-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher, insbesondere eine Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, sowie eine darauf basierende Energiespeichervorrichtung.
-
Stand der Technik
-
Knapper werdende petrochemische Rohstoffe und vielerorts geltende strenge Richtwerte für den CO2-Ausstoß führen zu einer zunehmenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen. Mit einem Elektromotor ausgestattete Kraftfahrzeuge benötigen eine Hochvoltbatterie, um die für den Antrieb notwendige Energie bereit zu stellen. Um die Lebensdauer der Energiespeicherzellen der Hochvoltbatterie zu verlängern, um ihre kontinuierliche Leistungsfähigkeit zu gewährleisten sowie um ein thermisches Durchgehen einzelner Energiespeicherzellen zu verhindern, benötigen Hochvoltbatterien eine Kühlvorrichtung. Eine regelmäßig zu lösende Aufgabe ist dabei, wie ein guter thermischer Übergang zwischen der Kühlvorrichtung und den zu kühlenden Energiespeichermodulen bewerkstelligt werden kann.
-
Häufig werden die Energiespeichermodule über sogenannte Gap Filler thermisch an die Kühlprofile angebunden. Gap Filler sind beispielsweise in Form von Wärmeleitpasten, Wärmeleitklebern oder auch Matten bekannt. Gap Filler sind relativ teuer. Pastöse Gap-Filler-Materialien sind dickflüssig und können nur sehr schwer in schmale Spalte eingebracht werden. In der Regel einseitig klebende Gap Filler-Matten hingegen können recht leicht bei der Montage der Energiespeichermodule durch Reibung, die parallel zur Oberfläche des Kühlprofils verläuft, vom Kühlprofil abgestreift werden.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Ausgehend vom Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kühlvorrichtung vorzuschlagen, die ein verbessertes thermisches Kontaktieren eines Energiespeichermoduls erlaubt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine auf der Kühlvorrichtung basierende Energiespeichervorrichtung anzugeben.
-
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren.
-
Dementsprechend umfasst die Erfindung eine Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher mit einem Kühlprofil zum Abtransportieren von Wärme. Bei dieser Kühlvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs handeln. Erfindungsgemäß weist die Kühlvorrichtung mindestens ein wärmeleitendes Federelement zum thermischen Kontaktieren eines Energiespeichermoduls auf, wobei das mindestens eine Federelement derartig mit dem Kühlprofil verbunden ist, dass ein Wärmefluss vom Energiespeichermodul über das Federelement in das Kühlprofil ermöglicht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen wärmeleitenden Federelement um mindestens eine metallische Feder, wobei in der Regel natürlich mehrere solcher metallischen Federn zum Einsatz kommen werden.
-
Gegenüber Gap Fillern sind metallische Federn beispielsweise aus Blech billig herzustellen und können bei einer Demontage der Kühlvorrichtung wieder sortenrein verwertet werden. Die Federelemente drücken gegen das Energiespeichermodul und stellen so einen guten thermischen Übergang her. Die thermische Leitfähigkeit von Metallen wie z.B. Stahl oder Aluminium ist um ein Vielfaches höher als die von thermischen Gap Fillern. Bei Gap Fillern liegt die Wärmeleitfähigkeit in der Regel in einem Bereich von 1 bis 5 W/mK. Federstahl hat im Gegensatz dazu einen Wärmeleitwert von 42,6 W/mK. Durch die Verwendung von Federn wird keine Vorrichtung zum Dosieren von Gap-Filler-Paste mehr benötigt. Die Federn sind einfach montierbar und können Toleranzen ausgleichen. Darüber hinaus sind Federn sehr viel robuster als Gap Filler, die durch Relativbewegungen zerstört werden können.
-
Das erwähnte mindestens eine Federelement kann beispielsweise als mindestens eine Blattfeder ausgestaltet sein. Blattfedern sind besonders einfach und günstig herstellbar. Sie sind für den hier verfolgten Zweck besonders gut geeignet, weil sie eine große Fläche für den Wärmeabtransport bereitstellen.
-
Das mindestens eine Federelement kann über ganz verschiedene Verbindungstechniken mit dem Kühlprofil verbunden sein. In Betracht kommt es beispielsweise, das mindestens eine Federelement mit dem Kühlprofil zu verschweißen oder auch zu verlöten. Ebenfalls ist es denkbar zu schrauben oder zu nieten. Alternativ könnte auch erwogen werden, das mindestens eine Federelement an das Kühlprofil anzukleben. Auch eine formschlüssige Verbindung durch Einstecken des mindestens einen Federelements in Nuten des Kühlprofils ist möglich. Natürlich können die hier genannten Verbindungstechniken auch miteinander kombiniert werden.
