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Diese Offenbarung bezieht sich auf Thermomanagementsysteme für in Fahrzeugen genutzte Hochspannungsbatterien.
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Fahrzeuge, wie zum Beispiel batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs, Battery-Electric Vehicles), Plug-in Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs, Plug-in Hybrid-Electric Vehicles) oder Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (FHEVs, Full Hybrid-Electric Vehicles), enthalten eine Traktionsbatterie, wie zum Beispiel eine Hochspannungs-(HV-, High Voltage)Batterie, die als eine Vortriebsquelle für das Fahrzeug fungiert. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme enthalten, um beim Management von Fahrzeugleistung und -operationen zu unterstützen. Die HV-Batterie kann eines oder mehrere Arrays aus Batteriezellen enthalten, die zwischen Batteriezellenanschlüssen und Verbindungssammelschienen elektrisch verbunden sind. Die HV-Batterie und das umgebende Umfeld können ein Thermomanagementsystem enthalten, um das Regeln der Temperatur der HV-Batteriekomponenten, -systeme und einzelner Batteriezellen zu unterstützen.
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Ein Fahrzeug enthält mehrere Batteriezellen, ein Auslassplenum und eine Wärmeleitplatte. Die Wärmeleitplatte ist dazu ausgelegt, die Batteriezellen zu stützen und definiert ein Einlassplenum und mehrere U-förmige Kanalkonfigurationen. Jede der U-förmigen Kanalkonfigurationen entspricht einer der Zellen und enthält einen Einlass und einen Auslass an einem gleichen Seitenabschnitt der Wärmeleitplatte. Aus den Auslässen austretendes Fluid fließt in das Auslassplenum. Die Einlässe und Auslässe der U-förmigen Kanalkonfigurationen können sich in der Nähe eines gleichen Endes der entsprechenden Batteriezelle befinden. Jede der U-förmigen Kanalkonfigurationen kann einen Eintrittskanal, einen Austrittskanal und einen dazwischenliegenden Router definieren. Die Kanäle und der Router können derartig angeordnet sein, dass der innerhalb des Eintritts- und Austrittskanals befindliche Fluidstrom im Wesentlichen parallel zu einer Orientierung der entsprechenden Batteriezelle ist. Jeder der Router kann zumindest teilweise außerhalb eines Gebiets liegen, das durch eine Stellfläche der entsprechenden Batteriezelle definiert ist. Jede der U-förmigen Kanalkonfigurationen kann eine gerade Anzahl von Kanälen definieren. Zumindest einige Oberflächen der Wärmeleitplatte, die die U-förmigen Kanalkonfigurationen definieren, können Strömungsmerkmale enthalten, die dazu ausgelegt sind, eine wirksame Fläche der wenigstens einigen der Oberflächen zu erhöhen. Die Strömungsmerkmale können Vertiefungen, Absätze oder Metallschaum umfassen.
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Ein Fahrzeug enthält mehrere Batteriezellen, ein Einlassplenum und eine Wärmeleitplatte. Die Wärmeleitplatte ist unterhalb der Batteriezellen positioniert und ist zur Wärmekommunikation damit ausgebildet. Die Wärmeleitplatte definiert ein Auslassplenum und mehrere U-förmige Kanäle innerhalb der Platte. Jeder der U-förmigen Kanäle entspricht einer der Batteriezellen und enthält einen Einlass und einen Auslass an einem gleichen Seitenabschnitt der Wärmeleitplatte. Aus dem Einlassplenum austretendes Fluid tritt über die Einlässe in die U-förmigen Kanäle ein. Der Einlass und Auslass jeder der U-förmigen Kanäle kann sich in der Nähe eines gleichen Endes der entsprechenden Batteriezelle befinden. Jeder der U-förmigen Kanäle kann einen Eintrittskanal, einen Austrittskanal und einen dazwischenliegenden Router definieren. Die Kanäle und der Router können derartig angeordnet sein, dass der innerhalb des Eintritts- und Austrittskanals befindliche Fluidstrom im Wesentlichen parallel zu einer Orientierung der entsprechenden Batteriezelle ist. Jeder der Router kann zumindest teilweise außerhalb eines Gebiets liegen, das durch eine Stellfläche der entsprechenden Batteriezelle definiert ist. Zumindest einige Oberflächen der Wärmeleitplatte, die die U-förmigen Kanäle definieren, können Strömungsmerkmale enthalten, die dazu ausgelegt sind, eine wirksame Fläche der wenigstens einigen der Oberflächen zu erhöhen. Die Strömungsmerkmale können Vertiefungen, Absätze oder Metallschaum umfassen.
