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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen zumindest eines Batteriemoduls, wobei die Kühlvorrichtung einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist. Dabei weist der Kühlkanal einen Kühlkanaleingang auf, durch welchen das Kühlmittel dem Kühlkanal zuführbar ist, und einen Kühlkanalausgang, durch welchen das Kühlmittel aus dem Kühlkanal abführbar ist. Dabei definiert ein Verlauf des Kühlkanals vom Kühlkanaleingang zum Kühlkanalausgang eine Verlaufsrichtung, wobei der Kühlmittelkanal in der Verlaufsrichtung alternierend aufeinanderfolgende Hin- und Rück-Kanalabschnitte aufweist, wobei die Verlaufsrichtung der Hin-Kanalabschnitte der Verlaufsrichtung der Rück-Kanalabschnitte entgegengesetzt ist, wobei jeweils ein Hin-Kanalabschnitt mit einem Rück-Kanalabschnitt ein Abschnittspaar bildet, und wobei der erste auf den Kühlkanaleingang in Verlaufsrichtung folgende Hin-Kanalabschnitt mit einem der Rück-Kanalabschnitte, der in Verlaufsrichtung bezüglich des Kühlkanaleingangs nicht auf diesen ersten Hin-Kanalabschnitt folgt, ein Abschnittspaar bildet. Zur Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung.
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Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Kraftfahrzeugbatterien, insbesondere Batteriemodule beziehungsweise Zellmodule, für solche Kraftfahrzeugbatterien, mit einer Flüssigkeit gekühlt werden können, die Kühlkanäle durchströmt, die sich zum Beispiel unter dem betreffenden Zellmodul befinden. Dabei können sich zum Beispiel unter einem solchen Zellmodul mehrere parallel verlaufende Kühlkanale bzw. Kühlkanalabschnitte befinden, die synchron in einer gemeinsamen Strömungsrichtung von einem Kühlmittel durchströmt werden. Dabei besteht jedoch das Problem, dass das Kühlmittel zum Zeitpunkt des Einströmens in einen solchen Kühlkanal deutlich kälter ist, als am Ende beim Ausströmen aus einem jeweiligen Kühlkanal, sodass sich beim Durchströmen der Kühlkanale ein erhebliches Temperaturgefälle ergibt. Dieser Effekt ist umso größer, je länger die jeweiligen Kühlkanale sind. Sollen dabei zum Beispiel mehrere Zellmodule gleichzeitig gekühlt werden und fließt das Kühlmittel zunächst unter einem ersten Zellmodul hindurch, dann unter ein zweites und so weiter, so wird das erste Zellmodul am besten gekühlt, das letzte in der Reihe jedoch am schlechtesten. Das bedeutet beispielsweise, dass wenn 3x12, also 36 prismatische Einzelzellen hintereinander angeordnet sind, diese unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die erste Zelle wird am kältesten, während die letzte der 36 Zellen am heißesten wird und entsprechend schneller altert und schneller verschleißt.
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Entsprechend wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Kühlung homogener und symmetrischer zu gestalten. Jedoch auch Versuche, die Kühlung mäanderförmig auszugestalten, hat das eigentliche Problem nicht gelöst, da das Kühlmittel auch in einer mäanderförmig verlaufenden Kühlmittelleitung, die sich also beispielsweise von einem Eingang zu einem Ausgang mehrfach gewunden erstreckt, im Bereich des Eingangs am kältesten ist und im Bereich des Ausgangs am wärmsten, und sich so entsprechend auch bei einem solchen mäanderförmigen Verlauf im Bereich des Eingangs besser gekühlte Bereiche ausbilden als im Bereich des Ausgangs.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2015/086250 A1 ein Batteriemodul mit einer Kühlvorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Leitung, mit entgegengesetzter Strömungsrichtung des Fluids, wobei die beiden Leitungen parallel zueinander angeordnet sind und lotrecht zu den Zellen des Batteriemoduls verlaufen. Das Fluid durchläuft dabei zunächst sämtliche erste Leitungen und anschließend sämtliche zweite Leitungen. Die einzelnen Batteriemodule sind dabei so auf den ersten und zweiten Leitungen angeordnet, dass unterhalb eines jeweiligen Batteriemoduls eine erste Leitung und eine zweite Leitung verläuft, wobei die Leitungen dabei so zueinander angeordnet sind, dass sich für ein jeweiliges Batteriemodul eine mittlere Kühlleistung ergibt, die aus dem Mittelwert der durch die beiden Leitungen jeweils bereitgestellten Kühlleistungen gebildet ist, die in etwa gleich sind. Beispielsweise kann unter einem ersten Batteriemodul eine einem Eingang nächstgelegene erste Leitung verlaufen, sowie eine dem Ausgang nächstgelegene zweite Leitung. Die dem Eingang nächstgelegene erste Leitung stellt damit die kühlste Leitung dar, und die dem Ausgang nächstgelegene zweite Leitung stellt die Leitung mit dem wärmsten Kühlmittel dar.
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Wenngleich auch durch ein solches Konzept die Bereitstellung einer in etwa gleichen mittleren Kühlleistung für jedes der Batteriemodule ermöglicht wird, so stellt sich jedoch durch die zum Teil sehr unterschiedlich temperierten ersten und zweiten Leitungen unterhalb eines Batteriemoduls ein starkes Temperaturgefälle ein. Um dies auszugleichen soll gemäß der
WO 2015/086250 A1 jede Zelle des Batteriemoduls ein Ausgleichsmedium umfassen, durch welches diese Temperaturdifferenz ausgeglichen werden kann. Hierdurch gestalten sich jedoch die Batteriemodule und die einzelnen Batteriezellen aufwändiger und teurer.
