DE102018213547A1 - Cooling unit for a cooling device for cooling a battery, cooling device and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit (10) für eine Kühlvorrichtung (38) zum Kühlen einer Batterie, mit einem Sammelblock (12), der einen ersten Hauptanschluss (18) zum Anschließen einer Kühlmittelzuführleitung (22) aufweist und einen zweiten Hauptanschluss (20) zum Anschließen einer Kühlmittelabführleitung (24), sowie mindestens einen ersten und zweiten Kühlelementanschluss (26, 28) aufweist. Weiterhin weist die Kühleinheit (10) ein mit einem Kühlmittel durchströmbares erstes Kühlelement (14, 16) zum Kühlen zumindest einer Seite eines ersten Batteriemoduls (30) der Batterie auf, wobei das erste Kühlelement (14, 16) einen ersten Anschluss (26) zur Zuführung des Kühlmittels in das erste Kühlelement (14, 16) und einen zweiten Anschluss (28) zum Abführen des Kühlmittels aus dem ersten Kühlelement (14, 16) aufweist, und wobei der erste Anschluss (26) des ersten Kühlelements (14, 16) unmittelbar mit dem ersten Kühlelementanschluss (26) des Sammelblocks (12) verbunden ist und der zweite Anschluss (28) des Kühlelements (14, 16) unmittelbar mit dem zweiten Kühlelementanschluss (28) verbunden ist.The invention relates to a cooling unit (10) for a cooling device (38) for cooling a battery, comprising a collecting block (12) which has a first main connection (18) for connecting a coolant supply line (22) and a second main connection (20) for connecting a coolant discharge line (24) and at least one first and second cooling element connection (26, 28). Furthermore, the cooling unit (10) has a first cooling element (14, 16) through which a coolant can flow for cooling at least one side of a first battery module (30) of the battery, the first cooling element (14, 16) having a first connection (26) Feeding the coolant into the first cooling element (14, 16) and a second connection (28) for removing the coolant from the first cooling element (14, 16), and wherein the first connection (26) of the first cooling element (14, 16) is directly connected to the first cooling element connection (26) of the collecting block (12) and the second connection (28) of the cooling element (14, 16) is connected directly to the second cooling element connection (28).
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit für eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie, wobei die Kühleinheit einen Sammelblock aufweist, der einen ersten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelzuführleitung aufweist und einen zweiten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelabführleitung aufweist. Dabei weist der Sammelblock weiterhin mindestens einen ersten Kühlelementanschluss und mindestens einen zweiten Kühlelementanschluss auf. Zur Erfindung gehören auch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung.The invention relates to a cooling unit for a cooling device for cooling a battery, the cooling unit having a collecting block which has a first main connection for connecting a coolant supply line and a second main connection for connecting a coolant discharge line. The collector block also has at least one first cooling element connection and at least one second cooling element connection. The invention also includes a cooling device for cooling a battery and a motor vehicle with a cooling device.
Zur Temperierung von Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere Traktionsbatterien, werden diese in den meisten Fällen ein- oder zweiseitig mittels einer mit Kanälen ausgestatteten Platte in Kontakt gebracht. Diese Platten werden mittels angeschlossener Verteilerleitungen mit der Hauptleitung verbunden, wodurch unzählige Verbindungsstellen auftreten, welche potentielle Undichtigkeitsstellen darstellen.For the temperature control of motor vehicle batteries, in particular traction batteries, in most cases they are brought into contact on one or two sides by means of a plate equipped with channels. These plates are connected to the main line by means of connected distribution lines, which leads to innumerable connection points which represent potential leakage points.
Wird die Traktionsbatterie flächig von einer Seite gekühlt, so entsteht hierbei bei den üblichen Batteriedicken ein nicht zu vernachlässigender Temperaturgradient über die Batteriedicke ausgehend von der Temperierplatte, welcher sich negativ auf die maximal mögliche Kühlleistung auswirkt und durch thermische Inhomogenitäten die Lebensdauer der Batterie mindert. Im Falle einer beidseitigen Temperierung der Traktionsbatterie ist der über die Batteriedicke entstehende Temperaturgradient gegenüber der einseitigen Temperierung wesentlich vermindert. Jedoch ist aufgrund der doppelten Anzahl an Temperierplatten nun hierbei jedoch auch der doppelte Aufwand hinsichtlich der Verbindungstechnik zu betreiben.If the traction battery is cooled flatly from one side, a not inconsiderable temperature gradient across the battery thickness starting from the temperature control plate arises with the usual battery thicknesses, which has a negative effect on the maximum possible cooling capacity and reduces the service life of the battery due to thermal inhomogeneities. In the case of temperature control on both sides of the traction battery, the temperature gradient that arises over the battery thickness is significantly reduced compared to temperature control on one side. However, due to the double number of temperature control plates, double the effort with regard to the connection technology has to be carried out.
