DE102017204194B4 - Energiespeicher mit Kühlvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher - Google Patents
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Abstract
Energiespeicher mit Kühlvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mitmehreren elektrischen Energiespeichermodulen (1), die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind und die in benachbarten Reihen angeordnet sind;mehreren separaten Kühlelementen (9), die jeweils an zumindest eine Fläche eines zugeordneten Energiespeichermoduls (1) anliegen, zur Aufnahme von Wärme von den Energiespeichermodulen (1), die von Kühl- oder Kältemittel durchströmbar sind und jeweils einen Zu- und Ablauf aufweisen;einem Kühlmittelkanal (3), der zwischen den benachbarten Reihen an Energiespeichermodulen (1) angeordnet ist,wobei der Zu- und Ablauf der Kühlelemente (9) jeweils über eine Kühlmittelleitung (12) mit dem Kühlmittelkanal (3) verbunden ist, undwobei der Kühlmittelkanal (3) im Querschnitt einen Vorlauf (4) und einen Rücklauf (5) aufweist, die an einen Hohlraum (6) grenzen, der zwischen dem Vorlauf (4) und dem Rücklauf (5) ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher mit Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher.
- Zur Sicherung der Reichweite, Lebensdauer und abrufbaren Leistung von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist ein definiertes Thermomanagement der Batterien/Batteriezellen/Batteriezellmodule erforderlich. Dafür kommen aktive und passive Kühlsysteme zum Einsatz.
- Aus der
DE 10 2015 215 253 A1 ist beispielsweise ein Energiespeicher mit einer Kühlvorrichtung bekannt, in der mehrere Kühlmodule, die jeweiligen Energiespeichermodulen zugeordnet sind, von einem gemeinsamen Kühlmittelkanal abzweigen. Der Kühlmittelkanal kann im Querschnitt einen Vor- und einen Rücklauf ausbilden. Aus derDE 10 2015 106 948 A1 ist eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, mit einem von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal bekannt, der einen Vorlauf- und Rücklaufkanal aufweist. Aus derDE 10 2015 113 622 A1 ist eine Traktionsbatterie bekannt, die eine Thermoplatte aufweist, welche zwischen Zellstapeln angeordnet ist. Ein Innenraum der Thermoplatte wird aus mehreren, durchströmbaren Kammern gebildet, die sich entlang der Zellstapel erstrecken. - Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Energiespeicher bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Energiespeicher mit Kühlvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitgestellt, mit mehreren elektrischen Energiespeichermodulen, die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind und die in benachbarten Reihen angeordnet sind; mehreren separaten Kühlelementen, die jeweils an zumindest eine Fläche eines zugeordneten Energiespeichermoduls anliegen, zur Aufnahme von Wärme von den Energiespeichermodulen, die von Kühl- oder Kältemittel durchströmbar sind und jeweils einen Zu- und Ablauf aufweisen; einem Kühlmittelkanal, der zwischen den benachbarten Reihen an Energiespeichermodulen angeordnet ist, wobei der Zu- und Ablauf der Kühlelemente jeweils über eine Kühlmittelleitung mit dem Kühlmittelkanal verbunden ist, und wobei der Kühlmittelkanal im Querschnitt einen Vorlauf und einen Rücklauf aufweist, die an einen Hohlraum grenzen, der zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf ausgebildet ist. Durch den dazwischen liegenden Hohlraum wird eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem kalten Vorlauf und dem warmen/heißen Rücklauf verringert, dadurch kann eine bessere Kühlwirkung der Energiespeichermodule erreicht werden.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Vorlauf durch eine mit Öffnungen versehene Strukturwand unterteilt und der Rücklauf durch eine mit Öffnungen versehene weitere Strukturwand unterteilt, welche sich jeweils entlang einer Längsrichtung des Kühlmittelkanals erstreckt. Das druckbeaufschlagte Kühl- oder Kältemittel übt einen Druck auf die Innenwände des Kühlmittelkanals aus. Die Trennwand erhöht dabei eine Stabilität des Kühlmittelkanals.