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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens, mit einem Vorrichtungsboden zum Abstützen und Temperieren der Traktionsbatterie.
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Die Batteriezellen von in Kraftwagen eingesetzten Traktionsbatterien erzeugen im Allgemeinen Abwärme während des Betriebs. So können Lithium-Ionen-Batteriezellen nur bis zu einer Temperatur von etwa 60°C ohne Schädigung betrieben werden. Um Schäden zu vermeiden, wird häufig eine Kühlungsvorrichtung zur aktiven Kühlung in die Traktionsbatterie eingebaut. Bei Anwendungen im Automobilbereich entstehen - bedingt durch eine große Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterien - Wärmemengen in einer Größenordnung, dass ein Abführen der Wärmemengen durch rein passive Kühlung der Traktionsbatterien nicht mehr ausreicht. Neben einer Luftkühlung mit Gebläsen kommen auch beispielsweise Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz. Vor allem Letztere sind in der Lage, große Wärmemengen abzuführen und nehmen nur wenig Bauraum ein. Bei tieferen Umgebungstemperaturen werden die Batteriezellen vor deren Verwendung beheizt, um eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen und Schädigungen zu vermeiden. Die Kühlungsvorrichtung wird dann als Heizungsvorrichtung verwendet.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 017 561 A1 eine Kühlvorrichtung für eine Batterie, mit einem Gehäuse, das eine Luftkühlung umfasst, bekannt. Das Gehäuse umfasst zusätzlich zu der Luftkühlung eine Flüssigkeitskühlung. Die Kühlvorrichtung umfasst einen ersten Bereich mit der Luftkühlung und einen davon getrennten zweiten Bereich mit der Flüssigkeitskühlung. Darüber hinaus umfasst die Kühlvorrichtung einen dritten Bereich mit einer Heizeinrichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Temperiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen; welche ein besonders effizientes Temperieren einer Traktionsbatterie ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Temperiervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von einer Temperiervorrichtung für eine Traktionsbatterie eines Kraftwagens, mit einem Vorrichtungsboden zum Abstützen und Temperieren der Traktionsbatterie. Die Traktionsbatterie kann auch als Hochvoltbatterie bezeichnet werden. Beim Temperieren kann vorliegend ein Abkühlen und zusätzlich oder alternativ ein Erwärmen der Traktionsbatterie erfolgen. Zum Temperieren kann der Vorrichtungsboden Wärmeübertragungskanäle umfassen, welche beispielsweise mit flüssigem Kühlmittel durchströmt werden können. Um das Kühlmittel durch die Wärmeübertragungskanäle zu fördern, kann die Temperiervorrichtung eine Pumpe umfassen. Die Pumpe kann auch als Kühlmittelpumpe bezeichnet werden. Zudem kann die Temperiervorrichtung beispielsweise eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Kühlmittels und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Kühlmittels umfassen. Das durch die Wärmeübertragungskanäle geförderte, mittels der Heizvorrichtung aufgeheizte Kühlmittel kann beispielsweise dazu verwendet werden um die Traktionsbatterie auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufzuwärmen. Anhand der Kühlvorrichtung kann das Kühlmittel gekühlt werden um ein Überhitzen der Traktionsbatterie bei deren Betrieb zu vermeiden.
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Um ein besonders effizientes Temperieren der Traktionsbatterie zu ermöglichen, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung zumindest einen Luftführungskanal umfasst, mittels welchem zumindest dem Vorrichtungsboden Fahrtwind zuführbar ist, und an welchem wenigstens ein verstellbares Klappenelement zum Einstellen eines durch den zumindest einen Luftführungskanal in Richtung des Vorrichtungsbodens strömenden Volumenstroms des Fahrtwindes angeordnet ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch Fahrtwind gezielt in Richtung des Vorrichtungsbodens geführt werden kann, um Wärme zwischen dem Volumenstrom des Fahrtwindes und dem Vorrichtungsboden zu übertragen. Über den Luftführungskanal kann die Traktionsbatterie also bedarfsgerecht temperiert, insbesondere gekühlt, werden. Durch das Zuführen des Volumenstroms kann unter besonders geringem Energieaufwand Wärme zwischen der Hochvoltbatterie und dem Volumenstrom übertragen werden.
