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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweisenden Bodens oder Deckels für ein Energiespeichergehäuse.
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In Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb werden häufig Energiespeicherelemente wie Batterien bzw. Akkumulatoren zur Speicherung der für den Betrieb des elektrischen Antriebs notwendigen elektrischen Energie verwendet. Um diese Energiespeicherelemente im Betrieb des Kraftfahrzeugs sowie bei einem Unfall vor Beschädigungen zu schützen, werden sie üblicherweise innerhalb des Kraftfahrzeugs in einem eigens dafür vorgesehenen Energiespeichergehäuse untergebracht. Da sich die Energiespeicherelemente im Betrieb und/oder beim Aufladen erwärmen, ist eine Kühlung der Energiespeicherelemente oder des Energiespeichergehäuses wünschenswert. Eine solche Kühlung kann entweder an den einzelnen Energiespeicherelementen erfolgen oder am ein oder mehrere Energiespeicherelemente umschießenden Energiespeichergehäuse.
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So beschreibt die Druckschrift
DE 10 2010 051 106 A1 eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs, welche zumindest eine Kühlplatte umfasst, welche zumindest zwei flächig aneinander liegende Plattenelemente umfasst, zwischen denen ein Kühlkanal ausgebildet ist. An jedes Plattenelement, also zu beiden Seiten der Kühlplatte, kann jeweils ein Energiespeichermodul angeordnet werden, wodurch eine direkte Kühlung der Energiespeichermodule ermöglicht wird.
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In der Druckschrift
WO 2013/139908 A1 wird eine Kühlungsvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie beschrieben, bei der Kühlkanäle an der Außenfläche einer Kühlplatte von einer mit der Kühlplatte verbundenen Kanalplatte gebildet werden. Durch Kühlmittelzirkulation in den Kühlkanälen kann dabei in die Kühlplatte eingebrachte Wärme, insbesondere von auf der Kühlplatte angeordneten Energiespeicherelementen, abtransportiert werden.
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Druckschrift
DE 10 2008 059 955 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte mit einem integrierten Kühlkanal für eine Batterie, wobei in einem Unterteil der Kühlplatte der Kühlkanal mittels einer spanlosen Umformtechnik ausgeformt wird. Dieser Kühlkanal wird durch Aufsetzen einer Abdeckplatte auf das Unterteil verschlossen. Durch auf diese Kühlplatte angeordnete und mit dieser thermisch gekoppelte Energiespeicherzellen kann eine Batterie gebildet werden, deren Abwärme durch den Kühlkanal der Kühlplatte abgeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweisenden Wannenbodens für ein Energiespeichergehäuse anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer ebenen ersten Platte und einer ebenen zweiten Platte,
- - Anordnen der ersten Platte auf der zweiten Platte,
- - flüssigkeitsdichtes Verbinden der ersten Platte an der zweiten Platte entlang definierter Verbindungslinien,
- - Umformen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte zur Bildung von Erhebungen zwischen den Verbindungslinien zur Ausbildung des wenigstens einen Kühlkanals.
