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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Batteriekühler, mit zumindest einer solchen Kühlstruktur.
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Um die Temperierung von Fahrzeugbatterien, insbesondere bei Elektrofahrzeugen, gewährleisten zu können, werden diese oftmals durch ein Kühlfluid gekühlt. Dieses Kühlfluid wird dabei in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Zum Wärmeübertrag an die Batterie bzw. generell an den elektrischen Energiespeicher, sind Kühlplatten, üblicherweise auch Grundplatten genannt, vorgesehen, deren Größe und Ausgestaltung von der zu erbringenden Kühlleistung abhängig ist. Sofern die Batterien dabei auf einer Ebene liegen, kann eine einzige, große Kühlplatte verwendet werden, die aus zwei aufeinanderliegenden Blechen gefertigt ist, wobei die beiden aufeinanderliegenden Bleche dicht miteinander verbunden, insbesondere verlötet, sind. Die beiden Bleche enthalten dabei sowohl die Kühlstruktur als auch eine Führung für das Kühlfluid.
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Mit steigender Anzahl der Batterien bzw. ansteigender Leistung werden jedoch die Fertigung, die Montage und auch die Handhabung zunehmend aufwändiger und teurer, da die Größe der Kühlplatte zunimmt. Dies wiederum erfordert große Pressen, insbesondere sofern die Kühlplatten aus Blech hergestellt sind, was indirekt hohe Werkzeugkosten bedingt. Zudem können derartig große Kühlplatten auch nur mit einer vergleichsweise hohen Presskraft hergestellt werden. Durch solche großen Kühlplatten wird zudem auch das Handling, die Logistik, die Lagerung sowie der Transport negativ beeinflusst.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, eine Kühlstruktur zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine bislang einstückige Kühlplatte in unterschiedliche Kühlsegmente aufzuteilen und dadurch diese einzelnen Kühlsegmente nicht nur kleiner und leichter ausgestalten zu können, sondern auch einen wesentliche flexibleren Aufbau einer Kühlstruktur schaffen zu können. Die erfindungsgemäße Kühlstruktur weist dabei eine Grundplatte auf, in der zumindest ein vertiefter Zuleitungskanal und zumindest ein vertiefter Ableitungskanal für Kühlfluid angeordnet sind. „Vertieft“ kann in diesem Sinne auch eingeprägt oder erhaben sein, sofern die Grundplatte von der anderen Seite aus betrachtet wird. Hergestellt wird eine derartige Grundplatte üblicherweise aus einem Blech, welches mittels entsprechender Pressen umgeformt wird. Die erfindungsgemäße Kühlstruktur weist zudem zumindest zwei Abdeckelemente auf, wovon eines den Zuleitungskanal und ein anderes den Ableitungskanal abdeckt, wobei in dem Abdeckelement des Zuleitungskanals zumindest eine Einlassöffnung und in dem Abdeckelement des Ableitungskanals zumindest eine Auslassöffnung angeordnet ist. Diese Abdeckelemente können auch als segmentiert, das heißt beispielsweise als Abdeckelementsegmente, ausgeführt werden. Darüber hinaus vorgesehen ist zumindest ein Kühlsegment, welches auf der Grundplatte aufliegt und zusammen mit dieser einen Strömungsraum für das Kühlfluid begrenzt, wobei das zumindest eine Kühlsegment einen über das Abdeckelement des Zuleitungskanals ragenden ersten Fortsatz und einen über das Abdeckelement des Ableitungskanals ragenden zweiten Fortsatz aufweist. Die Grundplatte, die Abdeckelemente sowie das zumindest eine Kühlsegment sind dabei dicht miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet, um einen fluiddichten Strömungsraum für das Kühlfluid zu begrenzen. In den Abdeckelementen sind dabei im Bereich des ersten und zweiten Fortsatzes jeweils zumindest eine Einlassöffnung oder Auslassöffnung angeordnet, so dass das Kühlfluid über den Zuführkanal, die Einlassöffnung im Abdeckelement des Zuführkanals und den ersten Fortsatz in den Strömungsraum zwischen dem Kühlsegment zuführbar ist und von dort über den zweiten Fortsatz, die Auslassöffnung im Abdeckelement des Abführkanals und den Abführkanal wieder abgeführt werden kann. Durch die segmentierte Ausbildung der Kühlsegmente können zur Herstellung derselben deutlich kleinere Presswerkzeuge und damit auch deutlich kostengünstigere Werkzeuge eingesetzt werden, was dazu beiträgt, die Herstellungskosten der gesamten Kühlstruktur zu reduzieren. Zudem kann auch ein modularer Aufbau erreicht werden, da je nach Kühlanforderung unterschiedlich viele Kühlsegmente an der Grundplatte befestigbar sind. Durch die im Vergleich zu einer einstückigen gro-ßen Kühlplatte auch deutlich kleineren Kühlsegmente, verbessert sich zudem das Handling, wobei auch die Lager- und Logistikkosten sowie die Transportkosten gesenkt werden können. Insgesamt hat sich auch gezeigt, dass mit den erfindungsgemäßen Kühlsegmenten eine Materialeinsparung einhergeht, wodurch zusätzlich eine Ressourcenschonung bewirkt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Grundplatte, die Abdeckelemente