DE102020125451A1

DE102020125451A1 - Kühlvorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie

Info

Publication number: DE102020125451A1
Application number: DE102020125451.2A
Authority: DE
Inventors: Pierre Woltmann; Stefan Gaigg; Thomas Haidwagner; Franz Pöhn
Original assignee: Miba Emobility GmbH; Audi AG
Current assignee: Miba Emobility GmbH; Audi AG
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US20230335832A1; WO2022069537A1; EP4222804A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1), wobei die Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, und wobei zumindest einer der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul einer wiederaufladbaren Batterie, wobei die Vorrichtung mehrere Kühlmittelkanäle aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden.
Weiter betrifft die Erfindung eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Speichermodul für elektrische Energie und zumindest einer Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul.
Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit zumindest einer wiederaufladbaren Batterie.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul einer wiederaufladbaren Batterie, wobei in der Vorrichtung mehrere Kühlmittelkanäle ausgebildet werden, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden.
Die Lebensdauer und die Effektivität sowie auch die Sicherheit einer wiederaufladbaren Batterie für die sogenannte E-Mobility hängen unter anderem auch von der Temperatur im Betrieb ab. Aus diesem Grund wurden schon verschiedenste Konzepte für die Kühlung bzw. Temperierung der Akkumulatoren vorgeschlagen. Im Wesentlichen lassen sich die Konzepte in zwei Typen unterteilen, nämlich die Luftkühlung sowie die Wasserkühlung bzw. generell die Kühlung mit Flüssigkeiten.
Für die Wasserkühlung werden Kühlkörper verwendet, in denen zumindest ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist. Diese Kühlköper werden zwischen den einzelnen Modulen des Akkumulators oder auf den Modulen angeordnet. Ein Modul ist dabei eine selbstständige Einheit des Akkumulators, also nicht zwingend nur eine Zelle.
Bei der Anordnung auf den Modulen werden die Kühlkörper üblicherweise so gestaltet, dass sie sämtliche Module des Akkumulators abdecken. Dabei tritt aber das Problem auf, dass aufgrund von Toleranzen, etc., der Kühlkörper nicht gleichmäßig an den Modulen anliegt. Um dem Abzuhelfen, wird der Kühlkörper mit jedem einzelnen Modul verschraubt. Damit ist aber der Nachteil verbunden, dass die Herstellung des Akkumulators entsprechend aufwändig und damit kostenintensiv ist. Dies wiederum verschlechtert die Akzeptanz der E-Mobility an sich.
Neben derartigen Kühlkörpern sind im Stand der Technik auch schon Kühlvorrichtungen beschrieben worden, die flexibel sind und sich somit an den Untergrund anpassen zu können. So beschreibt z.B. die AT 520 018 A1 einen Akkumulator mit zumindest einem Speichermodul für elektrische Energie und zumindest einer Kühlvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul, wobei die Kühlvorrichtung zumindest einen Kühlmittelkanal, zumindest einen Kühlmitteleinlass und zumindest einen Kühlmittelauslass aufweist, und wobei die Kühlvorrichtung ein- oder mehrschichtige Folien aufweist. Der Kühlmittelkanal ist von den Folien und zwischen diesen ausgebildet. Weiter liegt die Kühlvorrichtung mit einer der Folien an dem zumindest einen Speichermodul an.
Generell tritt bei derartigen Kühlern das Problem auf, dass über den gesamten Kühler gesehen unterschiedliche Volumenströme auftreten können. Dies führt zu unterschiedlich gekühlten Zellen des Akkumulators, womit in weiterer Folge auch die Leistungsfähigkeit des Akkumulators über die Zeitdauer seiner Nutzung durch unterschiedliche Alterung seiner Zellen sinkt. Um dem entgegenzuwirken werden die Fluidkanäle unter den Modulen werden sehr lang gestaltet, um so einen hohen Druckverlust zu erreichen welcher die Vergleichmäßigung ermöglicht. Es ist auch möglich, die Länge der Kühlmittelkanäle entsprechend dem Teichelmannprinzip vorzusehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Einsetzbarkeit der beschriebenen Kühlvorrichtung in einem Elektrofahrzeug bzw. die Kühlung einer Batterie in einem Elektrofahrzeug zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit der eingangs genannten Vorrichtung gelöst, die in zumindest einem der Kühlmittelkanäle ein Querschnittsverengungselement mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung bei der eingangs genannten Batterie dadurch gelöst, dass diese die Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest Speichermodul nach der Erfindung aufweist.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Fahrzeug gelöst, das die Batterie nach der Erfindung aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass in zumindest einem der Kühlmittelkanäle ein Querschnittsverengungselement mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel angeordnet wird.