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Weiterhin beschreibt die
WO 2011/110497 A2 eine Kühlvorrichtung, die ebenfalls versucht, eine möglichst homogene Kühlleistung bereitzustellen, zu welchem Zweck Kühlmittelleitungen mit mehrfachen Verzweigungen und Überkreuzungspunkten vorgesehen werden, an welchen ein Temperaturaustausch zwischen den Kühlleitungen erfolgen soll. Gerade durch diese Mehrfachverzweigungen und die vorzusehenden Kreuzungspunkte zwischen den Kühlmittelleitungen erfordert die Umsetzung einer solchen Kühlvorrichtung einen sehr hohen konstruktiven Aufwand und Bauraum und eine solche Kühlvorrichtung gestaltet sich entsprechend teuer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die eine möglichst homogene Kühlung zumindest eines Batteriemoduls auf möglichst einfache und kostengünstige Weise erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen zumindest eines Batteriemoduls weist einen, insbesondere mindestens einen, von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal auf, wobei der Kühlkanal einen Kühlkanaleingang aufweist, durch welchen Kühlmittel dem Kühlkanal zuführbar ist, und einen Kühlkanalausgang, durch welchen das Kühlmittel aus dem Kühlkanal abführbar ist. Dabei definiert ein Verlauf des Kühlkanals vom Kühlkanaleingang zum Kühlkanalausgang eine Verlaufsrichtung, wobei der Kühlmittelkanal in der Verlaufsrichtung alternierend aufeinanderfolgende Hin- und Rück-Kanalabschnitte aufweist, wobei die Verlaufsrichtung der Hin-Kanalabschnitte der Verlaufsrichtung der Rück-Kanalabschnitte entgegengesetzt ist, wobei jeweils ein Hin-Kanalabschnitt mit einem Rück-Kanalabschnitt ein Abschnittspaar bildet, und wobei der erste auf den Kühlkanaleingang in Verlaufsrichtung folgende Hin-Kanalabschnitt mit einem der Rück-Kanalabschnitte, der in Verlaufsrichtung bezüglich des Kühlkanaleingangs nicht auf diesen ersten Hin-Kanalabschnitt folgt, ein Abschnittspaar bildet. Dabei sind die Hin- und Rückkanalabschnitte eines Abschnittspaars direkt aneinander angeordnet, sodass der Hin-Kanalabschnitt und der Rückkanalabschnitt des Abschnittspaars nur durch eine, insbesondere gemeinsame, Kanalabschnittswand voneinander separiert sind.
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Die Hin- und Rückkanalabschnitte können also so gepaart werden, dass sich für ein jeweiliges Paar ungefähr die gleiche Kühlleistung ergibt, so wie dies bereits eingangs beschrieben wurde. Bewerkstelligt wird dies dadurch, dass einem Hin-Kanalabschnitt gerade nicht der darauffolgende Rück-Kanalabschnitt zugeordnet wird, um mit diesem ein Abschnittspaar zu bilden, sondern gerade ein anderer Rück-Kanalabschnitt, damit zum Beispiel ein besonders kalter Hin-Kanalabschnitt neben einem besonders warmen Rück-Kanalabschnitt angeordnet ist. Der große Vorteil der Erfindung gegenüber bisherigen Kühlvorrichtungen besteht jedoch gerade darin, dass nun die betreffenden Hin- und Rückkanalabschnitte von so gebildeten Abschnittspaaren direkt aneinander angeordnet sind, und nur durch eine gemeine Kanalabschnittswand voneinander getrennt sind, sodass durch diese Kanalabschnittswand hindurch vorteilhafterweise ein Wärmeaustausch stattfinden kann, sodass sich die unterschiedlichen Kühlmitteltemperaturen des den Hin- und Rückkanalabschnitt eines Abschnittspaars durchströmenden Kühlmittels bereits durch diese gemeinsame Kanalabschnittswand hindurch ausgleichen können. Entsprechend sind auch keine Ausgleichselemente in Batteriezellen oder Batteriemodulen vorzusehen, um einen solchen Ausgleich zu bewerkstelligen, sondern eine solche Batteriezelle beziehungsweise ein solches Batteriemodul kann einfach auf eine bereits homogen kühlende Fläche, die von der Kühlvorrichtung bereitgestellt wird, aufgesetzt werden. Mit anderen Worten findet ein Temperaturausgleich bereits innerhalb der Kühlvorrichtung, nämlich zwischen den korrespondierenden Kanalabschnitten jeweiliger Abschnittspaare statt, und muss damit nicht über Batteriezellen oder in Batteriemodulen erfolgen. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht weiterhin auch darin, dass dadurch, dass nun durch diese Kühlvorrichtung eine besonders homogen kühlende Kühlfläche bereitgestellt werden kann, Batteriezellen und/oder Batteriemodule beliebig auf der Kühlvorrichtung angeordnet werden können. Ein Batteriemodul, welches mindestens eine Batteriezelle aufweist, und vorzugsweise mehrere Batterieeinzelzellen umfasst, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, muss also nicht notwendigerweise so auf der Kühlvorrichtung angeordnet werden, dass die Kühlkanalabschnitte, nämlich die Hin-Kanalabschnitte und die Rück-Kanalabschnitte senkrecht oder parallel oder in einer sonstigen vorgegebenen Ausrichtung zu den Batteriezellen des Batteriemoduls verlaufen, um die Homogenität der Kühlung zu verbessern. Darum werden durch die Erfindung deutlich mehr Freiheitsgrade bezüglich der Anordnungsmöglichkeiten der Batteriemodule und Anwendungsmöglichkeiten bereitgestellt. Die Kanalabschnitte des Kühlkanals können dabei weiterhin alle zum Beispiel in einer Ebene verlaufen, und es müssen keine Verzweigungspunkte oder Überkreuzungspunkte oder ähnliches vorgesehen werden. Dies erlaubt eine Bereitstellung einer besonders homogenen Temperierung auf besonders einfache und kostengünstige Weise. Insbesondere kann durch die Erfindung sowohl eine besonders kostengünstige Kühlvorrichtung bereitgestellt werden, die eine homogene Temperierung eines Batteriemoduls erlaubt, sowie auch das Batteriemodul selbst sehr kostengünstig ausgestaltet werden, da zur Temperaturhomogenisierung keine spezielle Ausbildung des Batteriemoduls oder der Batteriezellen selbst erforderlich sind. Damit erlaubt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eine möglichst homogene Kühlung zumindest eines Batteriemoduls auf möglichst einfache und kostengünstige Weise.
