DE102018216708A1

DE102018216708A1 - Kühlplatte zur Temperierung zumindest einer Batteriezelle und Batteriesystem

Info

Publication number: DE102018216708A1
Application number: DE102018216708.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Schmitt; Benjamin Kopp; Andreas Ruehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-02
Also published as: US11355799B2; US20200106146A1; CN110970681A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlplatte (10) zur Temperierung zumindest einer Batteriezelle, insbesondere für eine Traktionsbatterie, aufweisend einen Rahmen (12) mit Strömungskanälen (16) ausgebildet für eine Durchströmung mit einem Kühlmittel und eine flexibel ausgebildete Abdeckung (14), welche die Strömungskanäle (16) fluiddicht begrenzt und zur thermischen Kontaktierung der zumindest einen Batteriezelle vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Strömungskanäle (16) zumindest eine Störkontur (28) aufweisen, welche zur Turbulenzerhöhung im die Strömungskanäle (16) durchströmenden Kühlmittel vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlplatte zur Temperierung zumindest einer Batteriezelle nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Batteriesystem mit einer solchen Kühlplatte.
Stand der Technik
Aus der EP0516280A1 sind Kühlplatten zur Temperierung von Traktionsbatteriezellen bekannt, welche Strömungskanäle aufweisen, die mit einer flexiblen Abdeckung zur thermischen Kontaktierung der Traktionsbatterie abgedeckt sind. Solche Kühlpatten haben den Nachteil, dass nicht immer eine zuverlässige Temperierung der Traktionsbatteriezellen möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Kühlplatte zur Temperierung zumindest einer Batteriezelle, insbesondere für eine Traktionsbatterie. Die Kühlplatte weist einen Rahmen mit Strömungskanälen ausgebildet für eine Durchströmung mit einem Kühlmittel und eine flexibel ausgebildete Abdeckung auf. Die flexibel ausgebildete Abdeckung begrenzt die Strömungskanäle fluiddicht und ist zur thermischen Kontaktierung der zumindest einen Batteriezelle vorgesehen. Erfindungsgemäß weisen die Strömungskanäle zumindest eine Störkontur auf, welche zur Turbulenzerhöhung im die Strömungskanäle durchströmenden Kühlmittel vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlleistung bzw. Temperierleistung bereitgestellt werden kann, so dass eine zuverlässige Temperierung der zumindest einen Batteriezelle möglich ist. Die mittels der Störkonturen ausbildbare Turbulenzerhöhung dient dabei zu einer stärkeren Durchmischung des Kühlmittels. Insbesondere wird eine innerhalb der Strömungskanäle von dem Kühlmittel ausgebildete Schichtströmung, insbesondere eine entlang einer Längsrichtung der Strömungskanäle ausgebildete Sichtströmung, in der Art gestört so dass ein Temperaturgradient senkrecht zur Längsrichtung minimiert wird. Die Störkontur bewirkt beispielsweise eine Ausbildung einer turbulenten Strömung mit einer Wirbelbildung in dem Kühlmittel. Bevorzugt bewirkt die Störkontur beispielsweise eine Strömung mit einer Reynoldszahl über 100, vorteilhaft über 1000, besonders vorteilhaft über 2000.
Die Kühlplatte umfasst bevorzugt einen ersten Anschluss, welcher für eine Zufuhr des Kühlmittels vorgesehen ist. Die Kühlplatte umfasst bevorzugt einen zweiten Anschluss, welcher für eine Abfuhr bzw. einen Abfluss des Kühlmittels vorgesehen ist. Besonders bevorzugt weist der Rahmen den ersten Anschluss auf. Besonders bevorzugt weist der Rahmen den zweiten Anschluss auf. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlplatte besonders zuverlässig und robust ist, insbesondere auslaufsicher bzw. dicht.
Unter einem Kühlmittel soll insbesondere besonders bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel verstanden werden. Bevorzugt weist das Kühlmittel ein Wasser/Glykol-Gemisch auf. Selbstverständlich sind aber auch Ausführungsformen mit Gasen und/oder Aerosolen umfassenden Kühlmittel möglich.
Der Rahmen umfasst bevorzugt eine Platte, insbesondere eine weitgehend rechteckig ausgebildete Platte. Bevorzugt ist der Rahmen und/oder die Platte zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet. Eine Geometrie der Platte bzw. eine Geometrie der Kühlplatte richtet sich insbesondere nach einer Geometrie der zu kühlenden Batteriezelle, insbesondere einer Abmessung der zu kühlenden Batteriezelle, so dass die Batteriezelle durch die Kühlplatte thermisch kontaktierbar ist. Bevorzugt ist die Kühlplatte bzw. die Platte eben oder weitgehend eben ausgebildet. Eine ebene Kühlplatte ist zur thermischen Kontaktierung an einer ebenen Seitenfläche der Batteriezelle vorgesehen. Es ist auch denkbar, dass die Kühlplatte bzw. die Platte eine Krümmung aufweist. Das hat den Vorteil, dass eine besonders gute thermische Kontaktierung der Batteriezelle möglich ist. Zusätzlich hat das den Vorteil, dass eine besonders stabile und zuverlässige mechanische Kontaktierung bzw. Verbindung zwischen der Batteriezelle und der Kühlplatte möglich ist.
