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Die Erfindung betrifft eine Flachrohranordnung, insbesondere für eine Kältemittel-Batteriekühlung, eines Batteriesystems für ein Fahrzeug.
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Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge werden in der Regel gekühlt. Diese Kühlung kann effizient und kostengünstig über einer direkte Kältemittelkühlung erfolgen. Flachrohre oder Flachrohranordnungen, wie beispielsweise Batterie-Flachrohranordnungen zur Kühlung einer Batterie eines Fahrzeuges, zum Beispiel eines Elektrofahrzeugs, sind in der Fahrzeugtechnik bekannt. Dabei dient eine Flachrohranordnung, die von einem Kühlfluid durchströmt wird, zum Wärmetransport bzw. zur Kühlung, insbesondere zur Kühlung einer Batterie, oder deren Komponenten, die sich im Betrieb erwärmen. Dabei wird das ggf. unter Druck stehende Fluid bzw. Kühlfluid durch ein beispielsweise mäanderförmig beziehungsweise serpentinenartig verlaufendes Flachrohr geleitet. Dabei nimmt das Kühlfluid durch die an den zu kühlenden Komponenten anliegenden Wandungen des Flachrohres Wärme auf und führt diese von der Komponente weg in einen Wärmetauscher (Kühlvorrichtung).
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DE 10 2005 052 683 A1 betrifft ein Mehrkanalflachrohr mit zwei nebeneinander verlaufenden durchströmbaren Kanälen oder Kanalsektionen mit mehreren Kanälen. Zwischen den Kanälen oder den Kanalsektionen ist jeweils ein Bereich mit vermindertem Wärmedurchgang ausgebildet, der die Kanäle bzw. die Kanalsektionen thermisch entkoppelt. Zum Verlauf des Mehrkanalflachrohres an unterschiedlichen Komponentenflächen gibt es hier keine Hinweise.
US 2016/0149276 A1 zeigt mäanderförmig verlaufende Flachrohranordnungen mit mehreren parallel verlaufenden geraden Abschnitten, die zwischen den elektrochemischen Zellen eines Batteriemoduls verlaufen. Die Zellen werden quer zur Verlaufsrichtung der Flachrohrabschnitte über elastische Schaumstoffzwischenlagen an die Flachrohre gedrückt. Jede Flachrohranordnung ist zur Kühlung eines Moduls mit mehreren Zellen bzw. einer Komponente vorgesehen. Für mehrere Komponenten sind die dargestellten Flachrohranordnungen nicht geeignet.
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Bei hoher Wärmeentwicklung in den Zellen, z.B. durch eine hohe Ladeleistung bei der Schnellladung, können in der Batterie große Temperaturgradienten zwischen den Kühlsystemen und den Modulen bzw. den Komponenten auftreten, die zu Längenveränderungen der Flachrohranordnung in deren Verlaufsrichtung führen können. Dies kann die thermische Kopplung zwischen Komponente und Flachrohr beeinträchtigen, z.B. durch Ablösung des Flachrohres von einer Komponentenfläche, an der eine Flachrohrwandung anliegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batteriekühlung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch die Flachrohranordnung nach Anspruch 1, das Batteriesystem nach Anspruch 9 und das Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Flachrohranordnung zur Kühlung mehrerer Komponenten einer Batterieanordnung, mit einem ersten Flachrohrabschnitt, der mit einer Flachseite entlang einer ersten Komponentenfläche verläuft und einem zweiten Flachrohrabschnitt, der mit einer zweiten Flachseite entlang einer zweiten Komponentenfläche verläuft, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Flachrohrabschnitt ein gekrümmter Übergangsbereich ausgebildet ist, der den ersten und zweiten Flachrohrabschnitt miteinander verbindet und der gekrümmte Übergangsbereich, U-, Ω-, O-, haarnadel-, und/oder schraubenförmig ausgebildet ist, so dass der Übergangsbereich thermisch bedingte Längenänderungen eines angrenzenden Flachrohrabschnitts in dessen Verlaufsrichtung durch biegeelastische Verformung aufnimmt.