-
Die oben genannte mindestens eine Blattfeder kann auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite mit dem Kühlprofil verbunden sein. Wenn sie auf nur einer Seite mit dem Kühlprofil verbunden ist, übt das andere Ende der Blattfeder einen Anpressdruck auf das Energiespeichermodul durch die Elastizität des Blattfedermaterials aus.
-
In einigen Ausführungsformen besitzt das Kühlprofil eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen des Federelements am Kühlprofil. Diese Befestigungseinrichtung kann zum Beispiel mindestens eine Nut aufweisen, in die das mindestens eine Federelement eingreift. Eine Nut erlaubt zum Beispiel einen Längenausgleich der Blattfeder, wenn diese durch einen Gegendruck des Energiespeichermoduls belastet wird. Es ist möglich, dass die Blattfeder an einer Seite mit den oben beschriebenen Techniken fest mit dem Kühlprofil verbunden ist, während die andere Seite in die Nut eingreift.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Befestigungseinrichtung jedoch mehrere Nuten auf und jede Blattfeder der mindestens einen Blattfeder ist jeweils derartig in zwei der mehreren Nuten eingespannt, dass sich die Blattfeder in eine Richtung des Energiespeichermoduls wölbt. Durch die Abmessungen der Blattfedern und den Abstand der Nuten zueinander kann der auf das Energiespeichermodul ausgeübte Anpressdruck eingestellt werden.
-
Das mindestens eine Federelement kann beispielsweise Kupfer und/oder Stahl umfassen. Vorzugsweise kommt Kupferberyllium mit einem Berylliumanteil von beispielsweise 2 % zum Einsatz. Die genannten Metalle weisen gute Federeigenschaften und eine gute thermische Leitfähigkeit auf.
-
Häufig wird das Kühlprofil Aluminium umfassen, da Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen besonders leicht und thermisch leitfähig sind. Das Kühlprofil kann beispielsweise als ein Strangpressprofil ausgestaltet sein, da Strangpressprofile besonders einfach herstellbar sind.
-
Aus Gewichtsgründen ist das Kühlprofil vorzugsweise innen hohl. In dem so entstehenden Hohlraum kann sich beispielsweise Luft befinden. Alternativ könnte auch ein Kühlfluid zum Wärmeabtransport durch den Hohlraum des Kühlprofils gepumpt werden.
-
Die Kühlvorrichtung kann eine Kühlplatte umfassen, mit der das Kühlprofil verbunden ist oder mehrere solche Kühlprofile verbunden sind. Das Kühlprofil ist dann beispielsweise senkrecht auf der Kühlplatte angeordnet. Auf diese Weise kann die Wärme aus dem Kühlprofil in die Kühlplatte abtransportiert werden. Vorzugsweise weist die Kühlplatte einen Kühlkanal auf, der von einem Kühlfluid durchströmt werden kann, um so Wärme aus der Kühlplatte abzutransportieren. Dadurch kann eine ausreichende Kühlleistung sichergestellt werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine Energiespeichervorrichtung mit mindestens einem Energiespeichermodul und mindestens einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Das mindestens eine Energiespeichermodul wird dabei von der Kühlvorrichtung mittels des mindestens einen Federelements thermisch kontaktiert. Dadurch können die Federelemente das mindestens eine Energiespeichermodul einspannen und so fixieren. Durch ihre Elastizität gewährleisten sie einen Toleranzausgleich.
-
Das genannte Energiespeichermodul kann mehrere Energiespeicherzellen aufweisen, die jeweils an eine Kühlfinne angrenzen. Jede Kühlfinne kann dann durch jeweils mindestens ein Federelement der Kühlvorrichtung kontaktiert werden. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Wärme so von den Energiespeicherzellen über die Kühlfinnen und die Federelemente in das Kühlprofil fließen kann.
-
In einer Ausführungsform grenzen an jede Kühlfinne jeweils zwei Energiespeicherzellen an und die Kühlfinne sowie die zwei Energiespeicherzellen werden durch einen gemeinsamen Zellrahmen stabilisiert. Auf diese Weise wird ein besonders effizienter, stabiler und modularer Aufbau der Energiespeichervorrichtung erreicht.
-
Bei den genannten Energiespeicherzellen kann es sich beispielsweise um sogenannte Pouch-Zellen auf Lithiumionenbasis zum Speichern elektrischer Energie handeln. Diese sind gemessen an ihrer Energiespeicherfähigkeit besonders günstig.
-
Kurze Figurenbeschreibung
-
Weitere Details und damit zusammenhängende Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung sollen im Folgenden mit Bezug auf die Figuren erläutert werden. Dabei zeigen:
-
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
-
2 eine perspektivische Draufsicht auf eine Energiespeichervorrichtung;
-
3 ein von beiden Seiten kontaktiertes erfindungsgemäßes Kühlprofil;
-
4A eine seitliche Sicht auf ein erfindungsgemäßes Kühlprofil;
-
4B eine Sicht von rechts auf das Kühlprofil aus 4A;
-
5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlplatte;
-
6 einen Schnitt durch die Kühlplatte aus 5 und
-
7 eine Durchsicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlplatte.
