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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens einer Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, sowie eine Batterie-Anordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie-Anordnung. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Herstellen der Kühlvorrichtung.
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Wiederaufladbare Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge mit rein elektrischem Antrieb sowie für Hybridfahrzeuge und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb sind Gegenstand aktueller Forschung. Gegenwärtig werden in den genannten Fahrzeuggattungen bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, welche sich durch eine hohe Energiedichte und einen nur schwach ausgeprägten, unerwünschten Memory-Effekt auszeichnen.
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Typischerweise umfassen wiederaufladbare Batterien eine Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sein können. Im Folgenden sind solche Batteriezellen vom hier verwendeten Begriff "Batterie" ausdrücklich umfasst.
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Die Fähigkeit einer wiederaufladbaren Batterie, verschiedene in Kraftfahrzeugen verbaute elektrische Verbraucher zuverlässig mit elektrischer Energie zu versorgen, hängt in erheblichem Maße von den in der Umgebung der Batterie herrschenden thermischen Bedingungen ab. Denn sowohl die beim Bereitstellen als auch bei der Aufnahme von elektrischer Energie – im Sinne eines Wiederaufladens – in der Batterie ablaufenden elektrochemischen Prozesse sind in nicht unerheblichem Maße von der Betriebstemperatur der Batterie abhängig. Umfangreiche Untersuchungen an verschiedenen Batteriesystemen auf Lithium-Ionen-Basis haben etwa gezeigt, dass unterhalb einer kritischen Temperatur, etwa im Bereich von ca. 0°C, die von der Batterie zur Verfügung gestellte elektrische Energiedichte im Vergleich zu höheren Betriebstemperaturen stark abnimmt. Unterhalb dieser Temperatur kann es zudem beim Laden zu einer Schädigung der Lithium-Ionen-Zelle kommen. Auch eine zu starke Erhitzung der Batterie, insbesondere deren Batteriezellen, über eine Temperatur von ca. 40°C hinaus kann zu einer Lebensdauerverkürzung oder sogar Schädigung besagter Batteriezellen führen.
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Entscheidend für einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb besagter Batterien – dies gilt nicht nur für genannte Batterien auf Lithium-Ionen-Basis, sondern generell für beliebige wiederaufladbare Batteriesysteme – ist demnach die Schaffung thermisch wohldefinierter Umgebungsbedingungen. Dies bedeutet im Hinblick auf die etwa in einem Kraftfahrzeug betriebsmäßig auftretenden, erheblichen Temperaturschwankungen, dass diese durch geeignete, thermisch mit der Batterie gekoppelte Kühlvorrichtungen kompensiert werden müssen, um die Umgebungstemperatur der Batterie – und somit auch die Temperatur der Batterie selbst – unterhalb einer maximal zulässigen Temperatur zu halten.
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Aus dem Stand der Technik sind Kühlvorrichtungen bekannt, die auf Kühlplatten basieren, die wiederum von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die zu kühlende Batterie wird auf einer Seite der Kühlplatte flächig an dieser zur Anlage gebracht. Auf diese Weise wird ein thermischer Kontakt zwischen Batterie und Kühlmittel hergestellt, so dass der Batterie Wärme entzogen und deren Temperatur folglich unter dem maximal zulässigen Grenzwert gehalten werden kann.
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Als problematisch bei solchen Kühlvorrichtungen erweist sich indes, dass für die Kühlplatten und auch für das Gehäuse ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gewählt werden muss, wenn eine hochwirksame thermische Kopplung zwischen Batterie und Kühlmittel erzielt werden soll. Gleichzeitig ist es jedoch auch zwingend erforderlich, die Batterie gegenüber der Kühlplatte elektrisch zu isolieren. Insofern scheiden metallische Materialien, die zwar eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber auch eine im vorliegenden Fall unerwünschte hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, als geeignete "Schnittstelle" zwischen Kühlplatte und Batterie aus.
