DE102018000759A1

DE102018000759A1 - Kühleinrichtung zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102018000759A1
Application number: DE102018000759.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Blank; Ottmar Schmid
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2018-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (10) zum Kühlen einer Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer flächigen Batteriezelle (18) zum Speichern von elektrischer Energie, und mit wenigstens einem Kühlelement (20), welches wenigstens eine direkt an einer ebenen Breitseite (19) der Batteriezelle (18) anliegenden erste Kühlplatte (22) und wenigstens eine zweite Kühlplatte (24) aufweist, durch welche wenigstens eine von einem Kühlfluid zum Kühlen der Batteriezelle (18) durchströmbare Kühlstruktur (26) begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zum Kühlen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens.
Die DE 10 2008 034 874 A1 offenbart eine Batterie, mit einer Anzahl von in mindestens zwei Reihen parallel ausgerichteten Einzelzellen, wobei zwischen einander benachbarten Reihen und an jeweiligen Außenseiten einer ersten Reihe und einer letzten Reihe jeweils ein Kühlmodul angeordnet ist, das in Richtung jeder daran angrenzenden Reihe eine zu Außenflächen der Einzelzellen der Reihen komplementäre Form aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zu schaffen, mittels welcher eine Batterie eines Kraftfahrzeugs besonders vorteilhaft gekühlt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung zum Kühlen einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie (HV-Batterie), eines vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs weist wenigstens eine zumindest im Wesentlichen flächige Batteriezelle zum Speichern von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom sowie wenigstens ein Kühlelement auf, welches wenigstens eine direkt an einer ebenen Breitseite der Batteriezelle anliegende und somit die ebene Breitseite direkt berührende erste Kühlplatte und wenigstens eine zweite Kühlplatte aufweist, wobei durch die Kühlplatten wenigstens eine von einem Kühlfluid, insbesondere einem Gas oder einer Flüssigkeit, zum Kühlen der Batteriezelle durchströmbare Kühlstruktur begrenzt beziehungsweise gebildet ist.
Die Batterie ist vorzugsweise eine so genannte Traktionsbatterie, mittels welcher wenigstens eine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildete elektrische Maschine mit in der Batterie gespeicherter elektrischer Energie versorgbar ist. Um dabei besonders hohe elektrische Leistungen zum Antreiben des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, weist die Batterie vorzugsweise eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung, auf, welche mehr als 50 Volt und vorzugsweise mehrere 100 Volt beträgt. Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: neben den wirtschaftlichen Aspekten ist eine weitere Herausforderung für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, insbesondere batterieelektrische Fahrzeuge, die Minimierung der Gesamtreisezeit bezogen auf die Fahrzeit und die Tankzeit bei einer relativ langen Streckenfahrt, welche länger als die Reichweite des Fahrzeugs ist. In der ganzheitlichen Betrachtung sind die Hauptfaktoren Ladezeit, Batterieenergie beziehungsweise Batteriegröße und Infrastruktur beziehungsweise Ladestationsdichte in starker Wechselwirkung zu berücksichtigen.
Ziel der Entwicklung von Elektro- beziehungsweise Hybridfahrzeugen ist die Minimierung der Ladezeit insbesondere für die Langstreckenfahrt mit erforderlicher Zwischenaufladung. Eine geringe Ladezeit bedingt eine hohe Ladeleistung und die Verwendung der so genannten DC-Lader. In naher Zukunft sind Ladeleistungen bis circa 350 Kilowatt geplant. Außerdem sind weitere Leistungssteigerungen geplant. Für solch hohe Leistungen von beispielsweise 500 Kilowatt bis zu einem Megawatt entstehen sehr hohe Batterieabwärmeleistungen von beispielsweise mehr als 25 Kilowatt bzw. mehr als 50 Kilowatt. Um hierbei übermäßig hohe Temperaturen der Batterie zu vermeiden, sind leistungsstarke Kühleinrichtungen mit hohen Kühlleistungen erforderlich, wobei es üblicherweise nicht nötig und nicht sinnvoll ist, solch hohe Abwärmeleistungen im Stillstand des Kraftfahrzeugs mittels eines Kühlsystems des Kraftfahrzeugs abzuführen, sodass die Abführung der Batterieabwärme über eine Fahrzeugexterne Einrichtung vorgesehen ist, beispielsweise wenn sich das Kraftfahrzeug im Stillstand befindet und an einer Tankstelle geladen wird.
