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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von Energiespeicherzellen, welche elektrisch miteinander verbunden sind und nebeneinander angeordnet sind, und zwischen den Energiespeicherzellen angeordneten und mit einem Kühlmittel durchströmten Kühlplatten.
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Beim Entladen und Aufladen von Energiespeichern wird aufgrund elektrochemischer Prozesse in den Energiespeicherzellen Energie in Form von Wärme frei, wobei die Wärme abgeführt werden muss, um einen dauerhaften Kapazitätsverlust des Energiespeichers aufgrund einer Überhitzung zu verhindern. Die Kühlung des Energiespeichers wird durch unterschiedliche bekannte Kühlkonzepte erzielt, wobei beispielsweise Kühlplatten zwischen den einzelnen Energiespeicherzellen vorgesehen werden. Die Kühlplatten liegen an den Breitseiten der Energiespeicherzellen an und werden von einem Kühlmedium durchströmt, wobei die von den Energiespeicherzellen abgegebene Wärme an das Kühlmedium übertragen wird und durch die Zirkulation des Kühlmediums durch einen Kühlkreislauf abgeführt wird.
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Desweiteren muss beim Entladen und Aufladen von Energiespeicherzellen berücksichtigt werden, dass sich die Energiespeicherzellen beim Aufladen ausdehnen und beim Entladen wieder schrumpfen. Dieses unter der Bezeichnung „Swelling“ bekannte Phänomen führt zum einen zu einer mechanischen Belastung der Energiespeicherzellen beim Aufladevorgang, wenn die Energiespeicherzellen kompakt aneinander anliegend in einem Batterierahmen oder in einem Batteriegehäuse fest angeordnet sind, und zum anderen zu einer Reduzierung der Kühlung, wenn die zwischen den Energiespeicherzellen angeordneten Kühlplatten aufgrund einer Schrumpfung der Energiespeicherzellen in Dickenrichtung nicht direkt an den Energiespeicherzellen anliegen und sich Spalte zwischen den Energiespeicherzellen und den Kühlplatten bilden.
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Die
DE 10 2018 008 618 A1 offenbart einen elektrischen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher umfasst eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen, wobei zwischen jeweils zwei Energiespeicherzellen eine mit einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatte angeordnet ist. Die Kühlplatten weisen zwei parallel zueinander angeordnete, steife Wandungsteile und ein die Wandungsteile miteinander verbindendes, verformbares Element auf, wobei sich das elastische Element in Abhängigkeit von einer Veränderung des Volumens der Energiespeicherzelle verformt. Bei einer durch das Aufladen der Energiespeicherzellen verursachten Ausdehnung der Energiespeicherzelle in Dickenrichtung verformt sich das elastische Element, wodurch sich die Dicke der Kühlplatte reduziert. Der vordefinierte Anlagedruck zwischen den Energiespeicherzellen und den Kühlplatten bleibt dabei erhalten.
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Die
DE 10 2016 219 283 A1 offenbart eine Kühlplatte für einen Energiespeicher, wobei die Kühlplatte zwischen zwei Energiespeicherzellen angeordnet ist und mit einem Kühlmittel durchströmt wird. Die Kühlplatte umfasst einen Stützrahmen, ein von dem Stützrahmen radial umgebendes elastisches Element und jeweils eine an den Breitseiten der Kühlplatte angeordnete Folie. Das elastische Element ist derart ausgeführt, dass es sich bei einer Ausdehnung der Energiespeicherzellen in Dickenrichtung elastisch verformt und damit eine unerwünschte Auswirkung aufgrund des „Swellings“ verhindert.
