DE102019216443A1

DE102019216443A1 - Wärmetauscher mit internen Kältefluidverteilungsmerkmalen zum Kühlen multipler Reihen von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102019216443A1
Application number: DE102019216443.9A
Authority: DE
Inventors: Garreth D. G. Graves; Sina Kaiser-Krug
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2020-04-30
Also published as: DE112019005315A5; WO2020084120A1; CN113169391A; CN111106365A; CN111106365B; DE202018004979U1; US20210391608A1; US20200136214A1; US11264658B2

Abstract

Ein Wärmetauscher zum Kühlen multipler Reihen von Batteriezellen weist eine Vielzahl von längs verlaufenden Strömungsabschnitten auf, die mindestens einen ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich definieren, die jeweils unter einer Reihe von Batteriezellen liegen. Die Strömungsabschnitte beinhalten einen Einlass- und Auslassströmungsabschnitt und mindestens zwei dazwischen liegende Strömungsabschnitte. Der Einlass- und der Auslassanschluss befinden sich mit dem jeweiligen Einlass- und Auslassströmungsabschnitt in Strömungskommunikation, und ein erster Umgehungskanal erstreckt sich zwischen dem Einlassanschluss und mindesten einem der dazwischen liegenden Strömungsabschnitte. Der erste Umgehungskanal führt relativ kaltes Wärmeübertragungsfluid aus dem Einlass zu, um es mit wärmerem Fluid in einem zweiten oder nachfolgenden U-förmigen Strömungsbereich zu mischen, um die Temperaturgleichmäßigkeit zwischen den Reihen von Batteriezellen zu verbessern. Ein zweiter Umgehungskanal kann sich um den äußeren Umfang des Wärmetauschers von dem Einlassströmungsabschnitt zu einem zweiten oder nachfolgenden U-förmigen Strömungsbereich erstrecken.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. DE202018004979.4 , eingereicht am 25. Oktober 2018, und der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/773,464 , eingereicht am 30. November 2018, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind, mit allen Vorteilen in Anspruch.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Wärmemanagement wiederaufladbarer Batterien innerhalb eines Energiespeichersystems eines Batterie-Elektroautos (Batterieladesystem elektrische Keilens, BEV) oder eines Hybrid-Elektroautos (hybrid elektrische Keilens, HEV) und insbesondere auf Wärmetauscher, die zum Kühlen multipler Reihen von wiederaufladbaren Batteriezellen angepasst sind.
HINTERGRUND
Energiespeichersysteme wie beispielsweise die in BEV und HEV verwendeten umfassen wiederaufladbare Lithiumionenbatterien. Eine typische wiederaufladbare Batterie für ein BEV oder HEV umfasst eine Anzahl von Batteriemodulen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet elektrisch miteinander verbunden sind, um die Batterie mit der gewünschten Systemspannung und - kapazität bereitzustellen. Jedes Batteriemodul umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Batteriezellen in Form von Pouch-Zellen, prismatischen Zellen oder zylindrischen Zellen vorliegen können.
Da wiederaufladbare Fahrzeugbatterien in BEV und HEV große Mengen an Wärme erzeugen, die abgeführt werden muss, müssen diese Arten von Batterien oder Batteriesystemen gekühlt werden, um ihre Lebensdauer zu verlängern.
Es können flüssigkeitsgekühlte Wärmetauscher verwendet werden, um die Wärmebelastung dieser wiederaufladbaren Fahrzeugbatterien zu handhaben. Diese Batteriewärmetauscher umfassen typischerweise „Kälteplatten“-Wärmetauscher oder „ICE“-Platten-Wärmetauscher (inert-hell Elements, ICE). Ein Kälteplatten-Wärmetauscher ist ein Wärmetauscher, der eine flache obere Oberfläche aufweist, auf der eine oder mehrere Batteriezellen angeordnet sind, wobei die Anzahl von jeder Kälteplatte zugeordneten Batteriezellen variabel ist und je nach der Fläche der Kälteplatte ein oder mehrere Batteriemodule umfassen kann. Typischerweise sind die auf der Kälteplatte angeordneten Batteriezellen prismatische Zellen oder zylindrische Zellen, die in starren Behältern untergebracht sind. Prismatische Zellen können zum Beispiel in kastenartigen Behältern untergebracht sein, die im Flächenkontakt miteinander angeordnet sind.
Im Gegensatz dazu sind ICE-Platten-Wärmetauscher zwischen den angrenzenden Pouch-Zellen oder prismatischen Zellen angeordnet oder „eingeschoben“, wobei die einzelnen ICE-Platten-Wärmetauscher durch gemeinsame Ein- und Auslasssammelleitungen fluidisch miteinander verbunden sind. Beispiele für Kälteplatten-Wärmetauscher und ICE-Platten-Wärmetauscher sind in der gemeinsam abgetretenen US-Patentanmeldung Nr. 14/972,463 mit dem Titel COUNTER-FLOW HEAT EXCHANGER FOR BATTERY THERMAL MANAGEMENT APPLICATIONS (Veröffentlichungsnr. US 2016/0204486 A1 ) beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Temperaturgleichmäßigkeit über die Oberfläche von Batteriewärmetauschern ist eine wichtige Überlegung beim Wärmemanagement dieser Arten von Batterieeinheiten oder ganzen Batteriesystemen, da Temperaturgleichmäßigkeit über die Oberfläche des Wärmetauschers damit verknüpft ist, sicherzustellen, dass innerhalb der einzelnen Batteriezellen und zwischen angrenzenden Batteriezellen der Fahrzeugbatterie ein minimaler Temperaturunterschied besteht. Das Sicherstellen einer angemessenen Temperaturgleichmäßigkeit ist ein anspruchsvoller Aspekt der Wärmetauschergestaltung, da die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids am Auslass höher ist als am Einlass.
Das Aufrechterhalten einer angemessenen Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb einzelner Batteriezellen und zwischen angrenzenden Reihen von Batteriezellen ist besonders schwierig, zum Beispiel in U-Strömungswärmetauscherkonfigurationen, bei den eine erste Reihe von Batteriezellen im Kontakt mit einer Einlassseite des Wärmetauschers angeordnet ist und eine zweite Reihe von Batteriezellen im Kontakt mit einer Auslassseite des Wärmetauschers angeordnet ist.
Es besteht ein Bedarf an Batteriewärmetauschern, die eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit über die Oberflächen, die mit den Batteriezellen in Kontakt stehen, erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der eine Länge und eine Breite aufweist und eine Vielzahl von durch Strömungsbarrieren getrennten Strömungsabschnitten umfasst. Jeder Strömungsabschnitt weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die entlang der Länge des Wärmetauschers beabstandet sind. Die Strömungsabschnitte sind Seite an Seite entlang der Breite des Wärmetauschers angeordnet, und angrenzende Paare von Strömungsabschnitten stehen durch Öffnungen in den Strömungsbarrieren in Strömungskommunikation miteinander. Die Vielzahl von Strömungsabschnitten beinhaltet einen Einlassströmungsabschnitt, einen Auslassströmungsabschnitt und mindestens einem ersten und zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt zwischen dem Einlassströmungsabschnitt und dem Auslassströmungsabschnitt.
