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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltbatteriekühlvorrichtung eines Batteriesystems eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit einem Anschlussflansch zur Verbindung der Kühlvorrichtung mit einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf, wobei der Anschlussflansch eine Grundplatte mit wenigstens einer, insbesondere zwei, Anschlussstellen aufweist.
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Zur Sicherung der Reichweite, Lebensdauer und abrufbaren Leistung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (wie etwa Hybridfahrzeugen, Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen sowie rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen) ist ein definiertes Thermomanagement der Batterien bzw. Batteriezellen bzw. Batteriezellmodule erforderlich. Hierfür wird im Inneren des auch als Hochvoltspeicher bezeichneten Batteriesystems eine Kühlvorrichtung installiert, bei der es sich um eine Kälte- oder Kühlmittelkühlung handeln kann. Die Kühlvorrichtung besitzt üblicherweise eine Schnittstelle zum fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf, einen sogenannten Anschlussflansch aus Metall.
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Ein solcher Anschlussflansch 1 gemäß dem Stand der Technik ist in den 1a bis 1c gezeigt. Der Anschlussflansch 1 hat eine Grundplatte 2 mit zwei Anschlussstellen 3, die je eine Öffnung 4 in der Grundplatte 2 umfassen. Bei diesem bekannten Anschlussflansch 1 werden die batterieseitigen Rohre 5 an den Anschlussstellen 3 in die Öffnungen 4 gelötet. Auf der gegenüberliegenden Seite, die einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf zugewandt ist, verfügt der Anschlussflansch 1 über zwei Anschlussstutzen 6, an die entsprechende Rohre und/oder Ventile, z. B. ein thermostatisches Expansionsventil oder Absperrventil, angeschlossen werden. Ferner weist der Anschlussflansch 1 mehrere Gewindebohrungen 7 zur Befestigung des Flansches bzw. der fahrzeugseitigen Rohre auf.
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Da Batteriezellen im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen eine deutlich geringere Energiedichte besitzen (Energiedichte Lithium-Ionen-Batterie 80 Wh/kg, Energiedichte Benzin 12.700 Wh/kg), muss das elektrische Energiespeichersystem in einem Elektrofahrzeug mehr Masse einnehmen als die Kraftstoffversorgung in einem konventionellen Fahrzeug, um vergleichbare Reichweiten erzielen zu können. Hierdurch steigen jedoch das Gesamtgewicht und der Energieverbrauch des Fahrzeugs. Daher gilt es bei elektrifizierten Fahrzeugen, die Masse aller Bauteile zu minimieren, um möglichst viele Batteriezellen installieren zu können und den Energieverbrauch zu verringern. Weiterhin sind bei Elektrofahrzeugen neben dem Gewicht die Kosten ein treibender Faktor, um konkurrenzfähig zu sein. Folglich sind günstigere Produktionsverfahren vorzuziehen. Der oben beschriebene Anschlussflansch 1 gemäß dem Stand der Technik nimmt je nach Umsetzung bis zu 17% des Gesamtgewichts der Kühlvorrichtung ein. Des Weiteren wird er unter anderem durch ein kostenintensives Schmiede- und Fließpressverfahren hergestellt. Zusätzlich ist eine mechanische Nachbearbeitung durch Fräsen erforderlich, da die Anschlussstutzen 6 mit Dichtungen zum fahrzeugseitigen Kreislauf versehen sind und daher hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen müssen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hochvoltbatteriekühlvorrichtung zu schaffen, die sich durch ein geringeres Gesamtgewicht sowie eine kostengünstige Herstellung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist dazu bei einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass zumindest die Grundplatte des Anschlussflansches aus Kunststoff gefertigt ist. Dies ermöglicht sowohl eine Kosten- als auch eine Gewichtsreduktion. Der aus dem Stand der Technik bekannte Anschlussflansch aus Aluminium ist vergleichsweise schwer und wird durch ein kostenintensives Umformverfahren hergestellt. Das Gewicht eines erfindungsgemäßen Anschlussflansches mit einer Grundplatte aus Kunststoff lässt sich um ca. 70% gegenüber der ursprünglichen Variante aus Aluminium reduzieren. Zudem lassen sich bei einem Flansch bzw. einer Grundplatte aus Kunststoff auch produktionsseitig Kosten sparen, zumal als Werkstoff je nach gewählter Wandstärke der Grundplatte herkömmliche Kunststoffe verwendet werden können. Auch ist die spanende Nachbearbeitung von Kunststoffen aufgrund des geringeren Werkzeugverschleißes viel günstiger.
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Vorzugsweise weist die wenigstens eine Anschlussstelle eine in der Grundplatte ausgebildete Öffnung auf. Durch diese kann ein bzw. können mehrere fluidführende Rohre geführt werden.