und das zumindest eine Kühlsegment stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise verlötet, verschweißt oder verklebt. Vorzugsweise ist dabei zumindest die Grundplatte aus einem metallischen oder teilweise aus einem metallischen (z.B. durch Hybridbauteile aus Kunststoff und Metall) und damit gut wärmeübertragenden Werkstoff ausgebildet, beispielsweise Aluminium, so dass es sich anbietet, auch die Abdeckelemente und das zumindest eine Kühlsegment aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Aluminium, auszubilden, um dadurch beispielsweise ein Verlöten zu erleichtern. Alternativ ist selbstverständlich auch vorstellbar, dass eine fluiddichte Verbindung zwischen der Grundplatte, den Abdeckelementen und dem zumindest einen Kühlsegment mittels eines entsprechenden Klebstoffs hergestellt wird. Auch denkbar ist eine Kombination aus formschlüssigen (z.B. Falzen, Biegen) und stoffschlüssigen Verbindungen oder unterschiedlichen stoffschlüssigen Verbindungen.
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Zweckmäßig weist die Grundplatte auf ihrer dem zumindest einen Kühlsegment abgewandten Seite eine vorzugsweise durchgehende, ebene Fläche auf. Über diese Fläche erfolgt eine Kontaktierung mit dem zu kühlenden elektrischen Energiespeicher, wodurch eine möglichst hohe Wärmeübertragefläche von Vorteil ist. Durch die Ausführungsform der Grundplatte auf ihrer dem zumindest einen Kühlsegment abgewandten Seite als durchgehende Fläche, kann eine vergleichsweise große Wärmeübertragerfläche und damit eine hohe Leistung erzielt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest ein Endstück vorgesehen, welches mit der Grundplatte dicht verbunden ist und zusammen mit dieser einen Zulaufstutzen oder einen Ablaufstutzen bildet. Über einen derartigen Zulaufstutzen kann beispielsweise das Kühlfluid in die Kühlstruktur eingeleitet werden. Die dichte Verbindung zwischen dem Endstück und der Grundplatte erfolgt dabei vorzugsweise ebenfalls über eine Verlöten bzw. ein Verkleben.
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Zweckmäßig besitzt zumindest ein Abdeckelement Einprägungen, über welche es sich an einem Boden des Zuleitungskanals oder des Ableitungskanal abstützt und/oder dort mit der Grundplatte verbunden ist. Über diese Einprägungen kann somit eine Art Abstandshalter geschaffen werden, der einen vordefinierten Strömungsquerschnitt des Zuleitungskanals bzw. des Ableitungskanals zuverlässig gewährleistet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das Abdeckelement an der Seite der Einprägungen lotplattiert ist, so dass bei einem Verlöten der Kühlstruktur das Abdeckelement über seine Einprägungen mit der Grundplatte verlötet wird und diese dadurch zusätzlich aussteift.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind zumindest ein erstes Kühlsegment und ein zweites Kühlsegment vorgesehen, wobei eine Einlassöffnung zum ersten Kühlsegment einen größeren oder kleineren Durchtrittsquerschnitt aufweist, als die Einlassöffnung zum zweiten Kühlsegment. Durch die Größe der jeweiligen Einlassöffnung kann somit eine Drosselung der Strömung des Kühlfluides erreicht werden. In analoger Weise kann selbstverständlich auch ein Durchtrittsquerschnitt an entsprechenden Auslassöffnungen variiert und dadurch eine Strömung des Kühlfluides gesteuert werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Batteriekühler für ein Elektrofahrzeug, mit einer solchen Kühlstruktur auszustatten. Hierdurch kann erreicht werden, dass die in den vorherigen Absätzen beschriebenen Vorteile der Kühlstruktur auch auf den Wärmeübertrager bzw. das Elektrofahrzeug übertragen werden können.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Kühlstruktur entsprechend dem Stand der Technik,
- 2 eine Grundplatte sowie zugehörige Abdeckelemente einer erfindungsgemäßen Kühlstruktur,
- 3 eine Detaildarstellung aus 2 mit auf einem Zuleitungskanal oder einem Ableitungskanal angeordnetem Abdeckelement,
- 4 eine Grundplatte mit darauf angeordneten Abdeckelementen und Kühlsegmenten in einer Explosionsdarstellung,
- 5 die Kühlsegmente in auf der Grundplatte und den Abdeckelementen montiertem Zustand,
- 6 Endstücke für die Kühlstruktur in noch nicht montiertem Zustand,
- 7 eine Darstellung wie in 6, jedoch bei montierten Endstücken,
- 8 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Kühlstruktur im Bereich eines Zuleitungskanals oder Ableitungskanals,
- 9 eine weitere Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Kühlstruktur,
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10 eine Darstellung mit einem Abdeckelementsegment. Entsprechend der 1 ist eine Kühlstruktur 1' aus dem Stand der Technik dargestellt, mit einer Grundplatte 2' und einer damit verbindbaren Kühlplatte 3'. Wie der 1 dabei zu entnehmen ist, ist die Kühlplatte 3' als durchgängiges Bauteil ausgebildet, insbesondere als Blechformteil und dementsprechend groß, schwer und schwierig im Handling.