Der Rahmen umfasst Strömungskanäle. Unter einem Strömungskanal soll insbesondere eine Leitung ausgebildet zu einer Durchströmung mit einem Kühlmittel verstanden werden, welche insbesondere länglich ausgebildet ist. Insbesondere soll verstanden werden, dass der Strömungskanal in einer Längsrichtung eine deutlich größere Ausdehnung hat als in einer senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Richtung. Insbesondere ist ein Durchmesser einer senkrecht zur Längsrichtung ausgerichteten Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals deutlich kleiner als eine Länge des Strömungskanals entlang der Längsrichtung. Unter einer deutlich größeren ersten Länge als eine zweite Länge soll verstanden werden, dass die erste Länge wenigstens um einen Faktor 10 größer ist als die zweite Länge, bevorzugt um einen Faktor 20, besonders bevorzugt um einen Faktor 40. Unter einer deutlich kleineren ersten Länge als eine zweite Länge soll verstanden werden, dass die erste Länge wenigstens um einen Faktor 10 kleiner ist als die zweite Länge, bevorzugt um einen Faktor 20, besonders bevorzugt um einen Faktor 40.
Insbesondere ist ein Strömungskanal entlang seiner Längsrichtung zumindest abschnittsweise offen ausgebildet. Bevorzugt sind Öffnungen bzw. offene Bereiche der Strömungskanäle so positioniert, dass sie im an der Batteriezelle montierten Zustand an der Batteriezelle anliegen. Es ist insbesondere denkbar, dass die Öffnungen bzw. offenen Bereiche der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise senkrecht bzw. weitgehend senkrecht zu einer Kühlplattennormalen angeordnet sind. Darunter, dass eine erste Achse zu einer zweiten Achse weitgehend senkrecht angeordnet ist, soll verstanden werden, dass die erste Achse mit der zweiten Achse einen Winkel einschließt, der nicht mehr als um 8°, vorteilhaft nicht mehr als um 5°, besonders vorteilhaft nicht mehr als um 2° von 90° abweicht.
Bevorzugt weist ein Strömungskanal jeweils zwei auf dem Rahmen und/oder bevorzugt auf der Platte angeordnete Stege auf. Bevorzugt verlaufen die Stege zumindest weitgehend parallel zueinander. Bevorzugt sind die beiden Stege fluiddicht mit dem Rahmen und/oder mit der Platte kontaktiert. Insbesondere wird ein durch den Strömungskanal strömendes Kühlmittel durch die Stege und den Rahmen bzw. die Platte fluiddicht begrenzt. Ein Steg ist eine Begrenzungswand eines Strömungskanals. Darunter, dass eine erste Achse zu einer zweiten Achse weitgehend parallel angeordnet ist soll verstanden werden, dass die erste Achse mit der zweiten Achse einen Winkel einschließt, der nicht mehr als um 8°, vorteilhaft nicht mehr als um 5°, besonders vorteilhaft nicht mehr als um 2° von 0° abweicht.
Die flexibel ausgebildete Abdeckung ist dazu vorgesehen, die Strömungskanäle fluiddicht zu begrenzen. Insbesondere ist die flexibel ausgebildete Abdeckung dazu vorgesehen, den offenen Bereich bzw. die offenen Bereiche eines Strömungskanals fluiddicht zu begrenzen. Beispielsweise kann die flexibel ausgebildete Abdeckung die Stege eines Strömungskanals fluiddicht kontaktieren, so dass ein durch den Strömungskanal strömendes Kühlmittel durch die Stege, die flexibel ausgebildete Abdeckung und den Rahmen bzw. die Platte fluiddicht begrenzt wird. Das hat den Vorteil, dass eine besonders gute Temperierung der Batteriezelle möglich ist, da eine Wärme zwischen Batteriezelle und Kühlmittel besonders gut durch die flexibel ausgebildete Abdeckung übertragbar ist. Insbesondere ist die Verwendung einer ausreichend dünnen flexibel ausgebildeten Abdeckung möglich, so dass diese einen besonders geringen Wärmeleitwiderstand aufweist.
Unter einer flexibel ausgebildeten Abdeckung soll insbesondere eine Abdeckung verstanden werden, welche elastisch oder wenigstens teilelastisch verformbar ist. Insbesondere ist eine flexibel ausgebildete Abdeckung durch eine einwirkende Kraft verformbar und dazu eingerichtet, nach Wegfall der einwirkenden Kraft wenigstens teilweise in eine ursprüngliche Form zurückzukehren. Eine flexibel ausgebildete Abdeckung ist besonders gut an die zumindest eine Batteriezelle anlegbar bzw. anschmiegbar, insbesondere thermisch kontaktierbar. Das ermöglicht eine besonders effiziente Kühlung der Batteriezelle.