-
In der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche und gleich wirkende Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen benannt.
-
In der 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 dargestellt. Diese umfasst eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 2 und eine Ausführungsform eines Energiespeichermoduls 3. Die Kühlvorrichtung 2 umfasst ein Kühlprofil 4 zum Abtransportieren von Wärme.
-
Das Kühlprofil 4 ist in der 4A von der Seite und in 4B von vorne dargestellt. Es ist als ein Strangpressprofil aus Aluminium ausgestaltet und ist in seinem Inneren hohl. Durch den Hohlraum 5 kann beispielsweise ein Kühlfluid gepumpt werden. An seinen Seiten besitzt das Kühlprofil mehrere Nuten 6, in die mehrere Blattfedern 7 eingespannt werden können, wie der 1 zu entnehmen ist. Die Blattfedern 7 sind im gezeigten Beispiel aus Stahl hergestellt. Sie drücken derartig gegen das Energiespeichermodul 3, dass ein thermischer Kontakt zwischen dem Kühlprofil 4 und dem Energiespeichermodul 3 hergestellt wird. Auf diese Weise wird ein Wärmefluss vom Energiespeichermodul 3 über die Blattfedern 7 in das Kühlprofil 4 ermöglicht. Die Kühlprofile 4 sind senkrecht auf einer Kühlplatte 8 angeordnet, mit der sie über eine Nut-Feder-Verbindung in Kontakt stehen. Innerhalb der Kühlplatte 8 existieren mehrere Kühlkanäle 9, die von einem Kühlfluid durchströmt werden, um so die Kühlplatte zu entwärmen.
-
Die Kühlplatte 8 soll mit Bezug auf die 5 bis 7 näher erläutert werden. Wie der 5 zu entnehmen ist, weist die Kühlplatte 8 mehrere Nuten 10 auf, in die die in den 4A und 4B gezeigten Federn 11 eingreifen können, um so eine Nut-Feder-Verbindung herzustellen. Die 6 zeigt einen Schnitt durch die Kühlplatte 8, so dass die Kühlkanäle 9 gut sichtbar sind. In der 7 ist die Kühlplatte 8 noch einmal in einer Durchsicht dargestellt, um den Verlauf der Kühlkanäle 9 zu verdeutlichen.
-
Wieder mit Bezug auf die 1 soll im Folgenden der Aufbau der Ausführungsform des Energiespeichermoduls 3 erläutert werden. Dieses umfasst mehrere Energiespeicherzellen 12, die jeweils an eine Kühlfinne 13 angrenzen. Jeweils zwei Energiespeicherzellen 12 sind dabei mit einer Kühlfinne 13 verbunden und werden durch einen gemeinsamen Zellrahmen 14 stabilisiert. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Stapelbarkeit, wie in der 1 zu sehen ist. Bei den Energiespeicherzellen 12 handelt es sich übrigens um sogenannte Pouch-Zellen auf Lithiumionenbasis. Die Kühlfinnen 13 ragen aus den Zellrähmen 14 heraus und werden dort von den Blattfedern 7 thermisch kontaktiert. Auf diese Weise ist ein verlässlicher Wärmefluss von den Energiespeicherzellen 12 über die Kühlfinnen 13 und die Blattfedern 7 in das Kühlprofil 4 sichergestellt.
-
Wie die 2 zeigt, können mehrere Energiespeichermodule 3 nebeneinander angeordnet werden, wobei die Energiespeichermodule 3 jeweils durch ein Kühlprofil 4 voneinander getrennt sind. Die 3 zeigt einen Schnitt durch so ein Kühlprofil 4, das zwischen zwei Energiespeichermodulen 3 angeordnet ist. Dort ist gut zu sehen, dass die Blattfedern 7, die links und rechts am Kühlprofil 4 angeordnet sind, jeweils gegen die Kühlfinnen 13 der Energiespeichermodule 3 drücken, um so einen thermischen Kontakt zwischen der Kühlvorrichtung und den Energiespeichermodulen herzustellen.
-
Die mit Bezug auf die Figuren gemachten Erläuterungen sind rein illustrativ und nicht beschränkend zu verstehen. An der gezeigten Ausführungsform können viele Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt ist, zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung
- 2
- Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
- 3
- Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls
- 4
- Ausführungsform eines Kühlprofils
- 5
- Hohlraum
- 6
- Nut
- 7
- Blattfeder
- 8
- Kühlplatte
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Nut für Nut-Feder-Verbindung
- 11
- Feder für Nut-Feder-Verbindung
- 12
- Energiespeicherzelle
- 13
- Kühlfinne
- 14
- Zellrahmen