Ein weiteres Problem ist üblicherweise der hohe Wärmewiderstand beziehungsweise die Temperaturdifferenz zwischen der jeweiligen Batteriezelle und der auch als Kühlmitteltemperatur bezeichneten Temperatur eines Kühlfluids zum Kühlen der Batteriezelle bedingt durch ein jeweiliges Kühlkonzept. Dieses Problem wird durch die hohen Batteriewärmen noch weiter verschärft. Derzeitig bekannte flächige Batteriezellkonstruktionen basieren auf der Wärmeabführung oder Wärmeüberleitung über die Zellfläche und verursachen somit hohe Wärmestromwiderstände. Bei hoher DC-Ladeleistung mit hohen Batterieabwärmeströmen entstehend dann sehr hohe Temperaturgradienten zwischen Batteriezelle und Kühlmittel und damit unzulässig hohe Batteriezelltemperaturen, die zu erhöhten irreversiblen Leistungsverlusten oder gar zur Zerstörung der Batterie führen können.
Die zuvor genannten Nachteile und Probleme können mittels der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung vermieden werden. Erfindungsgemäß kann die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des auch als Kühlmittel bezeichneten Kühlfluids und der Temperatur der Batteriezelle beziehungsweise der Batterie insgesamt durch eine entsprechende Gestaltung der Kühleinrichtung im Vergleich zum herkömmlichen Stand der Technik abgesenkt werden. Dies wird erreicht durch eine Kühlung der Batteriezelle beziehungsweise zwischen zwei Batteriezellen und somit in einem Zellpaket insbesondere entlang der Zellfläche mittels Konvektion durch das vorzugsweise flüssige Kühlfluid und/oder durch Phasenübergang in einer Kühlkammer, zum Beispiel vom auch als Kältemittel bezeichneten Kühlmittel. Dadurch wird gegenüber dem Stand der Technik die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Batterie beziehungsweise Batteriezelle von circa mehr als 20 Grad Celsius auf weniger als 5 Grad Celsius abgesenkt, da beispielsweise ein besonders effizienter Wärmeübergang von der Batteriezelle an das Kühlfluid dargestellt werden kann. Ferner wird gegenüber dem Stand der Technik bei geringen Wärmestromwiderständen beziehungsweise Temperaturgradienten in der Batterie auch die thermische Schädigung der Batterie beim so genannten DC-Hochleistungsladen minimiert. Durch Minimierung der Temperaturunterschiede zwischen der Batteriezelle und dem Kühlmittel wird die Temperaturregelung der Batteriezelltemperatur vereinfacht, die in einem engen Temperaturfenster gehalten werden soll. Beispielsweise dann, wenn die Batterie als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet ist, liegt ein vorteilhafter Temperaturbereich der Batterie in einem Bereich von circa 10 beziehungsweise circa 35 Grad Celsius. Ferner kann die Übertragung der Kühlleistung an eine auch als Chiller bezeichnete Kühleinrichtung erhöht werden, insbesondere durch eine erhöhte Kühlmittelvorlauftemperatur in der Batterie. Für sehr hohe Batteriewärmeleistungen, die nicht mehr über das Kraftfahrzeug abgeführt werden können, kann in vorteilhaften Ausführungen eine externe Kühlung der Batterie durch einen separaten, fahrzeugexternen Kühlkreislauf erfolgen.