Die
Weiterhin beschreibt die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinheit für eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie, eine Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche hinsichtlich der Verbindungstechnik möglichst einfach ausgestaltet werden können.The object of the present invention is therefore to provide a cooling unit for a cooling device for cooling a battery, a cooling device and a motor vehicle, which can be designed as simply as possible with regard to the connection technology.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühleinheit für eine Kühlvorrichtung, durch eine Kühlvorrichtung und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.This object is achieved by a cooling unit for a cooling device, by a cooling device and by a motor vehicle with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Kühleinheit für eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie weist einen Sammelblock auf, der einen ersten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelzuführleitung aufweist und einen zweiten Hauptanschluss zum Anschließen einer Kühlmittelabführleitung. Weiterhin weist der Sammelblock mindestens einen ersten Kühlelementanschluss auf und mindestens einen zweiten Kühlelementanschluss. Darüber hinaus umfasst die Kühleinheit ein mit einem Kühlmittel durchströmbares erstes Kühlelement zum Kühlen zumindest einer Seite eines ersten Batteriemoduls der Batterie, wobei das erste Kühlelement einen ersten Anschluss zur Zuführung des Kühlmittels in das erste Kühlelement und einen zweiten Anschluss zum Abführen des Kühlmittels aus dem ersten Kühlelement aufweist, wobei der erste Anschluss des ersten Kühlelements unmittelbar mit dem ersten Kühlelementanschluss des Sammelblocks verbunden ist und der zweite Anschluss des Kühlelements unmittelbar mit dem zweiten Kühlelementanschluss des Sammelblocks verbunden ist.A cooling unit according to the invention for a cooling device for cooling a battery has a collecting block which has a first main connection for connecting a coolant supply line and a second main connection for connecting a coolant discharge line. Furthermore, the collecting block has at least one first cooling element connection and at least one second cooling element connection. In addition, the cooling unit comprises a first cooling element through which a coolant can flow, for cooling at least one side of a first battery module of the battery, the first cooling element having a first connection for supplying the coolant into the first cooling element and a second connection for removing the coolant from the first cooling element The first connection of the first cooling element is connected directly to the first cooling element connection of the collecting block and the second connection of the cooling element is connected directly to the second cooling element connection of the collecting block.
Dadurch, dass die jeweiligen Anschlüsse des ersten Kühlelements direkt am Sammelblock angebunden sind, entfallen vorteilhafterweise separat gefertigte und dazwischen befindliche Rohre oder Leitungen, wodurch sich die Anzahl an Verbindungsstellen reduzieren lässt und damit auch vorteilhafterweise der Aufwand hinsichtlich der Verbindungs- und Abdichtungstechnik.The fact that the respective connections of the first cooling element are connected directly to the collecting block advantageously means that there are no separately manufactured pipes or lines between them, as a result of which the number of connection points can be reduced and thus also advantageously the effort in connection and sealing technology.
Für eine Kühlvorrichtung können mehrere solche Kühleinheiten verwendet werden. Eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie oder Traktionsbatterie, die mittels einer solchen Kühlvorrichtung gekühlt werden soll, kann beispielsweise mehrere Batteriemodule umfassen, wobei ein jeweiliges Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle umfasst. Vorzugsweise umfasst jedes Batteriemodul jedoch mehrere Batteriezellen. Weiterhin kann einem jeweiligen solchen Batteriemodul ein entsprechendes Kühlelement, welches beispielsweise als Kühlplatte ausgebildet sein kann, zugeordnet sein. Zudem kann pro Kühlelement ein entsprechender Sammelblock vorgesehen sein, oder auch beispielsweise je zwei Kühlelemente, d.h. also je zwei Batteriemodule, ein entsprechender Sammelblock. Ein Sammelblock kann auch mehreren Batteriemodulen, insbesondere mehr als zwei Batteriemodulen zugeordnet sein. Besonders vorteilhafte Anordnungsmöglichkeiten ergeben sich jedoch, wenn einem jeweiligen Sammelblock höchstens zwei Batteriemodulen, insbesondere genau zwei Batteriemodule, zugeordnet sind.Several such cooling units can be used for a cooling device. A battery, in particular a high-voltage battery or traction battery, which is to be cooled by means of such a cooling device, can comprise, for example, a plurality of battery modules, a respective battery module comprising at least one battery cell, for example a lithium-ion cell. However, each battery module preferably comprises a plurality of battery cells. Furthermore, a corresponding cooling element, which can be designed, for example, as a cooling plate, can be assigned to a respective such battery module. In addition, a corresponding collecting block can be provided for each cooling element, or, for example, two cooling elements each, i.e. So two battery modules each, a corresponding collector block. A collecting block can also be assigned to several battery modules, in particular more than two battery modules. Particularly advantageous arrangement possibilities arise, however, if at most two battery modules, in particular exactly two battery modules, are assigned to a respective collector block.
Weiterhin ist der Sammelblock vorzugsweise so ausgebildet, dass über den ersten Hauptanschluss zu geführtes Kühlmittel über den ersten Kühlelementanschluss dem ersten Kühlelement zuführbar ist, wobei das Kühlmittel weiterhin nach Durchlaufen dieses ersten Kühlelements wiederum über den zweiten Kühlelementanschluss des Sammelblocks in den Sammelblock und über diesen, insbesondere über den zweiten Hauptanschluss über die Kühlmittelabführleitung abführbar ist.Furthermore, the collecting block is preferably designed in such a way that coolant to be supplied via the first main connection can be supplied to the first cooling element via the first cooling element connection, the coolant continuing to pass through this first cooling element in turn via the second cooling element connection of the collecting block into the collecting block and via this, in particular can be discharged via the second main connection via the coolant discharge line.
