DE102020134546A1

DE102020134546A1 - Verfahren zum Herstellen eines Temperierelementes für Batterien

Info

Publication number: DE102020134546A1
Application number: DE102020134546.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Brugger; Markus Gebhardt
Original assignee: Cellform IP GmbH and Co KG
Current assignee: Cellform IP GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Temperierelementes (2.1 - 2.3) für Batterien von Elektrofahrzeugen, wobei in dem Temperierelement (2.1 - 2.3) zumindest ein Kanal (5.1 - 5.3) zum Führen eines Kühlmittels vorgesehen wird, soll für das Temperierelement (2.1 - 2.3) zumindest eine Grundplatte (9) mit Höhen (11) und Tiefen (12) für den Kanal (5.1 - 5.3) hergestellt und von zumindest einer Deckplatte (10) abgedeckt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Temperierelementes für Batterien von Elektrofahrzeugen, wobei in dem Temperierelement zumindest ein Kanal zum Führen eines Kühlmittels vorgesehen wird, sowie ein entsprechendes Temperierelement.
Stand der Technik
Bekanntermaßen erwärmen sich Batterien in Elektrofahrzeugen schnell und hoch, so dass diese Batterien gekühlt werden müssen. Hierzu können beispielsweise entsprechende Gebläse dienen, die aber meist nicht ausreichend sind. Deshalb werden in vielen Fällen Kühlelemente diesen Batterien zugeordnet, die an den Batterien anliegen und so eine Kühlung bewirken. Bekannt ist auch, dass derartige Kühlelemente plattenartig ausgebildet sind und miteinander wie bekannte Lattenroste verbunden werden.
Die Kühlelemente selbst werden meist im Strangpressverfahren aus Aluminium hergestellt, wobei die Kanäle, welche meist einen runden oder eckigen Querschnitt haben, von einer Stirnseite des Kühlelementes zur anderen geradlinig verlaufen. Dies hat allerdings den erheblichen Nachteil, dass die Kühlwirkung von einem Einlass an einer Stirnfläche des Kühlelementes zum Auslass an der anderen Stirnfläche des Kühlelementes stark abnimmt, da sich auf dem Weg dazwischen das Kühlmedium durch Übernahme der Wärme aus den Batterien erwärmt. Das Strangpressen erlaubt aber keine andere Möglichkeit der Führung der Kühlkanäle.
Ferner ist bekannt, dass Batterien bei tieferen Temperaturen in ihrer Effizienz stark nachlassen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Temperierelementes, sowie das Temperierelement selbst wesentlich effizienter auszugestalten.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass für das Temperierelement zumindest eine Grundplatte mit Höhen und Tiefen für den Kanal hergestellt und von zumindest einer Deckplatte abgedeckt wird.
Das bedeutet, dass die Möglichkeit eröffnet wird, die Temperierkanäle in dem Temperierelement nicht mehr nur geradlinig von einem Einlass zu einem Auslass verlaufen zu lassen, sondern die Führung der Temperierkanäle innerhalb des Temperierelementes so zu variieren, dass das Temperiermittel möglichst effizient den Batterien zugeführt wird.
Des Weiteren können die Platten relativ dünn gehalten werden, da die geometrische Ausgestaltung in den querschnittlich gewählten S-Formen wie Verstärkungsrippen wirken. Hierdurch ist aber auch der Wärmeübertragungskoeffizient wesentlich besser als bei einem Strangpressprofil. So ist zum Beispiel daran gedacht, auf der der Batterie abgewandten Seite ein dickeres Blech zu verwenden, was zu einer erhöhten Stabilität beiträgt. Auf der der Batterie zugewandten Seite befindet sich dann ein dünneres Blech, das eine bessere Wärmeübertragung gewährleistet.
Für den Werkstoff für die Platten sind an alle Materialien gedacht, die einen guten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere gilt dies für Aluminium, Stahl oder auch Edelstahl. Dies sind aber nur Beispiele.
Vor allem kann aber auch daran gedacht werden, dass die Grundplatte mit den Höhen und Tiefen aus Kunststoff zum Beispiel im Spritzgießverfahren hergestellt wird, was zu einer Kostenreduzierung führt. Eine derartige Kunststoffgrundplatte hat ebenfalls sämtliche Freiheitsgrade einer Kanalführung. Als Abdeckung kann eine dünne Metallfolie aufgebracht, zum Beispiel aufgeklebt werden. Dies ergibt auch einen Gewichtsvorteil.