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Erfindungsgemäß weist deshalb die Kühlstruktur 1, wie diese in den 2 bis 9 dargestellt ist, eine Grundplatte 2 auf, in welcher zumindest ein vertiefter Zuleitungskanal 4 und zumindest ein vertiefter Ableitungskanal 5 für ein Kühlfluid angeordnet sind. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass der Zuleitungskanal 4 und der Ableitungskanal 5 genau anders herum angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen sind zumindest zwei Abdeckelemente 6, 7, wovon ein Abdeckelement 6 den Zuleitungskanal 4 und ein Abdeckelement 7 den Ableitungskanal 5 abdeckt und wobei in dem Abdeckelement 6 des Zuleitungskanals 4 zumindest eine Einlassöffnung 8 und in dem Abdeckelement 7 des Ableitungskanals 5 zumindest eine Auslassöffnung 9 vorgesehen sind. Das jeweilige Abdeckelement 6, 7 deckt dabei den zugehörigen Kanal 4, 5 ab bzw. bildet diesen zusammen mit der Grundplatte 2.
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Betrachtet man nun die 4 bis 9, so kann man erkennen, dass im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Kühlstruktur 1', bei der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1 zumindest ein Kühlsegment 10 vorgesehen ist, welches auf der Grundplatte 2 aufliegt und zusammen mit dieser einen Strömungsraum 11 (vgl. insbesondere 8) für das Kühlfluid begrenzt, wobei das zumindest eine Kühlsegment 10 einen über das Abdeckelement 6 des Zuleitungskanals 4 ragenden ersten Fortsatz 12 und einen über das Abdeckelement 7 des Ableitungskanals 5 ragenden zweiten Fortsatz 13 aufweist. Die Fortsätze 12, 13 sind dabei an einem umlaufenden Rand mit dem zugehörigen Abdeckelement 6, 7 dicht verbunden und ermöglichen so eine Zuleitung von Kühlfluid in das Kühlsegment 10 oder eine Ableitung von Kühlfluid aus diesem. Die Grundplatte 2, die Abdeckelemente 6, 7 sowie die Kühlsegmente 10, gemäß der 4 beispielsweise fünf Kühlsegmente 10, sind dabei dicht miteinander verbunden, beispielsweise verlötet oder verklebt oder verschweißt und dichten dadurch den innenliegenden Strömungsraum 11 nach außen ab. In den Abdeckelementen 6, 7 ist im Bereich des jeweils ersten und zweiten Fortsatzes 12, 13 des jeweiligen Kühlsegments 10 eine Einlassöffnung 8 oder eine Auslassöffnung 9 vorgesehen, so dass das Kühlfluid über den Zuführkanal 4, die Einlassöffnung 8 im Abdeckelement 6 und den ersten Fortsatz 12 in den Strömungsraum 11 zwischen dem Kühlsegment 10 und dem Grundplatte 2 zuführbar ist und von dort über den zweiten Fortsatz 13, die Auslassöffnung 9 im Abdeckelement 7 des Abführkanals 5 und den Abführkanal 5 wieder abgeführt werden kann. Durch die Segmentierung der Kühlsegmente 10 im Vergleich zu der bislang aus dem Stand der Technik bekannten einstückigen Kühlplatte 3' können wesentliche Vorteile erzielt werden, nämlich beispielsweise eine Resourcenschonung durch eine Materialersparnis, ein verbessertes Handling durch kleinere Abmessungen und geringeres Gewicht, reduzierte Lager-, Logistik- und Transportkosten sowie eine erhöhte Flexibilität hinsichtlich des Zusammenbaus der Kühlstruktur 1.
