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Die Erfindung betrifft eine Kühlstruktur zum Kühlen eines Batteriestacks eines Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Bodensystem für ein Elektrofahrzeug mit einer Kühlstruktur sowie einen Unterboden für ein Elektrofahrzeug, der mittels eines erfindungsgemäßen Bodensystems aufgebaut ist.
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Kühlstrukturen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen zum Kühlen der Batteriestacks von Elektrofahrzeugen.
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Ein Batteriestack eines Elektrofahrzeugs umfasst gewöhnlich eine Mehrzahl von Batteriezellen und eine Aufnahmestruktur, in welcher die Batteriezellen aufgenommen sind. Die Aufnahmestruktur weist zumeist einen Rahmen rechteckiger Grundform und eine Mehrzahl von sich in der Rahmenlängsrichtung erstreckenden Längsstreben sowie von sich senkrecht zu den Längsstreben erstreckenden Querstreben auf. Die Längsstreben und die Querstreben erstrecken sich jeweils geradlinig und parallel zueinander von einem Rahmenabschnitt zu einem gegenüberliegenden Rahmenabschnitt derart, dass sie sich unter Bildung matrixartig angeordneter Batteriezellenaufnahmen rechtwinklig kreuzen. In den gebildeten Batteriezellenaufnahmen sind die Batteriezellen aufgenommen.
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Die Batteriezellen eines Batteriestacks sind untereinander durch Stromkabel elektrisch leitend verbunden und zum Laden sowie zum Abrufen der gespeicherten Energie an ein Hoch-Volt-System des Elektrofahrzeugs angeschlossen. Zum Herstellen der erforderlichen Kabelverbindungen werden in den Längs- und/oder Querstreben üblicherweise Durchlässe für die Stromkabel vorgesehen, was zu einer Schwächung der Aufnahmestruktur führen kann. Zudem ist das Herstellen der Kabelverbindungen zwischen den Batteriezellen schwierig zu automatisieren. Deshalb muss die Verkabelung teilweise händisch durchgeführt werden, was mit hohen Herstellungskosten des Batteriestacks einhergeht.
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Bei einem Unfall des Elektrofahrzeugs können starke Aufprallkräfte auf den Batteriestack einwirken. Diese werden zunächst von dem Rahmen der Aufnahmestruktur aufgenommen und von diesem in die sich zwischen den Batteriezellen erstreckenden Längs- und/oder Querstreben eingeleitet. Bei entsprechender Ausgestaltung der Aufnahmestruktur funktioniert dies auch dann, wenn die Aufprallkräfte zwischen den Verbindungsstellen der Längs- und Querstreben mit dem Rahmen auf die Aufnahmestruktur einwirken. Zwar können die Aufprallkräfte mittels der Aufnahmestruktur auf diese Weise um die Batteriezellen geführt werden. Aber die durch den Rahmen, die Längs- und die Querstreben bestimmten Kraftaufnahme- und -leitungswege verlaufen vollständig innerhalb des Batteriestacks, so dass bei einem Versagen der Aufnahmestruktur unmittelbar die Batteriezellen geschädigt werden können.
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Zudem können bei einem Versagen der Aufnahmestruktur Kurzschlüsse innerhalb des Batteriestacks auftreten. Da der Batteriestack im geladenen Zustand eine sehr hohe Energiedichte aufweist, können bei einem Kurzschluss in kürzester Zeit große Mengen der gespeicherten Energie freigesetzt werden. Dies geht mit einer entsprechend starken schlagartigen Wärmeentwicklung einher, aufgrund derer der Batteriestack und in der Folge das Elektrofahrzeug in Brand geraten können.
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Entsprechend müssen Batteriestacks einen ausreichenden Aufprallschutz bieten, um die Sicherheit der Insassen des Elektrofahrzeugs bei einem Unfall zu gewährleisten. Der Aufprallschutz wird in erster Linie durch die Aufnahmestruktur des Batteriestacks bewirkt. Bei stabiler Ausgestaltung kann die Aufnahmestruktur nämlich verhindern, dass ein allzu starkes Verbiegen des Rahmens, der Längs- und/oder der Querstreben zu Schäden an den Batteriezellen oder zu Kurzschlüssen innerhalb des Batteriestacks und damit zu einem kritischen Versagen des Batteriestacks führt.
