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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens ein Batteriemodul und eine Wärmetransporteinrichtung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem umfassend mindestens ein Batteriemodul und eine Wärmetransporteinrichtung.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Hybridelektrofahrzeuge oder Elektrofahrzeuge, umfassen als Energiespeicher elektrochemische Energiespeicher in Form von Akkumulatoren oder Batterien. Insbesondere bei Hybridelektrofahrzeugen oder Elektrofahrzeugen sind gegenüber Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ohne zusätzlichen Elektroantrieb aufgrund des erhöhten Bedarfs an elektrischer Energie eine Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern, insbesondere an Batterien, erforderlich. Aufgrund der eingesetzten Materialien sind Batterien oder Batteriemodule vergleichsweise schwere Bauteile und sind zur Ermöglichung eines tiefen Massenschwerpunkts in der Regel möglichst weit unten im Kraftfahrzeug, insbesondere im Unterboden des Kraftfahrzeuges, angeordnet. Im Betrieb, insbesondere unter erhöhter Last oder Volllast, erwärmen sich die Batterien beziehungsweise die Batteriemodule oft stark. Diese Wärme muss zum Schutz der Batterien sowie des Fahrzeugs abgeführt werden.
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Aus der
FR 2 988 824 A3 ist ein Kühlsystem für Batterien von Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen bekannt, wobei Wärmerohre im thermischen Kontakt mit den Batterien stehen und wobei ein Element mit Rippen zur Wärmeableitung an die Umgebungsluft an den Wärmerohren angeordnet ist.
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Die
US 2011/0059346 A1 offenbart ein Kühlsystem und ein Batteriekühlsystem umfassend ein Wärmerohr zur Kontaktierung eines erwärmten Bauteils und zur Aufnahme von Wärme von dem erwärmten Bauteil und eine erste Wärmetauschereinheit umfassend ein Kältemittel, welches durch die Aufnahme der Wärme von dem wärmeabgebenden Bauteil erwärmt wird.
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Elektrochemische Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Batterien oder Batteriemodule, können bei einem Unfall beschädigt werden, wodurch unter Umständen giftige oder für die Umwelt bedenkliche Stoffe aus den elektrochemischen Energiespeichern austreten können. Ferner muss der Schwerpunkt, um eine gute Fahrstabilität des Kraftfahrzeuges zu gewährleisten, möglichst tief angeordnet werden. Hierfür werden die Batterien oder die Batteriemodule möglichst weit unten, insbesondere am oder im Unterboden des Kraftfahrzeuges, angeordnet. Aufgrund dieser tiefen Anordnung ist ein effektives Kühlsystem mit geringer Bauhöhe nur schwer zu realisieren. Darüber hinaus verringern Kühlsysteme den für die Batterien oder Batteriemodule verfügbaren Bauraum im Kraftfahrzeug.
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Es besteht somit der Bedarf an einer effektiven Kühlung eines Batteriesystems eines Kraftfahrzeuges, welches eine erhöhte Aufprallsicherheit bei gleichzeitiger Maximierung des für die Batterien oder für die Batteriemodule zur Verfügung stehenden Bauraumes bereitstellt.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens ein Batteriemodul und eine Wärmetransporteinrichtung bereitzustellen, welches eine effiziente Kühlung der Batterien oder der Batteriemodule auf geringem Raum, insbesondere unter Einhaltung einer geringen Bauhöhe in vertikaler z-Richtung, gewährleistet, und welches darüber hinaus einen verbesserten Aufprallschutz und eine Maximierung des für die Batterien oder Batteriemodule zur Verfügung stehenden Bauraum bereitstellt.
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Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, umfassend mindestens ein Batteriemodul und eine Wärmetransporteinrichtung, wobei die Wärmetransporteinrichtung Wärmerohre und mindestens einen Wärmetauscher aufweist, wobei jedes Wärmerohr einen Verdampferabschnitt und einen ersten Kondensatorabschnitt umfasst, wobei der Wärmetauscher in thermischen Kontakt mit mindestens einem Kondensatorabschnitt angeordnet ist, wobei mindestens ein Verdampferabschnitt in thermischen Kontakt mit dem mindestens einem Batteriemodul angeordnet ist, und wobei das Batteriesystem ein Deformationselement umfasst, wobei der Wärmetauscher zumindest teilweise in das Deformationselement integriert ist.
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Das Batteriesystem kann auch als elektrochemisches Energiespeichersystem oder als Batteriemodulsystem bezeichnet werden. Mindestens ein Verdampferabschnitt steht im thermischen Kontakt mit dem mindestens einen Batteriemodul. Der thermische Kontakt kann durch eine direkte Kontaktierung von Batteriemodul und Verdampferabschnitt hergestellt werden. Jedoch ist es auch möglich, dass Zwischenelemente zwischen dem Batteriemodul und dem Verdampferabschnitt angeordnet sind, solange sichergestellt ist, dass Wärme von dem Batteriemodul zum Verdampferabschnitt oder umgekehrt übertragen werden kann. Insbesondere wird die Übertragung von Wärme durch die Umgebungsluft nicht als thermischer Kontakt verstanden.