Bevorzugt weist der Rahmen eine Vielzahl von Strömungskanälen auf, bevorzugt zwischen 4 und 16 Strömungskanäle, besonders bevorzugt zwischen 8 und 12 Strömungskanäle. Eine Anzahl von Strömungskanälen richtet sich insbesondere nach einer Geometrie der zu kühlenden Batteriezelle, insbesondere nach einer Abmessung der zu kühlenden Batteriezelle.
Unter einer Längsrichtung des Strömungskanals soll insbesondere eine Hauptlängserstreckungsrichtung des Strömungskanals verstanden werden, welche bevorzugt in eine vorgesehene Strömungsrichtung des Kühlmittels zeigt und/oder in eine mittlere vorgesehene Strömungsrichtung des Kühlmittels zeigt. Unter einer Längsrichtung der Strömungskanäle soll insbesondere eine über die jeweiligen Längsrichtungen der einzelnen Strömungskanäle gemittelte Richtung verstanden werden. Bevorzugt weisen alle oder fast alle Strömungskanäle die gleiche oder weitgehend gleiche Längsrichtung auf.
Bevorzugt ist die Kühlplatte mit dem Rahmen einstückig ausgebildet. Unter einstückig soll in diesem Zusammenhang insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder einen Klebeprozess usw. und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren. Bevorzugt ist die Kühlplatte einstückig mit dem ersten Anschluss und/oder dem zweiten Anschluss ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass die Kühlplatte eine hohe mechanische Stabilität aufweist.
Bevorzugt weist der Rahmen den ersten Anschluss und/oder den zweiten Anschluss auf. Bevorzugt ist der Rahmen mit den Strömungskanälen und/oder dem ersten Anschluss und/oder dem zweiten Anschluss einstückig ausgebildet. Bevorzugt ist wenigstens ein Steg eines Strömungskanals einstückig mit dem Rahmen und/oder mit der Platte des Rahmens ausgebildet.
Unter einer Störkontur soll insbesondere ein Element bzw. Bauteil verstanden werden, welches abschnittsweise eine Strömungsquerschnittsfläche eines Strömungskanals verändert, insbesondere verkleinert. Die Störkontur ist dafür vorgesehen, eine laminare Strömung durch den Strömungskanal zu stören, insbesondere eine Turbulenz der Strömung zu erhöhen. Bevorzugt ist die Störkontur mit dem Rahmen und/oder mit der Platte und/oder mit einem Steg einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann die Störkontur als Fortsatz des Rahmens und/oder der Platte und/oder eines Stegs ausgebildet sein.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Kühlplatte möglich.
Lenkt die zumindest eine Störkontur das den Strömungskanal durchströmende Kühlmittel zumindest teilweise in Richtung der flexibel ausgebildeten Abdeckung um, wird das Kühlmittel in Richtung der flexibel ausgebildeten Abdeckung durchmischt. Auf diese Weise wird eine Bildung von laminaren Strömungsschichten im Kühlmittel verhindert. Das Kühlmittel kann eine größere Wärmemenge pro Zeit und pro Fläche aufnehmen, so dass eine mögliche Temperierleistung der Kühlplatte gesteigert wird.
In einer vorteilhaften Variante nimmt eine senkrecht zur einer Längsrichtung der Strömungskanäle angeordnete Konturhöhe der zumindest einen Störkontur über der Längsrichtung der Strömungskanäle zumindest bereichsweise zu. Auf diese Weise kann die Turbulenz im die Strömungskanäle durchströmenden Kühlmittel erhöht werden, ohne einen Strömungswiderstand zu stark zu erhöhen. Durch eine Auswahl, wie schnell bzw. stark die Konturhöhe über die Längsrichtung ansteigt, insbesondere durch eine Auswahl einer Steigung der Konturhöhe, ist ein Grad der Turbulenz und/oder der Strömungswiderstand einstellbar. Die Auswahl, wie schnell bzw. stark die Konturhöhe über die Längsrichtung ansteigt richtet sich insbesondere an den technischen Anforderungen an die Kühlplatte, insbesondere an den Anforderungen an eine Temperierleistung, insbesondere Kühlleistung, und/oder an den Anforderungen an einen Strömungswiderstand der Kühlplatte für das Kühlmittel.
Eine Kühlplatte, bei der die Störkontur eine dreieckige Querschnittsfläche parallel zur Längsrichtung aufweist, ist eine besonders einfach fertigbare Variante einer Kühlplatte. Bevorzugt ist die dreieckige Querschnittsfläche als rechtwinkliges Dreieck ausgebildet. Bevorzugt ist die Störkontur so angeordnet, dass eine erste Kathete der dreieckigen Querschnittsfläche parallel oder weitgehend parallel zur Längsrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Störkontur so angeordnet, dass eine zweite Kathete der dreieckigen Querschnittsfläche senkrecht oder weitgehend senkrecht zur flexibel ausgebildeten Abdeckung angeordnet ist und/oder dass die zweite Kathete parallel oder weitgehend parallel zu einer Kühlplattennormalen angeordnet ist.