Durch die in dem zumindest einen Kühlmittelkanal vorgesehene Querschnittsverengung, wird ein erhöhter Druckverlust erzeugt. Damit wird es möglich, in den Kühlmittelkanälen zumindest annährend denselben Durchfluss (Volumenstrom pro Zeiteinheit) zu erreichen. Somit kann auf sehr lange Kanäle oder komplexe Kühlmittelführung außerhalb der Batterie verzichtet werden. Zudem kann auf einige der bei sehr langen Kühlmittelkanälen erforderlichen Schweißnähte verzichtet werden, womit das Risiko für Undichtheiten im Kühlmittelkreislauf reduziert werden kann. Darüber hinaus kann diese zumindest annähernde Vergleichmäßigung der Volumenströme durch die Kühlmittelkanäle mit gleicher Strömungsrichtung mit relativ einfachen Mitteln erreicht werden, womit die Herstellung der Vorrichtung bzw. des diese aufweisenden Kühlsystems vereinfacht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement ein in den Kühlmittelkanal eingesetztes Element ist. Es ist damit möglich, das Querschnittsverengungselement einfacher an die durch die Querschnittsverengung verursachten höheren Materialbelastungen anzupassen, ohne die gesamte Vorrichtung diesbezüglich ändern zu müssen. Darüber hinaus ist dadurch das Querschnittsverengungselemente flexibler in der Vorrichtung platzierbar, womit ein höherer Vorfertigungsgrad der Vorrichtung bzw. Vorrichtungen unterschiedlichster Größe mit einer höheren Anzahl an Gleichteilen aufgebaut werden können. Zudem ist es damit einfacher möglich, einen minimalen Strömungsquerschnitt aufrecht zu erhalten, selbst wenn die Vorrichtung großteils aus einem flexiblen Material besteht.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittverengungselement durch eine Verformung des Kühlmittelkanals gebildet ist. Mit dieser Ausführungsvariante können ein Materialmix und die damit verbundenen Probleme einfacher vermieden werden. Zudem kann die Ausbildung des Querschnittsverengungselements bereits mit der Herstellung der Kühlmittelkanäle erfolgen, womit zusätzliche Arbeitsschritte für die Herstellung der Vorrichtung gegebenenfalls vermieden werden können.
Es kann aber nach weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal eingesetztes Querschnittsverengungselement als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals gebildetes Querschnittsverengungselement aufweist, womit eine Kombination der voranstehend beschriebenen Effekte erzielbar ist.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine erste ein- oder mehrschichtige Folie aufweist, die einen Teil der Kühlmittelkanäle bildet. Von Vorteil ist dabei, dass sich die flexible Folie besser an die Flächen der wiederaufladbaren Batterie bzw. deren Speichermodule für elektrische Energie anlegt, wodurch die Wärmeübertragung in das Kühlmittel verbessert werden kann. Zudem kann durch die Folie auch eine Gewichtsreduktion erreicht werden, wodurch die Effektivität der E-Mobility durch höhere Reichweiten verbessert werden kann. Diese Effekte haben unmittelbar Einfluss auf die Kühlung der Batterie, da beide Effekte eine Reduzierung der Kühlleistung ermöglichen. Dies wiederum begünstigt die einfache Vergleichmäßigung des Volumenstroms an Kühlmittel, das durch die Kühlmittelkanäle strömt.
Zur weiteren Verbesserung dieser Effekte kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine weitere ein- oder mehrschichtige Folie aufweist, die zusammen mit der ersten ein- oder mehrschichtigen Folie die Kühlmittelkanäle ausbildet.
In einer einfachen Ausführung des Querschnittsverengungselement kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass dieses blendenförmig ausgebildet ist.
Eine größere Anpassbarkeit der Volumenstromänderung bzw. Volumenstromanpassung bietet jedoch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, wonach vorgesehen sein kann, dass das Querschnittsverengungselement mit einem stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist. Dieser stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt erlaubt zudem die Ausbildung eines günstigen Strömungsprofils in den Kühlmittelkanälen.
Zur weiteren Verbesserung der Strömungsverhältnisse kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement nach dem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement eine Länge in Strömungsrichtung aufweist, wobei ein Verhältnis von Länge zu kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts zwischen 2 und 10 beträgt, da in diesem Bereich eine gute Anpassbarkeit von Volumenstrom und Druckverlust in den Kühlmittelkanälen der Vorrichtung erzielbar ist.
Eine bessere Anbindung des Querschnittselements an die Wandungen des Kühlmittelkanäle kann erreicht werden, wenn das Querschnittsverengungselement nach einer weiteren Ausführungsvariante zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff besteht.