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Die Flachrohranordnung kann eine Batteriekühlung sein. Die Flachrohranordnung kann an eine Batterie eines Fahrzeugs, zum Beispiel eines Elektrofahrzeugs, angeschlossen werden, um die in der Batterie entstehende Wärme über die Flachrohranordnung abzuführen. Die Flachrohranordnung kann um das Batteriemodul herumgebogen werden, anstatt um die einzelnen Batteriezellen.
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Um eine große Kühlleistung bereitzustellen und damit eine größere Ladeleistung des Batteriemoduls zu ermöglichen, kann die Flachrohranordnung ein Kältemittel führendes Flachrohr sein, wobei das Flachrohr mehrfach gebogen um Batteriemodule gelegt wird. Das Flachrohr kann flächig in Anlage zu dem Batteriemodul kommen, beispielsweise kann sich das Flachrohr parallel an das Batteriemodul anlegen.
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Die Flachrohranordnung kann beispielsweise eine Aluminiumlegierung oder eine andere biegsame/elastische (d.h. mit einer Elastizität oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes, bspw. bestimmbar über ein Elastizitäts- und oder Schermodul und dergleichen) Metalllegierung umfassen. Ferner kann die Flachrohranordnung mehrere Kanäle und dergleichen aufweisen, welche beispielsweise zusammengeschweißt, zusammengelötet oder dergleichen sind, sodass eine Vielzahl von Strömungskanälen in dem Flachrohr vorhanden ist.
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Die Flachrohranordnung kann ein Vierkantrohr umfassen, welches eine rechteckige Grundfläche hat. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine rechteckige Grundfläche beschränkt. Beispielsweise kann wenigstens eine Ecke abgerundet sein, beispielsweise indem die Flachrohranordnung durch einen Biegeprozess hergestellt ist.
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Das gekrümmter Übergangsbereich kann ein Toleranzausgleichselement sein. Das Toleranzausgleichselement kann sich zwischen Batteriemodulen befinden, was durch die Bogenform des Flachrohrs außen an den Batteriemodulen ermöglicht wird. Das Toleranzausgleichselement kann außerhalb des Batteriemoduls befinden und kommt nicht mit dem Batteriemodul in Berührung.
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In manchen Ausführungsformen kann der Übergangsbereich in einen Biegeabschnitt übergehen, entlang dem sich die Verlaufsrichtung des Flachrochrabschnitts entlang einer ebenen Komponentenfläche ändert.
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Die Flachrohranordnung kann mehr als zwei Biegungen umfassen, sodass sich der Vorteil ergibt, dass die Flachrohranordnung an eine typische Form eines Batteriemoduls angepasst werden kann.
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Die Flachrohranordnung kann aus einer Verknüpfung von Biegungen um die breite Seite des Flachrohrs bestehen, um einen guten Kontakt mit einem Batteriemodul zu ermöglichen, und aus Biegungen um die flache Seite des Flachrohrs bestehen, um effiziente und weitere Anschlusspunkte zum Anschluss der Kältemittelleitung des Fahrzeugs zu ermöglichen.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Flachrohranordnung einen senkrecht verlaufenden Teil und einen waagerecht verlaufenden Teil umfassen, wobei der senkrecht verlaufende Teil der Flachrohranordnung ein Batteriemodul seitlich berührt und der waagerecht verlaufende Teil der Flachrohranordnung eine Elektronik berührt. Die waagerecht verlaufenden Teile der Batteriekühlung können in einer vorteilhaften Position positioniert werden, um z.B. die Elektronik innerhalb eines Batteriesystem/ einer Batterie zu kühlen.
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Die Flachrohranordnung kann um zwei Achsen gebogen werden, damit die Kühlung auch unter der Elektronik durchgeführt werden kann.
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In manchen Ausführungsformen kann der Übergangsbereich die in verschiedenen Ebenen verlaufenden Flachrohrabschnitte verbinden.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Flachrohranordnung eine Kopplung umfasst, wobei die Kopplung die Batteriekühlung einer Seitenkühlung mit einer Boden- und/oder Deckenkühlung des Batteriemoduls verbindet (allseitige Kühlung des Batteriemoduls).