Dadurch, dass eine Vielzahl von ersten Störkonturen in einem jeweiligen Strömungskanal in einer ersten Reihe entlang einer Längsrichtung des jeweiligen Strömungskanals angeordnet sind und eine Vielzahl von zweiten Störkonturen in dem jeweiligen Strömungskanal in einer zweiten Reihe entlang der Längsrichtung des jeweiligen Strömungskanals angeordnet sind, wird eine gleichmäßigere Erhöhung der Turbulenz über die ganze Kühlplatte ermöglicht. Bevorzugt sind ist die Vielzahl von ersten Störkonturen in der ersten Reihe gleichmäßig bzw. äquidistant angeordnet. Bevorzugt sind ist die Vielzahl von zweiten Störkonturen in der zweiten Reihe gleichmäßig bzw. äquidistant angeordnet. Es ist denkbar, dass in Varianten eine weitere Reihe oder mehr als eine weitere Reihe entlang der Längsrichtung des jeweiligen Strömungskanals mit jeweils einer Vielzahl von Störkonturen angeordnet ist bzw. sind. Auf diese Weise wird eine Gleichmäßigkeit der Erhöhung der Turbulenz weiter gesteigert.
Sind die zweiten Störkonturen der zweiten Reihe versetzt zu den ersten Störkonturen der ersten Reihe angeordnet, hat das den Vorteil, dass das durch den Strömungskanal strömende Kühlmittel zusätzlich in eine Richtung, welche die erste Reihe mit der zweiten Reihe verbindet, abgelenkt wird. Insbesondere wird das durch den Strömungskanal strömende Kühlmittel zusätzlich in eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung und parallel zur flexibel ausgebildeten Abdeckung abgelenkt. Beispielsweise ist auf diese Weise möglich, dass eine Strömung des durch den Strömungskanal strömenden Kühlmittels weitgehend entlang einer Zickzacklinie verläuft. Auf diese Weise wird die Turbulenz in dem durch den Strömungskanal strömenden Kühlmittel weiter erhöht, so dass die Temperierleistung der Kühlplatte weiter verbessert werden kann.
Besonders vorteilhaft zum Erhöhen der Turbulenz ist eine Kühlplatte, bei der von einer Vielzahl von Störkonturen jeweils vier Störkonturen ein Parallelogramm ausbilden. Dabei ist darunter, dass vier Störkonturen ein Parallelogramm ausbilden zu verstehen, dass die vier Störkonturen auf den Ecken eines gedachten Parallelogramms angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Parallelogramm, bei dem ein Innenwinkel kleiner ist als 90°.
Die Kühlplatte wird weiter verbessert, wenn die flexibel ausgebildete Abdeckung zumindest eine Folie umfasst, bevorzugt eine Mehrzahl an Folien umfasst, insbesondere als Verbundfolie ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und der Batteriezelle bei einer besonders haltbaren Abdichtung der Strömungskanäle gewährleistet.
Ist die flexibel ausgebildete Abdeckung stoffschlüssig ausgebildet mit dem Rahmen verbunden, insbesondere mit zwei einen jeweiligen Strömungskanal begrenzenden Stegen, hat das den Vorteil, dass die fluiddichte Abdichtung der Strömungskanäle durch die flexibel ausgebildete Abdeckung besonders sicher und zuverlässig ist. Unter einer stoffschlüssigen ausgebildeten Verbindung kann insbesondere eine Verbindung durch ein Siegelverfahren, insbesondere Heißsiegelverfahren verstanden werden. Bevorzugt kann eine stoffschlüssig ausgebildete Verbindung eine Klebeverbindung, eine Verbindung durch Vulkanisation, eine Schweißverbindung - insbesondere eine Laser-Schweißverbindung - und/oder eine Lötverbindung sein.
Ein Batteriesystem umfassend eine Kühlplatte gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Batteriemodul, wobei das Batteriemodul zumindest eine Batteriezelle aufweist und die zumindest eine Batteriezelle an der flexibel ausgebildeten Abdeckung angeordnet ist, so dass eine thermische Kontaktierung der zumindest einen Batteriezelle und der flexibel ausgebildeten Abdeckung ausgebildet ist, hat dadurch, dass durch die Kühlplatte stets eine notwendige Kühlleistung bereitstellbar ist, den Vorteil, dass das Batteriemodul eine besonders große voraussichtliche Lebensdauer hat.
Figurenliste
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Kühlpatte gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 eine erste Ausführungsform einer Kühlplatte gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 die erste Ausführungsform der Kühlplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ohne eine flexibel ausgebildete Abdeckung,
3 einen Ausschnitt der ersten Ausführungsform der Kühlplatte ohne die flexibel ausgebildete Abdeckung in einer Detailansicht,
4 in einer Schnittansicht einen Strömungskanal der Kühlplatte und
5 eine Darstellung eines Wärmeübertragungskoeffizienten über eine Kanallänge.

