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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlerplatte für ein Elektrofahrzeug, ein Batteriesystem, ein Elektrofahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung von Kühlerplatten.
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Grundsätzlich ist es bekannt, Kühlerplatten aus Metallen herzustellen. Hierzu können insbesondere zwei plattenförmige Metallabschnitte, welche Kanalstrukturen aufweisen, unter Bildung einer Kühlerplatte miteinander verlötet werden. Hierbei entsteht durch die Topographie der Kanalstrukturen zwischen den beiden Metallabschnitten ein Hohlraum, durch welchen Flüssigkeit führbar ist zur Kühlung eines Elektrofahrzeugs.
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Bei gelöteten Kühlerplatten kann es zu einer Verschmutzung durch Flussmittel oder Lot kommen. Zudem sind Lötverfahren, insbesondere solche, bei denen vollflächig Lot aufgetragen wird, häufig nicht wirtschaftlich.
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Die Verschweißung der plattenförmigen Metallabschnitte, z.B. durch WIG-Verschweißung stellt aufgrund des hohen Wärmeeintrags und die dadurch entstehende Verformung der Metallabschnitte keine Alternative dar, da auf diese Art verformte Kühlerplatten keine glattflächige Auflagefläche mehr bieten und somit der Wirkungsgrad des Kühlsystems, welches solche verwundenen Kühlerplatten enthält, stark herabgesetzt wird. Zudem sind die Schweißnähte breiter als gewünscht. Weiterhin wäre eine Automatisierung beim WIG-Schweißen zumindest sehr aufwändig und mit sehr langen Taktzeiten verbunden, so dass zusätzlich zu technischen Unzulänglichkeiten auch wirtschaftliche Nachteile die Suche nach alternativen Verfahren notwendig machen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine schnell, einfach und kostengünstig herstellbare Kühlerplatte zu schaffen, welche ohne Verwindungen und somit geometrisch exakt hochautomatisiert zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlerplatte, die Kühlerplatte selbst, sowie ein Batteriesystem und ein Elektrofahrzeug nach den jeweils unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Dadurch, dass die Verbindung der Metallabschnitte unter Bildung einer Kühlerplatte durch Laserstrahlschweißen erfolgt, ist kein zusätzliches Material mehr zwingend notwendig, um die Metallabschnitte miteinander zu verbinden. Es findet außerdem keine Verschmutzung durch Flussmittel, Lot oder Kleber statt, diese zusätzlichen Materialien können auch nicht den zwischen den Kanalstrukturen entstehenden Hohlraum (bzw. die Kanäle) verkleben. Zudem wird durch das Laserschweißen eine hohe Festigkeit der Schweißverbindung garantiert. Allerdings kann, vor allem an peripheren Stellen noch eine lokale Lotanwendung (d.h. „Laserlöten“) sinnvoll sein, um eventuelle Restspalte zu schließen.
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Für das Verfahren ist ein hoher Automatisierungsgrad möglich, es sind keine zusätzlichen Arbeitsgänge, wie etwa Beschichtung mit Lot, zwingend nötig, die Prozesszeiten können entsprechend kurz gehalten werden. Ein spezifischer Vorteil des Laserstrahlschweißens liegt darin, dass der Energieeintrag gut dosierbar ist und ein minimaler Wärmeeintrag sowie sehr feine Schweißnähte realisierbar sind.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens zwei miteinander verschweißten Metallabschnitte zumindest bereichsweise zur Verringerung des Wärmeeintrags beim Schweißen eine unterbrochene Naht aufweisen. Durch eine derart unterbrochene Schweißnahtführung ist der Wärmeeintrag in die Metallabschnitte so gering wie nötig realisierbar, so dass die Verwindung durch Wärme sich auf ein tolerierbares Maß hin begrenzen lässt.
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Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Laserschweißen mittels eines Faserlasers, eines YAG-Lasers, eines CO2-Lasers oder eines Diodenlasers durchgeführt wird. Hierbei ist vorteilhaft, dass der Laserstrahl jeweils in seiner Intensität variabel ist.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Laserstrahlschweißen in einer Laserstrahlschweißvorrichtung stattfindet, wobei diese ein Spannsystem zur Fixierung der zu verschweißenden Metallabschnitte sowie ein Strahlkopf zum Ausstoß einer oder mehrerer Laserstrahlen aufweist.
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Hierbei kann wahlweise das Spannsystem und/oder der Strahlkopf beweglich geführt sein, so dass Spannsystem bzw. der Strahlkopf gegeneinander verschieblich sind. Dies kann z.B. durch ein achsgeführtes kartesisches System geschehen, welches üblicherweise auch automatisiert steuerbar ist.
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Eine Weiterbildung des Strahlkopfes sieht vor, dass der Strahlkopf zur Strahlführung ein bewegliches Spiegelsystem aufweist, wobei nach Maßgabe der Spiegelbewegung unterschiedliche Bereiche der zu verschweißenden Metallabschnitte ansteuerbar sind. Hierdurch wird (infolge der geringen Trägheit der Spiegel) eine extrem schnelle Verschweißung möglich, es sind ohne weiteres 4 - 30 m pro Minute Schweißnaht an den Metallabschnitten realisierbar. Ebenso sind Leerwegsgeschwindigkeiten bis zu 300 m/min möglich, was eine sehr variable Schweißabfolge zulässt.
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Eine Weiterbildung des Spannsystems sieht vor, dass die Metallabschnitte bereichsweise formschlüssig umfasst und/oder durchgriffen werden. Beispielsweise können Stifte zur Vermeidung von Verschiebungen in der Ebene mit Platten, die eine Begrenzung senkrecht hierzu bieten, kombiniert werden.
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Hierdurch wird bereits weitgehend vermieden, dass ein Verziehen der Metallabschnitte durch Wärme erfolgt, zur Versteifung des formschlüssigen Spannsystems ist die Ausbildung von Versteifungsstegen möglich. Außerdem wird durch die formschlüssige Umfassung eine große Kontaktfläche zur Wärmeabführung ermöglicht, die zu dem Metallabschnitt hin gerichtete Oberfläche des Spannsystems kann zur besseren Wärmeabführung aus einem besonders gut wärmeleitenden Material wie z.B. Kupfer oder Aluminium sein. Zur Wärmeabfuhr kann die Vorrichtung auch gekühlt sein.
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Eine Weiterbildung des Spannsystems sieht vor, dass Abschnitte der plattenförmigen Metallabschnitte spaltfrei aufeinander angeordnet sind während der Laserverschweißung. Durch die spaltfreie Aufeinanderlegung der im Wesentlichen flachen Abschnitte der plattenförmigen Metallabschnitte wird erreicht, dass durch den Laserstrahl nicht ausschließlich der dem Strahlkopf nächstliegende Metallabschnitt erwärmt und unter Umständen sogar geschmolzen/verbrannt wird ohne eine Verbindung mit dem dem Strahlkopf weiter entfernt liegenden Teilabschnitt einzugehen.
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Außerdem kann das Spannsystem eine Einheit zur Schutzgasführung auf den zu verschweißenden Bereich hin aufweisen. Hierdurch wird eine eventuell in Gang gesetzte Oxidationsreaktion gestoppt bzw. eine Kühlung der Metallabschnitte erreicht. Das Schutzgas kann dabei auf der dem Strahlkopf näher oder der dem Stahlkopf weiter entfernt liegenden Oberfläche der aufeinandergelegten Metallabschnitte geführt werden.
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Eine besonders gute Begrenzung der Verformbarkeit der Metallabschnitte wird dadurch erreicht, dass das Spannsystem an der dem Strahlkopf zugewandten Oberseite eine Strahlungsfreimachung zum Durchleiten eines Laserstrahls auf einen oben liegenden Metallabschnitt aufweist. Hierdurch wird einerseits der Zugang zu der Schweißstelle ermöglicht, andererseits wird auch in nächster Nähe hierzu die Wärmeabführung ermöglicht. Hierzu ist es außerdem vorteilhaft, dass das Spannsystem an der dem Strahlkopf abgewandten Unterseite eine Festschweißfreimachung zum Verhindern des Festschweißens eines Metallabschnitts an der Form des Spannsystems vorsieht.
