DE102019132827A1

DE102019132827A1 - Kühlkörper und elektrisches System

Info

Publication number: DE102019132827A1
Application number: DE102019132827.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Jungtäubl; Lennart Frank
Original assignee: Yazaki Systems Technologies GmbH
Current assignee: Yazaki Systems Technologies GmbH
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper (15) und einen elektrisches System (5) mit solch einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper (15) einen Trägerabschnitt (40) mit einer Anlagefläche (80) zur Anordnung an einer Energiezellenanordnung (20) und/oder einer Leistungselektronik (21) aufweist, wobei der Trägerabschnitt (40) innenseitig einen sich parallel zur Anlagefläche (80) erstreckenden ersten Kanal (115) und einen fluiddicht gegenüber dem ersten Kanal (115) ausgebildeten und parallel zur Anlagefläche (80) ausgerichteten zweiten Kanal (125) begrenzt, wobei der erste Kanal (115) und der zweite Kanal (125) ausgebildet sind, ein Kühlfluid (26) zu führen, wobei der erste Kanal (115) und der zweite Kanal (125) in einer Richtung senkrecht zu der Anlagefläche (80) zumindest überdeckend ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper gemäß Patentanspruch 1 und ein elektrisches System gemäß Patentanspruch 12.
Es sind elektrische Energiespeicher zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Betrieb eines Antriebes eines Elektrofahrzeugs bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen Energiezellenanordnung insbesondere eines Hochstromenergiespeichers eines Kraftfahrzeugs, und/oder einer Leistungselektronik und ein verbessertes elektrisches System für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels der Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wurde erkannt, dass ein verbesserter Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen Energiezellenanordnung und/oder einer Leistungselektronik eines Fahrzeugs dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Kühlkörper einen Trägerabschnitt mit einer Anlagefläche zur Anordnung an der Energiezellenanordnung und/oder der Leistungselektronik aufweist, wobei der Trägerabschnitt innenseitig einen sich parallel zur Anlagefläche erstreckenden ersten Kanal und einen fluiddicht gegenüber dem ersten Kanal ausgebildeten und zumindest abschnittsweise parallel zur Anlagefläche ausgerichteten zweiten Kanal begrenzt, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal ausgebildet sind, ein Kühlfluid zur Kühlung der Energiezellenanordnung und/oder der Leistungselektronik zu führen, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal in einer Richtung senkrecht zu der Anlagefläche zumindest abschnittsweise überdeckend ausgebildet sind.
Dadurch ist der Trägerabschnitt besonders flach ausgebildet. Ferner stellt sich im Betrieb des Kühlkörpers im ersten Kanal und/oder im zweiten Kanal eine besonders geringe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids ein, sodass Wirbel und/oder turbulente Strömungsabschnitte in dem Kühlfluid vermieden werden können. Dadurch wird eine gleichmäßige Kühlung der Anlagefläche sichergestellt.
Von besonderem Vorteil ist, dass sich der erste Kanal und/oder der zweite Kanal im Wesentlichen über eine gesamte Innenbreite des Trägerabschnitts erstreckt. Dadurch ist eine Querschnittsfläche des ersten Kanals und/oder des zweiten Kanals maximiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Kanal und/oder der zweite Kanal ein Seitenverhältnis einer maximalen Innenhöhe zu einer maximalen Innenbreite von 1 zu 3 bis 1 zu 15 auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerabschnitt einen ersten Plattenabschnitt und einen parallel zu dem ersten Plattenabschnitt angeordneten zweiten Plattenabschnitt auf, wobei an dem ersten Plattenabschnitt außenseitig die Anlagefläche angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Plattenabschnitt und dem zweiten Plattenabschnitt ein plattenförmig ausgebildeter Zwischensteg angeordnet ist, wobei der erste Plattenabschnitt und der Zwischensteg den ersten Kanal und der zweite Plattenabschnitt und der Zwischensteg den zweiten Kanal begrenzen. Diese Ausgestaltung weist eine besonders effiziente Raumausnutzung auf.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Trägerabschnitt eine erste Seitenwand und eine beabstandet zur ersten Seitenwand angeordnete zweiten Seitenwand auf, wobei die beiden Seitenwände plattenförmig ausgebildet und geneigt, vorzugweise senkrecht zu dem ersten Plattenabschnitt, ausgerichtet sind, wobei die erste Seitenwand an einer ersten Seite und die zweite Seitenwand an einer zur ersten Seite gegenüberliegenden Seite den ersten Kanal und den zweiten Kanal begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform des Kühlkörpers weisen der erste Kanal und der zweite Kanal zumindest abschnittsweise im Wesentlichen eine identische Querschnittsfläche auf, wobei die Querschnittsfläche des ersten Kanals und/oder des zweiten Kanals zumindest 40 Prozent, vorzugsweise 45 Prozent einer Gesamtquerschnittsfläche des Trägerabschnitts beträgt. Dadurch stellt sich eine im Wesentlichen identische niedrige Strömungsgeschwindigkeit im ersten und zweiten Kanal ein.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kühlkörper wenigstens einen, einen ersten Kühlkanal begrenzenden ersten Rippenabschnitt auf, wobei der erste Rippenabschnitt unterseitig in den Trägerabschnitt eingreift und geneigt, vorzugsweise senkrecht zu der Anlagefläche ausgerichtet ist, wobei der erste Kühlkanal fluidisch mit dem zweiten Kanal verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kühlkörper einen, einen zweiten Kühlkanal begrenzenden zweiten Rippenabschnitt auf, wobei der zweite Rippenabschnitt unterseitig in den Trägerabschnitt eingreift und parallel zu dem ersten Rippenabschnitt ausgerichtet ist, wobei der zweite Kühlkanal fluidisch den ersten Kanal mit dem zweiten Kanal verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kühlkörper einen plattenförmig ausgebildeten Verbindungskörper auf, wobei der Verbindungskörper ein thermisch leitfähiges Material und eine zum ersten Rippenabschnitt korrespondierend ausgebildete erste Aufnahme aufweist, wobei in die erste Aufnahme der erste Rippenabschnitt eingreift. Der Verbindungskörper kann dabei als Wärmespreizer dienen, sodass eine gute Kühlung lokal warmer Stellen der Energiezelle sichergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kühlkörper einen ersten Anschlusskanal und wenigstens einen zum ersten Anschlusskanal versetzt angeordneten zweiten Anschlusskanal auf, wobei der erste Anschlusskanal und der zweite Anschlusskanal mit einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs verbindbar sind, wobei der erste Anschlusskanal mit dem ersten Kanal und der zweite Anschlusskanal mit dem zweiten Kanal fluidisch verbunden sind und nebeneinander an dem Trägerabschnitt angeordnet sind, wobei der zweite Anschlusskanal fluiddicht den ersten Kanal durchgreift und an dem zweiten Kanal mündet. Dadurch können der erste Anschlusskanal und der zweite Anschlusskanal an einer gemeinsamen Seite des Trägerabschnitts angeordnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Trägerabschnitt aus einem dünnwandigen Material, insbesondere aus einem dünnwandigen Blech gefertigt. Vorteilhafterweise weist der Trägerabschnitt eine Wandstärke von 0,5 mm bis 2 mm auf. Dadurch wird zum einen sichergestellt, dass der Kühlkörper besonders leicht ist, zum anderen wird eine schnelle Kühlung erzielt. Insbesondere kann der Trägerabschnitt in einem Stanzbiegeverfahren und/oder ein einem Druckgussverfahren hergestellt werden.
Von besonderem Vorteil ist, wenn das elektrische System den oben beschriebenen Kühlkörper und wenigstens eine Energiezellenanordnung mit wenigstens einer Energiezelle und/oder eine Leistungselektronik aufweist, wobei die Energiezellenanordnung und/oder die Leistungselektronik auf der Anlagefläche aufliegt und dadurch von drei Seiten her gekühlt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Energiezelle eine Zellenstirnseite auf, wobei die Zellenstirnseite an einer Stirnseite des Verbindungskörpers anliegt und thermisch mit dem Verbindungskörper verbunden ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs;
2 eine perspektivische Darstellung eines Kühlkörpers des in 1 gezeigten elektrischen Energiespeichers;
3 eine Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten Schnittebene A-A durch den in 2 gezeigten Kühlkörper;
4 eine Draufsicht auf einen Trägerabschnitt des in den 1 bis 3 gezeigten Kühlkörpers;
5 eine weitere perspektivische Darstellung des in 2 gezeigten Kühlkörpers;
6 eine perspektivische Teildarstellung des in 1 gezeigten elektrischen Energiespeichers,
7 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene C-C durch den Kühlkörper;
8 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene D-D durch den in 1 gezeigten Kühlkörper des elektrischen Energiespeichers;
9 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene E-E durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher;
10 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene F-F durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher; und
11 eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene G-G durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher.