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Nachteilhaft an derartigen Energiespeichern ist, dass die Herstellung der Kühlplatten zum Kühlen der Energiespeicherzellen aufwendig und kostenintensiv ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welcher einfach und kostengünstig herzustellende Kühlplatten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Kühlplatten jeweils ein gebogenes Blech umfassen, welches in einem Schenkelbereich zwei parallel zueinander verlaufende und voreinander beabstandete Schenkel aufweist und in einem Biegebereich einen die beiden Schenkel miteinander verbindenden Biegeabschnitt aufweist, wobei eine erste axiale Stirnseite der Kühlplatte ausschließlich im Schenkelbereich fluiddicht abgedichtet ist und eine zweite axiale Stirnseite der Kühlplatte im Schenkelbereich und im Biegebereich fluiddicht abgedichtet ist, wird eine Kühlplatte bereitgestellt, welche einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Dabei wird ein kostengünstig herstellbarer, rechteckiger Blechzuschnitt durch ein einfaches und kostengünstiges Umformverfahren im Biegebereich umgebogen, so dass ein im Biegebereich angeordneter Biegeabschnitt und zwei im Schenkelbereich angeordnete, gleich lange und parallel zueinander angeordnete Schenkel entstehen. Anschließend werden die zweite axiale Stirnseite der Kühlplatte vollständig, d.h. im Biegebereich und im Schenkelbereich, und die erste axiale Stirnseite der Kühlplatte nur im Schenkelbereich fluiddicht durch einen Kleber oder ein sonstiges aus dem Stand der Technik bekanntes Dichtmittel abgedichtet, wobei der Kleber oder das sonstige Dichtmittel im Randbereich auf die Innenfläche des gebogenen Blechs appliziert wird. Damit ist die Kühlplatte ein einfach und kostengünstig hergestelltes Blech- und Biegeteil.
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Des Weiteren führt eine derartige Ausgestaltung der Kühlplatte dazu, dass es sich in Abhängigkeit einer Ausdehnung der Energiespeicherzellen in Dickenrichtung elastisch verformen kann, wodurch zum einen die mechanische Belastung der Energiespeicherzellen beim Aufladevorgang und zum anderen die Reduzierung der Kühlung aufgrund von „Swelling“ verhindert werden kann.
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Das gebogene Blech und die abgedichteten axialen Stirnseiten der Kühlplatte begrenzen einen durch die Kühlplatte erstreckenden Kühlmittelkanal, durch welchen ein Kühlmittel strömt und die beim Auflade- oder Entladevorgang der Energiespeicherzelle entstehende Wärme abtransportiert. Das Kühlmittel wird vorzugsweise an einem nicht-abgedichteten und einen Kühlmitteleinlass bildenden Bereich der ersten axialen Stirnseite in den Kühlmittelkanal eingeleitet, durchströmt den Kühlmittelkanal zwischen den beiden Schenkeln und wird an einem dem Biegeabschnitt entgegengesetzten und den Kühlmittelauslass bildenden offenen Ende wieder aus dem Kühlmittelkanal herausgeleitet. Dadurch werden der Kühlmittelauslass und der Kühlmitteleinlass auf eine kostengünstige Weise hergestellt, indem jeweils in einem vordefinierten Bereich die Abdichtung weggelassen wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Biegeabschnitt einen vollkreisartigen Querschnitt auf. Vorzugsweise ist der Durchmesser des vollkreisartigen Querschnitts größer als der Abstand zwischen den beiden voneinander beabstandeten Schenkeln. Dadurch kann der Kühlmitteleinlass an den Durchströmungsquerschnitt des Kühlmittelkanals zwischen den Schenkeln angepasst werden, so dass ein ausreichend hoher Volumenstrom des Kühlmittels durch den Kühlmitteleinlass bereitgestellt werden kann und damit eine ausreichende Kühlung der Energiespeicherzellen gewährleistet werden kann.
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Vorzugsweise ist zwischen den Schenkeln ein kühlmitteldurchlässiges, flexibles Drahtgewebe angeordnet. Durch das kühlmitteldurchlässige, flexible Drahtgewebe können zum einen die elastischen Verformungen der Kühlplatte zugelassen werden und zum anderen eine Verwirbelung des durch die Kühlplatte strömenden Kühlmittels verursacht werden. Die Verwirbelung des Kühlmittels bewirkt, dass das die Kühlplatte durchströmende Kühlmittel länger in der Kühlplatte verweilt und dadurch mehr Wärme vom Kühlmittel aufgenommen werden kann. Dadurch wird die Kühlwirkung der Energiespeicherzellen erhöht.