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Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor, dass im Randbereich der Metallabschnitte eine im Wesentlichen umlaufende Verschweißung stattfindet zur Schaffung eines flüssigkeitsdichten Hohlraums zwischen den im Wesentlichen flachen Metallabschnitten. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine durchlaufende Naht, insbesondere bei Stoßstellen zweier Nähte (welche z.B. beim Umspannen großflächiger Metallabschnitte im Spannwerkzeug notwendig sein können) ist es möglich, Überlappnähte vorzusehen.
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Zur Schaffung eines Kühlmittelkreislaufs kann der Hohlraum zwischen den Metallabschnitten eine oder mehrere Öffnungen zur Kühlmittelzu- und/oder - abfuhr aufweisen.
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Hierzu kann in einer ersten Ausführungsform aus mindestens einem Metallabschnitt, d.h. insbesondere einer flächigen Oberfläche eines Metallabschnitts, ein Anschlussstutzen auskragen, wobei der Anschlussstutzen integral aus dem Metallabschnitt geformt ist. Der Anschlussstutzen kann dabei durch Ausstanzen oder sonstiges Ausschneiden, beispielsweise auch durch Laserschneiden, einer Durchgangsöffnung und Prägen und/oder Tiefziehen des Randes der Durchgangsöffnung gebildet werden. Analog kann eine Aufnahmeöffnung für einen separaten Anschlussstutzen gebildet werden.
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Die vorgenannten Aufnahmeöffnungen ermöglichen die Aufnahme eines gesonderten Anschlussstutzens. Dieser weist vorzugsweise ein teller- oder flanschförmiges Endstück auf wird dann im Bereich um die Durchgangsöffnung insbesondere über das teller- oder flanschförmige Endstück auf den Metallabschnitt, insbesondere in einem an die Aufnahmeöffnung angrenzenden Bereich, aufgeschweißt.
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In einer zweiten Ausführungsform kann eine solche Aufnahmeöffnung oder ein solcher Anschlussstutzen nicht um eine Durchgangsöffnung in einer flächigen Oberfläche eines Metallabschnitts gebildet sein, sondern in einem Randbereich der Kühlerplatte. Dabei werden zwei Randabschnitte der zwei miteinander zu verschweißenden Metallabschnitte, die in der fertigen Kühlerplatte übereinander zu liegen kommen, derart verformt, dass sie sich in der fertigen Kühlerplatte voneinander weg wölben. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die gewölbten Abschnitte und die Nachbarabschnitte über den angrenzenden Rand des jeweiligen Metallabschnitts überstehen oder wenn die Nachbarabschnitte an Freimachungen, beispielsweise schlitz- oder keilförmige Einschnitte, angrenzen.
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Nach Auflegen der beiden Metallabschnitte aufeinander werden die aufeinander liegenden Nachbarabschnitte der sich voneinander weg wölbenden Randabschnitte zumindest abschnittsweise miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Die Verschweißung kann dabei nur die beiden Metallabschnitte umfassen oder aber unmittelbar einen in die Aufnahmeöffnung eingebrachten Anschlussstutzen mit verschweißen. Hierbei kann auf ein teller- oder flanschförmiges Endstück verzichtet werden und unmittelbar durch die einander benachbarten Wandungen von Aufnahmeöffnung und Anschlussstutzen geschweißt werden.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Plattenabschnitte in Bereichen benachbart zu einem Hohlraum im Wesentlichen spaltfreie Verbindungsstellen aufweisen. Diese können quasi als „Inseln“ im Flüssigkeitskreislauf vorgesehen sein. Die Inseln können eine längliche Form haben, alternativ aber auch rund, oval oder rechteckig sein. In einer Weiterbildung können in bestimmten Regionen Inseln ausgelassen werden, so dass in einem derartigen „See“ eine Vermischung der Flüssigkeit stattfinden kann. Die hier miteinander verbundenen Bereiche der sich gegenüber liegenden Metallabschnitte sind hierbei jeweils durch Schweißnähte verbunden. Diese Schweißnähte können verschiedene Formen aufweisen. So sind z.B. linienförmige Anordnungen mit nebeneinander liegenden Schweißpunkten möglich (Punktnähte). Es ist aber auch möglich, Steppnähte vorzusehen (als hintereinander angeordnete aber voneinander beabstandete linienförmige Abschnitte). Punktnähte und Steppnähte sind dann besonders vorteilhaft, wenn ein besonders geringer Wärmeeintrag in die Metallabschnitte beabsichtigt ist. Weiter sind kreisförmige oder ovale Dichtnähte innerhalb einzelner Inseln, insbesondere innerhalb kreisförmiger oder ovaler Inseln möglich. Zudem können wellenförmige Nähte (Wellennähte), insbesondere als gegeneinander phasenversetzte Doppelwellennähte eingesetzt werden. Ebenso sind sich selbst überschneidende einzugige Nähte (Wobbelnähte) möglich. Diese sind besonders bevorzugt, wenn bei einem stark reflektierenden Material, wie beispielsweise Aluminium, mit einem sehr dünnen Laserstrahl geschweißt wird. Das Sich-Selbst-Überschneiden der dünnen einzugigen Naht resultiert in einer stabilen Verbindung trotz begrenzten Energieeintrags.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Stärke der Metallabschnitte im ungeschweißten Zustand 0,2 bis 1,5 mm beträgt. Als Materialien kommen für die Metallabschnitte insbesondere Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, metallisierter Kunststoff oder Edelstahl in Frage. Im Kontext dieser Erfindung umfassen Metallabschnitte auch Abschnitte aus metallisiertem Kunststoff. Besonders bevorzugt sind dabei Aluminiumlegierungen der Gruppen/Serien 3xxx und 5xxx.
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Ein Kernaspekt des Verfahrens zur Herstellung einer Kühlerplatte für ein Elektrofahrzeug, insbesondere zur Kühlung einer Elektrobatterie des Elektrofahrzeugs, ist also, dass mindestens zwei plattenförmige Metallabschnitte unter Bildung einer Kühlerplatte miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung der Metallabschnitte durch Laserstrahlschweißen erfolgt. Hierbei kann in einigen Ausführungsformen auch, insbesondere lokal begrenzt, Lot zu Hilfe genommen werden, wenn die mittelbare Erhitzung dieses Lots eine Restabdichtung bewirkt, die für ein einwandfreies Funktionieren der Kühlerplatte nicht schädlich ist. Beispielsweise kann dies in peripheren Bereichen geschehen.
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Weiterbildungen sehen vor, dass innerhalb des flüssigkeitsdichten Hohlraums einer Kühlerplatte gegenüberliegende Metallabschnitte zur Bildung von „Inseln“ verschweißt sind. Diese Inseln sind sowohl zur Strömungsführung als auch zur Stabilisierung der Platten, insbesondere wenn diese aus dünnwandigem Metallblech gefertigt sind, sinnvoll, da dadurch ein „Aufblähen“ des Hohlraums vermieden wird.
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Neben den in den Figuren gezeigten bzw. nahegelegten Verschweißungen auf der Fläche ist es auch möglich, im Bereich von Stirnseiten oder Absätzen zu schweißen. So kann beispielsweise bei bündig aneinanderliegenden Rändern von zu fügenden Metallabschnitten eine Stirnseitenverschweißung allein und/oder zusätzlich erfolgen. Hierdurch wird die Dichtwirkung verbessert.
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Insbesondere bei nicht-randbündigen zu verschweißenden Metallabschnitten, also Metallabschnitten unterschiedlicher Größe und/oder Fläche können Kehlnähte zur Fügung dieser aufgebracht werden.
