DE102015206522A1 - Mehrfunktionaler Energiespeicherboden - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen kühlbaren Energiespeicherboden (1) für einen elektrischen Energiespeicher (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicherboden (1) mehrlagig aufgebaut ist, aufweisend eine wärmeleitende Kühlplatte (3) zum Tragen des Energiespeichers (2), wobei in der Kühlplatte (3) mehrere Kühlkanäle (8) ausgebildet sind, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind, und eine Isolationsschicht (4), die aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Kühlplatte (3) gebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen elektrischen Energiespeicher (2) und ein Kraftfahrzeug mit solch einem kühlbaren Energiespeicherboden (1).
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen kühlbaren Energiespeicherboden für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie einen elektrischen Energiespeicher und ein Kraftfahrzeug mit solch einem kühlbaren Energiespeicherboden.
- In Kraftfahrzeugen eingesetzte elektrische Hochvolt-Speicher (HV-Speicher) dienen der Aufnahme, Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird die elektrische Energie in Batteriezellen gespeichert, wobei mehrere Batteriezellen, z. B. Lithium-Ionen-Zellen, zu einem nicht zerstörungsfrei demontierbaren Modul zusammengefasst sind. Ein solcher Hochvolt-Speicher besteht aus mehreren Modulen, wobei ein einzelnes Modul üblicherweise je nach Anzahl und Typ der darin verbauten Batteriezellen ca. 12 bis 25 kg wiegt. Da sich einerseits während des Ladens und Entladens die Batteriezellen erwärmen und andererseits eine Temperatur von 35°C nicht überschritten werden soll, ist eine Kühlung der Batteriezellen erforderlich.
- Aus der
DE 10 2008 059 969 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Batterie bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine in einem Batteriegehäuse angeordnete Wärmeleitplatte zur Kühlung der Batterie, welche vom Kühlmittel einer Klimaanlage eines Fahrzeugs durchströmbar ist. - Es besteht jedoch der Bedarf an alternativen und/oder vorteilhafteren Lösungen.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Tragestruktur und Kühlung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein mehrlagig aufgebauter, kühlbarer Energiespeicherboden für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Dieser umfasst eine wärmeleitende Kühlplatte zum Tragen des Energiespeichers, wobei in der Kühlplatte mehrere Kühlkanäle ausgebildet sind, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind, und eine Isolationsschicht, die aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Kühlplatte gebildet ist. Dieser Energiespeicherboden übernimmt mehrere Funktionen. Einerseits bildet er eine tragende Struktur oder Fläche für den elektrischen Energiespeicher und andererseits dient diese Struktur der Kühlung, indem sie von Kühlmittel durchströmbar ist. Die bisherige Aufteilung in Tragestruktur zum Tragen des Energiespeichers und Kühlplatte zum Kühlen des Energiespeichers wird somit eliminiert oder wird zumindest verringert. Ferner bietet dieses Ausführungsbeispiel den Vorteil, dass durch die thermische Isolationsschicht die in die Kühlplatte transportierte Kälteenergie effizienter zur Kühlung des Energiespeichers zur Verfügung steht und Verluste, beispielsweise durch heißen Asphalt, verringert werden. Die Isolationsschicht übernimmt dabei primär die Isolationsfunktion, kann jedoch, falls der Energiespeicherboden nicht mit der später genannten optionalen Schutzschicht ausgestattet ist, materialbedingt auch die Schutzfunktion der Schutzschicht übernehmen, da der für die Isolationsschicht bevorzugt verwendete Werkstoff auch einen verbesserten Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern in die Kühlplatte oder den Energiespeicher bietet. Der erfindungsgemäße Energiespeicherboden bietet somit ein kompakteres Speichergehäuse mit besserem Volumennutzungsgrad (Verhältnis von umbauten Volumen zu elektrisch aktivem Zellvolumen).
- Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist die Kühlplatte eine stranggepresste Kühlplatte. Dies bietet den Vorteil, dass die Kühlplatte kostengünstig und serienfertigungsfähig herstellbar ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der kühlbare Energiespeicherboden ferner eine Bodenschicht auf, welche auf der kühlplattenabgewandten Seite der Isolationsschicht angeordnet ist. Diese Bodenschicht ist vorzugsweise ein Aluminium- oder Stahlblech. Das Bodenblech bildet den Abschluss des kühlbaren Energiespeicherbodens und übernimmt eine gewisse Schutzfunktion gegenüber Verschmutzung und Beschädigung.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der kühlbare Energiespeicherboden ferner eine Schutzschicht aus Aramidfasern, Insbesondere para-Aramidfasern, oder Polyethylene-Fasern, die auf der kühlplattenabgewandten Seite der Isolationsschicht angeordnet ist. Diese Schutzschicht bietet erhöhten Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern in das Innere des Energiespeichers. Äußere Fremdkörper können während der Fahrt, mit teils hohen Auftreffgeschwindigkeiten, ohne eine solche Schutzschicht zur Beschädigung des Energiespeichers führen.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der kühlbare Energiespeicherboden ferner eine Zwischenschicht insbesondere aus Aluminium, die zwischen der Isolationsschicht und der Schutzschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht beabstandet die Isolationsschicht von der Schutzschicht und führt zu zusätzlicher Stabilität. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht ein Aluminium- oder Stahlblech.
- Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kühlplatte monolithisch ausgebildet. Durch die einstückige Ausbildung sind die Eigenschaften als Tragestruktur vorteilhafter.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Kühlplatte aus Aluminium hergestellt. Aluminium hat den Vorteil, einer guten Wärmeleitfähigkeit sowie einer guten Eignung zur Herstellung mittels Strangpressen.
- Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Isolationsschicht aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Dieses Material bietet den Vorteil geringer Wärmeleitfähigkeit und Schutz gegen Eindringen von Fremdkörpern, sodass die Isolationsschicht auch als Schutz fungiert, insbesondere wenn die separate und optionale Schutzschicht nicht vorhanden ist.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Kühlplatte und die Isolationsschicht, insbesondere mit Klebstoff oder Harz, unlösbar miteinander verbunden. Falls der kühlbare Energiespeicherboden weitere Schichten (aus Bodenschicht, Schutzschicht und/oder Zwischenschicht) umfasst, sind alle Schichten des Energiespeicherbodens unlösbar miteinander verbunden.
- Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung einen elektrischen Energiespeicher und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen kühlbaren Energiespeicherboden bereit.
- Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen multifunktionalen Energiespeicherboden für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvolt-Speicher, bereitzustellen, der die Tragefunktion des Energiespeichers übernimmt, gleichzeitig kühlbar ist und nach außen isoliert. Optional bietet dieser multifunktionale Energiespeicherboden außerdem eine Schutzfunktion gegenüber dem Eindringen von Fremdkörpern in den Energiespeicher.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
-
1 ist eine Explosionsdarstellung des kühlbaren Energiespeicherbodens für einen elektrischen Energiespeicher gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; -
2 zeigt den kühlbaren Energiespeicherboden aus1 , wobei in2 die einzelnen Schichten durch Laminieren miteinander verbunden sind; und -
3 ist eine Schnittdarstellung des kühlbaren Energiespeicherbodens aus2 , wobei die Schnittebene senkrecht zur Längsachse der Kühlkanäle verläuft. - Die