Beschreibung
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kühlplatte 10 zur Temperierung von zumindest einer Batteriezelle.
Die Kühlplatte 10 weist einen Rahmen 12 auf. Der Rahmen ist im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1 aus Kunststoff ausgebildet. Die Kühlplatte 10 weist eine flexibel ausgebildete Abdeckung 14 auf. Der Rahmen 12 weist Strömungskanäle 16 auf. Die Strömungskanäle 16 sind durch die flexibel ausgebildete Abdeckung 14 abgedeckt bzw. überdeckt. Insbesondere sind die Strömungskanäle 16 durch die flexibel ausgebildete Abdeckung 14 gegenüber einer äußeren Umgebung abgeschlossen.
In 2 ist zur Darstellung der Strömungskanäle 16 eine perspektivische Ansicht des Rahmens 12 ohne die flexibel ausgebildete Abdeckung 14 abgebildet. Die Strömungskanäle 16 sind jeweils entlang einer Längsrichtung 18 ausgerichtet. Im dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist der Rahmen 12 beispielsweise zehn Strömungskanäle 16 auf. Die Strömungskanäle 16 haben dabei beispielsweise jeweils eine Strömungskanallänge 20 von 40 cm. In alternativen Ausführungsformen richtet sich der Wert der Strömungskanallänge 20 an den technischen Anforderungen, insbesondere an einer Dimensionierung der Batteriezelle wie etwa den Abmessungen. Die Strömungskanallänge 20 kann insbesondere zwischen 10 cm und 80 cm liegen, bevorzugt zwischen 20 cm und 60 cm, besonders bevorzugt zwischen 30 cm und 50 cm.
Der Rahmen 12 weist beispielsweise einen ersten Anschluss 22 auf, welcher für eine Zufuhr eines Kühlmittels vorgesehen ist. Der Rahmen 12 weist beispielsweise einen zweiten Anschluss 24 auf, welcher für eine Abfuhr bzw. einen Abfluss des Kühlmittels vorgesehen ist. In 2 ist ein vorgesehener Strömungsverlauf des Kühlmittels bei einem Betrieb der Kühlplatte 10 illustriert.
Das Kühlmittel strömt durch den ersten Anschluss 22 in die Kühlplatte 10. Anschließend fließt das Kühlmittel durch die Strömungskanäle 16. Innerhalb eines Strömungskanals 16 strömt das Kühlmittel jeweils entlang einer mittleren Strömungsrichtung 26. Die mittlere Strömungsrichtung 26 ist parallel zur Längsrichtung 18 angeordnet. Die mittlere Strömungsrichtung 16 bezeichnet insbesondere eine über eine Zeit und/oder über eine Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals gemittelte Strömungsrichtung des Kühlmittels. Anschließend strömt das Kühlmittel durch den zweiten Anschluss 24 aus der Kühlplatte 10 heraus.
3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt des Rahmens 12 gemäß 2. Die Strömungskanäle 16 weisen Störkonturen 28 auf. Dabei sind die Störkonturen 28 innerhalb der Strömungskanäle 16 angeordnet, so dass durch die Strömungskanäle 16 strömendes Kühlmittel mittels der Störkonturen 28 in der Art gestört werden kann, dass beispielsweise die Turbulenz des Kühlmittels erhöht werden kann.
4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Kühlplatte 10 in einer Detailansicht. Eine Konturhöhe 30 einer Störkontur 28 nimmt jeweils über der Längsrichtung 18 zu.
Die Konturhöhe 30 soll dabei senkrecht zur Längsrichtung 18 angeordnet sein. Die Konturhöhe 18 soll weiterhin parallel zu einer Kühlplattennormalen 32 angeordnet sein. Die Kühlplattennormale 32 soll senkrecht zur Kühlpatte 10 angeordnet sein. Die Kühlplattennormale 32 zeigt von dem Rahmen 12 in Richtung der elastisch ausgebildeten Abdeckung 14 bzw. in einem an die Batteriezelle montierten Zustand in Richtung der Batteriezelle, wie auch aus den 1 und 2 zu erkennen ist.
Die Konturhöhe 30 nimmt bei dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise bis zu einer Maximalkonturhöhe 34 linear mit der Längsrichtung 18 zu. Die Maximalkonturhöhe 34 einer Störkontur 28 ist die größte Konturhöhe 30 der Störkontur 28. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 beträgt die Maximalkonturhöhe 34 beispielsweise 1.5 mm. In weiteren möglichen Ausführungsvarianten des dargestellten Ausführungsbeispiels liegt die Maximalkonturhöhe 34 zwischen 0.3 mm und 3.0 mm, bevorzugt zwischen 0.5 mm und 2.5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1.0 mm und 2.0 mm. Bevorzugt wird die Maximalkonturhöhe 34 in Abhängigkeit von den technischen Anforderungen gewählt, insbesondere einer Geometrie - beispielsweise einer Abmessung - der Kühlplatte 10, bevorzugt einer Geometrie des Rahmens 12, besonders bevorzugt einer Geometrie der Strömungskanäle 16, und/oder den Anforderungen an eine Temperierleistung, insbesondere Kühlleistung, und/oder den Anforderungen an einen Strömungswiderstand der Kühlplatte 10 für das Kühlmittel.