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Ein Traktionsbatteriesystem enthält ein Batteriezellen-Array mit Batteriezellen und eine Wärmeleitplatte, die benachbart zu den Batteriezellen positioniert ist. Die Wärmeleitplatte ist zur Wärmekommunikation mit den Batteriezellen ausgelegt und definiert mehrere Kanalkonfigurationen, die jeweils einen Eintrittskanal mit einem Einlass, einen Austrittskanal mit einem Auslass, und eine Wandung, die den Eintritts- und Austrittskanal trennt, enthalten. Das Traktionsbatteriesystem enthält ferner ein Einlassplenum und ein Auslassplenum. Das Einlassplenum und Auslassplenum befinden sich derart in Kommunikation mit den Einlässen und den Auslässen, dass aus den Auslässen austretendes Fluid in das Auslassplenum fließt und nicht in den Einlass eines anderen der Kanäle. Der Einlass und der Auslass jeder der Kanalkonfigurationen können nebeneinander liegen. Der innerhalb des Eintritts- und Austrittskanals jeder der Kanalkonfigurationen befindliche Fluidstrom kann im Wesentlichen parallel zu einer Orientierung der entsprechenden Batteriezelle sein. Die Einlässe und Auslässe können sich an einem gleichen Seitenabschnitt der Wärmeleitplatte befinden. Die Kanalkonfigurationen können derart angeordnet sein, dass sich die Eintritts- und Austrittskanäle unterschiedlicher Kanalkonfigurationen gemeinsame Wandungen teilen. Zumindest einige Oberflächen der Wärmeleitplatte, die die Kanalkonfigurationen definieren, können Strömungsmerkmale enthalten, die dazu ausgelegt sind, eine wirksame Fläche der wenigstens einigen der Oberflächen zu erhöhen. Die Strömungsmerkmale können Vertiefungen, Absätze oder Metallschaum umfassen.
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1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Batterie-Elektrofahrzeugs.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Thermomanagementsystems für die Traktionsbatterie des Fahrzeugs aus 1.
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3A ist eine veranschaulichende Draufsicht auf eine Wärmeleitplatte, die für serielle Strömung von Thermofluid ausgelegt ist.
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3B ist eine veranschaulichende Draufsicht auf eine Wärmeleitplatte, die für parallele Strömung von Thermofluid ausgelegt ist.
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3C ist eine veranschaulichende Draufsicht auf eine Wärmeleitplatte, die für U-förmige Strömung von Thermofluid ausgelegt ist.
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4A ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Traktionsbatteriebaugruppe mit einer Wärmeleitplatte, die ein Batteriezellen-Array stützt.
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4B ist eine perspektivische Ansicht einer Batteriezelle von dem Batteriezellen-Array von 4A.
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5 ist eine Draufsicht auf eine Kanalkonfiguration für die Wärmeleitplatte aus 4A bis 4B.
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6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt eines Teils der Kanalkonfiguration für die Wärmeleitplatte aus 4A bis 4B.
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7 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Plenumkonfiguration zur Verwendung mit einer Traktionsbatterieanordnung, bei der ein Auslassplenum unter einer Wärmeleitplatte befestigt ist.
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8 ist eine Seitenansicht in Querschnitt einer Plenumkonfiguration zur Verwendung mit einer Traktionsbatterieanordnung, bei der ein Einlassplenum über einer Wärmeleitplatte befestigt ist.
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9 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt einer Plenumkonfiguration zur Verwendung mit einer Traktionsbatterieanordnung, bei der ein Auslassplenum über einer Wärmeleitplatte befestigt ist.
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10 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt einer Plenumkonfiguration zur Verwendung mit einer Traktionsbatterieanordnung, bei der ein Einlassplenum unter einer Wärmeleitplatte befestigt ist.
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine typische Grundlage, um einen Fachmann von verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu unterrichten. Wie für Durchschnittsfachleute auf der Hand liegt, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, können allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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1 zeigt ein Schema eines typischen Plug-in Hybridelektrofahrzeugs (PHEV) auf. Ein typisches Plug-in Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die Elektromaschinen 14 können in der Lage sein, als ein Motor oder als ein Generator betrieben zu werden. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 18 verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können Vortriebs- und Entschleunigungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die im Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde. Die Elektromaschinen 14 können auch reduzierte Schadstoffemissionen bereitstellen, weil das Hybridelektrofahrzeug 12 unter gewissen Bedingungen im Elektromodus betrieben werden kann.