Ferner ist für die batterieabgewandte Seite auch daran gedacht, die entsprechende Platte aus Kunststoff herzustellen, damit eine Wärmeisolierung nach außen erfolgt. Dies kann natürlich durch eine entsprechende Materialeigenschaft oder auch durch entsprechende Strukturen gefördert werden. Zum Schutz kann diese Kunststoffplatte dann noch nach außen hin von einer Metallfolie überdeckt werden, die beispielsweise aufgedampft wird oder die geprägten Kanäle aufweist, so dass sie auf die Kunststoffplatte aufgeklebt werden kann.
In einem einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, nur in eine der Platten die Höhen und Tiefen einzuformen und die andere Platte als Deckplatte eben auszugestalten. Die Verbindung zwischen beiden Platten erfolgt dann im Bereich der Tiefen, die an die Deckplatte anstoßen. Bevorzugt wird hier ein Laserschweißen, jedoch sollen vom Gedanken der Erfindung auch alle anderen Verbindungsmöglichkeiten umfasst sein. Auf diese Deckplatte könnte dann auch ein Elastomer aufgebracht werden, welches sehr wärmeleitfähig ist. Dieses Elastomer könnte auch bevorzugt flexibel sein, damit eventuell vorhandene Unebenheiten am Boden der Batterien ausgeglichen werden. Bei einem geeigneten Elastomer könnte dieses auch die Deckplatte ersetzen.
Das Herstellen der Höhen und Tiefen in der Platte erfolgt bevorzugt durch Prägen. Von der vorliegenden Erfindung sollen aber auch andere Möglichkeiten, wie beispielsweise ein Tiefziehen od. dgl., umfasst sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind Deckplatte und Grundplatte identisch hergestellt, so dass sie zusammen im Querschnitt einen sehr großen Strömungskanal ausbilden. Zum Verbinden werden die beiden Tiefen aufeinandergestellt und in diesem Bereich zusammengeschweißt.
Bevorzugt weisen die Tiefen eine wesentlich geringere Breite als die Höhen auf, so dass die Höhen für die zu kühlenden Batterien eine relativ große Auflagefläche bilden. Hierdurch wird die Übertragung der Wärme aus den Batterien in das Kühlmedium nochmals verbessert.
Eine weitere Verbesserung der Effizienz kann dadurch erzielt werden, dass vor oder nach dem Einbau der Temperierelemente die Tiefen durch einen Werkstoff gefüllt werden, der eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf das Temperierelement selbst, welches aus einer Grundplatte und/oder einer Deckplatte besteht, wobei in Grundplatte und/oder in Deckplatte Höhen und Tiefen für den Kanal eingeformt sind. Dabei ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Temperierkanäle in dem Temperierelement zwischen den beiden Stirnseiten von einem Einlass zu einem Auslass mäanderartig über die Länge des Temperierelements hin verlaufen. Um auch hier nochmals eine Verbesserung zu erzielen, ist daran gedacht, diese mäanderartig verlaufenden Temperierkanäle auch noch in Wellen zu führen. Auf diese Führung allein soll aber die Erfindung nicht beschränkt sein. Es sind sehr viele Variationen davon denkbar.
Im Rahmen der Erfindung liegt, dass die Temperierelement nicht nur unter den Batterien angeordnet werden können, sondern vor allem auch dazwischen oder darüber. Es ist erfindungsgemäß sogar daran gedacht, die Temperierelement in die Batterien zu integrieren.
Wird das Temperierelement zum Kühlen der Batterien verwendet, so kann dies während der Fahrt erfolgen aber vor allem auch beim Aufladen der Batterien. In diesem Fall wird auch keine Energie aus den Batterien selbst benötigt, sie steht aber selbstverständlich zur Verfügung. Das Aufwärmen der Batterien dürfte allerdings vor allem in der Winterzeit beim Laden der Batterien erfolgen, wobei die Steuerung ähnlich einer bekannten Standheizung vorgenommen werden kann.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