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Unter einem Kühlkanaleingang des Kühlkanals kann dabei zum Beispiel ein Eingangsanschluss verstanden werden, der an eine Kühlmittelzuführleitung anschließbar ist, und in entsprechender Weise kann unter einem Kühlkanalausgang ein Ausgangsanschluss verstanden werden, der an eine Kühlmittelabführleitung anschließbar ist.
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Weiterhin kann der Kühlkanal nicht nur die genannten Hin- und Rückkanalabschnitte aufweisen, sondern zum Beispiel auch Zwischenabschnitte, die jeweils einen Hin-Kanalabschnitt und einen Rück-Kanalabschnitt miteinander verbinden. Entsprechend müssen also die in der Verlaufsrichtung alternierend aufeinanderfolgenden Hin- und Rück-Kanalabschnitte nicht unmittelbar aufeinanderfolgen sondern über solche Zwischenabschnitte verbunden sein. Somit kann zum Beispiel auf einen Hin-Kanalabschnitt unmittelbar ein Zwischenabschnitt dann ein Rück-Kanalabschnitt dann wieder ein Zwischenabschnitt dann wieder ein Hin-Kanalabschnitt dann wieder ein Zwischenabschnitt, usw. folgen. Solche Zwischenabschnitte können dann zum Beispiel zumindest zum Teil senkrecht zur Verlaufsrichtung der jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte verlaufen. Diese Zwischenabschnitte können zum Beispiel auch außerhalb einer Kühlfläche angeordnet sein, unter welcher die Hin- und Rückkanalabschnitte verlaufen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der in Bezug auf den Kühlkanaleingang in Verlaufsrichtung n-te Hin-Kanalabschnitt dem in Bezug auf den Kühlkanalausgang entgegen der Verlaufsrichtung n-te Rück-Kanalabschnitt zugeordnet und bildet mit dem zugeordneten Rück-Kanalabschnitt das Abschnittspaar, wobei n eine natürliche Zahl darstellt. Es wird also beispielsweise der in Bezug auf den Kühlkanaleingang erste Hin-Kanalabschnitt dem in Bezug auf den Kühlkanalausgang letzten Rück-Kanalabschnitt zugeordnet, der bezüglich des Eingangs zweite Hin-Kanalabschnitt dem bezüglich des Ausgangs vorletzten Rück-Kanalabschnitt, der bezüglich des Eingangs dritte Hin-Kanalabschnitt dem bezüglich des Ausgangs drittletzten Rück-Kanalabschnitt, und so weiter. Durch eine solche Paarung lässt sich eine besonders homogene Temperierung bereitstellen. Der Eingang des ersten Kühlkanalabschnitts, insbesondere des ersten Hin-Kanalabschnitts, hat dann entsprechend die tiefste Temperatur und der Ausgang des letzten Rück-Kanalabschnitts die höchste Temperatur, und so weiter. Dadurch, dass diese so gepaarten Kanalabschnitte nun aber direkt durch eine vorzugsweise besonders dünne und thermisch hoch leitfähige Wand voneinander getrennt sind, findet hier nach einem Rückströmkühlerprinzip ein interner Ausgleich des lokalen Temperaturgefälles statt, wodurch sich die oben genannte homogene Temperierung auf besonders effiziente Weise bereitstellen lässt. Insbesondere ist dabei die Abweichung von einer mittleren Temperatur, die für alle Abschnittspaare die gleiche ist, betragsmäßig für die jeweiligen gepaarten Kanalabschnitte gleich. Durch eine derart symmetrischen Paarung kann sich entsprechend über alle Paare die gleiche mittlere Temperatur einstellen und damit eine besonderes homogene Temperierung bereitgestellt werden.
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Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass ein jeweiliger Hin-Kanalabschnitt und ein jeweiliger Rück-Kanalabschnitt derart ein Abschnittspaar bilden, dass für jedes Abschnittspaar gilt, dass eine Entfernung des Hin-Kanalabschnitts vom Kühlkanaleingang in Verlaufsrichtung einer Entfernung des Rück-Kanalabschnitts vom Kühlkanalausgang entgegen der Verlaufsrichtung entspricht. Unter der jeweiligen Entfernung kann dabei eine mittlere Entfernung verstanden werden. Weiterhin sind die Hin-Kanalabschnitte und Rück-Kanalabschnitte auch vorzugsweise alle gleich lang. Bei dieser Entfernungsmessung kann beispielsweise die Länge der jeweiligen Zwischenabschnitte, wie diese oben definiert wurden, unberücksichtigt bleiben, da, wenn diese Zwischenabschnitte ohnehin außerhalb der bereitzustellenden Kühlfläche verlaufen und damit nicht unterhalb eines zu kühlenden Batteriemoduls angeordnet sind, das Kühlmittel beim Durchströmen solcher Zwischenabschnitte keine wesentliche Temperaturänderung erfährt. Auch hierdurch ergibt sich wiederum die vorteilhafte Paarung der einzelnen Hin- und Rück-kanalabschnitte, gemäß welcher also der dem Ausgang nächstgelegene Rückkanalabschnitt dem dem Eingang nächstgelegenen Hin-Kanalabschnitt zugeordnet ist, der dem Ausgang zweitnächstgelegene Rück-Kanalabschnitt dem dem Eingang zweitnächstgelegen Hin-Kanalabschnitt zugeordnet ist und so weiter, wodurch sich auch hier wiederum im Mittel für jedes Abschnittspaar eine in etwa gleiche Kühlleistung bereitstellen lässt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindesten zwei Abschnittspaare, insbesondere alle Abschnittspaare, durch mindestens ein Wärmeisolationselement voneinander separiert. Dadurch kann die Homogenität der Kühlleistung vorteilhafterweise noch weiter gesteigert werden, da so vorteilhafterweise gewährleistet werden kann, dass ein Wärmeaustausch hauptsächlich nur zwischen den einander zugeordneten Hin- und Rückkanalabschnitten der betreffenden Abschnittspaare stattfindet, und nicht oder zumindest in deutlich geringerem Ausmaß zwischen jeweiligen benachbarten Abschnittspaaren selbst.