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Die Grundplatte 2, zumindest ein Abdeckelement 6, 7 und/oder zumindest ein Kühlsegment 10 können dabei als Blechformteil ausgebildet sein, beispielsweise aus Aluminium, und dadurch vergleichsweise leicht bauen. Bei einer Ausbildung sowohl der Grundplatte 2 als auch der Kühlsegmente 10 und der Abdeckelemente 6, 7 ist auch ein vergleichsweise einfaches Verbinden miteinander, beispielsweise durch ein Verlöten, denkbar. Alternativ ist auch denkbar, dass beispielsweise die Kühlsegmente 10 und/oder die Abdeckelemente 6, 7 als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet sind. Die Grundplatte 2 hingegen sollte vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein, da an der Grundplatte 2 ein zu kühlender elektrischer Energiespeicher direkt anliegt und deshalb eine Wärmeübertragung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Kühlstruktur 1 optimal gestaltet sein sollte. Die Grundplatte 2 weist auf ihrer dem zumindest einen Kühlsegment 10 abgewandten Seite 14 eine vorzugsweise durchgehende ebene Fläche auf, um wiederum eine möglichst große Wärmeübertragungskontaktfläche zum elektrischen Energiespeicher bzw. zu einer zu kühlenden zu temperierenden Komponente schaffen zu können.
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Betrachtet man die 6 und 7, so kann man dort erkennen, dass zusätzlich Endstücke 15 vorgesehen sind, die mit der Grundplatte 2 dicht verbunden werden können und zusammen mit dieser einen Zulaufstutzen 16 oder einen Ablaufstutzen 17 bilden. Hierdurch kann ein Anschluss der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1 an einen Kühlkreislauf vergleichsweise einfach gestaltet werden. Betrachtet man das Abdeckelement 6, 7 näher, so kann man insbesondere aus den 3 sowie 8 und 9 erkennen, dass das dort gezeigte Abdeckelement 6 Einprägungen 18 aufweist, über welche es sich an einem Boden 19 des Zuleitungskanals 4 oder im anderen Fall an einem Boden des Ableitungskanals 5 abstützt und/oder dort mit der Grundplatte 2 verbunden, beispielsweise verlötet oder verklebt ist. Das Abdeckelement 6, 7 kann beispielsweise als 0,5 mm dicker Blechstreifen oder aber auch als Kunststoffteil ausgebildet sein. Um eine individuelle Kühlleistung der einzelnen Kühlsegmente 10 erreichen zu können, kann darüber hinaus vorgesehen sein, einzelne Einlassöffnungen 8 und/oder einzelne Auslassöffnungen 9 unterschiedlich groß zu gestalten und dadurch eine Drossel bzw. einen unterschiedlichen Strömungswiderstand in den jeweiligen Öffnungen 8, 9 zu realisieren. Hierdurch lässt sich auch eine bereichsweise stärkere bzw. schwächere Kühlung problemlos erreichen.
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Betrachtet man noch die 10, so kann man in dieser erkennen, dass das Abdeckelement 6 als Abdeckelementsegment 6a ausgeführt ist. Das Abdeckelementsegment 6a ist dabei in einer komplementär dazu ausgebildeten Ausnehmung 22 der Grundplatte 2 angeordnet. Hierdurch ist es möglich, segmentierte Abschnitte zu schaffen und insbesondere das Abdeckelement 6 nicht über die gesamte Grundplatte 2 zu führen.
Mit der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1 lässt sich auch ein bislang für die Kühlplatte 3' erforderliches und vergleichsweise großes und teures Presswerkzeug durch ein deutlich kleineres Presswerkzeug ersetzen, so dass neben den Werkzeugkosten auch die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Kühlstruktur 1 im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Kühlstruktur 1' geringer sind. Die einzelnen Einlassöffnungen 8 bzw. Auslassöffnungen 9 können dabei individuell in die einzelnen Abdeckelemente 6, 7 eingebracht werden, wodurch sich die erfindungsgemäße Kühlstruktur 1 äußerst flexibel an unterschiedliche Kühlanforderungen und Kühlleistungen anpassen lässt. Wie insbesondere der 2 auch zu entnehmen ist, können die Abdeckungen 6, 7 und damit auch die zugehörigen Zuleitungskanäle 4 bzw. Ableitungskanäle 5 nahezu jede beliebige Form, insbesondere auch eine mäandrierende Form, aufweisen. Mit den erfindungsgemäßen Kühlsegmenten 10 lässt sich zudem auch eine erhebliche Materialersparnis erreichen, was sich positiv auf die zur Verfügung stehenden Ressourcen auswirkt. Eine derartige erfindungsgemäße Kühlstruktur 1 kann beispielsweise Bestandteil eines Wärmeübertragers 20 sein, der wiederum in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug 21 zum Einsatz kommt.