Es ist damit gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens gegebenenfalls auch möglich, dass das Querschnittsverengungselement bereits bei der Ausbildung der Kühlmittelkanäle in diesen angeordnet wird und insbesondere mit diesen verbunden wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

1 Eine wiederaufladbare Batterie in Schrägansicht mit einer Kühlvorrichtung;
2 Die Batterie nach 1 in Schrägansicht ohne Kühlvorrichtung;
3 Einen Ausschnitt aus einer Kühlvorrichtung im Querschnitt;
4 Einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung mit einem Querschnittsverengungselement;
5 Einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung mit einem Querschnittsverengungselement;
6 Ein Fahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterie.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In den 1 und 2 ist eine wiederaufladbare Batterie 1, auch als Akkumulator bezeichenbar (im Folgenden nur mehr als Batterie 1 bezeichnet), in Schrägansicht dargestellt, wobei die 1 die Batterie 1 mit einer Vorrichtung 2 zur Kühlung oder Temperierung (im Folgenden nur mehr als Vorrichtung 2 bezeichnet) und die 2 die Batterie 1 ohne diese Vorrichtung 2 zeigt.
Die Batterie 1 umfasst mehrere Speichermodule 3 für elektrische Energie. Im dargestellten Beispiel sind es 16 Speichermodule 3. Diese Anzahl ist aber nicht beschränkend zu verstehen.
Die Speichermodule 3 können mehrere Zellen aufweisen.
Da der prinzipielle Aufbau derartiger Batterien 1 für die E-Mobility aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt ist, sei zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen.
Wie aus dem Vergleich der beiden 1 und 2 zu ersehen ist, ist die Vorrichtung 2 an einer Seite der Batterie 1 angeordnet, insbesondere oben. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die Vorrichtung 2 an mehreren Seiten der Batterie 1 angeordnet ist und sich über zumindest zwei Oberflächen der Batterie 1 erstreckt, beispielsweise oben und seitlich und gegebenenfalls unten.
Die Vorrichtung 2 kann sich über sämtliche Speichermodule 3, insbesondere deren Oberseite, erstrecken (wie dies aus 1 ersichtlich ist), damit mit nur einer Vorrichtung 2 sämtliche Speichermodule 3 gekühlt werden können. Prinzipiell ist es aber auch möglich, in der Batterie 1 bzw. an der Batterie 1 mehrere Vorrichtungen 2 vorzusehen, beispielsweise zwei oder drei oder vier, sodass also beispielsweise die Speichermodule 3 auf zwei oder drei oder vier, etc. Vorrichtungen 2 aufgeteilt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe Oberseite, etc., auf die Einbaulage der Batterie 1 in einem Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug beziehen.
In 3 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 im Querschnitt dargestellt.
Die Vorrichtung 2 kann gemäß dieser Ausführungsvariante eine erste ein- oder mehrschichtige Folie 4 aufweisen. Mit dieser ersten Folie 4 kann die Vorrichtung 2 an dem Speichermodul 3 oder den Speichermodulen 3 anliegen, insbesondere unmittelbar. Die Anlage erfolgt beispielsweise an der Oberseite der Speichermodule 3, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Nachdem die erste Folie 4 flexibel ist, also nicht steif ist, kann sich diese erste Folie 4 an Unebenheiten der Speichermodule 3 oder zwischen den Speichermodulen 3 besser anpassen. Eine Ausgleichsmasse zwischen der Vorrichtung 2 und den Speichermodulen 3 ist nicht erforderlich. Es kann damit die Wärmeübertragung von den Speichermodulen 3 in die Vorrichtung 2 verbessert werden.
Bei der Ausführungsvariante des Vorrichtung 2 nach 3 ist diese erste Folie 4 mit einer weiteren Folie 5 verbunden. Diese weitere Folie 5 ist ebenfalls mehrschichtig ausgebildet, kann aber auch einschichtig ausgebildet sein. Zwischen der weiteren Folie 5 und der ersten Folie 4 sind mehrere Kühlmittelkanäle 6 ausgebildet. Dazu kann die weitere Folie 5 mit der ersten Folie 4 über Stege 7 verbunden sein. Die Stege 7 können beispielsweise während der Verbindung der ersten mit der weiteren Folie 4, 5, z.B. durch Heißsiegeln oder Verkleben, gebildet werden. Es sind aber auch Ausführungen der Vorrichtung 1 ohne diese Stege 7 möglich.