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Das Klappenelement kann vorzugsweise zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar in dem zumindest einen Luftführungskanal angeordnet sein. Dies stellt eine besonders platzsparende Anordnung des Klappenelements dar. Um das Klappenelement zu bewegen, kann die Temperiervorrichtung eine Stelleinrichtung, welche beispielsweise einen Aktuator aufweisen kann, umfassen. Die Stelleinrichtung kann beispielsweise zur Ansteuerung mittels eines Steuergeräts des Kraftwagens ausgebildet sein.
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Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Temperiervorrichtung kann sich der Luftführungskanal vorzugsweise von einer Frontschürze des Kraftwagens bis zum Vorrichtungsboden der Temperiervorrichtung erstrecken. Mit anderen Worten kann also der Luftführungskanal zwischen der Frontschürze und dem Vorrichtungsboden angeordnet sein. Der Volumenstrom des Fahrtwindes kann vorzugsweise anhand des zumindest einen Luftführungskanals unterhalb des Vorrichtungsbodens, also beispielsweise entlang einer Unterseite des Vorrichtungsbodens entlang geführt werden, um zwischen dem Vorrichtungsboden und dem Volumenstrom des Fahrtwindes Wärme auszutauschen. Dadurch kann von der Traktionsbatterie durch Wärmeleitung an den Vorrichtungsboden übertragene Wärme zumindest teilweise an den Volumenstrom abgegeben und somit von der Traktionsbatterie abgeführt werden. Der Volumenstrom kann vorzugsweise durch eine Durchgangsöffnung, welche sich zwischen dem Vorrichtungsboden und einer Unterbodenverkleidung des Kraftwagens erstrecken kann, geführt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftwagens, welcher eine Traktionsbatterie und eine Temperiervorrichtung zum Temperieren der Traktionsbatterie umfasst;
- 2 eine weitere schematische Seitenansicht des Kraftwagens mit einer Variante der Temperiervorrichtung;
- 3 eine schematische Perspektivansicht der Traktionsbatterie sowie eines Teilbereichs der Temperiervorrichtung;
- 4 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung eines Zellblocks der Traktionsbatterie sowie eines Vorrichtungsbodens der Temperiervorrichtung; und
- 5 eine Schnittdarstellung der Traktionsbatterie sowie des Vorrichtungsbodens.
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1 und 2 zeigen jeweils schematische Darstellungen eines Kraftwagens 100, welcher auch als Kraftfahrzeug bezeichnet werden kann. Der Kraftwagen 100 umfasst eine Traktionsbatterie 50 mit mehreren Zellblöcken 52, wie in 3 in einer schematischen Perspektivansicht bzw. in 5 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt ist. Darüber hinaus umfasst der Kraftwagen 100 eine Temperiervorrichtung 10 für die Traktionsbatterie 50, welche ebenfalls in 1 und 2 erkennbar ist. Die Temperiervorrichtung umfasst einen Vorrichtungsboden 20, welcher über ein Wärmeleitmedium 26 wärmeleitend mit den Zellblöcken 52 der Traktionsbatterie 50 gekoppelt ist. Das Wärmeleitmedium 26 befindet sich vorliegend zwischen den Zellblöcken 52 und dem Vorrichtungsboden 20, wie insbesondere in 4 erkennbar ist. Der Vorrichtungsboden 20 kann als Blech oder als Strangpressprofil ausgebildet sein.
