EP4222804A1 - Kühlvorrichtung für eine wiederaufladbare batterie - Google Patents

Kühlvorrichtung für eine wiederaufladbare batterie

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EP4222804A1
EP4222804A1 EP21783001.7A EP21783001A EP4222804A1 EP 4222804 A1 EP4222804 A1 EP 4222804A1 EP 21783001 A EP21783001 A EP 21783001A EP 4222804 A1 EP4222804 A1 EP 4222804A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cross
coolant
sectional constriction
constriction element
section
Prior art date
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Pending
Application number
EP21783001.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pierre Woltmann
Stefan Gaigg
Thomas Haidwagner
Franz PÖHN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miba Emobility GmbH
Original Assignee
Miba Emobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Miba Emobility GmbH filed Critical Miba Emobility GmbH
Publication of EP4222804A1 publication Critical patent/EP4222804A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6556—Solid parts with flow channel passages or pipes for heat exchange
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling or temperature control for at least one storage module of a rechargeable battery, the device having a plurality of coolant channels through which a coolant flows in the same direction.
  • the invention also relates to a rechargeable battery with at least one storage module for electrical energy and at least one device for cooling or temperature control for the at least one storage module.
  • the invention relates to a vehicle with at least one rechargeable battery.
  • the invention also relates to a method for producing a device for cooling or temperature control for at least one storage module of a rechargeable battery, multiple coolant channels being formed in the device, through which a coolant flows in the same direction.
  • Heat sinks in which at least one coolant channel is formed are used for water cooling. These heatsinks are placed between each Modules of the accumulator or arranged on the modules.
  • a module is an independent unit of the accumulator, i.e. not necessarily just a cell.
  • the heat sinks When arranged on the modules, the heat sinks are usually designed in such a way that they cover all the modules of the accumulator. However, the problem arises that due to tolerances, etc., the heat sink does not rest evenly on the modules. To remedy this, the heat sink is screwed to each individual module. However, this has the disadvantage that the production of the accumulator is correspondingly complex and therefore expensive. This in turn worsens the acceptance of e-mobility itself.
  • AT 520 018 A1 describes an accumulator with at least one storage module for electrical energy and at least one cooling device for cooling or tempering the at least one storage module, with the cooling device having at least one coolant channel, at least one coolant inlet and at least one coolant outlet, and with the Cooling device has single or multi-layer films.
  • the coolant channel is formed by and between the foils.
  • the cooling device rests with one of the foils on the at least one storage module.
  • the fluid channels under the modules are designed to be very long in order to achieve a high pressure loss, which enables equalization. It is also possible to provide the length of the coolant channels according to the Teichelmann principle.
  • the present invention is based on the object of improving the usability of the described cooling device in an electric vehicle or the cooling of a battery in an electric vehicle.
  • the object of the invention is achieved with the device mentioned at the outset, which has a cross-sectional constriction element with a minimum passage cross-section for the coolant in at least one of the coolant channels.
  • the object of the invention is achieved with the battery mentioned at the outset in that it has the device for cooling or temperature control for at least the storage module according to the invention.
  • the object of the invention is achieved with the vehicle mentioned at the outset, which has the battery according to the invention.
  • a cross-sectional constriction element with a minimal passage cross-section for the coolant is arranged in at least one of the coolant channels.
  • An increased pressure loss is generated by the narrowing of the cross section provided in the at least one coolant channel. This makes it possible to achieve at least approximately the same flow rate (volume flow per unit time) in the coolant channels. This means that there is no need for very long channels or complex coolant routing outside the battery. In addition, some of the weld seams required for very long coolant channels can be dispensed with, which reduces the risk of leaks in the coolant circuit. In addition, this at least approximate equalization of the volume flows through the coolant channels with the same flow direction can be achieved with relatively simple means, which means that the manufacture of the device or of the cooling system having it can be simplified.
  • the cross-sectional constriction element is an element inserted into the coolant channel. It is thus possible to more easily adapt the cross-sectional constriction element to the higher material loads caused by the cross-sectional constriction, without having to change the entire device in this regard.
  • the cross-section constriction element can be placed more flexibly in the device, with the result that a higher degree of prefabrication of the device or devices of the most varied sizes can be constructed with a larger number of identical parts. In addition, this makes it easier to maintain a minimal flow cross-section, even if the device consists largely of a flexible material.
  • the cross-section constriction element is formed by a deformation of the coolant channel.
  • a mix of materials and the problems associated therewith can be avoided more easily.
  • the formation of the cross-sectional constriction element can already take place during the production of the coolant channels, which means that additional work steps for the production of the device can be avoided if necessary.