Die flächige Batteriezelle ist beispielsweise als Pouch-Zelle ausgebildet und kann besonders vorteilhaft gekühlt werden. Vorzugsweise ist das Kühlfluid als eine Flüssigkeit oder als ein Gas ausgebildet. Das Kühlfluid kann beispielsweise zumindest Wasser und/oder Glykol aufweisen. Insbesondere kann das Kühlfluid ein Gemisch aus Wasser und Glykol aufweisen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Verdampfungskühlung direkt in der Batterie denkbar, sodass das Kühlfluid beispielsweise als Kältemittel verwendet wird. Insbesondere ist im Rahmen der Erfindung eine Kühlung zwischen jeder Zellfläche oder jeder Zelle beziehungsweise Zellpaketen der Batterie denkbar. Ferner ist es denkbar, dass das auch als Kühlmedium bezeichnete Kühlfluid getrennt von der jeweiligen Batteriezelle ist und eine Kühlkammer bildet.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ermöglicht es insbesondere, die Batteriezelle und somit die Batterie insgesamt vor allem beim so genannten DC-Hochleistungsladen mit Ladeleistungen von mehr als 200 Kilowatt effizient und effektiv zu kühlen und hierbei effizient und effektiv auch hohe Batterieabwärmeleistungen von der Batterie abzuführen, sodass thermische Schädigungen der Batterie beim DC-Hochleistungsladen vermieden werden können.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Draufsicht einer Platte der Kühleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Kühleinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Kühleinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Kühleinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform;
6 eine schematische Draufsicht einer Platte der Kühleinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform;
7 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Kühleinrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform;
8 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht der Kühleinrichtung gemäß einer achten Ausführungsform;
9 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht einer als Pouch-Zelle ausgebildeten Batteriezelle der Kühleinrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform;
10 eine schematische Draufsicht der Kühleinrichtung gemäß einer zehnten Ausführungsform;
11 eine schematische Seitenansicht der Kühleinrichtung gemäß 10; und
12 eine schematische Seitenansicht eines Stapels aus Kühleinrichtungen gemäß 10 und 11.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine erste Ausführungsform einer Kühleinrichtung 10 zum Kühlen einer beispielsweise aus 12 in einer schematischen Seitenansicht erkennbaren Batterie 12 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Hybridfahrzeug oder aber als Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) ausgebildet. Somit weist das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand wenigstens eine elektrische Maschine auf, mittels welcher das Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Um das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine elektrisch anzutreiben, wir die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betrieben. Hierzu wird die elektrische Maschine mit elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom versorgt, die beziehungsweise der in der Batterie 12 gespeichert ist. Insbesondere ist die Batterie 12 beispielsweise als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet. Vorzugsweise ist die Batterie 12 als Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) ausgebildet und weist somit eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Betriebsspannung auf, welche größer als 50 Volt ist und vorzugsweise mehrere 100 Volt beträgt. Hierdurch kann eine besonders hohe elektrische Leistung zum elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitgestellt beziehungsweise realisiert werden. Da die Batterie 12 genutzt wird, um die elektrische Maschine in dem Motorbetrieb zu betreiben und somit um das Kraftfahrzeug elektrisch anzutreiben, wird die Batterie 12 auch als Traktionsbatterie bezeichnet. In 12 ist dabei ein auch Batteriestapel bezeichneter Stapel 14 aus mehreren Kühleinrichtungen 10 erkennbar. Mit anderen Worten umfasst die Batterie 12 den Stapel 14, welcher insbesondere mehrere, entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelte Kühleinrichtungen 10 aufweist, wobei die Stapelrichtung in 12 durch einen Doppelpfeil 16 veranschaulicht ist.
Wie besonders gut in Zusammenschau mit 10 und 11 erkennbar ist, umfasst die jeweilige Kühleinrichtung 10 beispielsweise wenigstens eine zumindest im Wesentlichen flächige Batteriezelle 18, mittels beziehungsweise in welcher elektrische Energie gespeichert ist beziehungsweise gespeichert werden kann. Unter dem Merkmal, dass die Batteriezelle 18 als flächige Batteriezelle ausgebildet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Batteriezelle 18 beispielsweise voneinander abgewandte Breitseiten 19 aufweist, welche sich in voneinander beabstandeten parallel zueinander verlaufenden Ebenen erstrecken. Außerdem weist die Batteriezelle 18 Schmalseiten auf, welche in senkrecht zueinander und senkrecht zu den genannten Ebenen verlaufenden weiteren Ebenen verlaufen. Mit anderen Worten ist die Batteriezelle 18 als Flächenelement ausgebildet. Dabei ist die Batteriezelle 18 beispielsweise als Pouch-Zelle ausgebildet.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Kühleinrichtung 10 darüber hinaus wenigstens ein Kühlelement 20 aufweist, welches - wie besonders gut aus 3 erkennbar ist - wenigstens zwei separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Kühlplatten 22 und 24 aufweist. Die Kühlplatten 22 und 24 sind dabei zu dem Kühlelement 20 zusammengesetzt. Beispielsweise bei der Batterie 12 ist das Kühlelement 20 entlang der Stapelrichtung zwischen zwei direkt aufeinanderfolgenden und somit zueinander benachbarten Batteriezellen 18 des Stapels 14 angeordnet, sodass die Kühlplatte 22 direkt an einer der Breitseiten 19 einer ersten der Batteriezellen 18 anliegt, während die Kühlplatte 24 direkt an einer der Breitseiten 19 einer zweiten der Batteriezellen 18 anliegt. In Zusammenschau mit 1 ist besonders gut erkennbar, dass die zusammengesetzten beziehungsweise miteinander verbundenen Kühlplatten 22 und 24 wenigstens eine von einem Kühlfluid zum Kühlen der jeweiligen Batteriezelle 18 durchströmbare Kühlstruktur 26 begrenzen. Dadurch, dass die Kühlplatten 22 und 24 jeweils direkt an den Breitseiten 19 und somit an den Batteriezellen 18 anliegen, kann ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang von den Batteriezellen 18 an das die Kühlstruktur 26 durchströmende Kühlfluid erfolgen, wodurch in kurzer Zeit eine besonders hohe Menge an Wärme von den Batteriezellen 18 abtransportiert werden kann. In der Folge können die Batteriezellen 18 besonders effektiv und effizient gekühlt werden.