Der Wärmetauscher umfasst weiterhin: einen Einlassanschluss, der mit einem ersten Ende des Einlassströmungsabschnitts in Strömungskommunikation steht; einen Auslassanschluss, der mit dem Auslassströmungsabschnitt in Strömungskommunikation steht; und einen ersten Umgehungskanal, der sich zwischen dem Einlassanschluss und mindestens einem der dazwischen liegenden Strömungsabschnitte erstreckt.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher weiter eine gerade Anzahl von dazwischen liegenden Strömungsabschnitten, sodass der Wärmetauscher eine Vielzahl von U-förmigen Strömungsbereichen definiert und sodass der Auslassanschluss mit dem ersten Ende des Auslassströmungsabschnitts in Strömungskommunikation steht.
Gemäß einem Aspekt umfasst die Vielzahl von U-förmigen Strömungsbereichen ein erster U-förmiger Strömungsbereich und ein zweiter U-förmiger Strömungsbereich. Der erste U-förmige Strömungsbereich umfasst den Einlassströmungsabschnitt und einen ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt, wobei eine erste Öffnung eine Strömungskommunikation zwischen dem zweiten Ende des Einlassströmungsabschnitts und dem ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt bereitstellt. Der zweite U-förmige Strömungsbereich umfasst einen zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt und den Auslassströmungsabschnitt, wobei eine dritte Öffnung eine Strömungskommunikation zwischen dem zweiten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts und dem Auslassströmungsabschnitt bereitstellt.
Gemäß einem Aspekt erstreckt sich der erste Umgehungskanal von dem Einlassanschluss quer zu dem ersten Ende von mindestens einem des ersten und zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts.
Gemäß einem Aspekt erstreckt sich der erste Umgehungskanal von dem Einlassanschluss quer zu einer zweiten Öffnung, durch die eine Strömungskommunikation zwischen dem ersten Ende des ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts und dem ersten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungskanals bereitgestellt wird.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher weiter einen zweiten Umgehungskanal, der von dem ersten U-förmigen Strömungsbereich abzweigt und sich zu dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich erstreckt.
Gemäß einem Aspekt weist der zweite Umgehungskanal ein erstes Ende, das mit dem Einlassströmungsabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende davon in Strömungskommunikation steht, und ein zweites Ende, das mit dem Auslassströmungsabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende davon in Strömungskommunikation steht, auf.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher eine erste flache Platte und eine zweite geformte Platte, die einen äußeren peripheren Flansch aufweist, an dem entlang sie versiegelnd mit der ersten Platte zusammengefügt ist. Der Wärmetausch weist ein Paar gegenüberliegender, sich längs erstreckender Seitenkanten und ein Paar gegenüberliegender, sich quer erstreckender Stirnkanten auf; wobei sich der zweite Umgehungskanal längs entlang einer ersten der Seitenkanten zwischen dem Einlassströmungsabschnitt und dem äußeren peripheren Flansch der zweiten Platte erstreckt; und wobei sich der zweite Umgehungskanal weiter quer entlang einer der Stirnkanten zwischen den zweiten Enden der Strömungsabschnitte und dem peripheren Flansch der zweiten Platte erstreckt.
Gemäß einem Aspekt befindet sich das zweite Ende des zweiten Umgehungskanals am zweiten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts, dem zweiten Ende des Auslassströmungsabschnitts und/oder der dritten Öffnung zwischen den zweiten Enden des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts und des Auslassströmungsabschnitts.
Gemäß einem Aspekt erstreckt sich der zweite Umgehungskanal weiter längs entlang einer zweiten der Seitenkanten zwischen dem Auslassströmungsabschnitt und dem äußeren peripheren Flansch der zweiten Platte.
Gemäß einem Aspekt befindet sich das zweite Ende des zweiten Umgehungskanals zwischen dem ersten und zweiten Ende des Auslassströmungsabschnitts.
Gemäß einem Aspekt befindet sich das zweite Ende des zweiten Umgehungskanals am ersten Ende des Auslassströmungsabschnitts und/oder benachbart zu dem Auslassanschluss.
Gemäß einem Aspekt definiert jeder der Strömungsabschnitte einen Wärmeübertragungsbereich, die als ein Bereich des Strömungsabschnitts definiert ist, die angepasst ist, um den Strom eines Wärmeübertragungsfluids dort hindurch zu erlauben; wobei der Einlassströmungsabschnitt einen kleineren Wärmeübertragungsbereich aufweist als der erste dazwischen liegende Strömungsabschnitt; und wobei der zweite dazwischen liegende Strömungsabschnitt einen kleineren Wärmeübertragungsbereich aufweist als der Auslassströmungsabschnitt.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher eine erste flache Platte und eine zweite geformte Platte, die einen äußeren peripheren Flansch aufweist, an dem entlang sie versiegelnd mit der ersten Platte zusammengefügt ist; wobei die zweite Platte eine oder mehrere Erhebungen in dem Einlassströmungsabschnitt und dem zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt beinhaltet, die angepasst sind, um den Wärmeübertragungsbereich in jedem des Einlassströmungsabschnitts und des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts relativ zu dem jeweiligen ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt und dem Auslassströmungsabschnitt zu reduzieren.
Gemäß einem Aspekt beinhaltet die zweite Platte eine erste und zweite strömungsblockierende Erhebung, wobei sich die erste strömungsblockierende Erhebung am ersten Ende des Einlassströmungsabschnitts befindet und sich die zweite strömungsblockierende Erhebung am ersten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts befindet.
Gemäß einem Aspekt umfasst jeder der Strömungsabschnitte eine Vielzahl von Kanalrippen, die jeden der Strömungsabschnitte in eine Vielzahl von sich längs erstreckenden Strömungskanälen unterteilt.
Gemäß einem Aspekt variiert die Anzahl und/oder Breite der Kanalrippen zwischen dem Einlassströmungsabschnitt und dem ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt und/oder zwischen dem zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt und dem Auslassströmungsabschnitt.
Gemäß einem Aspekt ist die Anzahl der Kanalrippen in dem Einlassströmungsabschnitt geringer als die Anzahl der Kanalrippen in dem ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt; und/oder die Anzahl der Kanalrippen in dem zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt ist geringer ist als die Anzahl der Kanalrippen in dem Auslassströmungsabschnitt.
Gemäß einem Aspekt ist mindestens eine der Kanalrippen in dem Einlassströmungsabschnitt breiter als jede der Kanalrippen in dem ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt; und/oder mindestens eine der Kanalrippen in dem zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt ist breiter als jede der Kanalrippen in dem Auslassströmungsabschnitt.
Gemäß einem Aspekt umfasst der Wärmetauscher eine erste flache Platte und eine zweite geformte Platte, die einen äußeren peripheren Flansch aufweist, an dem entlang sie versiegelnd mit der ersten Platte zusammengefügt ist, wobei der Wärmetauscher ein Paar gegenüberliegender, sich längs erstreckender Seitenkanten und ein Paar gegenüberliegender, sich quer erstreckender Stirnkanten aufweist. Von dem ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich ist jeder angepasst, um unter einer Reihe von Batterien zu liegen, die in Wärmekontakt mit einer äußeren Oberfläche der ersten flachen Platte des Wärmetauschers bereitgestellt ist.
Gemäß einem Aspekt sind der Einlass- und Auslassanschluss in der ersten Platte bereitgestellt und befinden sich in einer zentralen Fläche des Wärmetauschers außerhalb einer Fläche der ersten Platte, die angepasst ist, um in Wärmekontakt mit den Batteriezellen zu stehen.
Gemäß einem Aspekt befinden sich der Einlass- und Auslassanschluss entlang einer quer verlaufenden Spiegelebene, die den Wärmetauscher in einen ersten und zweiten Abschnitte zweiteilt; und wobei der erste und zweite Abschnitt Spiegelbilder voneinander sind.