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Die ebene erste Platte und die ebene zweite Platte weisen bevorzugt eine gleiche Form sowie gleiche Kantenlängen auf, so dass sie deckungsgleich aufeinander angeordnet werden können. Anschließend erfolgt ein flüssigkeitsdichtes Verbinden der ersten Platte an der zweiten Platte entlang definierter Verbindungslinien. Diese Verbindungslinien können sowohl entlang der Kanten der ersten Platte bzw. der zweiten Platte verlaufen sowie im Inneren der Fläche der ersten Platte bzw. der zweiten Platte liegen. Abhängig von der zu erzeugenden Kühlkanalgeometrie können Verbindungslinien in verschiedenen Längen, Dicken und Verläufen vorgesehen werden. Insbesondere kann ein flüssigkeitsdichtes Verbinden auch entlang von mehreren Verbindungslinien erfolgen, welche eine Fläche einschließen. Nach dem flüssigkeitsdichten Verbinden der ersten Platte an der zweiten Platte erfolgt ein Umformen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte zur Bildung von Erhebungen zwischen den Verbindungslinien zur Ausbildung des wenigstens einen Kühlkanals. An den Verbindungslinien liegt die erste Platte auch nach dem Umformen an der zweiten Platte an, da die entlang der Verbindungslinien erfolgte flüssigkeitsdichte Verbindung dort eine Ausbildung von Erhebungen verhindert. Die durch das Umformen entstehenden Erhebungen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte bilden wenigstens einen Hohlraum zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte aus, wobei dieser Hohlraum den wenigstens einen Kühlkanal ausbildet. Um mit dem Kühlkanal kommunizierende Anschlüsse zu bilden, können auch Erhebungen vorgesehen sein, welche sich bis zum Rand der ersten Platte und/oder der zweiten Platte erstrecken, so dass durch randseitig angeordnete Anschlussmittel die Zufuhr bzw. Abfuhr von Kühlmittel zu den Kühlkanälen ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß kann ein Umformen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte durch Innenhochdruckumformen erfolgen. Dazu werden die erste Platte und die zweite Platte in einer Form angeordnet, welche derart gestaltet ist, dass eine Ausdehnung der umzuformenden Platte bzw. der umzuformenden Platten innerhalb der Form möglich ist. Beispielsweise kann beim Umformen der ersten Platte nur eine Ausdehnung der ersten Platte möglich sein und eine Ausdehnung der zweiten Platte aufgrund der Form verhindert werden. Anschließend wird unter hohem Druck ein gasförmiges öder flüssiges Wirkmedium zwischen die erste Platte und die zweite Platte gepresst, so dass sich die erste Platte und/oder die zweite Platte innerhalb der Form ausdehnt. Durch dieses Ausdehnen erfolgt das Umformen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte durch Annahme der von der Form vorgegebenen Geometrie. Da die erste Platte entlang der definierten Verbindungslinien flüssigkeitsdicht mit der zweiten Platte verbunden ist, erfolgt ein Ausdehnen bzw. das Ausbilden von Erhebungen nur zwischen den Verbindungslinien. Auf diese Weise kann eine Kühlkanalanordnung bzw. eine Kühlkanalgeometrie innerhalb des Wannenbodens, also zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, ausgebildet werden. Durch die von der Form vorgegebene Geometrie können beispielsweise Erhebungen der ersten Platte und/oder der zweiten Platte erzeugt werden, welche zumindest teilweise ebene Abschnitte aufweisen.
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Bevorzugt erfolgt eine Anordnung des Bodens oder des Deckels an einem Energiespeichergehäuse derart, dass die umgeformte erste Platte oder die umgeformte zweite Platte zum Inneren des Energiespeichergehäuses weist. Es ist jedoch auch möglich, dass die zum Inneren des Energiespeichergehäuses weisende Platte nicht umgeformt ist oder dass die erste Platte und die zweite Platte des Bodens oder Deckels umgeformt sind.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass während des Innenhochdruckumformens eine etwaige Kühlmittelundichtigkeit der Verbindung der ersten Platte an der zweiten Platte geprüft wird. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Dichtigkeitsprüfung der entlang der definierten Verbindungslinien erfolgten flüssigkeitsdichten Verbindung zwischen erster Platte und zweiter Platte während der Herstellung des Bodens oder des Deckels.
