DE202012101076U1

DE202012101076U1 - Vorrichtung zum Kühlen von Batterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE202012101076U1
Application number: DE201220101076
Authority: DE
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: CN102738538B; JP2012227148A; US9647251B2; US20120261107A1; JP5497100B2; CN102738538A

Abstract

Vorrichtung zum Kühlen von Batterien (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Kühlplatte (3) zur positionierenden Aufnahme der Batterie und zur gleichmäßigen Wärmeaufnahme und Verteilung über die gesamte Fläche der Kühlplatte (3), dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) einer Kühlvorrichtung unter mechanischer Spannung mit der Kühlplatte (3) thermisch kontaktiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von Batterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
Bei elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen und auch bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb spielt die exakte thermische Konditionierung der Fahrzeugbatterie zur Optimierung der Reichweite des Fahrzeuges eine besonders wichtige Rolle. Es ist weiterhin bekannt, dass die momentan verwendeten Elektroenergiespeicher besonders empfindlich im Hinblick auf eine unterschiedliche Temperaturverteilung sind, sodass große Anstrengungen unternommen werden, um die Batterien bei einer optimalen Temperatur zu betreiben.
Dafür sind Vorrichtungen zum Kühlen von Batterien, nachfolgend auch Wärmeabführeinrichtungen oder Batteriekühler genannt, erforderlich, die sicherstellen, dass nicht benötigte Abwärme, die beim Betreiben der Batterie entsteht, von der Batterie abgeführt und die Batterie auf einem gleichmäßigen definierten Temperaturniveau temperiert wird.
Aus der DE 10 2008 034 887 A1 geht eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit mehreren Kühlzellen hervor, welche eine mit einem Kühlmittel durchströmbare Kühlplatte aufweist, mit welcher die Batteriezellen wärmeleitend verbunden sind.
Weiterhin geht aus der DE 10 2007 037 416 A1 eine elektrochemische Energiespeichereinheit hervor, welche eine Mehrzahl von Flachzellen umfasst, die stapelartig übereinander angeordnet sind und eine Ummantelung umfassen, über welche eine Kühlung der Energiespeichereinheit möglich ist.
Aus der DE 10 2007 050 400 A1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bekannt, welche eine Mehrzahl von Flachzellen umfasst, die mit ihren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten flachen Seiten stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei durch die Flachzellen ein Stapel gebildet wird und dass ein Kühlelement zwischen benachbarten Flachzellen des Stapels angeordnet ist. Das Kühlelement weist eine Öffnung auf, in die ein wärmeübertragendes Element eingesteckt ist.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung der Aufgabe der Kühlung der Batterie bei Kraftfahrzeugen wird in der DE 10 2007 063 176 A1 offenbart. Dabei wird eine Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie vorgeschlagen, wobei die Batterie mehrere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, die mit der Wärmeleitplatte wärmeleitend verbunden sind. In der Wärmeleitplatte ist dazu eine Kanalstruktur für ein Wärmeleitmedium angeordnet.
Den angegebenen Ansätzen zur Lösung des Problems der kühlenden Temperierung von Kraftfahrzeugbatterien ist zu entnehmen, dass es unterschiedlichste konstruktive Ausgestaltungen gibt, um die Kühlung der Batterien auszuführen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Kühlen von Batterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge, auszugestalten, wobei neben einer gut wärmeleitenden Ausgestaltung der Verbindung von Batteriezellen und Kühlvorrichtung auch eine effiziente Herstellung und Montage der Wärmeabführeinrichtung gewährleistet sein soll.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Kühlen von Batterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gelöst, welche eine Kühlplatte zur positionierenden Aufnahme der Batterie und zur gleichmäßigen Wärmeaufnahme und Wärmeverteilung über die gesamte Fläche der Kühlplatte aufweist. Weiterhin sind Wärmeübertragungsmittel einer Kühlvorrichtung vorgesehen, wobei die Wärmeübertragungsmittel unter mechanischer Spannung mit der Kühlplatte thermisch kontaktiert sind, um eine größtmögliche Wärmeübertragung zwischen den Wärmeübertragungsmitteln und der Kühlplatte zu erreichen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen von Batterien besteht neben dem eigentlichen Kühler aus weiteren Komponenten, die im Wesentlichen den thermischen Kontakt zu den Batteriezellen herstellen müssen. Hierzu muss eine gesicherte Wärmeübertragung, unabhängig von der Umgebungstemperatur, der Zelltemperatur der Batterien und vielen anderen Parametern über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeuges gewährleistet werden.
Im Stand der Technik wird diese Aufgabe beispielsweise mittels eines Kunststoff-Spannrahmens über eine kraftschlüssige Verbindung realisiert.