In den nachfolgenden Figuren wird auf ein Koordinatensystem Bezug genommen. Das Koordinatensystem ist beispielhaft als Rechtssystem ausgebildet und weist eine x-Achse (Längsrichtung), eine y-Achse (Querrichtung) und eine z-Achse (Höhenrichtung) auf.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines elektrischen Systems 5 eines Fahrzeugs.
Das elektrische System 5 kann als elektrischer Energiespeicher 10 ausgebildet sein. Das elektrische System 5 weist einen Kühlkörper 15 und eine Energiezellenanordnung 20 auf.
Der elektrische Energiespeicher 10 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Hochstrombatterie ausgebildet. Dabei dient der elektrische Energiespeicher 10 beispielsweise dazu, einen Antriebsmotor, vorzugsweise mehrere Antriebsmotoren eines Fahrzeugs, insbesondere eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, anzutreiben. Dabei wird unter einem Antriebsmotor der Motor verstanden, der zur Sicherstellung einer Fortbewegung des Kraftfahrzeugs dient.
Der elektrische Energiespeicher 10 kann auch als Speichermedium für elektrische Energie in einem Luftfahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 10 ausgebildet sein, elektrische Energie zum Starten des Antriebsmotors oder eines Hilfsaggregats, beispielsweise einer Auxiliary Power Unit (APU), und/oder zum Betrieb von wenigstens einer sicherheitsrelevanten Komponente, beispielsweise einer Hydraulikpumpe und/oder eines Stellmotors, bereitzustellen.
Die Energiezellenanordnung 20 ist beispielhaft ausgebildet, elektrische Energie vorzugsweise dauerhaft über einen längeren Zeitraum, beispielsweise mehrere Tage und Wochen, zu speichern. Die Energiezellenanordnung 20 weist wenigstens eine, vorzugsweise mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete, Energiezellen 25 auf. Auch kann die Energiezelle als Supercap ausgebildet sein. Die Energiezelle 25 ist beispielhaft als Pouch-Zelle, insbesondere als Lithiumionenzelle ausgebildet. Die Energiezellenanordnung 20 ist beispielhaft ausgebildet, eine elektrische Leistung im Bereich von 20 bis 200 Kilowatt dauerhaft ohne technische Beschädigung bereitzustellen.
Zusätzlich oder alternativ zu der Energiezellenanordnung 20 kann das elektrische System 5 auch eine Leistungselektronik 21, beispielsweise zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs des Fahrzeugs oder eine Ladelektronik zum Laden der Energiezellenanordnung 20, aufweisen. Die Leistungselektronik 21 und die Energiezellenanordnung 20 können gemeinsam an dem Kühlkörper 15 angeordnet sein.
Wenn das elektrische System 5 die Leistungselektronik 21 (zusätzlich oder anstatt der Energiezellenanordnung 20) aufweist, kann die Leistungselektronik 21 in mehreren Elektronikebenen 22 angeordnet sein, wobei die Elektronikebenen 22 beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Elektronikebenen 22 können gekapselt ausgebildet und miteinander elektrisch (nicht in 1 dargestellt) verbunden sein. Die Leistungselektronik 21 kann einem Teilbereich und die elektrische Energiezellenanordnung 20 in einem zweiten Teilbereich des Systems 5 angeordnet sein.
Um eine thermische Beschädigung der Leistungselektronik 21 und/oder der Energiezelle 25 beim Laden und/oder Entladen der Energiezelle 25 zu verhindern, ist der Kühlkörper 15 vorgesehen. Der Kühlkörper 15 dient dazu, die Leistungselektronik 21 und/oder die Energiezelle 25 zu kühlen.
Der Kühlkörper 15 kann beispielsweise fluidisch mittels eines ersten Fluidanschlusses 30 und eines zweiten Fluidanschlusses 35 mit einem Kühlkreislauf (in 1 nicht dargestellt) angeschlossen sein. In dem Kühlkreislauf kann ein Kühlfluid 26, das beispielsweise in flüssigem oder gasförmigen Aggregatszustand vorliegt, zirkulieren. Das Kühlfluid 26 kann als Kühlflüssigkeit beispielsweise Wasser, Öl und/oder Additive aufweisen. Mittels des im Kühlkörper 15 geführten Kühlfluids 26 kann dabei Wärme aus der Energiezellenanordnung 20 in das Kühlfluid 26 geleitet werden und mittels des Kühlkreislaufs abgeführt werden. Dadurch wird die Energiezellenanordnung 20 gekühlt und eine thermische Überhitzung der Energiezellenanordnung 15 verhindert. Zusätzlich oder alternativ kann die Energiezellenanordnung 20 mittels des Kühlkreislaufes vorgewärmt und auf eine bestimmte Betriebstemperatur vorgeheizt werden.
Der Kühlkörper 15 weist beispielsweise einen Trägerabschnitt 40, wenigstens einen ersten Rippenabschnitt 45, wenigstens einen zweiten Rippenabschnitt 50, einen ersten Anschlusskanal 55, einen zweiten Anschlusskanal 60 und einen Verbindungskörper 65 auf.
Vorzugsweise weist der Kühlkörper 15 mehrere entlang einer ersten Reihe 70, die parallel zur x-Achse verläuft, beabstandet in x-Richtung zueinander angeordnete erste Rippenabschnitte 45 auf. In Querrichtung (y-Richtung) sind in der Ausführungsform mehrere in einer zweiten Reihe 75, die parallel zur ersten Reihe 70 angeordnet ist, zweite Rippenabschnitte 50 angeordnet, wobei die zweiten Rippenabschnitte 50 versetzt in x-Richtung zueinander angeordnet sind. Ebenso ist der erste Rippenabschnitt 45 parallel zu dem zweiten Rippenabschnitt 50 ausgerichtet. Jeweils ein erster Rippenabschnitt 45 und ein zweiter Rippenabschnitt 50 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
Zwischen jeweils zwei ersten Rippenabschnitten 45 und zwei zweiten Rippenabschnitten 50 ist in Längsrichtung jeweils eine Energiezelle 25 der Energiezellenanordnung 20 angeordnet. Somit sind abwechselnd in einem Stapel 51 Energiezellen 25 und die Rippenabschnitte 45, 50 angeordnet.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Kühlkörpers 15.
Der Trägerabschnitt 40 ist als geschlossener Hohlkörper ausgebildet und weist oberseitig eine Anlagefläche 80 auf. Die Anlagefläche 80 ist plan ausgebildet und erstreckt sich in der Ausführungsform beispielhaft in einer xy-Ebene. In einem Teilbereich 85, der in 2 beispielsweise linksseitig angeordnet ist, ist die Anlagefläche 80 oberseitig im Wesentlichen frei. In Querrichtung angrenzend an den Teilbereich 85 ist der erste Anschlusskanal 55 und benachbart in Querrichtung neben dem ersten Fluidanschluss 30 ist der zweite Anschlusskanal 60 angeordnet.
Der erste Anschlusskanal 55 weist den ersten Fluidanschluss 30 und der zweite Anschlusskanal 60 weist einen zweiten Fluidanschluss 35 auf, wobei der erste Fluidanschluss 30 und der zweite Fluidanschluss 35 in Höhenrichtung beabstandet zu der Anlagefläche 80 angeordnet sind. Dadurch sind der erste und zweite Fluidanschluss 30, 35 zur verbesserten Montierbarkeit beabstandet zu dem ersten und zweiten Rippenabschnitt 45, 50 und der Energiezellenanordnung 20 angeordnet. Der erste Anschlusskanal 55 und der zweite Anschlusskanal 60 sind beispielhaft L-förmig ausgebildet, wobei der erste und/oder der zweite Fluidanschluss 30, 35 auf einer zur Energiezellenanordnung 20 abgewandten Seite angeordnet ist.
