsverengung im Verlauf des wenigstens einen Kanals und/oder im Verlauf der wenigstens einen Zuleitung und/oder im Verlauf der wenigstens einen Ableitung ausgebildet. Bevorzugt ist die wenigstens eine Querschnittsverengung wenigstens soweit von Enden des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zuleitung und/oder der wenigstens einen Ableitung entfernt angeordnet, dass diese Enden und/oder an diesen Enden befindliche Übergänge bzw. Anschlüsse zwischen dem wenigstens einen Kanal und den Sammlern bzw. den Sammlern und der wenigstens einen Zu- bzw. Ableitung von der wenigstens einen Querschnittsverengung nicht berührt sind. Die genannten Übergänge bzw. Anschlüsse und die wenigstens eine Querschnittsverengung beeinflussen sich damit bei der Fertigung nicht.
• Unter einer zumindest im wesentlichen punktuellen Querschnittsverengung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Querschnittsverengung verstanden, deren Abmessung in Richtung des Verlaufs des Kanals und/oder der Zu- und/oder Ableitung zumindest im wesentlichen gering ist gegenüber einer Gesamtlänge des Kanals und/oder der Zu- und/oder Ableitung, jeweils entlang deren Verläufen gemessen. Unter dem Begriff gering gegenüber wird dabei in Anwendung der in der Mathematik üblichen Begriffsbestimmung ein Unterschied der Abmessungen um wenigstens eine Zehnerpotenz verstanden. Wo dieser Unterschied aus konstruktiven Gründen nicht einhaltbar ist, wird aber die genannte Abmessung der Querschnittsverengung so gering gewählt, dass ihre Ausdehnung sich nicht auf die vorerwähnten Enden des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung erstreckt.
• Die erfindungsgemäß ausgebildete wenigstens eine Querschnittsverengung dient zum Einstellen der Durchströmung des wenigstens einen Kanals durch das Temperiermittel, d.h. zum Einstellen der Durchflussmenge, Durchflussrate bzw. Durchflussgeschwindigkeit des Temperiermittels durch den wenigstens einen Kanal. Ist die wenigstens eine Querschnittsverengung in wenigstens einem von wenigstens zwei parallel durchströmten Kanälen ausgebildet, kann damit die Durchströmung der Kanäle einfach und präzise untereinander abgestimmt werden, insbesondere zum Abgleichen einer Übertragung von Wärmeenergie durch das die Kanäle durchströmende Temperiermittel. Ist die wenigstens eine Querschnittsverengung in wenigstens einer von wenigstens zwei Zu- und/oder Ableitungen zu bzw. von parallel durchströmten Kanälen ausgebildet, kann damit die Durchströmung der Kanäle wenigstens zweier Wärmetauschelemente einfach und präzise untereinander abgestimmt und damit insbesondere ein Abgleichen einer Übertragung von Wärmeenergie durch das die Kanäle durchströmende Temperiermittel zwischen den einzelnen Wärmetauschelementen vorgenommen werden. Die Querschnittsverengung bildet mit anderen Worten eine Form einer geometrischen Anpassung einzelner Kanäle und/oder einzelner Wärmetauschelemente untereinander. Beim Abstimmen, d.h. Abgleichen der Übertragung von Wärmeenergie, kann das dabei eingestellte Verhältnis der Durchströmungen der Kanäle zueinander von einem Wert von 1 – entsprechend übereinstimmender Durchströmungen – abweichend gewählt sein.
• Vorteilhaft ist die wenigstens eine Querschnittsverengung strömungsgünstig gestaltet, damit sich in der durch sie gebildeten Engstelle in dem wenigstens einen Kanal oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung keine Korrosionsprodukte oder Verschmutzungen sammeln können, da an diesen Stellen die Verstopfungsgefahr besonders hoch ist. Vorzugsweise ist dazu die wenigstens eine Querschnittsverengung kantenfrei ausgeformt.
• Insbesondere für ein nachträgliches Abstimmen der Durchströmung ist es vorteilhaft, dass die Querschnittsverengungen nachjustierbar ausgebildet sind, so dass sie nach Bedarf veränderbar sind. In einer Abwandlung sind mehrere Querschnittsverengungen im Verlauf eines Kanals und/oder einer Zu- und/oder Ableitung ausgebildet. Bevorzugt bewirkt bei dieser Ausbildung jede der Querschnittsverengungen nur eine vergleichsweise geringfügige Änderung der Durchströmung. Zum Abstimmen lassen sich dann die Querschnittsverengungen nach und nach anbringen und ist so die Durchströmung in kleinen Schritten nachjustierbar.
• Als Wärmeenergie ab und/oder zuführendes Temperiermittel kommen unterschiedlichste Stoffe bzw. Medien zur Anwendung. So kann als Temperiermittel Luft oder ein anderes Gas verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch ein Fluid verwendet, das eine höhere Wärmekapazität als Luft aufweist. Insbesondere wird ein als Kühlmittel einsetzbares Fluid verwendet, welches im gesamten Temperatur- und Druckbereich während des Betriebs der Temperiervorrichtung einen flüssigen Zustand behält. Grundsätzlich ist auch die Verwendung eines Kältemittels möglich, bei dem der Transport der Wärmeenergie unter Ausnutzen des Phasenübergangs zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand erfolgt, jedoch gestaltet sich dessen Handhabung in der erfindungsgemäß ausgebildeten Temperiervorrichtung schwieriger.
• Die erfindungsgemäße Ausbildung der Temperiervorrichtung ermöglicht eine einfache, schnelle und dennoch sehr präzise bestimmbare und genau reproduzierbare Einstellung der Durchströmung der Wärmetauschelemente während der Fertigung, aber auch ein nachträgliches Justieren dieser Durchströmung im Anschluss an die Fertigung bzw. bei einer Inbetriebnahme der Temperiervorrichtung. Dabei benötigt die Erfindung weder zusätzlichen Bauraum noch zusätzliche Bauteile. Auch ist sie bei einer größeren Anzahl von Wärmetauschelementen und/oder Kanälen einfach und arbeitssparend auszuführen. Die Erfindung ermöglicht es, grundsätzlich alle in der Temperiervorrichtung zu verbauenden Wärmetauschelemente, aber auch die Zu und/oder Ableitungen, als sehr einfach aufgebaute Gleichteile zu fertigen und deren individuelle Anpassung bezüglich der einzustellenden Durchströmung leicht, schnell und präzise vorzunehmen. Insbesondere sind bei den als Gleichteile gefertigten Wärmetauschelementen alle Enden der Kanäle bevorzugt in gleicher Weise an die Sammler angeschlossen, ebenso alle Enden der Zu- und/oder Ableitungen. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Ausbildung der Temperiervorrichtung in sehr flexibler Weise sowohl für eine Großserien- als auch für eine Einzelfertigung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sind in den nachfolgend im einzelnen erläuterten Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist die wenigstens eine Querschnittsverengung in wenigstens weitgehend allen Kanälen je eines der Wärmetauschelemente wenigstens nahezu gleich ausgebildet. Dadurch, dass die Kanäle eines Wärmetauschelements wenigstens in ihrer Mehrzahl, bevorzugt jedoch alle die gleiche Querschnittsverengung aufweisen, wird eine gleichartige Beeinflussung und Einstellung der Durchströmung innerhalb eines Wärmetauschelements erhalten, d.h. es wird eine über das gesamte Wärmetauschelement ausgeglichene Durchströmung erreicht. Dies dient einer innerhalb des gesamten Wärmetauschelements gleichmäßigen Übertragung, d.h. Ab- bzw. Zufuhr, der Wärmeenergie. Außerdem ist die Fertigung derartig gestalteter Querschnittsverengungen einfach.