1 eine teilweise dargestellte Draufsicht auf einen Rost mit mehreren Temperierelementen zum Kühlen von nicht näher gezeigten Batterien;
2 eine vergrößert dargestellte Stirnansicht eines Temperierelementes nach dem Stand der Technik;
3 eine graphische Darstellung der Kühlwirkung des Temperierelementes gemäß 2;
4 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Temperierelement;
5 eine verkleinert dargestellte Draufsicht auf ein Temperierelement gemäß 4 mit einer Variation des Verlaufs von Temperierkanälen;
6 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine weitere Möglichkeit des Verlaufs von Temperierkanälen entsprechend 5.

Gemäß 1 ist ein Teil eines „Lattenrostes“ 1 zum Kühlen von nicht näher gezeigten Batterien angedeutet. Die zu kühlenden Batterien befinden sich in Gebrauchslage auf diesem Lattenrost. Der Lattenrost 1 selbst besteht aus einer Mehrzahl von Temperierelementen 2, die beidseitig über je einen Verbindungsstreifen 3.1 bzw. 3.2 miteinander verbunden sind.
Ein Temperierelement 2 nach dem Stand der Technik ist in 2 dargestellt. Es besteht aus einem Strangpressprofil, bevorzugt aus Aluminium, wobei in einen Grundkörper 4 eine Mehrzahl von Kanälen 5 beim Strangpressen selbst mit erzeugt werden.
Gemäß 3 ist über einen Lattenrost 1 der Temperaturverlauf des Kühlmediums nach dem Stand der Technik angedeutet. Ersichtlich ist, dass von einem Einlass 6 auf der einen Stirnseite des Temperierelements 2 bis zu einem Auslass 7 die Kühlwirkung 8 abnimmt, da Temperatur von den Batterien vom Kühlmedium aufgenommen wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Temperierelement 2.1, wie in 4 dargestellt besteht dieses dagegen aus einer Grundplatte 9 und einer Deckplatte 10. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Grundplatte 9 und Deckplatte 10 spiegelsymmetrisch gleich ausgebildet, wobei sowohl Grundplatte 9 als auch Deckplatte 10 jeweils abwechselnd Höhen 11 und Tiefen 12 ausbilden. Beide Platten 9 und 10 liegen mit ihren Tiefen 12 aufeinander und können in diesem Bereich miteinander verbunden, insbesondere miteinander laserverschweißt werden. Auf diese Weise bilden die Höhen 11 die Kanäle 5.1 aus. Während bevorzugt die Tiefen 12 eine relativ geringe Breite bt aufweisen, haben die Höhen 11 eine wesentlich größere Breite bh, so dass von diesen Höhen 11 eine relativ große Anlagefläche 13 für die Batterien ausgebildet wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Temperierelements 2.2 gemäß 5 verlaufen die Temperierkanäle 5.2 über die Breite des Temperierelements 2.2 hinweg mäanderförmig von dem Einlass 6 bis zum Auslass 7. Hierdurch wird das Kühlmedium wesentlich besser über die Fläche des Temperierelements 2.2 verteilt.
Eine noch weitergehende Verbesserung ist in 6 mit dem Temperierelement 2.3 gezeigt, bei dem die mäanderartig geführten Temperierkanäle 5.3 in sich auch noch gewellt sind. Hierdurch wird die Breite des Temperierelements 2.3 noch besser von dem Kühlmedium angeströmt.
Sowohl die Verläufe in 6 als auch 7 können mit mehreren Kanälen parallel ausgeführt werden. Weitere Gestaltungsmöglichkeiten, die durch das Fertigungsverfahren in Betracht gezogen werden können und eine turbulente oder laminare Strömung erzeugen oder unterstützen sind ebenso denkbar.
Außerdem ist neben der generellen Gestaltungsfreiheit des Flussfeldes zum Ausgleich von Temperaturgradienten der Kanal als solches in seiner Auslegung frei wählbar. Das heißt, eine sequentielle Reduzierung oder Erhöhung des hydraulischen Durchmessers des Kanals ist denkbar, ebenso eine generelle Verjüngung zwischen Temperiermitteleinlauf und -auslauf (und umgekehrt) zum Ausgleich von Druckverlusten oder zur Verbesserung der generellen Kühlleistung.
Bezugszeichenliste