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Für solche eine Prüfung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Kühlmittelundichtigkeit der Verbindung der ersten Platte an der zweiten Platte durch Messung des Innendrucks eines Wirkmediums beim Innenhochdruckumformen und/oder durch Detektion eines Wirkmediumaustritts im Bereich einer randseitigen Verbindung geprüft wird. Eine Undichtigkeit, insbesondere einer wandseitigen Verbindung, kann durch Austreten des für das Innenhochdruckumformen verwendeten gasförmigen oder flüssigen Wirkmediums während des Umformvorgangs festgestellt werden. Als Wirkmedium kann beispielsweise Luft oder insbesondere ein Wasser-Öl-Gemisch verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ zur Detektion eines Wirkmediumaustritts kann auch durch einen Druckabfall des Innendrucks des Wirkmediums während des Umformens bzw. durch ein Nichterreichen eines bestimmten Maximaldruckwertes die Undichtigkeit einer flüssigkeitsdichten Verbindung entlang einer oder mehrerer der definierten Verbindungslinien festgestellt werden. Die für den Betrieb des Bodens oder des Deckels zur Kühlung von Energiespeicherelementen notwendige Kühlmitteldichtigkeit nach außen sowie zwischen den im Boden bzw. Deckel verlaufenden Kühlkanälen kann auf diese Weise direkt während der Fertigung erfolgen.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren kann vorgesehen sein, dass eine erste Platte und eine zweite Platte aus Metallblech verwendet werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine erste Platte bzw. eine zweite Platte aus Aluminiumblech, Stahlblech oder Kupferblech handeln. Durch die Verwendung von Metallblech wird eine hinreichende Wärmeleitfähigkeit insbesondere der ersten Platte sowie eine insgesamt hinreichende mechanische Stabilität des Wannenbodens für das Energiespeichergehäuse erreicht.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Verbinden der ersten Platte an der zweiten Platte durch Verschweißung erfolgt. Durch das Verschweißen der ersten Platte an der zweiten Platte entlang der definierten Verbindungslinien wird eine flüssigkeitsdichte Verbindung von der ersten Platte und der zweiten Platte erreicht.
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Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichers, umfassend wenigstens ein Energiespeicherelement sowie ein Energiespeichergehäuse, umfassend einen erfindungsgemäßen Wannenboden, einen Rahmen und eine Abdeckung, ist vorgesehen, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- - Befestigen des Bodens oder des Deckels am Rahmen,
- - Anordnen des wenigstens einen Energiespeicherelements auf der ersten Platte,
- - Befestigen der Abdeckung an der dem Boden oder dem Deckel gegenüberliegenden Seite des Rahmens.
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Das das wenigstens eine Energiespeicherelement umfassende Innere des Energiespeichergehäuses wird somit seitlich von dem umlaufenden Rahmen begrenzt sowie nach unten und nach oben durch den Boden bzw. den Deckel und die Abdeckung. Eine Befestigung der Abdeckung sowie des Bodens oder des Deckels erfolgt dabei an den gegenüberliegenden Seiten des Rahmens. Der eine erste Platte und eine zweite Platte umfassende Boden oder Deckel kann dabei insbesondere so angeordnet werden, dass die Erhebungen der ersten Platte oder der zweiten Platte zum Inneren des Energiespeichergehäuses gerichtet sind. Der Rahmen kann beispielsweise aus Aluminiumstrangpressprofilen gebildet werden, wobei eine Befestigung des Bodens bzw. Deckels am Rahmen beispielsweise durch Verschweißung erfolgen kann und eine Befestigung der Abdeckung beispielsweise durch Verschraubung. Dies ermöglicht ein Abnehmen der Abdeckung, um Zugang zum Inneren des Energiespeichergehäuses zu erhalten.
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Für die Anordnung der Energiespeicherelemente innerhalb des Energiespeichergehäuses kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Energiespeicherelement auf einer Erhebung der ersten Platte oder der zweiten Platte angeordnet wird. Die Anordnung des wenigstens einen Energiespeicherelements erfolgt dabei derart, dass es in thermischem Kontakt zu der Platte steht, wodurch eine Wärmeabfuhr von im Energiespeicherelement entstehender Wärme an das im Kühlkanal strömende Kühlmittel ermöglicht wird. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Erhebungen einen ebenen Bereich aufweisen, auf dem das Energiespeicherelement platziert wird, um eine große Kontaktfläche zwischen Energiespeicherelement und der Erhebung zu erhalten. Zur Verbesserung der thermischen Kopplung kann weiterhin zwischen Energiespeicherelement und der Platte eine Wärmeleitpaste aufgebracht werden. Beim Vorhandensein mehrerer Energiespeicherelemente können sowohl auf einer Erhebung mehrere Energiespeicherelemente angeordnet werden als auch auf mehreren Erhebungen jeweils ein oder mehrere Energiespeicherelemente, so dass für alle Energiespeicherelemente, welche innerhalb des Energiespeichergehäuses angeordnet sind, eine Kühlung durch die zwischen den Platten ausgebildeten Kühlkanäle ermöglicht wird.