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist die wenigstens eine Querschnittsverengung mit einer Verprägung wenigstens einer Wandung des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung ausgebildet. Als Verprägung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine mechanische Einformung, d.h. insbesondere eine Eindrückung bzw. Quetschung, verstanden. Dieser Ausführungsform der Erfindung gemäß weist somit wenigstens eine der Wandungen des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung eine mechanische Einformung, insbesondere Eindrückung bzw. Quetschung, auf. Das Maß der Verprägung, auch als deren Grad bzw. Stärke bzw. Tiefe zu bezeichnen, ist wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar. Eine solche Verprägung ist mit einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit an wenigstens nahezu jeder Stelle im Verlauf des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung sehr schnell und einfach herstellbar.
• In einer Abwandlung sind mehrere Verprägungen vorzugsweise lediglich geringer Tiefe im Verlauf eines Kanals und/oder einer Zu- und/oder Ableitung ausgebildet. Bevorzugt bewirkt bei dieser Ausbildung jede der Verprägungen nur eine vergleichsweise geringfügige Änderung der Durchströmung, verglichen mit deren tatsächlichem Wert bzw. deren insgesamt vorzunehmender Änderung. Zum Abstimmen lassen sich dann die einzelnen Verprägungen nach und nach sehr leicht anbringen und ist so die Durchströmung in kleinen Schritten besonders einfach nachjustierbar.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist wenigstens einer des wenigstens einen Kanals und/oder wenigstens eine der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung außerhalb des Bereichs der wenigstens einen zumindest im wesentlichen punktuellen Querschnittsverengung mit entlang seines bzw. ihres Verlaufs je wenigstens weitgehend gleichförmigen Querschnittsabmessungen ausgebildet. Vorteilhaft ermöglicht diese Ausführungsform mit gleichförmigen Querschnitten eine einfache Ausbildung mit Standardbauteilen, insbesondere Standardprofilen, z.B. Normrohren oder Strangpressprofilen. Bei der Fertigung der Temperiervorrichtung bzw. der Wärmetauschelemente, der Zu- und/oder Ableitungen sind die gewünschten Querschnittsverengungen, z.B. Verprägungen, unabhängig von der Herstellung dieser Standardbauteile in diesen beliebig und individuell vornehmbar.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sind verschiedene Kanäle und/oder Zu- und/oder Ableitungen je untereinander mit voneinander abweichenden Querschnittsabmessungen ausgebildet. Danach sind in einer Temperiervorrichtung, die zwei oder mehr Kanäle aufweist, je wenigstens zwei dieser Kanäle mit voneinander abweichenden Querschnittsabmessungen ausgebildet. Zusätzlich oder statt dessen sind in einer Temperiervorrichtung, die zwei oder mehr Zuleitungen aufweist, je wenigstens zwei dieser Zuleitungen zu verschiedenen Wärmetauschelementen mit voneinander abweichenden Querschnittsabmessungen ausgebildet. Ferner sind zusätzlich oder statt dessen in einer Temperiervorrichtung, die zwei oder mehr Ableitungen aufweist, je wenigstens zwei dieser Ableitungen von verschiedenen Wärmetauschelementen mit voneinander abweichenden Querschnittsabmessungen ausgebildet. Dabei sind bei dieser Ausgestaltung die jeweiligen Querschnittsabmessungen entlang des wenigstens weitgehend gesamten Verlaufs des jeweilig betreffenden Kanals und/oder der jeweils betreffenden Zu- und/oder Ableitung zumindest weitgehend gleichförmig. Bevorzugt sind diese Querschnittsabmessungen entlang des gesamten Verlaufs unverändert. Die Wahl derartiger, von einem Kanal und/oder von einer Zu- und/oder Ableitung zum bzw. zur anderen unterschiedlicher, entlang deren Verlaufs jedoch homogener Querschnittsabmessungen bilden eine andere Form einer geometrischen Anpassung einzelner Kanäle und/oder einzelner Wärmetauschelemente untereinander. Wird diese Bemessung der Querschnittsabmessungen als zusätzliche Maßnahme mit der Ausbildung der Querschnittsverengungen, z.B. Verprägungen, kombiniert, wird damit eine zusätzliche Wahl- bzw. Einstellmöglichkeit für die Durchströmungen geschaffen, durch die ein Einstell- bzw. Wertebereich für die Durchströmung vorgegeben ist, innerhalb dessen durch die Querschnittsverengungen, z.B. Verprägungen, eine individuelle Einstellung bzw. Nachjustierung vornehmbar ist, und zwar in der Art einer Feineinstellung der Durchströmung.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung sind die Querschnittsabmessungen wenigstens weitgehend aller Kanäle je eines der Wärmetauschelemente wenigstens nahezu gleich ausgebildet. Vorteilhaft ist ein solches Wärmetauschelement mit einem Profilwerkstoff, bevorzugt einem Standardprofil, besonders vorteilhaft einem Strangpressprofil, mit mehreren Kanälen mit untereinander identischen Querschnittsabmessungen ausgebildet. Ein derartiges Wärmetauschelement ist einfach, präzise und kostengünstig in unterschiedlichsten Konturen und Abmessungen herstellbar. Dabei sind die Querschnittsabmessungen der Kanäle trotzdem von Wärmetauschelement zu Wärmetauschelement unterschiedlich dimensionierbar bzw. durch Auswahl unterschiedlicher Profile bestimmbar, wie dies in der vorherigen Ausgestaltung beschrieben ist. In einer Abwandlung dieser Ausgestaltung sind innerhalb je eines Profils Kanäle unterschiedlicher Querschnittsabmessungen angeordnet.
• Nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist zum Temperieren wenigstens eines Objekts das wenigstens eine Wärmetauschelement mit je wenigstens einem des wenigstens einen Objekts in wärmeleitenden Kontakt bringbar ausgestaltet. Zwecks günstiger Übertragung der Wärmeenergie ist die Ausgestaltung bevorzugt zum Bilden eines flächigen Kontakts vorgesehen, bei dem das wenigstens eine Objekt und das wenigstens eine Wärmetauschelement flächig aneinander liegend bzw. flächig unmittelbar benachbart angeordnet sind. Außerdem wird mit dieser Anordnung eine Erhöhung der beiderseitigen mechanischen Stabilität durch gegenseitige Abstützung des wenigstens einen Objekts und des wenigstens einen Wärmetauschelements erzielt.
• Eine weitere Fortbildung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung zum Temperieren eines oder mehrerer Batteriemodule, insbesondere Batteriemodule in einem Batteriepack für ein Fahrzeug. Dies ist bevorzugt für Elektro- oder Hybridfahrzeuge vorteilhaft anwendbar.
• Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Batteriepack, umfassend ein oder mehrere Batteriemodule, insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, wobei der Batteriepack eine Temperiervorrichtung der vorbeschriebenen Art umfasst. Dabei umfasst bevorzugt jedes Batteriemodul eine Anzahl vorzugsweise zumindest im wesentlichen flächig aneinandergrenzend gepackter Batterie-Einzelzellen, d.h. elektrochemische Zellen, in einem gemeinsamen Tragrahmen oder dergleichen. Bevorzugt kommen dabei elektrochemische Zellen mit Foliengehäuse, sogenannte „Coffee-Bag-Zellen“, zum Einsatz. Anstelle elektrochemischer Zellen sind in einer Abwandlung z.B. Kondensatoren vorgesehen. Der Einsatz der Erfindung für einen derartigen Batteriepack stellt eine bevorzugte Anwendung dar, die eine effiziente und gleichmäßige Heizung und/oder Kühlung der Batteriemodule des Batteriepacks gewährleistet und durch die so in einfacher und wirksamer Weise ein ausgeglichenes Temperaturniveau im gesamten Batteriepack erzielt wird.
• Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Wärmetauschelement mit wenigstens einem Kanal, der von einem Temperiermittel durchströmbar ist, wobei im Verlauf des wenigstens einem Kanals wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung zum Abstimmen der Durchströmung des wenigstens einem Kanals wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar ist.
• Die oben genannte Aufgabe wird darüber hinaus gelöst durch eine von einem Temperiermittel durchströmbare Zu- und/oder Ableitung für ein Wärmetauschelement, wobei im Verlauf der Zu- und/oder Ableitung wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung zum Abstimmen der Durchströmung des wenigstens einem Kanals wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar ist.
• Vorteilhaft sind diese Konstruktionselemente in einer Temperiervorrichtung der vorbeschriebenen Art eingesetzt und ermöglichen darin in der erläuterten Weise eine Abstimmung einer Durchströmung mit einem Temperiermittel.
• Die oben genannte Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Herstellungsverfahren für eine in der vorbeschriebenen Art ausgestaltete Temperiervorrichtung, für einen Batteriepack der vorbeschriebenen Art mit einer derartigen Temperiervorrichtung, wobei die Temperiervorrichtung wenigstens ein Wärmetauschelement mit je wenigstens einem Kanal, einer Zuleitung und einer Ableitung aufweist, für ein Wärmetauschelement der vorbeschriebenen Art oder für eine in der vorbeschriebenen Art gestaltete Zu- und/oder Ableitung für ein derartiges Wärmetauschelement, wobei dieses Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass im Verlauf des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung mit zum Einstellen bzw. aufeinander Abstimmen von Durchströmungen des wenigstens einen Kanals wählbaren und/oder einstellbaren und/oder nachjustierbaren Querschnittsabmessungen erzeugt wird.
• Die durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umschriebenen Fertigungsschritte können in unterschiedlichsten Fertigungsstadien der Temperiervorrichtung, des Batteriepacks, des Wärmetauschelements, der Zu- und/oder der Ableitung vorgenommen werden. So lassen sich als eine Art Voreinstellung einer Abstimmung von Durchströmungen der aufgeführten Konstruktionselemente die Querschnittsverengungen bereits einfach, schnell, präzise und kostengünstig in dem wenigstens einen Kanal des betreffenden Wärmetauschelements bzw. der zu fertigenden Wärmetauschelemente und/oder in zum Aufbau der Zu- und/oder der Ableitung anzufertigenden Konstruktionselementen vornehmen. Bevorzugt wird dieser Fertigungsschritt der besonders einfachen Handhabbarkeit halber an als derartige Konstruktionselemente vorgesehenen Profilen, insbesondere Rohren oder Strangpressprofilen, unmittelbar vor oder nach deren Längenzuschnitt ausgeführt, d.h. vor einem Zusammenfügen von Kanälen und Sammlern zum Wärmetauschelement bzw. vor einem Zusammenbau einzelner Rohrabschnitte oder Rohrformstücke zu einer Zu- oder Ableitung. Nach einer anderen Variante des Herstellungsverfahrens werden die Querschnittsverengungen am fertig hergestellten, aber noch nicht in die Temperiervorrichtung eingebauten Wärmetauschelement vorgenommen; in gleicher Weise werden die Querschnittsverengungen auch an fertig konfektionierten Zu und/oder Ableitungen angebracht. Darüber hinaus ist auch ein Anbringen der Querschnittsverengungen in jedem Zwischenstadium der Fertigung möglich. Schließlich lassen sich die Querschnittsverengungen auch noch nach Montage der Wärmetauschelemente bzw. der Zu- und/oder Ableitungen in der Temperiervorrichtung anbringen. Letzteres wird bevorzugt in Verbindung mit der beschriebenen Art Voreinstellung der Abstimmung der Durchströmungen der genannten, verbauten Konstruktionselemente ausgeführt, und zwar insbesondere als eine Art Feineinstellung bzw. Nachjustieren der Durchströmungen an der fertigen Temperiervorrichtung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den nachfolgend im einzelnen erläuterten Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird die wenigstens eine Querschnittsverengung in wenigstens weitgehend allen Kanälen je eines der Wärmetauschelemente wenigstens nahezu gleich ausgebildet. Dies ermöglicht eine vereinfachte Herstellung der wenigstens einen Querschnittsverengung in einem einzigen, gemeinsamen Fertigungsschritt und sichert dabei eine gleichmäßige Durchströmung wenigstens weitgehend aller Kanäle des betreffenden Wärmetauschelements.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird die wenigstens eine Querschnittsverengung durch Einbringen einer Verprägung in wenigstens eine Wandung des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung gebildet. Unter einer derartigen
• Verprägung wird im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung eine mechanische Einformung, d.h. insbesondere eine Eindrückung bzw. Quetschung, verstanden. In wenigstens einer Wandung des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung wird demgemäß eine derartige mechanische Einformung, d.h. insbesondere eine Eindrückung bzw. Quetschung, gebildet. Dabei ist das Maß der Verprägung, auch als deren Grad bzw. Stärke bzw. Tiefe zu bezeichnen, wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar. Eine solche Verprägung ist mit einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit an wenigstens nahezu jeder Stelle im Verlauf des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung sehr schnell und einfach anzubringen. Das Herstellen einer solchen Verprägung stellt somit eine besonders einfache, schnelle, präzise und kostengünstige Art der Herstellung einer Querschnittsverengung dar.