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Ein solches Wärmeisolationselement lässt sich dabei auf vielzählige Weise bereitstellen. Vorzugsweise erstreckt sich ein solches Wärmeisolationselement über die gesamte Verlaufslänge jeweils nebeneinander angeordneter Abschnittspaare. Ein solches Wärmeisolationselement ist also vorzugsweise mindestens genauso lang wie ein jeweiliger Hin-Kanalabschnitt beziehungsweise ein jeweiliger Rück-Kanalabschnitt. Ein solches Wärmeisolationselement kann beispielsweise bereits dadurch bereitgestellt werden, indem eine Wand zwischen zwei benachbart angeordneten Abschnittspaaren zum Beispiel dicker ausgestaltet ist, als die oben beschriebene Kanalabschnittswand, die sich zwischen einem Hin-Kanalabschnitt und einem Rück-Kanalabschnitt des gleichen Abschnittspaars befindet. Eine solche zwischen zwei Abschnittspaaren befindliche Wand kann auch aus einem thermisch schlechter wärmeleitenden Material gefertigt sein, wie zum Beispiel Kunststoff oder ähnliches.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Wärmeisolationselement durch einen Freiraum zwischen zwei einander zugewandten Kanalabschnittswänden jeweils zweier der Abschnittspaare bereitgestellt ist. Mit anderen Worten können die jeweiligen Abschnittspaare voneinander durch einen entsprechenden Freiraum separiert sein. Dieser Freiraum kann dabei gasgefüllt, insbesondere luftgefüllt sein, was besonders vorteilhaft ist, da Luft einen sehr guten thermischen Isolator darstellt keine aktive Befüllung notwendig ist. Eine mehrkomponentige Ausbildung der Kühlvorrichtung unter Verwendung verschiedener Materialien kann dadurch vorteilhafterweise vermieden werden, was eine deutlich kostengünstigere Ausbildung der Kühlvorrichtung erlaubt.
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Die Anordnung aus Hin- und Rückkanälen einschließlich der Wärmeisolationselemente kann zum Beispiel auf einfache Weise durch Kühlkanalplatten mit integrierten Kühlkanälen bereitgestellt sein, die jeweils parallel zueinander verlaufend aneinander grenzen. Eine solche Kühlplatte kann beispielsweise als Strangpressprofil hergestellt werden. Die Paarung der jeweiligen Kanalabschnitte und die Bereitstellung der Wärmeisolationselemente erfolgt dann einfach durch geeignete Kopplung der jeweiligen Kanalabschnitte über die Zwischenabschnitte. Alternativ kann die Kühlvorrichtung beispielsweise auch dadurch bereitgestellt werden, indem in ein erstes Blech ein Kühlkanal eingeprägt oder eingestanzt wird, wie dieser beschrieben wurde mit den entsprechend zueinander angeordneten Kanalabschnitten, nämlich den Hin-Kanalabschnitten, Rück-Kanalabschnitten und den Zwischenabschnitten, wobei dann einfach zur Bereitstellung des Freiraums ein entsprechender Abstand zwischen jeweiligen Abschnittspaaren beim Einstanzen der Kanalabschnitte vorgesehen werden kann. Dieses erste Blech mit den eingeformten Kanalabschnitten kann dann mit einem zweiten Blech durch Fügen verbunden werden, zum Beispiel mit diesem verpresst werden, sodass durch dieses zweite Blech dann die entsprechend eingestanzten beziehungsweise eingeprägten Kanalabschnitte verschlossen werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das Wärmeisolationselement ein im Betrieb der Kühlvorrichtung mit einem Gas, insbesondere Luft, gefüllten, nicht vom Kühlmittel durchströmten Kanal dar, der zwischen mindestens zwei Abschnittspaaren, insbesondere jeweils zwei Abschnittspaaren, angeordnet ist. Mit anderen Worten kann zwischen je zwei Abschnittspaaren ein Kanal angeordnet sein, der jedoch im Betrieb nicht zur Führung des Kühlmittels verwendet wird, sondern stattdessen mit Luft gefüllt ist bzw. bleibt, wodurch ebenso eine besonders gute thermische Isolation zwischen jeweils benachbart angeordneten Abschnittspaaren bereitgestellt werden kann. Die solchen mit Luft gefüllten Kanäle können dabei abgeschlossen oder auch offen sein. Zudem lässt sich eine Kühlvorrichtung mit solchen Kanälen, nämlich dem Kühlkanal sowie den thermisch isolierenden Kanälen, wie zuvor beschrieben auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellen. Auch hier sind also entsprechend keine unterschiedlichen Materialien erforderlich, und die Kühlvorrichtung kann besonders einfach und kosteneffizient ausgebildet werden.