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In Ergänzung zu den oben genannten Weiterbildungen können auch Nahtenden verstärkt werden, um so ein „Aufreißen“ der Naht zu vermeiden. Hierzu kann die Naht im Anschluss an das eigentliche Nahtende so fortgesetzt werden, dass ein fortlaufender Nahtabschnitt entsteht, der zur eigentlichen Naht insbesondere geringfügig versetzt ist und in Gegenrichtung eingebracht wird. Die Richtungsumkehr kann beispielsweise über einen ösenförmigen Verlauf eines Übergangsnahtabschnittes erfolgen.
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Sämtliche hier genannten Metallabschnitte können selbstverständlich mittels Prägens und/oder Tiefziehens und/oder Hydroformens oder anderer Umformverfahren unter Ausbildung mindestens eines Kanals / eines Hohlraums umgeformt werden. Die Metallabschnitte können allerdings neben dieser Tiefenverformung in der Fläche auch so verformt werden, dass integrale Laschen aus der Ebene herausgebogen werden und/oder Stege bzw. Näpfchen tiefgezogen oder angeformt werden. Diese dienen der Befestigung der Batterie an den Kühlerplatten bzw. der Befestigung der Kühlerplatten an Teilen eines Fahrzeugs oder beispielsweise auch dem Potentialausgleich. Entsprechende Funktionselemente können aber auch gesondert gefertigt und angefügt werden, beispielsweise mittels Laserschweißens.
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Je nach gewünschtem Wärmeleitverhalten können die Metallabschnitte der Kühlerplatte in Zusammensetzung und Form unterschiedlich sein. Hierzu kann vorgesehen sein, dass zwei Platten unterschiedlicher Materialien und Dicken/Geometrien miteinander gefügt werden.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass Metallabschnitte Anschlussstutzen aufweisen, die aus dem Material selbst herausgeformt sind oder die als externe/zusätzliche Bauteile angefügt werden (siehe oben). Hierbei wird auf unterschiedliche Anordnungen der Anschlussstutzen (senkrecht zur Hauptebene/Flächenebene der Metallabschnitte bzw. im Randbereich in dieser Ebene und im Wesentlichen parallel zu dieser) verwiesen.
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Es sei ergänzt, dass insbesondere die separaten Anschlussstutzen, die in einer als Aufnahmeöffnung ausgebildeten Durchgangsöffnung eines Metallabschnitts eingesetzt werden, auch zusätzliche versteifende Funktionen ausführen können. So ist es beispielsweise möglich, dass ein separater Anschlussstutzen so in eine Durchgangsöffnung eines Metallabschnitts eingesetzt wird, dass der Anschlussstutzen sich zumindest bereichsweise auf einer gegenüberliegenden, vorzugsweise ebenfalls einen Kühlhohlraum begrenzenden Metallabschnitt abstützt und insbesondere ein Verschweißen des separaten Anschlussstutzens mit beiden vorgenannten Metallabschnitten erfolgt. Hierdurch wird also ein „Aufblähen“ des Hohlraums vermieden.
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Weiterhin ist es möglich, dass in mehrstufigen Umformverfahren die Metallabschnitte bzw. Aufnahmeöffnungen auf die Anschlussstutzen abgestimmt werden. Wie bereits erwähnt, können die beiden Metallabschnitte, die in einer fertigen Kühlerplatte aneinanderliegen, in ihrem Randbereich gemeinsam eine Aufnahmeöffnung ausbilden. Hierzu wird der betreffende Randbereich beider Metallabschnitte jeweils so verformt, dass sich eine im Schnitt zumindest abschnittsweise näherungsweise halbkreisförmige Wölbung ergibt. Werden die beiden Metallabschnitte bereits nach diesem einstufigen Umformverfahren aufeinander gelegt, so weist häufig der Übergang der einzelnen näherungsweise halbkreisförmigen Wölbungen zueinander, d.h. von einem Metallabschnitt zum anderen, eine unzureichende Umformung auf. Häufig ist der Übergang von der Wölbung zum angrenzenden, eben verlaufenden Bereich zu breit und zu unscharf. Um dem zu begegnen, wird beispielsweise noch im gesonderten Zustand der Metallabschnitte jeweils eine Nachverformung der Ränder der näherungsweise halbkreisförmigen Wölbung durchgeführt, so dass sich eine wesentlich schärfere Kante zum angrenzenden Bereich hin sowie eine verbesserte Verrundung der halbkreisförmigen Wölbung ergibt. Alternativ oder ergänzend kann im noch gesonderten oder bereits aufeinandergelegten Zustand der Metallabschnitte Lot eingebracht werden, beispielsweise in Form eines Lötdrahtes, insbesondere in eine hierfür gesondert vorgesehene Vertiefung. Sowohl die Nachverformung als auch das Lot ermöglichen eine Schließung von Restspalten, entweder unmittelbar oder wenn anschließend, nach Aufeinanderlegen der Metall-abschnitte aufeinander, vorzugsweise beidseitig, eine Laserverschweißung der Metallabschnitte durchgeführt wird, um einen separaten Anschlussstutzens an die Metallabschnitte im Bereich der vorherigen Restspalte flüssigkeitsdicht anzubinden.
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Weiterhin sehen Weiterbildungen vor, dass die Anbindung des separaten Anschlussstutzens an eine vorzugsweise napfförmige Ausformung eines Metallabschnitts im Bereich einer Durchgangsöffnung erfolgt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Anbindung des Anschlussstutzens.
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Ebenso kann ein Bauteil zur Strömungsbeeinflussung vorgesehen sein, der mittels Laserschweißens innerhalb eines Hohlraums zwischen zwei Metallabschnitten fixiert wird. Beispielsweise kann ein gewelltes Blech, beispielsweise mit Durchgangsöffnungen, eingesetzt werden.
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Die vorgenannten Merkmale, die oft im Zuge von Herstellverfahren genannt wurden, betreffen vorwiegend Kühlerplatten für die Kühlung von Batterien oder anderen Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen. Lediglich zur Vermeidung von Wiederholungen wird eine gesonderte Aufzählung all dieser Merkmale in Bezug auf die gegenständlichen Kühlerplatten vermieden; jegliche auch zunächst verfahrensmäßig formulierten Merkmale sind bei Bedarf in Vorrichtungsmerkmale bezüglich der Kühlerplatte, des Batteriesystems bzw. des Elektrofahrzeugs überführbar, falls dies zur Abgrenzung sinnvoll erscheinen sollte. Hierbei können die gegenständlichen Merkmale in den Verfahren gegebenenfalls direkt übernommen und/oder als Product-by-Process formulierte Merkmale in die gegenständlichen Ansprüche übernommen werden; dies gilt für sämtliche Merkmale aus den beiliegenden Verfahrensansprüchen.
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Eine Weiterbildung der Kühlerplatte sieht vor, dass die Kühlerplatte zumindest bereichsweise mit einer zur Verringerung des Wärmeeintrags beim Schweißen unterbrochenen Naht versehen ist. Ebenso kann aus mindestens einem Metallabschnitt ein Anschlussstutzen auskragen oder eine, beispielsweise mit einem Näpfchen kombinierte Aufnahmeöffnung, wobei der Anschlussstutzen oder die Aufnahmeöffnung integral aus dem Metallabschnitt geformt ist. Insbesondere wenn eine derartige Aufnahmeöffnung vorhanden ist, ist es möglich, einen separaten Anschlussstutzen in eine solche Aufnahmeöffnung der Metallabschnitte ein- oder anzufügen bzw. ein- oder anzuschweißen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass an einem Randabschnitt der Kühlerplatte mindestens ein Anschlussstutzen und/oder eine Aufnahmeöffnung ausgebildet ist, der bzw. die aus je einem Randabschnitt der zwei miteinander verschweißten Metallabschnitte ausgebildet ist, wobei die beiden Randabschnitte zumindest abschnittsweise miteinander verschweißt sind. Der Randabschnitt, in dem die Aufnahmeöffnung bzw. der Anschlussstutzen ausgebildet ist, kann dabei bündig mit dem angrenzenden Rand der jeweiligen Metallabschnitte verlaufen, von diesem durch einen Einschnitt getrennt sein oder gegenüber diesem vorspringen.