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Die notwendige Stabilität der Aufnahmestruktur wird durch eine massive Ausgestaltung sowohl des Rahmens als auch der Längs- und Querstreben erreicht. Infolgedessen kann die Aufnahmestruktur allein eine Masse von über 100 kg aufweisen, so dass der Batteriestack, d.h. die Aufnahmestruktur zusammen mit den darin aufgenommenen Batteriezellen im Allgemeinen bereits etwa die Hälfte der gesamten Masse des Elektrofahrzeugs ausmacht. Wegen seiner bedeutenden Masse begrenzt der Batteriestack damit die maximal mögliche Reichweite des Elektrofahrzeugs wesentlich.
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Die Wirksamkeit der Aufnahmestruktur als Aufprallschutz muss in speziellen Crash-Tests nachgewiesen werden. Bei diesen Crash-Tests hat sich gezeigt, dass vor allem die bei einem Seitenaufprall einwirkenden Kräfte eine große Gefahr für die Batteriestacks gängiger Elektrofahrzeuge darstellen. Entsprechend wird angestrebt, die Widerstandsfähigkeit der Batteriestacks bei einem Seitenaufprall zu verbessern.
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Auch während des regulären Betriebs des Elektrofahrzeugs, der sowohl das Fahren als auch das Laden umfasst, erwärmt sich der Batteriestack des Elektrofahrzeugs. Daher kann es infolge einer dauerhaft hohen Beschleunigung wie beispielsweise während einer längeren Bergauffahrt oder bei der Durchführung einer Schnellladung auch zu einer Überhitzung des Batteriestacks kommen, was zu Schäden an den Batteriezellen führen oder einen Brand des Batteriestacks und mithin des Elektrofahrzeugs auslösen kann.
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Zum Schutz des Batteriestacks und der Insassen des Elektrofahrzeugs werden die in der Aufnahmestruktur aufgenommenen Batteriezellen daher üblicherweise gekühlt. Zu diesem Zweck wird ein Kühlsystem in den Batteriestack integriert, in dem fortwährend ein Kühlfluid zirkuliert und die in dem Batteriestack entstehende Wärme abtransportiert. Um dem Kühlfluid ein Strömen in der Längs- und in der Querrichtung zu ermöglichen, sind für die Kühlfluidleitungen des Kühlsystems allerdings wiederum entsprechende Durchlässe in den Längs- und Querstreben der Aufnahmestruktur vorzusehen, welche die Aufnahmestruktur weiter schwächen können. Zudem erhöht eine derartiges Kühlsystem die Masse des Batteriestacks, was die realisierbare Reichweite des Elektrofahrzeugs weiter verringert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlstruktur der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen alternativen Aufbau aufweist und die genannten Nachteile reduziert oder beseitigt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlstruktur der eingangs genannten Art gelöst, das eine Mehrzahl von Längsprofilelementen, die sich geradlinig und parallel zueinander in einer Längsrichtung erstrecken und in ihrem Inneren jeweils einen Kühlfluidkanal definieren, und eine Mehrzahl von zwischen den Längsprofilelemente angeordneten plattenförmigen Kühlelementen aufweist, die in ihrem Inneren sich quer und insbesondere senkrecht zu den Längsprofilelementen erstreckende Kühlfluidkanäle definieren und mit den Längsprofilelementen derart verbunden sind, dass die Kühlfluidkanäle der Längsprofilelemente und die Kühlfluidkanäle der Kühlelemente gemeinsam einen Kühlpfad für ein Kühlfluid bilden.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Kühlstruktur ergänzend zu der Aufnahmestruktur als stabilitätsrelevante Struktur auszubilden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Längsprofilelemente und die Kühlelemente derart ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass infolge eines Aufpralls auf die Kühlstruktur einwirkende Kräfte durch die Längsprofilelemente und/oder die Kühlelemente aufgenommen werden. Dazu können sich die Längsprofilelemente in der Hauptfahrtrichtung oder alternativ quer zu der Hauptfahrtrichtung eines Elektrofahrzeugs erstrecken. Entsprechend können sich umgekehrt die in dem Inneren der Kühlelemente vorgesehenen Kühlfluidkanäle quer zu der Hauptfahrtrichtung oder in der Hauptfahrtrichtung des Elektrofahrzeugs erstrecken. Gleichzeitig schaffen die Längsprofilelemente und die Kühlelemente einen Kühlpfad für ein Kühlfluid, der aus in den Längsprofilelementen sich in der Längsrichtung erstreckenden und in den Kühlelementen sich in der Querrichtung erstreckenden Kühlfluidkanälen gebildet ist.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung sind zwei Längsprofilelemente an gegenüberliegenden Längsseiten der Kühlstruktur angeordnet. Bei dieser Anordnung wirken die Längsprofilelemente wie die seitlichen Abschnitte des Rahmens der Aufnahmestruktur, so dass sie die bei einem seitlichen Aufprall einwirkenden Kräfte aufnehmen und in die Kühlelemente einleiten. Zusätzlich kann ein weiteres Längsprofilelement zwischen den zwei Längsprofilelementen insbesondere mittig vorgesehen sein. Durch das weitere Längsprofilelement erweitern sich die Möglichkeiten zur Ausbildung eines Kühlpfads für das Kühlfluid.