1 bis3 zeigen den erfindungsgemäßen kühlbaren Energiespeicherboden für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvolt-Energiespeicher (oberhalb 40 V DC, insbesondere oberhalb 100 V DC). Dabei stellt1 die einzelnen Schichten des mehrlagigen Energiespeicherbodens in voneinander getrenntem Zustand dar und die2 und3 zeigen den Energiespeicherboden in einem Zustand, in dem die einzelnen Schichten durch Laminieren miteinander verbunden sind. Darüber hinaus zeigt2 wie ein elektrischer Energiespeicher auf dem Energiespeicherboden platzierbar ist. Der elektrische Energiespeicher umfasst mehrere Speichermodule2 , welche direkt und wärmeleitend mit einer Kühlplatte3 des Energiespeicherbodens1 verbunden sind, wobei eine wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schicht, insbesondere Silikonfolie(n), dazwischen liegt. Ein Speichermodul2 umfasst mehrere Batteriezellen, z. B. Lithium-Ionen-Zellen, die zu einem (insbesondere nicht zerstörungsfrei demontierbaren) Speichermodul2 zusammengefasst sind. - Im Wesentlichen umfasst der Energiespeicherboden
1 eine Kühlplatte3 , eine Isolationsschicht4 , eine Zwischenschicht5 , eine Schutzschicht6 und eine Bodenschicht7 . In der minimalsten Lösung umfasst der Energiespeicherboden aus den genannten Schichten nur die Kühlplatte3 und die Isolationsschicht4 . Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst der Energiespeicherboden die Kühlplatte3 , die Isolationsschicht4 und die Bodenschicht7 . In dem hier detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst der Energiespeicherboden1 jedoch sämtliche der genannten Schichten. Diese einzelnen Schichten werden durch Laminieren mit einem geeigneten Klebstoff oder Harz unlösbar miteinander verbunden. Dadurch erhält der Energiespeicherboden1 eine Dicke (senkrecht zur Energiespeicher-tragenden Oberfläche) von 15–20 mm. Als wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Zwischenlage ist/sind zwischen den Speichermodulen2 und dem Energiespeicherboden1 eine oder mehrere flexible Silikonfolien vorgesehen, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt. - Die Kühlplatte
3 ist mit einer Vielzahl von Kühlkanälen8 versehen, die vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen dessen längere Seiten sich parallel zur die Speichermodule2 tragenden Oberfläche der Kühlplatte1 erstrecken. Durch diese Form wird erreicht, dass das in den Kühlkanälen strömende Kälte- bzw. Kühlmittel möglichst großflächig die von den Speichermodulen2 abgegebene Wärme aufnehmen kann. Der Querschnitt der Kühlkanäle8 kann aber auch quadratisch, rund, oval, oder mit einer sonstigen geeigneten Form ausgebildet sein. Die Kühlkanäle8 verlaufen insbesondere überschneidungsfrei. Vorzugsweise verlaufen die Kühlkanäle8 parallel zueinander. Ferner sind die Kühlkanäle8 vorzugsweise voneinander getrennt und nur an ihren Längsenden (Zu- und Abläufe der Kühlkanäle8 ) miteinander verbunden. Dazu sind zwischen den Kühlkanälen8 Trennstege9 vorgesehen. An geeigneten Positionen sind massive Stege10 vorgesehen, die zur Aufnahme von Verbindungselementen (z. B. Gewinden) zur Befestigung von Speicherkomponenten (z. B. Batteriemodule, Schützboxen, Speichermanagementeinheiten, HV-Verteiler) dienen können. Die Abmessung der massiven Stege10 ist in einer Richtung parallel zur Oberseite der Kühlplatte1 und senkrecht zur Längsrichtung der Kühlkanäle8 mindestens die Hälfte der Abmessung eines Kühlkanals8 in der gleichen Richtung. Die Kühlplatte3 ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, wobei die Kühlplatte3 durch Strangpressen ausgebildet wird, so dass Strangpressprofile mit den beschriebenen Merkmalen entstehen. Die oberste Lage des Energiespeicherbodens1 kann durch eine einzige Kühlplatte3 oder mehrere Kühlplatten3 gebildet werden. Direkt unterhalb der Kühlplatte3 , d. h. auf der den Speichermodulen2 abgewandten Seite der Kühlplatte3 , ist eine Isolationsschicht4 