3 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 2 gezeigten Schnittebene A-A durch den in 2 gezeigten Kühlkörper 15.
Der Trägerabschnitt 40 weist einen oberseitig in 3 angeordneten ersten Plattenabschnitt 90, einen unterseitig angeordneten zweiten Plattenabschnitt 95, eine erste Seitenwand 100, eine zweite Seitenwand 105 und eine Zwischensteg 110 auf. Der Trägerabschnitt 40 ist beispielsweise aus einem dünnwandigen Material gefertigt.
Der erste Plattenabschnitt 90 ist plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich zumindest abschnittsweise in einer xy-Ebene. Oberseitig an dem ersten Plattenabschnitt 90 ist die Anlagefläche 80 angeordnet. In Querrichtung (x-Richtung) ist an einer jeweiligen Querseite des ersten Plattenabschnitts 90 die erste Seitenwand 100 und in Querrichtung gegenüberliegend die zweite Seitenwand 105 angeordnet. Die erste Seitenwand 100 und die zweite Seitenwand 105 sind beispielsweise plattenförmig ausgebildet und sind geneigt, vorzugsweise senkrecht, zum ersten Plattenabschnitt 90 angeordnet. Dabei erstrecken sich die erste Seitenwand 100 und die zweite Seitenwand 105 jeweils in Querrichtung versetzt angeordneten xz-Ebenen. Unterseitig ist der zweite Plattenabschnitt 95 angeordnet.
Der zweite Plattenabschnitt 95 ist ebenso plattenförmig oder kastenförmig ausgebildet. Der zweite Plattenabschnitt 95 verläuft parallel zum ersten Plattenabschnitt 90. Der erste und zweite Plattenabschnitt 90, 95 erstrecken sich in Querrichtung zwischen der ersten Seitenwand 100 und der zweiten Seitenwand 105.
Das Material kann dabei beispielsweise mittels eines Stanz-Biege-Verfahrens, eines Prägeverfahrens und/oder eines Tiefziehverfahrens geformt werden. Das Material kann eine Wandstärke von 0,5 mm bis 2 mm aufweisen. Zur Herstellung des Trägerabschnitts 40 kann der erste Plattenabschnitt 90 einstückig und materialeinheitlich zusammen mit der ersten und zweiten Seitenwand 100, 105 U-förmig ausgebildet sein.
Der zweite Plattenabschnitt 95 kann plattenförmig ausgebildet sein. Zusätzlich ist von Vorteil, wenn der Trägerabschnitt 40 nach Zusammensetzen der Einzelteile zur Ausbildung des Trägerabschnitts 40 dichtgeschweißt wird. Alternativ wäre auch ein Abdichten mittels Dichtmasse und/oder ein Dichtlöten denkbar.
In Höhenrichtung zwischen dem ersten Plattenabschnitt 90 und dem zweiten Plattenabschnitt 95 ist der Zwischensteg 110 angeordnet. Der Zwischensteg 110 ist beispielsweise in der Ausführungsform auf halber Höhe zwischen dem ersten Plattenabschnitt 90 und dem zweiten Plattenabschnitt 95 angeordnet. Der Zwischensteg 110 ist plattenförmig ausgebildet. Dabei erstreckt sich in Querrichtung der Zwischensteg 110 zwischen der ersten Seitenwand 100 und der zweiten Seitenwand 105.
Zusätzlich kann am Zwischensteg 110 seitlich wenigstens eine Haltelaschen 111, 112 angeordnet sein, die sich parallel zur Seitenwand 100, 105 erstreckt und innenseitig an der jeweiligen Seitenwand 100, 105 anliegt. Von besonderem Vorteil ist, wenn beidseitig des Zwischenstegs 110 die Haltelaschen 111, 112 vorgesehen sind, um durch ein innenseitiges anliegen an dem ersten Plattenabschnitt 90 einen Abstand des Zwischenstegs 110 zu dem ersten Plattenabschnitt 90 festzulegen.
Der erste Plattenabschnitt 90, die erste und zweite Seitenwand 100, 105 und der Zwischensteg 110 begrenzen zusammen einen ersten Kanal 115. Damit erstreckt sich der erste Kanal 115 parallel zu der Anlagefläche 80. Durch den gedichteten Trägerabschnitt 40 ist der erste Kanal 115 fluiddicht gegenüber einer Umgebung 120, insbesondere gegenüber der Energiezellenanordnung 20 und/oder der Leistungselektronik, ausgebildet. In dem ersten Kanal 115 wird das Kühlfluid 26 in eine erste Richtung geführt, die beispielsweise in der Ausführungsform entgegen der x-Richtung verläuft.
Der erste Kanal 115 weist im Wesentlichen einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Der erste Kanal 115 erstreckt sich im Wesentlichen über eine gesamte erste maximale Innenbreite b₁ (in y-Richtung) des Trägerabschnitts 40 zwischen der ersten Seitenwand 100 und der zweiten Seitenwand 105. Dabei weist vorzugsweise der erste Kanal 115 ein Verhältnis der maximalen Innenbreite b₁ zu einer ersten maximalen Innenhöhe h₁ von 1 zu 5 bis 1 zu 30, insbesondere von 1 zu 7 bis 1 zu 15, auf.
Der erste Kanal 115 erstreckt sich in Längsrichtung im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des Trägerabschnitts 40. Der erste Anschlusskanal 55 mündet an dem ersten Kanal 115 auf einer zum ersten Fluidanschluss 30 abgewandten Seite.
Der Zwischensteg 110 begrenzt auf einer zum ersten Kanal 115 in Höhenrichtung gegenüberliegenden Seite einen zweiten Kanal 125. Der zweite Kanal 125 wird unterseitig durch den zweiten Plattenabschnitt 95 und seitlich in Querrichtung durch die erste und zweite Seitenwand 100, 105 begrenzt. Der zweite Kanal 125 verläuft parallel zu der Anlagefläche 80.
Der zweite Kanal 125 weist eine zweite maximale Innenhöhe h₂ auf, die vorteilhafterweise identisch zu der ersten Innenhöhe h₁ ist. Der zweite Kanal 125 erstreckt sich identisch wie der erste Kanal 115 zwischen der ersten Seitenwand 100 und der zweiten Seitenwand 105 über eine gesamte zweite Innenbreite b₂ des Trägerabschnitts 40, sodass ebenso der zweite Kanal 125 ein Seitenverhältnis von der zweiten Innenhöhe h₂ zu der zweiten Innenbreite b₂ von 1 zu 5 bis 1 zu 20, insbesondere von 1 zu 7 bis 1 zu 15, aufweist.
Durch die parallele Anordnung des ersten Plattenabschnitts 90 zu dem zweiten Plattenabschnitt 95 und dem Zwischensteg 110 weist im Wesentlichen der erste Kanal 115 zu dem zweiten Kanal 125 eine identische Querschnittsfläche in einem Bereich in Längsrichtung zwischen zwei ersten und/oder zweiten Rippenabschnitten 45, 50 auf. Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn eine erste Querschnittsfläche des ersten Kanals 115 und/oder eine zweite Querschnittsfläche des zweiten Kanals 125 wenigstens 40 Prozent, vorzugsweise 45 Prozent, einer Gesamtquerschnittsfläche des Trägerabschnitts 40 und kleiner 48 Prozent der Gesamtquerschnittsfläche (mit einer yz-Ebene als Schnittebene) des Trägerabschnitts 40 beträgt.
Der erste Kanal 115 ist zu dem zweiten Kanal 125 in einer Richtung senkrecht zu der Anlagefläche 80, die der z-Richtung entspricht, überdeckend, insbesondere, wie in 3 gezeigt, (im Wesentlichen) vollständig überdeckend angeordnet. Dabei wird unter einer Überdeckung verstanden, dass bei einer Projektion in einer Richtung senkrecht zu der Anlagefläche 80, also in z-Richtung in eine Projektionsebene, die als xy-Ebene ausgebildet ist und in der beispielsweise die Anlagefläche 80 angeordnet ist, sich in der Projektionsebene der erste Kanal 115 und der zweite Kanal 125 überlappen, vorzugsweise vollständig überlappen.