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Eine Traktionsbatterie oder Batteriesatz 24 speichert Energie, die von den Elektromaschinen 14 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe aus einem oder mehreren Batteriezellen-Arrays in der Traktionsbatterie 24 bereit, die manchmal auch als Batteriezellen-Stapel bezeichnet werden. Die Batteriezellen-Arrays können eine oder mehrere Batteriezellen enthalten. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren leistungselektronischen Modulen 26 durch eines oder mehrere Schütze (nicht dargestellt) verbunden. Das eine oder die mehreren Schütze trennen die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten, wenn sie geöffnet sind, und verbinden die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten, wenn sie geschlossen sind. Das leistungselektronische Modul 26 ist ebenfalls mit den Elektromaschinen 14 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 bereit. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 14 zum Funktionieren möglicherweise eine dreiphasige Wechselspannung benötigen. Das leistungselektronische Modul 26 kann die Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung umwandeln, wie sie von den Elektromaschinen 14 benötigt wird. In einem Energierückgewinnungsmodus kann das leistungselektronische Modul 26 die dreiphasige Wechselspannung aus den Elektromaschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die von der Traktionsbatterie 24 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung hier ist gleichermaßen auf ein rein elektrisches Fahrzeug anwendbar. Bei einem rein elektrischen Fahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromaschine 14 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 18 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Zusätzlich dazu, dass die Traktionsbatterie 24 Energie für den Vortrieb bereitstellt, kann sie Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die kompatibel mit anderen Fahrzeugverbrauchern ist. Andere Hochspannungsverbraucher, wie zum Beispiel Verdichter und elektrische Heizungen, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne dass ein Gleichspannungswandlermoduls 28 verwendet wird. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch verbunden.
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Ein batterieelektrisches Steuermodul (BECM, Battery Electrical Control Module) 33 kann mit der Traktionsbatterie 24 in Verbindung stehen. Das BECM 33 kann als eine Steuerung für die Traktionsbatterie 24 fungieren und kann auch ein elektronisches Überwachungssystem enthalten, das für jede der Batteriezellen Temperatur und Ladezustand managt. Die Traktionsbatterie 24 kann einen Temperatursensor 31 aufweisen, wie zum Beispiel einen Thermistor oder ein anderes Temperaturmessinstrument. Der Temperatursensor 31 kann in Verbindung mit dem BECM 33 stehen, um Temperaturdaten bezüglich der Traktionsbatterie 24 bereitzustellen.
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Das Fahrzeug 12 kann zum Beispiel ein Elektrofahrzeug sein, wie zum Beispiel ein Plug-in Hybridfahrzeug, oder ein batterieelektrisches Fahrzeug, in dem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann mit Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) 38 elektrisch verbunden sein. Das EVSE 38 kann Schaltungsanordnungen und Steuerungen zum Regeln und Managen der Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichspannungs- oder Wechselspannungsleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladeverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann irgendeine Port-Art sein, die dazu ausgelegt ist, Leistung aus dem EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann mit einem Ladegerät oder einem On-Board-Leistungswandlungsmodul 32 elektrisch verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die aus dem EVSE 38 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann an das EVSE 38 angekoppelt sein, um die Zufuhr von Leistung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann Pins aufweisen, die mit zugehörigen Ausnehmungen des Ladeports 34 ineinandergreifen.
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Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere verknüpfte Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen.
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Die Batteriezellen, wie zum Beispiel eine prismatische Zelle, können elektrochemische Zellen enthalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie wandeln. Prismatische Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) enthalten. Ein Elektrolyt kann es Ionen gestatten, sich während des Entladens zwischen der Anode und der Kathode zu bewegen und dann während des Wiederaufladens zurückzulaufen. Anschlüsse können gestatten, dass Strom zur Verwendung durch das Fahrzeug aus der Zelle heraus fließt. Wenn sie in einem Array mit mehreren Batteriezellen positioniert sind, können die Anschlüsse jeder Batteriezelle zu gegenüber liegenden Anschlüssen (Plus und Minus), die einander benachbart sind, ausgerichtet sein, und eine Sammelschiene kann dabei unterstützen, eine Reihenverbindung zwischen den mehreren Batteriezellen zu ermöglichen. Die Batteriezellen können auch parallel angeordnet sein, so dass gleichartige Anschlüsse (Plus und Plus oder Minus und Minus) einander benachbart liegen. Zum Beispiel können zwei Batteriezellen so angeordnet sein, dass Plus-Anschlüsse einander benachbart liegen, und die nächsten beiden Zellen können so angeordnet sein, dass Minus-Anschlüsse einander benachbart liegen. In diesem Beispiel kann die Sammelschiene Anschlüsse aller vier Zellen kontaktieren.