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Vor diesem Hintergrund beschreibt die
US 6,292,362 B1 eine thermische Übertragungsvorrichtung, die mit einem eine Durchgangsöffnung aufweisenden Trägerelement ausgestattet ist, in welche ein Wärmeübertrager mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt ist. An den beiden gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragers können Komponenten zur Anlage gebracht werden, die über den Wärmeübertrager thermisch miteinander gekoppelt werden. Die Herstellung des in der genannten Druckschrift beschriebenen Wärmeübertragers gestaltet sich aus fertigungstechnischer Sicht jedoch als relativ aufwändig.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Kühlvorrichtung anzugeben, welche insbesondere eine thermisch hochwirksame Ankopplung an die zu kühlende Batterie gestattet, ohne dass dabei auch eine elektrische Verbindung zwischen beiden Bauteilen entsteht. Es ist eine weitere, zweite Aufgabe der Erfindung, eine Batterie-Anordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben. Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie-Anordnung zu schaffen. Eine vierte Aufgabe der Erfindung der Erfindung besteht schließlich darin, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kühlvorrichtung bereitzustellen.
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Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Kühlplatte einer Kühlvorrichtung auf derjenigen Seite, auf welcher auch das Gehäuse der zu kühlenden Batterie angebracht werden soll, mit einer elektrisch isolierenden Kontaktschicht auszustatten, die gleichzeitig für eine gute thermische Ankopplung der Kühlvorrichtung an die Batterie sorgt. Eine solche Kontaktschicht mag etwa in Form einer elektrisch isolierenden Schicht aus einem thermisch leitenden Gel ausgebildet sein, welches im Zuge der Fertigung der Kühlvorrichtung in flüssigem Zustand auf besagte Seite der Kühlplatte – diese wird im Folgenden als erste Seite bezeichnet – aufgebracht wird. Erfindungswesentlich ist dabei eine zu diesem Zweck auf einer ersten Seite der Kühlplatte in deren Randbereich vorgesehene, wenigstens abschnittweise umlaufende Umgrenzung, welche verhindert, dass die Kontaktschicht beim Aufbringen auf die erste Seite im flüssigen Zustand über den Rand der Kühlplatte überläuft und diesen verunreinigt oder gar beschädigt. Ein unerwünschtes Wegfließen der flüssigen Kontaktschicht, bis diese sich abgekühlt hat und folglich ausgehärtet ist, lässt sich auf diese Weise ebenso vermeiden wie die Ausbildung von Schmutzpartikeln am Gehäuse der Batterie. Solche Schmutzpartikel könnten zu einer Schädigung weiterer Komponenten der Kühlvorrichtung führen.
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Die Verwendung eines Gels oder eines anderen geeigneten, insbesondere kompressiblen Materials erlaubt zudem den Ausgleich lokal vorhandener Vertiefungen oder Erhöhungen an den einander zugewandten Seiten der Kühlplatte bzw. der Batterie. Solche Erhöhungen und Vertiefungen an den einzelnen Batteriezellen sind dem einschlägigen Fachmann als sog. Zellüberstände bzw. Zellunterstände bekannt; bei Verwendung eines steifen Materials würden diese zu unerwünschten Zwischenräumen mit schlechter thermischer Ankopplung zwischen den beiden Bauteilen führen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umläuft die Umgrenzung die Kühlplatte geschlossen. Eine solche vollständig umlaufende Umgrenzung stellt sicher, dass die flüssige Kontaktschicht auf der ersten Kühlplatte gehalten wird, bis sie abkühlt und damit verbunden aushärtet. Bevorzugt verläuft auch besagte vollständig umlaufende Umgrenzung im Randbereich der ersten Kühlplatte, so dass die Kontaktschicht möglichst großflächig auf der Kühlplatte aufgebracht werden kann. Damit einher geht eine Vergrößerung der effektiven Nutzfläche der Kühlplatte, im Bereich derer die zu kühlende Batterie auf der Kontaktschicht angebracht werden kann.
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Soll der Seitenrand der ersten Seite von der Kontaktschicht freigehalten werden, so empfiehlt es sich, die Umgrenzung in Form einer Sicke zu realisieren. Diese mag etwa integral an der Kühlplatte ausgeformt werden, so dass sie – vom Seitenrand beabstandet – von der ersten Seite der Kühlplatte absteht.