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In der Regel ist es ausreichend, dass die erfindungsgemäße Kühlerplatte bezüglich des Kühlmittels bzw. der Kühlmittelführung einschichtig ist, d.h. lediglich einen Hohlraum senkrecht zur größten Flächenausdehnung aufweist. Dies ist eine Abkehr von einer „Schichtung“. Stattdessen wird versucht, auch an komplizierte Batteriegeometrien eine vollflächige Kühlerplatte anzubauen, die aufgrund begrenzter Bauhöhe auch wenig Bauhöhe benötigt.
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Hierzu ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Kühlerplatte aus mehreren Teilkühlerplatten zusammengesetzt ist, wobei diese Teilkühlerplatten sich im Wesentlichen in einer Ebene aneinander anschließen und vorzugsweise über Anschlussstutzen und/oder Leitungen zur Führung von Kühlmittel miteinander verbunden sind.
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Des Weiteren betrifft die Patentanmeldung ein Batteriesystem für Fahrzeuge, enthaltend eine Antriebsbatterie für den enthaltenen Elektromotor sowie eine mit der Batterie verbundene Kühlerplatte. Schließlich wird auch ein Elektrofahrzeug, welches einen Elektromotor zum Fahrzeugantrieb sowie ein Batteriesystem enthält, beansprucht.
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Ergänzende Weiterbildungen werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Dabei bezeichnen in den einzelnen Beispielen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente, so dass deren Erläuterung gegebenenfalls nicht wiederholt wird. In den nachfolgenden Beispielen sind auch für die Erfindung nicht wesentliche Merkmale beschrieben. Dies sind neben den gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgesehenen Merkmalen weitere optionale und vorteilhafte Merkmale. Diese können sowohl für sich als auch in Kombination mit weiteren derartigen Merkmalen in dem jeweiligen Beispiel oder auch mit weiteren derartigen Merkmalen in anderen Beispielen in Kombination erfindungsgemäß eingesetzt werden. Es zeigen:
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und 1B Schrägansichten erfindungsgemäßer Kühlerplatten sowie einer darüber liegenden Fahrzeugantriebsbatterie zur Kühlung der Fahrzeugantriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs;
- 2A
bis 2C verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kühlerplatten mit verschiedenen Dichtnähten sowie eine zugehörige Detailansicht;
- 3 Details von Schweißnähten zwischen zwei miteinander verbundenen Metallabschnitten (Varianten A bis G);
- 4A einen Teilschnitt einer erfindungsgemäßen Kühlerplatte mit angeschlossenen externen Stutzen, einer aus der Ebene herausragenden Lasche sowie Bolzen zur Befestigung der Kühlerplatte;
- 4B einen Detailschnitt aus 4A;
- 4C
und 4D eine Schrägansicht zweier Metallabschnitte einer Kühlerplatte sowie eine zugehörige Detailansicht;
- 5A
und 5B eine Oberseite (A) bzw. eine Unterseite (B) zweier zu einer erfindungsgemäßen Kühlerplatte zu fügender Metallabschnitte;
- 6A
bis 6C zwei Aufsichten einer erfindungsgemäßen Kühlerplatten sowie Details zu einem Hohlraum einer Kühlerplatte, wobei hier separate Anschlussstutzen angeordnet sind und diese Anschlussstutzen an einer zusätzlichen Platte angebunden sind (d.h. insgesamt mindestens drei Metallabschnitte);
- 7A
bis 7D jeweils Details eines Schnitts mit angebundenen externen Anschlussstutzen;
- 8A
Bis 8C Schnittdarstellungen jeweils zweier Metallabschnitte und eine Schrägansicht eines einzelnen Metallabschnitts im Bereich einer Aufnahmeöffnung in einem Randbereich;
- 9A
und 9B Draufsichten auf Randabschnitte eines Metallabschnittes im Bereich einer Aufnahmeöffnung;
- 10Abis 10C Details zu Anschlussstutzen;
- 11 eine schematische Darstellung einer Befestigung eines Bauteils zur Strömungsbeeinflussung innerhalb eines Hohlraums einer Kühlerplatte;
- 12 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Spannsystems mit einer Kühlerplatte.
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Die 1A und 1B zeigen Schrägansichten erfindungsgemäßer Kühlerplatten sowie jeweils einer darüber liegenden Fahrzeugantriebsbatterie 17. In 1A und 1B wird die Kühlwirkung an der Batterie dadurch optimiert, dass beispielsweise eine flache Anbindung der Kühlerplatte an die Batterie gewährleistet wird. Außerdem ist anzumerken, dass die einzelnen Kühlerplatten jeweils im Hinblick auf die Kühlmittelführung vorzugsweise einschichtig ausgeführt sind, d.h. einen einzigen Hohlraum zur Flüssigkeitsführung haben. Außerdem sind hier mehrere Kühlerplatten horizontal nebeneinander angeordnet, um den Bauraum im Fahrzeug möglichst gut zu nutzen und bei geringer Bauhöhe möglichst vollflächig die gesamte Batterie zu kühlen. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungsformen, bei der genau eine Kühlerplatte eingesetzt wird.
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Das Batteriesystem 38 aus 1A zeigt hierbei die Batterie 17 mit darunter liegenden Kühlerplatten 1a bis 1d, bei denen die Verbindung der einzelnen Kühlerplatten 1a bis 1d entweder in der Ebene der Kühlerplatten oder unterhalb dieser Ebene erfolgt. Das in 1B gezeigte Batteriesystem 38' zeigt Kühlerplatten 1a' bis 1d' unterhalb der Batterie 17, wobei diese Kühlerplatten durch Anschlussstutzen 22, 22' und Leitungen auf der sichtbaren Oberfläche der Kühlerplatten 1a'-1d' miteinander fluidleitend verbunden sind. In beiden Fällen ist also ein einziger Kühlkreislauf für sämtliche horizontal nebeneinanderliegenden Kühlerplatten ermöglicht. Als Beispiel für eine Bausituation sind hier also jeweils zwei kleine Kühlerplatten außen und zwei große Kühlerplatten mittig angeordnet, in 1B mit Medienverbindungen bzw. Anschlussstutzen 22, 22' zwischen den Teilkühlerplatten. Dies ist insbesondere bei beengten Einbauverhältnissen für den Fall vorgesehen, dass der Verbau einer einzigen großen Platte bzw. einer Mehrzahl ausschließlich identischer Platten nicht möglich ist. Zudem ist bei einem derartigen modularen Aufbau die Verwendung einer begrenzten Auswahl standardisierter Kühlerplatten möglich.
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2A zeigt im Querschnitt zwei im Wesentlichen plattenförmige Metallabschnitte 2a und 2b. Diese Metallabschnitte weisen im Wesentlichen komplementäre und bezüglich der Spiegelebene 8 spiegelbildliche Form auf. Die Platten müssen nicht spiegelbildlich sein. Wichtig ist, dass eine gemeinsame Berührfläche vorhanden ist, die verbunden werden kann. Es ist auch möglich, dass nur einer der Metallabschnitte Vertiefungen aufweist, siehe 2B. Die plattenförmigen Abschnitte 2a und 2b weisen eine unebene Topographie auf. Zwischen den Metallabschnitten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ist ein Hohlraum 3 angeordnet, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundenen Tunnels 29 besteht. In den einzelnen Metallabschnitten 2a, 2b sind hierfür Kanäle 29a, 29b eingeformt. Ein Tunnel 29 des Ausführungsbeispiels der 2B wird aus einem einzigen Kanal 29a, der unmittelbar an den Metallabschnitt 2b angrenzt, gebildet. Der Hohlraum 3 bzw. das System des Tunnels 29 wird durch eine im Wesentlichen den Randbereich 27a, 27b der Metallabschnitte 2a, 2b umlaufende Verschweißung 7 flüssigkeitsdicht umrandet, wobei in 2A und 2B nicht dargestellte Öffnungen zur Kühlmittelzu- und/oder -abfuhr vorgesehen sind.