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Die Traktionsbatterie 24 kann unter Verwendung eines Flüssig-Thermomanagementsystems, eines Luft-Thermomanagementsystems oder eines anderen, im Fachgebiet bekannten Verfahrens beheizt und/oder gekühlt werden. In einem Beispiel für ein Flüssig-Thermomanagementsystem und jetzt mit Bezug auf 2: Die Traktionsbatterie 24 kann ein Batteriezellen-Array 88 enthalten, das gestützt von einer Wärmeleitplatte 90 gezeigt wird und das von einem Thermomanagementsystem beheizt und/oder gekühlt werden soll. Das Batteriezellen-Array 88 kann mehrere Batteriezellen 92 enthalten, die einander benachbart positioniert sind. Das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33 können ebenfalls, unter gewissen Betriebsbedingungen, Kühlen und/oder Beheizen erfordern. Eine Wärmeleitplatte 91 kann das Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33 stützen und ihr Thermomanagement unterstützen. Zum Beispiel kann das Gleichspannungswandlermodul 28 während der Spannungswandlung Wärme erzeugen, die möglicherweise abgeführt werden muss. Alternativ können die Wärmeleitplatten 90 und 91 miteinander in Fluidverbindung stehen, um sich eine gemeinsame Fluid-Einlassöffnung und eine gemeinsame Auslassöffnung zu teilen.
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In einem Beispiel kann das Batteriezellen-Array 88 an der Wärmeleitplatte 90 montiert sein, so dass lediglich eine Oberfläche jeder der Batteriezellen 92, wie zum Beispiel eine untere Oberfläche, in Kontakt mit der Wärmeleitplatte 90 steht. Die Wärmeleitplatte 90 und die einzelnen Batteriezellen 92 können Wärme zwischen einander übertragen, um während des Fahrzeugbetriebs das Managen der thermischen Konditionierung des Batteriezellen-Arrays 88 zu unterstützen. Gleichförmige Thermofluidverteilung und hohe Wärmeübertragungsfähigkeit sind zwei Gesichtspunkte für die Wärmeleitplatte 90, damit wirksames Thermomanagement für das Batteriezellen-Array 88 und andere umgebende Komponenten bereitgestellt wird. Weil Wärme zwischen der Wärmeleitplatte 90 und dem Thermofluid über Wärmeleitung und Konvektion übertragen wird, ist die Oberflächenfläche in einem Thermofluid-Strömungsfeld für die wirksame Wärmeübertragung wichtig, sowohl zum Abführen von Wärme als auch zum Vorheizen der Batteriezellen 92 bei niedrigen Temperaturen. Zum Beispiel erzeugt das Aufladen und Entladen der Batteriezellen Wärme, die die Leistung und die Lebensdauer des Batteriezellen-Arrays 88 negativ beeinflussen kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Alternativ kann die Wärmeleitplatte 90 auch Wärme bereitstellen, um das Batteriezellen-Array 88 vorzuheizen, wenn es niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist.
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Die Wärmeleitplatte 90 kann einen oder mehrere Kanäle 93 und/oder einen Hohlraum enthalten, um Thermofluid durch die Wärmeleitplatte 90 zu verteilen. Zum Beispiel kann die Wärmeleitplatte 90 eine Einlassöffnung 94 und eine Auslassöffnung 96 enthalten, die zum Bereitstellen und Umwälzen des Thermofluids mit den Kanälen 93 in Verbindung stehen können. Das Positionieren der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 kann relativ zu den Batteriezellen-Arrays 88 unterschiedlich sein. Zum Beispiel und wie in 2 gezeigt wird, können die Einlassöffnung 94 und die Auslassöffnung 96 relativ zu den Batteriezellen-Arrays 88 mittig positioniert sein. Die Einlassöffnung 94 und die Auslassöffnung 96 können auch an der Seite der Batteriezellen-Arrays 88 positioniert sein. Alternativ kann die Wärmeleitplatte 90 einen Hohlraum (nicht dargestellt) definieren, der zum Bereitstellen und Umwälzen des Thermofluids mit der Einlassöffnung 94 und der Auslassöffnung 96 in Verbindung steht. Die Wärmeleitplatte 91 kann eine Einlassöffnung 95 und eine Auslassöffnung 97 enthalten, um Thermofluid zuzuführen und abzuführen. Optional kann eine Lage Thermal Interface Material (nicht dargestellt) an der Wärmeleitplatte 90 und/oder 91 unter dem Batteriezellen-Array 88 und/oder dem Gleichspannungswandlermodul 28 bzw. dem BECM 33 angebracht werden. Die Lage Thermal Interface Material kann die Wärmeübertragung zwischen dem Batteriezellen-Array 88 und der Wärmeleitplatte 90 verbessern, indem sie zum Beispiel Lücken und/oder Luftspalte zwischen den Batteriezellen 92 und der Wärmeleitplatte 90 füllt. Das Thermal Interface Material kann ebenfalls elektrische Isolierung zwischen dem Batteriezellen-Array 88 und der Wärmeleitplatte 90 bereitstellen. Ein Batterietrog 98 kann die Wärmeleitplatte 90, die Wärmeleitplatte 91, die Batteriezellen-Arrays 88 und andere Komponenten stützen. Der Batterietrog 98 kann eine oder mehrere Ausnehmungen enthalten, um die Wärmeleitplatten aufzunehmen.