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Fertigungstechnisch besonders einfach herzustellen ist indes eine Ausführungsform, bei welcher die Umgrenzung als ein die erste Seite der ersten Kühlplatte einfassender Kragen ausgebildet ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein solcher Kragen als Abkantung der ersten Kühlplatte ausgebildet werden. Alternativ ist es vorstellbar, den Kragen in Form eines separaten Bauteils vorzusehen. Dieses kann stoffschlüssig, beispielsweise mit Hilfe einer Löt- oder Schweißverbindung, an der Kühlplatte befestigt werden.
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Zur Realisierung der Kontaktschicht kommt eine Vielzahl von Materialien mit hoher Wärmleitung in Betracht, so z.B. ein Gel aus Silikon, aus einem Duroplasten oder aus einem Polyester. Auch andere, insbesondere kompressible Materialien, können in Betracht gezogen werden.
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Um die Kontaktschicht auf einfache Weise möglichst gleichmäßig auf der ersten Seite der Kühlplatte abzudecken, so dass sie diese innerhalb der Umgrenzung auch vollständig bedeckt, kann diese, insbesondere das vorangehend erwähnte Gel, in einem flüssigen Zustand auf die erste Seite der ersten Kühlplatte aufgebracht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie-Anordnung mit einer Kühlvorrichtung mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale. Auf der auf der ersten Seite der ersten Kühlplatte angebrachten Kontaktschicht ist weiterhin eine Batterie angeordnet, die thermisch mit der Kühlvorrichtung in Wirkverbindung steht. Die Kontaktschicht sorgt somit für die gewünschte elektrische Trennung von Batterie und Kühlplatte, wohingegen der zur Kühlung der Batterie erforderliche Wärmeaustausch mit dem die Kühlvorrichtung durchströmende Kühlmittel durch die Kontaktschicht hindurch möglich ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer vorangehend vorgestellten Batterie-Anordnung.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung, insbesondere einer Kühlvorrichtung mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen einer ersten Kühlplatte, wobei auf einer ersten Seite der ersten Kühlplatte in deren Randbereich eine wenigstens abschnittsweis umlaufende Umgrenzung vorgesehen ist,
- b) Einbringen einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Kontaktschicht in zunächst flüssiger Form in den Bereich innerhalb der Umgrenzung, so dass die Kontaktschicht diesen Bereich flächig abdeckt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Umgrenzung der Kühlplatte genutzt, um zu verhindern, dass die zunächst flüssige Kontaktschicht sich über den Rand der Kühlplatte ausbreiten kann.
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Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren daher einen zusätzlichen Verfahrensschritt c) aufweisen, gemäß welchem die der Kontaktschicht ausgehärtet wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Beispiel einer Kühlvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
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2 die Kühlvorrichtung der 1 in einem Längsschnitt,
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3 eine Variante der Kühlvorrichtung der 2.
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1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen einer Batterie 12 in einer perspektivischen Darstellung, 2 hingegen ausschnittsweise in einem Längsschnitt. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst eine erste Kühlplatte 2a sowie eine in einem montierten Zustand der Kühlvorrichtung 1 an dieser derart befestigte zweite Kühlplatte 2b, dass zwischen den beiden Kühlplatten 2a, 2b ein Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid, etwa einem Kühlmittel ausgebildet wird. Hierzu mögen im Handel unter der Bezeichnung "R134a" oder "R1234yf" erhältliche Kühlmittel in Betracht kommen.
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Um die erfindungswesentlichen Merkmale der Kühlvorrichtung 1 anhand des Beispiels der 1 besser erläutern zu können, zeigt die 1 die beiden Kühlplatten 2a, 2b in einem nicht aneinander befestigten Zustand. Eine solche Befestigung mag etwa in dem einschlägigen Fachmann geläufiger Weise mit Hilfe einer stoffschlüssigen Verbindung – in Betracht kommt etwa eine herkömmliche Lötverbindung – der beiden Ränder der Kühlplatten 2a, 2b realisiert werden.