Konzeptionsgemäß wird in der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragung und die Kontaktierung in einem Bauteil realisiert. In einem flexiblen Kühlschlauch, der je nach Fluidinhalt Kühlmittelschlauch oder Kältemittelschlauch sein kann, wird das Wärmeträgermedium auf der Innenseite des Schlauches geführt. Im Kühlschlauch herrscht ein Überdruck gegenüber der Umgebung, welcher den Kühlschlauch verformt und an die Kühlplatte, beziehungsweise Wärmeträgerplatte, oder die Batteriezellen anpresst.
Die Erfindung wird vorteilhaft durch Wärmeübertragungsmittel ausgebildet, welche zwischen flexiblen elastischen Elementen zur Aufbringung der Anpresskraft und der Kühlplatte angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsmittel mittels mechanischer Spannung die Kühlplatte thermisch wärmeleitend kontaktieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass zur Erzeugung der mechanischen Spannung die Wärmeübertragungsmittel zwischen flexiblen elastischen Elementen und der Kühlplatte angeordnet sind, wobei die flexiblen elastischen Elemente zur Aufbringung der Anpresskraft ausgestaltet sind. Vorzugsweise sind diese als gummiartige oder federelastische Elemente ausgebildet.
Eine ganz besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konzeption besteht in der Nutzung von flexiblen Kühlschläuchen oder flexiblen Gelkühlkissen als Wärmeübertragungsmittel. Die flexiblen Kühlschläuche und die flexiblen Gelkissen haben erfahrungsgemäß die Eigenschaft, dass Oberflächenunebenheiten der Kühlplatte ausgeglichen und somit eine sehr gute flächenhafte und thermisch im Ergebnis gut leitfähige Verbindung ermöglichen. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass die Kühlschläuche hierbei eine Doppelfunktion erfüllen. Zum einen die Funktion des Wärmeübertragungsmittels und zum anderen die Funktion des Anpressdruckelementes.
Als Schlauchmaterial werden beispielsweise gewebeverstärkte, mehrlagige Schlauchmaterialien oder Kühlwasserschlauch oder Kältemittelschlauchmaterialien eingesetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlschlauch als Hybrid-Schlauch mit einer einvulkanisierten Kühlplatte ausgeführt.
Eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung der Kontaktierung der Wärmeübertragungsmittel mit der Kühlplatte besteht über mechanische Befestigungsmittel, indem die Kühlrohre oder die Flachrohre mit der Kühlplatte verschraubt werden.
Alternativ oder kumulativ zur kraftschlüssigen Verbindung über die Verschraubung der Wärmeübertragungsmittel mit der Kühlplatte können die Wärmeübertragungsmittel auch mit der Kühlplatte verklebt werden, wobei durch die Wahl eines geeigneten Klebstoffes ein ausreichender Wärmeübergang gewährleistet werden kann.
Weitergebildet wird die Anwendung von Kühlschläuchen und flexiblen Gelkissen dadurch, dass diese zwischen einem Batteriegehäuseboden oder einer Trägerplatte und der Kühlplatte unter Spannung angeordnet werden, wodurch sich ein besonders guter Kontakt der Wärmeübertragungsmittel mit der Kühlplatte realisieren lässt.
Der Kühlschlauch wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung derart verformt, dass eine Kühlplatte Kühlrohre oder Flachrohre über den Druck im Schlauch an den Batteriezellen angepresst wird.
Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, die Wärmeübertragungsmittel zwischen elastischen Ausgleichselementen zur Erzeugung der Anpasskraft und der Kühlplatte anzuordnen, wobei zur Halterung der Kühlplatte ein Rahmen mit einem Clipelement vorgesehen ist, in welches die Kühlplatte bei der Montage der Wärmeabführeinrichtung einclipbar ausgeführt ist.
Somit besteht die Konzeption der Erfindung darin, eine Batterie über eine Kühlplatte mit einem Wärmeübertragungsmittel zu kontaktieren, wobei die Kühlplatte auch als Ausgleichsplatte hinsichtlich der Temperaturverteilung wirkt. Eine weitere Funktion der Kühlplatte besteht in der Aufnahme und Halterung der Batterie selbst, was durch eine entsprechende statische Dimensionierung der Kühlplatte erfolgt, um die relativ schwere Batterie ordnungsgemäß zu halten und zu sichern.
Konzeptionsgemäß wird die Verbindung der Wärmeübertragungsmittel mit der Kühlplatte unter mechanischer Spannung mittels einer Anpressdruckkraft erzeugt, um einen bestmöglichen Wärmeübergang zu erreichen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Wärmeabführeinrichtung mit flexiblem Kühlmittelschlauch,
2: Wärmeabführeinrichtung mit zwischen Kühlplatte und Batteriegehäuseboden geführtem Kühlschlauch,
3: Wärmeabführeinrichtung mit Ausgleichselement,
4: Wärmeabführeinrichtung mit an die Kühlplatte verschraubten Wärmeübertragungsmitteln,
5: Wärmeabführeinrichtung mit mehreren Wärmeübertragungsmitteln,
6: Wärmeabführeinrichtung mit verschraubter Kühlplatte und Gehäuseboden,
7: Wärmeabführeinrichtung mit einclipbarer Kühlplatte.