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Um ein oder mehrere fluidführende Rohre möglichst einfach festzulegen, kann die wenigstens eine Anschlussstelle zumindest einen einstückig mit der Grundplatte aus Kunststoff gefertigten, rohrförmigen Vorsprung aufweisen, der von einem Kühlfluid durchströmt ist.
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Ein konstruktionstechnisch besonders einfaches Bauteil ergibt sich, wenn die Grundplatte in einem Spritzgussverfahren gefertigt ist. Auf diese Weise lassen sich insbesondere die Fertigungskosten gering halten.
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Bevorzugt weist die Grundplatte Versteifungsrippen zur Stabilisierung auf, die z. B. bei einem Spritzgussteil direkt mit angespritzt werden.
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Zur Befestigung des Anschlussflansches, etwa an einem Gehäuse des Batteriesystems, bzw. zur Festlegung von Fluidleitungen am Flansch ist vorzugsweise an der Grundplatte wenigstens ein ein Gewinde aufweisendes Befestigungselement vorgesehen, wobei das Gewinde vorzugsweise durch einen in der Grundplatte angeordneten Einsatz aus Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet ist. Ein solches Gewinde ermöglicht eine sichere Verschraubung des Flansches, ohne das Gesamtgewicht des Flansches übermäßig zu erhöhen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Rohre zur Fluidverbindung des Anschlussflansches mit der Kühlvorrichtung des Batteriesystems vorgesehen, von denen zumindest eines an der Anschlussstelle bzw. den Anschlussstellen vollständig durch den Anschlussflansch hindurchgeführt ist. Auf diese Weise ist die Fluidführung durch den Anschlussflansch insofern vom Flansch entkoppelt, als Fluid nicht in Kontakt mit dem Kunststoff des Anschlussflansches bzw. der Grundplatte tritt. Da kein Kontakt zwischen Kunststoff und Fluid besteht, werden an den Kunststoff beispielsweise keine Anforderungen hinsichtlich chemischer Beständigkeit gestellt, so dass für den Flansch bzw. die Grundplatte des Flansches günstigere Materialien verwendet werden können. Weiterhin wird eine Interaktion des Kunststoffes mit dem Fluid verhindert, wodurch die Lebensdauer steigt und der Verschleiß sinkt. Da die Druckbeständigkeit bzw. -festigkeit des Kunststoffs ggf. gering ist, lässt sich durch die Verwendung der Rohre die Druckfestigkeit erhöhen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Rohre zur Fluidverbindung des Anschlussflansches mit der Kühlvorrichtung des Batteriesystems vorgesehen, von denen zumindest eines an der Anschlussstelle bzw. den Anschlussstellen einseitig in den Anschlussflansch hineinragt. Bei dieser Ausgestaltung ist das Kühlfluid in direktem Kontakt mit dem Anschlussflansch, wobei hiermit die aus dem Stand der Technik bekannte Verbindung zwischen den batteriesystemseitigen Rohren und dem Anschlussflansch erhalten bleibt. Ein solcher Kunststoffanschlussflansch lässt sich ohne weitere Anpassungen in das bestehende System integrieren. Zudem kann durch die gewählte Fluidführung die Geometrie des Anschlussflansches größtmöglich vereinfacht werden, so dass die Werkzeugkosten verringert werden.
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Bei beiden genannten Ausführungsvarianten sind die Rohre bevorzugt in den Anschlussflansch gepresst und/oder geklebt und/oder mit dem Kunststoff des Anschlussflansches umspritzt. In jedem Fall ergibt sich eine einfache und damit kostengünstige Fertigung.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Grundplatte wenigstens einen umlaufenden Dichtungsrahmen auf, der zur Abdichtung des Flansches an einem Gehäuse des Batteriesystems dient.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigt:
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1a eine perspektivische Ansicht eines Anschlussflansches einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
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1b eine Draufsicht auf den Anschlussflansch aus 1a;
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1c eine Schnittansicht des Anschlussflansches entlang der Linie I-I in 1b;
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2a eine perspektivische Ansicht eines Anschlussflansches einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2b eine Draufsicht auf den Anschlussflansch aus 2a;
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2c eine Schnittansicht des Anschlussflansches entlang der Linie II-II in 2b;
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2d eine Schnittansicht des Anschlussflansches entlang der Linie III-III in 2b;
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3a eine perspektivische Ansicht eines Anschlussflansches einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3b eine Draufsicht auf den Anschlussflansch aus 3a; und
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3c eine Schnittansicht des Anschlussflansches gemäß der Linie IV-IV in 3b.