Bei der in 1 veranschaulichten ersten Ausführungsform ist die Kühlstruktur 26 als so genannte geführte Fluidstruktur ausgebildet, da das die Kühlstruktur 26 durchströmende Kühlfluid mittels der Kühlstruktur 26 definiert wird. Das Kühlelement 20 weist dabei wenigstens einen Einleitanschluss 28 und wenigstens einen Abführanschluss 30 auf. Über den Einleitanschluss 28 wird das beispielsweise als Gas oder Flüssigkeit ausgebildete und auch als Kühlmedium oder Kühlmittel bezeichnete Kühlfluid in das Kühlelement 20, insbesondere in die Kühlstruktur 26, eingeleitet. Über den Abführanschluss 30 wird das Kühlfluid aus dem Kühlelement 20, insbesondere aus der Kühlstruktur 26, ausgeleitet. Die gefühlte Kühlstruktur 26 weist dabei wenigstens einen oder mehrere von dem Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle 32 auf, wobei sich der jeweilige Kühlkanal 32 durchgängig von dem Einleitanschluss 28 zu dem Abführanschluss 30 erstreckt und zwischen dem Einleitanschluss 28 und dem Abführanschluss 30 für das Kühlfluid dicht ist. Somit kann beispielsweise das Kühlfluid auf seinem Weg von dem Einleitanschluss 28 zu dem Abführanschluss 30, das heißt zwischen dem Abführanschluss 30 und dem Einleitanschluss 28, nicht von einem der Kühlkanäle 32 zu jeweils einem anderen der Kühlkanäle überströmen. Insgesamt ist erkennbar, dass die Kühlplatten 22 und 24 beispielsweise Formteile sind, welche so miteinander verbunden sind, dass das Kühlmittel nicht aus der Kühlstruktur 26 austreten kann, außer über den Einleitanschluss 28 und den Abführanschluss 30. Der Einleitanschluss 28 und der Abführanschluss 30 werden zusammenfassend auch als Anschlüsse bezeichnet. Eine Durchströmung der Kühlstruktur 26 mit dem Kühlmittel findet von dem Einleitanschluss 28 über die auch als Kanalstruktur bezeichnete Kühlstruktur 26 zu dem Abführanschluss 30 statt.
2 zeigt in einer schematischen Draufsicht beispielsweise die Kühlplatte 22 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Kühlstruktur 26 als nicht-geführte Kühlstruktur beziehungsweise als nicht-geführte Fluidstruktur ausgebildet. Dabei weist beispielsweise die Kühlplatte 22 eine Mehrzahl von insbesondere vollständig voneinander beabstandeten und auch als Noppen bezeichneten Erhebungen 34 auf, welche beispielsweise als Abstandshalter fungieren. Mittels der Erhebungen 34 werden beispielsweise die Kühlplatten 22 und 24 in einem Abstand zueinander gehalten. In vollständig hergestellten Zustand des Kühlelements 20 bilden beziehungsweise begrenzen beispielsweise die Kühlplatten 22 und 24 der zweiten Ausführungsform wenigstens eine von dem Kühlfluid durchströmbare und auch als Kühlkammer bezeichnete Kammer, in welche das Kühlfluid über den Einleitanschluss 28 einleitbar ist. Aus der Kammer kann das Kühlfluid über den Abführanschluss 30 abgeführt beziehungsweise ausgeleitet werden. Dabei sind die Erhebungen 34 in der Kammer angeordnet und voneinander beabstandet. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Erhebungen 34 von der Kühlplatte 22 abstehen und in die Kammer hinein ragen. Dabei sind die Erhebungen 34 in ihrer jeweiligen Umfangsrichtung vollständig umlaufend von dem die Kammer durchströmenden Kühlfluid umströmbar, sodass beispielsweise das Kühlfluid mehr oder minder willkürlich beziehungsweise frei von dem Einleitanschluss 28 zu dem Abführanschluss 30 durch die Kammer hindurch und dabei um die Erhebung 34 herum strömen kann.
