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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäusewandung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Fahrzeugkomponente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Der zeitgenössische Fahrzeugbau erlebt gerade einen Wandel weg von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren und hin zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Bei solchen Fahrzeugen werden die Antriebsräder über einen Elektromotor angetrieben, der wiederum die elektrische Energie aus einem elektrischen Energiespeicher bezieht. Elektrofahrzeuge können dabei als rein elektrische, batteriebetriebene Fahrzeuge oder als Hybridfahrzeuge ausgebildet sein. Der elektrische Energiespeicher ist dabei an einem Batteriekasten angeordnet. Solche Batteriekästen, z. B. für Hochvolt-Batterien, müssen aufgrund der hohen Energiedichte häufig temperiert, insbesondere gekühlt werden. Vor allem bei schnellen Ladevorgängen oder bei schnellen Entladevorgängen entsteht eine beträchtliche Wärmeenergie in den Speicherzellen des elektrischen Energiespeichers, die kontrolliert abgeführt werden muss. Solche Hochvolt-Speicher sind aus einer Vielzahl von Zellen ausgebildet. Die einzelnen Zellen werden zu Modulen zusammengesetzt. Mehrere Module werden dann zu einem Hochvoltspeicher verbunden. Üblicherweise werden sogenannte Zellgehäuse verwendet, die die Zellen tragen und auch eine Kühlfunktion bzw. Temperierung der Zellen sicherstellen.
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Im Stand der Technik wird die Temperierung durch fließende Kühlmedien im Hochvoltspeicher gewährleistet. Dabei verlaufen medienführende Leitungen möglichst zellnahe. Über Konvektion findet eine Wärmeübertragung aus den Zellen des Energiespeichers in das Kühlmedium oder umgekehrt statt.
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Bei den bisher am Markt befindlichen Lösungen sind die Zellgehäuse und das Kühlsystem jeweils getrennte Baugruppen, die bei der Montage separat gefügt werden müssen. Dies bedingt nicht nur ein komplizierteres Montageverfahren, sondern ist auch mit Bauraumverlusten verbunden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Gehäusewandung und eine Fahrzeugkomponente mit einer solchen Gehäusewandung anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Gehäusewandung gemäß dem Patentanspruch 1 und einer Fahrzeugkomponente gemäß dem Patentanspruch 5 gelöst. Die hiervon abhängigen Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Gehäusewandung für eine Wärmequelle mit einem formstabilen Integralschaumformteil, welches zumindest einen Abschnitt eines Gehäuses ausbildet, wobei das formstabile Integralschaumformteil einen zelligen Kern und eine Wandung umfasst, wobei zumindest ein Teil des zelligen Kerns derart als ein Wärmetauschbereich ausgebildet ist, dass ein Teil der hohlen Zellen von einer Vielzahl von hohlen Zellen des zelligen Kerns in dem Fluidtauschbereich fluidpermeabel miteinander verbunden sind und der Wärmetauschbereich von einem Wärmetauschfluid durchströmbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Kühlfunktion bzw. die Temperierungsfunktion in die Gehäusewandung integriert ist.
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Eine Wärmequelle im Sinne dieser Erfindung kann insbesondere ein elektrischer Energiespeicher, eine elektrische Speicherzelle, eine Vielzahl von elektrischen Speicherzellen, die zu einem Speichermodul verschalten sind, oder eine Vielzahl von Modulen, die elektrisch verschalten sind, sein. Neben dem elektrischen Energiespeicher sind Elektromotoren, Getriebe, elektrische Bauteile, wie beispielsweise DC/DC Wandler, sowie andere Elektrik/Elektronik-Komponenten als Wärmequellen im Sinne dieser Erfindung zu verstehen, die mit Hilfe einer Gehäusewandung temperierbar sind.