vorgesehen. Diese ist vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt und bildet eine Schicht aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, so dass der Energiespeicher nach außen isoliert wird. Direkt unterhalb der Isolationsschicht4 , d. h. auf der kühlplattenabgewandten Seiten der Isolationsschicht, ist eine Zwischenschicht5 vorgesehen, die vorzugsweise durch ein Aluminium- oder Stahlblech gebildet wird. Direkt unterhalb dieser Zwischenschicht5 , d. h. auf der der Isolationsschicht4 abgewandten Seite der Zwischenschicht5 ist eine Schutzschicht6 vorgesehen. Diese kann aus Aramidfasern, insbesondere para-Aramidfasern, wie beispielsweise Twaron® oder Kevlar® gebildet sein. Alternativ kann die Schutzschicht6 auch aus Polyethylene-Fasern, wie Dyneema®, hergestellt werden, die Zugfestigkeitswerte von 3 bis 4 GPa (3000 bis 4000 N/mm2) aufweisen. Aufgabe dieser Schutzschicht6 ist der Schutz vor Eindringen von äußeren Fremdkörpern in das Innere des Energiespeichers. Sollte diese optionale Schutzschicht6 nicht vorhanden sein, wird diese Funktion teilweise von der Isolationsschicht4 übernommen. Direkt unterhalb dieser Schutzschicht6 , d. h. auf der der Zwischenschicht5 abgewandten Seite der Schutzschicht6 , ist eine Bodenschicht7 vorgesehen, die ein Stahlblech sein kann, vorzugsweise jedoch durch ein Aluminiumblech ausgebildet wird. - Die Flächen, die sich in
2 von den vier schmalen Kanten des Energiespeicherbodens1 nach oben bis zu den Oberkanten der Speichermodule2 erstrecken, werden mit geeigneten Abdeckungen oder Blechen verschlossen, diese können je nach Art der Befestigung des Energiespeicherbodens an einer Fahrzeugkarosserie wahlweise eine tragende Funktion übernehmen. - Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059969 A1 [0003]
Claims (11)
- Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) für einen elektrischen Energiespeicher (2 ), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Energiespeicherboden (1 ) mehrlagig aufgebaut ist, aufweisend: eine wärmeleitende Kühlplatte (3 ) zum Tragen des Energiespeichers (2 ), wobei in der Kühlplatte (3 ) mehrere Kühlkanäle (8 ) ausgebildet sind, die von einem Kühlmittel durchströmbar sind, und eine Isolationsschicht (4 ), die aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Kühlplatte (3 ) gebildet ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlplatte eine stranggepresste Kühlplatte ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Bodenschicht (7 ), insbesondere aus Aluminium oder Stahl, welche auf der kühlplattenabgewandten Seite der Isolationsschicht (4 ) angeordnet ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Schutzschicht (6 ) aus Aramidfasern, insbesondere para-Aramidfasern, oder Polyethylene-Fasern, die auf der kühlplattenabgewandten Seite der Isolationsschicht (4 ) angeordnet ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß Anspruch 4, ferner aufweisend eine Zwischenschicht (5 ), insbesondere aus Aluminium, die zwischen der Isolationsschicht (4 ) und der Schutzschicht (6 ) angeordnet ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlplatte (3 ) monolithisch ausgebildet ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlplatte (3 ) aus Aluminium hergestellt ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (4 ) aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. - Kühlbarer Energiespeicherboden (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlplatte (3 ) und die Isolationsschicht (4 ), insbesondere mit Klebstoff oder Harz, unlösbar miteinander verbunden sind. - Elektrischer Energiespeicher (
2 ) mit einem kühlbaren Energiespeicherboden (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9. - Kraftfahrzeug mit einem kühlbaren Energiespeicherboden (
1 ) für einen elektrischen Energiespeicher (2 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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