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Fortbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erhält die Verprägung durch Eindrücken eines Prägewerkzeugs vorbestimmter Gestaltung in die wenigstens eine Wandung des wenigstens einen Kanals und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung eine vorgegebene Kontur. Durch Eindrücken eines vorbestimmten Profils in die Wandung ergibt sich eine definierte Gestaltung der durch die Verprägung gebildeten Querschnittsverengung. Bevorzugt wird dabei eine strömungsgünstige Kontur hergestellt, wozu das Prägewerkzeug entsprechend geformt ist. Durch Verwenden stets desselben Prägewerkzeugs vorbestimmter Gestaltung sowohl für ein Voreinstellen als auch für ein Nachjustieren der Abstimmung der Durchströmung wird in einfacher und wirksamer Weise sichergestellt, dass alle eingebrachten Verprägungen die vorbestimmte, insbesondere strömungsgünstige Kontur aufweisen. Insbesondere wird dadurch bei einem Nachjustieren auf einfache Weise ein nachteiliger Einfluss einer möglicherweise in einem Kanal, einer Zu- und/oder einer Ableitung anzubringenden Mehrzahl von Verprägungen auf eine Durchströmung im Betrieb, z.B. durch eine im vorstehenden beschriebene Ablagerung von Verunreinigungen oder Korrosionsprodukten aus dem Temperiermittel, vermieden.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird das Prägewerkzeug zum Herstellen der Verprägung mehrerer Kanäle eines Wärmetauschelements zugleich und/oder wenigstens nahezu gleichmäßig in die wenigstens eine Wandung der Kanäle eingedrückt, d.h. die Verprägung der Kanäle erfolgt entweder zum selben Zeitpunkt durch gleichzeitiges Eindrücken des Prägewerkzeugs in alle zu verprägenden Kanäle, was eine kurze Fertigungsdauer und auch eine hohe Präzision ermöglicht, oder die Verprägung der Kanäle erfolgt nacheinander durch aufeinanderfolgendes Eindrücken des Prägewerkzeugs in im wesentlichen je einen der zu verprägenden Kanäle, wobei die Verprägungen der einzelnen Kanäle gleich ausgeführt werden. Insgesamt wird eine einfache, schnelle und präzise Herstellung gleichmäßiger und gleichartiger Verprägungen aller Kanäle je eines Wärmetauschelements erzielt. Dagegen sind in einer Alternative zu dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens bei Bedarf die Verprägungen auch verschieden ausführbar.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Es zeigen:
• 1 ein Beispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Batteriepack mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, insbesondere für ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug, in einer perspektivischen Darstellung ohne umgebendes Gehäuse,
• 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung, wie sie im Batteriepack gemäß 1 eingesetzt ist,
• 3 eine perspektivische Teildarstellung des Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung gemäß 2,
• 4 eine perspektivische Darstellung eines einzelnen Wärmetauschelements, wie es im Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung gemäß 2 eingesetzt ist,
• 5 eine perspektivische Teildarstellung des Wärmetauschelements gemäß 4 mit einer Darstellung einer darin ausgebildeten Querschnittsverengung,
• 6 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die Teildarstellung des Wärmetauschelements gemäß 5 mit einer Wiedergabe der darin ausgebildeten Querschnittsverengung,
• 7 im Querschnitts verschiedene Varianten von mit je mehreren Kanälen ausgebildeten Strangpressprofilen mit von Strangpressprofil zu Strangpressprofil veränderten Querschnittsabmessungen der Kanäle für die Ausgestaltung von Wärmetauschelementen für bereits ohne zusätzliche Querschnittsverengungen unterschiedliche Durchströmungen,
• 8 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer Abwandlung eines Wärmetauschelements, welches eine Ausgestaltung mit einem einen Kanal bildenden Rohr und einem daran mechanisch und thermisch angekoppelten, ein Wärmeübertragungselement bildenden Blech aufweist,
• 9 den Abschnitt der Abwandlung des Wärmetauschelements gemäß 8 nach Ausbilden einer Verprägung als Querschnittsverengung,
• 10 ein erstes Diagramm mit einer Darstellung eines Beispiels für eine Verteilung der Durchströmungen in den Wärmetauschelementen der Temperiervorrichtung gemäß 2 ohne gegenseitige Abstimmung,
• 11 ein zweites Diagramm mit einer Darstellung eines Beispiels für eine Verteilung der Durchströmungen in den Wärmetauschelementen der Temperiervorrichtung gemäß 2 nach einer erfindungsgemäß vorgenommenen gegenseitige Abstimmung,
• 12 eine weitere perspektivische Teildarstellung des Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung gemäß 2, zur Wiedergabe weiterer Konstruktionseinzelheiten teilweise aufgeschnitten gezeichnet,
• 13 eine Vorrichtung mit einem einfachen Prägewerkzeug zum Ausbilden einer Verprägung an einem mit einem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelement bzw. an einem Strangpressprofil für ein derartiges Wärmetauschelement, bevorzugt ein Wärmetauschelement bzw. Strangpressprofil gemäß 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 12, in schematischer perspektivischer Darstellung als Ausführungsbeispiel für das Ausbilden einer Querschnittsverengung,
• 14 eine grob schematische Darstellung zur Funktionsweise der Vorrichtung gemäß 13 zum Ausbilden einer Verprägung an einem mit einem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelement bzw. an einem Strangpressprofil für ein derartiges Wärmetauschelement, und
• 15 eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts eines mit einem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelements bzw. eines Strangpressprofils für ein derartiges Wärmetauschelement nach Ausbilden einer gemäß 14 hergestellten Verprägung.
• Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
• In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 ein Beispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Batteriepack bezeichnet, der mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 200, insbesondere für ein Elektro- oder ein Hybridfahrzeug, in einer perspektivischen Darstellung wiedergegeben, wobei ein diesen Batteriepack üblicherweise umgebendes Gehäuse der besseren Anschaulichkeit halber nicht dargestellt ist. Der Batteriepack 100 umfasst in diesem Beispiel insgesamt 24 Batteriemodule 101, die in je zwei über- und hintereinander angeordneten Reihen zu je sechs Batteriemodulen 101 zusammengefasst sind. Die Batteriemodule 101, deren innerer Aufbau mit Batteriezellen und deren elektrische Anschlüsse für die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung keine Bedeutung haben, sind in 1 im wesentlichen als Quader vereinfacht gezeichnet.