Gemäß einem Aspekt befindet sich das erste Ende jedes Strömungsabschnitts in der zentralen Fläche des Wärmetauschers und das zweite Ende jedes Strömungsabschnitts befindet sich benachbart zu einer der Stirnkanten.
Figurenliste
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein Grundriss von oben eines Wärmetauschers gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
2 eine perspektivische Explosionsansicht von oben des Wärmetauschers von 1 ist;
3 eine perspektivische Explosionsansicht von unten des Wärmetauschers von 1 ist;
4A ein vergrößerter Teilgrundriss von oben ist, der ein Ende der unteren Platte des Wärmetauschers von 1 darstellt;
4B eine erläuternde Ansicht ist, in der bestimmte Merkmale von 4A isoliert dargestellt sind;
5 ein vergrößerter Teilgrundriss von oben ist, der den mittleren Abschnitt der unteren Platte des Wärmetauschers von 1 darstellt;
6 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht von oben ist, die den mittleren Abschnitt der unteren Platte des Wärmetauschers von 1 darstellt;
7 eine erläuternde Ansicht ist, die den gesamten W-förmigen Strömungsweg durch den Wärmetauscher von 1 darstellt;
8 eine erläuternde Ansicht ist, die den Umgehungsströmungsweg im mittleren Abschnitt des Wärmetauschers von 1 darstellt;
9 ein Grundriss von oben einer unteren Platte des Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform ist; und
10 ein Grundriss von oben einer unteren Platte des Wärmetauschers gemäß einer dritten Ausführungsform ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hierin beschriebenen Wärmetauscher sind allgemein flache, planare, fluidtransportierende Tafeln, die gegenüberliegende äußere Oberflächen aufweisen, wobei mindestens eine der äußeren Oberflächen für den Wärmekontakt mit einer oder mehreren Batteriezellen und/oder Batteriemodul(en) einer wiederaufladbaren Batterie eines BEV oder HEV angepasst ist.
In einigen Ausführungsformen sind die hierin beschriebenen Wärmetauscher speziell für den Wärmekontakt mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die in zwei oder mehr sich längs erstreckenden Reihen angeordnet sind, angepasst.
In den 1 bis 9 ist ein Wärmetauscher 10 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Wärmetauscher 10 weist eine Länge entlang einer Längsachse (y-Achse) und eine Breite entlang einer Querachse (x-Achse) auf. Der Wärmetauscher 10 umfasst eine erste Platte 12, die eine innere und äußere Oberfläche 14, 16 aufweist, und eine zweite Platte 18, die eine innere und äußere Oberfläche 20, 22 aufweist. Der Wärmetauscher 10 ist eine „Kälteplatte“, in der die äußere Oberfläche 16 der ersten Platte 12 eine flache Oberfläche bereitstellt, auf der eine oder mehrere Batteriezellen 2 und/oder Batteriemodule 4 gelagert sind.
1 stellt ein Batteriemodul 4 dar, das zweiundsiebzig prismatische Batteriezellen 2 umfasst, die auf der äußeren Oberfläche 16 der ersten Platte 12 gelagert sind. Die Batteriezellen 2 sind in zwei sich längs (entlang der y-Achse) erstreckenden Reihen von sechsunddreißig Zellen angeordnet, wobei sich die zwei Reihen in einer Seite-an-Seite-Anordnung befinden. Jede Reihe von sechsunddreißig Zellen umfasst zwei Gruppen von achtzehn Zellen, wobei die zwei Gruppen von Zellen 2 in jeder Reihe längs voneinander beabstandet sind, wie nachstehend weiter diskutiert.
Jede Batteriezelle 2 weist eine Vielzahl von rechtwinkligen Oberflächen auf, beinhaltend eine obere Oberfläche 54, eine untere Oberfläche 56, ein Paar gegenüberliegender seitlicher Oberflächen 58 und ein Paar gegenüberliegender Stirnoberflächen 60. Die unteren Oberflächen 56 stehen mit der äußeren Oberfläche 16 der ersten Platte 12 in Wärmekontakt. Auch wenn nicht dargestellt, sind die Batteriezellen 2 elektrisch miteinander verbunden und das Batteriemodul 4 ist mit anderen Batteriemodulen der Fahrzeugbatterie elektrisch verbunden. Es ist davon auszugehen, dass die Gesamtanzahl an Batteriezellen 2 von der in den Zeichnungen dargestellten variieren kann und dass die Zellen 2 in mehr als zwei Längsreihen angeordnet sein können.
Zwischen der äußeren Oberfläche 16 der ersten Platte 12 und den unteren Oberflächen 56 der Batteriezellen 2 kann eine dünne Schicht aus Wärmeleitmaterial (thermal interface material, TIM) (nicht dargestellt) bereitgestellt sein, um den Wärmekontakt zwischen dem Wärmetauscher 10 und den Batteriezellen 2 zu verstärken. Das TIM kann ein wärmeleitendes Fett, Wachs oder metallisches Material umfassen.
Der Wärmetauscher 10 ist allgemein rechtwinklig, wobei er entlang der Längsachse länglich ist und ein Paar sich längs erstreckender erster und zweiter Seitenkanten 25, 26 und ein Paar sich quer erstreckender erster und zweiter Stirnkanten 44, 46 aufweist, wobei die Seitenkanten 25, 26 und Stirnkanten 44, 46 hierin auch als die Seitenkanten und Stirnkanten der ersten und zweiten Platte 12, 18 bezeichnet werden.
Die zweite Platte 18 weist gegenüberliegende innere und äußere Oberflächen 20, 22 auf und wird zum Beispiel durch Prägen, Ziehen oder Formen geformt, um eine Vielzahl von Erhebungen bereitzustellen, die zusammen eine zentrale Fläche 24 definieren, die eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen aufweist, die auf allen Seiten von einem planaren Flansch 28 umschlossen sind, der eine planare periphere Versiegelungsoberfläche 30 auf der inneren Oberfläche 20 der zweiten Platte 18 definiert. Die erste und zweite Platte 12, 18 sind versiegelnd miteinander zusammengefügt, wobei sich ihre inneren Oberflächen 14, 20 in einer in entgegengesetzte Richtungen zeigenden Beziehung miteinander befinden und Abschnitte der inneren Oberflächen 14, 20 voneinander beabstandet sind. Die planare periphere Versiegelungsoberfläche 30 der zweiten Platte 18 ist mit einer planaren peripheren Versiegelungsoberfläche 32 auf der inneren Oberfläche 14 der ersten Platte 12 versiegelnd zusammengefügt, wobei Abschnitte der inneren Oberflächen 14, 20 innen von den jeweiligen Versiegelungsoberflächen 32, 30 voneinander beabstandet sind.
Der Wärmetauscher 10 umfasst weiter einen ersten und zweiten Anschluss 40, 42, die Löcher in der ersten Platte 12, innen von der planaren peripheren Versiegelungsoberfläche 32 befindlich, umfassen, durch die das Wärmeübertragungsfluid in den Wärmetauscher 10 eingeleitet und aus ihm abgeleitet wird. Der erste Anschluss 40 ist mit einem ersten Rohranschlussstück 48 versehen und der zweite Anschluss 42 ist mit einem zweiten Rohranschlussstück 50 versehen, wobei die Anschlussstücke 48, 50 von der äußeren Oberfläche 16 der ersten Platte 12 nach oben ragen, um eine Strömungskommunikation zwischen den Fluidstrompassagen 34 und einem Fluidzirkulationssystem (nicht dargestellt) des Fahrzeugs bereitzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform sind der erste Anschluss 40 und das erste Anschlussstück 48 der Einlassanschluss und das Einlassanschlussstück und der zweite Anschluss 42 und das zweite Anschlussstück 50 sind der Auslassanschluss und das Auslassanschlussstück.