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kühlmittelleitungen flexibel. Dabei erleichtern flexible Kühlmittelleitungen, einen Ein- und Ausbau der Energiespeichermodule und der Kühlelemente. Die Ein- und Ausbaubewegung der Energiespeichermodule und der Kühlelemente ist damit entkoppelt von dem Anschluss der Kühlmittelleitungen am Kühlmittelkanal.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kühlmittelleitungen mittels werkzeugfrei anbringbaren und einrastenden Steckern an dem Kühlmittelkanal befestigbar. Dies erhöht die Serientauglichkeit des Energiespeichers, da die Energiespeichermodule und die Kühlelemente sehr schnell und einfach montierbar sind.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Energiespeicher derart ausgebildet, dass die Zu- und Abläufe als Kühlelement-Stutzen von den Kühlelementen in einer bestimmten Richtung abstehen und die Kühlmittelleitung zur Verbindung mit dem Kühlmittelkanal mit einem Kühlkanal-Stutzen verbindbar ist, wobei der Kühlkanal-Stutzen im Wesentlichen in der gleichen Richtung vom Kühlkanal absteht wie der Kühlplatten-Stutzen von der Kühlplatte absteht. Dadurch, dass die Stutzen gleich oder im Wesentlichen gleich ausgerichtet sind, können die Energiespeichermodule und/oder die Kühlelemente in ihre montierte Position abgesenkt oder aus ihrer montierten Position angehoben werden, während die Kühlmittelleitungen mit dem Kühlmittelkanal verbunden sind und die Kühlmittelleitung dieser Bewegung folgt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Kühlmittelkanal einen rechteckigen Querschnitt auf. Ein solcher rechteckiger Querschnitt hat sich als günstiges Verhältnis von gutem Fluidströmungsverhalten und wenig Platzbedarf herausgestellt. Insbesondere zeigt sich dies bei einem Höhe-Breite-Verhältnis von 4:1.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kühlmittelleitung zumindest abschnittsweise ein Schlauch, ein Kunststoffrohr und/oder ein Wellrohr.
- Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Energiespeicher bereit.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
-
1 ist eine dreidimensionale Darstellung von Energiespeichermodulen des erfindungsgemäßen Energiespeichers mit einem zwischen diesen verlaufenden Kühlmittelkanal, und -
2 ist eine schematische Darstellung der Anbindung der Kühlelemente an den Kühlmittelkanal. - Der erfindungsgemäße Energiespeicher ist ein Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie und wird vorzugsweise als Traktionsenergiespeicher für die Bereitstellung von Antriebsenergie eines rein elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs verwendet. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Personenkraftwagen, kann aber auch ein anderes Kraftfahrzeug sein.
- Der Energiespeicher weist mehrere Energiespeichermodule
1 auf, die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind. Jedes dieser Energiespeichermodule1 weist eine Vielzahl von Speicherzellen2 auf, die direkt aneinander gereiht sind und elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind (nur einige sind mit einem Bezugszeichen versehen). Vorzugsweise hat der Energiespeicher eine Ausgangsspannung von mehr als 45 Volt, kann aber auch mehr als 250 Volt haben. - Die Energiespeichermodule
1 sind in dem Energiespeicher derart angeordnet, dass die Energiespeichermodule1 in Reihen angeordnet bzw. in Reihen gruppiert sind. Vorzugsweise ist dabei eine Längsrichtung eines Energiespeichermoduls1 senkrecht zur Längsrichtung bzw. Stapelrichtung einer Reihe. Innerhalb einer Reihe sind die Energiespeichermodule1 direkt aneinander gereiht. - Zwischen benachbarten Reihen an Energiespeichermodulen