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Bevorzugt weisen die Längsprofilelemente einen konstanten Querschnitt auf und sind als Hohlprofile ausgebildet, wobei insbesondere die Längsprofilelemente Extrudate aus einem Metall sind. Derartige Längsprofilelemente lassen sich beispielsweise durch Strangpressen einfach und kostengünstig herstellen. Hohlprofile besitzen einerseits eine geringe Masse und weisen andererseits relativ zu der Masse eine hohe Stabilität gegen Verformungen auf. Die von den Hohlprofilen umschlossenen Hohlräume können als Kühlfluidkanäle verwendet werden.
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Bevorzugt weisen die Längsprofilelemente einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf. Diese Form eignet sich beispielsweise für mittig angeordnete Längsprofilelemente.
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Alternativ können die Längsprofilelemente einen Querschnitt aufweisen, der teilweise durch einen Kreisbogen und teilweise durch eine Kreissekante gebildet ist. Längsprofilelemente dieses Querschnitts eignen sich beispielsweise als seitlich angeordnete Längsprofilelemente, wobei im montierten Zustand der gebogene Abschnitt nach außen weist und der flache Abschnitt zu den Kühlelementen weist.
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Vorteilhaft definieren die Längsprofilelemente jeweils zwei Kühlfluidkanäle, wobei die Längsprofilelemente insbesondere jeweils eine die beiden Kühlfluidkanäle voneinander trennende Trennwand umfassen. Die sich in der Längsrichtung der Längsprofilelemente erstreckende Trennwand erhöht die Stabilität der Längsprofilelemente weiter und gestattet überdies zwei getrennte Kühlpfade, die in einem Längsprofilelement verlaufen und von dem Kühlfluid auch in entgegengesetzten Richtungen durchströmt werden können.
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Gemäß einer Weiterentwicklung weisen die Längsprofilelemente seitliche Öffnungen auf, die mit den in den Kühlelementen definierten Kühlfluidkanälen derart korrespondieren, dass zwischen den Kühlfluidkanälen der Längsprofilelemente und den Kühlfluidkanälen der Kühlelemente eine Fluidverbindung geschaffen ist. Dies ist eine besonders einfache Möglichkeit, in den Längsprofilelementen und Kühlfluidkanälen gemeinsam einen Kühlpfad für das Kühlfluid vorzusehen.
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Vorteilhaft ist zumindest ein weiteres Längsprofilelement vorgesehen, das sich an einer Stirnseite der Kühlstruktur quer zu den seitlichen Längsprofilelementen erstreckt und mit diesen unter Bildung eines Rahmens verbunden ist. Stirnseitig vorgesehene Längsprofilelemente erhöhen die Stabilität der Kühlstruktur weiter. Überdies ermöglichen sie die Realisierung komplexer Kühlpfade für das Kühlfluid.