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Ein Batteriemodul kann dabei eine oder mehrere Batterien oder Akkumulatoren oder elektrochemische Energiespeicher aufweisen. Bei der Kühlung eines Batteriemodules wird Wärme, also thermische Energie, von dem Batteriemodul auf den Verdampferabschnitt des entsprechenden Wärmerohres übertragen. In dem Verdampferabschnitt evaporiert oder verdampft ein Wärmeträger, vorzugsweise ein Kältemittel. Das Kältemittel strömt schwerkraftgetrieben oder nach dem Dochtprinzip durch eine Kapillarstruktur zu einem Kondensatorabschnitt des Wärmerohrs, in welchem der Wärmeträger wieder kondensiert. Die von dem Batteriemodul aufgenommene latente Wärme wird von dem Wärmeträger durch dessen Kondensation an den Kondensatorabschnitt abgegeben. Zur Abfuhr der am Kondensatorabschnitt abgegebenen Wärme ist ein Wärmetauscher vorgesehen.
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Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, in ein Deformationselement des Batteriesystems integriert. Durch die zumindest teilweise, bevorzugt vollständige, Integration des Wärmetauschers in das Deformationselement wird der für das Batteriemodul oder für die Batterien des Batteriemoduls zur Verfügung stehende Bauraum vergrößert. Gleichzeitig wird die Betriebssicherheit erhöht, da die mechanische Aufprallenergie im Falle eines Aufpralls von dem Deformationselement durch Deformation aufgenommen werden kann. Hierdurch wird das mindestens eine Batteriemodul gegenüber Beschädigungen geschützt. Durch die Integration des Wärmetauschers in das Deformationselement wird zudem eine besonders gute Wärmeabfuhr gewährleistet. Dies gestattet ein effektives Kühlsystem mit einer geringen Bauhöhe, insbesondere in vertikaler z-Richtung. Die Bauhöhe kann dabei weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 8 mm, insbesondere bevorzugt weniger als 5 mm betragen. Darüber hinaus kann vorteilhafterweise durch die Verwendung von Wärmerohren eine extrem homogene Temperaturverteilung sichergestellt werden.
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Ein Wärmerohr wird auch als „Heatpipe“ bezeichnet.
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Bevorzugt steht der Wärmetauscher mit allen ersten Kondensatorabschnitten im thermischen Kontakt. Weiter bevorzugt stehen alle Verdampferabschnitte im thermischen Kontakt mit dem mindestens einen Batteriemodul. Insbesondere bevorzugt ist eine Vielzahl von Batteriemodulen vorgesehen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Deformationselement ein Aufprallschutzelement, insbesondere ein Seitenaufprallschutzelement, ist.
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Vorteilhafterweise sind Aufprallschutzelemente, insbesondere von Kraftfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder Hybridelektrofahrzeugen, zur Aufnahme von Aufprallenergie ausgelegt. Durch die Integration des Wärmetauschers in ein Aufprallschutzelement oder in ein Seitenaufprallschutzelement werden die Batterien oder Batteriemodule besonders effektiv gegenüber Beschädigungen geschützt.
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Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher einen Wärmeträger, insbesondere ein Kältemittel oder ein Kühlmittel, bevorzugt eine Kühlflüssigkeit, umfasst.
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Der Wärmetauscher ist dazu vorgesehen, am Kondensatorabschnitt des entsprechenden Wärmerohres oder der Wärmerohre abgegebene latente Wärme abzuführen. Hierfür kann ein Wärmeträger vorgesehen sein. Ein Kältemittel nimmt unter Verdampfung die von einem Kondensatorabschnitt abgegebene Wärme auf. Das gasförmige Kältemittel wird dann zu einem Kondensatorbereich des Wärmetauschers geleitet, an dem das Kältemittel wieder verflüssigt wird und die gespeicherte Wärme wieder abgibt.
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Ein Kühlmittel, bevorzugt eine Kühlflüssigkeit, verbleibt im flüssigen Aggregatszustand, nimmt unter Erhitzung Wärme auf, welche durch Abführen des Kühlmittels beziehungsweise der Kühlflüssigkeit abgeleitet werden kann.
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Die Wärmetransporteinrichtung dient bevorzugt der Kühlung beziehungsweise der Wärmeableitung der von den Batterien oder den Batteriemodulen im Betrieb erzeugten Wärme. Jedoch ist es prinzipiell auch möglich, die Wärmetransporteinrichtung zur Erwärmung der Batterien oder der Batteriemodule zu nutzen. Ein Erwärmen oder Heizen der Batteriemodule ist besonders vorteilhaft bei kühlen Außentemperaturen, insbesondere im Winter, oder während des Fahrtbeginnes, um die Batteriemodule auf eine geeignete Betriebstemperatur zu bringen.
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Besonders bevorzugt ist der erste Kondensatorabschnitt der Wärmerohre an einer Seite des Batteriesystems, insbesondere seitlich neben dem mindestens einen Batteriemodul, angeordnet.
