DE102017118519A1

DE102017118519A1 - Temperiereinrichtung für ein Batteriegehäuse

Info

Publication number: DE102017118519A1
Application number: DE102017118519.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Günther
Original assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Kirchhoff Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2019-02-14
Also published as: CN110998216B; CN110998216A; WO2019034485A1; US20210143497A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung für ein Batteriegehäuse 1 eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuges 6, welche Temperiereinrichtung 6 in mehrere Temperierzellen unterteilt ist und jede Temperierzelle eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme von einem darin eingesetzten, zu temperierenden Batteriemodul 5 in die Temperiereinrichtung 6 oder umgekehrt sowie zumindest einen von der Wärmetauscherfläche beabstandeten, Fluid durchströmbaren Temperiermittelkanal 8 aufweist, der einlaufseitig mit einem ersten Temperiermittelsammler 9 und auslaufseitig mit einem zweiten Temperiermittelsammler 10, 10.1 in Fluidverbindung steht. Der Ein- bzw. Auslaufanschluss des ersten Temperiermittelsammlers 9 und der Aus- bzw. Einlaufanschluss des zweiten Temperiermittelsammlers 10, 10.1 sind an den in dieselbe Richtung weisenden Endabschnitten 14, 15 der Temperiermittelsammler 9, 10, 10.1 angeordnet. Einer der beiden Temperiermittelsammler 9 ist mehrkanalig ausgeführt, wobei die Temperiermittelkanäle 8 der Temperierzellen in einen ersten Sammlerkanal 11, 11.1 dieses Temperiermittelsammlers 9 münden und dieser Sammlerkanal 11, 11.1 zur Fluidverbindung mit dem Ein- bzw. Auslaufanschluss dieses Temperiermittelsammlers 9 ein weiterer Sammlerkanal 12 vorgesehen ist, durch den das Temperiermittel im Gegenstrom zu dem ersten Sammlerkanal 11, 11.1 geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung für ein Batteriegehäuse eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuges, welche Temperiereinrichtung in mehrere Temperierzellen unterteilt ist und jede Temperierzelle eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme von einem darin eingesetzten, zu temperierenden Batteriemodul in die Temperiereinrichtung oder umgekehrt sowie zumindest einen von der Wärmetauscherfläche beabstandeten, Fluid durchströmbaren Temperiermittelkanal aufweist, der einlaufseitig mit einem ersten Temperiermittelsammler und auslaufseitig mit einem zweiten Temperiermittelsammler in Fluidverbindung steht.
Bei elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise bei Personenkraftwagen, Flurförderfahrzeugen oder dergleichen werden Batteriemodule als Stromspeicher eingesetzt. Derartige Batteriemodule sind typischerweise aus einer Vielzahl einzelner Batterien zusammengesetzt. Bei diesen Batterien handelt es sich um so genannte Hochvoltbatterien. An die Unterbringung derartiger, für einen Betrieb eines solchen Fahrzeuges notwendigen Batteriemodule, sind gewisse Anforderungen gestellt. Wesentlich ist, dass das oder die Batteriemodule in ihrem Batteriegehäuse vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Zudem ist eine gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtete Unterbringung des oder der Batteriemodule in einem Batteriegehäuse erforderlich, um eine Kondensatbildung innerhalb des Batteriegehäuses zu verhindern. In die Batteriekammer des Batteriegehäuses eindringende Feuchtigkeit kann zu einem Kurzschluss und zu einem dadurch ausgelösten Brand des Batteriemoduls führen.
Als elektrische Energiespeicher werden Batteriemodule mit einer hohen Energie- und Leistungsdichte eingesetzt. Bei dem Vorgang des Ladens und auch bei dem Vorgang des Endladens erwärmen sich die Batteriemodule. Problematisch ist dieses bei raschen Lade- oder Endladevorgängen. Schnellladevorgänge werden derzeitig mit bis zu 150 kW durchgeführt. Ladevorgänge sollen zukünftig sogar bis zu 350 kW durchgeführt werden. Bei einem solchen Schnellladeprozess können etwa 10% als Wärmeleistung anfallen. Aus diesem Grunde sind Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen in vielen Fällen mit einer aktiven Kühleinrichtung ausgerüstet, um eine übermäßige Erwärmung der Batteriemodule zu verhindern. Da die typischerweise als Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Polymer-Zellen eingesetzten Batteriemodule bei tieferen Temperaturen signifikant weniger Strom abgeben können als bei höheren Temperaturen, werden die Batteriemodule in einem bestimmten Temperaturfenster gehalten. Das Überschreiten einer bestimmten Temperatur führt zu einer spürbar reduzierten Lebensdauer der Zelle oder Zellen eines solchen Batteriemoduls. Daher sind das oder die Batteriemodule in ein aktives Temperaturmanagement eingebunden, durch das bei einer drohenden übermäßigen Erwärmung die Batteriemodule gekühlt und bei Vorliegen einer zu geringen Temperatur erwärmt werden. Bezüglich eines Temperaturmanagements derartiger Batteriemodule steht das Kühlen im Vordergrund, da eine übermäßige Erwärmung zur Reduzierung der Lebensdauer bis zu einer Zerstörung derselben führen kann.