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Unterschiedliche Batteriesatzkonfigurationen können verfügbar sein, um auf einzelne Fahrzeugvarianten abzuheben, einschließlich Packaging-Einschränkungen und Leistungsanforderungen. Die Batteriezellen-Arrays 88 können in einer Abdeckung oder einem Gehäuse (nicht dargestellt) enthalten sein, um die Batteriezellen-Arrays 88 und andere umgebende Komponenten, wie zum Beispiel den Gleichspannungswandlermodul 28 und das BECM 33, zu schützen und zu kapseln. Die Batteriezellen-Arrays 88 können an mehreren unterschiedlichen Stellen positioniert sein, einschließlich zum Beispiel unter einem Vordersitz, unter einem Rücksitz oder hinter dem Rücksitz des Fahrzeugs. Allerdings ist in Betracht zu ziehen, dass die Batteriezellen-Arrays 88 an irgendeiner geeigneten Stelle im Fahrzeug 12 positioniert sein können.
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Zu zwei Beispielen für gewünschte Leistungen der Wärmeleitplatte können zählen: (i) das Abziehen einer maximalen Wärmemenge aus den Batteriezellen, und (ii) das Aufrechterhalten einer im Wesentlichen gleichförmigen Temperatur an einer Grundfläche der Batteriezellen. Um diese Leistungen zu erreichen, können für ein Thermomanagementsystem mehrere Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel kann sich über die Zelle hinweg eine Temperatur der Batteriezelle zwischen einer Minimal- und einer Maximaltemperatur unterscheiden, was als eine Batteriezellen-Temperaturdifferenz („Zell-∆T“) bezeichnet werden kann. In einem Batteriezellen-Array kann sich, über das Batteriezellen-Array hinweg, die Temperatur der Batteriezellen zwischen einer Minimal- und einer Maximaltemperatur unterscheiden, was als eine Batteriezellen-Array-Temperaturdifferenz („Array-∆T“) bezeichnet werden kann. Niedrigere Zell-∆T und Array-∆T-Messungen über die gesamte Batteriezelle bzw. das Batteriezellen-Array hinweg zeigen typischerweise eine gleichförmigere Temperaturverteilung an. Von daher kann das Maximieren des Gesamtwirkungsgrads der Wärmeübertragung zwischen dem Batteriezellen-Array und der Wärmeleitplatte das Minimieren von Zell-∆T und Array-∆T unterstützen. Ein gewünschtes Zell-∆T und ein gewünschtes Array-∆T können sich gemäß den Leistungsanforderungen für unterschiedliche Fahrzeuge und Thermomanagementsysteme unterscheiden.
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Wärmeleitplatten können unterschiedliche Arten von Flüssigkeitsströmungsmustern verwenden, um das Abziehen von Wärme aus den Batteriezellen und Batteriezellen-Arrays zu unterstützen und somit gewünschte Zell-∆T- und gewünschte Array-∆T-Leistung zu gewinnen. Die Wärmeleitplatte 100 in den 3A bis 3C wird in drei Konfigurationen gezeigt, um Beispiele für serielle Flüssigkeitsströmung, parallele Strömung bzw. U-förmige Strömung zu zeigen. Das Thermofluid, wie zum Beispiel Kühlmittel, Kältemittel oder Wasser, kann über die Einlassöffnung 102 in die Wärmeleitplatte 100 eintreten, über die Wärmeleitplatte 100, wie durch die Richtungsreferenzpfeile angezeigt wird, hinweg laufen und dann über die Auslassöffnung 104 aus der Wärmeleitplatte 100 austreten. Eine Stellfläche eines Batteriezellen-Arrays 106 wird mit einer gestrichelten Linie gezeigt. Das Batteriezellen-Array 106 kann Batteriezellen enthalten, wie zum Beispiel eine Batteriezelle 107 und eine Batteriezelle 109, deren Stellflächen ebenfalls beide mit gestrichelten Linien gezeigt werden. Bei jeder Art von Beispiel für die Flüssigkeitsströmung kann Thermofluid, das durch die Wärmeleitplatte 100 läuft, von den Batteriezellen des Batteriezellen-Arrays 106 erzeugte Wärme absorbieren.
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Bei serieller Strömung, wie sie in 3A gezeigt wird, tritt Thermofluid über die Einlassöffnung 102 in die Wärmeleitplatte 100 ein und kann in einer im Wesentlichen gleichförmigen Art über das serielle Strömungsfeld hinweg laufen. Die Batteriezelle 109 ist die letzte Batteriezelle des Batteriezellen-Arrays 106 und liegt am nächsten zur Auslassöffnung 104. In diesem Beispiel wird die Batteriezelle 109 bei einer höheren Temperatur betrieben werden als die Batteriezelle 107, die näher an der Einlassöffnung 102 liegt, weil das Thermofluid, das unterhalb der Batteriezelle 109 hindurch strömt, Wärme aus dem Batteriezellen-Array 106 absorbiert haben wird, während es über die Wärmeleitplatte 100 hinweg läuft. Die Differenz der Betriebstemperaturen für die Batteriezelle 107 und die Batteriezelle 109 wird in diesem Beispiel ein hohes Array-∆T des Batteriezellen-Arrays 106 treiben, was die Fahrzeugleistung negativ beeinflussen kann.