Der erste und zweite Rippenabschnitt 45, 50 sind geneigt, vorzugsweise senkrecht zu der Anlagefläche 80 ausgerichtet. Dabei sind der erste und zweite Rippenabschnitt 45, 50 in Querrichtung beabstandet zueinander angeordnet. Der Verbindungskörper 65 liegt unterseitig mit einer Unterseite 129 auf der Anlagefläche 80 auf und ist plattenförmig ausgebildet. Dabei kann der Verbindungskörper 65 über die Unterseite 129 thermisch mit der Anlagefläche 80 verbunden sein.
Der Verbindungskörper 65 weist ein thermisch leitfähiges Material, insbesondere Aluminium, auf. Der Verbindungskörper weist vorzugsweise ein Material mit einem Wärmeleitkoeffizenten von 160 W/(m*K) bis 250 W/(m*K), insbesondere von 160 W/(m*K) bis 230 W/(m*K) auf. Der Verbindungskörper weist als Haupterstreckungsrichtungen die y-Richtung und die z-Richtung auf. In x-Richtung ist der Verbindungskörper 65 deutlich schlanker/dünner als in y-Richtung und/oder in z-Richtung ausgebildet.
Der Verbindungskörper 65 weist eine erste Aufnahme 130 und eine zweite Aufnahme 140 auf. Die erste Aufnahme 130 ist innenseitig korrespondierend zu einer äußeren Ausgestaltung des ersten Rippenabschnitts 45 ausgebildet. Die zweite Aufnahme 140 ist innenseitig korrespondierend zu einer äußeren Ausgestaltung des zweiten Rippenabschnitts 50 ausgebildet. In Höhenrichtung kann sich die erste Aufnahme 130 und/oder die zweite Aufnahme 140 vollständig zwischen der Unterseite 129 und einer Oberseite 165 des Verbindungskörpers 65 erstrecken. Dabei kann die erste Aufnahme 130 und/oder die zweite Aufnahme 140 in der Oberseite 165 münden, sodass die erste Aufnahme 130 und/oder die zweite Aufnahme 130 als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Auch kann die erste Aufnahme 130 und/oder die zweite Aufnahme 140 oberseitig verschlossen sein. An der Oberseite 165 des Verbindungskörpers 65 schließen beispielhaft sowohl der erste Rippenabschnitt 45 als auch der zweite Rippenabschnitt 50 auf gleicher Höhe mit der Oberseite 165 ab.
Die erste Aufnahme 130 und die zweite Aufnahme 140 sind in Querrichtung durch einen Zwischenbereich 135 räumlich voneinander getrennt. Der Zwischenbereich 135 ist in der Ausführungsform aus einem Vollmaterial ausgebildet. In montiertem Zustand des Kühlkörpers 15 greift der erste Rippenabschnitt 45 in die erste Aufnahme 130 und der zweite Rippenabschnitt 50 in die zweite Aufnahme 140 ein.
Die erste Aufnahme 130 ist ferner in Querrichtung beabstandet zu einer ersten Seitenfläche 145 des Verbindungskörpers angeordnet. Die erste Seitenfläche 145 ist plan ausgebildet und erstreckt sich in einer xz-Ebene. Die erste Seitenfläche 145 und eine zweite Seitenfläche 150, die außenseitig an der ersten Seitenwand 100 angeordnet sind, sind plan ausgebildet und in einer gemeinsamen xz-Ebene angeordnet.
In der Aufnahme 130, 140 kann zusätzlich ein Wärmeleitmaterial 170 vorgesehen sein. Das Wärmeleitmaterial 170 kann beispielsweise pastös ausgebildet sein und beispielsweise auf Silberbasis sein. Das Wärmeleitmaterial 170 verbindet dabei thermisch den ersten und zweiten Rippenabschnitt 45, 50 mit dem Verbindungskörper 65 und sorgt für einen guten thermischen Übergang zwischen dem Verbindungskörper 65 und den Rippenabschnitten 45, 50. Mittels des Wärmeleitmaterials 170 wird ferner ein Toleranzspiel zwischen der umfangsseitigen Ausgestaltung des Rippenabschnitts 45, 50 und der innenseitigen Ausgestaltung der ersten und zweiten Aufnahme 130, 140 ausgeglichen. Dadurch kann der Verbindungskörper 65 in der Montage des Kühlkörpers 15 besonders leicht von oben in entgegengesetzter z-Richtung auf den ersten und zweiten Rippenabschnitt 45, 50 gesteckt werden.
Eine dritte Seitenfläche 155 des Verbindungskörpers 65, die in Querrichtung gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche 145 angeordnet ist, sowie eine vierte Seitenfläche 160 der zweiten Seitenwand 105, die außenseitig an der zweiten Seitenwand 105 angeordnet sind, erstrecken sich in einer gemeinsamen xz-Ebene beispielhaft. Dabei sind in der Ausführungsform die erste Seitenfläche 145 und die dritte Seitenfläche 155 jeweils eine kurze Seite des Verbindungskörpers 65.
Der erste Rippenabschnitt 45 begrenzt innenseitig einen ersten Kühlkanal 175. Um eine besonders große Querschnittsfläche für den ersten Kühlkanal 175 bereitzustellen, ist der erste Rippenabschnitt 45 aus einem dünnwandigen, thermisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem dünnwandigen Blechmaterial, hergestellt. Der erste Kühlkanal 175 weist einen ersten Kanalabschnitt 180 und einen zweiten Kanalabschnitt 185 auf. Der erste Kanalabschnitt 180 und der zweite Kanalabschnitt 185 sind durch eine erste Trennwand 190, die sich in einer xz-Ebene erstreckt, über weite Teile der Erstreckung des ersten Rippenabschnitts 45 in Höhenrichtung voneinander fluidisch getrennt. Der erste Kanalabschnitt 180 und der zweite Kanalabschnitt 185 sind fluidisch miteinander unterhalb der Oberseite 165 miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass der erste Kühlkanal 175 im Wesentlichen U-förmig in dem ersten Rippenabschnitt 45 geführt ist. Dabei ist der erste Kanalabschnitt 180 auf einer zur ersten Seitenfläche 145 zugewandten Seite und der zweite Kanalabschnitt 185 auf einer zur ersten Seitenfläche 145 abgewandten Seite des ersten Rippenabschnitts 45 angeordnet.
In dem ersten Plattenabschnitt 90 ist eine erste Öffnung 195, die als Durchgangsöffnung ausgebildet ist, angeordnet. Die erste Öffnung 195 ist schlitzförmig ausgebildet. An einem ersten Teilabschnitt 196 der ersten Öffnung 195 mündet der erste Kanalabschnitt 180 mit einem ersten Zulauf und ist fluidisch mit dem ersten Kanal 115 verbunden. Der erste Zulauf ist auf einer zum Verbindungskörper 65 abgewandten Seite des ersten Rippenabschnitts 45 angeordnet.
In dem Zwischensteg 110 ist eine zweite Öffnung 200 angeordnet, die in der Unteransicht eine rechteckförmige Ausgestaltung aufweist. Einen zweiten Teilabschnitt 201 der ersten Öffnung 195 und den ersten Kanal 115 durchgreift der erste Rippenabschnitt 45. Unterseitig mündet der zweite Kanalabschnitt 190 an der zweiten Öffnung 200, die einen ersten Rücklauf ausbildet. Der erste Rücklauf ist fluidisch mit dem zweiten Kanal 125 verbunden.
Der zweite Rippenabschnitt 50 kann spiegelsymmetrisch bezogen auf eine Symmetrieebene 205, die als xz-Ebene ausgebildet ist und mittig zwischen der ersten Seitenfläche 145 und der dritten Seitenfläche 155 angeordnet ist, ausgebildet sein. Dabei weist beispielhaft der zweite Rippenabschnitt 50 einen zweiten Kühlkanal 210 auf, wobei der zweite Kühlkanal 210 U-förmig in dem zweiten Rippenabschnitt 50 verläuft. Auch der zweite Rippenabschnitt 50 ist aus dünnwandigem Material, vorzugsweise Blech, gefertigt und dichtet fluiddicht den zweiten Kühlkanal 210 gegenüber der Umgebung 120 ab.
