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Die Erfindung betrifft ein Temperierelement für Batterien von Elektrofahrzeugen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Ferner ist bekannt, dass Batterien bei tieferen Temperaturen in ihrer Effizienz stark nachlassen.
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Aus der
DE 10 2017 101 142 A1 ist ferner ein Wärmetauscher bekannt, der einen Wärmetauscherrahmen und zumindest einen Kühlmittel-Einlass und zumindest einen Kühlmittel-Auslass umfasst, die am Wärmetauscherrahmen angeordnet sind. Der Kühlmittel-Einlass und der Kühlmittel-Auslass sind über einen, im Wärmetauscherrahmen verlaufenden Kühlmittel-Kanal miteinander verbunden. Dieser umfasst mehrere Turbulenz-Kanal-Abschnitte mit mehreren zugehörigen Segmenten. Diese Abschnitte sind über Umlenktabschnitte zu einem durchgehenden mäanderförmig verlaufenden Kühlmittelkanal verbunden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Temperierelement wesentlich effizienter und in der Herstellung wesentlich günstiger auszugestalten.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
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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.
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Das bedeutet auch, dass das Temperierelement nur noch aus den das Temperiermedium führenden Kanälen bzw. Rohren und den verbindenden Aufsätzen besteht. Sowohl die Herstellung der Kanäle bzw. Rohre als auch der Aufsätze ist wesentlich vereinfacht.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, eine Mehrzahl von Rohre parallel nebeneinander anzuordnen und sie jeweils endwärtig mit den entsprechenden Aufsätzen zu verbinden. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kanäle in einem Strangpressprofil hergestellt werden. Die Verbindung der einzelnen Kanäle erfolgt dann durch einen darauf abgestimmten Aufsatz, der auf die jeweiligen Aus- bzw. Einmündungen geschoben wird. Dieser Aufsatz kann beispielsweise im Spritzgiessverfahren aus Kunststoff hergestellt werden.
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Des Weiteren kann das Temperierelement so hergestellt werden, wie dies in der
DE 10 2020 134 546.1 beschrieben ist. Dort 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.
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Die so gebildeten Strömungskanäle werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls wieder durch einen entsprechenden, oben beschriebenen Aufsatz miteinander verbunden.
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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.
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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.
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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.
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Es 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.
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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.
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Deckplatte und Grundplatte können identisch hergestellt sein, so dass sie zusammen im Querschnitt einen sehr großen Strömungskanal ausbilden. Zum Verbinden werden die beiden Tiefen aufeinandergestellt und in diesem Bereich zusammengeschweißt.
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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.
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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.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist 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.
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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.
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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.
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Figurenbeschreibung
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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 Stirnansicht eines Temperierelements nach dem Stand der Technik;
- 3 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf ein Temperierelement ähnlich 2;
- 4 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperierelements;
- 5 eine verkleinert dargestellte Draufsicht auf ein Temperierelement ähnlich 4 mit einer Variation des Verlaufs von Temperierkanälen;
- 6 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf eine weitere Möglichkeit des Verlaufs von Temperierkanälen entsprechend 5.
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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 Rohren 2, die beidseitig über je einen Verbindungsstreifen 3.1 bzw. 3.2 miteinander verbunden. Jeweils zwei nebeneinanderliegende Rohre 2 sind über einen Aufsatz 20 miteinander verbunden, wobei dieser Aufsatz 20 im inneren hohl ist. Ein Kühlmedium wird von einem Einlass 6 auf diese Weise durch die Rohre 2 und die Aufsätze 20 zu einem Auslass 7 geleitet.
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Ein Temperierelement 1.1 nach 2 und 3 besteht aus einem Strangpressprofil, bevorzugt aus Aluminium, wobei in einen Grundkörper 4 eine Mehrzahl von Kanälen 5 beim Strangpressen selbst mit erzeugt wird. Gemäß 3 ist erkennbar, dass jeweils zwei benachbarte Kanäle 5 über einen Aufsatz 20.1 miteinander verbunden sind.
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Bei einem erfindungsgemäßen Temperierelement 1.2 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.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Temperierelements 1.3 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. Auch hier ist seitlich wieder jeweils ein Aufsatz 20.1 vorgesehen, der das Kühlmedium von einem Kanal 5.2 zum anderen weiterleitet, aber im gezeigten Ausführungsbeispiel einstückig für mehrere Temperierkanäle 5.2 ausgebildet ist.
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Eine noch weitergehende Verbesserung ist in 6 mit dem Temperierelement 1.4 gezeigt, bei dem mäanderartig geführten Temperierkanäle 5.3 in sich auch noch gewellt sind. Hierdurch wird die Breite des Temperierelements 1.4 noch besser von dem Kühlmedium angeströmt. Seitlich ist auch hier ein einstückiger Aufsatz 20.1 angesetzt.
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Weitere Gestaltungsmöglichkeiten, die durch das Fertigungsverfahren in Betracht gezogen werden können und eine turbulente oder laminare Strömung erzeugen oder unterstützen, sind ebenso denkbar.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperierelement
- 2
- Rohr
- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101142 A1 [0005]
- DE 102020134546 [0011]