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In manchen Ausführungsformen kann die erste Komponentenfläche an einem Batteriemodul und die zweite Komponentenfläche an einem Steuermodul angeordnet sein.
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Das Batteriemodul kann ein Energiespeicher sein, der sich wiederum aus vielen einzelnen Batteriezellen zusammensetzt. Die Batteriezellen können von beliebigem Format sein (zylindrisch, prismatisch, Pouch) und wesentliche Chemikalien (NCA, NMC, LMO, LFP) enthalten.
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Das Steuermodul kann auch eine Leistungselektronik sein, welche den Hochvolt-Energiefluss zwischen der Batterie und dem Elektromotor steuert und dabei den in der Batteriezelle gespeicherten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) für den Traktionsmotor umwandelt. Gleichzeitig kann das 12-Volt-Gleichstrom-Bordnetz mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers mit Niederspannung versorgt werden. Die Batteriezelle kann im normalen Wechselstromnetz mit einer maximalen Ladeleistung von 11 kW und im Gleichstromnetz mit bis zu 125 kW aufgeladen werden.
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In manchen Ausführungsformen kann der erste und der zweite Flachrohrabschnitt an Komponentenflächen einer ersten Komponente verlaufen und ein dritter Flachrohrabschnitt an Komponentenflächen einer zweiten Komponente verlaufen, wobei der Biegeabschnitt den ersten und/oder den zweiten Flachrohrabschnitt mit dem dritten Flachrohrabschnitt verbindet.
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In manchen Ausführungsformen kann die Breite des flachen Bereichs der Flachrohranordnung mindestens 50%, vorzugsweise 65% und besonderes bevorzugt 85% der Höhe der ersten Komponentenfläche und/oder der zweiten Komponentenfläche entsprechen.
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Die Flachrohrbreite kann im Vergleich zur Höhe der Batterie gewählt werden. Dies bedeutet, dass das Flachrohr mindestens 50%, vorzugsweise 65% und besonderes bevorzugt 85% der Höhe des Batteriemoduls umfasst. Diese große Breite kann zum Einen einen guten Wärmeübergang, zum Anderen einen geringen kältemittelseitigen Druckverlust im Flachrohr ermöglichen.
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In manchen Ausführungsformen kann ein Kältemittel durch die Flachrohranordnung fließen.
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Vorteilhafterweise fließt in der Flachrohranordnung kein Wasser sondern nur Kältemittel. Die Flachrohranordnung kann mit dem Kältemittel R744 durchströmt werden. Bei der Verwendung von brennbaren Kältemitteln oder Flüssigkeiten ergibt sich im Leckagefall ein Risiko, da die Batteriekühlung innerhalb der Batterie verläuft.
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In manchen Ausführungsformen kann die Flachrohranordnung mehrere, maximal fünf, parallel durchströmte Strömungspfaden umfassen. Dies kann einer sicheren Gleichverteilung des Kältemittels dienen, welches bei einer Vielzahl an Strömungspfaden schwierig zu kontrollieren ist.
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Ein zweiter Aspekt betrifft ein Batteriesystem mit mehreren Batteriemodulen, einem Steuermodul und einer Flachrohranordnung nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen.
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Ein dritter Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit dem vorhergehenden Batteriesystem. Das Fahrzeug kann ein Elektroauto sein, das von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben wird. Das Fahrzeug umfasst ein mit einem Elektromotor verbundenes Batteriesystem, wobei das Batteriesystem die obige Flachrohranordnung und ein Batteriemodul umfasst.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 schematisch als ein Ausführungsbeispiel, ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Flachrohranordnung zeigt;
- 2A schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht des Batteriemoduls M1 des Batteriesystems aus 1; zeigt
- 2B schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht des Batteriemoduls M1 des Batteriesystems aus 1 zeigt;
- 3A schematisch einen U-förmigen Übergangsbereich zeigt;
- 3B schematisch einen Omega (Ω)-förmigen Übergangsbereich zeigt;
- 3C schematisch einen O-förmigen (ringförmigen) Übergangsbereich zeigt;
- 3D schematisch eine haarnadelförmige Übergangsbereich zeigt;
- 4A schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1 zeigt;
- 4B schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Seitenansicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1 zeigt;
- 5 schematisch als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Ansicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1 zeigt;
- 6 schematisch als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht auf ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Flachrohranordnung zeigt;
- 7 schematisch als ein Ausführungsbeispiel, ein Batteriemodul und eine Flachrohranordnung zeigt;
- 8A schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine senkrecht verlaufende Flachrohranordnung zeigt;
- 8B schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine waagerecht verlaufende Flachrohranordnung zeigt; und
- 9 schematisch als ein Ausführungsbeispiel, einen Querschnitt längs einer Breite des Flachrohranordnung zeigt.
