DE102015214661A1

DE102015214661A1 - Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102015214661A1
Application number: DE102015214661.8A
Authority: DE
Inventors: Chiang Chen; Markus Bednarzik; Andreas Czok; Karsten Küper
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017021018A1; CN107848436A; EP3328678A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung (8) zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte (9) aufweist, wobei die Kühlplatte (9) aus einem Strangpressprofil ausgeführt ist und wenigstens einen Kühlkanal (20, 22) aufweist. Durch die Strangpressprofile sind in vorteilhafter Weise gleichmäßige, reproduzierbare Kühlkanäle mit definierter Oberfläche ausgebildet, die gegenüber den herkömmlich aus Sandguss mit verlorenen Sandkernen hergestellten Kühlkörpern eine deutlich bessere Kühlleistung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte aufweist.
Für Elektro- und Hybridfahrzeuge spielt das Thermomanagement der Traktionsbatterie eine wichtige Rolle. Der Betrieb von Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, ist wirkungsgradbehaftet. Auch wenn der Wirkungsgrad dieser Batterieanordnungen hoch ist, muss eine im Verhältnis der übertragenen Energie geringe Wärmemenge abgeführt werden, da diese Wärme den Batteriezellen schaden kann. Bei einer erhöhten Temperatur können innerhalb der Batterie in den Batteriezellen irreversible Degradationsreaktionen auftreten, die die Lebensdauer der Batteriezellen reduzieren. Die Batteriezellen sollten idealerweise dauerhaft unterhalb von 40°C betrieben werden, weshalb eine Temperiereinrichtung bzw. eine Kühlvorrichtung innerhalb der Batterieanordnung bei größeren Entlade- und Ladeströmen von Vorteil ist. Als Kühlvorrichtung für Lithium-Ionen-Batterien wird bekannter Weise ein Flüssigkeitskühlkreislauf eingesetzt.
Kühlkanäle von aus Herstell- und Kostengründen im Sandguss hergestellten Kühlkörpern herkömmlicher Batteriemodule weisen zumeist eine undefinierte Innengeometrie auf. Diese Geometrie ist durch die Verwendung verlorener Sandkerne bedingt. Es besteht hierbei die Gefahr einer ungleichmäßigen Kühlmittel- oder Temperaturverteilung und eines schlechteren Wärmeübergangs von den zu kühlenden Batteriezellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsstarke Kühlung der Batteriezellen bei minimalem Bauraum und herstell- und kostengünstig zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Traktionsbatterie hat eine Kühlvorrichtung zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte aufweist, wobei die Kühlplatte als Strangpressprofil ausgeführt ist. Durch die Strangpressprofile sind in vorteilhafter Weise gleichmäßige, reproduzierbare Kühlkanäle mit definierter Oberfläche ausgebildet, die gegenüber den aus Sandguss mit verlorenen Sandkernen hergestellten Kühlkörpern eine deutlich bessere Kühlleistung aufweisen.
Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie kann durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche weitergebildet werden, womit die Ausgestaltungsmöglichkeiten jedoch nicht erschöpft sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Kühlkanal einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Kühlplatte kann so kostengünstig, einfach und reproduzierbar hergestellt werden.
Die kürzeren Seiten des annähernd rechteckigen Querschnitt wenigstens einen Kühlkanals weisen vorteilhaft einen geraden Verlauf auf, sodass die Herstellung der Geometrie einfach und kostengünstig erfolgen kann.
Die längeren Seiten des Kühlkanals sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie einen annähernd wellenförmigen Verlauf aufweisen. Der wellenförmige Verlauf des Querschnitts, aufweisend Wellenberge und Wellentäler, an den längeren Seiten des Kühlkanals sorgt für eine vergrößerte Oberfläche, sodass eine größtmögliche Fläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittelstrom und der Kühlplatte zur Verfügung steht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkanal an seinen längeren Seiten jeweils mehrere Wellenberge und Wellentäler auf, die derart ausgestaltet sind, dass der Wellenberg der ersten längeren Seite dem Wellental der zweiten längeren Seite genau gegenüber liegt. Der so entstehende Querschnitt ähnelt einer Ziehharmonika, da sich die Breite des Kühlkanals ändert, wobei diese zwischen einer schmaleren und einer weiteren Breite stetig wechselt.