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Bei paralleler Strömung, wie sie in 3B gezeigt wird, tritt Thermofluid über die Einlassöffnung 102 in die Wärmeleitplatte 100 ein und läuft vor der Verteilung in einer horizontalen Richtung unter dem Batteriezellen-Array 106 hindurch einen Eintrittskanal 110 entlang. Das Thermofluid wird seine niedrigste Temperatur aufweisen, während es sich im Eintrittskanal 110 befindet. Ein Teil der Batteriezellen 107 und 109 im Batteriezellen-Array 106, der sich näher an einem Austrittskanal 108 befindet, wird wärmeres Thermofluid sehen, als die Teile der Batteriezellen 107 und 109, die sich näher am Eintrittskanal 110 befinden. Dies kann zu einem höheren Zell-∆T führen, was die Leistung des Batteriezellen-Arrays 106 und die Lebensdauer der Batteriezellen darin negativ beeinflussen kann.
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Bei U-förmiger Strömung, wie sie in 3C gezeigt wird, kann die Batteriezelle 109, die sich am weitesten von der Einlassöffnung 102 und der Auslassöffnung 104 entfernt befindet, eine mittlere Temperatur sehen (relativ zu den übrigen Batteriezellen im Batteriezellenarray 106), während die Batteriezelle 107, die sich am nächsten zur Einlassöffnung 102 und zur Auslassöffnung 104 befindet, das wärmste Fluid an der einen Hälfte der Batteriezelle und das kälteste Fluid an der anderen Hälfte sehen kann, was dazu tendieren kann, sich gegenseitig auszumitteln. Demzufolge ist das gemessene Array-∆T kleiner als bei paralleler Strömung und bei serieller Strömung, und das U-förmige Strömungssystem kann somit die Fahrzeugleistung verbessern. Allerdings können in diesem Beispiel für die U-förmige Strömung die ersten wenigen Batteriezellen, die sich am nächsten zur Einlassöffnung 102 und zur Auslassöffnung 104 befinden, eine Temperaturdifferenz zwischen ihren jeweiligen beiden Hälften sehen, die zu einem hohen Zell-∆T führen kann. Dies kann die Leistung des Batteriezellen-Arrays 106 und die Lebensdauer der Batteriezellen darin negativ beeinflussen.
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Jetzt mit Bezug auf 4A und 4B: Ein Teil einer Traktionsbatteriebaugruppe 138 wird gezeigt, der eine Wärmeleitplatte 140 enthalten kann, die dazu ausgelegt ist, ein Batteriezellen-Array 142 mit Batteriezellen 144 zu stützen. Andere Strukturelemente (nicht dargestellt) können verwendet werden, um ebenfalls das Batteriezellen-Array 142 im Fahrzeug zu stützen. Die Wärmeleitplatte 140 kann auch für thermische Verbindung mit dem Batteriezellen-Array 142 ausgelegt sein. Zu Beispielen für thermische Verbindung zählen Wärmeleitung und Konvektion. Ein unterer Teil der Batteriezellen 144 oder eine untere Stirnfläche der Batteriezellen 144 kann die Wärmeleitplatte 140 direkt kontaktieren, so dass die Wärmeleitplatte 140 die Batteriezellen 144 stützt. Wie oben beschrieben wird, kann eine Lage Thermal Interface Material (nicht dargestellt) zwischen der Wärmeleitplatte 140 und den Batteriezellen 144 positioniert sein. Das Thermal Interface Material kann Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen 144 und der Wärmeleitplatte 140 verbessern, indem es zum Beispiel Lücken und/oder Luftspalte zwischen den Batteriezellen 144 und der Wärmeleitplatte 140 füllt. Das Thermal Interface Material kann auch elektrische Isolierung zwischen den Batteriezellen 144 und der Wärmeleitplatte 140 bereitstellen. Jede Batteriezelle 144 kann auch eine Stirnfläche 145 definieren. Die Wärmeleitplatte 140 kann eine untere Platte 146 und eine obere Platte 148 enthalten. Die obere Platte 148 kann an der unteren Platte 146 fixiert sein. Während mehrere Verfahren zum Befestigen der oberen Platte 148 an der unteren Platte 146 verfügbar sind, zählt zu einem Beispiel für Aluminiumplatten Hartlöten. Ein anderes Beispiel beinhaltet Befestigungsverfahren, bei denen zum Beispiel Dichtungen, Muttern und Schrauben verwendet werden. Eine Einlassöffnung 152 und eine Auslassöffnung 154 können am gleichen Ende der Wärmeleitplatte 140 positioniert sein und sich mit den Kanälen in Fluidverbindung befinden, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Es ist vorgesehen, dass andere Stellen für die Einlassöffnung 152 und die Auslassöffnung 154 zur Verfügung stehen können. Zum Beispiel kann sich die Einlassöffnung 152 über oder unter der Wärmeleitplatte 140 und an verschiedenen Stellen entlang des gleichen Endes der Wärmeleitplatte 140 befinden. Als weiteres Beispiel kann sich die Auslassöffnung 154 über oder unter der Wärmeleitplatte 140 und an anderen Stellen entlang des gleichen Endes der Wärmeleitplatte 140 befinden. Ferner ist vorgesehen, dass mehr als eine Einlassöffnung 152 und/oder Auslassöffnung 154 mit der Wärmeleitplatte 140 verwendet werden kann.