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1 zeigt schematisch als ein Ausführungsbeispiel, ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Flachrohranordnung. Das Batteriesystem umfasst sechs Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6, ein Steuermodul (Leistungselektronik) E und eine Flachrohranordnung F. Die jeweiligen Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 sind Quader, die aus einer langen und einer kurzen Seite bestehen. Die Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 sind Stromspeicher und bestehen aus vielen einzelnen Zellen. Das Steuermodul (Leistungselektronik) E steuert den Energiefluss. Das Steuermodul (Leistungselektronik) E kann auch als ein Wechselrichter dienen, der den in den Batteriemodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6 gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den E-Motor umwandelt. Die Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 sind mit dem Steuermodul (Leistungselektronik) E durch ein Hochvolt-Kabel H verbunden. Die Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 sind in zwei Reihen angeordnet, wobei jede Reihe aus drei Batteriemodulen besteht. Jedes der Batteriemodule in derselben Reihe wird mit einem Abstand zwischen den Batteriemodulen angeordnet. Die Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 arbeiten mit hohen Spannungen. Die Flachrohranordnung F befindet sich zwischen den Batteriemodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6, um die durch die Hochspannung entstehende Wärme zu kühlen. Die Flachrohranordnung F ist ein Flachrohr welches mehrfach gebogen um die Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 gelegt wird. Eine detailliertere Erklärung zur Gestaltung der Flachrohranordnung F ist in 9 zu finden. Ein Kältemittel, zum Beispiel das Kältemittel R744, strömt am Einlass (Rohreinlass) E1 zur Flachrohranordnung F, durchströmt die Flachrohranordnung F und wird am Auslass (Rohrauslass) E2 abgeführt. Eine flache Seite (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F kommt mit der Längsseite der Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 und mit der Elektronik (Leistungselektronik) E in Berührung (siehe 4A und 4B oder 5). Die Flachrohranordnung F umfasst zwei Biegeabschnitte B1 und B2, wobei die jeweiligen Biegeabschnitte eine erste Biegung und eine zweite Biegung umfasst. Die erste Biegung verläuft in eine vertikale Richtung in Bezug auf eine Bodenfläche und die zweite Biegung verläuft in eine horizontale Richtung in Bezug auf eine Bodenfläche. In anderen Worten, die flache Seite (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F legt sich parallel an die Längsseite der Batteriemodule M1, M2, M3, M4, M5 und M6 an, wobei die Höhe (Fh in 8A) der Flachrohranordnung F dem Abstand zwischen den Batteriemodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6 entspricht. Weiterhin umfasst die Flachrohranordnung F gekrümmte Übergangsbereiche (Toleranzausgleichselemente) A1, A2, A3, A4 A5 und A6, die durch Biegung außerhalb der Kontaktfläche zu den Batteriemodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6 gewährleistet werden. Die Übergangsbereiche A1, A2, A3, A4 A5 und A6 dienen als Wärmetauscher und bieten Längentoleranz, so dass die Flachrohranordnung F robuster gegen thermische Ausdehnung ist.
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Sechs Batteriemodule sind in 1 dargestellt, die Anzahl der Batteriemodule ist jedoch nicht auf sechs Batteriemodule beschränkt. Das Batteriesystem kann aus mehr als sechs oder aus weniger Batteriemodulen bestehen. Vorzugsweise kann das Batteriesystem aus zwölf Batteriemodulen bestehen.