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Um gerade aber zwischen den Hin- und Rückkanalabschnitten eines jeweiligen gleichen Abschnittspaars einen besonders guten und einfachen Wärmeaustausch zu ermöglichen, stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die gemeinsame Kanalabschnittswand eines jeweiligen Abschnittspaares eine Wanddicke vom maximal 0,5 Millimetern, vorzugsweise eine Wanddicke zwischen 0,2 und 0,3 Millimetern, aufweist. Zudem ist die jeweilige gemeinsame Kanalabschnittswand vorzugsweise aus Aluminium gefertigt oder zumindest eine Aluminiumlegierung, da gerade Aluminium eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Aber auch andere Metalle kommen hierfür in Frage. Hierdurch lässt sich der Wärmeaustausch zwischen den jeweils zugeordneten Hin- und Rückkanalabschnitten besonders effektiv gestalten. Dadurch kann die Homogenität der Temperierung weiter gesteigert werden.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein jeweiliger Hin- und Rück-Kanalabschnitt in einem Querschnitt senkrecht zur Verlaufsrichtung eine maximale Höhe und eine maximale Breite auf, die sich um weniger als 50 Prozent bezogen auf die größere der beiden Abmessungen unterscheiden. Vorzugsweise unterscheiden sich Länge und Breite der jeweiligen Kühlkanalabschnitte um deutlich weniger als 50 Prozent, zum Beispiel um maximal 30 Prozent, oder auch nur um maximal 10 Prozent. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Länge und Breite zum Beispiel gleich sind. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass große thermische Übergangsflächen zwischen den einander zugeordneten Hin- und Rückkanalabschnitten im Verhältnis zu deren Querschnitt eine besonders effiziente Homogenisierung der Temperierung erlauben. Auf der anderen Seite lässt sich eine besonders effiziente Kühlung einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls durch einen jeweiligen Hin-Kanalabschnitt und Rück-Kanalabschnitt dann bereitstellen, wenn die Übergangsfläche zwischen den jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitten und der zu kühlenden Fläche beziehungsweise der Batteriezelle beziehungsweise dem Batteriemodul möglichst groß ist. Beides lässt sich damit gleichzeitig optimieren, wenn Länge und Breite eines jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitts ungefähr gleich groß sind, und die jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte zum Beispiel in einem Querschnitt quadratisch oder zumindest nahezu quadratisch ausgebildet sind. Denn gerade in diesem Fall lässt sich einerseits ein besonders effizienter Wärmeaustausch zwischen den jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitten eines jeweiligen Abschnittspaars bereitstellen, sowie gleichzeitig auch eine besonders effiziente Kühlung einer Batteriezelle oder eines Batteriemoduls.
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Im Allgemeinen soll dabei die Breite eines jeweiligen Hin- und Rückkanals so definiert sein, dass die jeweiligen Hin- und Rückkanäle in Richtung ihrer Breite nebeneinander angeordnet sind. Die jeweilige Länge eines Hin- und Rückkanalabschnitts steht dann entsprechend senkrecht zur Breite. Entsprechend erstrecken sich die jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte in Richtung ihrer Höhe von der zu kühlenden Fläche weg. Sind Länge und Breite der jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte ungleich, so ist es zumindest bevorzugt, dass die Höhe eines jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitts größer ist als dessen Breite, da dies wiederum der thermischen Homogenität des Gesamtsystems zu Gute kommt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein jeweiliger Hin- und Rück-Kanalabschnitt in einem Querschnitt senkrecht zur Verlaufsrichtung eine maximale Höhe und eine maximale Breite auf, die jeweils kleiner sind als 1 Zentimeter. Insbesondere können Höhe und Breite dabei sogar im kleinen einstelligen Millimeterbereich liegen, zum Beispiel maximal 2 Millimeter betragen. Die Kanalabschnitte können somit beispielsweise als so genannte Mikro-Multiport-Tubes bereitgestellt werden, die eine besonders effiziente und bauraumsparende Ausbildung der Kühlvorrichtung erlauben. Derart filigrane Kühlkanalabschnitte können beispielsweise mittels Strangpressverfahren hergestellt werden. Dies erlaubt vorteilhafterweise gleichzeitig eine besonders kostengünstige Ausbildung der jeweiligen Kanalabschnitte.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten damit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus soll von der Erfindung auch eine Batterie mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung oder eine ihrer Ausgestaltungen als umfasst angesehen werden. Eine solche Batterie kann zum Beispiel eines oder mehrere Batteriemodule aufweisen, die auf einer von der Kühlvorrichtung bereitgestellten Kühlfläche angeordnet sind. Eine solche Anordnung der Batteriemodule kann dabei grundsätzlich beliebig ausgestaltet werden, da, wie dies oben bereits beschrieben wurde, durch diese eine besonders homogene Kühlleistung über die gesamte Kühlfläche hinweg ermöglicht wird.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung zweier Abschnittspaare für eine Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Kühlvorrichtung mit niedrigen und breiten Kühlkanalabschnitten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Kühlvorrichtung mit hohen und schmalen Kühlkanalabschnitten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kühlvorrichtung 10 in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Kühlvorrichtung 10 umfasst hier exemplarisch einen Kühlkanal 12. Der Kühlkanal 12 ist dabei von einem hier nicht näher dargestellten Kühlmittel durchströmbar, insbesondere einem flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmittel, und weist einen Eingang 14 zur Zuführung des Kühlmittels sowie einen Ausgang 16 zur Abführung des Kühlmittels auf. Der Eingang 14 des Kühlkanals 12 ist dabei mit einer Kühlmittelzuführleitung koppelbar, die in diesem Beispiel durch den Pfeil 18 veranschaulicht ist, und der Ausgang 16 ist mit einer Kühlmittelabführleitung koppelbar, die in 1 durch den Pfeil 20 veranschaulicht ist. Weiterhin ist der Kühlkanal 12 nun in mehrere Abschnitte gegliedert. Dazu zählen Hin-Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9 und Rück-Kanalabschnitte R2, R4, R6, R8, R10, sowie Zwischenabschnitte 22, die hier lediglich als in Verlaufsrichtung weisende Pfeile veranschaulicht sind, die die jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 miteinander verbinden. Die Verlaufsrichtung ist dabei durch den Verlauf des Kühlkanals 12 vom Eingang 14 in Richtung Ausgang 16 definiert. Entsprechend ist die Verlaufsrichtung der Hin-Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9 der Verlaufsrichtung der Rück-Kanalabschnitte R2, R4, R6, R8, R10 entgegen gesetzt. Die Verlaufsrichtung der Hin-Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9 ist dabei mit V2 bezeichnet und die Verlaufsrichtung der Rück-Kanalabschnitte R2, R4, R6, R8, R10 mit V1.