Zum Zwecke der Kühlung von in einem Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriemodulen für derartige Zwecke werden Temperiereinrichtungen eingesetzt, wie diese beispielsweise aus DE 10 2013 021 670 A1 bekannt sind. Diese vorbekannte als Sprossenkühlkörper ausgelegte Temperiereinrichtung verfügt über einen einlaufseitigen Kühlmittelsammler und einen auslaufseitigen Kühlmittelsammler. Die beiden Kühlmittelsammler sind voneinander beabstandet und durch Kühlmittelkanäle miteinander verbunden. Die zu den Batteriemodulen weisende Oberseite der Kühlkanäle bildet eine Wärmetauscherfläche, an der die zu kühlenden Batteriemodule anliegen. Die beiden Kühlmittelsammler sind voneinander beabstandet, so dass mehrere Batteriemodule nebeneinanderliegend jeweils darauf angeordnet werden können. Die Wärmetauscherfläche dieses Standes der Technik ist zur Aufnahme der Batteriemodule durch eine asymmetrische Wellenform strukturiert. Jede Batteriemodulreihe ist in eine Temperierzelle dieses vorbekannten Kühlkörpers angeordnet. Von dem Konzept her handelt es sich bei dem aus diesem Dokument vorbekannten Kühlkörper um einen Sprossenkühlkörper.
Neben Temperiereinrichtungen, die nach dem Prinzip von Sprossenkühlkörpern aufgebaut sind, werden auch solche eingesetzt, bei denen der oder die Temperiermittelkanäle mäandrierend über die Fläche des Paneels angeordnet sind.
Neben dem angesprochenen Temperaturmanagement besteht auch der Wunsch, dass die einzelnen, in dem Batteriegehäuse aufgenommenen Batteriemodule möglichst auf einer gleichen Temperatur gehalten werden, um eine gleichmäßige Alterung der in einem solchen Batteriegehäuse eingesetzten Batteriemodule zu erfahren. Zudem besteht die Anforderung, dass die Batteriemodule-Temperaturmanagementeinrichtung möglichst klein bauend ausgelegt werden kann.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Temperiereinrichtung der eingangs genannten Art dergestalt weiterzubilden, dass diese nicht nur möglichst klein bauend ausgelegt werden kann, sondern auch einfach in der Montage seiner Einzelbestandteile ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Temperiereinrichtung, bei der der Ein- bzw. Auslaufanschluss des ersten Temperiermittelsammlers und der Aus- bzw. Einlaufanschluss des zweiten Temperiermittelsammlers an den in dieselbe Richtung weisenden Endabschnitten der Temperiermittelsammler angeordnet sind und bei der einer der beiden Temperiermittelsammler mehrkanalig ausgeführt ist, wobei die Temperiermittelkanäle der Temperierzellen in einen ersten Sammlerkanal dieses Temperiermittelsammlers münden und dieser Sammlerkanal zur Fluidverbindung mit dem Ein- bzw. Auslaufanschluss dieses Temperiermittelsammlers ein weiterer Sammlerkanal vorgesehen ist, durch den das Temperiermittel im Gegenstrom zu dem ersten Sammlerkanal geführt ist.