Der zweite Kühlkanal 210 weist einen dritten Kanalabschnitt 215 und einen vierten Kanalabschnitt 220 auf. Der dritte Kanalabschnitt 215 ist in Höhenrichtung kürzer ausgebildet und ist in Querrichtung auf der zur dritten Seitenfläche 155 zugewandten Seite angeordnet. Der vierte Kanalabschnitt 220 ist auf einer zur dritten Seitenfläche 155 abgewandten Seite und somit auf der zum ersten Rippenabschnitt 45 zugewandten Seite in Querrichtung angeordnet. Der vierte Kanalabschnitt 220 ist beispielhaft in Höhenrichtung länger ausgebildet als der dritte Kanalabschnitt 215. Oberseitig im ersten Kühlkanal 175 bzw. unterhalb der Oberseite 165 ist der dritte Kanalabschnitt 215 mit dem vierten Kanalabschnitt 220 fluidisch verbunden. In Querrichtung werden der dritte und vierte Kanalabschnitt 215, 220 durch eine zweite Trennwand 230 fluidisch voneinander getrennt. Die zweite Trennwand 230 verläuft beispielsweise in einer xz-Ebene.
In dem ersten Plattenabschnitt 90 ist eine dritte Öffnung 225 angeordnet. Die dritte Öffnung 225 schlitzförmig ausgebildet. Der dritte Kanalabschnitt 215 mündet unterseitig in der dritten Öffnung 225 in einem dritten Teilbereich 226 und bildet einen zweiten Zulauf aus. In dem Zwischensteg 110 ist ferner eine vierte Öffnung 235 vorgesehen, wobei die vierte Öffnung 235 eine gleiche Querschnittsfläche aufweist wie die zweite Öffnung 200. Der zweite Rippenabschnitt 50 durchgreift in einem vierten Teilbereich 236 die dritte Öffnung 225 und mündet in der vierten Öffnung und bildet einen zweiten Rücklauf aus. Der zweite Rippenabschnitt 50 durchgreift den ersten Kanal 115 fluiddicht. Die vierte Öffnung 235 verbindet fluidisch den zweiten Kanal 125 mit dem vierten Kanalabschnitt 220. Die vierte Öffnung 235 kann in einer Draufsicht rechteckförmig ausgebildet sein.
4 zeigt eine Draufsicht auf den Trägerabschnitt 40.
In Längsrichtung sind der erste Teilbereich 196 und dritte Teilbereich 226 schmaler ausgebildet als der zweite Teilbereich 201 und der vierte Teilbereich 236. Der erste Teilbereich 196 und somit der erste Zulauf ist auf der zur ersten Seitenwand 100 zugewandten Seite der ersten Öffnung 195 und der zweite Teilbereich 201 und somit der erste Rücklauf ist auf einer der ersten Seitenwand 100 abgewandten Seite angeordnet. Ebenso ist der dritte Teilbereich 226 und somit der zweite Zulauf auf der zur zweiten Seitenwand 105 zugewandten Seite der zweiten Öffnung 225 und der vierte Teilbereich 236 und somit der zweite Rücklauf auf einer der ersten Seitenwand 100 zugewandten Seite angeordnet. Der zweite und vierte Teilbereich 201, 236 sind vorzugsweise um eine doppelte Wandstärke des ersten und zweiten Rippenabschnitts 45, 50 breiter als der erste und dritte Teilbereich 196, 226 ausgebildet.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung des in den 1 bis 3 gezeigten Kühlkörpers 15.
Der Verbindungskörper 65 weist stirnseitig eine erste Stirnseite 240 auf. Die erste Stirnseite 240 ist plan ausgebildet und erstreckt sich stirnseitig im Wesentlichen vollständig über die gesamte Erstreckung des Verbindungskörpers 65. Dabei erstreckt sich die erste Stirnseite 240 in einer yz-Ebene. Jeder der Verbindungskörper 65 weist ferner eine zweite Stirnseite 245 auf, die in x-Richtung gegenüberliegend zur ersten Stirnseite 240 angeordnet ist. Die zweite Stirnseite 245 ist ebenso plan ausgebildet und erstreckt sich in einer weiteren yz-Ebene und ist somit parallel zur ersten Stirnseite 240 ausgerichtet. Dabei erstreckt sich die zweite Stirnseite 245 plan im Wesentlichen vollständig über den Verbindungskörper 65. Die Stirnseiten 240, 245 schließen sich seitlich direkt an die erste und dritte Seitenfläche 145, 155 an.
Zwei in y-Richtung benachbart zueinander angeordnete und in 5 nebeneinander dargestellte Verbindungskörper 65 begrenzen zusammen mit der ersten Stirnseite 240 des Verbindungskörpers 65 und der zweiten Stirnseite 245 des nächstliegenden Verbindungskörpers 65 jeweils einen Zwischenraum 250. Der Zwischenraum 250 ist nutförmig ausgebildet.
6 zeigt eine perspektivische Teildarstellung des 1 gezeigten elektrischen Energiespeichers 10.
In dem Zwischenraum 250 ist jeweils vorzugsweise ausschließlich eine einzige Energiezelle 25 der Energiezellenanordnung 20 angeordnet. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass mehrere Energiezellen 25 in jeweils einem Zwischenraum 250 angeordnet sind. In diesem Fall wäre es jedoch besonders günstig, wenn die Energiezellen 25 in Querrichtung (y-Richtung) nebeneinander angeordnet sind, sodass jede Energiezelle 25 Kontakt zu der ersten und zweiten Stirnseite 240, 245 aufweist. Auch kann in dem Zwischenraum 250 jeweils eine Elektronikebene 22 angeordnet sein.
Die Energiezelle 25 erstreckt sich in Höhenrichtung zwischen der Anlagefläche 80 und der Oberseite 165 und weist im Wesentlichen die gleiche Erstreckung in Höhenrichtung auf wie der Verbindungskörper 65. Dabei ragt in der Ausführungsform die Energiezelle 25 nicht über die Oberseite 165 hinaus, sondern schließt bündig mit der Oberseite 165 ab.
Die Energiezelle 25 liegt mit einer ersten Zellenstirnseite 255 an der ersten Stirnseite 240 des Verbindungskörpers 65 an. Mit einer zur ersten Zellenstirnseite 255 gegenüberliegend angeordneten zweiten Zellenstirnseite 260 liegt die Energiezelle 25 an der zweiten Stirnseite 245 des zum Verbindungskörper 65 nächstliegend angeordneten nächsten Verbindungskörpers 65 an. An der ersten Zellenstirnseite 255 und der zweiten Zellenstirnseite 260 ist die Energiezelle 25 thermisch mit zwei nächstliegend angeordneten und den Zwischenraum 250 begrenzenden Verbindungskörpern 65 gekoppelt. Vorzugsweise ist die Energiezelle 25 in dem Zwischenraum 250 verpresst angeordnet. Dadurch kann auf die Anordnung eines zusätzlichen Wärmeleitmaterials, insbesondere auf eine Wärmeleitpaste, zwischen der ersten Zellenstirnseite 255 und der ersten Stirnseite 240 sowie der zweiten Zellenstirnseite 260 und der zweiten Stirnseite 245 verzichtet werden. Ferner verfüllt die Energiezelle 25 im Wesentlichen vollständig den Zwischenraum 250. Ferner wird durch die Verpressung ein Aufblähen der Energiezelle 25, die in der Ausführungsform beispielhaft als Pouch-Zelle ausgebildet ist, im Betrieb der Energiezellenanordnung 20 vermieden. Wird mittels des Kühlkörpers 15 die Leistungselektronik 21 gekühlt, wird im Betrieb der Leistungselektronik 21 eine Überhitzung von Komponenten der Leistungselektronik 21, beispielsweise von MOS-FETs, vermieden.