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Durch die Anordnung des Kondensatorabschnittes oder der Kondensatorabschnitte seitlich des oder der Batteriemodule kann weiterer Bauraum in vertikaler z-Richtung eingespart werden. Dies ermöglicht ein effektives Kühlsystem mit geringer Bauhöhe in z-Richtung.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Wärmerohre im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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Eine parallele Anordnung ermöglicht eine einfache Konstruktion der Wärmetransporteinrichtung. Darüber hinaus kann eine besonders gleichmäßige Verteilung von Wärmerohren gewährleistet werden, was zu einer extrem homogenen Temperaturverteilung im Batteriesystem, insbesondere im Bereich der Wärmetransporteinrichtung und/oder des oder der Batteriemodule, führt.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens ein Wärmerohr, bevorzugt alle Wärmerohre, einen zweiten Kondensatorabschnitt aufweist, wobei der zweite Kondensatorabschnitt an einem dem ersten Kondensatorabschnitt gegenüberliegenden Ende des Wärmerohrs angeordnet ist, und/oder wobei zwei Wärmerohre in einer Erstreckungsrichtung hintereinander angeordnet sind, so dass die Verdampferabschnitte der zwei Wärmerohre benachbart angeordnet sind und die Kondensatorabschnitte bezüglich einer senkrecht zur Erstreckungsrichtung zwischen den Verdampferabschnitten liegenden Ebene spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
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Weist mindestens ein Wärmerohr oder weisen alle Wärmerohre einen zweiten Kondensatorabschnitt auf, welcher an dem, dem ersten Kondensatorabschnitt gegenüberliegenden Ende des Wärmerohres angeordnet ist, so ergibt sich durch den zweiten Kondensatorabschnitt eine größere Kühlleistung, was eine weitere Verringerung des für das Kühlsystem benötigten Bauraums ermöglicht. Darüber hinaus bewirkt die, insbesondere symmetrische, Ausgestaltung der Wärmetransporteinrichtung, insbesondere der Wärmerohre, eine bessere Gewichts- und Massenverteilung in einem im Kraftfahrzeug angeordneten Zustand.
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Besonders bevorzugt sind die erste und/oder die zweite Kondensatoreinrichtung im Bereich des Unterbodens des Kraftfahrzeuges jeweils zu einer Seite oder zu beiden Seiten des Kraftfahrzeuges im Bereich der Türen und/oder der A-, B- oder C-Säule angeordnet.
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Mit besonderem Vorteil sind jeweils zwei Wärmerohre in einer Erstreckungsrichtung hintereinander angeordnet. Dabei bilden weiter bevorzugt jeweils zwei Wärmerohre ein Paar von hintereinander angeordneten Wärmerohren. Weitere Paare von Wärmerohren können vorgesehen sein und sind dann bevorzugt parallel zu den anderen Paaren von Wärmerohren angeordnet. Die Erstreckungsrichtung bezeichnet dabei die Richtung der größten Ausdehnung der Wärmerohre. Üblicherweise sind Wärmerohre langgestreckte, im Wesentlichen gerade ausgebildete Elemente. An einem ersten Ende des ersten Wärmerohrs ist dann bevorzugt ein Kondensatorabschnitt angeordnet, während der verbleibende Teil zumindest großteils den Verdampferabschnitt bildet. Das zweite Wärmerohr des Paars von Wärmerohren weist dann ebenfalls einen Kondensatorabschnitt und einen Verdampferabschnitt auf, wobei der Verdampferabschnitt des zweiten Wärmerohrs benachbart an dem Verdampferabschnitt des ersten Wärmerohrs angeordnet ist, und der Kondensatorabschnitt des zweiten Wärmerohrs an dem, dem ersten Wärmerohr abgewandten Ende des zweiten Wärmerohrs angeordnet ist.
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Bei der bevorzugten Anordnung der Wärmerohre liegen die zwei Wärmerohre des Paars von Wärmerohren zueinander fluchtend, so dass die Kondensatorabschnitte des ersten und des zweiten Wärmerohrs auf gegenüberliegenden Seiten des Batteriesystems angeordnet sind. In einem in einem Kraftfahrzeug angeordneten Zustand ist dann ein Kondensatorabschnitt des ersten Wärmerohrs des Paars von Wärmerohren auf einer Seite des Unterbodens des Kraftfahrzeuges im Bereich der A-, B- oder C-Säule angeordnet, während der Kondensatorabschnitt des zweiten Wärmerohres auf der gegenüberliegenden Seite des Kraftfahrzeugs im Bereich der A-, B- oder C-Säule angeordnet ist. Insbesondere befindet sich der Kondensatorabschnitt des ersten Wärmerohrs auf der linken Fahrzeugseite, während der Kondensatorabschnitt des zweiten Wärmerohrs sich spiegelbildlich auf der gegenüberliegenden rechten Fahrzeugseite befindet.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Kondensatorabschnitt und/oder die Kondensatorabschnitte und der Verdampferabschnitt mindestens eines Wärmerohrs, bevorzugt aller Wärmerohre, in einer Ebene liegen, oder dass der Kondensatorabschnitt und/oder die Kondensatorabschnitte in einem Winkel zu dem Verdampferabschnitt angeordnet sind.
