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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Batterie-Direktkühlung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung.
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Batterien ermöglichen eine mobile Bereitstellung einer elektrischen Leistung. Hierzu umfassen Batterien eine oder mehrere galvanische Zellen zur Ausbildung einer Gleichspannungsquelle. Während eines Betriebs der Batterie heizt sich diese in der Regel auf. Die dabei anfallende Abwärme kann so groß werden, dass eine korrekte Betriebsweise der Batterie gefährdet sein kann, oder dass Bauteilschäden auftreten können. Dies erfordert eine aktive Kühlung der Batterie. Vorrichtungen zur Kühlung von Batterien sind dabei generell aus dem Stand der Technik bekannt.
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Mit Hilfe solcher Kühlvorrichtungen wird die im Betrieb der Batterien anfallende Abwärme üblicherweise von einem flüssigen oder gasförmigen Medium konvektiv abgeführt. Eine Leistung, die dabei von dem Medium abgeführt wird, lässt sich über einen Massenstrom des Mediums, eine Temperaturdifferenz zwischen der Batterie und dem Medium, sowie einem Wärmeübergangskoeffizient, welcher unter anderem von einer Anströmgeschwindigkeit und geometrischen Größen abhängig ist, einstellen.
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Mit fortschreitender Digitalisierung und Elektrifizierung der Mobilität nimmt auch die Anzahl von Elektrofahrzeugen zu. Als Energiespeicher kommen für solche Elektrofahrzeuge neben in Verbindung mit Brennstoffzellen eingesetzten Wasserstofftanks zur Bevorratung für eine Elektrolyse mit einem Oxidationsmittel benötigten Wasserstoff vor allem Batterien in Frage, bei denen elektrische Energie auf elektrochemischer Basis gespeichert wird. Dabei ist bekannt, solche Fahrzeugbatterien mit sogenannten direkten bzw. indirekten Batterie-Kühlungssystemen zu kühlen. Bei direkten Batterie-Kühlungssystemen wird als Kühlmedium ein Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage verwendet, wobei ein Wärmeübertrager zur Aufnahme der Abwärme der Batterie an einen Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage angeschlossen ist. Bei indirekten Batteriekühlungssystemen weist das Fahrzeug einen separaten, vom Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage unabhängigen, Kühlkreislauf auf. Dies ist insbesondere für Fahrzeuge mit einer hohen Batterieleistung, und damit einhergehenden hohen anfallenden Abwärmen erforderlich.
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Ferner ist bekannt, Fahrzeugbatterien per Luft zu kühlen. So offenbart die
DE 10 2012 021 445 A1 eine Vorrichtung zur Kühlung wenigstens einer Elektronikkomponente in einem Kraftfahrzeug, bei der mittels einer Luftleitung von einem von einer Fahrzeugklimaanlage umfassten Klimakasten Luft entnommen wird und zur Kühlung von Fahrzeugelektronikkomponenten diesen zugeführt wird. Entsprechend alternativen Ausführungsformen der Erfindung werden die Elektronikkomponenten dabei direkt von der Luft umspült oder sind in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse von innen oder von außen von der Luft umströmbar ist. Eine Anpassung der Kühlleistung ist dabei durch eine Veränderung des Luftmassenstroms über das Betätigen einer Stellklappe möglich. Der Vorteil einer Batteriekühlung mit Hilfe eines aus der Klimaanlage entnommenen Luftstroms liegt darin, dass vorhandene Komponenten zur Ausbildung des Kühlsystems genutzt werden, wodurch besonders platzsparend und damit bauraumneutral konstruiert werden kann. Hierdurch lassen sich außerdem Kosten einsparen. Jedoch besteht bei der in der Druckschrift offenbarten Erfindung die Gefahr, dass im Fehlerfall schädliche Gase, welche insbesondere bei Elektronikkomponenten in Form von Batterien auftreten, über die Luftleitung