• 2 zeigt zur übersichtlicheren und vollständigeren Wiedergabe eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung 200, wie sie im Batteriepack 100 gemäß 1 eingesetzt ist, wobei alle übrigen Konstruktionselemente des Batteriepacks 100, insbesondere die Batteriemodule 101, weggelassen wurden. Die Temperiervorrichtung umfasst zwei übereinander angeordnete Reihen von je sechs Wärmetauschelementen 201, die mit im wesentlichen flächig ausgebildeten Mehrkammer-Strangpressprofilen aufgebaut sind, in welchen die einzelnen, in Längsrichtung der Strangpressprofile sich erstreckenden Kammern von einem Temperiermittel parallel durchströmbare Kanäle bilden. Dabei bedeutet die im wesentlichen flächige Ausbildung der Strangpressprofile, dass deren Dickenabmessungen gering gegenüber ihrer Länge und Breite. Jedes der Strangpressprofile ist an jedem seiner beiden Enden, an denen die Kanäle münden, mit je einem rohrförmigen Sammler 202, 203 verbunden, und zwar an einem Zulaufende 204 des Strangpressprofils mit einem ersten 202 und an einem Ablaufende 205 mit einem zweiten 203 der Sammler. Über die ersten Sammler 202 sind die Strangpressprofile der Wärmetauschelemente 201 an Zuleitungen 206, auch als Vorlauf für ein Temperiermittel bezeichnet, angeschlossen. Über die zweiten Sammler 203 sind die Strangpressprofile der Wärmetauschelemente 201 an Ableitungen 207, auch als Rücklauf für ein Temperiermittel bezeichnet, angeschlossen. Zuleitungen 206 werden hier auch durch Verbindungen der ersten Sammler 202, Ableitungen auch durch Verbindungen der zweiten Sammler 203 gebildet. Die Sammler 202, 203 der oberen der beiden übereinander angeordnete Reihen der Wärmetauschelemente 201 bilden außerdem Verzweigungen für einen Anschluss der Zuleitungen 206 bzw. Ableitungen 207 zu bzw. von der unteren der beiden übereinander angeordneten Reihen der Wärmetauschelemente 201. Alle Zu- bzw. Ableitungen 206 bzw. 207 münden bei der Temperiervorrichtung 200 nach 2 in je einer gemeinsamen Zu- bzw. Ableitung 208 für den Batteriepack 100.
• Im Beispiel der 2 ist die gemeinsame Zuleitung 208, d.h. der gemeinsame Vorlauf der Temperiervorrichtung 200, mit dem ersten Sammler 202 und die gemeinsame Ableitung 208, d.h. der gemeinsame Rücklauf der Temperiervorrichtung 200, mit dem zweiten Sammler 203 des ersten Wärmetauschelements 201 in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 verbunden. Es ist jedoch auch eine Abwandlung dieser Anordnung herstellbar, bei der die gemeinsame Zuleitung 208 mit dem ersten Sammler 202 des ersten Wärmetauschelements 201 in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 und die gemeinsame Ableitung 208 mit dem zweiten Sammler 203 des letzten Wärmetauschelements 201 in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 verbunden ist. In einer noch weiteren Abwandlung dieser Anordnung ist die gemeinsame Zuleitung 208 mit dem ersten Sammler 202 des ersten Wärmetauschelements 201 in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 und die gemeinsame Ableitung 208 mit dem zweiten Sammler 203 des letzten Wärmetauschelements 201 in der unteren Reihe der Wärmetauschelemente 201 verbunden. In diesem letzteren Fall ist bevorzugt die Verbindung der zweiten Sammler 203 aller Wärmetauschelemente 201 einer Reihe von Wärmetauschelementen 201 in der unteren Reihe der Wärmetauschelemente 201 vorgenommen. In den Abwandlungen, in denen die gemeinsame Ableitung 208 mit dem zweiten Sammler 203 des letzten Wärmetauschelements 201 in der oberen oder der unteren Reihe der Wärmetauschelemente 201 verbunden ist, ist eine Rohrverbindung bevorzugt an der Seite des Batteriepacks 100 vor den in der gezeigten Ansicht der Temperiervorrichtung 200 dem Betrachter abgewandten Stirnseiten der Batteriemodule 101 angeordnet.
• Eine quasi diagonale Anordnung der Anschlüsse für die gemeinsamen Zu- und Ableitungen 208, wie sie in den beiden letztgenannten Abwandlungen vorliegt, bildet besonders gute Voraussetzungen für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Durchströmung aller Wärmetauschelemente 201 durch das Temperiermittel.
• In 3, die eine perspektivische Teildarstellung des Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung 200 gemäß 2 zeigt, sind in teilweise angeschnittener Darstellung im wesentlichen drei Wärmetauschelemente 201 wiedergegeben. In der Mitte der Wärmetauschelemente 201 bezüglich ihrer Längserstreckung und damit an einer Position, in der beim Einbau der Temperiervorrichtung 200 in den Batteriepack 100 je zwei der Batteriemodule 101 stirnseitig aneinandergrenzen, ist in die Strangpressprofile der Wärmetauschelemente 201 je eine sich über die gesamte Breite der Strangpressprofile erstreckende Verprägung 209 ausgebildet, durch die eine über die gesamte Breite des jeweiligen Strangpressprofils gleichförmige Querschnittsverengung der von dem Temperiermittel zu durchströmenden Kanäle in den Strangpressprofilen hervorgerufen wird. Mit dem Bezugszeichen 210 sind ferner Befestigungslaschen von Tragblechen 211, die im nachfolgenden noch näher dargestellt werden, bezeichnet. Jedes der Wärmetauschelemente 201 liegt flächig auf zwei dieser Tragbleche 211 auf. Je zwei der Batteriemodule 101 sind im fertig montierten Batteriepack 100 mit ihren Unterseiten flächig auf je einem der Wärmetauschelemente 201 aufgesetzt. Die Tragbleche 211 tragen die Wärmetauschelemente 201 und die Batteriemodule 101 und sind dazu mit ihren Befestigungslaschen 210 an der Übersichtlichkeit halber hier nicht dargestellten Halterungen befestigt, z.B. verschraubt. Zwar tragen bei dieser Bauweise die Strangpressprofile allenfalls zum Teil zur Abstützung der Batteriemodule 101 bei, jedoch hilft die Anordnung der Verprägungen 209, die zu einer Verringerung der Steifigkeit der Strangpressprofile führen können, zwischen den mittigen Befestigungslaschen 210 der Tragbleche 211 dabei, die Stabilität des gesamten Aufbaus zu gewährleisten, wohingegen es auf die Durchströmung keinen Einfluss ausübt, an welcher Position entlang der Strangpressprofile der Wärmetauschelemente 201 die Verprägungen 209 angebracht werden.
• 4 zeigt in einem Ausschnitt der Darstellung von 3 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Wärmetauschelements 201, wie es im Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung gemäß 2 eingesetzt ist, samt den zugehörigen, darunter angeordneten Tragblechen 211.
• In 5 ist zur weiteren Erläuterung eine perspektivische Teilansicht des Wärmetauschelements 201 gemäß 4, d.h. ein Ausschnitt von 4, mit einer Darstellung einer im Strangpressprofil des Wärmetauschelements 201 als Verprägung 209 ausgebildeten Querschnittsverengung wiedergegeben. Deutlich erkennbar ist die Anordnung der beiden Tragbleche 211 unmittelbar unterhalb des Strangpressprofils des Wärmetauschelements 201 und die Anordnung der Verprägung 209 unmittelbar über dem stirnseitigen Stoß beider Tragbleche 211.