Weiterhin ist das erste Kühlelement fix am Sammelblock angebunden, zum Beispiel mittels einer stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen, und insbesondere dichten, Verbindung. Eine solche Verbindung kann zum Beispiel mittels Schweißen, Stecken und/oder Verschrauben bereitgestellt sein.Furthermore, the first cooling element is fixedly connected to the collecting block, for example by means of a cohesive and / or non-positive and / or positive, and in particular tight, connection. Such a connection can be provided, for example, by means of welding, plugging and / or screwing.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühleinheit ein mit einem Kühlmittel durchströmbares zweites Kühlelement zum Kühlen zumindest einer Seite eines zweiten Batteriemoduls der Batterie auf, wobei das zweite Kühlelement einen ersten Anschluss zur Zuführung des Kühlmittels in das zweite Kühlelement und einen zweiten Anschluss zum Abführen des Kühlmittels aus dem zweiten Kühlelement aufweist, und wobei der Sammelblock weiterhin mindestens einen dritten Kühlelementanschluss aufweist, der unmittelbar mit dem ersten Anschluss des zweiten Kühlelements verbunden ist, und einen vierten Kühlelementanschluss, der unmittelbar mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kühlelements verbunden ist. Auch hierbei ist unmittelbar verbunden so zu verstehen, dass das zweite Kühlelement ohne irgendwelche separat gefertigte und dazwischen befindliche Rohre oder Leitungen direkt am Sammelblock angeordnet ist.In an advantageous embodiment of the invention, the cooling unit has a second cooling element through which a coolant can flow for cooling at least one side of a second battery module of the battery, the second cooling element having a first connection for supplying the coolant to the second cooling element and a second connection for removing the Has coolant from the second cooling element, and wherein the collecting block further comprises at least a third cooling element connection, which is connected directly to the first connection of the second cooling element, and a fourth cooling element connection, which is connected directly to the second connection of the second cooling element. Here, too, it is to be understood as directly connected that the second cooling element is arranged directly on the collecting block without any separately manufactured pipes or lines between them.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform sind also nun zwei Kühlelemente an einem gemeinsamen Sammelblock angeschlossen. Das erste und das zweite Kühlelement können beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Sammelblocks angeordnet sein. Beispielsweise können zunächst das erste Kühlelement, dann der Sammelblock, dann das zweite Kühlelement entlang einer x-Richtung, die zu einer Fahrzeugquerachse korrespondiert, angeordnet sein, und dann entsprechend mehrere solche Kühleinheiten zueinander aneinandergereiht in einer y-Richtung angeordnet sein, welche zum Beispiel zur Fahrzeuglängsachse korrespondiert. Die einzelnen Sammelblöcke sind somit entlang eines Mitteltunnels des Fahrzeugs angeordnet, in welchem auch die Hauptleitungen, das heißt die Kühlmittelzuführleitung und die Kühlmittelabführleitung, verlaufen. Hierdurch wird ein besonders kompakter und verbindungstechnisch besonders effizienter Aufbau ermöglicht.According to this advantageous embodiment, two cooling elements are now connected to a common collecting block. The first and the second cooling element can, for example, be arranged on opposite sides of the collecting block. For example, first the first cooling element, then the collecting block, then the second cooling element can be arranged along an x-direction, which corresponds to a vehicle transverse axis, and then correspondingly several such cooling units can be arranged in a row in a y-direction, which, for example, for The vehicle's longitudinal axis corresponds. The individual collecting blocks are thus arranged along a center tunnel of the vehicle, in which the main lines, that is to say the coolant supply line and the coolant discharge line, also run. This enables a particularly compact and connection-wise particularly efficient construction.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste und/oder zweite Kühlelement eine erste Seite, eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite und eine die erste und zweite Seite verbindende dritte Seite auf, wobei mindestens ein Kühlkanal die erste, dritte und zweite Seite durchläuft, insbesondere wobei mehrere Kühlkanäle, die parallel zueinander angeordnet sind, jeweils die erste, dritte und zweite Seite durchlaufen.In a further advantageous embodiment of the invention, the first and / or second cooling element has a first side, a second side opposite the first side and a third side connecting the first and second side, at least one cooling duct running through the first, third and second side , in particular wherein a plurality of cooling channels which are arranged parallel to one another each pass through the first, third and second side.