Insgesamt ist aus 2 erkennbar, dass durch die Erhebungen 34 eine Noppenstruktur gebildet ist. Die Kühlplatten 22 und 24 sind beispielsweise im Bereich der Noppen und der Anschlüsse dicht miteinander verbunden. Das Kühlmittel fließt dabei vom Einleitanschluss 28 zwischen den Noppen hindurch zum Abführanschluss 30. Die Anschlüsse sind ringsherum abgedichtet und haben beispielsweise eine Verbindung zur jeweils nächsten Kühlplatte.
3 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Bei der dritten Ausführungsform ist beispielsweise genau eine von dem Kühlfluid durchströmbare Kammer 36 durch die Kühlplatten 22 und 24 gebildet beziehungsweise begrenzt. Die Kammer 36 ist beispielsweise ein von dem Kühlfluid durchströmbarer Kühlkanal. Bei der dritten Ausführungsform sind das Kühlelemente 20 und somit die Kühlplatten 22 und 24 entlang der Stapelrichtung zwischen den zwei zueinander benachbarten Batteriezellen 18 angeordnet. Die jeweilige Kühlplatte 22 beziehungsweise 24 kann beispielsweise aus einem Metall gebildet sein. Die Formteile (Kühlplatten 22 und 24) sind so miteinander verbunden, dass sie die abgeschlossene Kammer 36 für das Kühlmedium bilden.
4 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Auch bei der vierten Ausführungsform ist beispielsweise genau eine, von dem Kühlfluid durchströmbare Kammer 36 durch die Kühlplatten 22 und 24 gebildet beziehungsweise begrenzt, wobei bei der dritten Ausführungsform und bei der vierten Ausführungsform die Kühlstruktur 26 als geführte Fluidstruktur beziehungsweise als geführte Kühlstruktur ausgebildet ist. Ferner ist es denkbar, dass die jeweilige Kühlplatte 22 beziehungsweise 24 aus einem Kunststoff gebildet ist.
5 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Bei der fünften Ausführungsform ist die Kühlstruktur 26 als nicht-geführte Fluidstruktur beziehungsweise als nicht-geführte Kühlstruktur ausgebildet. Hierzu weist beispielsweise die Kühlplatte 22 die auch als Noppen bezeichneten Erhebungen 34 auf, welche die zuvor beschriebene Noppenstruktur bilden. Die jeweilige Kühlplatte 22 beziehungsweise 24 ist beispielsweise aus einem Edelstahl, insbesondere aus Edelstahlblech, gebildet. Die zuvor beschriebene Kammer ist in 5 mit 38 bezeichnet und beispielsweise ein Hohlraum, in welchem die Noppen voneinander beabstandet und verteilt angeordnet sind. Wie bei den anderen Ausführungsformen sind auch bei der fünften Ausführungsform die Kühlplatten 22 und 24 nicht miteinander verbunden, sodass sie die von dem Kühlfluid durchströmbare Kammer 38, in welcher die Noppen angeordnet sind, bilden beziehungsweise begrenzen.
Während 6 eine sechste Ausführungsform der Kühleinrichtung 10 veranschaulicht, zeigt 7 eine siebte Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Bei der siebten Ausführungsform umfasst das Kühlelement 20 die voneinander beabstandeten Kühlplatten 22 und 24 sowie eine dritte Kühlplatte 40, welche zwischen den Kühlplatten 22 und 24 angeordnet ist. Die dritte, mittlere Kühlplatte 40 bildet beziehungsweise begrenzt beispielsweise mit der Kühlplatte 22 wenigstens eine von dem Kühlfluid durchströmbare erste Kammer 42, welche beispielsweise ein erster Kühlkanal ist. Ferner begrenzt beispielsweise die dritte, mittlere Kühlplatte 40 mit der Kühlplatte 24 wenigstens eine zweite Kammer 44, welche von dem Kühlfluid durchströmbar ist. Somit ist beispielsweise die zweite Kammer 44 ein zweiter Kühlkanal. Die jeweilige Kammer 42 beziehungsweise 44 wird auch als Kühlkammer bezeichnet. Dabei zeigt 6 in einer schematischen Draufsicht die dritte, mittlere Kühlplatte 40 gemäß der sechsten Ausführungsform. Bei der sechsten Ausführungsform sind beispielsweise zwei Einleitanschlüsse 28 und zwei Abführanschlüsse 30 vorgesehen. Die auch als Kanalstruktur bezeichnete Kühlstruktur 26 weist dabei Verteilerstrukturen 46 und 48 auf, auf welche beispielsweise die Ausführungen zur zweiten Ausführungsform übertragbar sind, denn die jeweilige Verteilerstruktur 46 beziehungsweise 48 umfasst Noppen beziehungsweise Erhebungen 34. Außerdem umfasst die Kühlstruktur 26 eine zwischen den Verteilerstrukturen 46 und 48 angeordnete Fluidstruktur 50, welche insbesondere als geführte Fluidstruktur ausgebildet ist.