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2A zeigt schematisch als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht des Batteriemoduls M1 des Batteriesystems aus 1. Die Flachrohranordnung F umfasst einen ersten Flachrohrabschnitt F1, einen zweiten Flachrohrabschnitt F2 und einen dritten Flachrohrabschnitt F3. Der erste Flachrohrabschnitt F1 kommt mit einer ersten Seitenfläche K1 der Batteriemodule M1 in Berührung und der zweite Flachrohrabschnitt F2 kommt mit einer zweiten Seitenfläche K2 der Batteriemodule M1 in Berührung. Der dritte Flachrohrabschnitt F3 kommt mit dem Steuermodul (Leistungselektronik) E in Berührung, wobei der erste Flachrohrabschnitt F1 und der dritte Flachrohrabschnitt F3 durch eine Biegung verbunden sind (siehe 4A und 4B oder 5). Zwischen dem ersten und dem zweiten Flachrohrabschnitt ist ein gekrümmter Übergangsbereich A1 ausgebildet ist, der den ersten und zweiten Flachrohrabschnitt miteinander verbindet. Der gekrümmte Übergangsbereich A1 hat eine U-förmige Form und nimmt bedingte Längenänderungen eines angrenzenden Flachrohrabschnitts in dessen Verlaufsrichtung durch biegeelastische Verformung auf. Beispielsweise ergibt sich der Übergangsbereich A1 aus der ersten Biegung der Flachrohranordnung F am Ende der langen Seite des Batteriemoduls M1 und der zweiten Biegung der Flachrohranordnung F am Ende der kurzen Seite des Batteriemoduls M1.
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2B zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht des Batteriemoduls M1 aus 1. Die Flachrohranordnung F umfasst einen ersten Flachrohrabschnitt F1', einen zweiten Flachrohrabschnitt F2', einen dritten Flachrohrabschnitt F3' und einen vierten Flachrohrabschnitt F4'. Der erste Flachrohrabschnitt F1' kommt mit einer ersten Seitenfläche K1 der Batteriemodule M1' in Berührung, der zweite Flachrohrabschnitt F2' kommt mit einer zweiten Seitenfläche K2 der Batteriemodule M1' in Berührung und der dritte Flachrohrabschnitt F3' kommt mit einer dritten Seitenfläche K3 der Batteriemodule M1' in Berührung. Der vierte Flachrohrabschnitt F4' kommt mit dem Steuermodul (Leistungselektronik) E' in Berührung, wobei der erste Flachrohrabschnitt F1' und der vierte Flachrohrabschnitt F4' durch eine Biegung verbunden sind (siehe 4A und 4B oder 5). Zwischen dem ersten und dem zweiten Flachrohrabschnitt und zwischen dem zweiten und dem dritten Flachrohrabschnitt befindet sich ein Übergangsbereich A1'. Der gekrümmte Übergangsbereich A1' hat eine Omega (Ω)-förmige Form und nimmt bedingte Längenänderungen eines angrenzenden Flachrohrabschnitts in dessen Verlaufsrichtung durch biegeelastische Verformung auf. Alternativ kann die Form des Übergangsbereichs A1' haarnadelförmig sein.
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In den 3A, 3B, 3C und 3D sind vier verschiedene Ausführungsformen des Übergangsbereichs schematisch gezeigt. 3A zeigt schematisch einen U-förmigen Übergangsbereich, 3B schematisch zeigt einen Omega (Ω)-förmigen Übergangsbereich, 3C zeigt schematisch einen O-förmigen (ringförmigen) Übergangsbereich und 3D zeigt schematisch einen haarnadelförmigen Übergangsbereich. Die Form des Übergangsbereichs ist nicht auf die Form der 3A bis 3D beschränkt, sondern kann auch eine andere Form haben.
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4A zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Draufsicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1. Die Flachrohranordnung F umfasst einen Biegeabschnitt (B), wobei der Biegeabschnitt (B) so ausgebildet ist, dass die breite (flache) Seite (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F mit der Elektronik E und der Längsseite des Batteriemoduls M1 anliegt. Dies wird realisiert, indem die Flachrohranordnung F in vertikaler Richtung in Bezug auf den Boden, in dem das Batteriemodul platziert ist, gebogen wird und dann die Flachrohranordnung F in horizontaler Richtung in Bezug auf den Boden gebogen wird.