In 1 ist eine Wärmeabführeinrichtung mit flexiblem Kühlschlauch 8 dargestellt. Unter einem Kühlschlauch 8 sollen flexible Kühlmittelschläuche oder Kältemittelschläuche verstanden werden, deren Wandungen sich flexibel an benachbarte feste Oberflächen anlegen und dadurch mit diesen Oberflächen einen bereichsweise flächigen Kontakt herstellen können. Im Unterschied dazu ergeben sich bei zylindrischen Rohren mit ebenen Flächen nur Linienkontakte. Die Batterie 1 liegt innerhalb des Batteriegehäuses 2 auf einer Kühlplatte 3 auf, welche ihrerseits auf dem Kühlschlauch 8 ruht. Der Kühlschlauch 8 wird getragen von dem Batteriegehäuseboden 7. Durch Pfeile schematisch in der 1 angedeutet, besteht hinsichtlich der Platzierung in Bezug zur Kühlplatte 3 keine Führung für den Kühlschlauch 8, sodass dieser flexibel, beispielsweise mäanderförmig, zwischen dem Batteriegehäuseboden 7 und der Kühlplatte 3 verlegt werden kann. Der Anpressdruck für den Kühlschlauch 8 wird durch einen Überdruck im Kühlschlauch 8 gegenüber der Umgebung realisiert.
Dagegen ist in 2 ein Kühlschlauch 8 geführt in einem Batteriegehäuseboden 7 angeordnet, wobei der Batteriegehäuseboden 7 derart ausgebildet ist, dass er durch einen hochgezogenen Rand eine Führung für den Kühlschlauch 8 bildet. Die auf dem Kühlschlauch 8 aufliegende Kühlplatte 3 ist ihrerseits mit einem korrespondierend zum Rand des Batteriegehäusebodens 7 ausgebildeten Rand versehen, sodass die Kühlplatte 3 und der Batteriegehäuseboden 7 teleskopartig ineinander eingreifen. Entsprechend der Wärmeübertragungsaufgaben wird dabei der Kühlschlauch 8 von Kühlflüssigkeit in Form eines Kälteträgers oder auch von Kältemittel durchströmt und der Batteriegehäuseboden 7 ist aus Isolations-, Fertigungs- und Kostengründen aus einem Plastikmaterial ausgebildet, wohingegen die Kühlplatte 3 aus Aluminium gefertigt ist. Die Kühlplatte 3 kann damit einerseits die Wärmeleitung innerhalb der Fläche sehr gut realisieren und eventuelle punktuelle thermische Spitzenbelastungen durch einzelne Batteriezellen ausgleichen. Weiterhin ist durch das Anlegen des Kühlschlauches 8 an die Kühlplatte 3 ein guter Wärmeübergang von der Kühlplatte 3 auf den Kühlschlauch 8 gegeben.
In 3 ist eine Wärmeabführeinrichtung mit einer Kühlplatte 3 dargestellt. An die Kühlplatte 3 werden Wärmeübertragungsmittel in Form von Kühlrohren 4, Kühlschläuchen 8 oder Flachrohren 10 über elastische Ausgleichselemente 9 angedrückt. Die wärmeleitende Verbindung zwischen den Wärmeübertragungsmitteln, den Kühlrohren 4, den Kühlschläuchen 8 und den Flachrohren 10, und der Kühlplatte 3 sowie auch die Verbindung zwischen der Kühlplatte 3 und der Batterie 1 kann durch Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste zwischen den in Verbindung stehenden Oberflächen noch zusätzlich verbessert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung zu 3 ist in 4 die Verbindung von Kühlplatte 3 und den Wärmeübertragungsmitteln 4, 8, 10 durch Verschrauben mittels Befestigungselementen 5, welche als Schrauben ausgebildet sind, dargestellt. Die Wärmeübertragungsmittel sind dabei bevorzugt als Flachrohre 10 ausgestaltet und somit vorteilhaft mittels einer Schraubverbindung mit der Kühlplatte 3 kontaktierbar. Die Batterie 1 ist jeweils nicht fest mit der Ausgleichsplatte verbunden, da die Batterie austauschbar und leicht demontierbar ausgestaltet sein soll.
Wiederum ist eine Verbesserung des Wärmeübergangs von der Kühlplatte 3 auf die Kühlrohre 4 oder die Flachrohre 10 durch Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste realisiert.