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Bevorzugt umfasst jedes Kühlelement eine untere Deckplatte, eine sich parallel zu der unteren Deckplatte erstreckende obere Deckplatte und ein Querprofilelement zur Definition von Kühlfluidkanälen, das zwischen der unteren Deckplatte und der oberen Deckplatte angeordnet und mit diesen verbunden ist. Dabei kann jedes Kühlelement derart angeordnet sein, dass sich das Querprofilelement quer zu den Längsprofilelementen erstreckt. Kühlelemente mit diesem Aufbau lassen sich einfach herstellen und besitzen insbesondere in der Querrichtung eine hohe Stabilität. Gleichzeitig können die Querprofilelemente mit einer Deckplatte oder beiden Deckplatten Hohlräume bilden, die als Kühlfluidkanal verwendet werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die oberen Deckplatte und/oder die untere Deckplatte Metall, insbesondere Aluminium. Aluminium ist aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts besonders für den Leichtbau geeignet und besitzt zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit.
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Vorteilhaft definiert jedes Kühlelement eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Kühlfluidkanälen. Auf diese Weise lässt sich eine flächenhafte Kühlwirkung erreichen.
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Bevorzugt weisen die Querprofilelemente jeweils einen konstanten Querschnitt auf und sind Extrudate aus einem Metall oder Pressbleche. Derartige Querprofilelemente lassen sich einfach und kostengünstig durch Strangpressen bzw. Pressen herstellen.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung sind die Querprofilelemente im Querschnitt wellenförmig oder in der Form eines Trapezblechs ausgebildet und/oder weisen zur Definition des Kühlfluidkanals zumindest einen vollständig umschlossenen Abschnitt insbesondere mit einem quadratischen Querschnitt auf. Wellenförmige oder trapezförmig ausgebildete Querprofilelemente können zusammen mit den beiden Deckplatten eine Mehrzahl von Kühlfluidkanälen definieren, die nebeneinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können Kühlfluidkanäle auch ausschließlich durch die Querprofilelemente definiert sein.
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Die Kühlelemente können ein Füllmaterial, insbesondere eine Schaumstofffüllung aufweisen, das in ungenutzten Hohlräumen der Kühlelemente angeordnet ist. Ungenutzte Hohlräume mit einem Füllmaterial auszufüllen, kann die Stabilität der Kühlstruktur weiter verbessern und insbesondere zur Schalldämpfung beitragen.
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Bevorzugt sind in den Längsprofilelementen und/oder in den Kühlelementen Kabelkanäle zum Aufnehmen von Stromkabeln ausgebildet. Auf diese Weise können Durchlässe in den Längs- und/oder Querstreben der Aufnahmestruktur vermieden werden, was mit einer Erhöhung der Stabilität der Aufnahmestruktur einhergeht.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Bodensystem für ein Elektrofahrzeug, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, einer Aufnahmestruktur zum Aufnehmen der Batteriezellen und eine Kühlstruktur zum Kühlen von in der Aufnahmestruktur aufgenommenen Batteriezellen, bei der das Bodensystem eine erfindungsgemäße Kühlstruktur umfasst.
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Vorteilhaft umfasst die Aufnahmestruktur einen Rahmen mit einer rechteckigen Grundform, eine Mehrzahl von sich in der Längsrichtung erstreckenden Längsstreben und eine Mehrzahl von sich in der Querrichtung erstreckenden Querstreben, die sich jeweils parallel zueinander von einem Rahmenabschnitt zu einem gegenüberliegenden Rahmenabschnitt erstrecken, wobei sich die Längsstreben und die Querstreben unter Bildung matrixartig angeordneter Batteriezellenaufnahmen rechtwinklig kreuzen. Eine derartige Aufnahmestruktur bietet zum Schutz der aufgenommenen Batteriezellen eine hohe Stabilität gegenüber infolge eines Aufpralls einwirkenden Kräften.
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Bevorzugt sind die Aufnahmestruktur und die Kühlstruktur übereinander angeordnet und miteinander verbunden, um gemeinsam einen Boden des Elektrofahrzeugs zu bilden, wobei insbesondere die Kühlstruktur unterhalb der Aufnahmestruktur angeordnet ist. Dadurch, dass die Aufnahmestruktur und die Kühlstruktur übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, wird ein Sandwicheffekt erzeugt, der zu einer verbesserten Stabilität des Bodens des Elektrofahrzeugs führt.