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Die Verwendung eines Integralschaumformteils aus einem schäumfähigen Kunststoffmaterial, wobei der innere Bereich (Kern) eine offenporige Schaumstruktur aufweist und mit der äußeren Wandung integral verbunden ist, bietet folgende Vorteile. Ein derartiges Innenverkleidungsteil kann bevorzugt in einem Spritzguss-Integralverfahren (SGI) erzeugt werden. Das SGI-Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Erzeugen sogenannter SGI-Bauteile wird zwischen zwei Werkzeughälften, die eine Kavität ausbilden, eine schäumfähige Kunststoffmasse in diese Kavität eingebracht. Die Kunststoffmasse füllt dabei die Kavität im Wesentlichen vollständig aus und erstarrt von den Außenbereichen der Kunststoffmasse zu dem Innenbereich der Kunststoffmasse hin. Sobald die Kunststoffmasse einen bestimmten Erstarrungsgrad erreicht hat, verliert sie ihre Schäumfähigkeit. Dieser Effekt wird dahingehend ausgenutzt, dass zuerst eine vorbestimmte Zeit abgewartet wird, bis die Randbereiche des zu erzeugenden Integralschaumformteils erstarrt sind und sich somit die äußere Wandung des Integralschaumformteils gebildet hat. Danach wird das Werkzeug um den sogenannten SGI-Hub auseinandergefahren, so dass die Kavität eine Volumenvergrößerung erfährt. Dabei werden die äußeren Wandungen ebenfalls auseinander gefahren, so dass sich der dazwischen liegende innere Bereich der Kunststoffmasse vergrößert. In dem inneren Bereich des Trägerteils zwischen den äußeren Wandungen kann jetzt die noch nicht erstarrte - und folglich noch schäum fähige - Kunststoffmasse aufschäumen. Die Verwendung eines SGI-Bauteils als Integralschaumformteil bei der Herstellung einer Gehäusewandung bietet den Vorteil, dass der innere, geschäumte Bereich Poren bzw. Alveolen bzw. Zellen aufweist, durch die das Fluid hindurch diffundieren bzw. fließen kann. Solche SGI-Teile können als ein geschäumter Thermoplast ausgebildet sein, dessen Schaumstruktur mit einem Heiz- und/oder Kühlmedium durchströmt werden kann. In der Patentanmeldung
DE 102017206304 wird ein solches Bauteil beschrieben. Dieses besteht aus einer dichten Außenfläche bzw. Außenwandung und einem zelligen Kern. Zumindest ein Teil des zelligen Kerns ist dabei als Wärmetauschbereich ausgebildet.
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Weiterhin kann das formstabile Integralschaumformteil zumindest eine Wärmetauschfluidzuleitung und zumindest eine Wärmetauschfluidableitung umfassen, die mit dem Wärmetauschbereich in fluidischer Verbindung stehen. Dadurch kann auf einfache Weise das Fluid in das formstabile Integralschaumformteil hinein- und wieder herausgeleitet werden.
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Weiterhin kann das Wärmetauschfluid in flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen, insbesondere eignen sich hierfür Luft, Wasser, Öl oder andere Fluide. Es ist jedoch auch denkbar, Kombinationen aus den genannten zu verwenden, beispielsweise Glykol-Wasser-Gemische.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Fahrzeugkomponente mit mindestens einer Gehäusewandung gemäß der im Vorhergehenden beschriebenen Art und einer Wärmequelle. Dabei kann die Gehäusewandung die Wärmequelle zumindest abschnittsweise umgeben.
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Die Wärmequelle kann dabei von einer oder mehreren Gehäusewandungen gemäß der im Vorhergehenden beschriebenen Art umgeben sein, wobei die Gehäusewandungen die Wärmequelle in Umfangsrichtung vollständig umschließen.
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Weiterhin kann eine der Wärmequelle zugwandte Oberfläche der Gehäusewandung eine Oberflächenform aufweisen, die komplementär zu der Oberflächenform der Oberfläche der Wärmequelle ausgebildet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Kontur der Gehäusewandung formangepasst an die Kontur der Wärmequelle ist, wodurch sich eine besonders gute Wärmeübertragung realisieren lässt.