In 5 ist eine Wärmeabführeinrichtung mit mehreren Wärmeübertragungsmitteln, wie Kühlrohren 4, Kühlschläuchen 8 oder Flachrohren 10, dargestellt, wobei die Wärmeübertragungsmittel in einer Trägerplatte 6 mit nutartigen Aufnahmen zur Führung der Wärmeübertragungsmittel geführt werden. Die Trägerplatte 6 ist mit der Kühlplatte 3 über als Schrauben ausgebildete Befestigungsmittel 5 verschraubt und die Dimensionierung der Führung für die Wärmeübertragungsmittel in der Trägerplatte 6 ist derart ausgebildet, dass diese zwischen der Trägerplatte 6 und der Kühlplatte 3 unter Spannung an letztere angedrückt werden, sodass sich günstige Wärmeübertragungsverhältnisse realisieren lassen. Die Batterie 1 ist wie gehabt unmittelbar auf der Kühlplatte 3 angeordnet. Die Trägerkonstruktion presst somit die Wärmeübertragungsmittel an die Kühlplatte 3 an.
In 6 ist eine Wärmeabführeinrichtung mit verschraubter Kühlplatte 3 und Batteriegehäuseboden 7 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung ist die Kühlplatte 3 von oben mit dem Batteriegehäuseboden 7 verschraubt. Analog zur Ausgestaltung nach 5 sind die Wärmeübertragungsmittel 4, 8, 10 zwischen der Kühlplatte 3 und dem Batteriegehäuseboden 7 eingespannt.
In 7 ist eine besonders gut montierbare Ausgestaltung der Verbindung von Kühlplatte 3 und Wärmeübertragungsmitteln 4 dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Rahmen 13 zur Aufnahme der Kühlplatte 3 ergänzt durch ein Clipelement 14 ausgebildet. Die Kühlplatte 3 wird, wie in 7 dargestellt, auf einer Seite in den Rahmen 13 eingeschoben und fixiert und auf der anderen Seite in Richtung des angedeuteten Pfeils bewegt, bis die Kühlplatte 3 in das Clipelement 14 unter Spannung einrastet. Die Wärmeübertragungsmittel 4, 8, 10 werden auf Ausgleichselementen 9 gelagert, welche als elastisch reversible Elemente ausgebildet sind, die in der montierten Stellung eine Anpresskraft nach oben gegen die Wärmeübertragungsmittel 4, 8, 10 und die eingeclipte Kühlplatte 3 realisieren, wodurch ein sehr guter Wärmeübergang erreicht wird.
Die Ausgleichselemente 9 können auch als hydraulisch wirkende Ausgleichselemente bezeichnet werden und sind beispielsweise als Gelkissen oder als Wasserbett oder aus Polymermaterialien mit elastischen Eigenschaften ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
2: Batteriegehäuse
3: Kühlplatte
4: Kühlrohr, Wärmeübertragungsmittel
5: Befestigungsmittel, Schrauben
6: Trägerplatte
7: Batteriegehäuseboden
8: Kühlschlauch, Wärmeübertragungsmittel
9: Ausgleichselement
10: Flachrohre, Wärmeübertragungsmittel
11: Anschlussstutzen
12: Tank mit Endkappen
13: Rahmen
14: Clipelement

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

DE 102008034887 A1 [0004]
DE 102007037416 A1 [0005]
DE 102007050400 A1 [0006]
DE 102007063176 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zum Kühlen von Batterien (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Kühlplatte (3) zur positionierenden Aufnahme der Batterie und zur gleichmäßigen Wärmeaufnahme und Verteilung über die gesamte Fläche der Kühlplatte (3), dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) einer Kühlvorrichtung unter mechanischer Spannung mit der Kühlplatte (3) thermisch kontaktiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der mechanischen Spannung die Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) zwischen flexiblen elastischen Elementen zur Aufbringung der Anpresskraft und der Kühlplatte (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel ein flexibler druckbeaufschlagter Kühlschlauch (8) an der Kühlplatte (3) zur Aufbringung der Anpresskraft an die Kühlplatte (3) und der Abführung der Wärme von der Kühlplatte (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Kühlschlauch (8) als Hybrid-Schlauch mit einer einvulkanisierten Kühlplatte (3) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) über mechanische Befestigungsmittel (5) mit der Kühlplatte (3) verschraubt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) zusätzlich mit der Kühlplatte (3) verklebt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) zwischen einem Batteriegehäuseboden (7) oder einer Trägerplatte (6) und der Kühlplatte (3) unter Spannung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsmittel (4, 8, 10) zwischen elastischen Ausgleichselementen (9) und der Kühlplatte (3) zur Erzeugung der Anpresskraft angeordnet sind, wobei zur Halterung der Kühlplatte (3) ein Rahmen (13) mit einem Clipelement (14) vorgesehen sind, in welches die Kühlplatte (3) bei der Montage der Wärmeabführeinrichtung einclipbar ausgeführt ist.