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Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung weisen die Kühlelemente der Kühlstruktur Befestigungsmittel zum Verbinden der Kühlstruktur mit der Aufnahmestruktur auf. Die Befestigungsmittel (inserts) können mit den Längs- und/oder Querstreben der Aufnahmestruktur formschlüssig verbunden, beispielsweise verschraubt werden, um die Aufnahmestruktur an der Kühlstruktur zu befestigen. Dazu können sie buchsenförmig mit einem Innengewinde ausgebildet sein, um ein Verschrauben mit den Quer- oder Längsstreben der Aufnahmestruktur zu ermöglichen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Bodensystem eine Mehrzahl von in den Kabelkanälen der Kühlstruktur aufnehmbaren Stromkabeln, mittels derer in den Batteriezellenaufnahmen aufgenommene Batteriezellen untereinander elektrisch leitend verbindbar sind. Wenn die Stromkabel in den Kabelkanälen der Kühlstruktur aufgenommen werden können, sind keine Durchlässe in den Längs- und/oder Querstreben der Aufnahmestruktur erforderlich.
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Bevorzugt weisen zu den Batteriezellen weisende Deckplatten der Kühlelemente Vorsprünge auf, die von der Außenseite der Deckplatte vorstehen und mit korrespondierenden an den Batteriezellen ausgebildeten Aufnahmen unter Bildung formschlüssiger Verbindungen in Eingriff bringbar sind, wobei insbesondere an den Vorsprüngen und/oder in den Aufnahmen korrespondierende Rastmittel ausgebildet sind. Die Vorsprünge erlauben ein einfaches und sicheres Fixieren der Batteriezellen in den Batteriezellenaufnahmen.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen Unterboden für ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bodensystem, wobei die Batteriezellen in den Batteriezellenaufnahmen aufgenommen und mittels der Stromkabel untereinander elektrisch leitend verbunden sind.
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Gemäß einer Variante weist der Unterboden einen modulartigen Aufbau mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Bodensystemen auf. Entsprechend können Unterböden hergestellt werden, die nur in Teilbereichen gekühlte Batteriestacks enthalten.
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Bevorzugt umfasst der Unterboden eine Bodenplatte, die oberhalb des Bodensystems oder der Bodensysteme angeordnet ist. Durch die Bodenplatte kann der Unterboden des Elektrofahrzeugs von den Insassen getrennt werden, wodurch für die Insassen die Gefahr von Verletzungen im Falle eines Aufpralls oder einer betriebsbedingten Überhitzung des Batteriestacks reduziert wird. Zudem erhöht die Bodenplatte aufgrund des Sandwicheffekts die Stabilität des Unterbodens weiter.
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Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlstruktur, des erfindungsgemäßen Bodensystems und des erfindungsgemäßen Unterbodens werden anhand jeweils verschiedener Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Fahrgestells eines Elektrofahrzeugs mit einem Unterboden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Unterbodens mit entfernter Bodenplatte;
- 3 eine schematische seitliche Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Unterbodens;
- 4A eine teilweise schematische Vorderansicht des in 1 dargestellten Unterbodens;
- 4B eine teilweise schematische Vorderansicht eines Unterbodens gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine teilweise schematische Explosionsansicht einer Kühlstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6A eine schematische Querschnittsansicht eines Längsprofilelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6B eine schematische Querschnittsansicht eines Längsprofilelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6C eine schematische Querschnittsansicht eines Längsprofilelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6D eine schematische Querschnittsansicht eines Längsprofilelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine perspektivische Ansicht eines Kühlelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8A eine schematische Querschnittsansicht des in 7 dargestellten Kühlelementes mit integrierten Befestigungsmitteln;
- 8B eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8C eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8D eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9 eine schematische Querschnittsansicht eines Kühlelements gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit daran befestigter Batteriezelle;
- 10A eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 10B eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10C eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10D eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 10E eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 10F eine schematische Draufsicht eines Kühlpfads gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Fahrgestell 1 eines Elektrofahrzeugs mit einem Unterboden 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterboden 2 ist aus einem Bodensystem 3 aufgebaut und umfasst eine Bodenplatte 4. Die Bodenplatte 4 ist über dem Bodensystem 3 angeordnet und trennt eine über der Bodenplatte 4 angeordnete nicht dargestellte Fahrzeuginsassenzelle von dem Bodensystem 3.
