DE9210384U1 - Mehrzellige Akkumulatorenbatterie mit Kühlung - Google Patents
Mehrzellige Akkumulatorenbatterie mit KühlungInfo
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Description
Mehrzellige Akkumulatorenbatterie mit Kühlung
Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorenbatterie mit mehreren Zellen, deren
Zellenwände mit einer Kühlvorrichtung in engem wärmeleitenden Kontakt stehen.
Die in elektrochemischen Energiespeichern anfallende Verlustwärme entsteht im
Inneren der Zellen in den von Lade- und Entladestrom durchflossenen Teilen als
weitgehend Joule'sche Wärme. Sie kann nur über die Oberfläche durch Strahlung,
Konvektion und Wärmeleitung (z.B. über den Boden) abgeführt werden.
Bei großen Energiespeichern ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen so
ungünstig, daß die im normalen Lade-/Entladebetrieb erzeugte Wärme erst bei Betriebstemperaturen oberhalb der für die Lebensdauer der Energiespeicher
zuträglichen Werte abgegeben werden kann. Die Folge ist eine Einschränkung der Nutzung (Abkühlungspausen) oder eine reduzierte Lebensdauer.
Große Batterieeinheiten bestehen in der Regel aus bis zu 50 Zellen, wobei sich
zwischen Batteriemitte und Batterierand ein Temperaturgefälle von 5 bis 10 K einstellen kann. Aufgrund unterschiedlicher Zellentemperaturen wird dann der
Volladezustand, durch die Temperaturabhängigkeit der Ladungsaufnahme und weiterer Prozesse wie Wasserstoffentwicklung oder Sauerstoffrekombination
bedingt, zu unterschiedlichen Zeiten erreicht. Bei beschränkter Ladezeit führt dies
zum Auseinanderlaufen des Ladezustandes und schließlich nach Überlastung der schlecht geladenen Zellen zu deren Ausfall.
Der zellenhafte Aufbau großer Energiespeicher kam bereits einer ganzen Reihe von
Vorschlägen für deren Kühlung entgegen, die vorsehen, die Wärme zwischen den Zellen abzuführen. So ist durch GM 74 39 582 eine Anordnung von
Wärmeleitblechen zwischen den Einzelzellen bekannt. Von den Blechen ragen vorzugsweise Kühlfahnen über die Zellen hinaus, die von einem Luftstrom gekühlt
werden können. Gemäß GM 88 02 918 sind zwischen den Einzelzellen einer Akkumulatorenbatterie Trennungsspalte belassen und diese mit luftdurchgängigem,
gut wärmeleitenden Kupferstreckmetall ausgefüllt. Aus GM 90 02 249 sind aber auch doppelwandige, von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Kühlkörper bekannt, die
mit den Wänden benachbarter Zellen in engem flächigen Kontakt stehen.
-&Dgr;-
Solche Körper lassen es jedoch häufig an der mechanischen Widerstandsfähigkeit
gegenüber den Spannkräften des Batterieverbundes oder den Wandverformungen infolge Quellungsdruck fehlen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper für
Akkumulatorenbatterien verfügbar zu machen, der gegenüber den genannten Verformungskräften eine genügende Steifigkeit aufweist und sich ferner durch gute
Wärmetauscherwerte auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hohlkörper gelöst, wie er im
Patentanspruch 1 definiert ist.
Danach ist der Hohlkörper flächig ausgedehnt, besitzt eine Zu- und eine Abführung
für ein Kühlmedium und weist in die Seitenwände eingeprägte Rippen auf, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung und parallel zueinander verlaufen und
dabei innerhalb des Hohlkörpers Spalte bilden. Zusätzlich sind an beidseitig miteinander korrespondierenden Stellen jeder Rippe weitergehende Vertiefungen
eingebracht, derart, daß sie aneinanderstoßen und den Hohlkörper so gegen Verformungen durch äußeren Druck stabilisieren.
Durch die Unterteilung des Hohlkörpers in eine Mehrzahl von Teilräumen, welche nur
über schmale Längsspalte miteinander kommunizieren, wird eine über die gesamte Höhe des Hohlkörpers gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit erreicht, so daß
sich eine ebenso gleichmäßige Querdurchströmung durch den Kühlkörper mit überwiegend horizontaler Ausrichtung ergibt. Eine solche Fließbewegung des
Kühlmittels, gegebenenfalls auch einer Heizflüssigkeit, ist für einen intensiven
Wärmeaustausch mit den Zellen besonders vorteilhaft und daher erwünscht.