Es ist denkbar, dass die Maximalkonturhöhe 34 einen Anteil von einer Kanaltiefe 36 beträgt. Die Kanaltiefe 36 ist parallel zur Kühlplattennormalen 32 angeordnet bzw. ein Wert der Kanaltiefe 36 wird entlang der Kühlplattennormalen 32 ermittelt bzw. gemessen. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Kanaltiefe 36 2.0 mm. Die Maximalkonturhöhe 34 beträgt 75% der Kanaltiefe 36. In Varianten beträgt die Maximalkonturhöhe 34 zwischen 20% und 80% der Kanaltiefe 36, in vorteilhaften Varianten zwischen 35% und 65%, in besonders vorteilhaften Varianten zwischen 45% und 55%, insbesondere 50%.
Eine Querschnittsfläche 38 einer Störkontur 28 ist im Ausführungsbeispiel bevorzugt dreieckig ausgebildet. Die Querschnittsfläche 38 ist parallel zur Längsrichtung 18 angeordnet Die Querschnittsfläche 38 ist parallel zur Kühlplattennormalen 32 angeordnet. In 4 liegt die Querschnittsfläche 38 in der Zeichenebene.
Im Ausführungsbeispiel ist die Störkontur 28 so ausgebildet, dass ein durch den Strömungskanal 16 strömendes Kühlmittel zumindest teilweise in Richtung der flexibel ausgebildeten Abdeckung 14 gelenkt wird. Insbesondere soll das Kühlmittel durch die Störkontur 28 zumindest teilweise in Richtung der Kühlplattennormalen 32 abgelenkt werden. In 4 ist dazu schematisch eine Strömung des Kühlmittels illustriert. Die Pfeile 40a, 40b und 40c illustrieren jeweils eine anfängliche Strömungsrichtung 40a, 40b und 40c von drei übereinander angeordneten Strömungsschichten des Kühlmittels. Eine obere Strömungsschicht mit der anfänglichen Strömungsrichtung 40a ist an der flexibel ausgebildeten Abdeckung 14 angeordnet. Eine mittlere Strömungsschicht mit der anfänglichen Strömungsrichtung 40b ist unterhalb der oberen Strömungsschicht angeordnet. Hier bezeichnet unterhalb eine Anordnung relativ zur Kühlplattennormalen 32 bzw. in Gegenrichtung zur Richtung der Kühlplattennormalen 32. Eine untere Strömungsschicht mit der anfänglichen Strömungsrichtung 40c ist unterhalb der mittleren Strömungsschicht angeordnet. Die Strömungsrichtungen 40a, 40b und 40c sind, bevor das Kühlmittel auf die Störkontur 28 trifft, jeweils parallel zur Längsrichtung 18 angeordnet. Sobald das Kühlmittel auf die Störkontur 28 trifft, wird die Strömung in Richtung der flexibel ausgebildeten Abdeckung 14 gelenkt. Die Strömungsrichtungen°42a, 42b und 42c an der Störkontur 28 weisen jeweils teilweise in die Richtung der Kühlplattennormalen 32.
Die mittlere Strömungsschicht wird stärker in Richtung der Kühlplattennormalen 32 abgelenkt als die obere Strömungsschicht. Die untere Strömungsschicht wird stärker in Richtung der Kühlplattennormalen 32 abgelenkt als die mittlere Strömungsschicht. Darunter, dass eine erste Strömungsschicht stärker als eine zweite Strömungsschicht in Richtung der Kühlplattennormalen 32 abgelenkt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass die eine erste Strömungsrichtung der ersten Strömungsschicht an der Störkontur 28 eine größere Komponente bzw. Vektorkomponente in Richtung der Kühlplattennormalen 32 aufweist als eine zweite Strömungsrichtung der zweiten Strömungsrichtung an der Störkontur 28.
Die Störkontur 28 verengt eine Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals 16. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erhöht sich an der Störkontur 28. Sobald das Kühlmittel an der Störkontur 28 vorbeigeströmt ist, erhöht sich die Strömungsquerschnittsfläche abrupt und die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Das führt zur Bildung von Wirbeln 44 bzw. Turbulenzen in der Strömung und einer Vermischung der Strömungsschichten. Insgesamt kann dadurch die Reynoldszahl derart erhöht werden, dass eine turbulente Strömung ausgebildet werden kann. Eine Schichtströmung wird gestört und ein Temperaturgradient in Richtung der Kühlplattennormalen 32 wird minimiert. Auf diese Weise wird eine mögliche Wärmeübertragung in Richtung der Kühlplattennormalen 32 verbessert.