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Das Bodensystem 3 weist eine Mehrzahl von Batteriezellen 5 und eine Aufnahmestruktur 6 auf, in der die Batteriezellen 5 aufgenommen sind. Wie aus den 2 bis 4B hervorgeht, umfasst die Aufnahmestruktur 6 einen Rahmen 7 rechteckiger Grundform, der in seinen Ecken Ausnehmungen 8 für die Räder des Elektrofahrzeugs aufweist. Ferner umfasst die Aufnahmestruktur 6 eine Mehrzahl von sich geradlinig in der Längsrichtung L der Rahmens 7 erstreckenden Längsstreben 9 und Querstreben 10, die sich geradlinig in einer Querrichtung Q senkrecht zu den Längsstreben 9 erstrecken.
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Die Längsstreben 9 und die Querstreben 10 erstrecken sich jeweils parallel zueinander von einem Rahmenabschnitt 11 zu einem gegenüberliegenden Rahmenabschnitt 12. Dabei kreuzen sich die Längsstreben 9 und die Querstreben 10 rechtwinklig unter Bildung matrixartig angeordneter rechteckiger Batteriezellenaufnahmen 13, in denen die Batteriezellen 5 angeordnet und untereinander mittels Stromkabeln 14 elektrisch verbunden sind.
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Ferner weist das Bodensystem 3 eine Kühlstruktur 15 auf, die in 5 in einer teilweisen Explosionsansicht schematisch dargestellt ist. Die Kühlstruktur 15 umfasst eine Mehrzahl von Längsprofilelementen 16, die sich geradlinig und parallel zu der Längsrichtung L erstrecken und an gegenüberliegenden Längsseiten der Kühlstruktur 15 angeordnet sind.
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Die Längsprofilelemente 16 weisen einen konstanten Querschnitt auf und sind als Extrudate aus einem Metall in der Form von Hohlprofilen ausgebildet. Entsprechend definieren sie in ihrem Inneren jeweils einen Kühlfluidkanal 17. Bei der in 6A dargestellten Ausführungsform weist das Längsprofilelement 16 einen rechteckigen Querschnitt auf. Bei einer alternativen in 6B dargestellten Ausführungsform weist das Längsprofilelement 16 einen Querschnitt auf, der teilweise durch einen Kreisbogen 18 und teilweise durch eine Kreissekante 19 gebildet ist. Die 6C und 6D zeigen Längsprofilelemente 16 gemäß zweier weiterer Ausführungsformen, die jeweils zwei Kühlfluidkanäle 17 definieren und eine Trennwand 20 umfassen, welche die beiden Kühlfluidkanäle 17 voneinander trennt.
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Weiterhin weist die Kühlstruktur 15 eine Mehrzahl von plattenförmigen Kühlelementen 21 auf, die zwischen den Längsprofilelementen angeordnet sind. Die 7 zeigt ein Kühlelement 21 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kühlelement 21 umfasst eine untere Deckplatte 22 und eine obere Deckplatte 23, die sich parallel zu der unteren Deckplatte 22 erstreckt. Die obere Deckplatte 23 und die untere Deckplatte 22 weisen Aluminium auf, können aber auch andere Metalle enthalten. Ferner umfasst das Kühlelement 21 ein Querprofilelement 24. Das Querprofilelement 24 weist einen konstanten Querschnitt auf und ist ein Extrudat aus einem Metall, kann aber auch ein Pressblech sein.
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Das Querprofilelement 24 weist einen wellenförmigen Querschnitt auf und ist gemäß zweier in den 8A und 8B abgebildeten Ausführungsformen jeweils als Trapezblech ausgebildet. Das Querprofilelement 24 ist zwischen der unteren Deckplatte 22 und der oberen Deckplatte 23 angeordnet und mit diesen verbunden. Auf diese Weise definiert das Querprofilelement 24 gemeinsam mit der unteren Deckplatte 22 und der oberen Deckplatte 23 eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Kühlfluidkanälen 25. Alternativ können die Querprofilelemente 24 aber auch vollständig umschlossene, insbesondere quadratische Querschnitte aufweisen, wobei ein Kühlelement 21 mehrere Querprofilelemente 24 umfasst (8C), oder komplexere Gestalt besitzen (8D).
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In den Kühlelementen 21 sind Kabelkanäle 28 ausgebildet, in welchen die Stromkabel 14 aufgenommen sind. Zusätzlich können auch in den Längsprofilelementen 16 Kabelkanäle vorgesehen sein. Ungenutzte Hohlräume 26 in den Kühlelementen 21 können zur Erhöhung der Stabilität und/oder zur Schalldämpfung mit einem Füllmaterial 27 wie beispielsweise einem Schaumstoff gefüllt sein.