in einen Fahrzeuginnenraum zurückschlagen können. Ferner wird die wärmeabführende Luft unter anderem an die Umgebung abgegeben, wodurch eine Öffnung an einem Fahrzeugteil vorzusehen ist, durch die Verschmutzungen und/oder Wasser bis zur Elektronikkomponente vordringen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung zur Batterie-Direktkühlung anzugeben, welche eine erhöhte Sicherheit bei einer Fehlfunktion gewährleistet und das Eindringen von Schmutz und/oder Wasser in die Batterie bzw. an ein von der Batterie umfasstes Batteriegehäuse zuverlässig verhindert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Kühlvorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Eine Kühlvorrichtung zur Batterie-Direktkühlung mittels eines aus einem Klimakasten einer Klimaanlage entnommenen Luftmassenstroms umfasst üblicherweise einen Zuluftkanal zur Entnahme des Luftmassenstroms aus dem Klimakasten, ein mit dem Zuluftkanal kommunizierendes Gebläse zur Förderung des Luftmassenstroms, ein vor dem Gebläse im Zuluftkanal angeordnetes Dreiwegeventil, einen Luftverteiler zur Zuführung des Luftmassenstroms in die Batterie oder zu einer mit der Batterie thermisch leitend kontaktierten Wärmesenke und einen Austritt zur Übergabe des Luftmassenstroms an eine Umgebung. Die Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Rückschlagventil vorgesehen ist, wobei das Rückschlagventil an wenigstens einem Austritt und/oder zwischen dem Luftverteiler und der Batterie bzw. zwischen dem Luftverteiler und der Wärmesenke angeordnet ist.
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Mithilfe des an wenigstens einem Austritt angeordneten Rückschlagventils lässt sich ein Eindringen von Schmutz und Wasser in die Batterie aus der Umwelt verhindern. Wird die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung beispielsweise zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie eingesetzt, kann eine solche Eindringgefahr beim Durchfahren von überfluteten Straßenunterführungen auftreten. Durch das Vorsehen eines Rückschlagventils zwischen dem Luftverteiler und der Batterie bzw. zwischen dem Luftverteiler und der Wärmesenke lässt sich eine Sicherheit zur Kühlung der Batterie dadurch erhöhen, dass bei Fahrzeugen ein Rückschlagen von giftigen Gasen in einen Fahrzeuginnenraum über den Zuluftkanal unterbunden wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Kühlvorrichtung sieht vor, dass der Luftverteiler dazu eingerichtet ist, den Luftmassenstrom so in die Batterie einzuführen, dass wenigstens eine von der Batterie umfasste galvanische Zelle wenigstens teilweise vom Luftmassenstrom umspült wird.
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Dies erlaubt ein direktes Anströmen der galvanischen Zellen der Batterie mit dem Luftmassenstrom. Dadurch, dass die galvanischen Zellen unmittelbar mit dem Luftmassenstrom in Verbindung geraten, lässt sich die im Betrieb anfallende Abwärme besonders effektiv abführen. Dies geht jedoch mit einem erhöhten Konstruktionsaufwand einher, um den Luftverteiler so an der Batterie anzuschließen, dass eine Zufuhr des Luftmassenstroms in die Batterie möglich ist.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung hiervon sieht es dabei vor, dass mehrere galvanische Zellen von dem Luftmassenstrom umströmt werden, wobei die galvanischen Zellen so aufgestapelt sind, dass der Luftmassenstrom jeweils zwischen benachbarten galvanischen Zellen hindurchströmt. Dabei ist ein Kanal für den zuströmenden Luftmassenstrom in Strömungsrichtung desselben entlang des Stapels so ausgebildet, dass dieser sich verjüngt, während ein Kanal für den abströmenden Luftmassenstrom umgekehrt ausgebildet ist, sodass er sich in Strömungsrichtung entlang des Stapels erweitert. Dieser Aufbau ermöglicht eine ideale Durchströmung aller Zwischenräume zwischen den benachbarten Zellen. Mit sich verringerndem Luftmassenstrom, da ja Teile seines Volumens bereits abgezweigt sind, ergibt sich so eine relativ gleichmäßige Aufteilung.