-
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
-
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen
US-Anmeldung Nummer 62/287.569 , die am 27. Januar 2016 eingereicht wurde und auf deren Offenbarungsgehalt hier hingewiesen wird.
-
Hintergrund
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Modul, das zum Kühlen einer Fahrzeugkomponente, wie zum Beispiel einer Batterie, verwendet wird. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf eine vereinfachte Anordnung zum Klemmen des thermoelektrischen Moduls zum Verbessern der Wärmeübertragungseffizienz.
-
Lithiumionenakkus werden in PKW und anderen Arten von Fahrzeugen verwendet, um Elektromotoren mit Leistung zu versorgen, die dem Fahrzeug Vortrieb verleihen. Derartige Batterien bzw. Akkus können eine beträchtliche Wärme erzeugen, sodass die Batterie gekühlt werden muss, um eine Verschlechterung der Leistung zu verhindern.
-
Eine Art einer Fahrzeugbatterie-Kühlanordnung wurde vorgeschlagen, die ein thermoelektrisches Modul aufweist, das unter der Batterie und neben einer Kühlplattenanordnung angeordnet ist. Das thermoelektrische Modul weist thermoelektrische Vorrichtungen auf, die aufgrund des Peltier-Effekts betrieben werden, um anliegend an die Batterie eine Kühlung vorzusehen. Durch die thermoelektrische Vorrichtung übertragene Wärme wird an die Kühlplattenanordnung zurückgeleitet, durch die eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann, und an einen Wärmetauscher gesendet.
-
Es ist wünschenswert, das thermoelektrische Modul so zu konstruieren, dass durch manche Komponenten innerhalb des thermoelektrischen Moduls effizient Wärme übertragen wird, während andere Komponenten innerhalb des thermoelektrischen Moduls isoliert werden.
-
Zusammenfassung
-
In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Kühlsystem zur thermischen Konditionierung einer Komponente vorgesehen. Das Kühlsystem weist eine Batterie, die eine erste Seite vorsieht, und eine Kühlplattenanordnung auf, die eine zweite Seite vorsieht. Ein Klemmträger ist vorgesehen, und eine thermoelektrische Vorrichtung ist zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet. Eine Klemmstruktur ist an dem Klemmträger befestigt und wirkt mit der Batterie zusammen, um durch die Batterie und mit der ersten und der zweiten Seite an die thermoelektrische Vorrichtung eine Klemmlast anzulegen.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten weist der Klemmträger die Kühlplattenanordnung und einen Gleichspannungswandler auf. Die Klemmstruktur ist an mindestens entweder der Kühlplattenanordnung oder dem Gleichspannungswandler befestigt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten ist der Gleichspannungswandler an der Kühlplattenanordnung montiert.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten ist zwischen der Kühlplattenanordnung und dem Gleichspannungswandler eine Thermofolie angeordnet und mit diesen in Eingriff.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten sieht die Klemmlast eine thermische Kommunikation mit der thermoelektrischen Vorrichtung und dem Gleichspannungswandler und der Kühlplattenanordnung vor.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten sichern Befestigungselemente ein Gehäuse des Gleichspannungswandlers an der Kühlplattenanordnung.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten wird die Klemmstruktur durch mindestens ein Befestigungselement an dem Klemmträger befestigt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten wird ein Heatspreader zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und der Batterie angeordnet.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten ist eine Thermofolie zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und dem Heatspreader angeordnet und mit diesen in Eingriff.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten ist eine Thermofolie zwischen der thermoelektrischen Vorrichtung und der Kühlplattenanordnung angeordnet und mit diesen in Eingriff.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten sieht die Klemmlast eine thermische Kommunikation mit der thermoelektrischen Vorrichtung und der Batterie und der Kühlplattenanordnung vor.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten weist die Batterie ein Gehäuse auf, das Befestigungselemente umfasst, die an einem Teil des Gehäuses befestigt sind.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten sind die Befestigungselemente in die Kühlplattenanordnung eingeschraubt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten weist das Kühlsystem eine Isolierplatte auf. Die thermoelektrische Vorrichtung ist innerhalb der Isolierplatte angeordnet, die zwischen dem Klemmträger und der Batterie angeordnet ist. Befestigungselemente erstrecken sich durch die Isolierplatte.
-
In einer weiteren Ausführungsform des oben Genannten ist zwischen der Batterie und der Klemmstruktur und zwischen der Klemmstruktur und dem Klemmträger ein thermischer Isolator vorgesehen.
-
Figurenliste
-
Die Offenbarung kann ferner unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung verstanden werden, wenn sie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigt:
- 1 eine höchst schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugsystem, dessen Temperatur von einem Kühlsystem reguliert wird.