Es ist weiter möglich, dass die Vorrichtung 2 anstelle der weiteren Folie 5 ein starres Element, beispielsweise die Abdeckung der Batterie 1, aufweist, mit dem die erste Folie 4 verbunden ist. In diesem Fall werden die Kühlmittelkanäle 6 zum Teil durch die erste Folie 4 und zum Teil durch dieses starre Element gebildet. Die Verbindung zwischen der ersten Folie 4 und dem starren Element zur Ausbildung der Kühlmittelkanäle 6 kann über die Stege 7 erfolgen. Das starre Element kann z.B. aus einem Metall oder einem Kunststoff, z.B. einem Duroplast oder einem Thermoplast, bestehen.
Nach einer anderen Ausführungsvariante kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weder die erste noch die weitere Folie 4, 5 aufweist, sondern nur ein starres Element aufweist, beispielsweise aus einem Metall.
Die erste Folie 4 kann mit der weiteren Folie 5 oder dem starren Element verklebt sein. Es können aber auch andere Verbindungstechniken angewandt werden, um die erste Folie 4 mit der weiteren Folie 5 oder dem starren Element zu verbinden. Die Verbindungstechniken werden vorzugsweise derart gewählt, dass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine flüssigkeitsdichte Ausführung der Verbindung zu erhalten.
Der jeweils optimierte Verlauf der Kühlmittelkanäle 6 richtet sich u.a. nach der Wärmemenge, die abzuführen ist, der Geometrie der Batterie 1, etc.
Wie bereits ausgeführt, können die erste Folie 4 und/oder die weitere Folie 5 auch mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere können sie aus einem Laminat bestehen.
In der bevorzugten Ausführungsvariante weist die erste Folie 4 eine erste Kunststoffschicht 8, eine zweite Kunststoffschicht 9, und eine zwischen den beiden Kunststoffschichten angeordnete Schicht 10 auf bzw. besteht daraus. Wie bereits erwähnt, kann die erste Folie 4 aber auch einschichtig ausgebildet sein und weist dann die erste Kunststoffschicht 8 auf, die gegebenenfalls (faser)verstärkt ausgebildet ist.
Sofern die weitere Folie 5 gleich aufgebaut ist, kann sie eine erste Kunststoffschicht 11, eine zweite Kunststoffschicht 12, und eine zwischen den beiden Kunststoffschichten angeordnete Schicht 13 aufweisen oder daraus bestehen. Sie kann aber auch nur aus einer der oder beiden, gegebenenfalls (faser)verstärkten, Kunststoffschicht(en) 11, 12 bestehen.
Gegebenenfalls kann/können die erste Folie 4 und/oder die weitere Folie 5 eine, insbesondere mit der ersten Kunststoffschicht 8, 11 verbundene, Verstärkungsschicht 14, 15 aufweisen, die gegebenenfalls auch mit der Schicht 10, 13 verbunden sein oder diese ersetzen kann. Es ist auch möglich, dass die erste Kunststoffschicht 8, 11 oder die zweite Kunststoffschicht 9, 12 durch die Verstärkungsschicht 14, 15 ersetzt ist.
Prinzipiell können auch andere Laminate verwendet werden. Beispielsweis kann nur die erste Folie 4 mit der Schicht 10 oder nur die weitere Folie 5 mit der Schicht 13 versehen sein. Ebenso sind zweischichtige oder mehr als dreischichtige Aufbauten der ersten Folie 4 und/oder der weiteren Folie 5 möglich. Bevorzugt sind die Folie 4 und die weitere Folie 5 jedoch gleich ausgebildet.
Die Kühlmittelkanäle 6 sind bei dieser Ausführungsvariante nicht durch gesonderte Bauteile, sondern durch die nur partielle Verbindung der ersten Folie 4 mit der weiteren Folien 5 oder dem starren Element gebildet. Die Wand bzw. die Wände des zumindest einen Kühlmittelkanals 6 werden also durch die erste Folie 4 und die weitere Folie 5 oder das starre Element gebildet, vorzugsweise jeweils zur Hälfte.
Die Schicht 10, 13 kann elektrisch leitfähig sein. Sie kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einem elektrisch leitfähigen Elastomer, bestehen oder aus einem elektrisch leitfähigen Lack hergestellt sein. Dazu können dem jeweiligen Basismaterial elektrisch leitfähige Partikel, wie z.B. Grafit, Metallpartikel, etc., zugemischt sein. Die Schicht 10, 11 kann auch als Metallschicht oder als metallisierte Kunststoffschicht ausgebildet sein.