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Innerhalb der Kühlstruktur 15 ist jedes Kühlelement 21 derart angeordnet, dass sich sein Querprofilelement 24 quer zu den Längsprofilelementen 16 erstreckt. Die Kühlelemente 21 sind mit den Längsprofilelementen 16 derart verbunden, dass die Kühlfluidkanäle 17 der Längsprofilelemente 16 und die Kühlfluidkanäle 25 der Kühlelemente 21 gemeinsam einen Kühlpfad für ein Kühlfluid bilden. Dazu sind in den Längsprofilelementen 16 seitliche Öffnungen vorgesehen, die mit den in den Kühlelementen 21 definierten Kühlfluidkanälen 25 derart korrespondieren, dass zwischen den Kühlfluidkanälen 17 der Längsprofilelemente 16 und den Kühlfluidkanälen 25 der Kühlelemente 21 eine Fluidverbindung geschaffen ist.
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Die in den 8A, 8B und 8C dargestellten Kühlelemente 21 weisen ferner Befestigungsmittel 29 auf, mittels derer die Kühlstruktur 15 mit der Aufnahmestruktur 6 verbunden ist. Wie aus 3 ersichtlich ist, werden die Befestigungsmittel 29 an den Querstreben 10 der Aufnahmestruktur 6 befestigt. Zur Fixierung und Sicherung der Batteriezellen 5 in den Batteriezellenaufnahmen 13 sind gemäß der in 9 gezeigten Ausführungsform an den zu den Batteriezellen 5 weisenden oberen Deckplatten 23 der Kühlelemente 21 Vorsprünge 30 ausgebildet, die von den Außenseiten der oberen Deckplatten 23 nach oben vorstehen. An den Batteriezellen 5 sind zu den Vorsprüngen 30 korrespondierende Aufnahmen 31 ausgebildet. Die Vorsprünge 30 und die Aufnahmen 31 weisen überdies zueinander korrespondierende Rastmittel 32 auf und sind formschlüssig miteinander in Eingriff. Die in 4B dargestellte Ausführungsform umfasst zudem eine Dichtung 33, die in einem Übergangsbereich zwischen dem Rahmen 7 und der Kühlstruktur 15 angeordnet ist. Die Dichtung 33 ist als Folie oder Paste ausgebildet sein und umfasst ein zähes gummiartiges Material.
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Bei einem Seitenaufprall nehmen die Längsprofilelemente 16 die in der Aufprallrichtung A wirkende Aufprallkraft auf und leiten diese verteilt in die Kühlelemente 21 ein, wo sie von den Querprofilelementen 24 aufgenommen werden. Dieser Kraftübertragungspfad ist in der 5 schematisch und beispielhaft gezeigt. Die Kraftübertragung erfolgt also vollständig außerhalb der Aufnahmestruktur 6. Wenn infolge des Seitenaufpralls Kühlfluid aus den Längsprofilelementen 16 austritt, kann bei der in 4B gezeigten Ausführungsform die Dichtung 33 verhindern, dass die Batteriezellen 5 durch das austretende Kühlfluid beschädigt werden.
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Die 10A bis 10F zeigen schematisch und nicht abschließend unterschiedliche realisierbare Kühlpfade für das Kühlfluid. Der Kühlpfad der 10A ist von zwei seitlich angeordneten Längsprofilelementen 16 und drei zwischen den Längsprofilelementen 16 angeordneten Kühlelementen 21 gebildet. Die Längsprofilelemente 16 definieren jeweils zwei Kühlfluidkanäle 17, und die Kühlelemente 21 definieren jeweils mindestens zwei Kühlfluidkanäle 25. Auf diese Weise sind zwei getrennte Kühlpfade mit jeweils einem stirnseitigen Kühlfluideinlass und einem Kühlfluidauslass auf derselben Stirnseite geschaffen, die von dem Kühlfluid gegenläufig durchströmt werden.