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Die Metallabschnitte 2a und 2b sind zwischen den Tunnels 29 bzw. Hohlräumen 3 durch verschiedene Schweißnähte miteinander verbunden. Dies sind zum einen Steppnähte 5, welche aus aneinander gereihten linienförmigen Abschnitten bestehen. Hier ist der Abstand zwischen den einander nächstliegenden linienförmigen Abschnitten etwas größer als die jeweilige Länge eines linienförmigen Abschnitts, er könnte jedoch auch noch größer sein. Außerdem sind durchgängige Nähte 4 gezeigt, bei denen die Naht nicht an ihrem freien Ende abbricht, sondern so fortgesetzt wird, dass ein fortlaufender Nahtabschnitt entsteht, der zur eigentlichen Naht versetzt ist und in Gegenrichtung eingebracht wird, so dass ein. ösenförmiger Abschnitt 4a entsteht. Es sind außerdem Wobbelnähte 9 gezeigt, d.h. sich selbst überschneidende einzugige Nähte. Diese sind besonders bevorzugt, wenn bei einem stark reflektierenden Material, wie beispielsweise Aluminium mit einem sehr dünnen Laserstrahl geschweißt wird. Das Überschneiden der dünnen einzugigen Naht resultiert in einer stabilen Verbindung trotz begrenzten Energieeintrags. Schließlich ist eine im Randbereich 27a, 27b gegebene durchgehende Naht 7 gezeigt. In der Figur ist diese durchgehende Naht 7 jedoch nicht in sich geschlossen, da lediglich eine mittig durchgetrennte Kühlerplatte zum Zwecke der besseren Sichtbarkeit des Hohlraumes 3 gezeigt ist. 2B zeigt weitere Geometrien von Schweißnähten, beispielsweise eine Punktnaht 10, die vorteilhafterweise bei Stahlplatten eingesetzt wird. Zudem ist eine aus Kreuzstichen bestehende Naht 11 gezeigt, die ähnliche Vorteile wie die Wobbelnaht bietet. Schließlich ist eine Wellennaht 6 gezeigt.
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Sämtliche der hier gezeigten Schweißnähte sind durch Laserstrahlschweißen entstanden. Bezüglich Einzelheiten des Laserschweißens bzw. der Laserstrahlschweißvorrichtung, in welcher dieses geschah, wird zur Vermeidung von Wiederholungen voll umfänglich und ausdrücklich auf die Beschreibungseinleitung mit den dort geschilderten Weiterbildungen Bezug genommen. Die 2A und 2B zeigen zu Demonstrationszwecken jeweils unterschiedliche Nahtgeometrien zwischen den Tunnels 29. In der Praxis ist es jedoch vorteilhaft, wenn in einer Kühlerplatte zwischen den Tunnels 29 ein einziger Typ von Naht eingesetzt wird.
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Die Detaildarstellung der Figur 2C, in der der Ausschnitt C der 2B um90° gedreht ist, verdeutlicht, dass es vollkommen ausreichend ist, wenn eine Berührung der beiden Metallabschnitte 2a, 2b nur in einem sehr schmalen Bereich gegeben ist. Hierzu ist der Metallabschnitt 2a in der Mitte seiner Vertiefungen zusätzlich angeprägt, wie an der Unterseite des Metallabschnitts 2a gezeigt ist. Die Inseln sind also in den Ausführungsformen der 2A und 2B von vergleichbarer Länge, aber von sehr unterschiedlicher Breite, in 2B also näherungsweise linienförmig.
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Die Stärke der Metallabschnitte 2a, 2b beträgt im ungeschweißten Zustand jeweils 0,2 bis 1,5 mm, die in der Figur gezeigte geschnittene Kühlerplatte ist bzw. ihre beiden Metallabschnitte 2a, 2b sind aus einer Aluminiumlegierung.
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Die Kühlerplatte kann Bestandteil eines Systems von Kühlerplatten sein, bei dem entweder eine einzige oder mehrere solche Kühlerplatten nebeneinander im Bodenbereich eines Elektrofahrzeuges angeordnet werden (vgl. 1A und 1B), sie kann jedoch auch allein verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Kühlerplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie einerseits kostengünstig herstellbar ist und andererseits hohe Anforderungen an die Dichtigkeit bietet.
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3 zeigt verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kühlerplatte mit Doppeldichtnähten 12 bis 15, einer Wobbelnaht 9 sowie unterschiedlichen Ausführungsformen von ösenförmigen Abschnitten 4a an einem Nahtende. Es sind darüber hinaus aber auch weitere Ausführungsformen von Mehrfachdichtnähten möglich; prinzipiell sind also beliebige Anzahlen mehrerer nebeneinander liegender Dichtnähte realisierbar. Zur Verdeutlichung ist in 3, Beispiel A, ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kühlerplatte gezeigt, welcher Teile von plattenförmigen Metallabschnitten 2a sowie 2b zeigt, welche abschnittsweise über eine Doppeldichtnaht 12 miteinander verbunden sind. Die Schweißnähte sind hier sämtlich als Überlappnähte eingebracht, d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Kontaktebene 33 der beiden Metallabschnitte 2a, 2b.
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Nach 3, Beispiel A ist diese Doppeldichtnaht 12 durch zwei parallel zueinander verlaufende Schweißnähte realisiert.
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Beispiele B bis D zeigen verschiedene weitere Möglichkeiten für Doppeldichtnähte. Der Nahtverlauf erfolgt hierbei entlang derselben Strecke wie die Doppeldichtnaht 12 in Beispiel A, zur besseren Übersichtlichkeit sind in Beispielen B bis D jedoch nur die Schweißlinienverläufe ohne weitere Details der Kühlerplatte gezeigt.
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Beispiel B zeigt eine Doppeldichtnaht 13. Diese besteht aus mehreren ovalförmig geschlossenen Schweißlinien, wobei die Ovale sich linienförmig aneinander anschließen und bereichsweise überschneiden.
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Beispiel C zeigt eine Doppeldichtnaht 14, bei welcher rechteckförmige Kammern sich aneinander anschließen und somit die Doppeldichtnaht 14 bilden.
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Beispiel D zeigt zwei sich periodisch kreuzende Schlangenlinien, welche eine Doppeldichtnaht 15 bilden, welche ebenfalls einzelne kammerförmige Abschnitte der Naht voneinander trennt.
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Beispiel E zeigt eine durchgehende Schweißnaht 9, die in einem Zug erstellt werden kann, aber dennoch die Wirkung einer Doppelnaht erzielt. Sie entspricht einer Schreibschrift ohne Absetzen des Stiftes und wird als „Wobbelnaht“ bezeichnet. Eine ähnliche Naht 9 ist bereits in 2A gezeigt.
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Für sämtliche der Beispiele A bis E sei betont, dass bezüglich der einzelnen Schweißnaht hier sämtliche Optionen wie oben geschildert anwendbar sind.
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Darüber hinaus besteht der Vorteil von Doppeldichtnähten darin, dass die Flüssigkeitsdichtigkeit dieser Doppeldichtnaht gegenüber einfachen Nähten deutlich erhöht wird.
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Eine besonders hohe Dichtigkeit bieten die Kammersysteme nach Beispielen B bis E, da hierin selbst bei Leckage lediglich einzelne, voneinander getrennte Kammern betroffen sind.