Vorzugsweise weist die Kühlplatte zwei voneinander getrennte Kühlmittelanschlüsse auf, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse für einen Kühlmitteleinlass und der andere Kühlmittelanschluss für einen Kühlmittelauslass dient. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass ist vorzugsweise oberhalb des Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass angeordnet. So kann das über den Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass eingebrachte Kühlmittel durch Schwerkraft unterstützt aus dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass nach Durchströmen der Kühlplatte wieder austreten.
Vorteilhaft weist die Kühlplatte einen Kühlkanal für den Zulauf des Kühlmittels und mehrere Kühlkanäle für den Rücklauf des Kühlmittels auf, wodurch die gesamte Kühlplatte von Kühlmittel durchströmt werden kann. Die Kühlmittelanschlüsse sind bauraumoptimiert im oberen Bereich angeordnet, wodurch daran angeschlossene Kühlmittelleitungen kürzer und damit günstiger ausgeführt werden können. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass öffnet sich trichterförmig in Richtung der Kühlkanäle für den Rücklauf, sodass alle drei Kühlkanäle für den Rücklauf vom Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass erfasst werden.
Vorzugsweise weist der Kühlkanal für den Zulauf einen größeren Querschnitt auf, als jeder der Kühlkanäle für den Rücklauf, wobei z.B. die Summe der Querschnittsflächen der Kühlkanäle für den Rücklauf etwa der Querschnittsfläche des Kühlkanals für den Zulauf entspricht. Die Querschnittsflächen der Kühlkanäle für den Rücklauf sind bspw. im Wesentlichen gleich groß und weisen die gleiche Geometrie auf, sodass nahezu gleiche Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühlkanälen herrschen. Die somit entstehende Wärmeübertragung ist über die gesamte Kühlfläche sehr homogen. Dies ergibt eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelstroms, sodass das zugeführte Kühlmittel einen konstanten Druck hat.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlkanal für den Zulauf und die Kühlkanäle für den Rücklauf auf der den Kühlmittelanschlüssen abgewandte Stirnseite der Kühlplatte miteinander verbunden, sodass das Kühlmittel in einer definierten Richtung durch die Kühlplatte fließen kann.
Die Kühlplatten sind vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Aluminium hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sodass ein guter und schneller Wärmeübergang zwischen der Kühlplatte und den angrenzenden Batteriezellen sowie zwischen Kühlplatte und Kühlmittel gewährleistet ist.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Traktionsbatterie mit einer Kühlvorrichtung im Zusammenbau mit zwei Batteriezellmodulen;
2 einen Schnitt entlang der Y-Achse durch die Ausführungsform in 1;
2a einen Querschnitt eines Kühlkanals;
3 eine Kühlplatte in einer isometrischen Ansicht;
4 einen Schnitt entlang der X-Achse durch die Kühlplatte in 3.
Die Traktionsbatterie 1 gemäß 1 weist zwei Zellmodule 3 auf, welche jeweils zwei Verbinder 5 jeweils an ihren Stirnseiten 7 aufweisen. Zwischen den Zellmodulen 3 ist eine Kühlvorrichtung 8 angeordnet, welche vorzugsweise als Kühlplatte 9 ausgeführt ist. Die Kühlplatte 9 weist an einer ihrer Stirnseite 11 zwei Kühlmittelanschlüsse 12, 13 auf, wobei der in Z-Richtung gesehen obere Kühlmittelanschluss 12 für einen Kühlmitteleinlass ist und der in Z-Richtung gesehen untere Kühlmittelanschluss 13 für einen Kühlmittelauslass dient. Die Kühlmittelanschlüsse 12, 13 weisen dieselbe runde Querschnittsgeometrie auf. Die Zellmodule 3, die Verbinder 5 und die Kühlplatte 9 sind mittels Verbindungselementen 15 miteinander verschraubt und verspannt. Die Verbindungselemente 15 bestehen aus einer durch die Zellmodule 3, die Verbinder 5 und die Kühlplatte 9 geführten Schraube und aus einer einseitig an einem der Verbinder 5 angeschweißten Schraubmutter.