Ein erstes Kühlfluid strömt beispielsweise von einem ersten der Einleitanschlüsse 28 über die den Einleitanschlüssen 28 zugeordnete Verteilerstruktur 46 zu der auch als Kanalstruktur bezeichneten Fluidstruktur 50 und durch diese. Von der Fluidstruktur 50 fließt das erste Kühlfluid über die den Abführanschlüssen 30 zugeordnete Verteilerstruktur 48 zu einem ersten der Abführanschlüsse 30 und über den ersten Abführanschluss 30 aus dem Kühlelement 20 heraus. Ein zweites Kühlfluid wird beispielsweise von dem zweiten Einleitanschluss 28 über die Verteilerstruktur 46 zu der Fluidstruktur 50 geführt und strömt durch die Fluidstruktur 50. Von der Fluidstruktur 50 fließt das zweite Kühlfluid über die Verteilerstruktur 48 zu dem zweiten Abführanschluss 30 und über den zweiten Abführanschluss 30 aus dem Kühlelement 20 heraus. Die mittlere Kühlplatte 40 ist beispielsweise mit den zwei anderen Kühlplatten 22 und 24 so verbunden, das die beiden Kammern 42 und 44 bis auf die Anschlüsse jeweils dicht abgeschlossen sind.
Aus 7 ist erkennbar, dass die zwei Kühlkammern durch die drei Kühlplatten 22, 24 und 40 gebildet beziehungsweise begrenzt werden. Bei der siebten Ausführungsform sind die äußeren Kühlplatten 22 und 24 auf ihren jeweiligen, den Kühlkammern zugewandten Seiten eben ausgebildet. Die mittlere Kühlplatte 40 hat beispielsweise Noppen mit Ausprägungen zur einen sowie zur anderen Seite, sodass die beiden Kühlfluide in den auch als Fluidräume bezeichneten Kammern 42 und 44 zwischen den Noppen jeweils in alle Richtungen fließen können, um eine Fluidverteilung vom jeweiligen Einleitanschluss 28 zu der Kühlstruktur 26 und schließlich zu dem jeweiligen Abführanschluss 30 zu ermöglichen. Die die Kammern 42 und 44 durchströmenden Kühlfluide unterscheiden sich beispielsweise voneinander oder sind das gleiche Kühlfluid.
8 zeigt eine achte Ausführungsform der Kühleinrichtung 10. Auch bei der achten Ausführungsform sind zwei Kammern 42 und 44 für jeweilige Kühlfluide vorgesehen. Dabei ist die mittlere Kühlplatte 40 so ausgebildet, dass sie mit den äußeren Kühlplatten 22 und 24 die jeweiligen, beispielsweise als Hohlräume ausgebildeten Kammern 42 und 44 für die Kühlfluide begrenzt beziehungsweise bilden. Die Kühlfluide werden beispielsweise durch die Kammern 42 und 44 senkrecht zur Bildebene von 8 geführt.
Bei der jeweiligen Ausführungsform mit zwei Kühlkammern wird beispielsweise eine erste der Kühlkammern für einen Normalbetrieb verwendet und dabei mit dem entsprechenden Kühlfluid aus einem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs versorgt. Die jeweilige zweite Kühlkammer wird beispielsweise zur Kühlung der jeweiligen Batteriezelle 18 bei einer DC-Ladung genutzt und dabei beispielsweise mit dem entsprechenden Kühlfluid von einer bezüglich des Kraftfahrzeugs externen Ladestation versorgt. Die Kühlung über die Ladestation kann beispielsweise über ein bereits gekühltes Ladekabel der Ladestation erfolgen oder über eine separate Kühlleitung von der Ladestation. Mit anderen Worten kann beispielsweise das zweite Kühlfluid von der Ladestation über ein Ladekabel über eine separate Kühlleitung bereitgestellt und dem Kühlelement 20 zugeführt werden.