Eine solche Temperiereinrichtung ist nach Art eines Sprossenkühlkörpers aufgebaut. Im Unterschied zu vorbekannten Temperiereinrichtungen, die als Sprossenkühlkörper konzipiert sind, befinden sich die Anschlüsse - Einlaufanschluss und Auslaufanschluss - der beiden Temperiermittelsammler an denselben Endabschnitten und somit an derselben Seite der Temperiereinrichtung. Dadurch ist ein Anschluss der Temperiereinrichtung im Fahrzeug an den Temperiermittelkreislauf erheblich vereinfacht. Bei diesem Konzept können somit beide Anschlüsse an einer aufprallgeschützten Seite des Batteriemoduls angeordnet werden, was die Betriebssicherheit erhöht. Von Besonderheit bei dieser Temperiereinrichtung ist, dass, obwohl die Anschlüsse der Temperiermittelsammler an den in dieselbe Richtung weisenden Endabschnitten angeordnet sind, eine gleichmäßige Durchströmung der daran angeschlossenen Temperiermittelkanäle der Temperierzellen und damit eine gleichmäßige Kühlung der in den Temperierzellen angeordneten Batteriemodule nicht beeinträchtigt ist. Dieses wird dadurch erreicht, dass einer der beiden Temperiermittelsammler mehrkanalig, also: zumindest zweikanalig ausgeführt ist, wobei in einen ersten Sammlerkanal die Temperiermittelkanäle der Temperierzellen münden. Dieser Sammlerkanal steht jedoch nicht unmittelbar mit dem Ein- bzw. Auslaufanschluss dieses Temperiermittelsammlers in Fluidverbindung. Diesem Zweck dient ein weiterer Sammlerkanal dieses Temperiermittelsammlers, der im Gegenstrom zu dem aus den Temperiermittelkanälen in den ersten Sammlerkanal geförderten Temperiermittel durchströmt ist. Der erste Sammlerkanal eines solchen Temperiermittelsammlers steht über eine endseitige Fluidumlenkung mit dem weiteren Sammlerkanal in Fluidverbindung. Die Fluidumlenkung befindet sich typischerweise an dem dem Ein- bzw. Auslaufanschluss gegenüberliegenden Ende des Temperiermittelsammlers. Somit ist bei einer solchen Temperiereinrichtung die aus herkömmlichen, nach Art von Sprossenkühlkörpern ausgelegten Temperiereinrichtungen bekannte gleichmäßige Durchströmung der Temperiermittelkanäle der Temperierzellen gewährleistet, dennoch haben beide Temperiermittelsammler ihren Anschluss an denselben Endabschnitten.
Dieses Konzept hat ferner zum Vorteil, dass durch die Ausbildung des mehrere Sammlerkanäle aufweisenden Temperiermittelsammlers die Temperiereinrichtung zusätzlich versteift ist. Eine Montage der Temperiermittelsammler an die Temperiermittelkanäle der einzelnen Temperierzellen, beispielsweise als Teil von Temperierpaneelen, kann in derselben Art und Weise erfolgen, wie dieses von herkömmlichen Sprossenkühlkörpern her bekannt ist. Dadurch ist der Montageaufwand zum Herstellen einer solchen Temperiereinrichtung gegenüber herkömmlichen nicht erhöht. Vielmehr ist eine solche Montage erleichtert, da die Zu- und Auslaufanschlüsse der Temperiereinrichtung auf derselben Seite liegen.
Zur Ausbildung einer Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammlerkanal und dem weiteren Sammlerkanal ist bei einer Ausgestaltung vorgesehen, diese durch einen endseitigen Verschluss der Sammlerkanäle bereitzustellen, wobei zum endseitigen Verbinden der beiden Sammlerkanäle die Sammlerkanäle ansonsten trennende Trennwand eine Durchbrechung aufweist oder bereichsweise entfernt ist. Ein solcher Verschluss kann durch ein endseitig an den Temperiermittelsammler angeschlossenes Verschlussstück bereitgestellt sein. Der zumindest zwei Sammlerkanäle aufweisende Temperiermittelkanal kann auch durch mehrere separate Rohre bereitgestellt sein. Das Vorstehende gilt bei einer solchen Ausgestaltung entsprechend.
Typischerweise ist die hydraulische Querschnittsfläche in dem ersten Sammlerkanal und dem weiteren Sammlerkanal des mehrere Sammlerkanäle aufweisenden Temperiermittelsammlers gleich. Für den Fall, dass der weitere Sammlerkanal mit mehreren ersten Sammlerkanälen in Fluidverbindung steht, ist gemäß dieser Ausgestaltung die hydraulische Querschnittsfläche dieses Sammlerkanals entsprechend größer und entspricht sodann der hydraulischen Querschnittsfläche der Summe der ersten Sammlerkanäle. Möglich ist es jedoch auch, dass der weitere Sammlerkanal eine andere hydraulische Querschnittsfläche aufweist als der erste Sammlerkanal, in den die Temperiermittelkanäle der Temperierzellen münden. Vorzugsweise ist ebenfalls die hydraulische Querschnittsfläche des ersten Sammlerkanals des einen Temperiermittelsammlers gleich mit der hydraulischen Querschnittsfläche des anderen Temperiermittelsammlers. Durch die Wahl der jeweiligen hydraulischen Querschnittsfläche kann die Leistungsfähigkeit der Temperierung beeinflusst werden. Um die Temperierung energieeffizient zu gestalten, sind die hydraulischen Querschnittsflächen in den vorbeschriebenen Kanälen jedoch typischerweise gleich.
Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei der die Temperiereinrichtung mehrere parallel verlaufende Temperierzellenreihen aufweist und dass an einen zwischen zwei Temperierzellenreihen angeordneten Temperiermittelsammler mehrere Temperiermittelkanäle nach dem vorbenannten Prinzip angeschlossen sind. Bei einer solchen Ausgestaltung können sodann beide Temperiermittelsammler, an denen die Temperiermittelkanäle einer Temperierzellenreihe angeschlossen sind, als Mehrkanal-Temperiermittelsammler ausgeführt sein.
Das vorbeschriebene Konzept einer Temperiereinrichtung lässt sich auch bei Temperiereinrichtungen verwirklichen, bei denen einem ersten Temperiermittelsammler - einem Zulaufsammler oder Ablaufsammler - zumindest zwei zweite Temperiermittelsammler - zwei Ablaufsammler oder zwei Zulaufsammler - zugeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung werden mit dem ersten Temperiermittelsammler wenigstens zwei Temperierzellenreihen versorgt, und zwar entweder als Zulauf oder als Rücklauf. Die jeweils andere Komponente - Rücklauf oder Zulauf - erfolgt sodann über zwei separate Temperiermittelsammler. Bei einer solchermaßen konzipierten Temperiereinrichtung kann entweder der erste Temperiermittelsammler oder es können die beiden zweiten Temperiermittelsammler entsprechend mehrkanalig ausgelegt sein, um die jeweiligen Anschlüsse in den in dieselbe Richtung weisenden Abschnitten anordnen zu können.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Temperiermitteleinrichtung ist, dass diese sich auch durch einen zweischaligen Aufbau realisieren lässt, wobei einer der beiden Schalen eine unstrukturierte Platte, beispielsweise die eine oder mehrere Temperierzellenreihen unterseitig begrenzende Bodenplatte sein kann, während die komplementäre Schale durch eine Strukturschale bereitgestellt ist, die mit der Bodenplatte mediumdicht verbunden ist. Die Strukturschale verfügt über den gewünschten Fluidwegsamkeiten entsprechende Kanäle, die durch Verbinden der Strukturplatte mit der Bodenplatte zu geschlossenen Kanälen werden. Eine solche Strukturplatte kann kostengünstig beispielsweise als geprägte Metallplatine, beispielsweise eine Stahlplatine hergestellt sein. Bei der unstrukturierten Platte kann es sich auch um eine separate Platte handeln, die nicht notwendigerweise die Bodenplatte eines Batteriegehäuses ist. Ebenfalls kann eine solche Temperiermitteleinrichtung auch durch zwei entsprechend den gewünschten Fluidwegsamkeiten aufweisende Kanäle bereitgestellt werden.
Typischerweise ist eine solche Temperiereinrichtung integraler Bestandteil eines Batteriegehäuses, beispielsweise dadurch, dass die Temperiereinrichtung an die Bodenplatte und/oder den Rahmen des Batteriegehäuses angeschlossen ist.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht eines Batteriegehäuses mit zwei mit Batteriemodulen bestückten Temperierzellenreihen mit abgenommenem Deckel mit einer Temperiereinrichtung gemäß der Erfindung,
2: einen schematisierten Schnitt zum Darstellen der Funktionsweise der Temperiereinrichtung des Batteriegehäuses der 1 in Bezug auf eine Temperierzellenreihe,
3: eine Darstellung entsprechend derjenigen der 2 mit einem Schnitt durch die vollständige Temperiereinrichtung des Batteriegehäuses der 1,
4: Querschnittsdarstellungen unterschiedlicher mehrkammerig ausgebildeter Temperiermittelsammler und
5: eine Draufsicht auf eine Strukturschale zum Ausbilden einer Temperiereinrichtung (unten) sowie in einer Schnittdarstellung entlang der Linie A-B der Draufsicht (oben).

Ein Batteriegehäuse 1 mit abgenommenem Deckel (nicht dargestellt) ist in 1 gezeigt und erlaubt somit einen Einblick in dieses. Das Batteriegehäuse 1 umfasst einen umlaufenden Strukturrahmen 2, der aus einzelnen Rahmensegmenten zusammengesetzt ist. Der Strukturrahmen 2 ist durch einen innenliegenden Längsträger 3 und einen innenliegenden Querträger 4 versteift. Das Batteriegehäuse 1 verfügt über eine Temperiereinrichtung, die nachstehend erläutert ist. Die Temperiereinrichtung weist mehrere Temperierzellen auf. In jede Temperierzelle ist ein Batteriemodul 5 eingesetzt. Jede Temperierzelle ist als Kühlpaneel 7 ausgelegt, durch welches eine ebene, in das Innere des Batteriegehäuses 1 weisende Wärmetauscherfläche bereitgestellt ist. Mit Abstand zu der Wärmetauscherfläche, auf der die Batteriemodule 5 aufliegen, ist in jedes Paneel 7 jeweils zumindest ein Temperiermittelkanal integriert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind in jedes Paneel zwei parallel zueinander verlaufende Temperiermittelkanäle 8 integriert.