2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung aus 1 in einem Schnitt in Y-Richtung. Die Kühlplatte 9 ist zwischen den Zellmodulen 3 angeordnet. Jeweils zwischen Kühlplatte 9 und einem der Zellmodule 3 ist eine thermische Leitschicht 18, die vorzugsweise als thermisch leitfähige Folie ausgeführt ist, angeordnet, die dem besseren Wärmeaustausch zwischen Kühlplatte 9 und Zellmodul 3 dient. Die Kühlplatte 9 weist bspw. einen Kühlkanal für den Zulauf 20 des Kühlmittels auf, der einen geometrisch größeren Querschnitt hat, und drei Kühlkanäle für den Rücklauf 22, die einen geometrisch kleineren Querschnitt haben, auf. Sowohl der Kühlkanal für den Zulauf 20 als auch die Kühlkanäle für den Rücklauf 22 weisen einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf, der anhand 2a näher erläutert wird.
2a zeigt einen erfindungsgemäßen Querschnitt des Kühlkanals für den Zulauf 20, der im Wesentlichen rechteckig ist, wobei zwei kürzere Seiten 24, die in Y-Richtung verlaufen, einen geraden Verlauf aufweisen und zueinander parallel sind. Zwei in Z-Richtung verlaufende längere Seiten 26, 27 des annähernd rechteckigen Querschnitts weisen eine Wellenform mit mehreren Wellenbergen 28 und Wellentälern 29 auf. Die Wellenberge 28 weisen geometrisch dasselbe Maximum und die Wellentäler 29 geometrisch dasselbe Minimum auf, wobei in Y-Richtung gesehen jeweils alle Wellenberge und alle Wellentäler auf derselben Höhe liegen. Die Wellenberge 28 und Wellentäler 29 sind derart angeordnet, dass sich jeweils ein Wellenberg 28 der ersten längeren Seite 26 genau mit einem Wellental 29 der zweiten längeren Seite 27 gegenüber liegt, sodass der Querschnitt entlang der Z-Achse einer Ziehharmonika ähnelt. Der Querschnitt ändert sich somit entlang der Z-Achse, wobei er schmaler und weiter wird. Die Kanalgeometrie des Kühlkanals für den Zulauf 20 findet sich in ähnlicher Form auch jeweils an den Kühlkanälen für den Rücklauf 22, wobei die Kühlkanäle für den Rücklauf 22 jeweils dieselben Maxima der Wellenberge 28 und Minima der Wellentäler 29 aufweisen, jedoch in Z-Richtung gesehen jeweils kürzer ausgeführt sind, sodass sich insgesamt eine verringerte Querschnittsfläche jeder der Kühlkanäle für den Rücklauf 22 im Vergleich mit dem Kühlkanal für den Zulauf 20 ergibt.
3 zeigt die Kühlplatte 9 mit den Kühlmittelanschlüssen 12, 13. Die Kühlplatte 9 ist in der XZ-Ebene an ihrem in Z-Richtung gesehen oberen und unteren Bereich in der Tiefe (in Y-Richtung) mit geringerer Wandstärke ausgeführt und weist in jedem seiner vier Ecken eine Bohrung 32 auf. Durch diese Bohrungen 32 werden die Schrauben der Verbindungselemente 15 geführt.