- 2 eine perspektivische Darstellung der thermoelektrischen Modulanordnung, einer Kühlplattenanordnung und eines Heatspreaders, die relativ zu einer Batterie angeordnet sind, um ein Modul für das thermische Management einer Batterie bereitzustellen.
- 2A eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Klemmträgers, der eine Kühlplattenanordnung und einen Gleichspannungswandler aufweist.
- 3 eine Explosion-Querschnittsdarstellung eines Beispiels für ein Modul zum thermischen Management einer Batterie.
- 4 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Beispiels für ein Modul zum thermischen Management einer Batterie.
- 4A eine Querschnittsdarstellung eines Batteriegehäuses, das an einem Klemmträger befestigt ist.
- 5 und 5A einen Teil des Gehäuses, jedoch mit einem thermischen Isolator und ähnlich der Anordnung der 4 bzw. 4A.
- 6 eine Querschnittsdarstellung des Moduls zum thermischen Management der Batterie, das in 3 gezeigt ist, und entlang der Linie 6-6 in 2, wobei die Anordnung aus thermoelektrischem Modul und Heatspreader zwischen der Batterie und der Kühlplattenanordnung eingespannt ist.
-
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorhergehenden Absätze, der Ansprüche und der folgenden Beschreibung und Zeichnungen, einschließlich jeglicher ihrer verschiedenen Aspekte oder entsprechender einzelner Merkmale können unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination verstanden werden. Im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, wenn derartige Merkmale nicht inkompatibel sind.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Das offenbarte Kühlsystem sieht eine Klemmanordnung vor, bei der die Batterie und die Kühlplattenanordnung und/oder der Gleichspannungswandler dazu verwendet werden, die Klemmlast um die thermoelektrische Vorrichtung herum anzulegen, wodurch ein gewünschter Wärmetransfer hinsichtlich der thermoelektrischen Vorrichtung sichergestellt wird. Eine derartige Klemmanordnung kann das gesamte Kühlsystem vereinfachen, indem die Verwendung von Platten und Befestigungselementen entfällt, die typischerweise zwischen der Batterie und der Kühlplattenanordnung angeordnet sind, die herkömmlicherweise dazu verwendet werden, die Klemmlast anzulegen.
-
Ein Fahrzeug 10 ist schematisch in 1 dargestellt. Das Fahrzeug 10 weist ein Fahrzeugsystem 12 auf, dass entweder beheizt oder gekühlt werden muss. In einem Beispiel weist das Fahrzeugsystem 12 eine Batterie 14 auf, wie zum Beispiel eine Lithiumionenbatterie, die zum Fahrzeugantrieb verwendet wird, die eine beträchtliche Wärme erzeugt. Eine solche Batterie muss während des Betriebs gekühlt werden, was sonst zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads und/oder einer Beschädigung der Batterie führen würde.
-
Ein Kühlsystem 18 ist zwischen der Batterie 14 und einem Gleichspannungswandler 16 in einem Stapel angeordnet, um von der Batterie 14 Wärme abzuführen und so das Fahrzeugsystem 12 zu kühlen. Der Gleichspannungswandler 16 sieht eine elektrische Schnittstelle zwischen der Batterie 14 und der Fahrzeugelektrik vor. Ein Kühlsystem 18 weist eine thermoelektrische Modulanordnung 20 auf, die auf einer Kühlplattenanordnung 22 abgestützt ist, die mit einem Kühlkreislauf 24 in Kommunikation ist. Eine Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Glykol, wird von einer Pumpe 31 innerhalb des Kühlkreislaufs 24 zirkuliert. Wärme wird an das Kühlmittel über die Kühlplattenanordnung 22 durch zulaufende und rückführende Kühlleitungen 30, 32 abgegeben, die mit einem Wärmetauscher 26 verbunden sind. Ein Lüfter oder ein Gebläse 28 können dazu verwendet werden, um Wärme aus dem Kühlmittel innerhalb des Wärmetauschers 26 zum Beispiel an eine Umwelt abzuführen.
-
Eine Steuerung 34 kommuniziert mit verschiedenen Komponenten in dem Fahrzeug 10, Fahrzeugsystem 12 und Kühlsystem 18, um die Kühlung der Batterie zu koordinieren. Sensoren und Anschlüsse (nicht gezeigt) können mit der Steuerung 34 verbunden sein.
-
Ein beispielhaftes Kühlsystem 18 weist ein Modul zum thermischen Management der Batterie auf, das detaillierter in 2 gezeigt ist. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Anordnung weist der Stapel in 2 einen Heatspreader 46 auf, der zwischen der thermoelektrischen Modulanordnung 20 und der Batterie 14 angeordnet ist, auch wenn dies so verstanden werden könnte, dass der Heatspreader 46 weggelassen werden kann. Die thermoelektrische Modulanordnung 20 weist eine kalte Seite auf, die eine Oberfläche der Batterie 14 entweder direkt oder über den Heatspreader 46 abstützt.