• 6 zeigt eine perspektivische, schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die Teildarstellung des Wärmetauschelements 201 gemäß 5 mit einer Wiedergabe der darin ausgebildeten Querschnittsverengung, d.h. Verprägung 209, im Strangpressprofil des Wärmetauschelements 201. Wiedergegeben ist schematisch ein Kanal 212 des Wärmetauschelements 201, der sich zwischen einer oberen Wandung 213 und einer unteren Wandung 214 des Wärmetauschelements 201 in einer durch Pfeile 215 bezeichneten Längsrichtung des Wärmetauschelements 201, in der die Durchströmung mit dem Temperiermittel vorgesehen ist, erstreckt. Durch ein entsprechend geformtes Prägewerkzeug ist erreicht, dass die Querschnittsverengung durch die Verprägung 209 strömungsgünstig geformt ist.
• 7 zeigt im Querschnitt verschiedene Varianten von mit je mehreren Kanälen 212 ausgebildeten Strangpressprofilen für Wärmetauschelemente 201. Von Strangpressprofil zu Strangpressprofil weisen die Kanäle 212 veränderte Querschnittsabmessungen auf. Damit ist eine Ausgestaltung von Wärmetauschelementen 201 für bereits ohne zusätzliche Querschnittsverengungen 209 unterschiedlich einstellbare Durchströmungen möglich, die vorteilhaft als eine Art Voreinstellung der Durchströmungen der einzelnen Wärmetauschelemente 201 beim Zusammenbau der Temperiervorrichtung 200 genutzt wird, indem Wärmetauschelemente 201 mit durch eine Verteilung eines Betriebsdrucks des durchströmenden Temperiermittels resultierender geringerer Durchströmung, d.h. z.B. geringerer Durchflussrate, mit Strangpressprofilen ausgebildet werden, die Kanäle 212 größerer Querschnittsabmessungen aufweisen als solche Wärmetauschelemente 201 mit durch diese Verteilung eines Betriebsdrucks des durchströmenden Temperiermittels resultierender größerer Durchströmung, d.h. z.B. größerer Durchflussrate. Die drei in 7 beispielhaft dargestellten Querschnitte zeigen drei Strangpressprofile mit untereinander übereinstimmender Anzahl und Breite 216 der Kanäle, jedoch unterscheiden sich die Kanäle 212 der einzelnen Strangpressprofile untereinander in ihrer Höhe 217.
• 8 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines Abschnitts einer Abwandlung eines Wärmetauschelements 300, welches eine Ausgestaltung mit einem einen Kanal 312 bildenden Rohr 301 und einem daran mechanisch und thermisch angekoppelten, ein Wärmeübertragungselement bildenden Blech 302 aufweist. Rohr 301 und Blech 302 sind vorzugsweise miteinander verschweißt. Schweißnähte 303 sind in 8 schematisch wiedergegeben. Beim Einbau in eine Temperiervorrichtung 200 wie in 2 dargestellt lässt sich das Wärmetauschelement 300 bevorzugt mit dem das Wärmeübertragungselement bildenden Blech 302 nach oben und dem einen Kanal 312 bildenden Rohr 301 nach unten anordnen, um für ein darauf zu positionierendes Batteriemodul 101 eine ebene Auflage- und Wärmeübertragungsfläche und damit einen guten thermischen Kontakt zu bilden. Dagegen ist die Form des Wärmetauschelements 300 mit dem an seiner Unterseite verlaufenden Rohr bevorzugt bei der Gestaltung eines passenden Tragblechs oder einer entsprechenden, lastaufnehmenden Einrichtung berücksichtigt. Das Rohr 301 kann auf dem Blech 302 geradlinig in Richtung einer Längserstreckung des Wärmetauschelements 300, in Schleifen, Windungen, Mäandern oder dergleichen geführt sein.
• 9 zeigt den Abschnitt der Abwandlung des Wärmetauschelements 300 gemäß 8 nach Ausbilden einer Verprägung 309 als Querschnittsverengung, wobei die Verprägung im wesentlichen senkrecht zur flächigen Erstreckung des Blechs 302 ausgebildet ist, d.h. das Rohr 301 ist im wesentlichen senkrecht zur flächigen Erstreckung des Blechs 302 gequetscht bzw. flachgedrückt. In einer Abwandlung ist die Verprägung im wesentlichen parallel zur flächigen Erstreckung des Blechs 302 ausgebildet, d.h. das Rohr 301 ist im wesentlichen parallel zur flächigen Erstreckung des Blechs 302 gequetscht bzw. flachgedrückt. Beide Ausgestaltungen sind mit einfachen Prägewerkzeugen sehr leicht ausführbar.
• 10 zeigt ein erstes Diagramm mit einer Darstellung eines Beispiels für eine Verteilung der Durchströmungen in den Wärmetauschelementen 201 der Temperiervorrichtung 200 gemäß 2 ohne gegenseitige Abstimmung. Dabei sind auf der Abszisse die Wärmetauschelemente 201 der beiden Reihen aufgetragen, im dargestellten Beispiel sechs Exemplare je Reihe. Die Ordinate gibt die Durchströmung wieder, die hier als Durchflussrate in Litern des das jeweilige Wärmetauschelement 201 durchströmenden Temperiermittels je Minute im dem betreffenden Wärmetauschelement 201 entlang der Abszisse zugeordneten Feld aufgetragen ist. Ohne die mit den erfindungsgemäßen Mitteln vorgenommene Abstimmung der Durchströmungen der einzelnen Wärmetauschelemente 201 ergibt sich für die obere Reihe von Wärmetauschelementen 201 eine Verteilung der Durchströmungen, die mit dem Bezugszeichen 401 bezeichnet ist, und für die untere Reihe von Wärmetauschelementen 201 eine Verteilung der Durchströmungen, die mit dem Bezugszeichen 402 bezeichnet ist. Diese Verteilungen sind stark ungleichmäßig; so wird im dargestellten Beispiel in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 etwa das Wärmetauschelement 201 mit der Ordnungsziffer 4 nur ungefähr mit 10% der Menge an Temperiermittel durchströmt wie das Wärmetauschelement 201 mit der Ordnungsziffer 6. Entsprechend ungleichmäßig ist dadurch die Wirkung der Temperiervorrichtung 200 auf die einzelnen Batteriemodule 101. Das bedeutet, dass z.B. die durch das Wärmetauschelement 201 mit der Ordnungsziffer 4 temperierten, z.B. gekühlten Batteriemodule 101 im Betrieb des Batteriepacks 100 wesentlich stärkeren Temperaturschwankungen ausgesetzt sein werden als die durch das Wärmetauschelement 201 mit der Ordnungsziffer 6 temperierten, z.B. gekühlten Batteriemodule 101. Dies führt entweder zu einer thermischen Überbeanspruchung der betreffenden Batteriemodule 101, oder die Leistungsfähigkeit, d.h. die mögliche Leistung der Batteriemodule kann nicht vollständig genutzt werden.
• 11 zeigt ein zweites Diagramm mit einer Darstellung eines Beispiels für eine Verteilung der Durchströmungen in den Wärmetauschelementen 201 der Temperiervorrichtung 200 gemäß 2 nach einer erfindungsgemäß vorgenommenen gegenseitige Abstimmung, wobei die gleiche Darstellungsweise wie in 10 verwendet wurde. Die Durchströmungen, d.h. die Durchflussraten, in den Wärmetauschelementen 201 der oberen Reihe und diejenigen der unteren Reihe der Wärmetauschelemente 201 nach 2 sind untereinander zumindest nahezu vollständig ausgeglichen. Dabei sind die Durchflussraten in den Wärmetauschelementen 201 der oberen Reihe jedoch um ein bestimmtes Maß größer gewählt als diejenigen der unteren Reihe der Wärmetauschelemente 201, da in der Temperiervorrichtung 200 die obere Reihe der Wärmetauschelemente 201 sowohl die oberen als auch die unteren Batteriemodule 101 des Batteriepacks 100 zu temperieren, z.B. zu kühlen, haben.