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die benachbarten galvanischen Zellen versetzt zueinander angeordnet sind, um die sich verjüngenden und erweiternden Kanäle auszubilden. Dadurch ergeben sich stufenförmige Kanäle, während die einzelnen galvanischen Zellen des Stapels so angeordnet sind, dass diese vom einen Ende des Stapels in Stufen versetzt zueinander ausgebildet sind. Somit ergibt sich automatisch auf der einen Seite des Stapels, beispielsweise unten oder rechts, ein sich verjüngender Kanal für den zuströmenden Luftmassenstrom und auf der anderen Seite, also beispielsweise oben oder links, ein sich entsprechend erweiternder Kanal für den abströmenden Luftmassenstrom.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlvorrichtung, wird die Wärmesenke von einem plattenförmigen Kanal ausgebildet, welcher entlang wenigstens eines Abschnitts wenigstens einer Seite eines Batteriegehäuses thermisch leitend mit dem Batteriegehäuse kontaktiert ist. Dabei sind der Luftverteiler und die Wärmesenke so zueinander angeordnet, dass die Wärmesenke vom Luftmassenstrom durchströmt wird.
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Hierdurch lässt sich ein Aufwand zur Kühlung der Batterie reduzieren. Insbesondere können übliche Batterien gekühlt werden, indem die Wärmesenke mit dem Gehäuse der Batterie thermisch leitend kontaktiert wird. Hierzu kann zur Erhöhung einer Wärmeübertragung eine Schicht aus Wärmeleitpaste zwischen dem Batteriegehäuse und der Wärmesenke vorgesehen sein. Dadurch, dass die Wärmesenke einen Kanal ausbildet, lässt sie sich von innen mit dem Luftmassenstrom durchströmen, was eine besonders effektive Wärmeabfuhr von der Batterie über die Wärmesenke an den Luftmassenstrom ermöglicht. Hierzu können innerhalb des Kanals Hervorhebungen, beispielsweise Leitbleche zur Vergrößerung einer Oberfläche vorgesehen sein, wodurch sich ein Wärmeübergang von der Wärmesenke an den Luftmassenstrom weiter vergrößern lässt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Kühlvorrichtung sieht ferner vor, dass die Wärmesenke von einer Platte ausgebildet wird, welche entlang wenigstens eines Abschnitts wenigstens einer Seite des Batteriegehäuses thermisch leitend mit diesem kontaktiert ist, wobei der Luftverteiler und die Wärmesenke so zueinander angeordnet sind, dass die Wärmesenke vom Luftmassenstrom wenigstens entlang eines Teilstücks einer der Batterie abgewandten Seite der Wärmesenke überströmt wird.
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Hierdurch lässt sich ein Aufwand zur Kühlung der Batterie weiter reduzieren, da ein Konstruktionsaufwand zur Ausbildung einer Platte besonders gering gehalten werden kann und eine Ausrichtung des Luftverteilers und der Wärmesenke zur Anströmung einer Seite der Wärmesenke besonders einfach umsetzbar ist. Dabei kann die Wärmesenke in Form einer Platte ähnlich zur Wärmesenke in Form eines plattenförmigen Kanals Erhebungen zur Vergrößerung einer Wärmeabgabefläche aufweisen. Wird die Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Fahrzeugbatterie eingesetzt, so ist die Fahrzeugbatterie in der Regel zur Reduktion einer Höhe eines Schwerpunkts des Fahrzeugs nahe eines Unterbodens des Fahrzeugs vorgesehen. Die Wärmesenke in Form einer Platte ist dabei insbesondere an einer dem Unterboden zugewandten Seite der Batterie vorgesehen. Der durch den Luftverteiler zugeführte Luftmassenstrom strömt dann entlang der Wärmesenke zwischen der Wärmesenke und einer Unterbodenverkleidung des Fahrzeugs über die Batterie bzw. die mit der Batterie kontaktierte Wärmesenke. Zur Erhöhung eines maximal übertragbaren Wärmestroms wird die Batterie insbesondere entlang einer vollständigen Fläche der Wärmesenke angeströmt.