Durch die Teilung des inneren Volumens des Batteriegehäuses 1 mit dem Längsträger 3 sind zwei Batteriemodulreihen und demzufolge auch zwei Temperierzellenreihen bereitgestellt.
2 zeigt einen schematisierten Schnitt durch die den Boden der Temperierzellen bildende Temperiereinrichtung 6. Die Temperiermittelkanäle 8 jedes Temperierpaneels 7 sind parallel zueinander angeordnet und münden mit ihrem einen Ende in einen ersten Temperiermittelsammler 9 und mit ihrem anderen Ende in einen zweiten Temperiermittelsammler 10. Der Temperiermittelsammler 9 stellt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel den Zulaufsammler dar. Der Temperiermittelsammler 10 bildet den Ablaufsammler. Der erste Temperiermittelsammler 9 ist in Bezug auf die in 2 dargestellte rechte Temperierzellenreihe mehrkanalig, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dreikanalig ausgelegt. Der Temperiermittelsammler 9 verfügt, da durch diesen die Temperiermittelkanäle 8, 8.1 der beiden Temperierzellenreihen versorgt werden, über zwei Sammlerkanäle 11, 11.1, an die die Temperiermittelkanäle 8, 8.1 der beiden Temperierzellenreihen angeschlossen sind. Der Sammlerkanal 12 versorgt die Sammlerkanäle 11, 11.1 mit Temperierfluid. Zur Erläuterung des Funktionsprinzips ist nachstehend zunächst die Funktionsweise anhand der in 1 gezeigten rechten Temperierzellenreihe erläutert, bevor anschließend die gesamte Temperiereinrichtung 6 in Bezug auf 3 näher beschrieben ist. Die nachstehenden Ausführungen zu der in 2 gezeigten Temperierzellenreihe der Temperiereinrichtung 6 gelten gleichermaßen für die Auslegung der Temperiereinrichtung 6 bezüglich ihrer linken Temperierzellenreihe.
Die beiden Sammlerkanäle 11, 12 des Temperiermittelsammlers 9 sind durch eine Trennwand 13 voneinander getrennt. In 2 sind oberhalb der beiden Temperiermittelsammler 9, 10 diese in einer vergrößerten Querschnittsdarstellung gezeigt. Zur Versorgung des Sammlerkanals 11 dient nur die halbe Querschnittsfläche des Sammlerkanals 12. Die beiden Sammlerkanäle 11, 12 des Temperiermittelsammlers 9 sind im Gegenstrom Temperiermittel durchströmt. Der Zulaufanschluss des Temperiermittelsammlers 9 befindet sich an dem mit dem Bezugszeichen 14 in 2 bezeichneten Ende desselben. An dem in dieselbe Richtung weisenden Ende 15 befindet sich auch der Auslaufanschluss des zweiten, als Ablaufsammler dienende Temperiermittelsammlers 10. An dem Ende 14 des Temperiermittelsammlers 9 ist der Sammlerkanal 11 durch einen Stopfen 16 verschlossen. Das dem Ende 14 gegenüberliegende Ende des Temperiermittelsammlers 9 ist durch ein Umlenkstück 17 verschlossen. Durch das Umlenkstück 17 ist der Sammlerkanal 11 mit dem Sammlerkanal 12 in Fluidverbindung gestellt. Über den Zulaufanschluss an dem Ende 14 in den ersten Temperiermittelsammler 9 eingebrachtes Temperiermittel durchströmt somit zunächst den Sammlerkanal 12, bis das Temperiermittel in dem Umlenkstück 17 in den Sammlerkanal 11 und sodann in die darin angeschlossenen Temperiermittelkanäle 8 der Temperierpaneele 7 einströmt. Von Besonderheit ist, dass bei dieser Temperiereinrichtung 6 die beiden Zu- und Auslaufanschlüsse an den in dieselbe Richtung weisenden Enden 14, 15 der beiden Temperiermittelsammler 9, 10 angeordnet sind und dennoch eine bezüglich der Kühlleistung gleichmäßige Durchströmung der Temperiermittelkanäle 8 der Temperierpaneele 7 gewährleistet ist.