Die Kühlelemente können jeweils U-förmig ausgebildet sein, mit einer Oberseite, einer gegenüberliegenden Unterseite und einer an die Oberhand und Unterseite angrenzende und diese verbindenden Rückseite. Entsprechend kann in einem so ausgebildeten Kühlelement ein Batteriemodul angeordnet werden, dass dann somit vorteilhafterweise auf 3 Seiten, zum Beispiel einer Oberseite, einer Unterseite und einer Rückseite, gleichzeitig gekühlt werden kann. Dadurch kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr bereitgestellt werden und vor allem kann hierdurch auch ein zu starker Temperaturgradient von einer Seite eines Batteriemoduls zur gegenüberliegenden vermieden werden, wie dies zum Beispiel bei einer nur einseitigen Kühlung der Fall wäre. Sind die Batteriemodule, die mittels der erfindungsgemäßen Kühleinheit oder ihren Ausführungsformen zu kühlen sind, jedoch relativ flach ausgebildet, so kann dennoch auch nur eine einseitige Kühlung der jeweiligen Batteriemodulen vorgesehen sein. Bei der beidseitigen Kühlung mittels der hier beschriebenen U-förmigen Kühlelemente ist es weiterhin bevorzugt, dass die Kühlkanäle beispielsweise in Strömungsrichtung betrachtet zunächst die Oberseite des jeweiligen Kühlelements in Richtung der Rückseite durchlaufen, insbesondere geradlinig, dann die Rückseite, insbesondere ebenfalls geradlinig, und dann die Unterseite, insbesondere wiederum geradlinig. Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass die Kühlkanäle in den jeweiligen Seiten der des Kühlelements geradlinig und parallel zueinander verlaufen, entsprechend also ebenfalls U-förmig, denn dadurch lässt sich das Strömungsverhalten des Kühlmediums bzw. des Kühlmittels optimieren. Dies ist insbesondere dann von besonders großem Vorteil, wenn als Kühlmittel zum Beispiel CO2 (Kohlenstoffdioxid) verwendet wird, wobei CO2 vorteilhafterweise sowohl flüssig als Kühlmittel im regulären Betrieb, als beispielsweise auch gasförmig als Löschmittel im Notfall verwendet werden kann, wie dies später noch detaillierter beschrieben wird. Durch die oben beschriebene Ausbildung der jeweiligen Kühlkanäle können die Zustände des CO2, das heißt flüssig und/oder gasförmig, strömungsoptimiert gesteuert werden.The cooling elements can each be U-shaped, with an upper side, an opposite lower side and a rear side adjacent to the upper hand and lower side and connecting these. Correspondingly, a battery module can be arranged in a cooling element designed in this way, which can then advantageously be cooled simultaneously on 3 sides, for example an upper side, a lower side and a rear side. As a result, particularly efficient heat dissipation can be provided and, above all, an excessive temperature gradient from one side of a battery module to the opposite can be avoided, as would be the case, for example, if the cooling were only on one side. However, if the battery modules which are to be cooled by means of the cooling unit according to the invention or their embodiments are relatively flat, only one-sided cooling of the respective battery modules can also be provided. In the case of cooling on both sides by means of the U-shaped cooling elements described here, it is further preferred that the cooling channels, for example in the direction of flow, initially look at the top of the pass through the respective cooling element in the direction of the back, in particular in a straight line, then in the back, in particular also in a straight line, and then in the bottom, in particular again in a straight line. In other words, it is preferred that the cooling channels in the respective sides of the cooling element run rectilinearly and parallel to one another, ie accordingly also in a U-shape, because this allows the flow behavior of the cooling medium or the coolant to be optimized. This is particularly of great advantage if, for example, CO2 (carbon dioxide) is used as the coolant, where CO2 can advantageously be used both as a coolant in regular operation and, for example, in gaseous form as an extinguishing agent in an emergency, as will be described in more detail later becomes. The above-described design of the respective cooling channels allows the states of the CO2, that is to say liquid and / or gaseous, to be controlled in a flow-optimized manner.
Die einzelnen Kühlkanäle in einem Kühlelement können im Bereich des ersten und zweiten Anschlusses des Kühlelements zu diesem jeweiligen Anschluss zusammengeführt werden und somit an den Sammelblock angebunden werden oder auch als einzelne Kanäle über einen jeweiligen Anschluss in den Sammelblock münden.The individual cooling channels in a cooling element can be brought together in the area of the first and second connection of the cooling element to form this respective connection and thus be connected to the collecting block or also open into the collecting block as individual channels via a respective connection.
Bei einer beidseitigen Kühlung der Batteriemodule durch diese U-förmige Ausbildung der jeweiligen Kühlelemente ist damit vorteilhafterweise ebenfalls kein erhöhter Anschluss- und/oder Verbindungsaufwand erforderlich, sondern es sind ebenfalls nur zwei Anschlüsse pro Kühlelement und damit pro Batteriemodul erforderlich, so dass der Verbindungsaufwand der gleiche ist, wie bei einer nur einseitigen Kühlung.When the battery modules are cooled on both sides by this U-shaped design of the respective cooling elements, advantageously no increased connection and / or connection effort is therefore also required, but only two connections per cooling element and thus per battery module are also required, so that the connection effort is the same is like a one-sided cooling.