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Bevorzugt ist die Klimaanlage dazu eingerichtet, sowohl Wärme an den Luftmassenstrom abzugeben, als auch dem Luftmassenstrom Wärme zu entziehen.
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Hierdurch lässt sich sowohl anfallende Abwärme beim Betrieb der Batterie abführen, als auch zu kalten Betriebsbedingungen die Batterie aufheizen, um die Batterie in einem optimalen Betriebspunkt betreiben zu können. Dies ist insbesondere im Winter relevant. Die Wärme zur Aufheizung der Batterie kann dabei beispielsweise von einem von der Klimaanlage umfassten Heizelement bereitgestellt werden. Analog kann dem Luftmassenstrom in der Klimaanlage die Wärme von einem Kühlelement entzogen werden, welches an einem Kältekreislauf der Klimaanlage angeschlossen ist.
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Bei einem Fahrzeug mit einer Klimaanlage, einer Batterie und einer Kühlvorrichtung ist die Klimaanlage erfindungsgemäß dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus Luft aus einer Umgebung des Fahrzeugs anzusaugen und in einem zweiten Betriebsmodus Luft aus einem Fahrzeuginnenraum anzusaugen. Dabei weist ein Luftmassenstrom zur Batterie-Direktkühlung betriebsmodusunabhängig wenigstens anteilsweise aus der Umgebung angesaugte Luft auf.
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Typischerweise sind Klimaanlagen von Fahrzeugen dazu eingerichtet, sowohl Umgebungsluft zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums zu verwenden, als auch durch Aktivieren eines sogenannten Umluftbetriebs die Luft im Fahrzeuginnenraum umzuwälzen. Diese Funktion wird von Fahrzeuginsassen beispielsweise dann genutzt, wenn eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums mit Umgebungsluft zu unzureichenden Komfortbedingungen führt. Dies kann der Fall sein, wenn die Umgebungsluft mit Abgasen verunreinigt ist. Für den Fall, dass die Klimaanlage im Umluftmodus betrieben wird, ist die Klimaanlage so auszuführen, dass der Luftmassenstrom zur Kühlung der Batterie weiterhin wenigstens anteilsweise Umgebungsluft aufweist. Insbesondere umfasst dabei der Luftmassenstrom zur Kühlung der Batterie keine Luft, welche aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt wurde. Dadurch, dass der die Batterie kühlende Luftmassenstrom über den Austritt an die Umgebung abgegeben wird, würde eine Verwendung eines hohen Anteils von aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugter Luft das Bilden eines Unterdrucks im Fahrzeuginnenraum bedingen. Dies lässt sich dadurch vermeiden, dass entweder zwei Gebläse innerhalb der Klimaanlage vorgesehen sind, von denen ein Gebläse zur Durchführung des Umluftbetriebsmodus eingesetzt wird und das zweite Gebläse zum Ansaugen von Umgebungsluft zum Ausbilden des Luftmassenstroms zur Kühlung der Batterie eingesetzt wird. Ferner kann eine Auftrennung des Luftmassenstroms in einen umgewälzten Luftmassenstrom und in einen Luftmassenstrom zur Kühlung der Batterie dadurch erfolgen, dass der Klimakasten hierzu Absperrventile und/oder separate gegeneinander abgetrennte Kammern aufweist. Ferner ist der Klimakasten so zu gestalten, dass auch während eines geregelten Heizbetriebs eine Temperaturschichtung im Klimakasten sichergestellt werden kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Zuluftkanal einen gesonderten Ausgang aus dem Klimakasten ausbildet.