-
Eine Thermofolie 67 kann zwischen der Kühlplattenanordnung 22 und dem Gleichspannungswandler 16 und mit diesen in Eingriff angeordnet sein, die unter der Benutzung von Befestigungselementen 65, wie in 2A gezeigt, aneinander befestigt sein können. Die Kühlplattenanordnung 22 und der Gleichspannungswandler umfassen zusammen einen Klemmträger 19, an dem die Klemmstruktur 60 (4 und 5) befestigt ist. Die Klemmstruktur 60 legt an die Batterie 14 und den Klemmträger 19 eine Last an, um eine Klemmlast (schwarze Blockpfeile in 4 und 5) an die thermoelektrische Modulanordnung 20 anzulegen.
-
Unter Bezugnahme auf 3 trägt dort eine Isolierplatte 50 thermoelektrische Vorrichtungen 54 und trennt die kalte Seite an der Batterie 14 von einer warmen Seite an der Kühlplattenanordnung 22. Die Isolierplatte 50 ist optional, kann jedoch dazu verwendet werden, die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 und den zugehörigen Kabelbaum zur Montage und im Betrieb sicher an Ort und Stelle zu halten. Die Isolierplatte 50 braucht nicht unbedingt in physischem Kontakt mit der Kühlplattenanordnung 22, dem Heatspreader 46 oder der Batterie 14 zu sein.
-
Unter Bezugnahme auf die 3 bis 4A ist eine beispielhafte thermoelektrische Modulanordnung 20 in größerem Detail gezeigt. Die Batterie 14 weist ein Gehäuse 15 auf, das eine Mehrzahl von Zellen 17 einschließt, wie in 3 gezeigt. Bei dem in 4A gezeigten Beispiel ist die Klemmstruktur 60 durch ein Gehäuse 68 der Batterie 14 vorgesehen, die durch Befestigungselemente 69 an einem Ende an dem Klemmträger 19 befestigt ist. Ein anderes Ende des Gehäuses 68 weist einen Flansch 71 auf, der ein Federelement 70 abstützt, das auf den Stapel in einer Richtung zur Kühlplattenanordnung 22 hin eine Vorspannung anlegt. Auf diese Weise ist die Batterie 14 über die Klemmlast, die über die Federelemente 70 angelegt wird, an der Kühlplattenanordnung 22 befestigt, wodurch ein gewünschter Eingriff und Wärmetransfer zwischen den thermoelektrischen Vorrichtungen 54 und den anliegenden Komponenten (d.h. Seite 21 der Batterie 14 über den Heatspreader 46 und Seite 23 der Kühlplattenanordnung 22 in der Stützstruktur 19) sichergestellt wird. Darüber hinaus begrenzen die Federelemente 70 die Druckkräfte innerhalb des Stapels während variierender thermischer Bedingungen, während die Batterie zwischen warmen und kalten Bedingungen wechselt.
-
Wie in den 5 bis 5A gezeigt, kann ein thermischer Isolator 150 zwischen dem Gehäuse 70 und der Batterie 14 und zwischen dem Gehäuse 70 und dem Klemmträger 19 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann der Wärmetransfer zwischen Komponenten innerhalb des Systems besser vorhersehbar sein und daher besser gesteuert werden.
-
Die kalte Seite der thermoelektrischen Modulanordnung 20 ist an dem Heatspreader 46 vorgesehen, der zum Beispiel aus Metall hergestellt ist. Der Heatspreader 46 ist auf einer Seite der Isolierplatte 50 angeordnet, die aus einem Kunststoff hergestellt ist. Die Isolierplatte 50 weist Öffnungen auf, innerhalb derer thermoelektrische Vorrichtungen 54 angeordnet sind. In dem Beispiel verwenden die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 den Peltier-Effekt, um eine kalte Seite anliegend an den Heatspreader 46 und eine warme Seite in wirksamem Anliegen an die Kühlplattenanordnung 22 vorzusehen. Eine Thermofolie 66 kann jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der thermoelektrischen Vorrichtung 54 vorgesehen sein, um einen wirkungsvollen Eingriff zwischen den Wärme übertragenden Komponenten für den thermischen Wirkungsgrad sicherzustellen. Die Thermofolien 66 können weggelassen oder durch Wärmeleitpaste, Lot oder Kleber ersetzt werden, wenn das gewünscht wird. In dem Beispiel wird unten ein metallischer Heatspreader gegenüber dem Heatspreader 46 weggelassen, der seinerseits ebenfalls weggelassen werden kann.