  • this has both a cross-sectional constriction element inserted in a coolant channel and a cross-sectional constriction element formed by deformation of the coolant channel, with which a combination of the effects described above can be achieved.
  • the device has a first single-layer or multi-layer film, which forms part of the coolant channels.
  • the advantage here is that the flexible film is better placed against the surfaces of the rechargeable battery or its storage modules for electrical energy, as a result of which the heat transfer into the coolant can be improved.
  • the film can also be used to reduce weight, which increases the effectiveness of e-mobility through longer ranges can be improved.
  • the device has a further single-layer or multi-layer film which, together with the first single-layer or multi-layer film, forms the coolant channels.
  • cross-sectional constriction element in a simple embodiment of the cross-sectional constriction element, according to an embodiment variant of the invention, it can be provided that it is designed in the form of a diaphragm.
  • a further embodiment variant of the invention offers greater adjustability of the volume flow change or volume flow adjustment, according to which it can be provided that the cross-sectional constriction element is designed with a continuously decreasing passage cross-section for the coolant. This constantly decreasing passage cross-section also allows a favorable flow profile to be formed in the coolant channels.
  • the cross-sectional constriction element is designed with a continuously increasing passage cross-section for the coolant after the minimum passage cross-section for the coolant.
  • the cross-sectional constriction element has a length in the direction of flow, with a ratio of length to the smallest dimension of the passage cross-section being between 2 and 10, since in this area the volume flow and pressure loss in the coolant channels of the Device is achievable.
  • a better connection of the cross-sectional element to the walls of the coolant channel can be achieved if, according to a further embodiment variant, the cross-sectional constriction element consists at least partially of at least one plastic.
  • the cross-sectional constriction element is arranged in the coolant channels during the formation of the latter and, in particular, to be connected to them.
  • FIG. 1 shows a rechargeable battery in an oblique view with a cooling device
  • FIG. 2 shows the battery according to FIG. 1 in an oblique view without a cooling device
  • FIG. 3 shows a section of a cooling device in cross section
  • Fig. 4 shows a section of a first embodiment of the
  • FIG. 5 shows a detail from a further embodiment variant of the cooling device with a cross-sectional constriction element
  • Fig. 6 A vehicle with a rechargeable battery.
  • FIG. 1 and 2 show an oblique view of a rechargeable battery 1, also referred to as an accumulator (referred to simply as battery 1 below), with FIG Only referred to below as device 2) and FIG. 2 shows battery 1 without this device 2.
  • the battery 1 includes a plurality of storage modules 3 for electrical energy.
  • storage modules 3 for electrical energy.
  • 16 memory modules 3 In the example shown there are 16 memory modules 3. However, this number is not to be understood as limiting.
  • the memory modules 3 can have several cells.
  • the device 2 is arranged on one side of the battery 1, in particular at the top. However, it can also be provided that the device 2 is arranged on several sides of the battery 1 and extends over at least two surfaces of the battery 1, for example on the top and on the side and optionally on the bottom.
  • the device 2 can extend over all memory modules 3, in particular the upper side thereof (as can be seen from FIG. 1), so that all memory modules 3 can be cooled with just one device 2.
  • all memory modules 3 can be cooled with just one device 2.
  • top, etc. refer to the installation position of the battery 1 in a vehicle or motor vehicle.
  • FIG. 3 shows a detail of an embodiment variant of the device 2 in cross section.
  • the device 2 can have a first single-layer or multi-layer film 4 .
  • this first film 4 the device 2 can bear against the storage module 3 or the storage modules 3, in particular directly.
  • the installation takes place, for example, on the upper side of the storage modules 3, as was explained above.
  • the first film 4 is flexible, that is to say is not stiff, this first film 4 can adapt better to unevenness in the storage modules 3 or between the storage modules 3 .
  • a balancing mass between the device 2 and the memory modules 3 is not required. The heat transfer from the storage modules 3 to the device 2 can thus be improved.
  • this first film 4 is connected to a further film 5.
  • This further film 5 is also multi-layered, but can also be single-layered.
  • a plurality of coolant channels 6 are formed between the additional film 5 and the first film 4 .
  • the additional film 5 can be connected to the first film 4 via webs 7 .
  • the webs 7 can be formed, for example, during the connection of the first to the further film 4, 5, e.g. by heat sealing or gluing.
  • versions of the device 1 without these webs 7 are also possible.
  • the device 2 it is also possible for the device 2 to have a rigid element, for example the cover of the battery 1, instead of the further film 5, to which the first film 4 is connected.
  • the coolant channels 6 are formed partly by the first foil 4 and partly by this rigid element.