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Je nach Anforderung an die Kühl- oder Heizleistung und/oder je nach dem durch die Fahrzeugkonstruktion gegebenen Bauraum können die Kondensatorabschnitte in einer Ebene mit dem Verdampferabschnitt liegen. Insbesondere wenn das Wärmerohr als im Wesentlichen flaches Bauelement ausgebildet ist, weist das Wärmerohr dann einen im Wesentlichen länglichen, quaderförmigen Körper auf, wenn der Kondensatorabschnitt und der Verdampferabschnitt in einer Ebene liegen. Daneben kann es auch vorteilhaft sein, wenn der oder die Kondensatorabschnitte in einem Winkel zum Verdampferabschnitt angeordnet sind. Insbesondere können die Wärmerohre an ihren Enden, das heißt bevorzugt die Kondensatorabschnitte, in positiver z-Richtung vertikal nach oben gebogen sein. Dabei werden weiter bevorzugt die Kondensatorabschnitte seitlich des mindestens einen Batteriemoduls angeordnet. Die seitliche Anordnung gestattet eine sehr effektive Wärmeabfuhr und verringert den für die Wärmetransporteinrichtung benötigten Platz.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher eine Leitvorrichtung zur Leitung des Wärmeträgers aufweist, wobei die Leitvorrichtung weiter bevorzugt zumindest teilweise in das Deformationselement integriert ist.
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Die Leitvorrichtung kann vorteilhafterweise als Rohr oder ähnliches ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Leitvorrichtung den Wärmeaustauscher bildet. Insbesondere ist die Leitvorrichtung in das Deformationselement integriert. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau und eine effiziente Wärmeabführung.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher, insbesondere die Leitvorrichtung, ein Extrusionsprofil aufweist oder ist.
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Extrusionsprofile sind einfach herzustellen, und bei geeigneter Gestaltung lassen diese sich besonders vorteilhaft in ein Deformationselement integrieren.
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Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere ein Unterboden des Kraftfahrzeugs, weiter insbesondere eine Batterieschale, vorgesehen ist, wobei mindestens ein Batteriemodul an und/oder in der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist, sodass ein thermischer Kontakt zwischen dem mindestens einen Batteriemodul und dem Verdampferabschnitt besteht.
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Mit Vorteil wird die von dem oder den Batteriemodulen abgegebene Wärme über den Boden des Batteriesystems abgeführt. Der Wärmetransport von unterhalb der Batteriemodule erfolgt bevorzugt über die Unterseite der Batterieschale an die Seite des Batteriesystems mittels eines flachen Wärmerohres wie einer flachen Heatpipe.
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Dabei werden die Wärmerohre beziehungsweise die Heatpipes über die gesamte Batteriesystembreite unter der Aufnahmevorrichtung, insbesondere unter der Batterieschale, auf Höhe einer Reihe von Batteriemodulen befestigt und optional an den Enden in positiver z-Richtung vertikal nach oben gebogen. Die langen, unterhalb der Aufnahmevorrichtung angeordneten Abschnitte der Wärmerohre sind die Verdampferabschnitte, die seitlich, insbesondere rechts und links, überstehenden Enden der Wärmerohre sind die Kondensatorabschnitte. Das nötige Temperaturdelta zwischen Verdampferabschnitt und Kondensatorabschnitt zum Funktionieren des Wärmerohres wird bevorzugt von einem Kühlmedium, insbesondere im Wärmetauscher, ermöglicht.
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Die Aufnahmevorrichtung, insbesondere die Batterieschale, kann dabei hermetisch abgedichtet sein.
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Die Kühlung der Batteriemodule erfolgt von der Außenseite der hermetisch abgedichteten Aufnahmevorrichtung, insbesondere der Batterieschale.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mindestens eine Batteriemodul ein, insbesondere hermetisch abgedichtetes, Gehäuse aufweist.
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Ferner kann bevorzugt sein, dass das mindestens eine Wärmerohr, insbesondere der Verdampferabschnitt, an einer Unterseite und/oder an einer Oberseite der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Wärmerohr, insbesondere der Verdampferabschnitt, in die Aufnahmevorrichtung integriert ist und/oder dass das mindestens eine Wärmerohr, insbesondere der Verdampferabschnitt, in das Gehäuse des Batteriemoduls integriert ist.
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Die Wärmerohre können dabei unterhalb, das heißt auf der Unterseite der Aufnahmevorrichtung und/oder auf der Oberseite der Aufnahmevorrichtung angeordnet sein und/oder in die Aufnahmevorrichtung, insbesondere in eine Wand der Aufnahmevorrichtung, weiter insbesondere in die Bodenwand der Aufnahmevorrichtung, integriert sein. Bevorzugt sind die Batteriemodule auf der Oberseite der Aufnahmevorrichtung, insbesondere auf der Oberseite des Unterbodens beziehungsweise der Batterieschale, angeordnet. Sind die Wärmerohre auf der Unterseite der Aufnahmevorrichtung angeordnet, so entsteht ein Wärmefluss von der Unterseite der Batteriemodule über die Oberseite der Aufnahmevorrichtung durch die Wand beziehungsweise durch die Bodenwand der Aufnahmevorrichtung und anschließend über die Unterseite der Aufnahmevorrichtung in die Wärmerohre. Ein direkterer Wärmefluss kann dadurch gewährleistet werden, dass die Wärmerohre auf der Oberseite der Aufnahmevorrichtung angeordnet sind. Somit befinden sich die Wärmerohre zwischen der Oberseite der Aufnahmevorrichtung und der Unterseite der Batteriemodule. Dies führt zu einem direkteren Wärmefluss.