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Um nun eine möglichst homogene Temperierung einer durch die Kühlvorrichtung 10 bereitgestellten Kühlfläche 24 (vgl. 3 bis 5), zu ermöglichen, sind nun die jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 in bestimmter Weise miteinander gepaart. Zur besseren Veranschaulichung sind die jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 dabei durch ihre Bezugszeichen entsprechend ihrer Reihenfolge im Verlaufsrichtung ausgehend vom Eingang 14 des Kühlkanals 12 durchnummeriert. Die Zwischenabschnitte 22 sind bei dieser Nummerierung nicht berücksichtigt, da diese lediglich dazu dienen, die übrigen Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 miteinander in Strömungsrichtung zu verbinden und zudem außerhalb der Kühlfläche 24 angeordnet sein können. Der in Bezug auf den Eingang 14 erste Kanalabschnitt ist also mit H1 bezeichnet, der mit Bezug auf den Eingang 14 zweite Kanalabschnitt der Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 mit R2, der in Bezug auf den Eingang 14 dritte Abschnitt der Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 ist mit H3 bezeichnet, der vierte Kanalabschnitt mit R4, der fünfte Kanalabschnitt mit H5, und so weiter, bis zum letzten Kanalabschnitt R10, an welchen sich dann der Ausgang 16 des Kühlkanals 12 anschließt. Diese Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 sind nun so gepaart, dass der erste Kanalabschnitt, nämlich der Hin-Kanalabschnitt H1, Steg an Steg mit dem letzten Kanalabschnitt, nämlich dem Rück-Kanalabschnitt R10, zusammen liegt. Dabei hat der Eingang des ersten Kanalabschnitts H1 die tiefste Temperatur und der Ausgang des zehnten Kanalabschnitts, d.h. des Rück-Kanalabschnitts R10, logischerweise die höchste Temperatur. Diese beiden Kanalabschnitte H1, R10 bilden damit ein Abschnittspaar P1, wobei diese beiden Kanalabschnitte H1, R10 nur durch eine möglichst dünne und thermisch hochgradig leitfähige Aluminiumwand 26 voneinander getrennt sind. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, dass hier nach einem Rückströmkühlerprinzip ein interner Ausgleich des lokalen Temperaturgefälles zwischen diesen beiden Kanalabschnitten H1, R10 stattfinden kann.
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Dieses Prinzip findet über die gesamte Kühlfläche 24 Anwendung. Entsprechend bilden auch die anderen Kanalabschnitte korrespondierende Paare P2, P3, P4 und P5. Das zweite Pärchen P2 verbindet also entsprechend thermisch den zweitkältesten Strang, nämlich den Rück-Kanalabschnitt R2, mit dem zweitwärmten Strang, nämlich dem Hin-Kanalabschnitt H9, und so weiter. Um einen optimalen Temperaturausgleich und damit eine möglichst homogene Temperierung zu erreichen, wird also grundsätzlich der erste Kanalabschnitt H1 mit dem letzten Kanalabschnitt R10 gepaart, der zweite Kanalabschnitt R2 mit dem vorletzten Kanalabschnitt H9 zum zweiten Abschnittspaar P2 gepaart, der dritte Kanalabschnitt H3 mit dem drittletzten Kanalabschnitt R8 zu einem dritten Abschnittspaar P3, der vierte Kanalabschnitt R4 mit dem viertletzten Kanalabschnitt H7 zu einem vierten Abschnittspaar P4, und der fünfte Kanalabschnitt H5 mit dem fünftletzten Kanalabschnitt R6 zu einem fünften Abschnittspaar P5. Diese Prinzip lässt sich auch auf belieb viele, vorzugsweise jedoch immer geradzahlige Zahlen von Hin- und Rückkanalabschnitten H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 anwenden. Somit wird gemäß diesem Prinzip der in Bezug auf den Kühlkanaleingang 14 in Verlaufsrichtung n-te Hin-Kanalabschnitt H1, H3, H5, H7, H9 in Bezug auf den Kühlkanalausgang 16 entgegen der Verlaufsrichtung n-te Rück-Kanalabschnitt R2, R4, R6, R8, R10 zugeordnet und bildet mit dem zugeordneten Rück-Kanalabschnitt R2, R4, R6, R8, R10 das korrespondierende Abschnittspaar P1, P2, P3, P4, P5.
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Die Summer der Nummerierungen eines jeweiligen Pärchens P1, P2, P3, P4, P5 ergibt dabei immer die gleiche Zahl, in diesem Beispiel 11, wenn die Nummerierung der Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 ausgehend von Eingang 14 ganzzahlig aufsteigend erfolgt.
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Eine derartige Paarung der jeweiligen Hin- und Rückkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 und der Kopplung der gepaarten Abschnitte über eine möglichst dünne thermisch gut leitfähige Wand 26, deren Dicke zum Beispiel zwischen 0,2 und 0,3 Millimeter betragen kann, lässt sich die Homogenisierung der Temperierung zwar gegenüber bisherigen Konzepten enorm steigern, eine noch effizientere Homogenisierung lässt sich jedoch bereitstellen, wenn zwischen den jeweiligen Abschnittspaaren P1, P2, P3, P4 zusätzlich Wärmeisolationselemente 28 angeordnet sind. Solche thermischen Isolierungen 28 können zum Beispiel auch lediglich durch einen gewissen Freiraum zwischen den jeweiligen Abschnittspaaren P1, P2, P3, P4, P5 bereitgestellt sein oder auch zum Beispiel durch Kanäle, die jedoch im Betrieb nicht vom Kühlmittel durchflossen werden, sondern stattdessen nur mit Luft gefüllt sind. Gerade solche luftgefüllten Kanäle als Wärmeisolationselements 28 ermöglichen eine besonders kostengünstige Ausbildung der Kühlvorrichtung 10. Mit anderen Worten kann jedes Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 von dem nebenliegenden Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 räumlich getrennt sein, indem sich jeweils ein leerer Kühlkanal 28 dazwischen befindet. Die thermische Entkopplung zwischen den benachbarten Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 findet entsprechend dadurch statt, dass dieser Kühlmittlel-leere Kühlkanal 28 mit Luft gefüllt ist, was einen Isolator mit schlechtem Wärmeübergang darstellt.