Nichtsdestoweniger kann, wie bereits erwähnt, auch nur eine einseitige Kühlung der jeweiligen Batteriemodule vorgesehen sein. Dies lässt sich beispielsweise dadurch bewerkstelligen, indem die jeweiligen Kühlelemente als einfache Kühlplatten, also als ebene Platten, ausgebildet sind. Die Kühlkanäle in einer solchen jeweiligen Platte können dann in einer Ebene verlaufen, zum Beispiel U-förmig in der Ebene. Entsprechend weist dann eine jeweilige solche Kühlplatte ebenfalls zwei Anschlusselemente, eines für die Zuführung des Kühlmittels und einer für die Abführung des Kühlmittels auf.Nevertheless, as already mentioned, only one-sided cooling of the respective battery modules can be provided. This can be accomplished, for example, by designing the respective cooling elements as simple cooling plates, that is to say as flat plates. The cooling channels in such a respective plate can then run in one plane, for example in a U-shape in the plane. Correspondingly, such a cooling plate also has two connection elements, one for the supply of the coolant and one for the discharge of the coolant.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, ist eine solche einseitige Kühlung besonders vorteilhaft, wenn die zu kühlenden Batteriemodule relativ flach sind. Durch eine solche einseitige Kühlung lässt sich dann der konstruktive Aufwand vorteilhafterweise reduzieren und auch die Montage vereinfachen.As also already mentioned, such a one-sided cooling is particularly advantageous if the battery modules to be cooled are relatively flat. Such a one-sided cooling can then advantageously reduce the design effort and also simplify assembly.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Sammelblock ein Gehäuse auf, das zumindest eine einteilig ausgebildete Außenseite aufweist, welche den ersten und zweiten Hauptanschluss und den ersten und den zweiten Kühlelementanschluss bereitstellt. Sind pro Sammelblock zwei Kühlelemente vorgesehen, so stellt das die einteilige Außenseite des Gehäuses des Sammelblocks zudem auch den dritten und den vierten Kühlelementanschluss bereit. Durch die einteilige bzw. einstückige Ausbildung des Sammelblocks bzw. dessen Außenseite müssen vorteilhafterweise am Sammelblock selbst keine Dichtelemente oder ähnliches vorgesehen sein, wodurch der Aufwand bei der Verbindungstechnik wiederum reduziert werden kann. Die jeweiligen Kühlelemente, insbesondere mit von diesen Kühlelementen zum Teil umschlossenen Batteriemodulen, können mit ihren Anschlüssen einfach in den Sammelblock eingesteckt, und zum Beispiel verschraubt, werden. Diese einteilige Ausführung bezieht sich zumindest auf die Außenseite des Sammelblocks. Dieser, insbesondere auch dessen Gehäuse, kann dennoch auch mehreren Teilen bzw. Komponenten gefertigt sein, was sogar sehr vorteilhaft ist. Daher ist es bevorzugt, dass eine Gehäusewand des Gehäuses mehrkomponentig ausgebildet ist, insbesondere betrachtet von außen nach innen mindestens zwei verschiedene Komponenten, insbesondere Materialkomponenten aufweist, wobei eine die Außenseite bereitstellende Komponente aus Kunststoff gebildet ist. Insbesondere stellt diese die Außenseite bereitstellende Komponente eine Weichkomponente dar, was es vorteilhafterweise ermöglicht, den Sammelblock dämpfend zu lagern und zu entkoppeln. Diese Ausgestaltung kann in gleicherweise auch bei der später beschriebenen zweiteiligen bzw. mehrteiligen Ausführung des Gehäuses bzw. dessen Außenseite vorgesehen werden.In a further advantageous embodiment of the invention, the collecting block has a housing which has at least one one-piece outer side which provides the first and second main connection and the first and second cooling element connection. If two cooling elements are provided per collector block, the one-piece outside of the housing of the collector block also provides the third and fourth cooling element connections. Due to the one-piece or one-piece design of the collecting block or the outside thereof, advantageously no sealing elements or the like need be provided on the collecting block itself, which in turn can reduce the outlay in connection technology. The respective cooling elements, in particular with battery modules partially enclosed by these cooling elements, can simply be inserted with their connections into the collecting block and screwed on, for example. This one-piece design relates at least to the outside of the collecting block. This, in particular its housing, can still be made of several parts or components, which is even very advantageous. It is therefore preferred for a housing wall of the housing to be of multi-component design, in particular when viewed from the outside inward, to have at least two different components, in particular material components, a component providing the outside being formed from plastic. In particular, this component providing the outside is a soft component, which advantageously makes it possible to mount and decouple the collecting block in a damping manner. This configuration can also be provided in the two-part or multi-part embodiment of the housing or the outside thereof described later.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn der erste Anschluss des ersten Kühlelements und der erste Kühlelementanschluss des Sammelblocks sowie der zweite Anschluss des Kühlelements und der zweite Kühlelementanschluss des Sammelblocks jeweils durch eine Steckverbindung und/oder Schraubverbindung miteinander verbunden sind. Beispielsweise können also die jeweiligen Batteriemodule zunächst in den U-förmig ausgebildeten Kühlelementen angeordnet werden und dann diese Anordnung mit dem Sammelblock zusammengesteckt und anschließend verschraubt werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders einfache Montage einer Batterie inklusive der Kühlvorrichtung. Zudem wird es hierdurch auch ermöglicht, die Kühlelemente, selbst wenn diese U-förmig ausgebildet sind, einteilig auszuführen.It is therefore a further advantageous embodiment of the invention if the first connection of the first cooling element and the first cooling element connection of the collecting block and the second connection of the cooling element and the second cooling element connection of the collecting block are each connected to one another by a plug connection and / or screw connection. For example, the respective battery modules can first be arranged in the U-shaped cooling elements and then this arrangement can be plugged together with the collecting block and then screwed on. This advantageously enables a particularly simple assembly of a battery including the cooling device. This also makes it possible to design the cooling elements in one piece, even if they are U-shaped.