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Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung kurz zusammengefasst werden. Vorteile mit Bezug zur Gehäusewandung gelten uneingeschränkt auch für die Fahrzeugkomponente und umgekehrt. Mit der erfindungsgemäßen Wandung bzw. der erfindungsgemäßen Fahrzeugkomponente kann eine Integration der Temperiereinheit in das Gehäuse bzw. in Gehäuseabschnitte einer Wärmequelle realisiert werden. Wenn die Wärmequelle ein Hochvoltspeicher ist, kann der durch diese Integration gewonnene Bauraum dafür verwendet werden, die Anzahl der elektrischen Speicherzellen zu erhöhen. Dadurch kann die Reichweite eines Elektrofahrzeugs bzw. die elektrische Reichweite eines Hybridfahrzeugs gesteigert werden.
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Darüber hinaus wächst die Derivateanzahl im heutigen Fahrzeugbau. Für jedes Fahrzeugderivat müssen an die jeweilige Geometrie des Derivats angepasste Bauteile erzeugt werden. Da das formstabile Integralschaumteil im SGI-Verfahren hergestellt wird, können Gehäusewandungen in hoher Variantenzahl erstellt werden, die spezifisch für jedes Derivat ausgelegt sind und die bereits ein Kühlsystem umfassen. Somit können individuelle Gehäuse mit Temperiersystem für die jeweiligen Derivate hergestellt werden. Die Verwendung von im SGI-Verfahren hergestellten Integralschaumformteilen bietet den Vorteil, dass herstellungsbedingt schon eine hohe Dichtigkeit des Temperiersystems gewährleistet ist. Folglich können die aus dem Stand der Technik bekannten Kompromisslösungen hinsichtlich Kühlleistung, Speicherzellenzahl und Bauraum überwunden werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert werden. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 eine Explosionsansicht eines Gehäuses, und
- 2 einen Querschnitt durch eine Batterie.
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In 1 ist eine Explosionsdarstellung eines Gehäuses zur Aufnahme einer nicht dargestellten Wärmequelle, z.B. eines Energiespeichers,abgebildet. Dieses Gehäuse umfasst eine untere Gehäusewandung 11 und eine obere Gehäusewandung 11'. Die untere Gehäusewandung 11 ist als Bodenplatte ausgebildet und umfasst beispielhaft zwei formstabile Integralschaumformteile 13. Jedes Integralschaumformteil 13 ist mit einer Wärmetauschfluidzuleitung 16 und einer Wärmetauschfluidableitung 17 verbunden. Das Fluid kann somit über die Zuleitung 16 in den Wärmetauschbereich im Inneren des Integralschaumformteils 13 eingebracht werden.
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In 1 sind zwei Integralschaumformteile 13 parallel zueinander entlang ihrer Längsrichtung ausgerichtet. Dabei liegen die Wärmefluidableitung 17 eines ersten Integralschaumformteils und die Wärmefluidzuleitung 16 des anderen Integralschaumformteils 13 nebeneinander. Das Wärmetauschfluid kann somit über die Wärmetauschfluidleitung 16 in ein erstes Integralschaumformteil eingeleitet werden. Es durchströmt den Wärmetauschbereich des ersten Integralschaumformteils und fließt über die Wärmetauschfluidableitung 17 ab. Die Wärmetauschfluidableitung 17 ist fluidisch mit der Wärmetauschfluidzuleitung 16 des zweiten Integralschaumformteils 13 verbunden. Somit kann das Fluid in den Wärmetauschbereich des zweiten Integralschaumformteils 13 eingeleitet werden. Es durchströmt den Wärmetauschbereich des zweiten Integralschaumformteils 13 und fließt über die Wärmetauschfluidableitung 17 heraus.
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Dabei findet durch Konvektion ein Wärmeübergang aus dem elektrischen Energiespeicher in das Fluid statt. Das Fluid kann in einem Fluidkreislauf umgewälzt werden, der jedoch nicht näher dargestellt ist. Über eine Umwälzpumpe wird das Fluid, welches aus dem Wärmetauschfluidableitung 17 strömt an einen - nicht dargestellten - Wärmetauscher geleitet. Mit diesem Wärmetauscher kann beispielsweise die Temperierung des Innenraums des Elektrofahrzeugs unterstützt werden. Nach dem Durchlaufen des Wärmetauschers wird das Fluid wieder in die Gehäusewandung des Integralschaumformteils gefördert.