Die erste Kunststoffschicht(en) 8, 11 und/oder die weiteren Kunststoffschicht(en) 9, 12 und/oder die metallisierte Kunststoffschicht(en) besteht/bestehen bevorzugt zu zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zu zumindest 90 Gew.-%, aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Elastomer. Der thermoplastische Kunststoff kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), insbesondere PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), vernetzte Polyolefine, bevorzugt Polypropylen (PP). Das Elastomer kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus thermoplastischen Elastomeren wie z.B. thermoplastische Vulkanisate, olefin-, amin-, ester-basierende, thermoplastische Polyurethane, insbesondere thermoplastische Elastomere auf Ether-/Ester Basis, Styrol-Block-Copolymere, Silikonelastomere.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einem Kunststoff ein synthetisches oder natürliches Polymer verstanden wird, das aus entsprechenden Monomeren hergestellt ist.
Vorzugsweise besteht/bestehen die erste Kunststoffschicht(en) 8, 11 und/oder die weitere Kunststoffschicht(en) 9, 12 und/oder die metallisierte Kunststoffschicht(en) aus einer sogenannten Siegelfolie. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Schichten direkt miteinander verbunden werden können.
Es ist aber auch möglich, andere Kunststoffe, wie z.B. duroplastische Kunststoffe bzw. duroplastische Werkstoffe einzusetzen, die dann beispielsweise mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Zweikomponenten Klebstoffsysteme auf Polyurethanbasis oder Silikonbasis oder auch Heißklebesysteme.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass zu Herstellung der ersten und/oder der weiteren Folie 4, 5 Einzelfolien aus den jeweiligen Materialien eingesetzt werden können, die miteinander verbunden werden.
Bevorzugt umfasst/umfassen die gegebenenfalls vorhandenen Verstärkungsschicht(en) 14, 15 eine oder besteht/bestehen aus einer Faserverstärkung, die bevorzugt als eigene Schicht ausgebildet ist. Die Faserverstärkung kann aus Fasern und/oder Fäden gebildet sein, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Mineralfasern, wie beispielsweise Basaltfasern, Naturfasern, wie z.B. Hanf, Sisal, und Kombinationen daraus.
Bevorzugt werden Glasfasern als Faserverstärkungsschicht eingesetzt. Der Anteil der Fasern, insbesondere der Glasfasern, an der Faserverstärkung kann zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zumindest 90 Gew.-% betragen. Bevorzugt bestehen die Fasern und/oder Fäden der Faserverstärkung ausschließlich aus Glasfasern.
Die Fasern und/oder Fäden können in der Faserverstärkung als Gelege, beispielsweise als Vlies, vorliegen. Bevorzugt wird jedoch ein Gewebe oder ein Gestrick aus den Fasern und/oder Fäden. Es ist dabei auch möglich, dass das Gewebe oder Gestrick nur bereichsweise vorliegt und die restlichen Bereiche der Faserverstärkung durch ein Gelege gebildet werden.
Es ist auch möglich, dass gummierte Fasern und/oder Fäden als bzw. für die Faserverstärkung eingesetzt werden.
Bei Verwendung eines Gewebes sind unterschiedliche Bindungsarten, insbesondere Lein-wand-, Köper- oder Atlasbindung, möglich. Bevorzugt wird eine Leinwandbindung eingesetzt.
Es ist aber auch möglich, ein offenmaschiges Glasgewebe oder Glasgelege zu verwenden.
Als Faserverstärkung kann auch ein beschichtetes Papier verwendet werden. Durch die Beschichtung wird das Papier flüssigkeitsfest ausgerüstet.
Alternativ oder zusätzlich zur Faserverstärkung kann/können die Verstärkungsschicht(en) 14, 15 eine mineralische Füllung aufweisen. Als mineralische Füllung (mineralischer Füllstoff) kann beispielsweise Calziumcarbonat, Talkum, Quarz, Wollastonit, Kaolin oder Glimmer eingesetzt werden.
Die Metallschicht ist insbesondere aus Aluminium gebildet bzw. besteht daraus. Es sind aber auch andere Metalle verwendbar, wie beispielsweise Kupfer oder Silber.
Die Metallschicht kann eine Schichtstärke zwischen 5 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 60 µm und 200 µm, aufweisen.
Die Kunststoffschichten 8, 9, 11, 12 kann/können eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 200 µm aufweisen.
Die Schichtdicke der Verstärkungsschicht(en) 14, 15 kann zwischen 5 µm und 50 µm betragen.
Obwohl die Folien 4, 9 prinzipiell in Form der Einzelfolien zur Herstellung der Vorrichtung 2 eingesetzt werden können, sodass das bzw. die Folienlaminat(e) erst im Zuge der Herstellung der Vorrichtung 2 ausgebildet werden, ist es von Vorteil, wenn die Folien 4, 9 als (laminiertes) Halbzeug eingesetzt werden.