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Generell kann ein Luftverteiler zur Zuführung eines Luftmassenstroms in eine Batterie oder zu einer Wärmesenke an einer beliebigen Stelle der Batterie oder der Wärmesenke vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, dass der Luftmassenstrom an mehreren Stellen in die Batterie oder die Wärmesenke eingeleitet wird, und an mehreren Stellen die Batterie verlässt. Insbesondere weist eine Kühlvorrichtung dann mehrere Austritte auf. Dabei ist es möglich, dass wenigstens ein Austritt mit einem Motorraum eines Fahrzeugs kommuniziert. Mithilfe eines Dreiwegeventils lässt sich sowohl ein Luftmassenstrom aus einer Klimakammer einer Klimaanlage ansaugen, oder bei Wechseln einer Ventilstellung auch ein Luftmassenstrom von einer alternativen Quelle ansaugen. Dabei kann beispielsweise direkt ein Luftmassenstrom aus der Umgebung oder aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt werden. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn eine Umgebungstemperatur besonders kalt ist. Dabei lässt sich eine Höhe des Luftmassenstroms durch eine Variation einer Drehzahl eines Gebläses einstellen. Hierzu wird die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit einer Temperatur der Batterie geregelt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und dem Fahrzeug ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Klimaanlage und einer alternativen Ausführung der Klimaanlage;
- 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit mehreren alternativen, über eine Wärmesenke gekühlte Batterien;
- 3 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit einer alternativen Batteriegeometrie und einem daran angepassten Luftverteiler; und
- 4 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit einer weiteren alternativen Batteriegeometrie und einem daran angepassten Luftverteiler.
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1 a) zeigt eine Klimaanlage 3 mit einem Klimakasten 2, in welchem ein Heizelement 17 und ein Kühlelement 18 angeordnet sind. Das Heizelement 17 und/oder das Kühlelement 18 können dabei an einen Kältekreislauf der Klimaanlage 3 angeschlossen sein. Auch ist es möglich, dass, wie in 1 a) dargestellt, das Heizelement 17 von einem elektrischen Heizelement 17 ausgebildet wird. Der Klimakasten 2 weist an einer Seite einen Eingang 19.1 auf, welcher mit einer Umgebung verbunden ist und über den Umgebungsluft angesaugt wird. Ferner weist der Klimakasten 2 an einem dem Eingang 19.1 gegenüberliegenden Seite zwei Ausgänge 20.1 und 20.2 auf. Dabei ist der Ausgang 20.1 mit einem Fahrzeuginnenraum und der Ausgang 20.2 mit einem Zuluftkanal 5 verbunden. Über den Zuluftkanal 5 wird ein Luftmassenstrom 4 in Richtung einer in 2 dargestellten Batterie 9 bzw. durch deren Batteriegehäuse 15 geleitet, um diese zu kühlen. In Abhängigkeit verschiedener Ausführungen der Erfindung ist es möglich die Batterie 9 unmittelbar zu kühlen, indem die Batterie 9 von dem Luftmassenstrom 4 durchströmt wird, oder die Batterie 9 mittelbar zu kühlen, indem eine ebenfalls in 2 dargestellte, mit der Batterie 9 thermisch leitend kontaktierte Wärmesenke 10 vom Luftmassenstrom 4 durch- bzw. angeströmt wird.
