DE102014116181A1 - Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher und Energiespeichervorrichtung - Google Patents
Kühlvorrichtung für einen Energiespeicher und Energiespeichervorrichtung Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (2) für einen Energiespeicher sowie eine darauf basierende Energiespeichervorrichtung (1). Die Kühlvorrichtung (2) umfasst ein Kühlprofil (4) zum Abtransportieren von Wärme und mindestens ein wärmeleitendes Federelement (7) zum thermischen Kontaktieren eines Energiespeichermoduls (3). Das mindestens eine Federelement (7) ist derartig mit dem Kühlprofil (4) verbunden, dass ein Wärmefluss vom Energiespeichermodul (3) über das Federelement (7) in das Kühlprofil (4) ermöglicht wird.
Description
- 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 aus4A ; -
5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlplatte; -
6 einen Schnitt durch die Kühlplatte aus5 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 Energiespeichervorrichtung1 dargestellt. Diese umfasst eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung2 und eine Ausführungsform eines Energiespeichermoduls3 . Die Kühlvorrichtung2 umfasst ein Kühlprofil4 zum Abtransportieren von Wärme. - Das Kühlprofil
4 ist in der4A von der Seite und in4B von vorne dargestellt. Es ist als ein Strangpressprofil aus Aluminium ausgestaltet und ist in seinem Inneren hohl. Durch den Hohlraum5 kann beispielsweise ein Kühlfluid gepumpt werden. An seinen Seiten besitzt das Kühlprofil mehrere Nuten6 , in die mehrere Blattfedern7 eingespannt werden können, wie der1 zu entnehmen ist. Die Blattfedern7 sind im gezeigten Beispiel aus Stahl hergestellt. Sie drücken derartig gegen das Energiespeichermodul3 , dass ein thermischer Kontakt zwischen dem Kühlprofil4 und dem Energiespeichermodul3 hergestellt wird. Auf diese Weise wird ein Wärmefluss vom Energiespeichermodul3 über die Blattfedern7 in das Kühlprofil4 ermöglicht. Die Kühlprofile4 sind senkrecht auf einer Kühlplatte8 angeordnet, mit der sie über eine Nut-Feder-Verbindung in Kontakt stehen. Innerhalb der Kühlplatte8 existieren mehrere Kühlkanäle9 , die von einem Kühlfluid durchströmt werden, um so die Kühlplatte zu entwärmen. - Die Kühlplatte
8 soll mit Bezug auf die5 bis7 näher erläutert werden. Wie der5 zu entnehmen ist, weist die Kühlplatte8 mehrere Nuten10 auf, in die die in den4A und4B gezeigten Federn11 eingreifen können, um so eine Nut-Feder-Verbindung herzustellen. Die6 zeigt einen Schnitt durch die Kühlplatte8 , so dass die Kühlkanäle9 gut sichtbar sind. In der7 ist die Kühlplatte8 noch einmal in einer Durchsicht dargestellt, um den Verlauf der Kühlkanäle9 zu verdeutlichen. - Wieder mit Bezug auf die
1 soll im Folgenden der Aufbau der Ausführungsform des Energiespeichermoduls3 erläutert werden. Dieses umfasst mehrere Energiespeicherzellen12 , die jeweils an eine Kühlfinne13 angrenzen. Jeweils zwei Energiespeicherzellen12 sind dabei mit einer Kühlfinne13 verbunden und werden durch einen gemeinsamen Zellrahmen14 stabilisiert. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Stapelbarkeit, wie in der1 zu sehen ist. Bei den Energiespeicherzellen12 handelt es sich übrigens um sogenannte Pouch-Zellen auf Lithiumionenbasis. Die Kühlfinnen13 ragen aus den Zellrähmen14 heraus und werden dort von den Blattfedern7 thermisch kontaktiert. Auf diese Weise ist ein verlässlicher Wärmefluss von den Energiespeicherzellen12 über die Kühlfinnen13 und die Blattfedern7 in das Kühlprofil4 sichergestellt. - Wie die