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In 1 bis 5 sind jeweils auf den Kraftwagen 100 bezogene Koordinatensysteme angegeben, welche durch eine Fahrzeuglängsrichtung x, durch eine Fahrzeugquerrichtung y sowie durch eine Fahrzeughochrichtung z des Kraftwagens 100 definiert sind. Ein die Fahrzeuglängsrichtung x verdeutlichender Pfeil zeigt zudem eine Vorwärtsfahrtrichtung des Kraftwagens 100 an. Die Fahrzeuglängsrichtung x entspricht vorliegend allgemein einer Längserstreckungsrichtung der Temperiervorrichtung 10. Die Fahrzeugquerrichtung y entspricht vorliegend allgemein einer Quererstreckungsrichtung der Temperiervorrichtung 10. Die Fahrzeughochrichtung z entspricht vorliegend allgemein einer Hocherstreckungsrichtung der Temperiervorrichtung 10.
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Die Traktionsbatterie 50 ist mit ihren Zellblöcken 52 über das Wärmeleitmedium 26 an dem Vorrichtungsboden 20 abgestützt, wobei das Wärmeleitmedium 26 dazu dient, eine möglichst große Wärmemenge zwischen den Zellblöcken 52 und dem Vorrichtungsboden 20 durch Wärmeleitung zu übertragen.
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Der Vorrichtungsboden 20 ist vorliegend als Teil eines Gehäuses G der Traktionsbatterie 50, in welchem die Zellblöcke 52 aufgenommen sind, ausgebildet. Neben dem Vorrichtungsboden 20 umfasst das Gehäuse G auch einen Gehäusedeckel 28 sowie in Hocherstreckungsrichtung z zwischen dem Gehäusedeckel 28 und dem Vorrichtungsboden 20 angeordnete Gehäuseseitenwände.
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Um Bauraum zu sparen, übernimmt der Vorrichtungsboden 20, welcher auch als Gehäuseboden bezeichnet werden kann, die Funktion eines Kühlsystems sowie eines Heizsystems. Statt modulintegrierte Kühlplatten und/oder Heizplatten zu verwenden, kann der Vorrichtungsboden 20 von einem Kühlmittel, welches auch als Heizmedium verwendet werden kann, durchströmt werden. 4 zeigt, dass der Vorrichtungsboden 20 mehrere Wärmeübertragungskanäle 27 umfassen kann, durch welche das Kühlmittel, beispielsweise mittels einer hier nicht weiter gezeigten Pumpe der Temperiervorrichtung 10 gefördert werden kann. Zudem kann die Temperiervorrichtung 10 beispielsweise eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Kühlmittels und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Kühlmittels umfassen. Die Kühlvorrichtung und die Heizvorrichtung sind vorliegend nicht weiter dargestellt. Die einzelnen Zellblöcke 52 sind, wie besonders deutlich in 4 erkennbar ist, anhand des Wärmeleitmediums 26 thermisch mit den Wärmeübertragungskanälen 27, welche auch als Kühl-/und Heizkanäle bezeichnet werden können, gekoppelt.
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Der Vorrichtungsboden 20 bildet vorliegend zusammen mit einer Unterbodenverkleidung 102 des Kraftwagens 100 einen sogenannten Fahrzeugunterboden des Kraftwagens 100. Die Unterbodenverkleidung 102 dient dazu, den Vorrichtungsboden 20 sowie die Traktionsbatterie 50 vor Beschädigungen, wie beispielsweise Steinschlag zu schützen. Die Unterbodenverkleidung 102 kann beispielsweise aus einem Kunststoff, wie beispielsweise Hart-PVC gebildet sein. Die Unterbodenverkleidung 102 dient jedoch nicht nur dem Schutz vor Beschädigungen, sondern auch als Wärmeisolierung und damit zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Traktionsbatterie 50 (Batterie-Performance) insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen.
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Zwischen dem Vorrichtungsboden 20 und der Unterbodenverkleidung 102 erstreckt sich vorliegend eine, in 1 und 2 angedeutete Durchgangsöffnung 30, welche beispielsweise als Spalt ausgebildet sein kann.
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Um ein besonders effizientes Temperieren der Traktionsbatterie 50 zu ermöglichen, umfasst die Temperiervorrichtung 10 einen Luftführungskanal 40, mittels welchem dem Vorrichtungsboden 20 Fahrtwind FW zuführbar ist. Der Vorrichtungsboden 20 begrenzt die Durchgangsöffnung 30, in welche der Fahrtwind FW mittels des Luftführungskanals 40 einleitbar ist, in Fahrzeughochrichtung z nach oben und damit bereichsweise. Die Unterbodenverkleidung 102 begrenzt die Durchgangsöffnung 30 hingegen in Fahrzeughochrichtung z nach unten.