Alternativ können diese Kühlelemente auch zweiteilig ausgeführt sein und die beiden Teile auf der Rückseite mittels einer Flanschverbindung der Länder verbunden sein. Dies ermöglicht zudem eine weitere vorteilhafte Montagemöglichkeit, die nachfolgend beschreiben wird.Alternatively, these cooling elements can also be designed in two parts and the two parts the rear side by means of a flange connection of the countries. This also enables a further advantageous mounting option, which is described below.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Sammelblock ein zweiteiliges bzw. mehrteiliges Gehäuse auf, insbesondere eine zweiteilige Außenseite. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass ein erstes Gehäuseteil den ersten Kühlelementanschluss bereitstellt und ein zweites Gehäuseteil den zweiten Kühlelementanschluss bereitstellt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die jeweiligen Kühlelemente nicht als ebene Kühlplatten sondern U-förmig zur Bereitstellung einer zweiseitigen Kühlung wie oben beschrieben ausgebildet sind. Denn durch die zweiteilige Ausführung des Sammelblocks bzw. dessen Gehäuse lässt sich eine weitere besonders einfache Montagemöglichkeit der Batterie und der Kühlvorrichtung bereitstellen. In Kombination mit dieser zweiteiligen Ausführung des Sammelblocks ist es zudem bevorzugt, dass auch dann die jeweiligen Kühlelemente zweiteilig ausgeführt sind, insbesondere mit einem Oberteil und einem Unterteil, die zum Beispiel je zur Hälfte auch einen Teil der Rückseite des jeweiligen Kühlelements umfassen. Das Unterteil des U-förmigen Kühlelements kann dann mit einem Unterteil des Sammelblocks verbunden sein, während das Oberteil des U-förmigen Kühlelements mit einem Oberteil des Sammelblocks verbunden ist. Zwischen diesen beiden Teilen können entsprechend ein oder zwei Batteriemodule eingesetzt werden und dann die beiden Teile aufeinander gesetzt und miteinander verschraubt werden. Insbesondere können dann die beiden Teile des U-förmigen Kühlelements an der Rückseite wieder durch eine Flanschverbindung miteinander verbunden werden, während zum Beispiel die beiden Teilen des Sammelblocks miteinander durch eine Steckverbindung und/oder Schraubverbindung miteinander verbunden werden. Dieser geteilte Aufbau des Sammelblocks ermöglicht es somit ebenfalls auf besonders einfache Weise, mehrere Temperierebenen zu erzeugen, insbesondere in vertikaler Richtung bzw. in Richtung der Fahrzeughochachse in Bezug auf die bestimmungsgemäße Einbaulage der Kühlvorrichtung in einem Kraftfahrzeug.According to a further advantageous embodiment of the invention, the collecting block has a two-part or multi-part housing, in particular a two-part outside. In this case, it is preferred that a first housing part provides the first cooling element connection and a second housing part provides the second cooling element connection. This embodiment is particularly advantageous if the respective cooling elements are not designed as flat cooling plates but rather U-shaped to provide double-sided cooling as described above. Because the two-part design of the collecting block or its housing makes it possible to provide a further particularly simple way of mounting the battery and the cooling device. In combination with this two-part design of the collecting block, it is also preferred that the respective cooling elements are then also made in two parts, in particular with an upper part and a lower part, each of which, for example, also comprises half of the back of the respective cooling element. The lower part of the U-shaped cooling element can then be connected to a lower part of the collecting block, while the upper part of the U-shaped cooling element is connected to an upper part of the collecting block. Correspondingly, one or two battery modules can be inserted between these two parts and then the two parts can be placed on top of one another and screwed together. In particular, the two parts of the U-shaped cooling element on the back can then be connected to one another again by a flange connection, while, for example, the two parts of the collecting block are connected to one another by a plug connection and / or screw connection. This divided structure of the collecting block thus also makes it possible in a particularly simple manner to generate a plurality of temperature levels, in particular in the vertical direction or in the direction of the vehicle vertical axis with respect to the intended installation position of the cooling device in a motor vehicle.
Ein derartiger Aufbau erlaubt es vorteilhafterweise zudem, dass, wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, der erste Anschluss des ersten Kühlelements und der erste Kühlelementanschluss des Sammelblocks sowie der zweite Anschluss des Kühlelements und der zweite Kühlelementanschluss des Sammelblocks jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Eine solche stoffschlüssige Verbindung hat den Vorteil, dass keine Dichtelemente bei einer solchen Verbindung vorgesehen sein müssen, und damit der Dichtungsaufwand auf ein Minimum reduziert wird. Eine solche stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sammelblock bzw. dessen Kühlelementanschlüssen und den entsprechenden Kühlelementen kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, wenn der Sammelblock beispielsweise nur einteilig ausgeführt ist, und die Kühlelemente zum Beispiel nicht U-förmig sondern als einfache ebene Kühlplatten ausgeführt sind, um nur eine einseitige Kühlung der Batteriemodule bereitzustellen.Such a construction advantageously also allows, as is provided according to a further advantageous embodiment of the invention, the first connection of the first cooling element and the first cooling element connection of the collecting block and the second connection of the cooling element and the second cooling element connection of the collecting block to be integrally connected to one another are. Such a cohesive connection has the advantage that no sealing elements have to be provided for such a connection, and the sealing effort is thus reduced to a minimum. Such a cohesive connection between the collecting block or its cooling element connections and the corresponding cooling elements can also be provided if the collecting block is, for example, only made in one piece and the cooling elements are not, for example, U-shaped but are designed as simple, flat cooling plates, only to to provide one-sided cooling of the battery modules.