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Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es einen erfindungsgemäßen Energiespeicher umfasst. Die innerhalb des Energiespeichergehäuses angeordneten Energiespeicherelemente können beispielsweise Batterien bzw. Akkumulatoren oder Kondensatoren sein. Der Energiespeicher kann beispielsweise dazu verwendet werden, die für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors notwendige Energie zu speichern. Die Kühlkanäle des innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordneten Energiespeichers können beispielsweise mit einem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs verbunden werden, so dass ein Abtransport von im Energiespeicher entstehender Wärme ermöglicht wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine bereitgestellte erste Platte und eine bereitgestellte zweite Platte,
- 2 das flüssigkeitsdichte Verbinden einer auf einer zweiten Platte angeordneten ersten Platte entlang definierter Verbindungslinien,
- 3 eine Seitenansicht eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bodens,
- 4 eine Explosionsdarstellung eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Energiespeichers, sowie
- 5 eine geschnittene Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Energiespeichers.
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In 1 sind eine bereitgestellte erste Platte 1 und eine bereitgestellte zweite Platte 2 dargestellt. Die erste Platte 1 und die zweite Platte 2 weisen eine gleiche Geometrie, also eine gleiche Form sowie gleiche Kantenlängen auf, so dass sie deckungsgleich aufeinander angeordnet werden können. Die erste Platte und die zweite Platte bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus Metallblech, beispielsweise aus Aluminiumblech oder Kupferblech.
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In 2 ist die erste Platte 1 auf der zweiten Platte 2 angeordnet dargestellt. Mithilfe z. B. einer Laserschweißvorrichtung 3 erfolgt ein flüssigkeitsdichtes Verbinden der Bodenplatte 1 an der zweiten Platte 2 entlang definierter Verbindungslinien 4, 5, 6 (hier gestrichelt dargestellt). Dadurch erfolgt eine flüssigkeitsdichte Verbindung sowohl entlang randseitiger Verbindungslinien 4 sowie entlang von im Flächeninneren liegenden Verbindungslinien 5, 6. Die Verbindungslinien 5 umfassen hierbei Flächen 7 sowie die Verbindungslinien 6 Flächen 8, welche die zu erzeugende Struktur des Kühlkanals definieren. Die flüssigkeitsdichte Verbindung entlang der randseitigen Verbindungslinien 4 erfolgt unter Auslassung von Anschlussbereichen 9, 10, welchen einen Anschluss des im Folgenden ausgebildeten Kühlkanals an einen externen Kühlmittelkreislauf ermöglichen. Durch die von den Verbindungslinien 6 umfassten Flächen 8 erfolgt eine bereichsweise Trennung des Kühlkanalsystems zwischen den Anschlussbereichen 9, 10, so dass beispielsweise die Anschlussbereiche 9 zur Zufuhr von Kühlmittel verwendet werden können und der Anschlussbereich 10 zur Abfuhr des Kühlmittels eingesetzt werden kann. Ein Umformen der ersten Platte 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch Innenhochdruckumformen, wozu zunächst der durch die erste Platte 1 und die zweite Platte 2 gebildete Boden 11 in einer Form angeordnet wird, welche so gestaltet ist, dass sie nur eine Ausdehnung der ersten Platte 1 ermöglicht. Zum Umformen der ersten Platte wird anschließend über die Anschlussöffnungen 9, 10 ein Wirkmedium mit hohem Druck zwischen die erste Platte 1 und die zweite Platte 2 gepresst, so dass sich in den für das Wirkmedium zugänglichen Bereichen zwischen den Verbindungslinien 4, 5, 6 Erhebungen der ersten Platte ausbilden. Der zwischen diesen Erhebungen 12 und der zweiten Platte 2 entstehende Hohlraum bildet den Kühlkanal 13 aüs, wie in 3 dargestellt. Es ist alternativ dazu auch möglich, dass nur die zweite Platte umgeformt wird oder dass die erste Platte 1 und die zweite Platte 2 umgeformt werden. In der gleichen Weise, die hier für die Herstellung des Bodens 11 beschrieben ist, kann auch ein Deckel hergestellt werden.