4 zeigt einen Schnitt in X-Richtung durch die Kühlplatte 9 gemäß 3. Auf der den Kühlmittelanschlüssen 12, 13 abgewandten Stirnseite der Kühlplatte 9 sind der Kühlkanal für den Zulauf 20 mit allen Kühlkanälen für den Rücklauf 22 über eine Verbindungsleitung 30 verbunden. Die Kühlplatte 9 weist an der die Kühlmittelanschlüsse 12, 13 aufweisenden Stirnseite 11 eine Kopplungsleitung 31 auf. Die Kopplungsleitung 31 verbindet die Kühlkanäle für den Rücklauf 22 miteinander. Die Kopplungsleitung 31 ist über ihre gesamte in Z-Richtung verlaufende Länge mit dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass 13 verbunden, wobei die rohrförmige Geometrie des Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass 13 sich in Richtung der Kühlkanäle für den Rücklauf 22 trichterartig öffnet. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass 12 öffnet sich in Richtung des Kühlkanal für den Zulauf 20 ebenfalls trichterartig, da sich der Querschnitt zwischen dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass 12 und dem Kühlkanal für den Zulauf 20 ändert.
Bezugszeichenliste

1: Traktionsbatterie
3: Zellmodul
5: Verbinder
7: Stirnseite der Zellmodule
8: Kühlvorrichtung
9: Kühlplatte
11: Stirnseite der Kühlplatte
12: Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass
13: Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass
15: Verbindungselemente
18: thermische Leitschicht
20: Kühlkanal für den Zulauf
22: Kühlkanal für den Rücklauf
24: kürzere Seite
26: erste längere Seite
27: zweite längere Seite
28: Wellenberg
29: Wellental
30: Verbindungsleitung
31: Kopplungsleitung
32: Bohrung

Claims

Traktionsbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung (8) zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9) aus einem Strangpressprofil ausgeführt ist und wenigstens einen Kühlkanal (20, 22) aufweist.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (20, 22) einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeren Seiten (24) des Kühlkanals (20, 22) einen geraden Verlauf aufweisen und zueinander parallel sind und seine längeren Seiten (26, 27) annähernd einer Wellengeometrie, aufweisend Wellberge (28) und Wellentäler (29) folgen.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verläufe der gegenüber liegenden längeren Seiten (26, 27) um einen Wellenberg (28) derart zueinander verschoben sind, dass sich der Wellenberg (28) der ersten längeren Seite (26) mit dem Wellental (29) der zweiten längeren Seite (27) genau gegenüber liegt.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden längeren Seiten (26, 27) des Kühlkanals (20, 22) mehrere Wellenberge (28) und Wellentäler (29) aufweist, sodass der Querschnitt des Kühlkanals (20, 22) im Wesentlichen einer Ziehharmonika ähnelt.
Traktionsbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9) wenigstens zwei voneinander getrennte Kühlmittelanschlüsse (12, 13) aufweist.
Traktionsbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9) mindestens drei Kühlkanäle (20, 22) aufweist, wobei ein Kühlkanal (20) für einen Zulauf eines Kühlmittels und mehrere Kühlkanäle (22) für einen Rücklauf des Kühlmittels vorgesehen sind.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (20) für den Zulauf des Kühlmittels eine größere Querschnittsfläche aufweist, als jeder der Kühlkanäle (22) für den Rücklauf des Kühlmittels, wobei die Kühlkanäle (22) für den Rücklauf jeweils denselben Querschnitt aufweisen.
Traktionsbatterie (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kühlkanäle (22) innerhalb der Kühlplatte (9) auf der den Kühlmittelanschlüssen (12, 13) zugewandten Stirnseite (11) der Kühlplatte (9) miteinander verbunden sind.
Traktionsbatterie (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal für den Zulauf (20) und die Kühlkanäle für den Rücklauf (22) des Kühlmittels innerhalb der Kühlplatte (9) auf der den Kühlmittelanschlüssen (12, 13) abgewandten Stirnseite der Kühlplatte (9) miteinander verbunden sind.