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Falls die Batteriemodule ein, insbesondere hermetisch abgedichtetes, Gehäuse aufweisen, kann das Gehäuse selbst Teil des Unterbodens beziehungsweise der Aufnahmevorrichtung sein. Die Wärmerohre können dann an oder in dem Gehäuse angeordnet sein. Dies erspart Materialkosten, zudem wird der Wärmefluss optimiert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das mindestens eine Wärmerohr in ein Trägerelement eingebettet ist und/oder dass das mindestens eine Wärmerohr ein Extrusionsprofil aufweist oder ist.
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Werden die Wärmerohre in eine Trägerstruktur und/oder ein Blech und/oder ein Bauteil eingebettet, so werden vorteilhafterweise sogenannte traditionelle Heatpipes verwendet. Diese Variante wird auch „embedded heat pipe“ genannt. Alternativ oder zusätzlich können die Wärmerohre auch als Extrusionsprofil gebildet sein. In diesem Fall spricht man auch von „pulsating heat pipes“.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass Wärmeübertragungsmittel, insbesondere Wärmeleitmatten, zwischen mindestens einem Batteriemodul, bevorzugt einer Unterseite des Batteriemoduls, und der Aufnahmevorrichtung, und/oder zwischen mindestens einem Wärmerohr und der Aufnahmevorrichtung und/oder zwischen dem Batteriemodul und mindestens einem Wärmerohr, und/oder zwischen dem Kondensatorabschnitt und dem Wärmetauscher, angeordnet sind.
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Die Wärmeübertragungsmittel, insbesondere die Wärmeleitmatten, werden auch als „Gap-Filler“ bezeichnet. Bevorzugt weisen diese Wärmeübertragungsmittel eine hohe Wärmeübertragungsrate auf. Ferner können die Wärmeübertragungsmittel zur Herstellung des thermischen Kontaktes zwischen den einzelnen Bauteilen verwendet oder eingesetzt werden. So ist es möglich, dass auf der Unterseite der Batteriemodule ein erstes Wärmeübertragungsmittel angeordnet ist. Das Wärmeübertragungsmittel ist wiederum an der Oberseite der Aufnahmevorrichtung angeordnet. An der Unterseite der Aufnahmevorrichtung ist ein zweites Wärmeübertragungsmittel angeordnet, an welchem sich wiederum in direkter Anlage ein Wärmerohr befinden kann. Die in den Batteriemodulen entstehende Wärme wird somit durch das erste Wärmeübertragungsmittel über die Aufnahmevorrichtung durch das zweite Wärmeübertragungsmittel an das Wärmerohr abgegeben. Zudem begünstigen die Wärmeübertragungsmittel auch einen Toleranzausgleich zwischen den thermisch anzubindenden Flächen, insbesondere zwischen der Unterseite des Batteriemoduls, der Unterseite und/oder der Oberseite der Aufnahmevorrichtung, und/oder zwischen dem Wärmerohr und der Aufnahmevorrichtung und/oder zwischen dem Batteriemodul und dem Wärmerohr und/oder zwischen dem Kondensatorabschnitt und dem Wärmetauscher.
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Weiter vorteilhaft kann auch ein Wärmeübertragungsmittel zwischen dem mindestens einen Kondensatorabschnitt und dem Wärmetauscher angeordnet sein. Aufgrund der gegebenenfalls unterschiedlichen für den Kondensatorabschnitt und den Wärmetauscher verwendeten Materialen und/oder aufgrund der gegebenenfalls unterschiedlichen in den Wärmerohren, insbesondere im Kondensatorabschnitt, und dem Wärmetauscher verwendeten Kühlmitteln bzw. Kältemitteln kann es zu unterschiedlichen temperaturbedingten Wärmeausdehnungen dieser Teile kommen. Durch die, insbesondere elastischen, Wärmeübertragungsmittel werden diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ausgeglichen.
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Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher zwei Leitvorrichtungen aufweist, wobei eine erste Leitvorrichtung an einer ersten Seite des Kondensatorabschnitts angeordnet ist, und wobei eine zweite Leitvorrichtung an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Kondensatorabschnitts angeordnet ist.
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Der Kondensatorabschnitt des insbesondere flachen Wärmerohres weist bevorzugt zwei Seiten auf. Die Leitvorrichtungen werden flächig an den Kondensatorabschnitten der Wärmerohre entlanggeführt und nehmen die Kondensationswärme des Arbeitsmediums, also des Wärmeträgers, des Wärmerohres auf. Je nach dem notwendigen Temperaturdelta kann ein Kühlmittelwärmetauscher oder ein Kältemittelwärmetauscher eingesetzt werden.
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Jedoch ist es auch möglich, dass der Wärmetauscher nur eine Leitvorrichtung aufweist, welche nur an einer Seite des oder der Kondensatorabschnitte angeordnet ist.