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Die 2a bis 2d zeigen einen Anschlussflansch 10 einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung, der der Verbindung der Kühlvorrichtung mit einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf dient. Der Anschlussflansch 10 hat eine im Wesentlichen trapezförmige Grundplatte 12 aus Kunststoff, deren Ecken abgerundet sind und die zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete Anschlussstellen 14 aufweist.
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Jede der Anschlussstellen 14 umfasst eine in der Grundplatte 12 ausgebildete Öffnung 16 sowie einen einstückig mit der Grundplatte 12 gefertigten, rohrförmigen Vorsprung 18. Die beiden Vorsprünge 18 erstrecken sich dabei auf der dem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittekreislauf zugewandten Seite (in 2c links). Auch auf der dem Batteriesystem zugewandten Seite sind um die Öffnungen 16 herum kleine Vorsprünge 19 ausgebildet; weiterhin weist die Grundplatte 12 auf beiden Seiten Versteifungsrippen 20 zur Stabilisierung auf.
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Die Grundplatte 12 ist samt den Vorsprüngen 18, 19 sowie den Versteifungsrippen 20 in einem Spritzgussverfahren aus Kunststoff gefertigt.
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Der Anschlussflansch 10 hat insgesamt vier an der Grundplatte 12 angeordnete Befestigungselemente 22 bzw. 24, die jeweils ein Gewinde 26 aufweisen, das durch einen in der Grundplatte 12 angeordneten Einsatz 28 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet ist (siehe insbesondere 2d). Dabei sind die Befestigungselemente 22 an diagonal einander gegenüberliegenden Ecken in einem Randbereich der Grundplatte 12 angeordnet und dienen der Verschraubung des Anschlussflansches 10 mit einem Gehäuse des Batteriesystems bzw. der Hochvoltbatteriekühlvorrichtung. Die Befestigungselemente 24 sind in einem inneren Bereich der Grundplatte 12 angeordnet und liegen auf einer Linie, die eine gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden Anschlussstellen 14 im rechten Winkel kreuzt. Diese Befestigungselemente 24 dienen der Verschraubung von Fluidleitungen und/oder Ventilen, etwa einem Expansions- oder Absperrventil, die zu einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf gehören, mit dem Anschlussflansch 10.
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Weiterhin sind zwei Rohre 30 zur Fluidverbindung des Anschlussflansches 10 mit der Kühlvorrichtung des Batteriesystems vorgesehen, die an den Anschlussstellen 14 vollständig durch den Anschlussflansch 10 bzw. durch die rohrförmigen Vorsprünge 18, 19 hindurchgeführt sind. Auf der in 2c linken Seite, also der dem Fahrzeug zugewandten Seite, weist jedes der Rohre 30 eine Schnittstelle 32 zur Verbindung mit einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf auf. Die Rohre 30 sind dabei in den Anschlussflansch 10 bzw. die Grundplatte 12 gepresst, geklebt, und/oder mit dem Kunststoff umspritzt. Bei der in der 2 gezeigten Ausgestaltung ist also das Fluid nicht in direktem Kontakt mit dem Kunststoff des Anschlussflansches 10.
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Zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse des Batteriesystems weist die Grundplatte 12 außerdem einen mehrteiligen umlaufenden Dichtungsrahmen 34 bzw. einen einteiligen Dichtungsrahmen mit mehreren Dichtlippen auf.
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Die 3a bis 3c zeigen einen Anschlussflansch 10 einer Hochvoltbatteriekühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei im Folgenden gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen und lediglich auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen ersten Ausführungsform eingegangen wird.
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Der Anschlussflansch 10 unterscheidet sich von dem in der 2 gezeigten dadurch, dass die Rohre 30 zur Fluidverbindung des Anschlussflansches 10 mit der Kühlvorrichtung des Batteriesystems nur einseitig an den Anschlussstellen 14 in den Anschlussflansch 10 bzw. in die rohrförmigen Vorsprünge 19 hineinragen. Bei dieser Ausführungsform ist also das Kühlfluid in direktem Kontakt mit dem Kunststoff des Anschlussflansches 10. Diese Fluidführung entspricht weitestgehend derjenigen, die aus dem Stand der Technik (vgl. 1) bekannt ist. Wieder sind die Rohre 30 in den Anschlussflansch 10 gepresst, geklebt und/oder mit dem Kunststoff des Anschlussflansches umspritzt. Die fahrzeugseitigen Leitungen werden an den Anschlussstellen 14 bzw. den Vorsprüngen 18 auf den Flansch aufgesetzt bzw. in die Vorsprünge 18 eingeschoben und mittels der Befestigungselemente 24 mit der Grundplatte 12 verschraubt.