• 12 zeigt eine weitere perspektivische Teildarstellung des Ausführungsbeispiels der Temperiervorrichtung 200 gemäß 2, wobei diese zur Wiedergabe weiterer Konstruktionseinzelheiten teilweise aufgeschnitten gezeichnet ist. Insbesondere sind dazu in der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 das zweite und das dritte Wärmetauschelement 201, d.h. die Strangpressprofile samt zugehörigen Sammlern 202, 203, weggelassen worden. Dadurch sind die darunter angeordneten Tragbleche 211 mit den daran angeformten Befestigungslaschen 210 vollständig sichtbar im Detail dargestellt. Bevorzugt sind die Tragbleche 211 mit den daran angeformten Befestigungslaschen einstückig als Stanz- und/oder Pressteile gefertigt. Die Tragbleche 211 sind zwecks besserem Austausch der Wärmeenergie zwischen der oberen Reihe der Wärmetauschelemente 201 und den unteren Reihen der Batteriemodule 101 mit Ausnehmungen, hier in der Form von Querschlitzen 218, ausgebildet, die ebenfalls bevorzugt eingestanzt bzw. gepresst sind; insbesondere sind die Querschlitze 218 zur Versteifung an ihren Rändern um- bzw. hochgebördelt.
• 13 zeigt zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in schematischer perspektivischer Darstellung eine dazu verwendete Vorrichtung 500 mit einem einfachen Prägewerkzeug 501 zum Ausbilden einer Verprägung 209 als Querschnittsverengung an einem mit einem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelement 201 bzw. an einem Strangpressprofil für ein derartiges Wärmetauschelement 201. Bevorzugt wird damit ein Wärmetauschelement 201 bzw. Strangpressprofil gemäß 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 12 bearbeitet. Die Vorrichtung 500 umfasst ein U-förmig-prismatisches Führungselement 502 mit einem ersten und einem zweiten Schenkel 503 bzw. 504 und in jedem der Schenkel 503, 504 einer schlitzförmigen Werkstückaufnahme 505 bzw. 506. Die Schenkel 503, 504 sind über eine Grundplatte 507 fest, bevorzugt einstückig, miteinander verbunden. Die Vorrichtung ist bevorzugt aus Metall, z.B. Werkzeugstahl, angefertigt. Als Prägewerkzeug 501 sind zwei Zylinder vorgesehen und ebenfalls bevorzugt aus Metall, z.B. Werkzeugstahl, angefertigt.
• Zum Ausbilden einer Verprägung 209 in einem Wärmetauschelement 201 wird das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 durch die beiden Werkstückaufnahmen 505 und 506 in den Schenkeln 503, 504 geschoben und so positioniert, dass die Stelle, an der die Verprägung 209 ausgebildet werden soll, sich genau mittig zwischen den beiden Schenkeln 503, 504 befindet. Auf die Oberseite der Grundplatte 507 wird zwischen die beiden Schenkel 503, 504 ein erstes der beiden Prägewerkzeuge 501, d.h. einer der Zylinder, eingeschoben. Auf diesem ersten prägewerkzeug liegt das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 auf. Anschließend wird der zweite der Zylinder auf das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 gelegt. Zwischen die ersten Enden der beiden Zylinder wird ein erstes Distanzelement in Form eines Distanzplättchens 508 geschoben, und zwischen die zweiten Enden der beiden Zylinder wird ein zweites Distanzelement, ebenfalls in Form eines Distanzplättchens 508, jedoch in 13 nicht dargestellt, geschoben. Die Distanzplättchen 508 weisen die Dicke auf, die das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 an der Stelle, an der die Querschnittsverengung ausgebildet werden soll, beim Einformen derselben annimmt. In 13 ist außerdem schematisch ein Ausschnitt aus einer Werkplatte 509 dargestellt, auf der die Vorrichtung 500 Ausbilden der Verprägung 209 aufliegt; dies ist bevorzugt ein Maschinentisch, insbesondere ein Pressentisch, oder eine vergleichbare Unterlage.
• 14 zeigt eine grob schematische Darstellung zur Funktionsweise der Vorrichtung 500 gemäß 13 zum Ausbilden einer Verprägung 209 an dem mit einem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelement 201 bzw. an dem Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201. Der Einfachheit halber sind von der Vorrichtung 500 nur die Prägewerkzeuge 501 sowie die Grundplatte 507 des Führungselements 502 und ein Distanzplättchen 508 angedeutet. Auf das obere der Prägewerkzeuge 501 wird nun ein Stempel 510 aufgesetzt und auf diesen eine durch einen Pfeil dargestellte Kraft 511 aufgebracht. Dadurch drücken sich die Prägewerkzeuge 501 von der Oberseite und der Unterseite des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201 in dieses ein und bilden dadurch die Verprägung 209. Durch die Distanzplättchen 508 wird der vom Stempel 510 bzw. den Prägewerkzeugen 501 beim Verprägen zurückgelegte Weg begrenzt. In 14 sind das obere der beiden Prägewerkzeuge 501, das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 und der Stempel 510 in ihrer Ausgangslage vor Beginn des Verprägens in Vollinien und in ihrer Endlage nach Abschluss des Verprägens strichpunktiert gezeichnet. Die Prägewerkzeuge 501 drücken sich bei diesem Verprägen wenigstens nahezu gleichmäßig in Ober- und Unterseite des Oberseite und der Unterseite des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201 ein. Das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 bewegt sich dabei im Führungselement 502 um die Tiefe der Verprägung 209 an der Unterseite des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201 nach unten auf die Grundplatte zu. Die Werkzeugaufnahmen 505, 506 müssen daher dem Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 soviel Spiel in der Richtung der Bewegung des Stempels 510, d.h. in der Richtung der Kraft 511, lassen, dass sich das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 beim Ausbilden der Verprägungen 209 frei bewegen kann, um die Gefahr einer Beschädigung auszuschließen.
• 15 zeigt schließlich eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts des mit dem Strangpressprofil ausgestalteten Wärmetauschelements 201 bzw. des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201 nach Ausbilden der gemäß 14 hergestellten Verprägungen 209. Diese sind bevorzugt über die gesamte Breite des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201 und damit für alle in diesem Wärmetauschelement 201 angeordneten Kanäle 212 gleich.
• In einer Abwandlung der Vorrichtung 500 ist das untere, zylinderförmige Prägewerkzeug 501 durch ein Quader oder eine Platte ersetzt, oder die Werkstückaufnahmen 505, 506 erstrecken sich unmittelbar bis auf die Oberseite der Grundplatte 507 hinunter, so dass das Strangpressprofil für das Wärmetauschelement 201 zwischen den beiden Schenkeln 503, 504 des Führungselements 502 zum Ausbilden der Verprägung statt auf einem Prägewerkzeug nun auf einer ebenen Unterlage aufliegt. Dadurch wird eine Verprägung 209 nur einseitig, in diesem Fall auf der Oberseite des Strangpressprofils für das Wärmetauschelement 201, erhalten.
• Bezugszeichenliste