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Vorzugsweise ist das kühlmitteldurchlässige Drahtgewebe mehrlagig ausgeführt, wobei die unterschiedlichen Drahtgewebelagen zueinander unterschiedliche Webarten aufweisen. Dadurch kann die Verwirbelung des Kühlmittels und die Durchströmung der Kühlplatte verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwischen den Schenkeln mindestens ein Lochblech und mindestens ein flexibles Schaumstoffelement angeordnet.
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Das Lochblech dient der Verwirbelung des durch die Kühlplatte strömenden Kühlmittels, wobei zur Gewährleistung der elastischen Verformung der Kühlplatte das flexible Schaumelement vorgesehen ist. Dadurch wird eine kostengünstige Kühlplatte mit darin angeordneten Verwirbelungselementen bzw. Kühlmittelleitelementen geschaffen.
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Vorzugsweise weist das gebogene Blech eine Wandstärke von 0,05 bis 0,5 mm auf, wodurch das Blech eine derartig geringe Wandstärke aufweist, dass eine elastische Verformung der Kühlplatte gewährleistet werden kann und eine Volumenvergrößerung der Energiespeicherzelle in Dickenrichtung kompensiert werden kann.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine Kühlplatte für einen Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dadurch kann die Kühlplatte einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Es wird somit ein Energiespeicher geschaffen, welcher eine einfach und kostengünstig herzustellende Kühlplatten aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt einen Energiespeicher in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 zeigt eine Kühlplatte eines Energiespeichers aus 1 in perspektivischer Ansicht,
- 3a zeigt eine erste Ausführungsform einer Kühlplatte eines Energiespeichers aus 1 in geschnittener Ansicht, und
- 3b zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kühlplatte eines Energiespeichers aus 1 in geschnittener Ansicht.
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1 zeigt einen Energiespeicher 10, welcher üblicherweise in einem Elektrofahrzeug verbaut wird und zur Stromversorgung einer elektrischen Maschine des Elektrofahrzeugs dient.
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Der Energiespeicher 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen auf, wobei in 1 beispielhaft nur vier Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 dargestellt sind. Die Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 sind Lithium-Ionen-Zellen und als Pouch-Zellen ausgeführt, wobei bei Pouch-Zellen die gestapelten oder gefalteten aktiven Schichten der Energiespeicherzellen von einer flexiblen, meist auf Aluminiumbasis bestehenden Außenfolie eingeschlossen sind.
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Die Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 sind nebeneinander angeordnet und über einen in der 1 nicht gezeigten Zellverbinder seriell oder parallel miteinander elektrisch verbunden. Zwischen je zwei benachbarten Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 ist jeweils eine Kühlplatte 22, 24, 26 angeordnet, wobei die Kühlplatten 22, 24, 26 mit ihren Breitseiten an den Breitseiten der zwei benachbarten Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 anliegt.
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Die in der 2 gezeigte Kühlplatte 22, 24, 26 ist aus einem gebogenen Blech 30 hergestellt, wobei das gebogene Blech 30 einen Biegeabschnitt 39 und zwei Schenkel 32, 34 aufweist. Die Schenkel 32, 34 sind parallel zueinander und über einen Abstand A voneinander beabstandet angeordnet. Beide Schenkel 32, 34 weisen eine gemeinsame Länge L und Tiefe T auf. Die Schenkel 32, 34 sind über den Biegeabschnitt 39 miteinander verbunden, wobei der Bereich in dem der Biegeabschnitt 39 angeordnet ist als Biegebereich 38 und der Bereich in dem die Schenkel 32, 34 angeordnet sind als Schenkelbereich 36 bezeichnet werden.
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Die erste axiale Stirnseite 35 der Kühlplatte 22, 24, 26 ist im Biegebereich 38 durch ein Dichtmittel 40 fluiddicht abgedichtet, wobei das Dichtmittel 40 im Bereich der ersten Stirnseite 35 in den Hohlraum zwischen den beiden Schenkeln 32, 34 eingespritzt wird.
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Die zweite axiale Stirnseite 37 der Kühlplatte 22, 24, 26 ist im Biegebereich 38 und im Schenkelbereich 36 durch ein Dichtmittel 42 fluiddicht abgedichtet, so dass die zweite axiale Stirnseite 37 vollständig durch das Dichtmittel 42 geschlossen ist.