  • the connection between the first film 4 and the rigid element for forming the coolant channels 6 can be made via the webs 7 .
  • the rigid element can, for example, consist of a metal or a plastic, for example a duroplast or a thermoplastic.
  • the device has neither the first nor the further foil 4, 5, but only has a rigid element, for example made of a metal.
  • the first film 4 can be glued to the other film 5 or to the rigid element.
  • connection techniques can also be used to connect the first film 4 to the further film 5 or to the rigid element.
  • the connection techniques are preferably chosen in such a way that no additional measures have to be taken in order to obtain a liquid-tight design of the connection.
  • the optimized course of the coolant channels 6 depends, among other things, on the amount of heat that is to be dissipated, the geometry of the battery 1, etc.
  • the first film 4 and/or the further film 5 can also be multi-layered. In particular, they can consist of a laminate.
  • the first film 4 has or consists of a first plastic layer 8, a second plastic layer 9, and a layer 10 arranged between the two plastic layers.
  • the first film 4 can also be formed in one layer and then has the first plastic layer 8, which is optionally (fiber) reinforced.
  • the further film 5 can have or consist of a first plastic layer 11, a second plastic layer 12, and a layer 13 arranged between the two plastic layers. However, it can also consist of only one or both of the plastic layer(s) 11, 12, which may be (fiber) reinforced.
  • first film 4 and/or the further film 5 can have a Have reinforcement layer 14, 15, which may optionally also be connected to the layer 10, 13 or replace it. It is also possible that the first plastic layer 8, 11 or the second plastic layer 9, 12 is replaced by the reinforcement layer 14, 15.
  • first film 4 can be provided with the layer 10 or only the further film 5 with the layer 13.
  • first film 4 and the further film 5 are also possible.
  • the foil 4 and the further foil 5 are preferably of the same design.
  • the coolant channels 6 are not formed by separate components, but by the only partial connection of the first film 4 to the further film 5 or the rigid element.
  • the wall or the walls of the at least one coolant channel 6 are thus formed by the first film 4 and the further film 5 or the rigid element, preferably half in each case.
  • the layer 10, 13 can be electrically conductive. It can consist, for example, of an electrically conductive plastic, an electrically conductive elastomer, or be made of an electrically conductive paint. For this purpose, electrically conductive particles, such as graphite, metal particles, etc., can be mixed into the respective base material.
  • the layer 10, 11 can also be in the form of a metal layer or a metalized plastic layer.
  • the first plastic layer(s) 8, 11 and/or the further plastic layer(s) 9, 12 and/or the metalized plastic layer(s) preferably consists of at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight. , made of a thermoplastic material or an elastomer.
  • the thermoplastic can be selected, for example, from a group comprising or consisting of polyethylene (PE), polyoxymethylene (POM), polyamide (PA), in particular PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene terephthalate (PET), crosslinked polyolefins, preferably polypropylene (PP).
  • the elastomer can be selected from a group, for example comprising or consisting of thermoplastic elastomers such as thermoplastic vulcanizates, olefin-, amine-, ester-based, thermoplastic polyurethanes, in particular thermoplastic elastomers based on ether/ester, styrene block copolymers, silicone elastomers.
  • thermoplastic elastomers such as thermoplastic vulcanizates, olefin-, amine-, ester-based, thermoplastic polyurethanes, in particular thermoplastic elastomers based on ether/ester, styrene block copolymers, silicone elastomers.
  • a plastic is understood to mean a synthetic or natural polymer that is produced from appropriate monomers.
  • the first plastic layer(s) 8, 11 and/or the further plastic layer(s) 9, 12 and/or the metalized plastic layer(s) preferably consists/consist of a so-called sealing film. This has the advantage that the respective layers can be connected directly to one another.
  • the reinforcement layer(s) 14, 15 that may be present preferably includes/comprise or consists/consist of a fiber reinforcement, which is preferably designed as a separate layer.
  • the fiber reinforcement can be formed from fibers and/or threads selected from a group comprising or consisting of glass fibers, aramid fibers, carbon fibers, mineral fibers such as basalt fibers, natural fibers such as hemp, sisal, and combinations thereof. Glass fibers are preferably used as the fiber reinforcement layer.
  • the proportion of fibers, in particular glass fibers, in the fiber reinforcement can be at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight.
  • the fibers and/or threads of the fiber reinforcement preferably consist exclusively of glass fibers.
  • the fibers and/or threads can be present in the fiber reinforcement as a scrim, for example as a fleece.
  • a woven or knitted fabric made from the fibers and/or threads is preferred. It is also possible for the woven or knitted fabric to be present only in certain areas and for the remaining areas of the fiber reinforcement to be formed by a scrim.