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3F und 3G illustrieren, dass ein ösenförmiger Abschnitt 4a am Ende einer Naht, immer aus mindestens zwei zueinander benachbarten Nahtabschnitten besteht. Dabei kann je nach Bauraum eine bezüglich der Breite der eigentlichen, endenden Naht, symmetrische Aufteilung der beiden Nahtabschnitte (Beispiel F) oder eine unsymmetrische Aufteilung der beiden Nahtabschnitte (Beispiel G) erfolgen.
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Ein besonders vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Minimierung des Wärmeeintrags bei der Herstellung von Kühlerplatten, da insbesondere bei dünnen metallischen Platten ein Verziehen zu befürchten ist, welches unbedingt minimiert werden sollte. Sehr dünne Metallplatten sind bei Kühleranwendungen für den mobilen Bereich, bei dem das Gewicht eine hohe Rolle spielt, sehr wichtig.
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Diese Minimierung erfolgt erfindungsgemäß auf verschiedene Weise.
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Zum einen ist eine Laserstrahlschweißvorrichtung vorzusehen, wie sie im Kontext der 12 noch beispielhaft erläutert wird, welche unterbrochene Nähte zur Schweißverbindung, insbesondere zur Laserschweißverbindung, der beiden Platten dient, welche die Kühlerplatte aufbauen. Hier bietet sich insbesondere das „Scannerschweißen“ an. Hierbei wird, wie oben ausführlich beschrieben, mittels mindestens eines Spiegels der Laserstrahl umgelenkt, so dass praktisch ohne Zeitverlust räumliche Sprünge beim Laserschweißen möglich sind, d.h. es nicht notwendig ist, eine kontinuierliche Schweißnaht zu ziehen. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass abwechselnd unterschiedliche Bereiche der Platte geschweißt werden, um somit eine Homogenisierung des Wärmeeintrags räumlich und zeitlich zu erreichen, so dass die Platte während des Schweißvorgangs gleichmäßig und nicht zu stark erwärmt wird. Dies ist ein beträchtlicher Vorteil gegenüber einem von nur einer Stelle aus fortschreitenden Schweißen, was zu einem Verziehen der Kühlerplatte führen würde.
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Hierbei ist außerdem die Zuführung von Schutzgas auch auf den Außenseiten der späteren Kühlerplatte möglich, da hierdurch die Oxidation im Bereich der Schweißnähte minimiert wird und dadurch spätere Oxidablagerungen vermieden werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad einer späteren Kühlerplatte nochmals erhöht.
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Die unterbrochenen Schweißlinien können die verschiedensten Ausführungsformen haben, es können Aneinanderreihungen punktförmiger Verschweißungen sein oder auch gekrümmte oder gerade Schweißlinien bzw. abwechselnd Schweißlinien und Schweißpunkte. Hierbei ist es optimal, wenn der Abstand zwischen zwei Schweißelementen (d.h. Linien bzw. Punkten) zwischen 1 und 8 cm, vorzugsweise zwischen 2 und 6 cm beträgt. Vorzugsweise ist insbesondere der Abstand zwischen zwei Schweißelementen mindestens genau so groß, vorzugsweise mindestens 1,5 mal so groß, wie die Länge eines solchen Schweißelementes, bei unterschiedlich langen Schweißelementen des längeren davon. Die Mindestlänge von geschweißten Bereichen sollte hierbei stets so sein, dass auch bei einem hohen Flüssigkeitsdruck innerhalb der Kühlerplatte ein sicherer Zusammenhalt der beiden Platten gesichert ist, so dass kein „Aufblasen“ stattfindet.
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Hierzu werden vorzugsweise in der Laserstrahlschweißvorrichtung zwei Platten spaltfrei aneinander gelegt und dann miteinander verschweißt. Zusätzlich ist aber auch die mechanische Stabilität erhöht. Zudem ist auch eine bessere Anlage der somit „ebenen“ Kühlerplatten an den zu kühlenden Bauteilen möglich, Kontaktprobleme treten seltener auf. Außerdem ist festzustellen, dass durch gezielt ausgerichtete Verschweißungen im Bereich der Kühlmittelkanäle durch die Verschweißungen der Medienfluss kontrolliert werden kann. Das heißt, dass das innerhalb des Hohlraums der Kühlerplatte strömende Kühlmedium geregelt, um somit eine noch gleichmäßigere Wärmeverteilung zu erreichen und den Wirkungsgrad der Kühlerplatten zu erhöhen.
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4A zeigt einer Beispiel einer Kühlerplatte, bei der zwei Metallabschnitte 2a und 2b jeweils einen innenliegenden Hohlraum 3 einschließen, innerhalb dessen Verschweißungen im Bereich von Inseln 18 zur Fluidsteuerung bzw. zum Verhindern des „Aufblähens“ bei Betriebsdruck gegeben sind. Zur Montage weist die Kühlerplatte Bolzen 21 auf. Eine Lasche 30 dient dem Potentialausgleich. Öffnungen 19 ermöglichen die Zu- und Abführung von Fluid. Diese Fluidöffnungen 19 sind als Aufnahmeöffnungen 20 für separate Anschlussstutzen 22 ausgebildet, die im Randbereich der Kühlerplatte angefügt sind.
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4B zeigt einen Detailschnitt aus 4A. Hier ist der separate Anschlussstutzen 22 nochmals gut zu sehen, der in eine Aufnahmeöffnung 20 im Randbereich der beiden Metallabschnitte 2a und 2b eingefügt ist. Die Durchgangsöffnung des Stutzens dient somit als eigentliche Fluidöffnung 19.
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4C zeigt ein weiteres Beispiel einer Kühlerplatte, in der ein Bolzen 21 teilweise geschnitten ist. Zwischen den näherungsweise halbkreisförmig voneinander weg gewölbten Abschnitten 26a, 26b der Metallabschnitte 2a und 2b, die eine Aufnahmeöffnung 20 bilden, ist ein separater Anschlussstutzen 22 untergebracht. In der Flächenebene 33 links und rechts von dem separaten Metallstutzen ist hierbei ein Resthohlraum/Restspalt 31 zwischen den beiden Metallabschnitten 2a und 2b zu sehen, der beispielsweise mittels hier nicht dargestelltem Lot, insbesondere bei einem Laserverschweißen, insbesondere beim Einbringen der umlaufenden Schweißnaht 7 im Randbereich 27 verschlossen werden kann, was hier zur Verdeutlichung der Resthohlräume 31 nicht dargestellt ist. Auf eine alternative Möglichkeit zum Verschluss bzw. zur Vermeidung des Resthohlraums/Restspalts 31 wird im Zusammenhang mit 8A bis 8C weiter eingegangen. Die im Wesentlichen halbkreisförmig sich wölbenden Abschnitte 26a, 26 beginnen dabei unmittelbar an der Aussenkante 24a, 24b des jeweiligen Metallabschnitts 2a, 2b.
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4D illustriert in einer Detailaufsicht, wie die beiden Metallabschnitte 2a, 2b im Bereich einer Insel 18, d.h. eines lokal begrenzten Bereichs, in dem die beiden Metallabschnitte 2a und 2b aufeinander liegen, mittels einer ringförmig geschlossenen, hier im Wesentlichen ovalen, durchgängig verlaufenden Schweißnaht 16 miteinander verbunden sind. Auf die Darstellung der unten liegenden Platte wurde dabei verzichtet.
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5 zeigt wiederum ein Beispiel einer noch nicht gefügten Kühlerplatte 1, bei der eine Metallabschnitt 2a (5A) mit eingeprägten Kanälen versehen und ein Abschnitt 2b (5B) ohne Prägung/Verformung, d.h. nur eben, ausgebildet ist. In dem ebenen Metallabschnitt 2b sind Fluidöffnungen 19 vorgesehen, denen in dem geprägten Metallabschnitt 2a jeweils ein Bereich gegenüberliegt, in dem keine kleinteiligen Strukturen vorhanden sind, so dass sich in der gefügten Kühlerplatte 1 in den den Fluidöffnungen 19 benachbarten Bereichen des Hohlraums 3 größere „Seen“ ausbilden. Das Beispiel ist so ausgebildet, dass die eigentlichen Tunnel bzw. Kühlmittelkanäle parallel zueinander verlaufen und zwar so, dass sich ein insgesamt U-förmiger Verlauf ergibt, bei dem die Tunnel im Bereich der Kehre der U-Form vereinigt sind.