1 ist ein Kühlmittelkanal3 vorgesehen, der einen Leitungsabschnitt eines Kühl- oder Kältekreislaufs bildet, in dem ein Kühl- oder Kältemittel zirkuliert. Vorzugsweise weist der Energiespeicher zwei Reihen an Energiespeichermodulen1 auf, zwischen denen ein Kühlmittelkanal3 angeordnet ist. Es können aber auch mehr als zwei Reihen vorhanden sein. Beispielsweise können die Energiespeichermodule1 in drei Reihen angeordnet sein, so dass insgesamt zwei Kühlmittelkanäle3 vorgesehen sind, nämlich je einer zwischen den benachbarten Reihen. Der Kühlmittelkanal3 ist ein einstückig ausgebildeter, unterteilter Kanal. Vorzugsweise ist der Kühlmittelkanal3 geradlinig und hat im Querschnitt eine rechteckige Außenkontur. Der Kühlmittelkanal3 weist einen Vorlauf4 und einen Rücklauf5 auf. Sowohl der Vorlauf4 als auch der Rücklauf5 grenzen an einen Hohlraum6 und sind jeweils von diesem durch durchgängig geschlossene Trennwände7 fluiddicht getrennt. Vorzugsweise ist der Kühlmittelkanal3 in zumindest drei Kammern unterteilt, welche sich entlang der Längsrichtung des Kühlmittelkanals3 erstrecken. Die Trennwände7 , welche die zumindest drei Kammern ausbilden sind vorzugsweise eben. Eine Ebene, welche mittig zwischen den benachbarten Reihen verläuft soll für Erklärungszwecke als Mittelebene bezeichnet werden. Die Trennwände7 , welche die zumindest drei Kammern ausbilden, sind vorzugsweise parallel zur Mittelebene und erstrecken sich über die gesamte Abmessung des Kühlmittelkanals3 parallel zu dieser Mittelebene, wie aus1 ersichtlich. Durch den Hohlraum6 wird der Vorlauf4 von dem Rücklauf5 über die gesamte Längsrichtung des Kühlmittelkanals3 und über die gesamte Abmessung parallel zur Mittelebene beabstandet, insbesondere mit konstantem Abstand. Im Betrieb befindet sich in dem Hohlraum6 vorzugsweise Luft, es ist aber auch denkbar für eine verbesserte thermische Isolation im Hohlraum6 ein Vakuum vorzusehen. Der Vorlauf4 und der Rücklauf5 können durch eine oder mehrere mit Öffnungen versehene Strukturwände8 unterteilt sein. Diese Strukturwände8 verlaufen entlang der Längsrichtung und senkrecht zur Mittelebene. Diese Strukturwände8 dienen der Verbesserung der Stabilität des Kühlmittelkanals3 . Der Kühlmittelkanal3 ist beispielsweise aus Aluminium, kann aber auch aus einem Kunststoff sein. Insbesondere wird der Kühlmittelkanal3 als Strangpressprofil ausgebildet. - Zur Kühlung jedes Energiespeichermoduls
1 sind Kühlelemente9 vorgesehen. Im dargestellten Fall sind die Kühlelemente9 als Kühlplatten ausgebildet, in ihrem hohlen Inneren die von Kühl- oder Kältemittel durchströmbar sind. Beispielsweise kann im Inneren der Kühlplatten9 ein mäanderförmiger Kanal für das Kühl- oder Kältemittel ausgebildet sein. Die Kühlelemente9 können aber ein von Kühl- oder Kältemittel durchströmbares Gitter oder parallel verlaufende Rohre/Flachrohre aufweisen. Vorzugsweise liegen die Kühlelemente9 jeweils an eine Seite der Energiespeichermodule1 , vorzugsweise die Unterseite bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug, an. Die Kühlelemente9 können aber auch an mehr als eine Seite der Energiespeichermodule1 anliegen. Vorzugsweise ist jedem Energiespeichermodul1 ein separates Kühlelement9 zugeordnet, es ist aber auch möglich, dass mehrere Energiespeichermodule1 einem Kühlelement9 zugeordnet sind. Die Kühlelemente9 haben jeweils zwei Kühlelement-Stutzen10 , die von dem Kühlelement9 hervorstehen und von denen einer einen Zulauf bildet, über welchen das Kühl- oder Kältemittel in das Innere des Kühlelements9 zuführbar ist, und der andere einen Ablauf bildet, über welchen das Kühl- oder Kältemittel aus dem Inneren des Kühlelements9 abführbar ist. Die Kühlelement-Stutzen10 sind auf das Kühlelement9 aufgelötet oder aufgeschweißt. Die Kühlelement-Stutzen10 stehen von dem Kühlelement9 in einer bestimmten Richtung ab. - An den Kühlmittelkanal
3 sind für jedes mit dem Kühlmittelkanal3 zu verbindenden Kühlelement9 zwei Kühlmittelkanal-Stutzen11 vorgesehen, die von dem Kühlmittelkanal3 vorzugsweise in der gleichen Richtung vom Kühlmittelkanal3 abstehen, wie die Kühlelement-Stutzen10 von dem Kühlelement9 abstehen. Diese Richtung ist vorzugsweise nach oben, bezogen auf die Einbaulage im Fahrzeug. Einer dieser zwei Kühlmittelkanal-Stutzen11 ist mit dem Vorlauf4 und der andere mit dem Rücklauf5 verbunden. - Kühlmittelleitungen