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1 b) zeigt eine alternative Ausführung der Klimaanlage 3. Wird die Klimaanlage 3 in einem Betriebsmodus betrieben, in dem sie Luft aus dem Fahrzeuginnenraum umwälzt, ist darauf zu achten, dass die umgewälzte Luft nicht in Richtung der Batterie 9 geleitet wird, da die Luft nach Aufnahme der Abwärme aus der Batterie 9 zurück an die Umgebung übergeben wird und somit ein Unterdruck im Fahrzeuginnenraum entstehen kann. Dabei weist der Klimakasten 2 einen zweiten Eingang 19.2 auf, welcher analog zum Ausgang 20.1 mit dem Fahrzeuginnenraum verbunden ist und über diesen Luft aus dem Fahrzeuginnenraum empfängt. Um das Entstehen eines Unterdrucks im Fahrzeuginnenraum zu verhindern, weist der Klimakasten 2 ferner eine Trennwand 21 auf, wodurch der Klimakasten 2 eine erste Kammer 2.1 und eine zweite Kammer 2.2 ausbildet. Diese Kammern sind über die Trennwand 21 gegeneinander abgegrenzt, sodass kein Luftaustausch zwischen der ersten und der zweiten Kammer 2.1 und 2.2 möglich ist. Um einen Wärmeeintrag bzw. Wärmeentzug aus jeweils einem durch die erste Kammer 2.1 und die zweite Kammer 2.2 fließenden Luftmassenstrom 4 zu ermöglichen, reichen sowohl das Heizelement 17 als auch das Kühlelement 18 durch die beiden Kammern 2.1 und 2.2 hindurch. Dies ermöglicht auch bei Betreiben der Klimaanlage 3 im Umwälzbetriebsmodus, dass der Batterie 9 Umgebungsluft zuführbar ist.
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Die in 2 abgebildete Prinzipdarstellung zeigt in Abschnitt a) eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1, bei der die Batterie 9 vom Luftmassenstrom 4 direkt durchströmt wird. Ferner zeigt 2 in Abschnitten b) und c) zwei alternative Ausführungen der Kühlvorrichtung 1, bei denen der Luftmassenstrom 4 zur Kühlung der Batterie 8 durch die Wärmesenke 10 bzw. an der Wärmesenke 10 vorbeigeführt wird. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst den an den Klimakasten 2 angeschlossenen Zuluftkanal 5, welcher über ein Dreiwegeventil 7 mit einem Gebläse 6 verbunden ist. Das Gebläse 6 dient dazu, den Luftmassenstrom 4 aus dem Klimakasten 2 anzusaugen. Erfindungsgemäß ist in Strömungsrichtung hinter dem Gebläse 6 ein Rückschlagventil 12 vorgesehen, welches bei einer Fehlfunktion der hinter dem Rückschlagventil 12 angeordneten Batterie 9 ein Entweichen von giftigen oder schädlichen Gasen über den Zuluftkanal 5 und den Klimakasten 2 an den Fahrzeuginnenraum verhindert. Die Batterie 9 umfasst wenigstens eine galvanische Zelle 13, zur Ausbildung einer Gleichspannungsquelle. Die Batterie 9 kann auch wie in 2 a) dargestellt mehrere galvanische Zellen 13 umfassen, welche zur Erhöhung einer Spannung über nicht dargestellte Elektroden hintereinander in Reihe geschaltet sind. Im Betrieb heizen sich die galvanischen Zellen 13 auf und müssen zur Aufrechterhaltung einer korrekten Betriebsweise der Batterie 9 gekühlt werden. Hierzu werden die galvanischen Zellen 13 vom Luftmassenstrom 4 direkt umspült. Der Luftmassenstrom 4 tritt anschließend aus der Batterie 9 aus und wird über ein weiteres Rückschlagventil 12 einem Austritt 11 zugeführt, welcher den erwärmten Luftmassenstrom 4 an die Umgebung abgibt. Das Rückschlagventil 12, welches zwischen der Batterie 9 und dem Austritt 11 angeordnet ist, dient dazu, einen Eintritt von Schmutz und/oder Feuchtigkeit in die Batterie 9 zu verhindern. Dabei ist es möglich, dass die Kühlvorrichtung 1 auch nur ein Rückschlagventil 12 umfasst, welches dabei entweder zwischen dem Gebläse 6 und der Batterie 9 oder der Batterie 9 und dem