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In 2 ist eine Fahrzeugkomponente 10 beispielhaft als Batterie für den Einsatz in Elektrofahrzeugen dargestellt. Die Darstellung entspricht einer Querschnittansicht quer zu einer Längsrichtung der Batterie 10. Die Batterie 10 weist eine obere Gehäusewandung 11' auf. Diese kann aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein, das beispielsweise im Vollmaterialspritzgussverfahren hergestellt ist. Abweichend zu der Darstellung in 2 kann die obere Gehäusewandung 11' jedoch auch im SGI-Verfahren hergestellt sein. Die untere Seite bzw. die Bodenwanne des Gehäuses für die Batterie 10 ist zweiteilig ausgebildet, aus zwei Gehäusewandungen 11, die im SGI-Verfahren hergestellt sind. Diese formstabilen Integralschaumformteile 13 weisen einen zelligen Kern 14 auf, in dem alveolen-artige, zellige Kammern ausgebildet sind. Diese Kammern können zueinander offen oder voneinander getrennt sein. In einem Wärmetauschbereich des zelligen Kerns sind diese Kammern fluidisch miteinander verbunden, so dass ein Wärmetauschfluid in dem Wärmetauschbereich durch die Zellen hindurch fließen kann. Der Randbereich des Integralschaumformteils 13 ist aus einer festen Kunststoffwandung 15 gebildet. Diese Wandung ist dicht bezüglich des verwendeten Wärmefluids.
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Im Inneren der Batterie 10, zwischen der Gehäusewandung 11 und 11', ist ein elektrischer Energiespeicher 12 dargestellt. Bei diesem elektrischen Energiespeicher 12 kann es sich um einzelne Speicherzellen oder um einzelne Speichermodule handeln, in denen mehrere Speicherzellen elektrisch miteinander verschalten sind.
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Das hier beschriebene Wirkprinzip für Zellgehäuse kann auf verschiedene Wärmequellen übertragen werden, wie beispielsweise andere elektronische Komponenten, die temperiert werden müssen. Insbesondere auf solche elektronische Komponenten, die in Gebrauch Wärmeenergie als Abwärme erzeugen. Die Anschlüsse, Zu- und Ableitungen für das Wärmefluid, die Wandung und der zellige Kern werden direkt im Spritzgussverfahren hergestellt und können so integral bzw. einstückig an die Gehäusewandung angeformt werden.
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Die in der 2 dargestellten elektrischen Energiespeicher/Speichermodule 12 weisen eine kreisrunde Querschnittsform auf. Abweichend davon können jedoch auch ovale Querschnittsformen, drei- oder mehreckige Querschnittsformen, oder Kombinationen daraus verwendet werden. Vorteilhafterweise wird die Querschnittsform des elektrischen Energiespeichers mit der Form des formstabilen Integralschaumformteils 13 komplementär ausgebildet. Mit anderen Worten, wird der elektrische Speicher 12 in das Integralschaumformteil 13 so eingebettet, dass eine möglichst große berührende Kontaktzone zwischen der Oberfläche des elektrischen Energiespeichers 12 und des Schaumformteils 13 entsteht. Die in 2 konvex gekrümmte Oberflächenform 120 des elektrischen Energiespeichers greift in eine konvex gekrümmte Oberflächenform 110 der Gehäusewandung 11. Durch diese komplementäre Formanpassung, kann ein besonders guter Wärmeübergang realisiert werden. Zur Optimierung des Wärmeübergangs kann eine wärmeleitende Paste zwischen die Oberfläche 120 des elektrischen Speichers 12 und die Oberfläche 110 des Integralschaumformteils eingebracht werden. Die Oberfläche 120 und die Oberfläche 110 sind dabei einander zugewandt.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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