In 2 ist das Funktionsprinzip einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung gezeigt, und zwar anhand der Funktionsweise der Temperiereinrichtung 6 des Batteriegehäuses 1 im Bereich der rechten Batteriemodulreihe bzw. Temperierzellenreihe. Die Durchströmung der Temperiereinrichtung 6 ist mit Blockpfeilen kenntlich gemacht. Tatsächlich verfügt das Batteriegehäuse 1 über zwei Temperierzellenreihen. Aus diesem Grunde weist die in 3 dargestellte vollständige Temperiereinrichtung 6 tatsächlich zwei Temperierpaneelreihen auf, wobei der erste Temperiermittelsammler 9 neben seinem an den Zulaufanschluss an seinem Ende 14 angeschlossenen Sammlerkanal 12 zwei parallele Sammlerkanäle 11, 11.1 aufweist, wobei in jeden dieser beiden Sammlerkanäle 11, 11.1 die Temperiermittelkanäle 8 der beiden Temperierzellenreihen münden. Oberhalb des zentralen Temperiermittelsammlers 9 ist in einer vergrößerten Darstellung seine Querschnittsgeometrie gezeigt, aus der sich die Anordnung des Sammlerkanals 12 sowie der beiden Sammlerkanäle 11, 11.1 deutlich ergibt. Die hydraulische Querschnittsfläche des die beiden Sammlerkanäle 11, 11.1 versorgenden Sammlerkanals 12 des Temperiermittelsammlers 9 ist doppelt so groß wie die hydraulische Querschnittsfläche jedes Sammlerkanals 11 bzw. 11.1, die wiederum eine gleiche hydraulische Querschnittsfläche aufweisen. Beide Sammlerkanäle 11, 11.1 sind am Ende 14 mit einem Stopfen 16, 16.1 verschlossen. Der Umlenkkörper 17 ist ausgeführt, damit in den Sammlerkanal 12 eingebrachtes Temperiermittel zu gleichen Teilen in jeden Sammlerkanal 11 und 11.1 geleitet wird.
Die hydraulische Querschnittsfläche der durch Temperiermittelkanäle 8, 8.1 verbundenen Kanäle des Zu- und Auslaufsammlers, und zwar bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die hydraulische Querschnittsfläche der Temperiermittelsammler 10 bzw. 10.1 und diejenige des Sammlerkanals 11 bzw. 11.1 ist gleich groß. Dieses erfolgt vor dem Hintergrund, dass bei einem dynamischen System, um welches es sich vorliegend handelt, wenn die Temperiereinrichtung 6 fluiddurchströmt ist, ein Druckverlust zwischen der Zulaufseite und der Ablaufseite vorhanden ist. Dieser ist umso größer, je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsgeometrie der Temperiermittelsammler 10, 10.1 sowie der Sammlerkanäle 11, 11.1 kreisförmig, da dieses den geringsten Widerstand für ein darin strömendes Fluid darstellt. Die gleiche Bemessung derjenigen Kanäle, an denen die Temperiermittelkanäle 8, 8.1 der Temperierzellen angeschlossen sind, gewährleistet über alle Temperiermittelkanäle einen gleichen Druckverlust und dementsprechend eine gleichmäßige Durchströmung.
Der die beiden Sammlerkanäle 11, 11.1 versorgende Sammlerkanal 12 des als Zulaufsammler dienenden Temperiermittelsammlers 9 kann durchaus eine größere hydraulische Querschnittsfläche aufweisen als die Summe der Querschnitte der Sammlerkanäle 11, 11.1, ohne dass dieses Einfluss auf eine gleichmäßige Versorgung der Temperiermittelkanäle 8 oder 8.1 hätte. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die hydraulische Querschnittsfläche des Sammlerkanals 12 der doppelten Querschnittsfläche der Sammlerkanäle 11 und 11.1.
4 zeigt fünf beispielhafte Darstellungen von mehrkammerig und damit mehrkanalig ausgeführten Temperiermittelsammlern. Bei dem in der ersten Reihe links gezeigten Temperiermittelsammler sind die beiden Sammlerkanäle mit einer kreisförmigen Querschnittsgeometrie gleicher Größe ausgeführt. Der Temperiermittelsammler des in der oberen Reihe in der Mitte gezeigten Ausführungsbeispiels ist als rundes Rohr konzipiert, dessen Rohrinneres durch eine der Längserstreckung folgende Trennwand in zwei Sammlerkanäle unterteilt ist. Die Querschnittsfläche des in der oberen Reihe rechts gezeigten Temperiermittelsammlers ist quadratisch mit gerundeten Kanten. Dieselbe Querschnittsgeometrie weisen die darin enthaltenen vier Sammlerkanäle auf, die eine gleichgroße Querschnittsfläche aufweisen. Ein Temperiermittelsammler mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie seiner Sammlerkanäle ist in den beiden Ausgestaltungen der 4 in der unteren Reihe gezeigt.