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Ferner können bevorzugt auch zwei oder mehr Wärmetauscher vorgesehen sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Wärmerohre einen zweiten Kondensatorabschnitt aufweisen und/oder wenn das Batteriesystem, insbesondere die Wärmetransporteinrichtung, symmetrisch ausgebildet ist, wobei sich die ersten und die zweiten Kondensatorabschnitte auf gegenüberliegenden Seiten des Batteriesystems befinden.
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Besonders bevorzugt sind ein Vorlauf und ein Rücklauf für den Wärmeträger, insbesondere für das Kühlmittel oder das Kältemittel, an derselben Seite des Wärmetauschers, insbesondere der Leitvorrichtung, angeordnet.
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Mit besonderem Vorteil kann somit der Wärmetauscher, insbesondere die Leitvorrichtungen, so gestaltet werden, dass eine einheitliche Temperaturverteilung über den gesamten x-Bauraum, das heißt entlang des Wärmetauschers und quer zu der länglichen Erstreckung der Wärmerohre gewährleistet wird. Durch das Vorsehen des Vor- und Rücklaufs für den Wärmeträger auf derselben Seite des Wärmetauschers muss der Wärmeträger von dem Vorlauf durch den Wärmetauscher, insbesondere durch die Leitvorrichtung entlang den Kondensatorabschnitten der Wärmerohre geführt werden. Auf der anderen Seite der Anordnung von Wärmerohren wird der Wärmeträger zurückgeführt in Richtung des Rücklaufes für den Wärmeträger, welcher sich auf derselben Seite wie der Vorlauf befindet.
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Eine weitere Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems besteht in der Bereitstellung eines Kraftfahrzeuges mit einem vorbeschriebenen Batteriesystem.
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Bevorzugt ist die Aufnahmevorrichtung ein Unterboden des Kraftfahrzeuges. Weiter bevorzugt ist das Deformationselement ein Aufprallschutzelement, insbesondere ein Seitenaufprallschutzelement.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Aufsicht eines Batteriesystems mit Deformationselement,
- 2 eine schematische Seitenansicht eines Batteriesystems mit Deformationselement,
- 3 eine Ausführungsform eines Batteriesystems mit auf einer Unterseite einer Batterieschale angeordneten Wärmerohren,
- 4 ein Batteriesystem mit einem Deformationselement,
- 5 eine Ausführungsform eines Batteriesystems mit auf einer Oberseite einer Batterieschale angeordneten Wärmerohren,
- 6 eine Ausführungsform eines Batteriesystems mit Wärmerohren mit zwei Kondensatorabschnitten,
- 7 eine Ausführungsform eines Batteriesystems mit Paaren von Wärmerohren,
- 8 eine Aufsicht auf eine Unterseite einer Batterieschale eines Batteriesystems,
- 9 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Batteriesystem,
- 10 Wärmerohre in einer Trägerstruktur,
- 11a ein Wärmerohr mit Extrusionsprofil und abgewinkeltem Kondensatorabschnitt,
- 11b ein ebenes Wärmerohr mit Extrusionsprofil,
- 12 ein Batteriesystem mit Wärmerohren mit leicht abgewinkelten Kondensatorabschnitten,
- 13a eine einseitige Anordnung eines Wärmetauschers an Kondensatorabschnitten,
- 13b eine einseitige Anordnung eines Wärmetauschers an Kondensatorabschnitten mit Batteriemodulen,
- 14a eine zweiseitige Anordnung eines Wärmetauschers an Kondensatorabschnitten,
- 14b eine zweiseitige Anordnung eines Wärmetauschers an Kondensatorabschnitten mit Batteriemodulen.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 100 für ein Kraftfahrzeug in einer Aufsicht und in einer Seitenansicht. Das Batteriesystem 100 umfasst mehrere Batteriemodule 10 sowie eine Wärmetransporteinrichtung 11. Die Wärmetransporteinrichtung 11 weist mehrere Wärmerohre 12 sowie zwei Wärmetauscher 13 auf. Die Wärmetauscher 13 sind in Deformationselemente 14 integriert. Die Batteriemodule 10 sind in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse 15 eingeschlossen. Wie in 1 zu erkennen ist, erstrecken sich die Wärmerohre 12 zwischen den beidseitig an dem Gehäuse 15 der Batteriemodule 10 angeordneten Wärmetauschern 13.
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In der schematischen Seitenansicht der 2 sind zwei Wärmerohre 12 an einer Unterseite 16 des Gehäuses 15 angeordnet. Jeweils zwischen den Batteriemodulen 10 und der Wand 17 des Gehäuses 15 sowie zwischen der Wand 17 des Gehäuses 15 und den Wärmerohren 12 sind Wärmeübertragungsmittel 18 in Form von Wärmeleitmatten 19 angeordnet. Die Wärmerohre 12 weisen jeweils einen Verdampferabschnitt 20 und einen Kondensatorabschnitt 21 auf. Dabei sind die zwei Wärmerohre 12 in einer Erstreckungsrichtung 22 hintereinander angeordnet, sodass die Verdampferabschnitte 20 der Wärmerohre 12 benachbart angeordnet sind. Die Kondensatorabschnitte 21 der Wärmerohre 12 sind bezüglich einer senkrecht zur Erstreckungsrichtung 22 zwischen den Verdampferabschnitten 20 liegenden Ebene 23 spiegelsymmetrisch angeordnet. Zwischen den Kondensatorabschnitten 21 und den Wärmetauschern 13 sind weitere Wärmeübertragungsmittel 18 in Form von Wärmeleitmatten 19 angeordnet, welche insbesondere für einen Toleranzausgleich zwischen den thermisch anzubindenden Flächen der Kondensatorabschnitte 21 und der Wärmetauscher 13 sorgen.