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Der Luftführungskanal 40 kann unmittelbar mit der Durchgangsöffnung 30 gekoppelt sein, wie in 1 und 2 zu erkennen ist. An dem Luftführungskanal 40 ist ein verstellbares Klappenelement 42 zum Einstellen eines durch den zumindest einen Luftführungskanal 40 in Richtung des Vorrichtungsbodens 20 strömenden Volumenstroms V des Fahrtwindes FW angeordnet. Das Klappenelement 42 kann mittels einer Stelleinrichtung 12 beispielsweise in Abhängigkeit von einer Temperatur der Traktionsbatterie 50 stufenlos zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verstellt werden, wodurch eine besonders bedarfsgerechte Einstellung des Volumenstroms V möglich ist. In 1 und 2 ist das Klappenelement 42 jeweils in dessen Offenstellung gezeigt, in welcher der Fahrtwind FW in den Luftführungskanal 40 eintreten kann.
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Zur Erfassung der Temperatur kann die Temperiervorrichtung 10 einen Temperatursensor umfassen, welcher vorliegend nicht weiter gezeigt ist. Jeweilige Signale des Temperatursensors können mittels eines ebenfalls nicht gezeigten Steuergeräts des Kraftwagens 100 erfasst werden. Das Steuergerät kann die Stelleinrichtung 12 dann in Abhängigkeit von der Temperatur ansteuern, um das Klappenelement 42 zwischen der Offenstellung und der Schließstellung zu verstellen.
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1 zeigt, dass sich eine Einlassöffnung 41 des Luftführungskanals 40 in Hocherstreckungsrichtung z knapp oberhalb der Unterbodenverkleidung 102 befinden kann. 2 zeigt, dass sich die Einlassöffnung 41 auch in Hocherstreckungsrichtung z knapp unterhalb einer Motorhaube 104 des Kraftwagens 100 befinden kann, sodass die Einlassöffnung 41 beispielsweise als Teil eines Kühlergrills des Kraftwagens 100 ausgebildet sein kann oder alternativ dazu in Längserstreckungsrichtung x hinter dem Kühlergrill angeordnet sein kann. Über die Einlassöffnung 41 kann Fahrtwind FW in den Luftführungskanal 40 eintreten.
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4 zeigt schematisch, dass eine Unterseite 22 des Vorrichtungsbodens 20 vorzugsweise mit einer Rippenstruktur 24 versehen sein kann. Die Rippenstruktur 24 kann sich dabei von der Unterseite 22 in Fahrzeughochrichtung z in Richtung der Unterbodenverkleidung 102 erstrecken. Durch die Rippenstruktur 24 kann ein verbesserter Wärmeübergang zwischen dem Volumenstrom V und dem Vorrichtungsboden 20 erzielt werden. Die Rippenstruktur 24 ermöglicht es also eine besonders große Wärmemenge von den Zellblöcken 52 der Traktionsbatterie 50 über den Vorrichtungsboden 20 an den Volumenstrom V zu übertragen.
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Die Temperiervorrichtung 10 kann des Weiteren einen Auslasskanal 44 umfassen, über welchen der Volumenstrom aus der Durchgangsöffnung 30 in Richtung eines Fahrzeughecks des Kraftwagens 100 abgeführt werden kann, wie in 1 und 2 exemplarisch gezeigt ist.
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Zusammenfassend ermöglicht es die Temperiervorrichtung 10 anhand des Luftführungskanals 40 und des Klappenelements 42, den Fahrtwind FW zu nutzen, um die Zellblöcke 52, als jeweilige Batteriezellen der Traktionsbatterie 50 zu kühlen, was besonders vorteilhaft ist, wenn eine Umgebungstemperatur in einer Umgebung des Kraftwagens 100 kleiner ist als eine Temperatur des Gehäusebodens, da dann der Fahrtwind FW genutzt werden kann, um Wärme vom Vorrichtungsboden 20 und damit von dem über die Wärmeübertragungskanäle 27 geführten Kühlmittel abzuführen.