Austritt 11 angeordnet ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführung der Kühlvorrichtung 1 wird die Batterie 9 mittelbar vom Luftmassenstrom 4 gekühlt, indem die im Betrieb der Batterie 9 anfallende Abwärme über die Wärmesenke 10, welche in 2 b) als plattenförmiger Kanal 14 ausgeführt ist und vom Luftmassenstrom 4 durchströmt wird, abgeführt wird. Alternativ ist, wie in 2 c) dargestellt, die Wärmesenke 10 als massive Platte 16 ausgeführt. Dabei wird die als massive Platte 16 ausgeführte Wärmesenke 10 vom Luftmassenstrom 4 überströmt, wobei dieser von der Batterie 9 erzeugte Abwärme aufnimmt. Ein Ablösen der Strömung von der massiven Platte 16 wird dadurch verhindert, dass die Batterie 9 an einer Unterseite eines Fahrzeugs vorgesehen ist, wodurch ein Fahrzeugunterboden 22 gegenüber einer der Batterie 9 abgewandten Seite der als massiven Platte 16 ausgeführten Wärmesenke 10 angeordnet ist, welcher mit der massiven Platte 16 einen Kanal zum Führen des Luftmassenstroms 4 ausbildet. Zur Erhöhung eines Wärmeübergangs zwischen der Wärmesenke 10 und dem Luftmassenstrom 4 kann die Wärmesenke 10, sowohl in der Ausführung als plattenförmiger Kanal 14, als auch in der Ausführung als massive Platte 16 Vorsprünge zur Vergrößerung einer Oberfläche aufweisen. Diese können eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise können diese als orthogonal zur Anströmungsrichtung des Luftmassenstroms 4 ausgerichtete Bleche, oder als einfache rechteckförmige oder hügelförmige Erhebungen ausgebildet sein.
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Wie in 2 dargestellt, ist der Zuluftkanal 5 über einen Luftverteiler 8 an der Batterie 9 bzw. der Wärmesenke 10 angeschlossen. Dabei ist der Luftverteiler 8 in 2 über einem einzigen Anschluss mit der Batterie 9 bzw. der Wärmesenke 10 verbunden. Zur Ausleitung des Luftmassenstroms 4 an die Umgebung kommuniziert die Batterie 9, bzw. die Wärmesenke 10 über den Austritt 11 mit der Umgebung. Dabei ist jedoch auch möglich, dass der Luftverteiler 8 eine beliebige Anzahl an Anschlüssen zur Einleitung des Luftmassenstroms 4 in die Batterie 9 bzw. die Wärmesenke 10 aufweist und eine Vielzahl an Austritten 11 vorgesehen sind.
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Ferner weist die Kühlvorrichtung 1 eine Recheneinheit 23 auf, welche zur Regelung des Dreiwegeventils 7 und des Gebläses 6 dient. Zur Bestimmung einer Höhe eines erforderlichen Luftmassenstroms 4 zur angemessenen Temperierung der Batterie 9 wird von der Recheneinheit 23 eine Temperatur der Batterie 9 mit einem nicht dargestellten Temperatursensor, welcher über eine gestrichelt dargestellte Datenleitung mit der Recheneinheit 23 verbunden ist, überwacht.
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In 2d) und e) sind zwei weitere Varianten dargestellt, bei denen die galvanischen Zellen 13 in dem Batteriegehäuse 15 der Batterie 9 ebenfalls von dem Luftmassenstrom 4 umspült werden, ähnlich wie in der in 2a) gezeigten Variante. Die direkte Kühlung sieht es dabei vor, dass, und dies ist in der Variante d) der 2 dargestellt, die Kanäle 24, 25 für den zuströmenden Luftmassenstrom 4 und den abströmenden Luftmassenstrom 4 aus der Batterie 9 bzw. ihrem Batteriegehäuse 15 sich in dessen Strömungsrichtung entlang des Stapels der galvanischen Zellen 13 verjüngen bzw. erweitern. Dies sorgt für eine ideale Luftverteilung, sodass alle Spalte 26 zwischen den benachbarten aufgestapelten galvanischen Zellen 13 relativ gleichmäßig durchströmt werden. Dies sorgt letztlich für eine gleichmäßige Kühlung der Batterie 9.