Zudem stellt der Sammelblock die Möglichkeit bereit, auch ein Ventil zu integrieren. Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass der Sammelblock ein Ventil aufweist, insbesondere ein Expansionsventil und einen Akkumulator, wobei mittels des Ventils die Zuführung des Kühlmittels in das erste Kühlelement steuerbar ist. entsprechendes gilt auch für das zweite Kühlelement, falls ein solches an den Sammelblock angebunden ist. Somit kann vorteilhafterweise für jedes Batteriemodul oder Modulpaar, welches einem Sammelblock zugeordnet ist, die Kühlmittelzuführung und damit die Temperierung unabhängig voneinander gesteuert werden, und damit besonders bedarfsgerecht angepasst werden. Im Falle einer Flüssigkühlung, zum Beispiel mittels Wasser und/oder Öl als Kühlmittel, kann dieses Ventil lediglich zur Regulierung des Massenstroms ausgebildet sein, und die Menge des dem Kühlelement pro Zeiteinheit über den Kühlelementanschluss zugeführten Kühlmittels steuern, zum Beispiel in Abhängigkeit von jeweiligen Modulparametern, wie zum Beispiel der Modultemperatur. Zur Erfassung der Modultemperatur können wiederum entsprechende Sensoren, insbesondere Temperatursensoren vorgesehen sein. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise auch als Folie, welche flächig auf einer Seite eines Batteriemoduls zur Erfassung dessen Temperatur angeordnet ist, ausgebildet sein.In addition, the collection block provides the option of integrating a valve. It is therefore a further particularly advantageous embodiment of the invention that the collecting block has a valve, in particular an expansion valve and an accumulator, the supply of the coolant into the first cooling element being controllable by means of the valve. The same applies to the second cooling element if such is connected to the collecting block. Thus, for each battery module or module pair that is assigned to a collecting block, the coolant supply and thus the temperature control can advantageously be controlled independently of one another, and can thus be adapted particularly as required. In the case of liquid cooling, for example using water and / or oil as a coolant, this valve can only be designed to regulate the mass flow and control the amount of coolant supplied to the cooling element per unit of time via the cooling element connection, for example depending on the respective module parameters, such as the module temperature. Appropriate sensors, in particular temperature sensors, can in turn be provided to detect the module temperature. Such a temperature sensor can also be designed, for example, as a film which is arranged flat on one side of a battery module for detecting its temperature.
Im Fall, dass eine Temperierung durch CO2 als Kühlmittel bereitgestellt wird, kann das Ventil auch als Expansionsventil ausgebildet sein und weiterhin ein Akkumulator im Sammelblock integriert sein. Hierdurch wird es beispielsweise ermöglicht, in normalen Betriebssituationen die jeweiligen Batteriemodule durch Zuführung von flüssigem CO2 zu den jeweiligen Kühlelementen zu kühlen. Zusätzlich kann das Expansionsventil auch eine Expansion des CO2 bewirken, was wiederum den Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand des CO2 nach sich zieht. Im gasförmigen Zustand lässt sich das CO2 zum Beispiel auch im Notfall als Löschmittel einsetzen.In the event that a temperature control is provided by CO2 as a coolant, the valve can also be designed as an expansion valve and an accumulator can also be integrated in the collecting block. This makes it possible, for example, to cool the respective battery modules by supplying liquid CO2 to the respective cooling elements in normal operating situations. In addition, the expansion valve can also cause an expansion of the CO2, which in turn leads to the transition from the liquid to the gaseous state of the CO2. In the gaseous state, the CO2 can also be used as an extinguishing agent in an emergency, for example.
Der Akkumulator erfüllt dabei die Funktion eines Filters bzw. Trockners. Vorzugsweise ist dieser im Niederdruckbereich nach dem Verdampfer angeordnet. Es gelangt demnach ein Gemisch aus fester und flüssiger Phase des CO2 zum Akkumulator, der dieser Phasen trennt und nur die gasförmige Phase, insbesondere mit geringer, kontrollierter Einspeisung von flüssiger Phase, zum Verdampfer weiterleitet. Diesen sollte nämlich nur die gasförmige Phase erreichen, um eine Beschädigung zu vermeiden. Weiterhin filtert der Akkumulator auch Feuchtigkeit und Schmutz und dient als Ausgleichsgefäß, um die verschiedenen Lastzustände abdecken zu können. Anstelle eines Akkumulators kann auch ein einfacherer Filtertrockner verwendet werden.The accumulator fulfills the function of a filter or dryer. This is preferably arranged in the low-pressure region after the evaporator. Accordingly, a mixture of the solid and liquid phase of the CO2 reaches the accumulator, the separates these phases and only forwards the gaseous phase, in particular with a small, controlled feed of liquid phase, to the evaporator. This should namely only reach the gaseous phase in order to avoid damage. Furthermore, the accumulator also filters moisture and dirt and serves as an expansion tank to cover the various load conditions. Instead of an accumulator, a simpler filter dryer can also be used.