Zur Verbindung der Einzelschichten des Laminats oder der Laminate können diese miteinander über Klebstoffe verklebt werden. Hierzu eignen sich die voranstehend genannten Klebstoffe. Neben Klebstoffen kann auch die Coextrusion und die Extrusionsbeschichtung als Verbindungsmöglichkeit eingesetzt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination möglich, dass mehrere Kunststoffe coextrudiert und mit einer extrusionsbeschichteten Metall- oder (Faser)Verstärkungsschicht miteinander klebekaschiert werden. Generell können sämtliche bekannte Verfahren zur Herstellung von Verbundfolien bzw. Folienlaminaten verwendet werden.
In 4 ist eine Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 dargestellt. Die Vorrichtung weist neben den mehreren Kühlmittelkanälen 6 (es sind nur zwei Kühlmittelkanäle 6 dargestellt, wobei diese Anzahl nicht beschränkend zu verstehen ist) einen Zufuhrkanal 16 und einen Abfuhrkanal 17 auf. Über den Zufuhrkanal 16 wird das Kühlmittel den Kühlmittelkanälen 6 zugeführt und über den Abfuhrkanal 17 wieder abgeführt. Die Kühlmittelkanäle 6 zweigen vom Zufuhrkanal 16 ab und münden in den Abfuhrkanal 17.
Die Vorrichtung 2 kann auch mehr als einen Zufuhrkanal 16 und/oder mehr als einen Abfuhrkanal 17 aufweisen, sodass in diesem Fall die Kühlmittelkanäle 6 auf mehrere Strömungsfelder aufgeteilt sein können.
Wie in 4 anhand von Pfeilen veranschaulicht ist, strömt das Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen 6 in die gleiche Richtung. Insbesondere sind die Kühlmittelkanäle 6 (im Rahmen der Produktionstoleranzen) parallel zueinander ausgerichtet. Die Kühlmittelkanäle 6 können aber auch in zueinander unterschiedlichen Richtungen verlaufen, wobei auch in diesem Fall die Strömungsrichtung des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen 6 als gleich anzusehen ist, wenn diese Kühlmittelkanäle 6 von einem gemeinsamen Zufuhrkanal 16 abzweigen und in einen gemeinsamen Abfuhrkanal 17 münden.
In den Kühlmittelkanälen 6 ist jeweils zumindest ein Querschnittsverengungselement 18 angeordnet. Das Querschnittsverengungselement 18 weist eine Durchtrittsöffnung 19 für das Kühlmittel auf. Die Durchtrittsöffnung 19 hat einen Durchtrittsquerschnitt. Der Durchtrittsquerschnitt kann beispielsweise quadratisch, rechteckig, sechseckig, bzw. generell mehreckig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Durchtrittsquerschnitt aber kreisrund und weist eine Durchmesser 20 auf. Weiter weist das Querschnittsverengungselement 18 in Strömungsrichtung des Kühlmittels eine Länge 21 auf.
Im Rahmen der Erfindung ist es generell möglich, dass von den mehreren Kühlmittelkanälen 6 nur einer oder mehrere oder sämtlich ein Querschnittsverengungselement 18 oder mehrere Querschnittsverengungselemente 18 aufweist/aufweisen. Weiter sind die Querschnittsverengungselemente 18 in 1 im Wesentlichen jeweils in den Kühlmittelkanälen 6 gleich platziert. Sie können aber auch an unterschiedlichen Stellen in den Kühlmittelkanälen 6 platziert werden. Zudem sind die Querschnittsverengungselement 18 in 4 gleich ausgebildet. Sie können aber auch unterschiedlich sein, beispielsweise eine unterschiedliche Länge 21 und/oder einen in Hinblick auf Größe und/oder Form unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitt, insbesondere unterschiedlichen Durchmesser, aufweisen.
Das zumindest eine Querschnittsverengungselement 18 wird in den Kühlmittelkanälen 6 zur Angleichung bzw. Anpassung der Volumenströme an Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle 6, also zwischen Zufuhrkanal 16 und Abfuhrkanal 17, eingesetzt. Für die Ausbildung zumindest annähernd gleicher Volumenströme kann der Fachmann die jeweilige konkrete Platzierung des Querschnittsverengungselements 18 im jeweiligen Kühlmittelkanal 6 und/oder die konkrete Form bzw. Größe des Durchtrittquerschnitts für eine bestimmte Anwendung anhand weniger Versuche eruieren. Diese Platzierung und/oder Ausbildung des Querschnittsverengungselement 18 richtet sich u.a. auch nach der Anzahl und/oder Länge der Kühlmittelkanäle 6, etc.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Querschnittsverengungselement 18 oder die Querschnittsverengungselemente 18 ein Verhältnis von der Länge 21 zur kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts, insbesondere zum kleinsten Durchmesser 20, zwischen 2 und 10, insbesondere zwischen 2 und 7, aufweisen.