An einer fünften Seitenfläche 261 weist die Energiezelle 25 eine erste Anschlusselektrode 262 auf. An einer zur fünften Seitenfläche 262 gegenüberliegenden sechsten Seitenfläche 263 weist die Energiezelle 25 eine zweite Anschlusselektrode 264 auf. In der Ausführungsform ragt seitlich die fünfte Seitenfläche 261 über die erste Seitenfläche 145 heraus. Durch die beispielhafte Ausgestaltung der Energiezelle 25 als Pouch-Zelle weist die Energiezelle 25 im Wesentlichen eine taschenartige Ausgestaltung auf, wobei seitlich über die erste Seitenfläche 145 die fünfte Seitenfläche 261 beispielhaft spitz zulaufend über die erste Seitenfläche 145 hervorragt. Ebenso ragt seitlich die sechste Seitenfläche 264 und die an der sechsten Seitenfläche 264 angeordnete zweite Anschlusselektrode 264 über die dritte Seitenfläche 155 des Verbindungskörpers 65 hervor.
In Höhenrichtung kann sich die erste und/oder zweite Anschlusselektrode 262, 264 nur über einen Teilbereich einer Gesamterstreckung der Energiezelle 25 in Höhenrichtung erstrecken und ist beispielhaft in der Ausführungsform beabstandet in Höhenrichtung zwischen der Anlagefläche 80 und der Oberseite 165 angeordnet.
Bei einer Verschaltung der elektrischen Energiezellen 25 in Reihenschaltung können die Energiezellen 25 in der Energiezellenanordnung 20 abwechselnd um 180° verdreht angeordnet sein, sodass in einer dritten Reihe abwechselnd über die erste Seitenfläche 145 die erste Anschlusselektrode 262 und die zweite Anschlusselektrode 264 hervorragen. Ferner ragen abwechselnd über die dritte Seitenfläche 155 die erste Anschlusselektrode 262 und die zweite Anschlusselektrode 264 hervor. Dabei ist jeweils die erste Anschlusselektrode 262 mit der nächstliegenden zweiten Anschlusselektrode 264 in Reihenschaltung elektrisch verbunden.
Alternativ ist auch denkbar, dass die Energiezellen 25 alle identisch in einem Stapel zwischen den Verbindungskörpern 65 angeordnet sind, sodass an der ersten Seitenfläche 145 nur die ersten Anschlusselektroden 261 über die erste Seitenfläche 145 hervorragen und an der dritten Seitenfläche 155 nur die zweiten Anschlusselektroden 264 über die dritte Seitenfläche 155 hervorragen. Die ersten Anschlusselektroden 262 können alle miteinander mittels einer Anschlussbrücke verbunden sein und ebenso können die zweiten Anschlusselektroden 264 mittels einer weiteren Anschlussbrücke miteinander verbunden sein, sodass die Energiezellen 25 parallelgeschaltet sind.
7 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene C-C durch den Kühlkörper 15.
Zusätzlich kann in dem ersten Kanal 115 zwischen der zweiten Seitenwand 105 und der dritten Öffnung 225 (in 6 teilweise strichliert dargestellt) ein Einlaufsteg 265 angeordnet sein. Der Einlaufsteg 265 beginnt an einer dritten Stirnseite 270 des Trägerabschnitts 40, der stirnseitig den ersten Kanal 115 begrenzt. Der Einlaufsteg 265 verläuft weiter zwischen einer ersten Mündung 275 des ersten Anschlusskanals 55 am ersten Plattenabschnitt 90 und dem durch den ersten Kanal 115 durchgeführten zweiten Anschlusskanal 60. Der Einlaufsteg 265 erstreckt sich vollständig in Höhenrichtung zwischen dem Zwischensteg 110 und dem ersten Plattenabschnitt 90. Ferner ist der Einlaufsteg 265 seitlich im Wesentlichen an allen dritten Öffnungen 225 vorbeigeführt und endet beabstandet vor der zur dritten Stirnseite 270 gegenüberliegend in Längsrichtung angeordneten vierten Stirnseite 280. Die vierte Stirnseite 280 begrenzt auf der zur dritten Stirnseite 270 gegenüberliegenden Seite. Dabei bildet der Einlaufsteg 265 zusammen mit der vierten Stirnseite 280 in dem ersten Kanal 115 einen ersten Durchlass 285 aus, der in Querrichtung direkt neben der letzten dritten Öffnung 225 angeordnet ist und in Längsrichtung breiter ausgebildet ist als die dritte Öffnung 225. Ferner kann auf den Einlaufsteg 265 auch verzichtet werden.
8 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene D-D durch den in 1 gezeigten Kühlkörper 15 des elektrischen Energiespeichers 10.
In dem zweiten Kanal 125 kann zwischen dem Zwischensteg 110 und dem zweiten Plattenabschnitt 95 ein Auslaufsteg 290 angeordnet. Der Auslaufsteg 290 ist beispielsweise L-förmig ausgebildet und beginnt stirnseitig an der dritten Stirnseite 270. In Querrichtung ist der Auslaufsteg 290 zwischen der vierten Seitenfläche 160 und einer zweiten Mündung 295 angeordnet, an der der zweite Anschlusskanal 60 am Zwischensteg 110 in den zweiten Kanal 125 mündet. Dabei ist der Auslaufsteg 290 im Wesentlichen in Querrichtung direkt angrenzend mit einem ersten Abschnitt 300 in Längsrichtung verlaufend neben der zweiten Mündung 295 angeordnet. Neben dem in Längsrichtung verlaufenden ersten Abschnitt 300 weist der Auslaufsteg 290 einen zweiten Abschnitt 305 auf, der im Wesentlichen in Querrichtung verläuft. Der zweite Abschnitt 305 ist dabei in Längsrichtung zwischen der zweiten Mündung 295 und der zweiten und vierten Öffnung 200, 235 angeordnet.
Der zweite Abschnitt 305 endet in Querrichtung etwa auf halber Höhe der zweiten Öffnung 200. Dabei begrenzt der zweite Abschnitt 305 zusammen mit der dritten Stirnseite 270 einen zweiten Durchlass 310. Zusätzlich kann am zweiten Durchlass 310 der zweite Abschnitt 305 angeschrägt sein. Im Wesentlichen verläuft der Auslaufsteg 290 in Höhenrichtung zwischen dem zweiten Plattenabschnitt 95 und dem Zwischensteg 110 und begrenzt einen Auslaufbereich 315 des zweiten Kanals 125.
9 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene E-E durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher 10.
Um eine besonders kompakte Ausgestaltung des elektrischen Energiespeichers 10 bereitzustellen, ist der erste Anschlusskanal 55 und der zweite Anschlusskanal 60 jeweils in einem beispielhaften 90°-Bogen ausgebildet. Dabei sind der erste und zweite Fluidanschluss 30, 35 in einer gemeinsamen yz-Ebene parallel zu der ersten und zweiten Stirnseite 240, 245 angeordnet. Unterseitig ist der erste Anschlusskanal 55 mit dem ersten Plattenabschnitt 90 verbunden und mündet an dem ersten Plattenabschnitt 90 an der ersten Mündung 275 im ersten Kanal 115, insbesondere im Einlaufbereich 286.
Der zweite Anschlusskanal 60 ist oberseitig an dem ersten Plattenabschnitt 90 und an dem Zwischensteg 110 befestigt. Dabei ist der zweite Anschlusskanal 60 fluiddicht durch den ersten Kanal 115 geführt und mündet an der zweiten Mündung 295 am Zwischensteg 110 im zweiten Kanal 125.
Im Betrieb des elektrischen Energiespeichers 10 und bei Aktivierung des Kühlkreislaufes wird das Kühlfluid 26 über den ersten Fluidanschluss 30 in den ersten Anschlusskanal 55 gefördert (vgl. 9). Das Kühlfluid 26 strömt über die erste Mündung 275 zwischen dem ersten Plattenabschnitt 90 und dem Zwischensteg 110 in den Einlaufbereich 286 ein. Dabei lenkt der Zwischensteg 110 das Kühlfluid 26 um 90° ab, sodass das Kühlfluid 26 parallel zur Anlagefläche 80 strömt. Das Kühlfluid 26, das über den ersten Fluidanschluss 30 in den ersten Anschlusskanal 55 eingeleitet wird, weist ein erstes niedriges Temperaturniveau auf.