Um Vorgaben zum Isolationswiderstand einzuhalten, wird bei Verwendung eines Standardkühlmittels vorgeschlagen, eine Einheit zur Entionisierung des Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf zu integrieren, analog zu einem Brennstoffzellensystem. In weiteren vorteilhaften Ausführungen kann auf diese zusätzliche Einheit verzichtet werden, aber es wird ein alternatives neues Kühlmittel mit niedriger Leitfähigkeit eingesetzt. Hierbei kommt als Kühlmittel beispielsweise ein Transformator-Öl zum Einsatz. Die Nachteile durch die geringere spezifische Wärmekapazität beziehungsweise Wärmeübergangszahl und Einführung eines neuen Kühlmittels wirken sich bei Verwendung einer fahrzeugexternen Kühlung zum Beispiel über die Ladestation nicht entscheidend aus.
9 zeigt eine neunte Ausführungsform, bei welcher beispielsweise in die insbesondere als Pouch-Zelle ausgebildete Batteriezelle 18 eine Kühlstruktur 52 integriert ist. Des Weiteren weist die Batteriezelle 18 eine Kathode 54, eine Anode 56, eine Trennschicht 58 und einen Folienbeutel 60 auf. Die Kühlstruktur 52 ist beispielsweise eine Struktur, die als Abstandshalter sowie als Kühlmittelstruktur dient. Die Kammer für das Kühlmedium wird durch eine zusätzliche Platte oder Folie abgeschlossen, welche beispielsweise in 9 mit 62 bezeichnet ist. Die auch als Kühlmittelstruktur bezeichnete Kühlstruktur 52 könnte als separates Bauteil eingelegt werden oder zum Beispiel in einer oder beider der angrenzenden Platten beziehungsweise Folien eingebracht sein. Hier nicht dargestellt ist die Zuführung und Abführung des Kühlmediums durch die entsprechenden Anschlüsse. Auch die Kühlmittelstruktur ist nur sehr vereinfacht dargestellt. Diese mündet beispielsweise in einen Zulauf oder Ablauf, welcher nicht dargestellt ist.
Aus 10 und 11 ist erkennbar, dass beispielsweise die jeweilige Batteriezelle 18 von einem Rahmen 64 umgeben wird. außerdem sind aus 10 und 11 elektrische Kontaktanschlüsse 66 und 68 der Batteriezelle 18 erkennbar, wobei die Kontaktanschlüsse 66 und 68 oben aus dem Rahmen 64 herausragen. Die Kühlstruktur 26 ist in 10 und 11 nur besonders schematisch dargestellt. Das Kühlfluid fließt vom Einleitanschluss 28 über die Kühlstruktur 26 und insbesondere durch deren Fluidkanäle zum Abführanschluss 30. Die Anschlüsse befinden sich dabei vorzugsweise außerhalb des Bereichs der Batteriezelle 18 an sich, da sie für das Kühlmittel und insbesondere dessen Zu- und Abfuhr zugänglich sein müssen. Die Anschlüsse werden beispielsweise von einem Formteil 70 gebildet, welches die gleiche Dicke hat wie die Batteriezelle 18 und die Kühlstruktur 26 zusammen. Dadurch kann die gesamte Einheit vorteilhaft gestapelt werden. Das Formteil 70 mit den Anschlüssen hat an den beiden Anschlüssen einseitig Dichtungen 72, die beim Stapeln der Einheit das Austreten des Kühlmittels an die Umgebung verhindern. Von den Anschlüssen gibt es jeweils eine Fluidverbindung 74 zur Kühlstruktur 26.
Bei der genauen Ausführung des Aufbaus sind unterschiedliche Integrationsgrade denkbar. Beispielsweise könnten die Batteriezellen 18 separat gefertigt werden und in die Struktur eingelegt werden. Oder die Kühlmittelstruktur wird in die Hülle der Batteriezelle 18 integriert, sowie es beispielsweise in 9 skizziert ist. Dabei würde dann eine Schicht entfallen. Der Rahmen 64 und das Frontteil 70 könnten einstückig miteinander ausgebildet und somit als Einformteil ausgeführt werden.