Die Anschlüsse 40, 42 und Anschlussstücke 48, 50 befinden sich in einer zentralen Fläche 62 des Wärmetauschers 10, die sich außerhalb der von den Batteriezellen 2 eingenommenen Flächen befindet. Die zentrale Fläche 62 teilt jede Reihe von sechsunddreißig Batteriezellen in zwei Gruppen von achtzehn. Zwar befinden sich die Anschlüsse 40, 42 und Anschlussstücke 48, 50 in der vorliegenden Ausführungsform in der zentralen Fläche 62, die Anschlüsse 40, 42 und Anschlussstücke können sich jedoch stattdessen entlang einer der Stirnkanten 44, 46 des Wärmetauschers 10 befinden.
Die Platten 12, 18 und Anschlussstücke 48, 50 können aus Aluminium oder Legierungen davon bestehen und können durch Löten in einem Lötofen zusammengefügt werden. Zwar sind die erste und zweite Platte 12, 18 als die gleiche oder eine ähnliche Dicke aufweisend dargestellt, die erste Platte 12 kann jedoch einen Kühlkörper oder Wärmeverteiler umfassen, der eine Dicke aufweist, die über mindestens einen Abschnitt ihrer Fläche größer ist als die der zweiten Platte 18.
Mindestens einige der Kanäle oder Nuten in der zentralen Fläche 24 der zweiten Platte 18 definieren Böden und Seiten einer Vielzahl von Fluidstrompassagen des Wärmetauschers 10. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, befinden sich die Anschlüsse 40, 42 entlang einer quer verlaufenden Spiegelebene P, die den Wärmetauscher 10 in einen ersten und zweiten Abschnitt 64, 66 zweiteilt, wobei die Muster aus Kanälen oder Nuten in dem ersten und zweiten Abschnitt 64, 66 Spiegelbilder voneinander sind.
Es folgt eine Beschreibung des Musters aus Kanälen oder Nuten im ersten Abschnitt 64, und die Beschreibung gilt gleichermaßen für den zweiten Abschnitt 66.
Die 4A und 4B sind Grundrisse von oben, die einen Teil der zweiten Platte 18 im ersten Abschnitt 64 des Wärmetauschers 10 darstellen, wobei sich die Positionen des ersten (Einlass-)Anschlusses 40 und des zweiten (Auslass-)Anschlusses 42 auf der zweiten Platte 18 überlagern. Wie aus 7 ersichtlich ist, ist ein W-förmiges Gesamtströmungsmuster im ersten Abschnitt 64 definiert, wobei das W-förmige Strömungsmuster vier sich längs erstreckende Teilstücke beinhaltet. Alternativ kann, wie aus 7 ersichtlich ist, das Gesamtströmungsmuster als ein Paar U-förmiger Strömungsmuster visualisiert werden, wobei jedes davon unter einer der Reihen von Batteriezellen 2 liegt, deren Konturen aus 7 ersichtlich sind.
4B veranschaulicht gesondert eine Anzahl von Merkmalen der zweiten Platte 18, die nun nachstehend beschrieben werden, während eine Anzahl anderer Merkmale der zweiten Platte 18 gestrichen wird.
Wie in 4B dargestellt, definiert der erste Abschnitt 64 des Wärmetauschers 10 eine Vielzahl von Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74, die Seite an Seite entlang der Breite des Wärmetauschers 10 angeordnet sind. Jeder der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die entlang der Längsachse beabstandet sind, wobei sich das erste Ende jedes Strömungsabschnitts in der zentralen Fläche 62 des Wärmetauschers 10 befindet und sich das zweite Ende jedes Strömungsabschnitts benachbart zu einer der Stirnkanten 44, 46 des Wärmetauschers 10 befindet.
Jeder der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 beinhaltet eines der längs verlaufenden Teilstücke des in 7 dargestellten W-förmigen Strömungsmusters, wobei angrenzende Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 durch Strömungsbarrieren getrennt sind. Diesbezüglich sind die angrenzenden Strömungsabschnitte 68 und 70 durch eine erste Strömungsbarriere 76 getrennt; die angrenzenden Strömungsabschnitte 70 und 72 sind durch eine zweite Strömungsbarriere 78 getrennt; und die angrenzenden Strömungsabschnitte 72 und 74 sind durch eine dritte Strömungsbarriere 80 getrennt.
Jede der Strömungsbarrieren 76, 78, 80 beinhaltet eine Öffnung, durch die eine Strömungskommunikation zwischen den angrenzenden Paaren von Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74 bereitgestellt ist. Diesbezüglich weist die erste Strömungsbarriere 76 eine erste Öffnung 82 auf, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Ende des ersten Strömungsabschnitts 68 und dem zweiten Strömungsabschnitt 70 bereitstellt; die zweite Strömungsbarriere 78 weist eine zweite Öffnung 84 auf, die eine Fluidkommunikation zwischen dem ersten Ende des zweiten Strömungsabschnitts 70 und dem ersten Ende des dritten Strömungsabschnitts 72 bereitstellt; und die dritte Strömungsbarriere 80 weist eine dritte Öffnung 86 auf, die eine Fluidkommunikation zwischen dem zweiten Ende des dritten Strömungsabschnitts 72 und dem zweiten Ende des vierten Strömungsabschnitts 74 bereitstellt. Wie ersichtlich ist, befinden sich die Öffnungen 82, 84, 86 aufeinander folgender Strömungsbarrieren 76, 78, 80 an entgegengesetzten Enden der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74, wodurch das W-förmige Strömungsmuster zwischen dem ersten und zweiten Anschluss 40, 42 bereitgestellt wird.
Der erste (Einlass-)Anschluss 40 befindet sich am ersten Ende des ersten Strömungsabschnitts 68, der hierin auch als der „Einlassströmungsabschnitt“ bezeichnet wird. Der zweite (Auslass-)Anschluss 42 befindet sich am ersten Ende des vierten Strömungsabschnitts 74, der hierin auch als der „Auslassströmungsabschnitt“ bezeichnet wird. Der zweite und dritte Strömungsabschnitt 70, 72 befinden sich zwischen dem Einlass- und Auslassströmungsabschnitt 68, 74 und werden hierin als ein „dazwischen liegender Strömungsabschnitt“ bezeichnet. Es ist davon auszugehen, dass die Anzahl von dazwischen liegenden Strömungsabschnitten größer als zwei sein kann, zum Beispiel in Ausführungsformen, in denen mehr als zwei Reihen von Batteriezellen 2 in Wärmekontakt mit der ersten Platte 12 stehen. Auch wenn die Vielzahl von Strömungsabschnitten zum Beispiel eine ungerade Anzahl ist, kann sich der zweite Anschluss 42 am zweiten Ende des Auslassströmungsabschnitts (in beiden Abschnitten 64, 66) befinden.