2 zeigt, können mehrere Energiespeichermodule3 nebeneinander angeordnet werden, wobei die Energiespeichermodule3 jeweils durch ein Kühlprofil4 voneinander getrennt sind. Die3 zeigt einen Schnitt durch so ein Kühlprofil4 , das zwischen zwei Energiespeichermodulen3 angeordnet ist. Dort ist gut zu sehen, dass die Blattfedern7 , die links und rechts am Kühlprofil4 angeordnet sind, jeweils gegen die Kühlfinnen13 der Energiespeichermodule3 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
Claims (15)
- Kühlvorrichtung (
2 ) für einen Energiespeicher, insbesondere für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, mit – einem Kühlprofil (4 ) zum Abtransportieren von Wärme und – mindestens einem wärmeleitenden Federelement (7 ), insbesondere mindestens einer metallischen Feder, zum thermischen Kontaktieren eines Energiespeichermoduls (3 ), wobei das mindestens eine Federelement (7 ) derartig mit dem Kühlprofil (4 ) verbunden ist, dass ein Wärmefluss vom Energiespeichermodul (3 ) über das mindestens eine Federelement (7 ) in das Kühlprofil (4 ) ermöglicht wird. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Federelement (7 ) als mindestens eine Blattfeder ausgestaltet ist. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Federelement (7 ) mittels Schweißen, Löten, Schrauben, Nieten und/oder Kleben mit dem Kühlprofil (4 ) verbunden ist. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Befestigungseinrichtung zum Befestigen des Federelements (7 ) am Kühlprofil (4 ), wobei die Befestigungseinrichtung insbesondere mindestens eine Nut (6 ) aufweist, in die das mindestens eine Federelement (7 ) eingreift. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach Anspruch 2 und 4, wobei die Befestigungseinrichtung mehrere Nuten (6 ) aufweist und jede Blattfeder (7 ) der mindestens einen Blattfeder jeweils derartig in zwei der mehreren Nuten (6 ) eingespannt ist, dass sich die Blattfeder (7 ) in eine Richtung des Energiespeichermoduls (3 ) wölbt. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Federelement (7 ) Kupfer und/oder Stahl umfasst. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlprofil (4 ) Aluminium umfasst. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlprofil (4 ) als ein Strangpressprofil ausgestaltet ist. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlprofil (4 ) hohl ist. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlvorrichtung eine Kühlplatte (8 ) umfasst, mit der das Kühlprofil (4 ) verbunden ist, wobei das Kühlprofil (4 ) vorzugsweise senkrecht auf der Kühlplatte (8 ) angeordnet ist. - Kühlvorrichtung (
2 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kühlplatte (8 ) einen Kühlkanal (9 ) aufweist, der von einem Kühlfluid durchströmt werden kann, um so Wärme aus der Kühlplatte (8 ) abzutransportieren. - Energiespeichervorrichtung (
1 ) mit – mindestens einem Energiespeichermodul (3 ) und – einer Kühlvorrichtung (2 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei die Kühlvorrichtung (2 ) das mindestens eine Energiespeichermodul (3 ) mittels des mindestens einen Federelements (7 ) thermisch kontaktiert. - Energiespeichervorrichtung (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Energiespeichermodul (3 ) mehrere Energiespeicherzellen (12 ) aufweist, die jeweils an eine Kühlfinne (13 ) angrenzen, wobei jede Kühlfinne (13 ) durch jeweils mindestens ein Federelement (7 ) der Kühlvorrichtung (2 ) kontaktiert wird. - Energiespeichervorrichtung (
1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei an jede Kühlfinne (13 ) jeweils zwei Energiespeicherzellen (12 ) angrenzen und die Kühlfinne (13 ) sowie die zwei Energiespeicherzellen (12 ) durch einen gemeinsamen Zellrahmen (14 ) stabilisiert werden. - Energiespeichervorrichtung (
1 ) nach Anspruch 13 oder 14, wobei es sich bei den Energiespeicherzellen (12 ) um Pouch-Zellen zum Speichern elektrischer Energie handelt.
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