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Die 6A bis 6C zeigen eine zusammengebaute Version, bei der die Metallabschnitte 2a und 2b miteinander verschweißt sind, beispielsweise auch durch eine Randverschweißung stirnseitig. Außerdem ist ein weiterer Metallabschnitt 2c auf den Abschnitt 2b aufgeschweißt. Auf dieses Formblech 2c sind dann noch einmal separate Anschlussstutzen 22 aufgebracht. Sämtliche der oben genannten Fügungen erfolgen hierbei mittels Laserschweißens.
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Die 7A bis 7D zeigen Beispiele auf Metallabschnitte 2a bzw. 2b aufgeschweißter Anschlussstutzen 22. Hierbei ist in 7A ein Anschlussstutzen 22 mittels einer Doppelnaht 12 konzentrisch um die Öffnung 19 des Anschlussstutzens und um die Öffnung des Metallabschnitts 2a auf den Metallabschnitt 2a geschweißt. Anstelle einer Doppelnaht 12 wäre ebenso eine einfache Naht, d.h. nur 12a möglich, so dass hier die äußere Naht 12b nicht massiv dargestellt ist. Zur Vereinfachung der Positionierung des Anschlussstutzens 22 in der Öffnung des Metallabschnitts 2a weist der Anschlussstutzen mindestens einen Fortsatz 22a auf. Dieser kann wie dargestellt umlaufend ausgebildet sein, kann aber auch nur aus einzelnen Abschnitten bestehen.
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7B unterscheidet sich von 7A dadurch, dass die Schweißnaht als Einfachnaht 16 ausgebildet ist und von der Unterseite, d.h. der in der fertigen Kühlerplatte 1 dem Metallabschnitt 2b näherliegenden Seite des Metallabschnitts 2a eingebracht ist, während die Schweißnähte der 7A von der anderen Oberfläche her eingebracht sind.
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In 7C ist der Anschlussstutzen nach unten hin deutlich verlängert, so dass eine Anschweissung an den gegenüberliegenden Metallabschnitt 2b möglich wird. Der Anschlussstutzen 22 ist also sowohl mit dem Metallabschnitt 2a als auch mit dem Metallabschnitt 2b jeweils über kontinuierliche Einfachnähte 16', 16 verschweißt. Ausnehmungen 19a im unteren Bereich des Anschlussstutzens 22 ermöglichen die Zu- oder Ableitung von Fluid aus dem Hohlraum 3 mittels des Anschlussstutzens 22.
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7D unterscheidet sich von 7C dadurch, dass der Stutzen von der Unterseite, d.h. der in der fertigen Kühlerplatte dem Metallabschnitt 2b näherliegenden Oberfläche des Metallabschnitts 2a, her an den Metallabschnitt 2a angeschweißt ist. 7C zeigt dabei einen halbfertigen Zustand, ein zweiter Metallabschnitt 2b kann anschließend wie in 7D aufgeschweißt werden. Das Anschweißen des Anschlussstutzens 22 an den Metallabschnitt 2a ist bei der vorliegenden Konfiguration aber nur solange möglich, wie der zweite Metallabschnitt noch nicht aufgelegt ist. Gegenüber den vorhergehenden Anbindungsmöglichkeiten für Anschlussstutzen 22 der Figurengruppe 7 bietet die Ausführungsform der 7D den Vorteil, dass der Innendruck den Stutzen gegen den Metallabschnitt 2a drückt und damit die Befestigung unterstützt.
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8A zeigt einen schematischen Ausschnitt eines Bereichs um eine Aufnahmeöffnung 20 aus 4C herum. Die Aufnahmeöffnung 20 wird durch zwei voneinander weg gewölbte Abschnitte 26a, 26b der Randbereiche 27a, 27b der Metallabschnitte 2a und 2b aufgespannt. 35 deutet die späteren Berührbereiche zwischen der Aufnahmeöffnung 20 und einem in ihr aufgenommenen Anschlussstutzen an. Mit Pfeilen 31 gekennzeichnet ist hierbei beidseitig ein von der idealen Kreisform abweichender Bereich an der Grenzfläche der Metallabschnitte 2a und 2b. Dieser Bereich lässt, wird er im gezeigten Zustand belassen, zum Anschlussstutzen 22 - hier nicht gezeigt - beidseitig jeweils einen Hohlraum frei, den es zur Sicherstellung bestmöglicher Dichtigkeit im Bereich der Aufnahmeöffnung 20 zu vermeiden gilt.
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8B stellt eine Variante zu 8A dar, bei der der oben genannte Resthohlraum/Restspalt 31 auf ein Minimum reduziert ist, so dass der von der idealen Kreisform abweichende Bereich 31' verschwindend gering oder sogar Null ist. Dies wurde dadurch erreicht, dass die Übergangsbereiche der gewölbten Abschnitte 26a, 26b zu den horizontal verlaufenden Abschnitten 25a, 25b der Metallabschnitte 2a, 2b in einem mechanischen Umformprozess nachverformt wurden, so dass die „Ecken“ in Richtung der Mitte des virtuellen Kreises verschoben wurden. Die beiden Metallabschnitte 2a, 2b sind hier im aufeinander gelegten Zustand dargestellt, um die Reduktion des Resthohlraum/Restspalt von 31 auf 31' zu illustrieren. Die mechanische Umformung erfolgt vorzugsweise für jeden der Metallabschnitte 2a, 2b im vom anderen Metallabschnitt 2b, 2a gesonderten Zustand. Die mechanische Umformung kann dabei, wie gezeigt, über die gesamte axiale Länge der Aufnahmeöffnung 19 erfolgen. Es ist aber grundsätzlich ausreichend, wenn die Umformung nur in einem Abschnitt der axialen Erstreckung der Aufnahmeöffnung 19 erfolgt. 8B ist dabei so zu verstehen, dass die Aufnahmeöffnung 19 so groß sein muss, dass ausreichend Spiel für das Einschieben eines Anschlussstutzens vorhanden ist. Die benötigte Dichtigkeit wird üblicherweise beim Verschweißen des Anschlussstutzens mit den beiden Metallabschnitten 2a, 2b hergestellt.
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8C illustriert, dass in einem Metallabschnitt 2a im Bereich einer Wölbung 26a eine die Wölbung vollständig umlaufende Prägung vorhanden sein kann, die sicherstellt, dass dieser Bereich im Querschnitt halbkreisförmig bzw. nach Aufeinanderbringen der beiden Metallabschnitte eine vollständige Kreisform aufweist. Wie aus 8C ersichtlich, muss die umlaufende Prägung sich nicht über den kompletten axialen Verlauf der Aufnahmeöffnung 20 erstrecken, vielmehr ist es ausreichend, wenn sie sich in axialer Richtung nur abschnittsweise erstreckt. Wie schon zuvor genannt, soll die Aufnahmeöffnung 20 an ihrem engsten Querschnitt noch ausreichend Spiel zum Einführen eines Anschlussstutzens aufweisen, die Dichtigkeit wird auch hier vorzugsweise über das Festschweißen des Anschlussstutzens erzielt.