-
Es ist wünschenswert, zwischen den Wärme übertragenden Komponenten und der thermoelektrischen Modulanordnung 20 und der Kühlplattenanordnung 22 eine gewünschte Klemmlast oder einen entsprechenden Eingriff aufrechtzuerhalten. Bei der in 6 gezeigten Anordnung ist die Batterie 14 an die Kühlplattenanordnung 22 geklemmt, geschraubt und/oder gefügt (Kräfte sind durch Blockpfeile gezeigt), um zwischen den Komponenten in dem Stapel einen gewünschten thermischen Eingriff aufrechtzuerhalten. Eine solche Anordnung sieht wenige Montageschritte und eine geringere Anzahl von Teilen vor und beseitigt eine thermische Brücke zwischen dem Heatspreader 46 und der Kühlplatte 22 mit Ausnahme der thermoelektrischen Vorrichtungen 54.
-
In einem Beispiel erstrecken sich Befestigungselemente 74 durch Bohrungen in einem Teil 72 des Batteriegehäuses 15 und werden in isolierten Gewindebohrungen 77 in den Klemmträger 19 aufgenommen, wie zum Beispiel der Kühlplattenanordnung 22 und/oder dem Gleichspannungswandler 16, um an die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 eine Klemmlast anzulegen. Die Befestigungselemente 74 können um den Umfang des Stapels herum angeordnet sein und/oder sich durch die Batterie 14 und durch die thermoelektrische Modulanordnung 20 in der Nähe der thermoelektrischen Vorrichtungen 54 erstrecken. Die Befestigungselemente 74 werden auf ein vorbestimmtes Drehmoment angezogen. Eines oder mehrere Merkmale können vorgesehen werden, um die Bewegung der Batterie 14 relativ zur Kühlplattenanordnung 22 einzuschränken, während die Befestigungselemente 74 angezogen werden. Zum Beispiel kann die Isolierplatte 50 dazu ausgelegt werden, dass sie biegsam ist, sodass die Klemmkraft hauptsächlich auf die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 wirken, und dass sie immer noch eine Kompression begrenzt.
-
In einem weiteren Beispiel kann die Batterie 14 an dem Gleichspannungswandler 16 befestigt werden, um die Klemmlast an die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 in einem Stapel anzulegen (siehe 2, Befestigungselemente 74).
-
Im Betrieb wird eine unerwünschte Batterietemperatur von der Steuerung 34 erfasst. Die thermoelektrischen Vorrichtungen 54 werden bestromt, um eine kalte Seite der thermoelektrischen Vorrichtung 54 zu erzeugen, die an den an die Batterie 14 anliegenden Heatspreader 46 übertragen wird, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen diesen Komponenten erhöht und die Wärmeübertragung zwischen ihnen erhöht wird. Wärme von der Batterie 14 wird in dem Fall der in 5 gezeigten beispielhaften thermoelektrischen Modulanordnung 20 von dem Heatspreader 46 durch die thermoelektrische Vorrichtung 54 direkt zur Kühlplattenanordnung 22 übertragen. Die Isolierplatte 50 hat jedoch die Wirkung, dass Wärme daran gehindert wird, von dem Heatspreader 46 an die Kühlplattenanordnung 22 übertragen zu werden. Kühlmittel wird von der Kühlplattenanordnung 22 zum Wärmetauscher 26 zirkuliert (1), der Wärme an die Umgebung abführt, und diese Wärmeübertragungsrate kann durch die Verwendung des Gebläses 28 (1) erhöht werden.
-
Es versteht sich, dass, auch wenn in der veranschaulichten Ausführungsform eine bestimmte Anordnung der Komponenten offenbart ist, auch andere Anordnungen davon profitieren können. Auch wenn bestimmte Abfolgen von Schritten gezeigt, beschrieben und beansprucht sind, so versteht es sich dennoch, dass Schritte, wenn nicht anders angegeben, auch in einer beliebigen Reihenfolge getrennt oder kombiniert durchgeführt werden und von der vorliegenden Erfindung immer noch profitieren können.
-
Auch wenn die verschiedenen Beispiele spezifische Komponenten haben, die in den Abbildungen dargestellt sind, sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese bestimmten Kombinationen eingeschränkt. Es ist möglich, einen Teil der Komponenten oder Merkmale aus einem der Beispiele in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten von einem anderen der Beispiele zu verwenden.
-
Auch wenn eine beispielhafte Ausführungsform offenbart wurde, ist für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet zu erkennen, dass bestimmte Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche vorgenommen werden können. Aus diesem Grund sollten die nachfolgenden Ansprüche studiert werden, um ihren wahren Umfang und Inhalt zu bestimmen.
-
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
-