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Nun zusätzlich mit Bezug auf 5 kann eine untere Platte 146 eine oder mehrere U-förmige Kanalkonfigurationen 150 mit einer Querorientierung relativ zum Batteriezellen-Array 142 und eine parallele Orientierung relativ zu einer Mittelachse 147, die durch eine jeweilige Batteriezelle 144 definiert wird, definieren. Zusätzlich können die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 eine parallele Orientierung relativ zu einer Ebene, die durch die Flächen 145 der Batteriezellen 144 definiert ist, aufweisen. Ein Einlassplenum 151 kann zwischen der Einlassöffnung 152 und den U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 angeordnet sein. Das Einlassplenum 151 kann durch die Wärmeleitplatte 140 definiert sein. Das Einlassplenum 151 kann auch von der Wärmeleitplatte 140 getrennt und daran befestigt sein. Beispielsweise kann sich das Einlassplenum 151 über oder unter der Wärmeleitplatte 140 befinden. Ein Auslassplenum 155 (in 4A und 6 gezeigt) kann zwischen den U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 und der Auslassöffnung 154 angeordnet sein. Das Auslassplenum 155 kann durch die Wärmeleitplatte 140 definiert sein. Das Auslassplenum 155 kann von der Wärmeleitplatte 140 getrennt und daran befestigt sein. Beispielsweise kann sich das Auslassplenum 155 über oder unter der Wärmeleitplatte 140 befinden.
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Jede U-förmige Kanalkonfiguration 150 kann einer der Batteriezellen 144 entsprechen, die durch eine gestrichelte Stellfläche 158 in 5 dargestellt wird. Beispielsweise können sich die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 jeweils unter der entsprechenden Batteriezelle 144 befinden, so dass Wärmefluid darunter strömt. Ebenso ist vorgesehen, dass jede U-förmige Kanalkonfiguration mehr als einer Zelle und/oder einer Zelle und einem Abschnitt einer weiteren Zelle entsprechen kann. Die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 können benachbarte Kanäle beinhalten, um Wärmefluidströmung innerhalb der Wärmeleitplatte 140 zu leiten. Zum Beispiel kann jede U-förmige Kanalkonfiguration 150 einen Einlass 160, einen Eintrittskanal 162, einen Router 164, einen Austrittskanal 166 und einen Auslass 168 beinhalten. Die Einlässe 160 und die Auslässe 168 können sich in der Nähe eines gleichen Endes der entsprechenden Batteriezelle 144 befinden. Die Router 164 werden manchmal als U-Bogen bezeichnet. Die Einlässe 160 und die Auslässe 168 können sich nebeneinander befinden und können sich außerdem an einem gleichen Seitenabschnitt der Wärmeleitplatte 140 befinden, wie in 4A und 5 gezeigt. Wandungen können zumindest teilweise die Kanäle definieren und können dazu ausgebildet sein, Wärmeübertragung zwischen mit ihnen in Kontakt stehendem Fluid und der unteren Platte 146 zu fördern. Nun zusätzlich mit Bezug auf 6 kann Wärmefluid von dem Einlassplenum 151 mittels der jeweiligen Einlässe 160 zu jedem der Eintrittskanäle 162 laufen. Die Eintrittskanäle 162 können dazu ausgebildet sein, das Wärmefluid, das in eine erste Richtung strömt, an den jeweiligen Router 164 zu liefern. Die Router 164 können das Wärmefluid daraufhin so umlenken, dass es in eine zweite Richtung innerhalb der jeweiligen Austrittskanäle 166 strömt. Das Wärmefluid kann dann durch die Auslässe 168 laufen und in das Auslassplenum 155 strömen, und nicht direkt in die Eintrittskanäle 162 einer weiteren U-förmigen Kanalkonfiguration 150. Wärmefluidströmung in sowohl der ersten Richtung als auch der zweiten Richtung kann in eine Richtung laufen, die im Wesentlichen parallel zur Batteriezellenmittelachse 147 ist. Die Eintrittskanäle 162 können sich eine Wandung eines Austrittskanals 166 der gleichen U-förmigen Kanalkonfiguration 150 teilen. Die Austrittskanäle 166 können sich außerdem eine Wandung mit einem Eintrittskanal 162 einer weiteren U-förmigen Kanalkonfiguration 150 teilen. Die Router 164 können sich außerhalb eines Gebiets befinden, das durch die Stellfläche 158 des Batteriezellen-Arrays 142 definiert ist, oder die Router 164 können sich innerhalb der Stellfläche 158 des Batteriezellen-Arrays 142 befinden. Die Wärmeleitplatte 140 kann die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 definieren. Beispielsweise können die untere Platte 146 und/oder die obere Platte 148 die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 definieren und unter Ausbildung der Wärmeleitplatte 140 aneinander befestigt werden.