In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung weist der Hohlkörper
eine zusätzliche Rippe auf, welche das einfließende Kühlmedium zunächst gegen den
Boden des Hohlraumes hinlenkt. Von dorther wird dann der Hohlkörper von der Flüssigkeit mit schräg aufsteigender Richtungskomponente durchquert.
Bei einer anderen günstigen Ausführung des Hohlkörpers gemäß der Erfindung sind
statt des Kanals zusätzlich zu den Rippen zwischen denselben verteilte und mit ihnen
parallellaufende Umlenkstege im Hohlraum angeordnet.
Besagte Rippen des Hohlkörpers sind auf besonders einfache Weise durch
Längssickung seiner Seitenwände erzeugt.
Der material- und fertigungstechnisch bevorzugte Hohl- oder Kühlkörper, auch
Wärmetauscher, gemäß der Erfindung ist ein Kunststoffhohlkörper, der im Blasverfahren hergestellt wird.
Einzelheiten dieser Ausführung sowie deren Varianten werden anhand einiger Figuren
erläutert.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kühlkörper von der Seite.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den Kühlkörper aus Figur 1.
Figur 3 zeigt Querschnitte des Kühlkörpers im Detail.
Figur 4 zeigt den Kühlkörper aus Figur 1 von einer Schmalseite.
Figur 5 zeigt die Kühlmittelzuführung 3 aus Figur 1 vergrößert.
Figur 6 zeigt die Kühlmittelzuführung aus Figur 5 mit einem Anschlußstück.
Figur 7 zeigt alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlkörpers im
Aufriß.
Gemäß Figur 1 ist der Kühlkörper durch Rippen bzw. Längssickungen 1, die
beiderseits einander gegenüberliegen und sich über die volle Höhe des Hohlkörpers
erstrecken, in mehrere Teilhohlräume aufgeteilt. Die Teilräume kommunizieren dabei
über schmale Längspalte entsprechend der von den Längsickungen erzeugten Querschnittsreduzierung des ursprünglichen Hohlraumes.
Auf jeder Längssicke 1 sind weiterhin Vertiefungen 2 vorhanden, mit denen gleiche
Vertiefungen auf der abgewandten Seite des Hohlkörpers korrespondieren und mit denen sie im Innern des Hohlraumes zusammenstoßen, so daß der Hohlraum
zwischen den Vertiefungen aufgehoben ist. Die Vertiefungen leisten damit einen entscheidenden Beitrag zur inneren Verfestigung des Hohlkörpers, indem sie die
Längssicken und über diese die Seitenwände gegenseitig abstützen. Von außen durch
Verschieben oder durch Ausbauchen der Zellengefäße auf den Hohlkörper ausgeübte Drucke werden damit sicher aufgefangen.
An der Oberseite des Kühlkörpers vorhandene Kühlmittelzu- und -abführungen 3
werden im Zuge seiner Herstellung im Blasverfahren unmittelbar angeformt.
-G-
Die horizontale Querschnittsdarstellung des Kühlkörpers nach Figur 2 läßt die
Segmentierung des Hohlraumes in mehrere Teilräume mit spaltförmigen Übergängen zwischen jeweils gegenüberliegenden Sicken deutlich erkennen.
Figur 3 ist eine vergrößerte Wiedergabe der beiden ersten Teilhohlräume aus Figur 2.
Dabei schneidet die Abbildungsebene, der unterbrochenen Spur A-A in Figur 1 folgend, die erste Sickung 1 in einer Höhe außerhalb einer zusätzlichen Vertiefung 2,
die zweite Sickung 1 in einer Höhe, in der Sickungen 1 und die darin eingebrachten
Vertiefungen 2 zusammenfallen. Wie ersichtlich ist der sonst vorhandene Übergangsspalt von einem Teilhohlraum zum nächsten dort ganz geschlossen.
Figur 4 gibt den Kunststoffhohlkörper der Figur 1 von einer Schmalseite wieder. Seine
Gesamtdicke sollte erfindungsgemäß 4mm bis 6mm, vorzugsweise ca. 5mm betragen, wobei die Wandstärken etwa im Bereich zwischen 0,5 und 1mm liegen.