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4B zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Seitenansicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1. Die Flachrohranordnung F umfasst einen Biegeabschnitt B, wobei der Biegeabschnitt B so ausgebildet ist, dass die breite (flache) Seite (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F mit der Elektronik E und der Längsseite der Batteriemodul M1 in Kontakt steht. Dies wird realisiert, indem die Flachrohranordnung F in vertikaler Richtung in Bezug auf den Boden, in dem das Batteriemodul platziert ist, gebogen wird und dann die Flachrohranordnung F in horizontaler Richtung in Bezug auf den Boden gebogen wird.
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5 zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine vergrößerte Ansicht der Flachrohranordnung an der Verbindungsstelle zwischen dem Batteriemodul M1 und dem Steuermodul (Leistungselektronik) E aus 1. Flachrohranordnung F umfasst einen Biegeabschnitt B, der die in verschiedenen Ebenen verlaufenden Flachrohrabschnitte verbindet. Der Biegeabschnitt B hat eine verdrehte Form (schraubenförmig/spiralförmig) und kann beispielsweise durch Biegen der Flachrohranordnung F um 90° nach rechts/linkts entstehen.
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6 zeigt schematisch, als ein weiteres Ausführungsbeispiel, eine Draufsicht auf ein Batteriesystem mit einer erfindungsgemäßen Flachrohranordnung. Das Batteriesystem umfasst sechs Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6', eine Elektronik (Leistungselektronik) E' und eine Flachrohranordnung F'. Die jeweiligen Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' sind Quader, die aus einer langen und einer kurzen Seite bestehen. Die Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' sind Stromspeicher und bestehen aus vielen einzelnen Zellen. Die Elektronik (Leistungselektronik) E' steuert den Energiefluss. Die Elektronik (Leistungselektronik) E' kann auch als ein Wechselrichter dienen, der den in den Batteriemodulen M1', M2', M3', M4', M5' und M6' gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom für den E-Motor umwandelt. Die Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' sind mit der Elektronik (Leistungselektronik) E' durch ein Hochvolt-Kabel H' verbunden. Die Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' sind in drei Reihen angeordnet, wobei jede Reihe aus zwei Batteriemodulen besteht. Jedes der Batteriemodule in derselben Reihe wird mit einem Abstand zwischen den Batteriemodulen angeordnet. Die Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' arbeiten mit hohen Spannungen. Die Flachrohranordnung F' befindet sich zwischen den Batteriemodulen M1' und M2', den Batteriemodulen M3' und M4' sowie den Batteriemodulen M5' und M6', um die erzeugte Wärme abzukühlen. Die Flachrohranordnung F' besteht aus drei parallelen Strömungspfaden PF1, PF2 und PF3. Eine detailliertere Erklärung zur Gestaltung der Flachrohranordnung F' ist in 6 zu finden. Ein Kältemittel, zum Beispiel das Kältemittel R744, strömt am Rohreinlass E1' zur Flachrohranordnung F', durchströmt die Flachrohranordnung und wird am Rohrauslass E2' abgeführt F'. Die flache Seite der Flachrohranordnung F' kommt mit der Längsseite der Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' und mit der Elektronik (Leistungselektronik) E' in Berührung (siehe 4A und 4B oder 5). In anderen Worten, die breite Seite (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F' legt sich parallel an die Längsseite der Batteriemodule M1', M2', M3', M4', M5' und M6' an, wobei die Höhe (Fh in 8A) der Flachrohranordnung F' dem Abstand zwischen den Batteriemodulen M1', M2', M3', M4', M5' und M6' entspricht. Weiterhin umfasst die Flachrohranordnung F' gekrümmte Übergangsbereiche (Toleranzausgleichselemente) A1', A2', A3', A4', A5', A6' und A7', die durch Biegung außerhalb der Kontaktfläche zu den Batteriemodulen M1', M2', M3', M4', M5' und M6' gewährleistet werden. Die gekrümmten Übergangsbereiche A1', A2', A3', A4', A5', A6' und A7' befinden sich zwischen den Batteriemodulen M1' und M2', den Batteriemodulen M3' und M4' sowie den Batteriemodulen M5' und M6'. Die gekrümmten Übergangsbereiche A1', A2', A3', A4', A5', A6' und A7' dienen als Wärmetauscher und bieten Längentoleranz, so dass die Flachrohranordnung F robuster gegen thermische Ausdehnung ist.