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3 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bodens 11, wobei die umgeformte erste Platte 1 Erhebungen 12 aufweist, welche jeweils mit der zweiten Platte 2 einen Hohlraum zur Bildung des Kühlkanals 13 umfassen. Die Geometrie und der Verlauf des Kühlkanals 13 kann auf diese Weise mittels der Definition der Verbindungslinien 4, 5, 6 vor dem Umformen der ersten Platte 1 bestimmt werden. In dem hier dargestellten Ausschnitt wird durch die Verbindungslinien 4 eine randseitige Verbindung zwischen der ersten Platte 1 und der zweiten Platte 2 erzeugt und durch die Verbindungslinie 5, welche ihre Fläche 7 umfassen, die Struktur des Kühlkanals 13 definiert. Während des Umformens der ersten Platte 1 kann eine Dichtigkeitsprüfung der flüssigkeitsdichten Verbindung entlang der Verbindungslinien 4, 5, 6 erfolgen, indem ein Austritt des Wirkmediums entlang der randseitigen Verbindungslinie 4 überwacht wird und der Druck des Wirkmediums bzw. das Erreichen eines Maximaldrucks während des Innenhochdruckumformens gemessen wird. Ein plötzlicher Druckabfall oder das Nichterreichen des Maximaldrucks können dabei beispielsweise als Indikatoren für eine Undichtigkeit des Bodens 11 dienen.
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4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Energiespeichergehäuses 14. Dieses Energiespeichergehäuse 14 umfasst einen Boden 11, einen Rahmen 15 sowie eine Abdeckung 16. Der Rahmen 15 wird in diesem Ausführungsbeispiel aus Aluminiumstrangpressprofilen gebildet. Eine Befestigung des Bodens 11 am Rahmen 15 kann beispielsweise durch Verschweißung erfolgen. Die den Kühlkanal 13 bildenden Erhebungen 12 der ersten Platte 1 sind zum Inneren des Energiespeichergehäuses 14 gerichtet. Eine Befestigung der Abdeckung 16 am Rahmen 15 kann durch Verschraubungen 17 erfolgen, was ein Abnehmen des Abdeckung 16 ermöglicht, um Zugang zum Inneren des Energiespeichergehäuses 14 und dort angeordneten Energiespeicherelementen 20 zu erhalten.
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In 5 ist ein Energiespeicher 18 dargestellt, welcher ein Energiespeichergehäuse 14 bestehend aus dem Boden 11, dem Rahmen 15 und der Abdeckung 16. Im Inneren 19 des Energiespeichergehäuses 14 sind Energiespeicherelemente 20 befestigt, wobei die Energiespeicherelemente 20 auf den Erhebungen 12 der ersten Platte 1 angeordnet sind. Die Energiespeicherelemente 20 sind dabei thermisch an die erste Platte 1 gekoppelt, so dass in den Energiespeicherelementen 20 entstehende Wärme an ein im Kühlkanal 13 zirkulierendes Kühlmittel abgegeben werden kann. Der dargestellte Energiespeicher 18 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung der für einen elektrischen Antrieb benötigten Energie verwendet werden. Die Anordnung des Bodens 11 am Rahmen 15 erfolgt dabei in Einbauposition des Energiespeichers 18 von unten am Rahmen 15. Statt einem Boden 11 kann auch ein in gleicher Weise hergestellter Deckel am Rahmen 15 angeordnet werden, wobei der Deckel in Einbauposition des Energiespeichers oben am Rahmen 15 angeordnet wird und die Abdeckung 16 entsprechend an der dem Deckel gegenüberliegenden Seite des Rahmens 15 befestigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010051106 A1 [0003]
- WO 2013/139908 A1 [0004]
- DE 102008059955 A1 [0005]