In der vorliegenden Ausführungsform liegt eine erste Reihe von Batteriezellen 2 über dem ersten und zweiten Strömungsabschnitt 68, 70 und steht mit ihnen in Wärmekontakt, wobei diese zwei Strömungsabschnitte 68, 70 einen erster U-förmigen Strömungsbereich 88 (4A) unter der ersten Reihe von Batteriezellen 2 bilden. Ebenso liegt eine zweite Reihe von Batteriezellen 2 über dem dritten und vierten Strömungsabschnitt 72, 74, und steht mit ihnen in Wärmekontakt, wobei diese zwei Strömungsabschnitte 68, 70 einen zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 unter der ersten Reihe von Batteriezellen 2 bilden. Diese zwei U-förmigen Strömungsabschnitte 88, 90 sind in Reihe geschaltet angeordnet und sind durch die zweite Barriere 78 getrennt, wobei der durch die Strömungsabschnitte 68, 70 gebildete erste U-förmige Strömungsbereich dem durch die Strömungsabschnitte 72, 74 gebildeten zweiten U-förmigen Strömungsbereich, d. h. durch die zweite Öffnung 84 der zweiten Strömungsbarriere 78, Wärmeübertragungsfluid zuführt.
Das Wärmeübertragungsfluid absorbiert Wärme von der ersten Reihe von Batteriezellen 2, wenn es durch den ersten und zweiten Strömungsabschnitt 68, 70, die den ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 umfassen, strömt, wobei die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids ansteigt, wenn es zwischen dem ersten Anschluss 40 und der zweiten Öffnung 84 der zweiten Strömungsbarriere 78 strömt. Daher besitzt das in dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 durch die zweite Öffnung 84 aufgenommene Wärmeübertragungsfluid eine höhere Temperatur als das dem ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 durch den ersten (Einlass-)Anschluss 40 zugeführte Wärmeübertragungsfluid. Dieser Temperaturunterschied zwischen dem durch den ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich 88, 90 strömenden Wärmeübertragungsfluids kann zu einem Temperaturunterschied zwischen den Batteriezellen 2 in der ersten und zweiten Reihe führen.
Die vorliegende Ausführungsform stellt Merkmale bereit, die den Temperaturunterschied zwischen dem durch den ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich 88, 90 strömenden Wärmeübertragungsfluid minimiert, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit der Batteriezellen 2 in der ersten und zweiten Reihe verbessert wird. Diese Merkmale werden nun nachstehend beschrieben.
Der erste und zweite Abschnitt 64, 66 des Wärmetauschers 10 beinhaltet jeweils einen ersten Umgehungskanal 92, der es einem Anteil des Wärmeübertragungsfluids erlaubt, durch den ersten Anschluss 40 in den Wärmetauscher 10 zu gelangen, um den ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 teilweise oder vollständig zu umgehen und direkt von dem ersten Anschluss 40 zu dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 zu strömen. Die Richtungen, in die der Strom zwischen dem ersten Umgehungskanal 92 und dem ersten Strömungsabschnitt 68 geteilt wird, sind in 8 durch die Pfeile veranschaulicht. Diese Pfeile stellen nur die Richtungen des Stroms dar und nicht die genaue Position der Strömungskanäle, durch die das Fluid strömt. Diesbezüglich zeigt der Querpfeil von 8 lediglich die Richtung des Fluidstroms durch die ersten Umgehungskanäle 92 an und wird entlang der y-Achse von den ersten Umgehungskanälen 92 verschoben. Das relativ kalte Wärmeübertragungsfluid, das durch die ersten Umgehungskanäle 92 in den zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 gelangt, mischt sich mit dem wärmeren Wärmeübertragungsfluid, das durch die zweite Öffnung 84 in den zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 gelangt, wodurch die Temperatur der Gesamtmenge an Wärmeübertragungsfluid, die in den zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 gelangt, gesenkt wird. Dies hat die Wirkung, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeübertragungsfluid, das durch den ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich 88, 90 strömt, reduziert wird, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit der Batteriezellen 2 in der ersten und zweiten Reihe verbessert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform erstreckt sich der erste Umgehungskanal 92 von der Fläche des ersten Anschlusses 40 quer direkt zum ersten Ende eines der dazwischen liegenden Strömungsabschnitte 70, 72 und insbesondere zum ersten Ende des dritten Strömungsabschnitts 72. Es ist davon auszugehen, dass der erste Umgehungskanal 92 stattdessen das kalte Wärmeübertragungsfluid direkt in das erste Ende des zweiten Strömungsabschnitts 70 und/oder direkt zu der zweiten Öffnung 84 zwischen dem zweiten und dritten Strömungsabschnitt 70, 72 leiten könnte. Es ist davon auszugehen, dass die Menge des Wärmeübertragungsfluids, die durch den ersten Umgehungskanal 92 umgeleitet wird, durch die Breite des Umgehungskanals 92 relativ zu der Breite des Kanals, durch den das Wärmeübertragungsfluid vom ersten Anschluss 40 in das erste Ende des ersten Strömungsabschnitts 68 gelangt, bestimmt wird.
Wie ebenfalls in 4B dargestellt, beinhaltet die vorliegenden Ausführungsform auch einen zweiten Umgehungskanal 94, der von dem ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 abzweigt und einen Teil des Wärmeübertragungsfluids zu dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 umleitet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Umgehungskanal 94 im Vergleich zu den Breiten der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 relativ schmal und weist ein erstes Ende 96 und ein zweites Ende 98 auf. Das erste Ende 96 befindet sich entlang einer Außenkante des ersten Strömungsabschnitts 68 unmittelbar angrenzend an den planaren Flansch 28 und zwischen dem ersten und zweiten Ende des ersten Strömungsabschnitts 68, sodass der zweite Umgehungskanal 94 Wärmeübertragungsfluid von dem ersten Anschluss 40 und/oder dem ersten Strömungsabschnitt 68 aufnimmt. Vom ersten Ende 96 erstreckt sich der zweite Umgehungskanal 94 entlang der Außenkante der zweiten Platte 18 unmittelbar angrenzend an den planaren Flansch 28 entlang der Seitenkante 25, entlang der Stirnkante 44 und entlang der Seitenkante 26. Das zweite Ende 98 des zweiten Umgehungskanals 94 befindet sich entlang einer Außenkante des vierten Strömungsabschnitts 74, sodass der zweite Umgehungskanal 94 Wärmeübertragungsfluid zu dem vierten Strömungsabschnitt 74 leitet. In der vorliegenden Ausführungsform befindet sich das zweite Ende 98 am ersten Ende des vierten Strömungsabschnitts 74 benachbart zu dem zweiten Anschluss 42. Der zweite Umgehungskanal 94 ist zwischen dem planaren Flansch 28 und einer peripheren Rippe 95, die sich vom ersten Ende 96 zum zweiten Ende 98 des zweiten Umgehungskanals 94 erstreckt, definiert und ist im Wesentlichen parallel zu dem planaren Flansch 28 entlang der Seitenkante 25, der Stirn kante 44 und der Seitenkante 26. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Abschnitt der peripheren Rippe 95, der sich entlang der Seitenkante 25 erstreckt, dicker als die anderen Abschnitte der peripheren Rippe 95, aus Gründen, die nachstehend erläutert werden. Es ist ersichtlich, dass die zweite Strömungsbarriere 78 mit dem Abschnitt der peripheren Rippe 95, der sich entlang der Stirnkante 44 erstreckt, zusammengefügt ist. Die periphere Rippe 95 ist in den Zeichnungen als durchgängig dargestellt, sie kann jedoch eine oder mehrere Lücken beinhaltet, um, falls gewünscht, eine Fluidkommunikation mit einem oder mehreren der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 zu erlauben. 4B veranschaulicht zum Beispiel eine Lücke 97 als gestrichelte Linie, um die Kommunikation zwischen dem zweiten Umgehungskanal 94 und dem Strömungsabschnitt 74 zu erlauben.