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Sechs Batteriemodule sind in 6 dargestellt, die Anzahl der Batteriemodule ist jedoch nicht auf sechs Batteriemodule beschränkt. Das Batteriesystem kann aus mehr als sechs oder aus weniger Batteriemodulen bestehen. Vorzugsweise kann das Batteriesystem aus zwölf Batteriemodulen bestehen.
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7 zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, ein Batteriemodul und eine Flachrohranordnung. Das Batteriemodul M ist ein Quader, mit Kantenlängen Mh, Mb und MI. Die Kantenlänge Mh ist die Höhe des Batteriemoduls M, die Kantenlänge Mb ist die Breite des Batteriemoduls M und die Kantenlänge MI ist die Länge des Batteriemoduls M. Vorzugsweise ist die Kantenlänge MI länger als die Kantenlänge Mb, aber die Erfindung ist nicht auf die Konstruktion des Batteriemoduls beschränkt. Der Flachbereich (56a, 56b in 8A) der Flachrohranordnung F kommt an den Seitenflächen mit der Kantenlänge MI mit dem Batteriemodul M in Kontakt / in Berührung. Die Breite Fb der Flachrohranordnung F hat eine Größe, die mindestens 50%, bevorzugt 65% und besonderes bevorzugt 85% der Höhe Mh des Batteriemoduls M entspricht.
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8A zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine senkrecht verlaufende Flachrohranordnung. Die Flachrohranordnung F ist ein Flachrohr, bestehend aus einem ersten flachen Bereich 56a und einem zweiten flachen Bereich 56b, die der Breite Fb der Flachrohranordnung F entsprechen. Weiterhin besteht die Flachrohranordnung F aus einer ersten Höhenseite 56c und einer zweiten Höhenseite 56d, die der Höhe Fh der Flachrohranordnung F entsprechen. Bei einer senkrecht verlaufenden Flachrohranordnung F wird die Höhenseite 56c oder 56d auf den Boden gelegt. Die senkrecht verlaufende Flachrohranordnung F kann um die breite Seite (in z2-Richtung) der Flachrohranordnung F gebogen werden, um ohne weitere Verbindungsstellen einen Anschluss der Kältemittelleitung zu verbauen oder ein Toleranzausgleichselement (A1, A2, A3, A4, A5 oder A6 in 1; A1', A2', A3', A4', A5', A6' oder A7' in 6) zu bilden. Ferner kann die Flachrohranordnung F auch um die hohe Seite (in z1-Richtung) der Flachrohranordnung F gebogen werden, um ohne weitere Verbindungsstellen einen Anschluss der Kältemittelleitung zu verbauen.
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8B zeigt schematisch, als ein Ausführungsbeispiel, eine waagerecht verlaufende Flachrohranordnung. Die Flachrohranordnung F ist ein Flachrohr, bestehend aus einem ersten flachen Bereich 56a und einem zweiten flachen Bereich 56b, die der Breite Fb der Flachrohranordnung F entsprechen. Weiterhin besteht die Flachrohranordnung F aus einer ersten Höhenseite 56c und einer zweiten Höhenseite 56b, die der Höhe Fh der Flachrohranordnung F entsprechen. Bei einer waagerecht verlaufenden Flachrohranordnung F wird der flache Bereich 56a oder 56b auf den Boden gelegt. Die waagerecht verlaufende Flachrohranordnung F kann um die breite Seite (in z2-Richtung) der Flachrohranordnung F gebogen werden, wodurch die Batteriemodule (M1, M2, M3, M4, M5 oder M6 in 1; M1', M2', M3', M4', M5' oder M6' in 6) mit der Flachseite 56a und/oder 56b der Flachrohranordnung F im Berührung kommen. Ferner kann die Flachrohranordnung F auch um die hohe Seite (in z1-Richtung) der Flachrohranordnung F gebogen werden, um ohne weitere Verbindungsstellen einen Anschluss der Kältemittelleitung zu verbauen.