5 zeigt einen Verlauf eines Wärmeübertragungskoeffizienten entlang eines Strömungskanals 16a (siehe 3). Auf einer Abszissenachse 50 ist eine Längenposition entlang der Längsrichtung 18 des Strömungskanals 16a abgebildet. Eine Ordinatenachse 52 bildet einen Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten ab. Eine erste Kurve 54a illustriert den Verlauf des Wärmeübertragungskoeffizienten entlang des Strömungskanals 16a im Ausführungsbeispiel. Eine Anfangsposition 56 einer Kanallänge auf der Abszissenachse 50 hat den Wert 0 mm. Eine Endposition 58 der Kanallänge auf der Abszissenachse hat den Wert 400 mm. Ein erster Koeffizientenwert 60 des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Ordinatenachse 52 hat den Wert 500 W/m^2/K. Der Wärmeübertragungskoeffizient hat die Einheit Watt pro Quadratmeter und pro Kelvin. Ein zweiter Koeffizientenwert 62 des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Ordinatenachse 52 hat den Wert 800 W/m^2/K. Ein dritter Koeffizientenwert 64 des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Ordinatenachse 52 hat den Wert 2000 W/m^2/K. Ein vierter Koeffizientenwert 66 des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Ordinatenachse 52 hat den Wert 3000 W/m^2/K. Eine zweite Kurve 54b zeigt zum Vergleich den Verlauf des Wärmeübertragungskoeffizienten entlang eines Strömungskanals in einer Variante der Kühlplatte 10, welche weitgehend der Kühlplatte 10 des Ausführungsbeispiels entspricht und im Unterschied zum Ausführungsbeispiel keine Störkonturen 28 aufweist. Der Wärmeübertragungskoeffizient der Kühlplatte 10 des Ausführungsbeispiels ist gegenüber der Kühlplatte 10 der Variante ohne Störkonturen 28 entlang der gesamten Längsrichtung 18 der Kühlplatte 10 signifikant erhöht.
Im Ausführungsbeispiel werden die Strömungskanäle 16 beispielsweise jeweils durch zwei Stege 46 begrenzt (siehe 3). Der erste Strömungskanal 16a wird durch einen ersten Steg 46a und einen zweiten Steg 46b begrenzt. Ein zum ersten Strömungskanal 16a unmittelbar benachbarter zweiter Strömungskanal 16b wird durch den zweiten Steg 46b und einen dritten Steg 46c begrenzt. Die Stege 46 sind jeweils parallel zur Längsrichtung°18 angeordnet. Zwei zueinander unmittelbar benachbarte Stege 46, beispielsweise der erste Steg 46a und der zweite Steg 46b, haben jeweils den Abstand einer Kanalbreite 48 zueinander. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Kanalbreite 48 beispielsweise 10.0 mm. In alternativen Ausführungsformen richtet sich der Wert der Kanalbreite 48 an den technischen Anforderungen, insbesondere an einer Dimensionierung - beispielsweise einer Abmessung - der Batteriezelle. Bevorzugt richtet sich der Wert der Kanalbreite 48 an den Anforderungen an eine Temperierleistung, insbesondere Kühlleistung, und/oder den Anforderungen an einen Strömungswiderstand der Kühlplatte 10 für das Kühlmittel.
Eine Vielzahl von ersten Störkonturen 28a sind im Strömungskanal 16a beispielsweise in einer ersten Reihe entlang der Längsrichtung 18 angeordnet. Eine Vielzahl von zweiten Störkonturen 28b sind im Strömungskanal 16a beispielsweise in einer zweiten Reihe entlang der Längsrichtung 18 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist die erste Reihe beispielsweise am ersten Steg 46a angeordnet. Die ersten Störkonturen 28a haben jeweils einen Abstand von beispielsweise 1.5 mm zum ersten Steg 46a. Die zweite Reihe ist beispielsweise am zweiten Steg 46b angeordnet. Die zweiten Störkonturen 28b haben jeweils einen Abstand von beispielsweise 1.5 mm zum zweiten Steg 46b.
Im Ausführungsbeispiel sind die ersten Störkonturen 28a innerhalb der ersten Reihe beispielsweise äquidistant angeordnet. Die ersten Störkonturen 28a weisen innerhalb der ersten Reihe zu ihren jeweils nächstgelegenen ersten Störkonturen 28a der ersten Reihe jeweils einen gleichen Konturreihenabstand 68 auf. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Konturreihenabstand 68 beispielsweise 2.0 cm. In alternativen Ausführungsformen richtet sich der Wert des Konturreihenabstands 68 an den technischen Anforderungen, insbesondere an einer Dimensionierung der Batteriezelle und/oder an einer Dimensionierung - beispielsweise einer Länge - der Strömungskanäle 16. Bevorzugt richtet sich der Wert des Konturreihenabstands 68 an den Anforderungen an eine Temperierleistung, insbesondere Kühlleistung, und/oder den Anforderungen an einen Strömungswiderstand der Kühlplatte 10 für das Kühlmittel. Im Ausführungsbeispiel sind die zweiten Störkonturen 28b innerhalb der zweiten Reihe beispielsweise äquidistant angeordnet. Die zweiten Störkonturen 28b weisen innerhalb der zweiten Reihe zu ihren jeweils nächstgelegenen zweiten Störkonturen 28b der zweiten Reihe jeweils den Konturreihenabstand 68 auf.