Es ist ersichtlich, dass der zweite Umgehungskanal 94 angepasst ist, um relativ kaltes Wärmeübertragungsfluid um den äußeren Umfang der zweiten Platte 18 und um die äußeren Umfänge des ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereichs 88, 90 zu leiten. Dies trägt auch dazu bei, den Temperaturunterschied zwischen dem ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich 88, 90 zu senken, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit der Batteriezellen 2 in der ersten und zweiten Reihe verbessert wird. In Ausführungsformen, in denen die periphere Rippe 95 durchgängig ist, mischt sich das durch den zweiten Umgehungskanal 94 strömende Wärmeübertragungsfluid möglicherweise mit dem Wärmeübertragungsfluid in dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 erst, wenn es sich nahe dem zweiten Anschluss 42 befindet; je nach der Position des zweiten Endes 98 kann das Fluid in dem zweiten Umgehungskanal 94 durch Leiten von Wärme durch die erste und zweite Platte 12, 18 geringfügig erwärmt werden.
Es ist davon auszugehen, dass sich das erste Ende 96 des zweiten Umgehungskanals 94 an einem beliebigen Punkt entlang der Außenkante des ersten Strömungsabschnitts 68 zwischen seinem ersten und zweiten Ende befindet und sich das zweite Ende 98 des zweiten Umgehungskanals 94 ebenfalls an einem beliebigen Punkt entlang der Außenkante des vierten Strömungsabschnitts 74 zwischen seinem ersten und zweiten Ende befindet. In einigen Ausführungsformen kann sich zum Beispiel das erste Ende 96 des zweiten Umgehungskanals 94 unmittelbar angrenzend an den ersten Anschluss 40 befinden und das zweite Ende 98 des zweiten Umgehungskanals 94 kann sich unmittelbar angrenzend an den zweiten Anschluss 42 befinden.
Die Böden und Seiten der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 und Umgehungskanäle 92, 94 umfassen in der zentralen Fläche 24 der zweiten Platte 18 gebildete Nuten oder Kanäle, wobei die Nuten oder Kanäle durch die Vielzahl von in 4B veranschaulichten Erhebungen definiert sind. Die in 4B dargestellten Erhebungen weisen obere Versiegelungsoberflächen auf, die flach (siehe 6) oder abgerundet sein können und die mit dem planaren Flansch 28 koplanar sind, sodass die Versiegelungsoberflächen der Erhebungen mit der inneren Oberfläche 14 der ersten Platte 12 auf die gleiche Weise versiegelnd zusammengefügt sind wie die durch den planaren Flansch 28 definierte Versiegelungsoberfläche 30.
Wie oben erwähnt, stellt 4B nur einige der Merkmale der zweiten Platte 18 dar, während 4A darstellt, dass die zweite Platte 18 zusätzliche Erhebungen beinhaltet, die Stützelemente und/oder strömungsverbessernde Merkmale definieren. Diese zusätzlichen Merkmale werden nun nachstehend beschrieben.
4A stellt dar, dass die zweite Platte 18 eine Vielzahl von Erhebungen in Form länglicher Stützrippen oder kreisförmiger Mulde beinhaltet, die durch die Bezugsnummer 100 gekennzeichnet sind und hierin als „Stützelemente“ kenntlich gemacht sind. Die Stützelemente 100 stärken Flächen des Wärmetauschers 10, in denen keine anderen Erhebungen vorliegen, um strukturelle Unterstützung für die erste und zweite Platte 12, 18, wie beispielsweise am ersten und zweiten Ende eines oder mehrerer der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74, bereitzustellen, wobei diese Flächen Sammelleitungsräume bereitstellen, in denen das Wärmeübertragungsfluid quer über die Breiten der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 verteilt werden kann. Die Stützelemente 100 können auch in der ersten, zweiten und dritten Öffnung 82, 84, 86 der Strömungsbarrieren 76, 78, 80 oder benachbart zu diesen bereitgestellt sein. Es ist davon auszugehen, dass die Stützelemente 100 auch eine Strömungsverstärkung bereitstellen können, um die Verwirbelung zu erhöhen und/oder Grenzschichten aufzubrechen.
Neben den Stützelementen 100 stellt 4A auch dar, dass die zweite Platte 18 eine Vielzahl von Erhebungen beinhaltet, die jeden der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 in eine Vielzahl separater Strömungskanäle unterteilt. Diese Erhebungen sind durch die Bezugsnummer 102 gekennzeichnet und sind hierin als „Kanalrippen“ kenntlich gemacht, und die Strömungskanäle zwischen den Kanalrippen 102 sind durch die Bezugsnummer 104 gekennzeichnet. Die Kanalrippen 102 erstrecken sich mindestens allgemein längs zwischen dem ersten und zweiten Ende der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74.
Aus 4A ist ersichtlich, dass die Anzahl und Breite der Kanalrippen 102 zwischen den verschiedenen Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74 variieren und auch innerhalb mindestens einiger der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 geringfügig variieren können. Dies hat die Wirkung, dass die Breite und Anzahl der Strömungskanäle 104 in den Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74 variieren. Zudem kann der Wärmetauscher 10 eine oder mehrere strömungsblockierende Erhebungen, nachstehend beschrieben, beinhalten, um die Wärmeübertragungsbereiche der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 zu variieren, wobei die Wärmeübertragungsbereiche jedes Strömungsabschnitts 68, 70 als die Fläche desjenigen Strömungsabschnitts definiert ist, durch den das Wärmeübertragungsfluid strömt.
Der Hauptgrund für die Variation der Anzahl und Breite der Strömungskanäle 104 und/oder die Variation der Wärmeübertragungsbereiche der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 ist, eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit zwischen den Strömungsabschnitten, die jede der U-förmigen Strömungsbereiche 88, 90 ausmachen, bereitzustellen, d. h. eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit zwischen dem ersten und zweiten Strömungsabschnitt 68, 70, die den ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 ausmachen, bereitzustellen; und eine verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit zwischen dem dritten und vierten Strömungsabschnitt 72, 74, die den zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 ausmachen, bereitzustellen.
Eine solche Variation in Bezug auf die Anzahl und Breite der Kanäle und/oder der Wärmeübertragungsbereiche in einem U-förmigen Strömungsbereich ist in der gemeinsam abgetretenen provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/682,610 , eingereicht am 8. Juni 2018, mit dem Titel „UTILIZATION OF DEAD CHANNEL TO IMPROVE TEMPERATURE UNIFORMITY ON THERMAL INTERFACE MATERIAL“, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, im Detail beschrieben.
Es ist ersichtlich, dass in dem ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 des Wärmetauschers 10 der erste Strömungsabschnitt 68 zwei Kanalrippen 102 beinhaltet, sodass der erste Strömungsabschnitt 68 drei Strömungskanä-Ie104 (nicht beinhaltend den zweiten Umgehungskanal 94) beinhaltet, die ähnliche Breiten entlang eines Teils oder der Gesamtheit ihrer Länge aufweisen können. Eine der Kanalrippen 102 in dem ersten Strömungsabschnitt 68 ist relativ breiter als die andere Kanalrippe 102. Auch die größere Breite der peripheren Rippe 95 entlang der Seitenkante 25 und/oder die größere Breite des Flansches 28 entlang der Seitenkante 25 und in der Fläche zwischen dem Einlassanschluss 40 und dem ersten Ende 96 des zweiten Umgehungskanals 94 bewirken eine gewisse zusätzliche Reduktion der Wärmeübertragungsfläche in dem ersten Strömungsabschnitt 68.