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An der ersten axialen Stirnseite 35 ist ein Kühlmitteleinlass 50 mit einem vollkreisartigen Querschnitt und einem Durchmesser D vorgesehen, wobei der Kühlmitteleinlass 50 durch den nicht-abgedichteten Biegebereich 38 ausgeführt ist. Der Kühlmitteleinlass 50 wird im Wesentlichen durch den vollkreisartigen Querschnitt des Biegeabschnitts 39 radial begrenzt.
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Ein Kühlmittelauslass 52 ist an der dem Biegeabschnitt 39 entgegengesetzten Seite vorgesehen, wobei sich der Kühlmittelauslass 52 über die gesamte Tiefe T der Kühlplatte 22, 24, 26 erstreckt und durch die Endbereiche der über den Abstand A voneinander beabstandeten Schenkeln 32, 34 sowie durch die an den Stirnseiten 35, 37 angeordneten Dichtmittel 40, 42 radial begrenzt ist. Der Abstand A zwischen den beiden Schenkeln 32, 34 ist kleiner als der Durchmesser D des Kühlmitteleinlasses 50.
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In den 1 und 2 ist die Kühlmittelströmung durch die Kühlplatte 22, 24, 26 mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Dabei strömt das Kühlmittel durch den im Biegebereich 38 ausgebildeten Kühlmitteleinlass 50 in die Kühlplatte 22, 24, 26 ein und wird um 90° umgelenkt. Anschließend strömt das Kühlmittel durch einen zwischen den Schenkeln 32, 34 angeordneten Kühlmittelkanal 56, bevor das Kühlmittel durch den Kühlmittelauslass 52 aus der Kühlplatte 22, 24, 26 ausströmt.
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Zur Verbesserung der Kühlwirkung der Kühlplatten 22, 24, 26 sind im Kühlmittelkanal 56 weitere Komponenten angeordnet, wobei die 3a eine erste Ausführung und die 3b eine zweite Ausführung der Kühlplatten 22, 24, 26 mit im Kühlmittelkanal 56 angeordneten Komponenten zeigen.
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Die 3a zeigt eine Kühlplatte 22, 24, 26 mit einem Kühlmittelkanal 56, in welchem ein Drahtgewebe 60 angeordnet ist. Das Drahtgewebe 60 ist mehrlagig ausgeführt und weist eine erste Drahtgewebelage 62 mit einer ersten Webart, eine zweite Drahtgewebelage 64 mit einer zweiten Webart und eine dritte Drahtgewebelage 66 mit einer dritten Webart auf.
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Die 3b zeigt eine Alternative zum Drahtgewebe 60, wobei im dem Kühlmittelkanal 56 zwei voneinander beabstandete Lochbleche 74, 76 und zwei Schaumstoffelement 70, 72 schichtweise angeordnet sind.
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Durch das in 3a gezeigte, mehrschichtige flexible Drahtgewebe 60 und die in 3b gezeigten Lochbleche 74, 76 wird das die Kühlplatte 22, 24, 26 durchströmende Kühlmittel verwirbelt, wodurch das die Kühlplatte durchströmende Kühlmittel länger in der Kühlplatte verweilt, wodurch mehr Wärme vom Kühlmittel aufgenommen werden kann und sich die Kühlwirkung der Kühlplatten 22, 24, 26 erhöht. Des Weiteren dienen das flexible Drahtgewebe 60 aus 3a sowie das Schaumstoffelement 70, 72 aus 3b einer elastischen Verformung der Kühlplatte 22, 24, 26, wobei sich die Kühlplatten 22, 24, 26 elastisch verformen, wenn sich die Energiespeicherzellen 12, 14, 16, 18 beim Aufladevorgang in Dickenrichtung ausdehnen. Desweiteren ist das gebogene Blech 30 mit einer Wandstärkte von 0,1 mm ausgeführt, wodurch die elastische Verformung der Kühlplatten 22, 24, 26 zugelassen wird.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Beispielsweise können der Kühlmitteleinlass 50 oder der Kühlmittelauslass 52 anders ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018008618 A1 [0004]
- DE 102016219283 A1 [0005]