100

Batteriepack

101

Batteriemodul

200

Temperiervorrichtung

201

Wärmetauschelement

202

Erster Sammler

203

Zweiter Sammler

204

Zulaufende

205

Ablaufende

206

Zuleitung (Vorlauf)

207

Ableitung (Rücklauf)

208

Gemeinsame Zu- bzw. Ableitung

209

Verprägung (Querschnittsverengung)

210

Befestigungslasche

211

Tragblech

212

Kanal im Wärmetauschelement 201

213

obere Wandung des Wärmetauschelements 201

214

untere Wandung des Wärmetauschelements 201

215

Pfeil: Längsrichtung des Wärmetauschelements 201

216

Breite eines Kanals 212

217

Höhe eines Kanals 212

218

Querschlitze in 211

300

Wärmetauschelement

301

Rohr

302

Blech

303

Schweißnaht

309

Verprägung

312

Kanal 312

401

Verteilung der Durchströmungen

402

Verteilung der Durchströmungen

411

Verteilung der Durchströmungen

412

Verteilung der Durchströmungen

500

Vorrichtung zum Verprägen

501

Prägewerkzeug

502

Führungselement

503

Schenkel

504

Schenkel

505

Werkstückaufnahme in 503

506

Werkstückaufnahme in 504

507

Grundplatte

508

Distanzelement (Distanzplättchen)

509

Werkplatte (Maschinentisch / Pressentisch)

510

Stempel

511

Pfeil: Kraft

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102008027293 A1 [0002, 0003]
• DE 102008034869 A1 [0005, 0006, 0007]
• DE 102009014954 A1 [0008, 0009, 0011, 0013, 0014]
• DE 102010021811 A1 [0015, 0016, 0017, 0017]
• DE 102010056204 A1 [0019]

Claims (10)

1. Temperiervorrichtung (200) mit wenigstens einem Wärmetauschelement (201; 300), wobei jedes wenigstens einen Kanal (212; 312) aufweist, wobei an je einem Wärmetauschelement (201; 300) des wenigstens einen Wärmetauschelements (201; 300) der wenigstens eine Kanal (212; 312) über einen ersten Sammler (202) an eine Zuleitung (206) und über einen zweiten Sammler (203) an eine Ableitung (207) angeschlossen und von einem Temperiermittel durchströmbar ist, wobei im Verlauf wenigstens eines Kanals (212; 312) des wenigstens einen Kanals (212; 312) und/oder wenigstens einer der Zu- und/oder Ableitungen (206; 207) wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung (209; 309) ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung (209; 309) zum Einstellen der Durchströmung des wenigstens einen Kanals (212; 312) wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar sind.
2. Temperiervorrichtung (200) mit wenigstens zwei Wärmetauschelementen (201; 300), wobei jedes wenigstens einen Kanal (212; 312) aufweist, wobei an je einem Wärmetauschelement (201; 300) der Wärmetauschelemente (201; 300) der wenigstens eine Kanal (212; 312) über einen ersten Sammler (202) an eine Zuleitung (206) und über einen zweiten Sammler (203) an eine Ableitung (207) angeschlossen ist und die Kanäle (212; 312) über die Sammler (202, 203) und/oder die Wärmetauschelemente (201; 300) über die Zu- und Ableitungen derart miteinander verbunden sind, dass wenigstens zwei der Kanäle (212; 312) von einem Temperiermittel parallel durchströmbar sind, wobei im Verlauf wenigstens eines der Kanäle (212; 312) und/oder wenigstens einer der Zu- und/oder Ableitungen (206; 207) wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung (209; 309) ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung (209; 309) zum aufeinander Abstimmen der Durchströmungen der Kanäle (212; 312) wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar sind.
3. Temperiervorrichtung (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Querschnittsverengung (209; 309) in wenigstens weitgehend allen Kanälen (212; 312) je eines der Wärmetauschelemente (201; 300) wenigstens nahezu gleich ausgebildet ist.
4. Temperiervorrichtung (200) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Querschnittsverengung (209; 309) mit einer Verprägung (209; 309) wenigstens einer Wandung des wenigstens einen Kanals (212; 312) und/oder der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung (206; 207) ausgebildet ist.
5. Temperiervorrichtung (200) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer des wenigstens einen Kanals (212; 312) und/oder wenigstens eine der wenigstens einen Zu- und/oder Ableitung (206; 207) außerhalb des Bereichs der wenigstens einen zumindest im wesentlichen punktuellen Querschnittsverengung (209; 309) mit entlang seines bzw. ihres Verlaufs je wenigstens weitgehend gleichförmigen Querschnittsabmessungen ausgebildet ist.
6. Temperiervorrichtung (200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kanäle (212; 312) und/oder Zu- und/oder Ableitungen (206; 207) je untereinander mit voneinander abweichenden Querschnittsabmessungen ausgebildet sind.
7. Temperiervorrichtung (200) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen wenigstens weitgehend aller Kanäle (212; 312) je eines der Wärmetauschelemente (201; 300) wenigstens nahezu gleich ausgebildet sind.
8. Batteriepack (100), umfassend ein oder mehrere Batteriemodule (101), insbesondere für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, gekennzeichnet durch eine Temperiervorrichtung (200) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–7.
9. Wärmetauschelement (201; 300) mit wenigstens einem Kanal (212; 312), der von einem Temperiermittel durchströmbar ist, wobei im Verlauf des wenigstens einem Kanals (212; 312) wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung (209; 309) ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung (209; 309) zum Abstimmen der Durchströmung des wenigstens einem Kanals (212; 312) wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar ist.
10. Von einem Temperiermittel durchströmbare Zu- und/oder Ableitung (206; 207) für ein Wärmetauschelement (201; 300), wobei im Verlauf der Zu- und/oder Ableitung (206; 207) wenigstens eine zumindest im wesentlichen punktuelle Querschnittsverengung (209; 309) ausgebildet ist und die Querschnittsabmessungen der wenigstens einen Querschnittsverengung (209; 309) zum Abstimmen der Durchströmung des wenigstens einem Kanals (212; 312) wählbar und/oder einstellbar und/oder nachjustierbar ist.

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