5 zeigt in einer Draufsicht eine Strukturplatte 18 einer weiteren Temperiereinrichtung 6.1, in der die zuvor beschriebenen Fluidwegsamkeiten der Temperiereinrichtung als Kanäle ausgeführt sind. Die Strukturplatte 18 dient zum Aufbau einer zweischalig konzipierten Temperiereinrichtung 6.1, deren andere Schale durch die Bodenplatte 21 der Temperierzellen gebildet wird. In einem Zusammenbau ist diese Temperiereinrichtung 6.1 in 5 oben in einem Querschnitt gezeigt. Teil der Strukturplatte 18 sind die Anschlüsse 19, 20, 20.1 der Temperiermittelsammler 9', 10', 10.1'. Der Zulaufsammleranschluss ist in 5 mit dem Bezugszeichen 19 und diejenigen der beiden Ablaufsammler 10', 10.1' mit den Bezugszeichen 20, 20.1 kenntlich gemacht. Die Fluidwegsamkeiten und weiteren Teile der Temperiereinrichtung 6.1 sind in 5 ansonsten mit denselben Bezugszeichen kenntlich gemacht, die ebenfalls zu der Temperiereinrichtung 6 des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels verwendet worden sind, allerdings ergänzt um ein Apostroph ('). Vorteilhaft bei der Ausbildung einer Temperiereinrichtung wie der Temperiereinrichtung 6.1 in zweischaliger Bauweise ist, dass die Fluidwegsamkeiten durch Prägen der Strukturplatte 18 in einem einzigen Umformschritt bereitgestellt werden können und zur Erstellung der Temperiereinrichtung 6.1 nur die Strukturplatte 18 mit der Bodenplatte 21 zu verbinden ist, wobei die Verbindung in den Kanalzwischenräumen temperiermitteldicht ausgeführt ist. Grundsätzlich braucht die Strukturplatte 19 nicht in den gesamten Zwischenkanalbereichen temperiermitteldicht verbunden sein. Eine punktuelle Verbindung wird als ausreichend angesehen. Bei einer solchen Ausgestaltung wird in geschickter Weise der Umstand genutzt, dass das Fluid immer den Strömungsweg mit dem geringsten Widerstand nimmt, da der Strömungswiderstand über die vorbeschriebenen Fluidwegsamkeiten signifikant geringer ist als ein nicht abgedichteter Zwischenkanalbereich, in dem die Strukturplatte 18 an der Bodenplatte 21 anliegt.
In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen bildete bzw. war die Temperiereinrichtung jeweils dem Boden des Batteriegehäuses zugeordnet. Dasselbe Konzept lässt sich ebenfalls zur Ausbildung eines Deckels eines Batteriegehäuses einsetzen. Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei der der Deckel und der Boden gemäß einem der vorbeschriebenen Konzepte ausgelegt sind.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Ausgestaltungen, die Erfindung im Rahmen der geltenden Ansprüche umsetzen zu können.
Bezugszeichenliste

1: Batteriegehäuse
2: Strukturrahmen
3: Längsträger
4: Querträger
5: Batteriemodul
6,6.1: Temperiereinrichtung
7: Temperierpaneel
8, 8.1, 8': Temperiermittelkanal
9, 9': Erster Temperiermittelsammler
10, 10.1, 10', 10.1': Zweiter Temperiermittelsammler
11, 11.1, 11', 11.1': Sammlerkanal
12, 12': Sammlerkanal
13: Trennwand
14, 14': Ende
15, 15': Ende
16, 16': Stopfen
17: Umlenkstück
18: Strukturplatte
19: Anschluss
20, 20.1: Anschluss
21: Bodenplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013021670 A1 [0004]

Claims

Temperiereinrichtung für ein Batteriegehäuse (1) eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuges, welche Temperiereinrichtung (6, 6.1) in mehrere Temperierzellen unterteilt ist und jede Temperierzelle eine Wärmetauscherfläche zum Übertragen von Wärme von einem darin eingesetzten, zu temperierenden Batteriemodul (5) in die Temperiereinrichtung (6, 6.1) oder umgekehrt sowie zumindest einen von der Wärmetauscherfläche beabstandeten, Fluid durchströmbaren Temperiermittelkanal (8) aufweist, der einlaufseitig mit einem ersten Temperiermittelsammler (9, 9.') und auslaufseitig mit einem zweiten Temperiermittelsammler (10, 10.1; 10', 10.1') in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein- bzw. Auslaufanschluss (19) des ersten Temperiermittelsammlers (9, 9') und der Aus- bzw. Einlaufanschluss (20, 20.1) des zweiten Temperiermittelsammlers (10, 10.1; 10', 10.1') an den in dieselbe Richtung weisenden Endabschnitten (14, 15, 14', 15') der Temperiermittelsammler (9, 10, 10.1; 9', 10', 10.1') angeordnet sind und dass einer der beiden Temperiermittelsammler (9, 9') mehrkanalig ausgeführt ist, wobei die Temperiermittelkanäle (8) der Temperierzellen in einen ersten Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') dieses Temperiermittelsammlers (9, 9') münden und dieser Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') zur Fluidverbindung mit dem Ein- bzw. Auslaufanschluss dieses Temperiermittelsammlers (9) ein weiterer Sammlerkanal (12, 12') vorgesehen ist, durch den das Temperiermittel im Gegenstrom zu dem ersten Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') geführt ist.