In 4 sind im rechten Kühlmittelkanal 6 zwei Ausführungsvarianten des Querschnittsverengungselements 18 gezeigt, nämlich eine blendenförmige Ausführungsvariante (oberes Querschnittsverengungselement 18) und eine zylinderförmige Ausführungsvariante (unteres Querschnittsverengungselement 18). Das blendenförmige Querschnittsverengungselement 18 weist bevorzugt eine Länge 21 in Strömungsrichtung des Kühlmittels auf, die maximal dem 1 ,5-fachen der kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts beträgt.
Die Form des Querschnittsverengungselements 18 kann von der Blendenform oder Zylinderform auch abweichen. Beispielsweise kann das Querschnittsverengungselement 18 auch quaderförmig oder würfelförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist die Erfindung nicht auf die genannten Formen des Querschnittsverengungselements 18 eingeschränkt.
Die Durchtrittsöffnung 19 kann im Rahmen der Erfindung mit gleichbleibender Größe der Querschnittsfläche (in 4 das untere Querschnittsverengungselement 18) oder mit sich verändernder Größe der Querschnittsfläche (in 4 das blendenförmige obere Querschnittsverengungselement 18) ausgebildet sein. Bei der blendenförmigen Ausführungsvariante wird die Durchtrittsöffnung vorzugsweis in Strömungsrichtung des Kühlmittels größer.
In 5 ist ein Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt die Verengung des Strömungsquerschnitts der Kühlmittelkanäle 6 nicht sprunghaft, wie dies bei den Ausführungsvarianten nach 4 der Fall ist, sondern nimmt der Durchtrittsquerschnitt des Querschnittsverengungselements 18 in Strömungsrichtung stetig ab. Die Abnahme kann linear oder entsprechend einer anderen mathematischen Funktion, beispielsweise exponentiell, ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung, die ebenfalls in 5 dargestellt ist, kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement 18 auch mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt (d.h. mit einer stetig zunehmenden Größe des Durchtrittquerschnitts) für das Kühlmittel ausgebildet ist. Der Abschnitt des Querschnittverengungselements 18 mit der stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnittsfläche kann unmittelbar an den Abschnitt mit einer stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnittsfläche oder unmittelbar an einen Abschnitt mit gleichbleibender Größe des Durchtrittsquerschnittfläche anschließen (wie dies in 5 gezeigt ist).
Vorzugsweise sind die Abschnitte mit der abnehmenden und der zunehmenden Größe der Durchtrittsquerschnittsfläche in Strömungsrichtung des Kühlmittels gleich lang. Sie können aber auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. Insbesondere ist das Querschnittsverengungselement 18 hinsichtlich der Veränderung der Größe der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnung 19 symmetrisch ausgebildet. Das Querschnittsverjüngungselement 18 kann beispielsweise sanduhrförmig ausgebildet sein.
Wie aus 5 ersichtlich können Übergänge in das und aus dem Querschnittsverengungselement 18 gerundet ausgeführt sein.
Das Querschnittsverjüngungselement 18 kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung als gesondertes Element ausgebildet sein und in den Kühlmittelkanal 6 eingesetzt sein, wie dies z.B. bei der Ausführungsvariante nach 4 der Fall ist. Vorzugsweise besteht das Querschnittsverjüngungselement 18 dabei zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff, insbesondere aus einem voranstehend zu den Folien 4, 5 genannten Kunststoff.
Nach einer anderen Ausführungsvariante kann auch vorgesehen werden, das Querschnittverengungselement 18 durch eine Verformung des Kühlmittelkanals 6 selbst gebildet ist. Diese Ausführungsvariante ist als Beispiel in 5 dargestellt. Dabei kann das Querschnittsverjüngungselement 18 beispielsweis durch das kontrollierte Eindrücken eine metallischen Kühlmittelkanals 6 zur Ausbildung einer Einschnürung ausgebildet sein. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird die Vorrichtung 2 aber mit den beiden voranstehend genannten ein- oder mehrschichtigen Folien 4, 5 gebildet. Dabei werden die beiden Folien 4, 5 nur partiell miteinander verbunden, wie dies beschrieben worden ist. Zur Ausbildung des zumindest einen Querschnittsverengungselements 18 werden Verbindungsbereiche 22 in diesen Abschnitten größer ausgebildet, als in den restlichen Verbindungsabschnitten der Folien 4, 5 miteinander. Es kann aber auch nicht die Linienführung der Verbindungsbereiche entsprechend geändert werden, sodass also keine vollflächige Verbindung in den Verbindungsbereichen 22 erfolgen muss.