Das zugeführte (kalte) Kühlfluid 26 (vgl. 7) wird über den Einlaufbereich 286 hin zu dem ersten Durchlass 285 längs der vierten Seitenfläche 160 im ersten Kühlkanal 175 geführt. Dabei kühlt das Kühlfluid 26 unterseitig den ersten Plattenabschnitt 90 seitlich angrenzend zur vierten Seitenfläche 160 ab. Das Kühlfluid 26 tritt am ersten Durchlass 285 aus dem Einlaufbereich 286 aus und verteilt sich im ersten Kanal 115 über die gesamte Längserstreckung und die gesamte Quererstreckung. Dabei kühlt das Kühlfluid 26 unterseitig den ersten Plattenabschnitt 90, sodass die Anlagefläche 80 unterseitig gekühlt ist.
Im Betrieb der Energiezellenanordnung 20 entsteht sowohl beim Laden der Energiezellenanordnung 20 als auch beim Entladen der Energiezellenanordnung 20 Wärme. Durch die gekühlte Anlagefläche 80 wird die Energiezellenanordnung 20 unterseitig gekühlt und durch das Kühlfluid 26 Wärme aus der Energiezellenanordnung 20 aufgenommen. Ferner strömt das Kühlfluid 26 im ersten Kanal 115 (außerhalb des Einlaufbereichs 286) durch den großen Querschnitt des ersten Kanals 115 mit sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit, sodass eine turbulente Strömung des Kühlfluids 26 im ersten Kanal 115 vermieden werden kann. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung erzielt.
Im Betrieb der Leistungselektronik entsteht Wärme. Durch die gekühlte Anlagefläche 80 wird die Leistungselektronik 21 unterseitig gekühlt und durch das Kühlfluid 26 Wärme aus der Leistungselektronik 21 aufgenommen.
10 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene F-F durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher 10.
Aus dem ersten Kanal 115 strömt über die erste Öffnung 195 das Kühlfluid 26 über den ersten Zulauf in jeweils den ersten Kühlkanal 175 im ersten Rippenabschnitt 45. Der erste Kanal 115 dient als Verteiler für das Kühlfluid 26 auf die Kühlkanäle 175, 210. Das Kühlfluid 26 strömt dabei entlang des ersten Kanalabschnitts 180 nach oben hin (in z-Richtung). Der erste Kanalabschnitt 180 ist dabei der ersten Anschlusselektrode 262 zugewandte Teil des ersten Kühlkanals 175. Im Betrieb der Energiezelle 25 erwärmt sich die Energiezelle 25 angrenzend an die Anschlusselektrode 262, 264 stärker als in Querrichtung mittig.
Durch die thermische Kopplung der Verbindungskörper 65 über die erste und zweite Zellenstirnseite 255, 260 mit der Energiezelle 25 wird die nahe an der ersten Anschlusselektrode 262 entstehende Wärme an den Verbindungskörper 65 übertragen. Der Verbindungskörper 65 übernimmt dabei zusätzlich eine Funktion eines Wärmespreizers. Der Verbindungskörper 65 überträgt die in der Einzelzelle 25 entstehende Wärme an das in der ersten Aufnahme 130 angeordnete Wärmeleitmaterial 170, das die Wärme an den ersten Rippenabschnitt 45 weiterleitet. Der erste Rippenabschnitt 45 bildet eine Art Plattenwärmetauscher aus, wobei das im ersten Kühlkanal 175 strömende Kühlfluid 26 und hierbei insbesondere über den ersten Kanalabschnitt 180 Wärme (elektrodennah zu der ersten Anschlusselektrode 262) aus der Energiezelle 25 abgeführt wird. Dadurch kann besonders gut die Erwärmung der Energiezelle 25, beispielsweise an oder nahe der ersten Anschlusselektrode 262, abgeführt werden, sodass auch eine lokale Überlastung der Energiezelle 25 vermieden werden kann.
11 zeigt eine Schnittansicht entlang einer in 1 gezeigten Schnittebene G-G durch den in 1 gezeigten elektrischen Energiespeicher 10.
Das über den ersten Kanalabschnitt 180 nach oben geführte Kühlfluid 26 wird in seine Strömungsrichtung oberseitig umgekehrt und strömt im zweiten Kanalabschnitt 185 nach unten hin entlang des zweiten Kanalabschnitts 185. Auch beim Entlangströmen des zweiten Kanalabschnitts 185 nimmt das Kühlfluid 26 Wärme aus dem Verbindungskörper 65 auf. Der Verbindungskörper 65 fungiert dabei im Zwischenbereich 135 als Wärmespreizer und Wärmeleitelement, um die Wärme auch im Zwischenbereich 135 an den ersten Rippenabschnitt 45 und den zweiten Rippenabschnitt 50 abzuführen. Unterseitig wird durch den ersten Rippenabschnitt 45 fluiddicht das Kühlfluid 26 durch den zweiten Kanalabschnitt 185 in den zweiten Kanal 125 geführt.
Ebenso strömt aus dem ersten Kanal 115 über die dritte Öffnung 225, die als zweiter Zulauf fungiert, das Kühlfluid 26 in den dritten Kanalabschnitt 215 und strömt nach oben hin und kühlt dabei über den Verbindungskörper 65 (elektrodennah zu der zweiten Anschlusselektrode 264) die Energiezelle 25. Oben angelangt wird die Strömungsrichtung des Kühlfluids 26 umgedreht, sodass das Kühlfluid 26 über den vierten Kanalabschnitt 220 nach unten strömt. Dabei wird durch den zweiten Rippenabschnitt 50 das Kühlfluid 26 fluiddicht durch den ersten Kanal 115 zu der vierten Öffnung 235 geführt. Auch hierbei bildet der zweite Rippenabschnitt 50 eine Art Plattenwärmetauscher aus und das Kühlfluid 26 nimmt Wärme, die über den Verbindungskörper 65 an den zweiten Rippenabschnitt 50 übertragen wurde, auf. An der vierten Öffnung 235 tritt das Kühlfluid 26 in den zweiten Kanal 125 ein.
Der zweite Kanal 125 dient als Sammler für das rückströmende, erwärmte Kühlfluid 26 aus den Kühlkanälen 175, 210. Durch den großen Querschnitt des zweiten Kanals 125 strömt das Kühlfluid 26 (vgl. 8) in erwärmtem Zustand beabstandet zur Energiezellenanordnung 20 und/oder Leistungselektronik 21, sodass eine Erwärmung von kühleren Bereichen der Energiezellenanordnung 20 und/oder der Leistungselektronik 21 durch das erwärmte Kühlfluid 26 vermieden wird. Das Kühlfluid 26 strömt dabei angrenzend zur dritten Stirnseite 270 in den Auslaufbereich 315 des zweiten Kanals 125 und von dort über die zweite Mündung 295 in den zweiten Anschlusskanal 60. An dem zweiten Fluidanschluss 35 wird das erwärmte Kühlfluid 26 weiter wieder zurück in den Kreislauf geführt, wobei das erwärmte Kühlfluid 26 beispielsweise in einem Wärmetauscher wieder abgekühlt wird, sodass das Kühlfluid 26 im Kreislauf zirkulieren kann und abermals die Energiezellenanordnung 20 und/oder die Leistungselektronik 21 kühlen kann.
Die oben beschriebene Ausgestaltung des Kühlkörpers 15 hat den Vorteil, dass der elektrische Energiespeicher 10 besonders kompakt ausgebildet ist und eine hohe Energiedichte bei gleichzeitig einer guten Kühlung bereitgestellt werden kann. Dadurch kann der elektrische Energiespeicher 10 insbesondere einen hohen Strom zum Antrieb des Antriebsmotos des Fahrzeugs bereitstellen.
Ferner wird auch eine lokale Überhitzung durch die elektrodennahe Anordnung des ersten und zweiten Rippenabschnitts 45, 50 und damit des ersten und zweiten Kühlkanals 175, 210 der Energiezelle 25 verhindert. Des Weiteren wird durch die breite Ausgestaltung des ersten Kanals 115 und des zweiten Kanals 125 eine turbulente Strömung des Kühlfluids 26, insbesondere im ersten Kanal 115, aber auch im ersten und zweiten Kühlkanal 175, 210, vermieden, sodass eine besonders gleichmäßige Kühlung der Energiezellen 25 von drei Seiten her sichergestellt werden kann. Ferner kann durch die in den Reihen 70, 75 angeordneten ersten und zweiten Rippenabschnitte 45, 50 sowie den Verbindungskörper 65, die identisch jeweils zueinander ausgebildet sind, der Kühlkörper 15 mit einer geringen Anzahl von Werkzeugen hergestellt werden.