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Die in 1 dargestellte Anordnung aus Hin- und Rückkanälen einschließlich der Wärmeisolationselemente kann zum Beispiel auf einfache Weise durch herkömmliche Kühlkanalplatten mit integrierten Kühlkanälen bereitgestellt sein, die jeweils parallel zueinander verlaufend aneinander grenzen. Eine solche Kühlplatte kann beispielsweise als Strangpressprofil hergestellt werden. Die Paarung der jeweiligen Kanalabschnitte und die Bereitstellung der Wärmeisolationselemente erfolgt dann einfach durch geeignete Kopplung der jeweiligen Kanalabschnitte über die Zwischenabschnitte 22. So kann also beispielsweise jeder dritte Kühlkanal der so bereitgestellten Kühlplatte einfach freigelassen werden beziehungsweise nicht mit anderen Kanälen in der Platte über solche Zwischenabschnitte 22 gekoppelt werden, sodass jeder dritte Kanal entsprechend automatisch ein solches Wärmeisolationselement 28 zwischen den dazwischen befindlichen Abschnittspaaren P1, P2, P3, P4, P5 bereitstellt. Die jeweiligen Kühlkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 und damit auch die dargestellten Wärmeisolationselemente 28 können zum Beispiel eine Breite B (vgl. 3 und 4) im Millimeterbereich aufweisen, zum Beispiel zwischen 1 und 2 Millimeter liegen. Damit können die Kühlkanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 beispielsweise als so genannte Mikro-Multiport-Tubes bereitgestellt werden.
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2 veranschaulicht noch einmal zwei Abschnittspaare P1, P5 der Kühlvorrichtung 10 aus 1, nämlich das erste Abschnittspaar P1 und das fünfte Abschnittspaar P5. Das Temperaturgefälle zwischen den Abschnitte H1, R10 des ersten Abschnittspaars ist dabei deutlich größer, als das Temperaturgefälle zwischen den beiden Abschnitten H5, R6 des fünften Abschnittspaars P5. Entsprechend findet auch zwischen den Kanalabschnitten des ersten Abschnittspaars P1 ein größerer Wärmeaustausch statt als zwischen den Kanalabschnitten des fünften Abschnittspaars P5. Dieser Wärmeaustausch ist dabei durch die dargestellten Pfeile veranschaulicht. Dabei sollen die mit 30 bezeichneten Pfeile den Wärmestrom veranschaulichen, und die mit 32 bezeichneten Pfeile den Kältestrom. Entsprechend stellt sich in beiden Abschnittspaaren P1, P5 letztendlich näherungsweise die gleiche Temperatur ein, da eine exakt symmetrischer Wärmeaustausch zwischen den wärmeübertragenden thermisch leitenden Zwischenwänden 26 stattfinden kann.
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Dieses veranschaulichte Prinzip lässt sich beliebig skalieren und gilt für alle ganzteiligen Vielfachen von Hin- und Rückleitungen beziehungsweise Hin- und Rückkanalabschnitten H1, H3, H5, H7, H9, R2, R4, R6, R8, R10 eines Kühlkanals 12, welche also vorzugsweise die gleiche Anzahl, Länge und den gleichen Querschnitt haben, thermisch als symmetrisches Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 gekoppelt nebeneinander liegen und wiederum thermisch isoliert vom nächsten Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 sind.
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Die thermische Homogenität kann zudem noch durch weitere Einflussfaktoren bestimmt beziehungsweise skaliert werden, da diese Homogenität zum Beispiel davon abhängt, wie viele dieser Pärchen in einem Kanalabschnitt nebeneinander liegen, von der Größe der thermischen Isolation 28 und wie wiederum das Verhältnis von Querschnitt zu thermischer Übergangsfläche der Kanalabschnitte ist. Dies soll nun anhand der 3 und 4 näher erläutert werden.
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Grundsätzlich steigt die Homogenität mit steigender Anzahl an Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 und mit zunehmender thermischer Isolierung zwischen den Pärchen P1, P2, P3, P4, P5. Weiterhin begünstigen große thermische Übergangsflächen zwischen den symmetrischen Pärchen P1, P2, P3, P4, P5 im Verhältnis zu deren Querschnitt ebenfalls die Homogenisierung der Temperierung.
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3 zeigt dabei eine schematische Querschnittsdarstellung einer Kühlvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in diesem Beispiel nur vier Kanalabschnitte, zum Beispiel die des ersten Abschnittspaars P1 und die des zweiten Abschnittspaars P2 aus 1, dargestellt sind. Die Kanalabschnitte H1, R10, R2, H9 weisen dabei einen Höhe H auf, die in diesem Beispiel für alle Abschnitte gleich ist, sowie eine Breite B, die ebenfalls für alle Kanalabschnitte H1, R10, R2, H9 gleich ist. Zwischen den beiden Abschnittspaaren P1, P2 befindet sich wiederum eine thermische Isolation 28 in Form eines Luftspalts. Die Abschnitte eines Abschnittspaars P1, P2 sind wiederum thermisch über eine dünne, gut wärmeleitende Wand 26 gekoppelt. In diesem Beispiel ist die Höhe H der Kanalabschnitte H1, R10, R2, H9 im Vergleich zu deren Breite B relativ gering, was bedingt, dass auch die thermische Übergangsfläche, die durch die Fläche dieser Zwischenwand 26 bereitgestellt ist, im Verhältnis zum Querschnitt der jeweiligen Kanalabschnitte H1, R10, R2, H9, der sich im Falle eines rechteckigen Querschnitts, wie dies exemplarisch vorliegend der Fall ist, aus dem Produkt von Höhe H und Breite B ergibt, sehr gering ist.