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3 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine weitere Ausgestaltung des Batteriesystems 100. Das Batteriesystem 100 weist eine Aufnahmevorrichtung 24 auf, welche als Batterieschale 25 beziehungsweise als Unterboden 26 ausgebildet ist. Auf einer Unterseite 27 der Batterieschale 25 sind Wärmerohre 12 angeordnet. Zwischen der Unterseite 27 der Batterieschale 25 und den Wärmerohren 12 sind im Bereich der Verdampferabschnitte 20 Wärmeleitmatten 19 angeordnet. Die Kondensatorabschnitte 21 der Wärmerohre 12 stehen seitlich in z-Richtung an der Batterieschale 25 hoch, und somit auch seitlich an den in der 3 nicht dargestellten Batteriemodulen 10. Auf einer ersten Seite 28 der Kondensatorabschnitte 21 sind Wärmeleitmatten 19 angeordnet, auf welchen wiederum die Wärmetauscher 13 im thermischen Kontakt angeordnet werden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch das Batteriesystem 100 der 3. Gegenüber der 3 sind in 4 zusätzlich die Batteriemodule 10 dargestellt, welche auf einer Oberseite 29 der Batterieschale 25 angeordnet sind. An der Seite im Bereich der Kondensatorabschnitte 21 befindet sich ein Deformationselement 30 des Batteriesystems 100. Das Deformationselement 30 ist Teil eines Seitenaufprallschutzelements 31 eines Kraftfahrzeuges und weist eine Wabenstruktur 32 auf. In die Wabenstruktur 32 beziehungsweise in das Deformationselement 30 ist ein Wärmetauscher 13 integriert. Der Wärmetauscher 13 weist Leitvorrichtungen 33 auf, durch welche ein Wärmeträger, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, strömen kann. Die Leitvorrichtungen 33 des Wärmetauschers 13 sind als Extrusionsprofil 34 ausgebildet. Wenn die Wärmetransporteinrichtung 11 zum Kühlen der Batteriemodule 10 eingesetzt wird, so strömt ein kühler Wärmeträger in Richtung des Pfeils 35 durch die Leitvorrichtungen 33 des Wärmetauschers 13 und nimmt dabei Wärme aus dem Kondensatorabschnitt 21 des Wärmerohres 12 auf. Der Wärmeträger wird am Ende des Wärmetauschers 13 zurückgeführt und erneut entlang des Pfeils 36 entlang der Kondensatorabschnitte 21 der Wärmerohre 12 geführt. Durch diese doppelte Vorbeiführung des Wärmeträgers wird eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung entlang des Wärmetauschers 13, also in senkrechter Richtung zu den Kondensatorabschnitten 21 der Wärmerohre 12 ermöglicht. Wie in 4 dargestellt, befinden sich ein Vorlauf 42 und ein Rücklauf 43 für den Wärmeträger auf der gleichen Seite des Wärmetauschers 13. Zwischen den Kondensatorabschnitten 21 und den Leitvorrichtungen 33 des Wärmetauschers 13 sind Wärmeleitmatten 19 zur Wärmeübertragung und zum Toleranzausgleich angeordnet.
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Batteriesystems 100. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung der 3 sind gemäß der 5 die Wärmerohre 12 nicht auf einer Unterseite 27 der Batterieschale 25 angeordnet, sondern stattdessen auf einer Oberseite 29 der Batterieschale 25. Bei der Ausgestaltung der 5 sind zudem die Wärmetauscher 13 auf einer der ersten Seite 28 gegenüberliegenden zweiten Seite 37 der Kondensatorabschnitte 21 angeordnet. Entsprechend sind die als Wärmeleitmatten 19 ausgebildeten Wärmeübertragungsmittel 18 auf der zweiten Seite 37 der Kondensatorabschnitte 21 zwischen den Kondensatorabschnitten 21 und den Wärmetauschern 13 angeordnet.
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6 zeigt die Ausgestaltung des Batteriesystems 100 nach 5, mit dem Unterschied, dass die Wärmetauscher 13 entgegen der 5 an der ersten Seite 28 der Kondensatorabschnitte 21 angeordnet sind. Zudem ist in 6 dargestellt, wie die Batteriemodule 10 auf Wärmeleitmatten 19 angeordnet werden.