1: Lattenrost
2: Temperierelement
3: Verbindungsstreifen
4: Grundkörper
5: Kanal
6: Einlass
7: Auslass
8: Kühlwirkung
9: Grundplatte
10: Deckplatte
11: Höhe
12: Tiefe
13: Anlagefläche
bt: Breite der Tiefe
bh: Breite der Höhe

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Temperierelementes (2.1 - 2.3) für Batterien von Elektrofahrzeugen, wobei in dem Temperierelement (2.1 - 2.3) zumindest ein Kanal (5.1 - 5.3) zum Führen eines Temperiermittels vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das Temperierelement (2.1 - 2.3) zumindest eine Grundplatte (9) mit Höhen (11) und Tiefen (12) für den Kanal (5.1 - 5.3) hergestellt und von zumindest einer Deckplatte (10) abgedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Grundplatte (9) und Deckplatte (10) im Bereich der Tiefen (12) miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Grundplatte und Deckplatte (9) im Bereich der Tiefen (12) durch Laserschweißen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Höhen (11) und Tiefen (12) für den Kanal (5.1 - 5.3) durch Prägen erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (10) bzgl. der Kanalteilung und -abstände identisch mit der Grundplatte (9) ausgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (10) mit ihren Tiefen (12) auf die Tiefen der Grundplatte (9) aufgelegt und dort mit der Grundplatte (9) verbunden wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen (11) eine Anlagefläche für die zu temperierende Batterie ausbilden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser eines oder mehrerer gebildeter Kanäle (5.1 - 5.3) sequentiell oder generell in Flussrichtung des Temperiermittels vergrößert oder verringert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im späteren Verbau der Kühlelemente (2.1 - 2.3) auf die der Batterie zugewandten Seite ein Material in die Vertiefungen bt und/oder auf die Außenseite der Stege 9 und 10 aufgebracht wird, das eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im späteren Verbau der Kühlplatten auf die, der Batterie abgewandten, Seite ein Material in die Vertiefungen bt und/oder auf die Außenseite der Stege 9 und 10 aufgebracht wird, dass eine vergleichsweise niedrigere Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte aus Kunststoff mit den Höhen und Tiefen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte mit den Höhen und Tiefen von einer Metallfolie abgedeckt wird
Temperierelement (2.1 - 2.3) für Batterien von Elektrofahrzeugen, wobei in dem Temperierelement (2.1 - 2.3) zumindest ein Kanal (5.1 - 5.3) zum Führen eines Kühlmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Grundplatte (9) und/oder in einer Deckplatte (10) Höhen (11) und Tiefen (12) für den Kanal (5.1 - 5.3) eingeformt sind.
Temperierelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (5.2) mäanderartig von einem Einlass (6) für das Kühlmedium an einer Stirnseite zu einem gegenüberliegenden Auslass (7) an der anderen Stirnseite führt.
Temperierelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (5.3) wellenförmig verläuft.
Temperierelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (10) eben ausgebildet ist.
Temperierelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Deckplatte (10) ein flexibles Elastomer aufgebracht ist.
Temperierelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte selbst aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff besteht.