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Im Beispielszenario der 1 sind auf einer der ersten Kühlplatte 2a zugewandten Seite 9 der zweiten Kühlplatte 2b eine Mehrzahl von, insbesondere sickenartig ausgebildeten, Vorsprüngen vorgesehen, mittels welcher nicht nur ein einziger Fluidkanal, sondern eine Kanalstruktur 8 aus vielen Einzelkanälen erzeugt werden kann. Hinsichtlich der konkreten konstruktiven Ausgestaltung einer solchen Kanalstruktur 8 eröffnet sich dem Fachmann eine Vielzahl verschiedener Realisierungsmöglichkeiten.
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Auf einer ersten Seite 3 der ersten Kühlplatte 2a, die von der zweiten Kühlplatte 2b abgewandt ist, ist in deren Randbereich 8 eine Umgrenzung 4 vorgesehen, welche die Kühlplatte 2a geschlossen umläuft. In einer Variante kann die Umgrenzung 4 auch nur abschnittsweise umlaufend realisiert sein.
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Mittels besagter Umgrenzung 4 lässt sich verhindern, dass beim Aufbringen einer wärmeleitenden, gleichwohl elektrisch isolierenden Kontaktschicht 5 in zunächst flüssiger Form auf die erste Seite 3 der Kühlplatte 2a diese über den Randbereich 7 der Kühlplatte 2a überläuft, bevor sie sich abkühlt und aushärtet. Diese würde zu Verunreinigungen oder Beschädigungen der Umgebung oder des Rands der Kühlplatte 2a selbst führen. Eine solche Verunreinigung des Randbereichs 7 der ersten Kühlplatte 2a würde darüber hinaus unter Umständen die Befestigung der beiden Kühlplatten 2a, 2b aneinander mittels eines Lötprozesses behindern oder gar unmöglich machen.
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Als Stoff für die Kontaktschicht 5 kommt beispielsweise ein in 1 nur schematisch angedeutetes Gel 6 aus Silikon, aus einem Duroplasten oder aus einem Polyester in Betracht. Auch andere gleichzeitig wärmeleitende und elektrisch isolierende Materialien mit kompressiblen Eigenschaften kommen in Betracht.
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Auf der Kontaktschicht 5 kann eine zu temperierende Batterie 12 angeordnet werden, die über die Kontaktschicht 5 thermisch mit der Kühlvorrichtung 1 in Wirkverbindung steht. Die Batterie 12 ist in 2 grobschematisch dargestellt, in den 1 und 3 jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Die Kontaktschicht 5 sorgt somit für die gewünschte galvanische Trennung von Batterie 12 und Kühlplatte 2a, wohingegen der zur Kühlung der Batterie erforderliche Wärmeaustausch durch das die Kühlvorrichtung 1 durchströmende Kühlmittel durch die Kontaktschicht 5 hindurch möglich ist.
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Die in 1 beispielhaft gezeigte vollständig umlaufende Umgrenzung 4 im Randbereich 7 der ersten Kühlplatte 2a ermöglicht, dass die Kontaktschicht 5 möglichst großflächig auf der Kühlplatte 2a aufgebracht werden kann, was wiederum die effektive Nutzfläche der Kühlplatte 2a zum Anbringen einer Batterie 12 vergrößert.
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2 zeigt eine fertigungstechnisch besonders einfach herzustellende Variante, bei welcher die Umgrenzung 4 als ein die erste Seite 3a der ersten Kühlplatte 2a einfassender Kragen 11 ausgebildet ist. Der Kragen 11 kann beispielsweise in Form einer Abkantung der ersten Kühlplatte 2a ausgebildet werden. Alternativ ist es aber auch vorstellbar, den Kragen 11 in Form eines separaten Bauteils auszubilden, welches stoffschlüssig, beispielsweise mit Hilfe einer Löt- oder Schweißverbindung, an der Kühlplatte 2a befestigt wird.
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Soll der Randbereich 7 der Kühlplatte 2a von der Kontaktschicht 5 freigehalten werden, so empfiehlt es sich, die Umgrenzung 4 in Form einer in 3 gezeigten Sicke 10 zu realisieren. Diese kann integral an der Kühlplatte 2a ausgeformt werden, so dass sie – vom Randbereich 7 der ersten Kühlplatte 2a lateral im Abstand angeordnet – von der ersten Seite 3 der Kühlplatte 2a – von der zweiten Kühlplatte 2b weg – absteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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