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In der Variante der 2e) ist dies nochmals dargestellt. Anstatt die jeweiligen Kanäle 24, 25 konstruktiv entsprechend auszubilden, sind die benachbarten galvanischen Zellen 13 hier jeweils versetzt zueinander gestapelt. Damit entsteht der Stapel als eine Art gestuftes Parallelogramm, sodass sich in dem hier im Ausschnitt rechtwinklig dargestellten Batteriegehäuse 15 die sich verjüngenden und erweiternden Kanäle 24, 25 als sich stufenartig erweiternde und verjüngende Kanäle 24, 25, aufgrund der versetzten Stapelung der galvanischen Zellen 13, ergeben.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1, bei der die Batterie 9 in zwei Teile aufgeteilt ist, und eine Zufuhr des Luftmassenstroms 4 über einen mittig in der Batterie 9 angeordneten Luftverteiler 8 erfolgt. In 3 weist die Batterie 9 zwei Austritte 11 auf, von denen ein Austritt eine Entlüftung zu einem Motorraum eines Fahrzeugs ausbildet (nicht dargestellt). Dies stellt nur ein weiteres Beispiel zur Ausführung der Batterie 9 dar. Insbesondere ist es möglich, dass die Batterie 9 eine beliebige Geometrie aufweist und einen oder mehrere Anschlüsse zur Einleitung des Luftmassenstroms 4 über den Luftverteiler 8 aufweist, welche an einer beliebigen Stelle an der Batterie 9 angeordnet sein können.
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Ein in 4 gezeigter Ausschnitt aus einer alternativen Kühlvorrichtung 1 weist einen Luftverteiler 8 auf, welcher über eine vollständige Seite der Batterie 9 an einer mit dieser thermisch leitend kontaktierten, als durchströmbarer Kanal 14 ausgeführten Wärmesenke 10 angeschlossen ist. Ebenso ist der (in 4 nicht dargestellte) Austritt 11 mit einem Kanal, welcher über eine vollständige Seite der Batterie 9 an der Wärmesenke 10 angeschlossen ist, verbunden. Dabei wird die Wärmesenke 10 über ihre vollständige Länge in eine x-Richtung durchströmt. Dadurch, dass der Luftverteiler 8 entlang einer in einer senkrecht auf der x-Richtung stehenden y-Richtung entlang einer vollständigen Seite der Batterie 9 verläuft, wird die Wärmesenke 10 besonders effektiv durchströmt, wodurch Totwassergebiete, welche mit einem verminderten Wärmeübergang zwischen der Wärmesenke 10 und dem Luftmassenstrom 4 einhergehen, verhindert werden. Auch ist es möglich, dass der Luftverteiler 8 über einen zweiten Anschluss verfügt, welcher orthogonal zum ersten Anschluss an der Wärmesenke 10 angeschlossen ist, somit also die Wärmesenke 10 in die x-Richtung und in die y-Richtung durchströmt wird. Dabei kann die als plattenförmiger Kanal 14 ausgeführte Wärmesenke 10 eine Vielzahl an Trennblechen aufweisen, wodurch eine Vielzahl an Kanälen innerhalb der Wärmesenke 10 ausgebildet werden. Auch ist es möglich, dass der Luftverteiler 8 zur direkten Durchströmung der Batterie 9 an diese angeschlossen ist. Somit wird die Batterie 9 nach Art eines Kreuzstroms durchströmt (nicht dargestellt). Ferner kann die Wärmesenke 10 auch als massive Platte 16 ausgeführt sein und nach der genannten Art angeströmt sein (ebenfalls nicht dargestellt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012021445 A1 [0005]