Bei der Ausbildung der Querschnittsverengungselements 18 durch Verformung des jeweiligen Kühlmittelkanals 6 wird dieses vorzugsweise bereits bei der Ausbildung des jeweiligen Kühlmittelkanals 6 in diesem ausgeformt. Dies kann auch mit einem gesonderten Element als Querschnittsverengungselement 18 erfolgen, indem dieses beispielsweise auf eine der beiden Folien 4, 5 aufgelegt wird, und danach die beiden Folien 4, 5 zur Ausbildung der Kühlmittelkanäle 6 partiell miteinander verbunden werden. Das Querschnittsverengungselement 18 kann dabei auch auf zumindest eine der beiden Folien 4, 5 aufgeklebt werden. Gleiches gilt, wenn die Vorrichtung 2 mit nur einer der beiden Folien 4, 5 hergestellt wird und anstelle der anderen Folie 4, 5 ein starres Element eingesetzt wird, wie dies voranstehend ausgeführt wurde.
Es ist jedoch auch möglich, dass in einen aus den beiden Folien 4, 5 oder mit zumindest einer der beiden Folien 4, 5 gebildeten Kühlmittelkanal 6 ein als gesondertes Element ausgebildetes Querschnittsverengungselement 18 eingesetzt und insbesondere mit zumindest einer der beiden Folien 4, 5, insbesondere mit beiden, verbunden wird. Die Verbindung kann beispielsweise thermisch oder mittels eines Klebstoffes erfolgen, wie dies voranstehend zu der Verbindung der beiden Folien 4, 5 miteinander bzw. zur Ausbildung der Laminate für die Folien 4, 5 beschrieben wurde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann auch vorgesehen sein, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal 6 eingesetztes Querschnittsverengungselement 18 als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals 6 gebildetes Querschnittsverengungselement 18 aufweist.
Wie bereits erwähnt, wird die Vorrichtung 2 bevorzugt in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, verwendet. Nur der Vollständigkeit halber ist dazu in 6 ein derartiges Fahrzeug 23 mit eingebauter Batterie 1 dargestellt. Die Batterie 1 kann dabei von zumindest einem Haltelement gehalten sein.
Nur der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass das Kühlfluid eine Flüssigkeit, wie insbesondere Wasser, oder ein Gas sein kann.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Vorrichtung 2 bzw. der Batterie 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Vorrichtung 2 bzw. der Batterie 1 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Vorrichtung
3: Speichermodul
4: Folie
5: Folie
6: Kühlmittelkanal
7: Steg
8: Kunststoffschicht
9: Kunststoffschicht
10: Schicht
11: Kunststoffschicht
12: Kunststoffschicht
13: Schicht
14: Verstärkungsschicht
15: Verstärkungsschicht
16: Zufuhrkanal
17: Abfuhrkanal
18: Querschnittsverengungselement
19: Durchtrittsöffnung
20: Durchmesser
21: Länge
22: Verbindungsbereich
23: Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

AT 520018 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1), wobei die Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) ein in den Kühlmittelkanal (6) eingesetztes Element ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittverengungselement (18) durch eine Verformung des Kühlmittelkanals (6) gebildet ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal (6) eingesetztes Querschnittsverengungselement (18) als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals (6) gebildetes Querschnittsverengungselement (18) aufweist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine erste ein- oder mehrschichtige Folie (4) aufweist, die einen Teil der Kühlmittelkanäle (6) bildet.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine weitere ein- oder mehrschichtige Folie (5) aufweist, die zusammen mit der ersten ein- oder mehrschichtigen Folie (4) die Kühlmittelkanäle (6) ausbildet.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) blendenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) mit einem stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) nach einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) eine Länge (21) in Strömungsrichtung aufweist, wobei ein Verhältnis von Länge (21) zur kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts zwischen 2 und 10 beträgt.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff besteht.
Wiederaufladbare Batterie (1) mit zumindest einem Speichermodul (3) für elektrische Energie und zumindest einer Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
Fahrzeug (22) mit zumindest einer wiederaufladbaren Batterie (1), dadurch gekennzeichnet, dass die wiederaufladbaren Batterie (1) nach Anspruch 12 gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1), wobei in der Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) ausgebildet werden, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) bei der Ausbildung der Kühlmittelkanäle (6) in diesen angeordnet wird.