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sammlerkanäle (11, 11.1, 12; 11', 11.1', 12') aufweisende Temperiermittelsammler (9, 9') an seinem seinem Ein- bzw. Auslaufanschluss (19) gegenüberliegenden Ende eine Fluidumlenkung aufweist, über die der erste Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') mit dem weiteren Sammlerkanal (12, 12') verbunden ist.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des ersten Sammlerkanals (11, 11.1) mit dem weiteren Sammlerkanal (12) des mehrere Sammlerkanäle aufweisenden Temperiermittelsammlers (9) dieser an seinem Fluidumlenkungsende ein Umlenkstück (17) trägt, durch das die beiden Sammlerkanäle (11, 11.1, 12) in Fluidverbindung miteinander gestellt sind.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sammlerkanäle aufweisende Temperiermittelsammler ein zumindest zweikammeriges Hohlprofil ist und die Fluidverbindung des ersten Sammlerkanals mit dem weiteren Sammlerkanal durch einen endseitigen Verschluss des ersten und des weiteren Sammlerkanals an dem Fluidumlenkungsende des Temperiermittelsammlers und durch eine Durchbrechung der die Sammlerkanäle trennenden Trennwand bereitgestellt ist.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Querschnittsfläche in dem zweiten Temperiermittelsammler (10, 10.1; 10', 10.1') und in dem Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') gleich ist.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Querschnittsfläche in dem ersten Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') des einen Temperiermittelsammlers (9, 9') und diejenige in dem anderen Temperiermittelsammler (10, 10.1; 10', 10.1') gleich ist.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Temperiereinrichtung (6, 6') einen ersten Temperiermittelsammler (9, 9') und zwei zweite Temperiermittelsammler (10, 10.1; 10', 10.1') aufweist, wobei jede Temperierzelle der Temperiereinrichtung (6, 6.1) ohne Zwischenschaltung eines Temperiermittelkanals einer weiteren Temperierzelle mit seinem zumindest einen Temperiermittelkanal (8) an den ersten und einen der zweiten Temperiermittelsammler (9, 10; 9.1, 10.1; 9', 10'; 9.1', 10.1') angeschlossen ist, sodass bei einer Ausbildung des ersten Temperiermittelsammlers (9, 9') als Zulaufsammler das zugeführte Temperiermittel über die mehreren zweiten, als Rücklaufsammler dienenden Temperiermittelsammler (10, 10.1; 10', 10.1') abgeführt wird, oder dass bei einer Ausbildung des ersten Temperiermittelsammlers als Rücklaufsammler das über die zweiten, als Zulaufsammler dienenden Temperiermittelsammler zugeführte Temperiermittel über den ersten Temperiermittelsammler abgeführt wird, und - dass der erste Temperiermittelsammler (9, 9') oder die beiden zweiten Temperiermittelsammler mehrkanalig mit einem ersten Sammlerkanal (11, 11.1; 11', 11.1') und einem im Gegenstrom dazu Temperiermittel durchströmten weiteren Sammlerkanal (12, 12') ausgebildet ist bzw. sind.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung mit seiner Wärmetauscherfläche unterseitig an den Boden oder oberseitig an einen Zwischenboden eines Batteriegehäuses angeschlossen ist.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Teil der Temperiereinrichtung (6.1) der Boden (21) eines Batteriegehäuses ist und die zu temperierenden Batteriemodule an der Wärmetauscherfläche jeweils einer Temperierzelle anliegen.
Temperiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung mit seiner Wärmetauscherfläche oberseitig an einen Deckel oder unterseitig an einen Zwischenboden eines Batteriegehäuses angeschlossen ist.
Temperiereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung (6.1) zweischalig aufgebaut ist, wobei die eine Schale durch eine die Temperierzellen unterseitig begrenzende Bodenplatte (21) und die andere Schale durch eine die Fluidwegsamkeiten als Kanäle bereitstellende Strukturplatte (18) bereitgestellt ist und beide Schalen (18, 21) zumindest abschnittsweise temperiermitteldicht miteinander verbunden sind.