Auch kann der Kühlkörper 15 auf einfache Weise, beispielsweise durch Verlängerung des Trägerabschnitts 40 und einer entsprechenden Anzahl von Erhöhung oder Verringerung der Rippenabschnitte 45, 50 an die Ausgestaltung der Energiezellenanordnung 20 und/oder der Leistungselektronik 21 angepasst werden.
Ferner ist durch die in den 1 bis 11 gezeigte kompakte Ausgestaltung der elektrischen System 5 ein Spaltmaß zwischen der Energiezellenanordnung 20 und dem Kühlkörper 15 besonders gering, sodass, insbesondere in der Aufnahme 130, 140, ein Bedarf von thermisch leitfähigem Wärmeleitmaterial 170 reduziert ist. Auch wirkt sich dies sehr positiv auf eine maximal erzielbare Wärmedurchgangszahl zwischen Kühlfluid 26 und Energiezelle 25 aus.
Ferner stellt sich durch den Einlaufsteg 265 und den Auslaufsteg 290 ein gleichmäßiger Massenstrom durch alle ersten und zweiten Kühlkanäle 175, 210 ein.
Ferner hat die oben beschriebene Ausgestaltung den Vorteil, dass ein gleicher Massenstrom sowohl über alle ersten Kühlkanäle 115 als auch über alle zweiten Kühlkanäle 210 sichergestellt ist, sodass die Kühlung der Energiezelle 25 gleichmäßig erfolgt und eine lokale Überhitzung der Energiezelle 25 vermieden wird.

Claims

Kühlkörper (15) zur Kühlung einer elektrischen Energiezellenanordnung (20) und/oder einer Leistungselektronik (21) eines Kraftfahrzeugs, - wobei der Kühlkörper (15) einen Trägerabschnitt (40) mit einer Anlagefläche (80) zur Anordnung an der Energiezellenanordnung (20) und/oder der Leistungselektronik (21) aufweist, - wobei der Trägerabschnitt (40) innenseitig einen sich parallel zur Anlagefläche (80) erstreckenden ersten Kanal (115) und einen fluiddicht gegenüber dem ersten Kanal (115) ausgebildeten und parallel zur Anlagefläche (80) ausgerichteten zweiten Kanal (125) begrenzt, - wobei der erste Kanal (115) und der zweite Kanal (125) ausgebildet sind, ein Kühlfluid (26) zu führen, - wobei der erste Kanal (115) und der zweite Kanal (125) in einer Richtung senkrecht zu der Anlagefläche (80) zumindest abschnittsweise überdeckend ausgebildet sind.
Kühlkörper (15) nach Anspruch 1, - wobei der erste Kanal (115) und/oder der zweite Kanal (125) sich im Wesentlichen über eine gesamte Innenbreite (b₁, b₂) des Trägerabschnitts (40) erstreckt.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der erste Kanal (115) und/oder der zweite Kanal (125) ein Seitenverhältnis einer maximalen Innenhöhe (h₁, h₂) zu einer maximalen Innenbreite (b₁, b₂) von 1 zu 5 bis 1 zu 70aufweist.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Trägerabschnitt (40) einen ersten Plattenabschnitt (90) und einen parallel zu dem ersten Plattenabschnitt (90) angeordneten zweiten Plattenabschnitt (95) aufweist, - wobei an dem ersten Plattenabschnitt (90) außenseitig die Anlagefläche (80) angeordnet ist, - wobei zwischen dem ersten Plattenabschnitt (90) und dem zweiten Plattenabschnitt (95) ein plattenförmig ausgebildeter Zwischensteg (110) angeordnet ist, - wobei der erste Plattenabschnitt (90) und der Zwischensteg (110) den ersten Kanal (115) und der zweite Plattenabschnitt (95) und der Zwischensteg (110) den zweiten Kanal (125) begrenzen.
Kühlkörper (15) nach Anspruch 4, - wobei der Trägerabschnitt (40) eine erste Seitenwand (100) und eine beabstandet zur ersten Seitenwand (100) angeordnete zweiten Seitenwand (105) aufweist, - wobei die beiden Seitenwände (100, 105) plattenförmig ausgebildet und geneigt, vorzugweise senkrecht zu dem ersten Plattenabschnitt (90), ausgerichtet sind, - wobei die erste Seitenwand (100) an einer ersten Seite und die zweite Seitenwand (105) an einer zur ersten Seite gegenüberliegenden Seite den ersten Kanal (115) und den zweiten Kanal (125) begrenzen.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der erste Kanal (115) und der zweite Kanal (125) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen eine identische Querschnittsfläche aufweisen, - wobei die Querschnittsfläche des ersten Kanals (115) und/oder des zweiten Kanals (125) zumindest 40 Prozent, vorzugsweise 45 Prozent einer Gesamtquerschnittsfläche des Trägerabschnitts (40) beträgt.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - aufweisend wenigstens einen, einen ersten Kühlkanal (175) begrenzenden ersten Rippenabschnitt (45), - wobei der erste Rippenabschnitt (45) an einer Unterseite in den Trägerabschnitt (40) eingreift und geneigt, vorzugsweise senkrecht zu der Anlagefläche (80) ausgerichtet ist, - wobei der erste Kühlkanal (175) fluidisch den ersten Kanal (115) mit dem zweiten Kanal (125) verbindet.
Kühlkörper (15) nach Anspruch 7, - aufweisend wenigstens einen den zweiten Kühlkanal (210) begrenzenden zweiten Rippenabschnitt (50), - wobei der zweite Rippenabschnitt (50) in den Trägerabschnitt (40) eingreift und parallel zu dem ersten Rippenabschnitt (45) ausgerichtet ist, - wobei der zweite Kühlkanal (210) fluidisch den ersten Kanal (115) mit dem zweiten Kanal (125) verbindet.
Kühlkörper (15) nach Anspruch 8, - aufweisend einen plattenförmig ausgebildeten Verbindungskörper (65), - wobei der Verbindungskörper (65) ein thermisch leitfähiges Material und eine zum ersten Rippenabschnitt (45) korrespondierend ausgebildete erste Aufnahme (130) aufweist, - wobei in die erste Aufnahme (130) der erste Rippenabschnitt (45) eingreift.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - aufweisend einen ersten Anschlusskanal (55) und wenigstens einen zum ersten Anschlusskanal (55) versetzt angeordneten zweiten Anschlusskanal (60), - wobei der erste Anschlusskanal (55) und der zweite Anschlusskanal (60) mit einem Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs verbindbar sind, - wobei der erste Anschlusskanal (55) mit dem ersten Kanal (115) und der zweite Anschlusskanal (60) mit dem zweiten Kanal (125) fluidisch verbunden sind und nebeneinander an dem Trägerabschnitt (40) angeordnet sind, - wobei der zweite Anschlusskanal (60) fluiddicht den ersten Kanal (115) durchgreift und an dem zweiten Kanal (125) mündet.
Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Trägerabschnitt (40) aus einem dünnwandigen Material, insbesondere aus einem dünnwandigen Blech gefertigt ist, - und/oder - wobei der Trägerabschnitt (40) eine Wandstärke von 0,5 mm bis 2 mm aufweist.
Elektrisches System (5), insbesondere elektrischer Energiespeicher (10), für ein Kraftfahrzeug, - aufweisend einen Kühlkörper (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens eine Energiezellenanordnung (20) mit wenigstens einer Energiezelle (25) und/oder eine Leistungselektronik (21), - wobei die Energiezellenanordnung (20) und/oder die Leistungselektronik (21) unterseitig auf der Anlagefläche (80) aufliegt.
System (5) nach Anspruch 12, - wobei die Energiezelle (25) eine Zellenstirnseite (255, 260) aufweist, - wobei die Zellenstirnseite (255, 260) an einer Stirnseite (240) des Verbindungskörpers (65) anliegt und thermisch mit dem Verbindungskörper (65) verbunden ist.