Unter diesen Bedingungen werden sowohl eine gute Stabilität gegen den Zellendruck
als auch gute Wärmeaustauscherwerte erreicht.
Der in Figur 5 vergrößert wiedergegebene Kühlmittelanschluß 3 (vgl. Figur 1) ist
erfindungsgemäß mit einer an seiner Innenwand umlaufenden Dichtfläche 4 versehen, so daß ein Anschlußstück der Kühlmittelzu- bzw. -ableitung vermittels
eines Dichtelements abdichtend eingesetzt werden kann.
Ein solches Anschlußstück ist beispielsweise das in Figur 6 gezeigte Winkelstück 6
mit einem O-Ring 7 als Dichtelement.
Als eine weitere vorteilhafte Maßnahme der Erfindung zeigen die Figuren 5 und 6 am
Kühlmittelanschluß einen Hinterschnitt 5, der ein Einclipsen des Winkelstücks 6 gestattet und es ermöglicht, dieses auch in seiner abgedichteten Positionierung
beliebig zu drehen.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlkörpers nach
Figur 7 läßt sich die beschriebene gleichmäßige Durchströmung durch die Kühlflüssigkeit noch dadurch verbessern, daß eine im Zuführungsbereich angebrachte
zusätzliche Rippe 8 das einströmende Kühlmedium kanalisiert, indem sie es anfangs
zum Boden des Kühlkörpers hinlenkt. Von dort steigt dann das Kühlmedium, sich über
die Höhe des Hohlraumes ausbreitend und dabei die Öffnungsspalte zwischen den Rippen durchquerend, schräg nach oben gegen die Abführung hin auf.
Zur diffusen Verteilung des Kühlmittelstromes über die gesamte Höhe des
Kühlkörpers eignen sich ferner Umlenkstege 9, die entweder alternativ zu der Rippe 8
oder auch in Kombination mit dieser zwischen den Längssicken 1 angeordnet sind, wie es Figur 7 andeutet. Die Umlenkstege reichen jedoch nicht an den Boden und an
die Oberseite des Hohlraumes heran. Sie tragen ebenfalls zu dessen Formstabilität
gegenüber Druckkräften, denen die ausgedehnten Flanken des Kühlkörpers ausgesetzt sind, bei und können ebenso wie die stegförmige Abgrenzung des Kanals
8 dem Blaskörper beim Herstellungsgang direkt angeformt werden.
Claims (8)
1. Akkumulatorenbatterie mit mehreren Zellen, deren Zellenwände mit einer
Kühlvorrichtung in engem wärmeleitenden Kontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung ein flächig ausgedehnter
Hohlkörper ist, der Zu- und Abführungen (3) für ein Kühlmedium besitzt und in den von beiden Seiten im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung
und parallel zueinander verlaufende Rippen (1) eingeprägt sind, die innerhalb des Hohlkörpers Spalte bilden, und daß an beidseitig miteinander
korrespondierenden Stellen jeder Rippe zusätzliche Vertiefungen (2) vorgesehen sind, die aneinanderstoßen und eine Stabilisierung des
Hohlkörpers bewirken.
2. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
zusätzliche Rippe (8) vorgesehen ist, die das einfließende Kühlmedium zum
Boden des Hohlkörpers lenkt.
3. Akkumulatorebatterien nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu den Rippen parallelliegende Umlenkstege (9) im Hohlkörper vorhanden sind.
4. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hohlkörper ein im Blasverfahren hergestellter
Kunststoffhohlkörper ist.
5. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wandstärke des Kunststoffhohlkörpers 0,5mm bis 1mm beträgt.
6. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke des Kunststoffhohlkörpers 4mm bis
6mm, vorzugsweise 5mm, beträgt.
7. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß an den Innenwänden jeder Zu- und Abführung für das
Kühlmedium Dichtflächen (4) zur Aufnahme eines Dichtelements ausgebildet sind.
8. Akkumulatorenbatterie nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Zu- und Abführungen für das Kühlmedium eine
Hinterschneidung (5) zum Einclipsen eines Anschlußstückes (6) vorgesehen ist.
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