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Durch die vorliegende Temperiervorrichtung 10 ist ein neuartiges Kühlkonzept geschaffen, durch welches aufwandsarm eine besonders hohe Kühlleistung erzielt werden kann. Über die Einlassöffnung 41 an der Vorderseite des Kraftwagens 100 kann der Fahrtwind FW auf die beispielsweise als Spalt ausgebildete Durchgangsöffnung 30 zwischen dem Vorrichtungsboden 20, welche auch als Batteriegehäuseboden bezeichnet werden kann, und der Unterbodenverkleidung 102 gerichtet werden, sodass der Fahrtwind FW bzw. der anhand des Klappenelements 42 eingestellte Volumenstrom V durch die Durchgangsöffnung 30 (Spalt) durchgeführt werden kann. Sofern die Temperatur der Traktionsbatterie 50 oberhalb deren Betriebstemperatur liegt und dementsprechend ein Abkühlen der Traktionsbatterie 50 erforderlich ist, kann durch die Temperiervorrichtung 10 eine Erhöhung eines Wärmeaustausch zwischen dem Vorrichtungsboden 20 und dem Fahrtwind FW bzw. der Umgebung des Kraftwagens 100 erzielt werden. Dadurch kann eine erhöhte Kühlrate und dementsprechend eine verbesserte Kühlleistung des Kraftwagens 100 zur Kühlung der Traktionsbatterie 50 bzw. deren Zellblöcken 52 erzielt werden. Ein besonderer Vorteil bei der verwendeten Temperiervorrichtung 10 besteht darin, dass beispielsweise ein sogenannter, zum Kühlen des Kühlmittels verwendeter Chiller der Kühlvorrichtung der Temperiervorrichtung 10 beispielsweise kleiner dimensioniert werden kann. Eine ausreichende Kühlung der Traktionsbatterie 50 kann durch Verwendung der Temperiervorrichtung 10 auch mit entsprechend kleinem Chiller und kleiner Pumpe erzielt werden. Ein derartiger, kleiner Chiller (Wärmeübertrager) und eine kleine Pumpe benötigen lediglich eine geringe Leistung, insbesondere elektrische Leistung. Sofern beim Betrieb der Traktionsbatterie 50 lediglich geringe Wärmemengen abzuführen sind, so kann es sogar ausreichend sein, die Traktionsbatterie 50 bzw. deren Zellblöcke 52 ausschließlich durch den Fahrtwind FW zu kühlen, also auf die Kühlung durch flüssiges Kühlmittel vollständig zu verzichten.
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Um die Traktionsbatterie 50 möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen, also die Temperatur der Traktionsbatterie 50 möglichst schnell zu erhöhen, kann das Klappenelement 42 in dessen Schließstellung verstellt werden, in welcher das Klappenelement 42 ein Einströmen des Fahrtwindes FW in den Luftführungskanal 40 zumindest weitgehend unterbindet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Temperiervorrichtung
- 12
- Stelleinrichtung
- 20
- Vorrichtungsboden
- 22
- Unterseite
- 24
- Rippenstruktur
- 26
- Wärmeleitmedium
- 27
- Wärmeübertragungskanal
- 28
- Gehäusedeckel
- 30
- Durchgangsöffnung
- 40
- Luftführungskanal
- 41
- Einlassöffnung
- 42
- Klappenelement
- 44
- Auslasskanal
- 50
- Traktionsbatterie
- 52
- Zellblock
- 100
- Kraftwagen
- 102
- Unterbodenverkleidung
- 104
- Motorhaube
- FW
- Fahrwind
- G
- Gehäuse
- V
- Volumenstrom
- x
- Längserstreckungsrichtung
- y
- Quererstreckungsrichtung
- z
- Hocherstreckungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010017561 A1 [0003]