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Wie oben beschrieben, können die U-förmigen Kanalkonfigurationen 150 angeordnet sein, um Wärmefluidströmung in benachbarten Kanälen zwischen der ersten und zweiten Richtung zu alternieren. Diese Anordnung kann verbesserte Fahrzeugleistung bereitstellen und die Verlängerung der Lebensdauer der Batteriezellen 144 unterstützen, im Vergleich zu einer seriellen oder einer parallelen Strömungsanordnung, wie sie in den 3A bzw. 3B gezeigt wird. Zum Beispiel kann Thermofluid, das in die Eintrittskanäle 162 eintritt, als „kaltes“ Fluid bezeichnet werden, weil das Fluid frisch aus der Einlassöffnung 152 kommt. Wärmefluid, das durch die Austrittskanäle 166 fließt, kann als „warmes“ oder „heißes“ Fluid bezeichnet werden, das eine höhere Temperatur als die der kalten Fluide aufweist, da Wärme von der entsprechenden Batteriezelle 144 während dem Laufen vom Einlass 160 zum Auslass 168 absorbiert werden kann. In diesem Beispiel sind Kanäle mit heißem oder warmem Fluid einander nicht direkt benachbart und stattdessen durch Kanäle mit kaltem Fluid getrennt. Diese Anordnung kann das Reduzieren von Zell-∆T und Array-∆T unterstützen, weil jede Batteriezelle 144 im gesamten Batteriezellen-Array 142 davon profitiert, dass unter ihr hindurch und in den Kanälen Thermofluid mit unterschiedlichen Temperaturen strömt.
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Zu zusätzlichen Merkmalen zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann das Erhöhen einer Oberflächenfläche in den Kanälen zählen. Wenigstens einige der Oberflächen der Kanäle können Strömungsmerkmale enthalten, die dazu ausgelegt sind, eine wirksame Oberflächenfläche die Kanäle, die mit dem darin fließenden Thermofluid in Kontakt ist, zu erhöhen. Zu Strömungsmerkmalen können zum Beispiel hartgelötete, gesplittete Lamellen, hartgelöteter Metallschaum, wie zum Beispiel aus Aluminium, Extrusionen, Vertiefungen oder Absätze in der unteren Platte 146 oder der oberen Platte 148 zählen. Diese Merkmale können ebenfalls das Übertragen von mehr Wärme zur unteren Platte 146 unterstützen. Zusätzlich zum Bereitstellen zusätzlicher Oberflächenfläche zur Unterstützung bei der Wärmeübertragung können diese Merkmale auch eine Geschwindigkeit der Thermofluidströmung anpassen oder Fluidstromturbulenz hervorrufen, die auch die Wärmeübertragung verstärken kann.
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7 bis 10 zeigen Beispiele für Plenumkonfigurationen, die bei einer Traktionsbatterieanordnung verwendet werden können. 7 betrifft 4 bis 6 und enthält die Wärmeleitplatte 140, das Batteriezellen-Array 142 und das Auslassplenum 155, das unter der Wärmeleitplatte 140 befestigt ist. 8 zeigt eine Wärmeleitplatte 200, ein Batteriezellen-Array 202 und ein Einlassplenum 204, das über der Wärmeleitplatte 200 befestigt ist. 9 zeigt eine Wärmeleitplatte 210, ein Batteriezellen-Array 212 und ein Auslassplenum 214, das über der Wärmeleitplatte 210 befestigt ist. 10 zeigt eine Wärmeleitplatte 220, ein Batteriezellen-Array 222 und ein Einlassplenum 224, das unter der Wärmeleitplatte 220 befestigt ist.
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Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche umfassten Formen beschreiben. Die in der Patentbeschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben wurde, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik in Hinsicht auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften beschrieben worden sein, doch wie Durchschnittsfachleute erkennen, können Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden, um verlangte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.