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Gemäß der in 10B dargestellten Ausführungsform wird der Kühlpfad durch zwei seitlich angeordnete Längsprofilelemente 16 und ein weiteres zwischen den beiden Längsprofilelementen 16 mittig angeordnetes Längsprofilelement 16 gebildet. Zwischen den Längsprofilelementen 16 sind insgesamt sechs Kühlelemente 21 angeordnet. Auf diese Weise ist ein Kühlpfad definiert, der sich ausgehend von einem auf einer Stirnseite mittig vorgesehenen Kühlfluideinlass zu beiden Seiten hin aufteilt und auf derselben Stirnseite in zwei seitlich vorgesehenen Kühlfluidauslässe endet. Der in 10C dargestellte Kühlpfad entspricht demjenigen der 10B und unterscheidet sich von diesem lediglich durch die vorgesehene Strömungsrichtung des Kühlfluids und weist entsprechend zwei seitliche Kühlfluideinlässe und einen mittigen Kühlfluidauslass auf.
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Der in 10D dargestellte Kühlpfad ist in gewisser Weise eine Kombination der beiden in den 10B und 10C gezeigten Kühlpfade, wobei jedes Längsprofilelement 16 und jedes Kühlelement 21 von dem Kühlfluid in zwei Kühlfluidkanälen 17, 25 gegenläufig durchströmt wird. Dieser Kühlpfad umfasst jeweils drei Kühlfluideinlässe und Kühlfluidauslässe.
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Schließlich weisen die beiden in den 10E und 10F dargestellten Kühlpfade ein weiteres Längsprofilelement 16 auf, das sich an einer Stirnseite der Kühlstruktur 15 quer zu den seitlichen Längsprofilelementen 16 erstreckt und mit dem Längsprofilelement 16 unter Bildung eines Rahmens verbunden ist. Dabei können die Kühlfluideinlässe auf gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet sein, wie in der 10E dargestellt ist, oder auf derselben Stirnseite angeordnet sein, wie in der 10F gezeigt ist.
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Die erfindungsgemäße Kühlstruktur 15 bietet den Vorteil einer geringen Masse, wodurch die Reichweite des Elektrofahrzeugs nicht unnötig beschränkt ist. Durch die Anordnung der Kühlstruktur 15 unterhalb der Aufnahmestruktur 6 profitiert das Bodensystem 3 überdies von einem Sandwicheffekt, der die Stabilität des Unterbodens 2 weiter erhöht. Die Ausbildung der Kühlstruktur 15 mit Längsprofilelementen 16 und Querprofilelementen 24 weist gleichzeitig eine hohe Verformungsstabilität insbesondere auch bei einem Seitenaufprall auf. Demzufolge übernimmt sie zusätzlich zu der Aufnahmestruktur 6 eine Schutzfunktion für die in der Aufnahmestruktur 6 aufgenommenen Batteriezellen 5, ohne die dabei auftretenden Kräfte durch die Aufnahmestruktur 6 zu leiten. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 15 ergeben sich aus der einfachen und mithin kostengünstigen Herstellung sowie dem Umstand, dass die Stromkabel 14 zum elektrischen Verbinden der Batteriezellen 5 untereinander keine strukturschwächenden Durchlässe in der Aufnahmestruktur 6 erfordern und einen höheren Automatisierungsgrad bei dem Verlegen und Anschließen der Stromkabel 14 ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrgestell
- 2
- Unterboden
- 3
- Bodensystem
- 4
- Bodenplatte
- 5
- Batteriezelle
- 6
- Aufnahmestruktur
- 7
- Rahmen
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Längsstrebe
- 10
- Querstrebe
- 11
- Rahmenabschnitt
- 12
- Rahmenabschnitt
- 13
- Batteriezellenaufnahme
- 14
- Stromkabel
- 15
- Kühlstruktur
- 16
- Längsprofilelement
- 17
- Kühlfluidkanal
- 18
- Kreisbogen
- 19
- Kreissekante
- 20
- Trennwand
- 21
- Kühlelement
- 22
- untere Deckplatte
- 23
- obere Deckplatte
- 24
- Querprofilelement
- 25
- Kühlfluidkanal
- 26
- Hohlraum
- 27
- Füllmaterial
- 28
- Kabelkanal
- 29
- Befestigungsmittel
- 30
- Vorsprung
- 31
- Aufnahme
- 32
- Rastmittel
- 33
- Dichtung
- L
- Längsrichtung
- Q
- Querrichtung
- A
- seitliche Aufprallrichtung