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9A und 9B illustrieren in Draufsichten auf den Randbereich 27a eines Metallabschnitts 2a, dass eine Wölbung 26a zur Ausbildung einer Aufnahmeöffnung 20 nicht nur in unmittelbarer Fortsetzung der Aussenkante 24a, wie in 4C dargestellt, eingeformt sein kann. Vielmehr ist es auch möglich, die Aussenkante 24a beidseitig zu einer solchen Wölbung 26a zu unterbrechen bzw. nach Innen zu ziehen, wie in 9A verdeutlich ist. Hierdurch ergeben sich zusätzlich zur sonstigen Aussenkante 24a beidseitig zur Aufnahmeöffnung 20 zurückgezogene Aussenkantenabschnitte 24a' sowie ein gegenüber diesen vorspringenden Aussenkantenabschnitt 24a*, der hier einer Fortsetzung der Aussenkante 24a entspricht, gegenüber dieser aber sowohl etwas zurück- als auch etwas vorspringen könnte. Die Unterbrechungen 34, 34' können dabei als einfache, an ihren Kanten abgerundete Rechtecke realisiert werden. Vorteilhafterweise sind sie jedoch so gestaltet, dass sie ihre geringste Breite in den Bereichen aufweisen, in denen die Wölbung 26a am deutlichsten ausgeformt ist, im vorliegenden Beispiel im Bereich unmittelbar benachbart zur virtuell fortlaufenden Aussenkante 24a bzw. der Aussenkante 24a* der Aufnahmeöffnung 20. Hierdurch steht besonders viel Material für die Ausbildung der Wölbung 26a zur Verfügung. Aus 9A wird ebenfalls deutlich, dass zum Inneren der Kühlplatte hin die Aufnahmeöffnung bzw. Wölbung hinsichtlich ihrer Breite abnimmt. Vorteilhafterweise nimmt aber nicht nur die Breite ab, sondern der Radius, so dass ein trichterförmiger Übergang, der hier als 26' bezeichnet ist, zum eigentlichen Hohlraum 3 gebildet wird.
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Alternativ zur Ausbildung von Aussparungen 34, 34 im Metallabschnitt 2a benachbart zur Aufnahmeöffnung 20, ist es auch möglich, die Aufnahmeöffnung 20 so auszubilden, dass sie über die übrige Aussenkante 24a übersteht, so dass sie ihre eigene überstehende Aussenkante 24a* aufweist, wie dies in 9B dargestellt ist. Die übrige Ausführung der Wölbung 26a entspricht der der 9A.
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10A zeigt nochmals ein schematisches Beispiel eines Querschnitts der Metallabschnitte 2a und 2b. Hierbei ist ein mit dem Metallabschnitt 2a integraler Anschlussstutzen 22' gezeigt, der eine Fluidöffnung 19 zum Hohlraum 3 freigibt.
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10B zeigt eine Ausführungsform, bei der ein separater Anschlussstutzen 22 vorgesehen ist, der in einen vorgefertigten Napf 23 des Metallabschnitts 2a eingebracht und mit diesem verschweißt ist. Die Überlappnaht 40 ist dabei relativ zur Achsrichtung des Anschlussstutzens 22 schräg eingebracht, da so benachbarte Elemente den Laserstrahl nicht behindern. Der vorgefertigte Napf 23 bildet hier eine Aufnahmeöffnung 20 aus, anders als in vielen vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die Aufnahmeöffnung 20 hier aber aus einem einzigen Metallabschnitt 2a ausgeformt. Zur Ausbildung der Aufnahmeöffnung wird zunächst eine Durchgangsöffnung eingebracht und anschließend der die Durchgangsöffnung umgebende Bereich umgeformt.
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10C zeigt eine besonders einfache Ausführungsform einer Kühlerplatte mit separatem, festgeschweißtem Anschlussstutzen 22. Der Metallabschnitt 2a weist eine zylinderförmige Aufnahmeöffnung 20 auf, in die der Anschlussstutzen 22 eingesteckt ist. Die Befestigung und Abdichtung erfolgt über eine umlaufende, senkrecht zur Achsrichtung des Anschlussstutzens 22 verlaufende Schweißnaht 41, die wiederum als Überlappnaht ausgeführt ist.
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11 zeigt schematisch ein strömungsbeeinflussendes Bauteil, beispielsweise ein gewelltes Bauteil innerhalb eines Hohlraums 3 zwischen einem Metallabschnitt 2a und einem Metallabschnitt 2b. Hierbei erfolgt die Fixierung des Bauteils 39 innerhalb des Hohlraums von außen (beidseitig) durch Laserschweißen, so dass jeweils Abschnitte des Bauteils 39 sich entweder an Abschnitte des Metallabschnitts 2a oder des Metallabschnitts 2b anfügen.
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12 stellt eine Spannvorrichtung 50 zum Verschweißen zweier Metallabschnitte 2a, 2b dar. Die Spannvorrichtung umfasst im gezeigten Ausschnitt eine untere Führungsplatte 52, eine seitliche Führungsplatte 53, eine obere Führungsplatte 54 , aus der ein freies Ende eines Stiftes 55 der unteren Führungsplatte herausragt, sowie mehrere Spanner 51. Im gezeigten Ausschnitt sind mehrere Strahlungsfreimachungen 56 in der oberen Führungsplatte 52 erkennbar. Ähnliche Freimachungen sind an anderer Stelle zur Vermeidung des Festschweißens in der unteren Führungsplatte vorhanden, aber hier nicht sichtbar.
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Weitere Details zu der erfindungsgemäßen Lehre sind in den Patentansprüchen enthalten. Es sei darauf hingewiesen, dass die Produkte der Herstellungsverfahrensansprüche selbstverständlich mit den genannten Merkmalen auch als Produkte nochmals einzeln und explizit beanspruchbar sind. Des Weiteren sind sämtliche Ansprüche, sofern noch nicht explizit durch Anspruchsverweisungen gezeigt, miteinander kombinierbar.
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Zusätzlich sind aber auch noch die folgenden Aspekte mit diesen Ansprüchen bzw. beliebigen Teilen der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung verbindbar, beispielsweise mit einem der folgenden Aspekte, wobei diese auch untereinander beliebig kombinierbar sind:
- 1. Verfahren zur Herstellung einer Kühlerplatte für Elektrobatterien, wobei zwei im Wesentlichen flache Metallabschnitte durch Laserstrahlschweißen (mit oder ohne zusätzliches Lot) verbunden werden, wobei die im Wesentlichen flachen plattenförmigen Metallabschnitte während der Laserverschweißung abschnittsweise spaltfrei aufeinander angeordnet werden und zur Verringerung des Wärmeeintrags beim Schweißen die Schweißnähte im Bereich von Verbindungsstellen eines flüssigkeitsdichten Hohlraums zwischen den Metallabschnitten als hintereinander angeordnete, aber voneinander beabstandete linienförmige Abschnitte ausgeführt werden, wobei vorzugsweise
- 2. Metallabschnitte mit einer Stärke von 0,2 bis 1,5 mm verwendet werden (auch unterschiedlich dicke Metallabschnitte sind miteinander fügbar, diese können auch aus unterschiedlichen Legierungen bestehen), wobei
- 3. beispielsweise genau zwei flache plattenförmige Metallabschnitte während der Laserverschweißung abschnittsweise spaltfrei aufeinander angeordnet und zur Verringerung des Wärmeeintrags beim Schweißen die Schweißnähte als hintereinander angeordnete, aber voneinander beabstandete linienförmige Abschnitte ausgeführt werden und/oder wobei
- 4. der horizontale Abstand zwischen zwei linienförmigen Elementen einer unterbrochenen Schweißnaht zwischen 1 und 8 cm, vorzugsweise zwischen 2 und 6 cm beträgt, wobei
- 5. beispielsweise abwechselnd unterschiedliche Bereiche der zu fügenden Metallabschnitte geschweißt werden, um so mit einer Homogenisierung des Wärmeeintrags räumlich und zeitlich zu erreichen wobei
- 6. beispielsweise ein linienförmiger Abschnitt der Schweißnähte gekrümmt ist und/oder
- 7. eine kreisförmige Zusatzbewegung des Laserstrahls während der Linearbewegung erfolgt.