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Eine leicht abgewandelte Variante ist in 7 dargestellt. Im Gegensatz zur 6 sind ähnlich wie in 1 jeweils zwei Wärmerohre 12 paarweise vorgesehen, welche bezüglich einer Erstreckungsrichtung 22 hintereinander angeordnet sind. Dadurch liegen die Verdampferabschnitte 20 der beiden Wärmerohre 12 benachbart zueinander und die Kondensatorabschnitte 21 sind bezüglich einer zur Erstreckungsrichtung 22 zwischen den Verdampferabschnitten 20 gelegenen senkrechten Ebene 23 spiegelsymmetrisch angeordnet.
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8 zeigt die Ausgestaltung nach 4 von unten. Auf der Unterseite 27 der Batterieschale 25 befinden sich die Wärmerohre 12. An den Kondensatorabschnitten 21 der Wärmerohre 12 ist ein Wärmetauscher 13 angeordnet, welcher eine Leitvorrichtung 33 umfasst, die als Extrusionsprofil 34 ausgebildet ist.
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Ein schematischer Querschnitt der Ausgestaltung nach 8 ist in 9 dargestellt. Ein flaches Wärmerohr 12 ist in thermischem Kontakt mit der Unterseite 27 der Batterieschale 25 angeordnet, wobei sich zwischen der Unterseite 27 der Batterieschale 25 und dem Wärmerohr 12 eine Wärmeleitmatte 19, auch Gap-Filler genannt, befindet. Der thermische Kontakt zwischen der Unterseite 27 der Batterieschale 25 und dem Wärmerohr 12 wird somit über die Wärmeleitmatte 19 hergestellt. Auf der Oberseite 29 der Batterieschale 25 ist eine weitere Wärmeleitmatte 19 angeordnet, auf der wiederum ein Batteriemodul 10 angeordnet ist.
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10 zeigt eine Detailansicht von in einer Trägerstruktur 38 angeordneten Wärmerohren 12. Die Trägerstruktur 38 weist dafür Rillen, Nuten oder Vertiefungen 39 auf, in die die Verdampferabschnitte 20 und die Kondensatorabschnitte 21 eingelegt sind.
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11a und 11b zeigen ein als Extrusionsprofil ausgeführtes Wärmerohr 12, wobei nach der 11a der Verdampferabschnitt 20 in einem Winkel zu dem Kondensatorabschnitt 21 steht. 11b zeigt eine ebene Ausgestaltung des Wärmerohrs 12, in dem der Kondensatorabschnitt 21 und der Verdampferabschnitt 20 in einer Ebene liegen.
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Die 12 zeigt eine weitere Anordnung von Wärmerohren 12 auf der Unterseite 27 einer Batterieschale 25. Bei dieser Ausgestaltung sind die Kondensatorabschnitte 21 leicht abgewinkelt, das heißt, die Kondensatorabschnitte 21 liegen nicht ganz in einer Ebene mit den Verdampferabschnitten 20. Jedoch sind die Kondensatorabschnitte 21 nicht so stark nach oben abgewinkelt wie bei der Ausführungsform nach 3.
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In den 13a, 13b und 14a, 14b sind zwei Ausführungsformen für die Anordnung des Wärmetauschers 13 an den Kondensatorabschnitten 21 der Wärmerohre 12 gezeigt. Nach der Ausführungsform der 13a und 13b ist eine als Extrusionsprofil 34 ausgebildete Leitvorrichtung 33 des Wärmetauschers 13 auf den ersten Seiten 28 der Kondensatorabschnitte 21 der Wärmerohre 12 angeordnet. Die Leitvorrichtung 33 wird dabei in einem Strangpressverfahren hergestellt. Nach der Ausführungsform aus 14a, 14b kann eine zweite Leitvorrichtung 33 vorgesehen sein, welche auf einer der ersten Seite 28 gegenüberliegenden zweiten Seite 37 der Kondensatorabschnitte 21 angeordnet ist. Um eine bessere und kompaktere Bauweise bereitzustellen und zur Befestigung der Leitvorrichtungen 33 an der ersten Seite 28 und/oder der zweiten Seite 37 der Kondensatorabschnitte 21, können zwischen den Kondensatorabschnitten 21 Haltevorrichtungen 41, insbesondere Schellen, vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Batteriesystem
- 10
- Batteriemodul
- 11
- Wärmetransporteinrichtung
- 12
- Wärmerohr
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Deformationselement
- 15
- Gehäuse
- 16
- Unterseite
- 17
- Wand
- 18
- Wärmeübertragungsmittel
- 19
- Wärmeleitmatten
- 20
- Verdampferabschnitt
- 21
- Kondensatorabschnitt
- 22
- Erstreckungsrichtung
- 23
- Ebene
- 24
- Aufnahmevorrichtung
- 25
- Batterieschale
- 26
- Unterboden
- 27
- Unterseite
- 28
- Erste Seite
- 29
- Oberseite
- 30
- Deformationselement
- 31
- Seitenaufprallschutzelement
- 32
- Wabenstruktur
- 33
- Leitvorrichtung
- 34
- Extrusionsprofil
- 35
- Pfeil
- 36
- Pfeil
- 37
- Zweite Seite
- 38
- Trägerstruktur
- 39
- Vertiefung
- 40
- Extrusionsprofil
- 41
- Haltevorrichtung
- 42
- Vorlauf
- 43
- Rücklauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2988824 A3 [0003]
- US 2011/0059346 A1 [0004]