Im Ausführungsbeispiel sind die zweiten Störkonturen 28b der zweiten Reihe um eine Versatzlänge 70 versetzt zu den ersten Störkonturen 28a der ersten Reihe angeordnet. Die Versatzlänge 70 ist insbesondere ein Abstand entlang der Längsrichtung 18 zwischen einer ersten Störkontur 28a und der nächstgelegenen zweiten Störkontur 28b bzw. eine Projektion eines Abstandes zwischen einer ersten Störkontur 28a und der nächstgelegenen zweiten Störkontur 28b auf die Längsrichtung 18. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Versatzlänge 70 beispielsweise 1.0 cm bzw. 50% des Konturreihenabstands 68. In vorteilhaften Varianten beträgt die Versatzlänge 70 zwischen 10% und 40% des Konturreihenabstands 68, besonders vorteilhaft zwischen 20% und 30%.
Aus einer Vielzahl aus Störkonturen 28 bilden im Ausführungsbeispiel jeweils vier Störkonturen 28 ein Parallelogramm 72 aus.
Die flexibel ausgebildete Abdeckung 14 ist im Ausführungsbeispiel beispielsweise als Verbundfolie ausgebildet. Die flexibel ausgebildete Abdeckung 14 ist stoffschlüssig ausgebildet mit den Stegen 46 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen der flexibel ausgebildeten Abdeckung 14 mit dem Rahmen 12 bzw. mit den Stegen 46 beispielsweise durch einen Siegelprozess bzw. ein Siegelverfahren hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0516280 A1 [0002]

Claims

Kühlplatte (10) zur Temperierung zumindest einer Batteriezelle, insbesondere für eine Traktionsbatterie, aufweisend einen Rahmen (12) mit Strömungskanälen (16) ausgebildet für eine Durchströmung mit einem Kühlmittel und eine flexibel ausgebildete Abdeckung (14), welche die Strömungskanäle (16) fluiddicht begrenzt und zur thermischen Kontaktierung der zumindest einen Batteriezelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) zumindest eine Störkontur (28) aufweisen, welche zur Turbulenzerhöhung im die Strömungskanäle (16) durchströmenden Kühlmittel vorgesehen ist.
Kühlplatte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Störkontur (28) das den Strömungskanal (16) durchströmende Kühlmittel zumindest teilweise in Richtung der flexibel ausgebildeten Abdeckung (14) umlenkt.
Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zur einer Längsrichtung (18) der Strömungskanäle (16) angeordnete Konturhöhe (30) der zumindest einen Störkontur (28) über der Längsrichtung (18) der Strömungskanäle (16) zumindest bereichsweise zunimmt.
Kühlpatte (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Störkontur (28) eine dreieckige Querschnittsfläche (38) parallel zur Längsrichtung (18) aufweist.
Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von ersten Störkonturen (28a) in einem jeweiligen Strömungskanal (16a) in einer ersten Reihe entlang einer Längsrichtung (18) des jeweiligen Strömungskanals (16a) angeordnet sind und eine Vielzahl von zweiten Störkonturen (28b) in dem jeweiligen Strömungskanal (16a) in einer zweiten Reihe entlang der Längsrichtung (18) des jeweiligen Strömungskanals (16a) angeordnet sind.
Kühlplatte (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Störkonturen (28b) der zweiten Reihe versetzt zu den ersten Störkonturen (28a) der ersten Reihe angeordnet sind.
Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Vielzahl von Störkonturen (28) jeweils vier Störkonturen (28) ein Parallelogramm (72) ausbilden.
Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexibel ausgebildete Abdeckung (14) zumindest eine Folie umfasst, bevorzugt eine Mehrzahl an Folien umfasst, insbesondere als Verbundfolie ausgebildet ist.
Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexibel ausgebildete Abdeckung (14) stoffschlüssig ausgebildet mit dem Rahmen (12) verbunden ist, insbesondere mit zwei einen jeweiligen Strömungskanal (16) begrenzenden Stegen (46).
Batteriesystem umfassend eine Kühlplatte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Batteriemodul, wobei das Batteriemodul zumindest eine Batteriezelle aufweist und die zumindest eine Batteriezelle an der flexibel ausgebildeten Abdeckung (14) angeordnet ist, so dass eine thermische Kontaktierung der zumindest einen Batteriezelle und der flexibel ausgebildeten Abdeckung (14) ausgebildet ist.