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Die Flachrohranordnung F kann eine einteilige Flachrohranordnung sein, die aus mehreren Biegungen entsteht. Alternativ kann die Flachrohranordnung F aus senkrecht verlaufenden Teilen und waagerecht verlaufenden Teilen bestehen, die durch eine Kopplung verbunden sind. Falls die Flachrohranordnung F aus mehreren senkrecht und waagerecht verlaufenden Teilen besteht, kann der flache Bereich der senkrecht verlaufenden Teile die Längsseite eines Batteriemoduls und der flache Bereich der waagerecht verlaufenden Teile die Unter-/ Oberseite des Batteriemoduls berühren. Somit kann das Batteriemodul von allen Seiten gekühlt werden.
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9 zeigt schematisch als ein Ausführungsbeispiel, einen Querschnitt längs einer Breite der Flachrohranordnung. Die Flachrohranordnung F dient zur Durchleitung eines Kältemittels (nicht gezeigt) und umfasst eine Rohrwand 56 die den Innenraum der Flachrohranordnung F begrenzt. Die Rohrwand 56 weist einen ersten Flachbereich 56a und einen zweiten Flachbereich 56b auf. Die beiden Flachbereiche sind gegenüberliegend zueinander angeordnet. Die Flachrohranordnung F beinhaltet ferner vier Stege S1, S2, S3 und S4 welche den ersten Flachbereich 56a und den zweiten Flachbereich 56b verbinden. Die Stege sind senkrecht (in z-Richtung) auf den Flachbereichen angeordnet und erstrecken sich längs der Flachrohranordnung F. Dabei definieren sie Wandlungen nebeneinander angeordneter Fluidräume R1, R2, R3, R4 und R5. Die Fluidräume R1, R2, R3, R4 und R5 sind hier als parallel zueinander angeordnete Kanalabschnitte eines beispielsweise serpentinenartig verlaufenden Kanals, der die Flachrohranordnung F dargestellt. Die Flachrohranordnung F kann einen oder auch mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle beinhalten, wobei das Flachrohr im Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip von dem Fluid durchströmt werden kann.
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Die Enden eines Fluidraumes R1, R2, R3, R4 und R5 sind entweder mit einem parallel angeordneten Fluidraum und/oder einem Rohreinlass und/oder einem Rohrauslass verbunden (nicht gezeigt).
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Die Form der Flachrohranordnung F ist nicht auf die Form von 9 beschränkt. Zum Beispiel können die Stege der Flachrohranordnung F geneigt sein, ein C-förmiges Querschnittsprofil, ein wellenförmiges Profil oder ein Zickzackprofil haben. Ferner sind die Anzahl der Stege und die daraus resultierenden Fluidräume nicht auf fünf begrenzt, sondern können auch mehr oder weniger sein.
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Bezugszeichenliste
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- F; F'
- Flachrohranordnung
- B
- Biegeabschnitt
- E; E'
- Elektronik
- M1, M2, M3, M4, M5, M6
- Batteriemodule
- M1', M2', M3', M4', M5' M6'
- Batteriemodule
- A1, A2, A3, A4, A5, A6
- Toleranzausgleichselement
- A1', A2', A3', A4', A5', A6'
- Toleranzausgleichselement
- H;H'
- Hochvolt-Kabel
- E1;E1'
- Einlass (Rohreinlass)
- E1;E2'
- Auslass (Rohrauslass)
- Mh
- Höhe eines Batteriemoduls
- MI
- Länge eines Batteriemoduls
- Mb
- Breite eines Batteriemoduls
- 56a
- erster flacher Bereich eines Batterie-Kühlsystems
- 56b
- zweiter flacher Bereich einer Flachrohranordnung
- 56c; 56d
- Höhenseite einer Flachrohranordnung
- Fb
- Breite einer Flachrohranordnung
- Fh
- Höhe einer Flachrohranordnung
- S1, S2, S3, S4
- Stege
- R1, R2, R3, R4, R5
- Fluidräume
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005052683 A1 [0003]
- US 2016/0149276 A1 [0003]