Damit lassen sich vorteilhafterweise weitere Zusatzfunktionen in den Sammelblock integrieren. Folglich lassen sich vorteilhafterweise dann zudem auch verschiedene Kühlzustände realisieren, zum Beispiel die normale Kühlung in Abhängigkeit von der aktuellen Modultemperatur der jeweiligen Batteriemodule, sowie zum Beispiel auch eine gasförmige Notfallkühlung, oder ähnliches. Zudem lässt sich somit für jedes Batteriemodul oder Modulpaare eine individuelle Kühlleistung einstellen.This advantageously allows additional functions to be integrated into the collection block. As a result, various cooling states can then advantageously also be realized, for example normal cooling as a function of the current module temperature of the respective battery modules, and for example gaseous emergency cooling or the like. In addition, an individual cooling capacity can be set for each battery module or module pair.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie, insbesondere einer Kraftfahrzeugbatterie, wobei die Kühlvorrichtung eine erfindungsgemäße Kühleinheit oder eines ihrer Ausgestaltungen aufweist. Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung mehrere solcher Kühleinheiten, wie zuvor beschrieben auf. Insbesondere kann dabei eine solche Kühleinheit pro Batteriemodul oder Modulpaar vorgesehen sein. Die Kühlvorrichtung kann zudem auch die Kühlmittelzuführleitung und die Kühlmittelabführleitung umfassen. Vorzugsweise stellen diese zwei getrennte Leitungen dar, sodass das aus einem Kühlelement abgeführte Kühlmittel nicht weiter zur Kühlung eines weiteren Kühlelements verwendet wird, sondern über die Kühlmittelabführleitung direkt abgeführt wird, wiederum gekühlt wird und dann der Kühlmittelzuführleitung wieder zugeführt wird. Hierdurch lässt sich eine optimale und möglichst gleichmäßige über alle Batteriemodule verteilte Kühlung bewerkstelligen. Die Kühlmittelzuführleitung und die Kühlmittelabführleitung können über einen jeweiligen Hauptanschluss an einem jeweiligen Sammelblock angeordnet sein.Furthermore, the invention also relates to a cooling device for cooling a battery, in particular a motor vehicle battery, the cooling device having a cooling unit according to the invention or one of its configurations. The cooling device preferably has a plurality of such cooling units, as described above. In particular, such a cooling unit can be provided per battery module or module pair. The cooling device can also include the coolant supply line and the coolant discharge line. These preferably represent two separate lines, so that the coolant discharged from a cooling element is no longer used for cooling a further cooling element, but is discharged directly via the coolant discharge line, is cooled again and is then fed back to the coolant supply line. In this way, an optimal and as uniform as possible cooling across all battery modules can be achieved. The coolant supply line and the coolant discharge line can be arranged on a respective main block via a respective main connection.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Batterieanordnung mit einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie und/oder Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, und einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung oder eines ihrer Ausgestaltungen. Die Batterie kann wie zuvor beschrieben ausgestaltet und in Bezug auf die Kühlvorrichtung angeordnet sein. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung oder eines ihrer Ausgestaltungen, insbesondere in Kombination mit einer entsprechenden Kraftfahrzeugbatterie wie zuvor beschrieben. Die Batterieanordnung mit der Kühlvorrichtung kann ebenfalls wie zuvor beschrieben im Kraftfahrzeug angeordnet sein, insbesondere so dass die jeweiligen Sammelblöcke entlang des Mitteltunnels des Kraftfahrzeugs, der in Fahrzeuglängsrichtung verläuft, angeordnet sind, wobei sich vorzugsweise auf beiden Seiten eines jeweiligen Sammelblocks ein Batteriemodul befindet.In addition, the invention also relates to a battery arrangement with a battery, in particular a traction battery and / or high-voltage battery for a motor vehicle, and a cooling device according to the invention or one of its configurations. The battery can be configured as described above and arranged in relation to the cooling device. In addition, the invention also relates to a motor vehicle with a cooling device according to the invention or one of its configurations, in particular in combination with a corresponding motor vehicle battery as described above. The battery arrangement with the cooling device can also be arranged in the motor vehicle as described above, in particular so that the respective collecting blocks are arranged along the central tunnel of the motor vehicle, which runs in the longitudinal direction of the vehicle, a battery module preferably being located on both sides of a respective collecting block.
Die für die erfindungsgemäße Kühleinheit und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, die erfindungsgemäße Batterieanordnung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The advantages described for the cooling unit according to the invention and its embodiments apply in the same way to the cooling device according to the invention, the battery arrangement according to the invention and the motor vehicle according to the invention.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Kühleinheit für eine einseitige Kühlung von zwei Batteriemodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung einer Kühleinheit für eine beidseitige Kühlung von zwei Batteriemodulen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung einer Kühleinheit für eine beidseitige Kühlung von zwei Batteriemodulen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine schematische Darstellung einer Kühleinheit für eine beidseitige Kühlung von einem Batteriemodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlvorrichtung mit mehreren Kühleinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic representation of a cooling unit for one-sided cooling of two battery modules according to an embodiment of the invention; -
2 is a schematic representation of a cooling unit for bilateral cooling of two battery modules according to an embodiment of the invention; -
3 a schematic representation of a cooling unit for cooling both sides of two battery modules according to a further embodiment of the invention; -
4 a schematic representation of a cooling unit for bilateral cooling of a battery module according to an embodiment of the invention; and -
5 is a schematic representation of a motor vehicle with a cooling device with a plurality of cooling units according to an embodiment of the invention.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also further develop the invention independently of one another and are therefore also to be regarded individually or in a combination other than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference numerals designate elements with the same function.
Der Sammelblock
Diese beiden für ein jeweiliges Kühlelement
In dem in
Durch diesen Aufbau lässt sich vorteilhafterweise eine einseitige Kühlung für Batteriemodule
Zudem sind auch hier wiederum die jeweiligen Kühlelemente
Für eine einfache Montage bzw. einen einfachen Einbau der Batteriemodule
Weiterhin kann der Sammelblock
Wie in
Allen Beispielen ist die fixe Anbindung des Sammelblocks
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine flexibel kombinierbare und ausbildbare Kühleinheit zum Kühlen von Batteriemodulen bereitgestellt wird, die durch das Vorsehen eines Sammelblock mit direkt and diesen angeschlossenen Kühlplatten den Verbindungsaufwand auf ein Minimum reduziert.Overall, the examples show how the invention provides a flexibly combinable and configurable cooling unit for cooling battery modules, which reduces the connection effort to a minimum by providing a collecting block with cooling plates connected directly to these.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102012011511 A1 [0004]DE 102012011511 A1 [0004]
- DE 102014000806 A1 [0005]DE 102014000806 A1 [0005]
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