12 verbinden jeweils einen mit dem Vorlauf verbundenen Kühlmittelkanal-Stutzen11 mit einem als Zulauf fungierenden Kühlelement-Stutzen10 . Weitere Kühlmittelleitungen12 verbinden jeweils einen mit dem Rücklauf verbundenen Kühlmittelkanal-Stutzen11 mit einem als Ablauf fungierenden Kühlelement-Stutzen10 . Die Enden der Kühlmittelleitungen12 sind mit Steckern13 versehen, die werkzeugfrei und vorzugsweise einrastend mit den Kühlmittelkanal-Stutzen11 und den Kühlelement-Stutzen10 verbindbar sind. Die Kühlelement-Stutzen10 und/oder die Kühlmittelkanal-Stutzen11 können aber beispielsweise auch mit einem Gewinde versehen sein (vorzugsweise einem Außengewinde) auf welches ein mit Gewinde versehenes Anschlussende der Kühlmittelleitungen12 aufgeschraubt wird oder auf welches ein Doppelverbinder aufgeschraubt wird, der die Enden der Kühlmittelleitungen12 mit den Stutzen verbindet. Dazu können entsprechende Dichtungen, wie beispielsweise O-Ring-Dichtungen verwendet werden. - Der Vorlauf
4 des Kühlmittelkanals3 ist mit dem Rücklauf5 somit nicht direkt, sondern über die Kühlelement9 verbunden, d.h. das Kühl- oder Kältemittel strömt über den Vorlauf4 kommend in die Kühlelement9 und von dort in den Rücklauf5 . Die Längsenden des Kühlmittelkanals3 sind somit fluiddicht verschlossen, wobei zur Einbindung des Kühlmittelkanals3 in den Kühl- oder Kältekreislauf der Vorlauf4 mit einer Zuleitung und der Rücklauf5 mit einer Ableitung in den Kühl- oder Kältekreislauf versehen ist, die beispielsweise an einem der Längsenden einmünden. - Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
Claims (9)
- Energiespeicher mit Kühlvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mehreren elektrischen Energiespeichermodulen (1), die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind und die in benachbarten Reihen angeordnet sind; mehreren separaten Kühlelementen (9), die jeweils an zumindest eine Fläche eines zugeordneten Energiespeichermoduls (1) anliegen, zur Aufnahme von Wärme von den Energiespeichermodulen (1), die von Kühl- oder Kältemittel durchströmbar sind und jeweils einen Zu- und Ablauf aufweisen; einem Kühlmittelkanal (3), der zwischen den benachbarten Reihen an Energiespeichermodulen (1) angeordnet ist, wobei der Zu- und Ablauf der Kühlelemente (9) jeweils über eine Kühlmittelleitung (12) mit dem Kühlmittelkanal (3) verbunden ist, und wobei der Kühlmittelkanal (3) im Querschnitt einen Vorlauf (4) und einen Rücklauf (5) aufweist, die an einen Hohlraum (6) grenzen, der zwischen dem Vorlauf (4) und dem Rücklauf (5) ausgebildet ist.
- Energiespeicher gemäß
Anspruch 1 , wobei der Vorlauf (4) durch eine mit Öffnungen versehene Strukturwand (8) unterteilt ist und der Rücklauf (5) durch eine mit Öffnungen versehene weitere Strukturwand (8) unterteilt ist, welche sich jeweils entlang einer Längsrichtung des Kühlmittelkanals (3) erstreckt. - Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelleitungen (12) flexibel sind.
- Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelleitungen (12) mittels werkzeugfrei anbringbaren und einrastenden Steckern (13) an dem Kühlmittelkanal (3) befestigbar sind.
- Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zu- und Abläufe als Kühlelement-Stutzen (10) von den Kühlelementen (9) in einer bestimmten Richtung abstehen und die Kühlmittelleitung (12) zur Verbindung mit dem Kühlmittelkanal (3) mit einem Kühlkanal-Stutzen (11) verbindbar ist, wobei der Kühlkanal-Stutzen (11) im Wesentlichen in der gleichen Richtung vom Kühlkanal (3) absteht wie der Kühlplatten-Stutzen (10) von der Kühlplatte (9) absteht.
- Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlmittelkanal (3) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
- Energiespeicher gemäß
Anspruch 6 , wobei der rechteckige Querschnitt ein Höhe-Breite-Verhältnis von 4:1 hat. - Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelleitung (12) zumindest abschnittsweise ein Schlauch, ein Kunststoffrohr und/oder ein Wellrohr ist.
- Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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