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Eine Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen den Kanalabschnitten H1, R10, R2, H9 der jeweiligen Pärchen P1, P2 lässt sich zum Beispiel dadurch verbessern, indem beispielsweise die Höhe H vergrößert wird, insbesondere relativ zur Breite B der jeweiligen Abschnitte H1, R10, R2, H9. Dies bedeutet, dass sich eine Verbesserung der Homogenisierung beispielsweise auch dadurch erreichen lässt, indem die Breite B der jeweiligen Abschnitte H1, R10, R2, H9 gegenüber der Höhe H verkleinert wird, und dann zum Beispiel entsprechend mehr Kanalabschnitte zur Kühlung der Kühlfläche 24 bereitgestellt werden. Dies ist beispielsweise in 4 veranschaulicht.
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4 zeigt dabei wiederum eine schematische Querschnittsdarstellung eine Kühlvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Kühlvorrichtung 10 in diesem Beispiel sieben Abschnittspaare P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 und entsprechend sieben Hin-Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13 und sieben Rück-Kanalabschnitte R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 aufweist. Auch hierbei bezeichnet H wiederum die Höhe der jeweiligen Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 und B die Breite der jeweiligen Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14.
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In diesem Beispiel ist nun die Höhe H größer als die Breite B der jeweiligen Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 und entsprechend ist auch die thermische Übergangsfläche, die wiederum durch die Wände 26 zwischen den jeweiligen Kanalabschnitten H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 eines Abschnittspaars P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 bereitgestellt ist, gegenüber den Querschnitten der jeweiligen Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 vergrößert. Die jeweiligen Abschnittspaare P1 sind wiederum durch luftgefüllte Freiräume 28 voneinander thermisch isoliert. Diese Freiräume 28 können dabei vollständig offen sein, oder sich innerhalb weiterer Kanäle befinden, was hier durch die gestrichelte Linie 34 veranschaulicht werden soll.
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Andererseits spielt aber auch die Übergangsfläche zwischen den jeweiligen Kanalabschnitten und der zu kühlenden Fläche 24 eine Rolle, um zum Beispiel darauf befindliche Batteriemodule oder Batteriezellen effizient kühlen zu können. Entsprechend ist vor allem ein näherungsweise quadratischer Querschnitt der jeweiligen Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 besonders vorteilhaft, sowohl in Bezug auf die Effizienz der Kühlung eines oder mehrerer Batteriemodule, sowohl hinsichtlich der Effizienz der Homogenisierung der Temperierung.
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Zudem lässt sich die Homogenisierung auch umso effektiver gestalten, je größer die thermische Isolierung 28 zwischen den jeweiligen Pärchen P1 bis P5 ist. Andererseits mindern allerdings zu viele vorgesehene isolierende Bereiche 28 jedoch wiederum die Kühlung eines auf der Kühlfläche 24 angeordneten Batteriemoduls, sodass auch hier bevorzugt ist, dass diese Wärmeisolationselemente 28 so groß sind wie auch die Kühlkanalabschnitte. Damit können sowohl die Kanäle für die thermische Isolation als auch die Kühlkanäle beziehungsweise Kanalabschnitte H1, H3, H5, H7, H9, H11, H13, R2, R4, R6, R8, R10, R12, R14 gleichartig ausgebildet werden, was die Herstellung enorm vereinfach und damit die Kosten reduziert.
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5 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 36 mit einer Kühlvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Insbesondere ist hierbei nur ein Teil des Kraftfahrzeugs 36 dargestellt, um vor allem die durch die Kühlvorrichtung 10 bereitgestellte Kühlfläche 24 zu veranschaulichen. Auf dieser Kühlfläche 24 können nun in einer beliebigen Anordnung zueinander eine oder mehrere Batteriemodule 38 angeordnet werden, von denen eines exemplarisch in einer gegenüber dem Kraftfahrzeug 36 vergrößerten Darstellung veranschaulicht ist. Da es durch die Erfindung ermöglicht wird, eine besonders homogen gekühlte Kühlfläche 24 bereitzustellen, müssen nunmehr solche Batteriemodule 38 vorteilhafterweise nicht mehr in einer bestimmten Vorzugsrichtung relativ zur Kühlvorrichtung 10 angeordnet werden, was die Freiheitsgrade der Anordnungsmöglichkeiten solcher Batteriemodule 38 enorm erhöht.
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Die in 5 veranschaulichte Kühlfläche 24 muss aber nicht notwendigerweise durch nur eine solche Kühlvorrichtung 10, wie diese zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt werden, sondern kann sich beispielsweise auch aus einzelnen Kühlflächen 24, die von mehreren solchen Kühlvorrichtungen 10 jeweils bereitgestellt werden, zusammensetzen. Eine jeweilige Kühlvorrichtung 10 weist dabei einen eigenen Eingang 14 und Ausgang 16 für das Kühlmittel auf, sodass den jeweiligen Kühlvorrichtungen 10 parallel über ihre jeweiligen Ein- und Ausgänge 14, 16 Kühlmittel zugeführt und aus diesen abgeführt werden kann.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine homogene und symmetrische Kühlung von Lithium-Ionen-Zellen bereitgestellt werden kann, in dem die jeweils in einem symmetrischen Kalt-Warmgefälle zueinander befindlichen Kühlleitungen thermisch miteinander verbunden werden können und ein thermischer Ausgleich erzwungen werden kann, während thermisch unsymmetrisch zueinander liegende Kühlleitungen thermisch und örtlich voneinander getrennt werden können, damit diese sich möglichst wenig negativ beeinflusst können. In Summe ergibt sich bei beliebiger Dimensionierung einer Fluidkühlung eine immer gleiche annähernd homogene Temperaturverteilung im gesamten Zellmodul beziehungsweise in allen darin befindlichen Zellen. Dabei sind die Unterschiede in der Temperaturverteilung zumindest so gering, dass sie sich nicht mehr negativ auf unterschiedliche Alterungsverhalten der Zellen auswirken können. Die Zellen werden länger halten und das Kühlsystem kann in Summe durch die Homogenität geringer dimensioniert werden, da nicht mehr die wärmste Zelle bei der Kühlungsauslegung berücksichtigt werden muss, sondern nur noch, dass nahezu identisch temperierte Zellen im System vorhanden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/086250 A1 [0004, 0005]
- WO 2011/110497 A2 [0006]