Der beispielsweise in 10 und 11 dargestellte Aufbau ermöglicht ein kompaktes Stapeln der Batteriezellen 18 mit der Kühlstruktur 26, sodass beispielsweise der in 12 gezeigte Stapel 14 dargestellt werden kann. Beispielsweise umfasst der Stapel 14 fünfzehn Batteriezellen 18. Die elektrische Kontaktierung der Batteriezellen 18 wird über die jeweiligen Kontaktanschlüsse 66 und 68 realisiert. Für die Kühlung wird das Kühlmedium in die verbundenen Einleitanschlüsse 28 geleitet. Von dort fließt das Kühlmittel jeweils durch die einzelnen Kühlstrukturen 26 in den jeweiligen Abführanschluss 30. Die Abführanschlüsse 30 sind ebenfalls miteinander verbunden, sodass das Kühlmittel am Ende abgeführt werden kann. Nicht dargestellt sind zum Beispiel Leitungen und Fluidanschlüsse, die das Kühlmittel zu- und abführen und nach außen abgedichtet sind, sowie eine Abdichtung der Anschlüsse an der dem jeweiligen Fluidanschluss gegenüberliegenden Seite.
Bezugszeichenliste

10: Kühleinrichtung
12: Batterie
14: Stapel
16: Doppelpfeil
18: Batteriezelle
19: Breitseite
20: Kühlelement
22: Kühlplatte
24: Kühlplatte
26: Kühlstruktur
28: Einleitanschluss
30: Abführanschluss
32: Kühlkanäle
34: Erhebungen
36: Kammer
38: Kammer
40: Kühlplatte
42: Kammer
44: Kammer
46: Verteilerstruktur
48: Verteilerstruktur
50: Fluidstruktur
52: Kühlstruktur
54: Kathode
56: Anode
58: Trennschicht
60: Folienbeutel
62: Folie
64: Rahmen
66: Kontaktanschluss
68: Kontaktanschluss
70: Formteil
72: Dichtung
74: Fluidverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008034874 A1 [0002]

Claims

Kühleinrichtung (10) zum Kühlen einer Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer flächigen Batteriezelle (18) zum Speichern von elektrischer Energie, und mit wenigstens einem Kühlelement (20), welches wenigstens eine direkt an einer ebenen Breitseite (19) der Batteriezelle (18) anliegenden erste Kühlplatte (22) und wenigstens eine zweite Kühlplatte (24) aufweist, durch welche wenigstens eine von einem Kühlfluid zum Kühlen der Batteriezelle (18) durchströmbare Kühlstruktur (26) begrenzt ist.
Kühleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid als Gas oder Flüssigkeit ausgebildet ist.
Kühleinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) wenigstens einen Einleitanschluss (28), über welchen das Kühlfluid in das Kühlelement (20) einleitbar ist, und wenigstens einen Abführanschluss (30) aufweist, über welchen das Kühlfluid aus dem Kühlelement (20) abführbar ist.
Kühleinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (26) wenigstens einen von dem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal (32) aufweist, welcher sich durchgängig von dem Einleitanschluss (28) zu dem Abführanschluss (30) erstreckt und zwischen dem Einleitanschluss (28) und dem Abführanschluss (30) für das Kühlfluid dicht ist.
Kühleinrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (26) eine über den Einleitanschluss (28) mit dem Kühlfluid versorgbare Kammer (38) aufweist, aus welcher das Kühlfluid über den Abführanschluss (30) abführbar ist, wobei in der Kammer (38) eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Erhebungen (34) angeordnet sind, welche in ihrer jeweiligen Umfangsrichtung vollständig umlaufend von dem die Kammer (38) durchströmendem Kühlfluid umströmbar sind.
Kühleinrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlplatte (24) ein Teil der Batteriehülle ist.
Kühleinrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend mindestens zwei getrennten Kammern (36, 38, 42, 44), wobei die getrennte Kammern (36, 38, 42, 44) jeweils eigenständig mit einem separaten Kühlmedium versorgbar sind, insbesondere mit unterschiedlichen Kühlmedien.
Kühleinrichtung (10) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung mit Kühlmedien eine erste Kammer (36, 38, 42, 44) mit einem Kühlsystem des Fahrzeugs verbunden ist und eine zweite Kammer (36, 38, 42, 44) mit ein Kühlsystem außerhalb des Fahrzeugs, insbesondere einem Kühlsystem einer Ladestation, verbindbar ist.