Der zweite Strömungsabschnitt 70 des ersten U-förmigen Strömungsbereichs 88 weist ein regelmäßigeres Rippenmuster, gebildet durch zwei gerade, längliche Kanalrippen 102, auf, sodass der zweite Strömungsabschnitt 70 drei gerade, längs verlaufende Strömungskanäle 104 beinhaltet, die eine ähnliche oder im Wesentlichen gleiche Breite besitzen können.
Zudem wird ein signifikanter Abschnitt des ersten Endes des ersten Strömungsabschnitts 68 benachbart zu dem ersten Anschluss 40 von einer ersten strömungsblockierenden Erhebung 106 eingenommen, die einen Teil der ersten Strömungsbarriere 76 bildet und die eine quer verlaufende Erweiterungsrippe 106a beinhaltet, die teilweise den ersten Umgehungskanal 92 definiert. Gemeinsam stellen die relativ breite Kanalrippe 102 und die erste strömungsblockierende Erhebung 106 den ersten Strömungsabschnitt 68 mit einem kleineren Wärmeübertragungsbereich als der zweite Strömungsabschnitt 70 bereit, und die Erfinder haben festgestellt, dass diese Reduktion des Wärmeübertragungsbereichs des ersten Strömungsabschnitts 68 relativ zu dem zweiten Strömungsabschnitt 70 die Temperaturgleichmäßigkeit zwischen dem ersten und zweiten Strömungsabschnitt 68, 70 verbessern kann, wodurch die Temperaturgleichmäßigkeit der Batteriezellen 2 in der ersten Reihe der Batteriezellen 2, die mit dem ersten U-förmigen Strömungsbereich 88 in Wärmekontakt stehen, verbessert wird.
Es ist ersichtlich, dass in dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 des Wärmetauschers 10 der dritte Strömungsabschnitt 72 drei Kanalrippen 102 beinhaltet, sodass der dritte Strömungsabschnitt 72 vier Strömungskanäle 104 beinhaltet, die ähnliche Breiten entlang eines Teils oder der Gesamtheit ihrer Länge aufweisen können. Zwei der Kanalrippen 102 im dritten Strömungsabschnitt 68 sind relativ breiter als die andere Kanalrippe 102.
Der vierte Strömungsabschnitt 74 des zweiten U-förmigen Strömungsbereichs 90 weist ein regelmäßigeres Rippenmuster auf als der dritte Strömungsabschnitt 72, wobei das Rippenmuster durch drei gerade, längliche Kanalrippen 102 gebildet ist (ausschließlich der Erhebung, die den Strömungsabschnitt 74 von dem zweiten Umgehungskanal 94 trennt), sodass der zweite Strömungsabschnitt 70 vier gerade, längs verlaufende Strömungskanäle 104 einer ähnlichen oder im Wesentlichen gleichen Breite beinhaltet.
Zudem wird ein signifikanter Abschnitt des ersten Endes des dritten Strömungsabschnitts 72 benachbart zu der zweiten Öffnung 84 und dem ersten Umgehungskanal 92 von einer zweiten strömungsblockierenden Erhebung 108 eingenommen, die einen Teil der dritten Strömungsbarriere 80 bildet und die eine quer verlaufende Erweiterungsrippe 108a beinhaltet, die teilweise den ersten Umgehungskanal 92 definiert und sich zwischen und parallel zu den zwei quer verlaufenden Rippenerweiterungen 106a der ersten strömungsblockierenden Erhebung 106 befindet. Wie in 4A dargestellt, erstreckt sich die zweite strömungsblockierende Erhebung 108 quer über die zentrale Ebene P, sodass sich ein Abschnitt der Erhebung 108 in jedem des ersten und zweiten Abschnitts 64, 66 des Wärmetauschers 10 befindet. Gemeinsam stellen die relativ breiten Kanalrippen 102 und die zweite strömungsblockierende Erhebung 108 den dritten Strömungsabschnitt 72 mit einem kleineren Wärmeübertragungsbereich als der vierte Strömungsabschnitt 74 bereit, um den Wärmeübertragungsbereich des dritten Strömungsabschnitts 72 relativ zu dem vierten Strömungsabschnitt 74 zu reduzieren.
Die Erhebungen, die die Stützrippen 100, die Kanalrippen 102 und die strömungsblockierenden Erhebungen 106, 108 bilden, weisen alle obere Versiegelungsoberflächen auf, die flach (siehe 6) oder abgerundet sein können und die mit dem planaren Flansch 28 koplanar sein können, sodass die Versiegelungsoberflächen dieser Erhebungen mit der inneren Oberfläche 14 der ersten Platte 12 in der gleichen Weise versiegelnd zusammengefügt sind wie die durch den planaren Flansch 28 definierte Versiegelungsoberfläche 30.
9 veranschaulicht die zweite Platte 18 eines Wärmetauschers 120 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Platte 18 des Wärmetauschers 120 teilt eine Anzahl gleicher Elemente mit der zweiten Platte 18 des vorstehend beschriebenen Wärmetauschers 10, und diese gleichen Elemente sind in 9 mit gleichen Referenznummern gekennzeichnet. Zudem gelten die vorstehenden Beschreibungen dieser gleichen Elemente gleichermaßen für den Wärmetauscher 120, sofern nachstehend nicht anderweitig angegeben.
Die in 9 dargestellte zweite Platte 18 beinhaltet ein regelmäßigeres Muster von Kanalrippen 102 in den Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74 als die des Wärmetauschers 10. Diesbezüglich beinhaltet jeder der Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 vier gerade, längs verlaufende Kanalrippen 102, sodass alle vier Strömungsabschnitte 68, 70, 72, 74 fünf gerade, längs verlaufende Strömungskanäle 104 der im Wesentlichen gleichen Breite beinhalten. Zudem beinhaltet die zweite Platte 18 von 9 einen Umgehungskanal 92, besitzt jedoch keinen zweiten Umgehungskanal 94. Aus 9 ist zudem ersichtlich, dass der erste Umgehungskanal 92 beide Abschnitte 64, 66 des Wärmetauschers 10 speist, im Gegensatz zu dem Wärmetauscher 10, der einen ersten Umgehungskanal 92 in jedem der Abschnitte 64, 66 beinhaltet.
10 veranschaulicht die zweite Platte 18 eines Wärmetauschers 130 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die zweite Platte 18 des Wärmetauschers 130 teilt eine Anzahl gleicher Elemente mit der zweiten Platte 18 der vorstehend beschriebenen Wärmetauscher 10 und 120, und diese gleichen Elemente sind in 10 mit gleichen Referenznummern gekennzeichnet. Zudem gelten die obigen Beschreibungen dieser gleichen Elemente gleichermaßen für den Wärmetauscher 130, sofern nachstehend nicht anderweitig angegeben.
Die in 10 dargestellte zweite Platte 18 beinhaltet ein regelmäßiges Muster von Kanalrippen 102 in den Strömungsabschnitten 68, 70, 72, 74 ähnlich dem in 9 dargestellten. Diesbezüglich beinhaltet jeder des zweiten, dritten und vierten Strömungsabschnitts 70, 72, 74 vier gerade, längs verlaufende Kanalrippen 102, sodass diese drei Strömungsabschnitte 70, 72, 74 fünf gerade, längs verlaufende Strömungskanäle 104 der im Wesentlichen gleichen Breite beinhalten.
Der erste Strömungsabschnitt 68 der in 10 dargestellten zweiten Platte 18 beinhaltet drei gerade, längs verlaufende Kanalrippen 102, sodass der erste Strömungsabschnitt 68 vier gerade, längs verlaufende Strömungskanäle 104 der im Wesentlichen gleichen Breite beinhaltet.
Die zweite Platte 18 von 10 beinhaltet einen ersten Umgehungskanal 92, der kaltes Wärmeübertragungsfluid von dem ersten Anschluss 40 quer zu der zweiten Öffnung 84 und/oder zu den ersten Enden eines oder beider des zweiten und dritten Strömungsabschnitts 70, 72 leitet.
Zudem beinhaltet die zweite Platte 18 von 10 einen zweiten Umgehungskanal 94, der sich vom ersten Ende des ersten Strömungsabschnitts 68 entlang der Seitenkante 25 und der Stirnkante 26 erstreckt und an der dritten Öffnung 86 und/oder den zweiten Enden von einem oder beiden des dritten und vierten Strömungsabschnitts 72, 74 endet. Der zweite Umgehungskanal 94 ist zwischen der peripheren Rippe 95 und dem planaren Flansch 28 definiert. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform das in dem zweiten Umgehungskanal 94 transportierte relativ kühle Fluid mit dem durch den zweiten U-förmigen Strömungsbereich 90 strömenden Wärmeübertragungsfluid in der Nähe des zweiten Endes des vierten Strömungsabschnitts 74 und nicht, wie in dem Wärmetauscher 10, am ersten Ende des Strömungsabschnitts 74 gemischt.
Zwar sind die hierin beschriebenen Wärmetauscher Kälteplatten, es ist jedoch davon auszugehen, dass ICE-Platten-Wärmetauscher ebenfalls im Umfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Diesbezüglich kann ein ICE-Platten-Wärmetauscher aus zwei als Spiegelbilder geformten Platten konstruiert sein, die den vorstehend beschriebenen zweiten Platten 18 ähneln oder mit ihnen identisch sind und wahlweise erste und zweite „Seiteneintritts“-Anschlussstücke aufweisen, die von einer der Kanten des Wärmetauschers hervorragen.
Zwar wurden verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung beschrieben, es ist jedoch davon auszugehen, dass bestimmte Anpassungen und Modifikationen der beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen, wie im Umfang der vorliegenden Offenbarung verstanden, vorgenommen werden können. Daher gelten die oben diskutierten Ausführungsformen als illustrativ und nicht als beschränkend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202018004979 [0001]
US 62773464 [0001]
US 14972463 [0006]
US 2016/0204486 A1 [0006]
US 62682610 [0068]

Claims

Wärmetauscher, der eine Länge und eine Breite aufweist und eine Vielzahl von durch Strömungsbarrieren getrennten Strömungsabschnitten umfasst; wobei jeder Strömungsabschnitt ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, die entlang der Länge des Wärmetauschers beabstandet sind; wobei die Strömungsabschnitte Seite an Seite entlang der Breite des Wärmetauschers angeordnet sind und angrenzende Paare von Strömungsabschnitten durch Öffnungen in den Strömungsbarrieren miteinander in Strömungskommunikation stehen; wobei die Vielzahl von Strömungsabschnitten einen Einlassströmungsabschnitt, einen Auslassströmungsabschnitt und mindestens einen ersten und zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt zwischen dem Einlassströmungsabschnitt und dem Auslassströmungsabschnitt beinhaltet; wobei der Wärmetauscher außerdem beinhaltet: einen Einlassanschluss in Strömungskommunikation mit einem ersten Ende des Einlassströmungsabschnitts; einen Auslassanschluss in Strömungskommunikation mit dem Auslassströmungsabschnitt; und einen ersten Umgehungskanal, der sich zwischen dem Einlassanschluss und mindestens einem der dazwischen liegenden Strömungsabschnitte erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, umfassend eine gerade Anzahl von dazwischen liegenden Strömungsabschnitten, sodass der Wärmetauscher eine Vielzahl von U-förmigen Strömungsbereichen definiert und sodass der Auslassanschluss mit dem ersten Ende des Auslassströmungsabschnitts in Strömungskommunikation steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von U-förmigen Strömungsbereichen einen ersten U-förmigen Strömungsbereich und einen zweiten U-förmigen Strömungsbereich umfasst; wobei der erste U-förmige Strömungsbereich den Einlassströmungsabschnitt und einen ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt umfasst, wobei eine erste genannte Öffnung eine Strömungskommunikation zwischen dem zweiten Ende des Einlassströmungsabschnitts und dem ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt bereitstellt; und wobei der zweite U-förmige Strömungsbereich einen zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitt und den zweiten Auslassströmungsabschnitt umfasst, wobei eine dritte genannte Öffnung eine Strömungskommunikation zwischen dem zweiten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts und dem Auslassströmungsabschnitt bereitstellt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei sich der erste Umgehungskanal quer von dem Einlassanschluss zum ersten Ende mindestens eines des ersten und zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei sich der Umgehungskanal quer von dem Einlassanschluss zu einer zweiten genannten Öffnung, durch die eine Strömungskommunikation zwischen dem ersten Ende des ersten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts und dem ersten Ende des zweiten dazwischen liegenden Strömungsabschnitts bereitgestellt ist, erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, weiter umfassend einen zweiten Umgehungskanal, der von dem ersten U-förmigen Strömungsbereich abzweigt und sich zu dem zweiten U-förmigen Strömungsbereich erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei der zweite Umgehungskanal ein erstes Ende in Strömungskommunikation mit dem Einlassströmungsabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende davon und ein zweites Ende in Strömungskommunikation mit dem Auslassströmungsabschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende davon aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei jeder der Strömungsabschnitte einen Wärmeübertragungsbereich definiert, der als ein Bereich des Strömungsabschnitts definiert ist, der angepasst ist, um den Strom eines Wärmeübertragungsfluids dort hindurch zu erlauben; wobei der Einlassströmungsabschnitt einen kleineren Wärmeübertragungsbereich aufweist als der erste dazwischen liegende Strömungsabschnitt; und wobei der zweite dazwischen liegende Strömungsabschnitt einen kleineren Wärmeübertragungsbereich aufweist als der Auslassströmungsabschnitt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei jeder der Strömungsabschnitte eine Vielzahl von Kanalrippen umfasst, die jeden der Strömungsabschnitte in eine Vielzahl von sich längs erstreckenden Strömungskanälen unterteilt.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei der Wärmetauscher eine erste flache Platte und eine zweite geformte Platte, die einen äußeren peripheren Flansch aufweist, an dem entlang sie versiegelnd mit der ersten Platte zusammengefügt ist, umfasst, wobei der Wärmetauscher ein Paar gegenüberliegender, sich längs erstreckender Seitenkanten und ein Paar gegenüberliegender, sich quer erstreckender Stirnkanten aufweist; und wobei von dem ersten und zweiten U-förmigen Strömungsbereich jeder angepasst ist, um unter einer Reihe von Batteriezellen zu liegen, die im Wärmekontakt mit einer äußeren Oberfläche der ersten flachen Platte des Wärmetauschers bereitgestellt sind.