  • rubberized fibers and/or threads may be used as or for the fiber reinforcement.
  • a plain weave is preferably used.
  • a coated paper can also be used as fiber reinforcement.
  • the coating makes the paper liquid-resistant.
  • the reinforcement layers 14, 15 can have a mineral filling.
  • Calcium carbonate, talc, quartz, wollastonite, kaolin or mica, for example, can be used as the mineral filling (mineral filler).
  • the metal layer is formed in particular from aluminum or consists of it. However, other metals can also be used, such as copper or silver.
  • the metal layer can have a layer thickness between 5 ⁇ m and 200 ⁇ m, in particular between 60 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the plastic layers 8, 9, 11, 12 can have a layer thickness of between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the layer thickness of the reinforcement layer(s) 14, 15 can be between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the foils 4, 9 can in principle be used in the form of the individual foils for the production of the device 2, so that the foil laminate(s) is/are only formed in the course of the production of the device 2, it is advantageous if the foils 4, 9 can be used as a (laminated) semi-finished product.
  • adhesives are suitable for this.
  • coextrusion and extrusion coating can also be used as connection options.
  • a combination is also possible in which several plastics are coextruded and adhesively laminated to one another with an extrusion-coated metal or (fiber) reinforcement layer.
  • all known processes for the production of composite films or composite films can be used.
  • Foil laminates are used.
  • FIG. 4 shows a detail from an embodiment variant of the device 2 .
  • the device has a supply channel 16 and a discharge channel 17 .
  • the coolant is supplied to the coolant channels 6 via the supply channel 16 and removed again via the discharge channel 17 .
  • the coolant channels 6 branch off from the supply channel 16 and open into the discharge channel 17.
  • the device 2 can also have more than one supply channel 16 and/or more than one discharge channel 17, so that in this case the coolant channels 6 can be divided into several flow fields.
  • the coolant flows in the coolant channels 6 in the same direction.
  • the coolant channels 6 (within the scope of production tolerances) are aligned parallel to one another.
  • the coolant ducts 6 can also run in different directions from one another, in which case the flow direction of the coolant in the coolant ducts 6 can also be regarded as the same if these coolant ducts 6 branch off from a common supply duct 16 and open into a common discharge duct 17.
  • each of the coolant channels 6 there is at least one cross-sectional constriction element
  • the cross-sectional constriction element 18 has a passage opening
  • the passage opening 19 has a passage cross section.
  • the passage cross section can, for example, be square, rectangular, hexagonal or generally polygonal.
  • the passage cross section is preferably circular and has a diameter 20 .
  • the cross-sectional constriction element 18 has a length 21 in the flow direction of the coolant.
  • the several coolant channels 6 it is generally possible for only one or several or all of the several coolant channels 6 to have a cross-sectional constriction element 18 or a plurality of cross-sectional constriction elements 18 .
  • the cross-sectional constriction elements 18 in FIG. 1 are each placed essentially equally in the coolant channels 6 . However, they can also be placed at different points in the coolant channels 6 .
  • the cross-sectional constriction elements 18 in FIG. 4 are of the same design. However, they can also be different, for example have a different length 21 and/or a passage cross section that is different in terms of size and/or shape, in particular a different diameter.
  • the at least one cross-sectional constriction element 18 is used in the coolant channels 6 to equalize or adapt the volume flows of coolant through the coolant channels 6 , ie between the supply channel 16 and the discharge channel 17 .
  • the person skilled in the art can determine the specific placement of the cross-sectional constriction element 18 in the respective coolant channel 6 and/or the specific shape or size of the passage cross-section for a specific application using a few tests. This placement and/or design of the cross-sectional constriction element 18 also depends, among other things, on the number and/or length of the coolant channels 6, etc.
  • the cross-sectional constriction element 18 or the cross-sectional constriction elements 18 have a ratio of the length 21 to the smallest dimension of the passage cross-section, in particular to the smallest diameter 20, between 2 and 10, in particular between 2 and 7.
  • the aperture-shaped cross-sectional constriction element 18 preferably has a length 21 in the direction of flow of the coolant, which is at most 1.5 times the smallest dimension of the passage cross-section.
  • the shape of the cross-sectional constriction element 18 can also deviate from the diaphragm shape or cylinder shape.
  • the cross-sectional constriction element 18 can also be cuboid or cube-shaped.
  • the invention is not limited to the shapes of the cross-sectional constriction element 18 mentioned.
  • the passage opening 19 can, within the scope of the invention, be of the same size as the cross-sectional area (the lower cross-sectional constriction element 18 in FIG. 4). or with a changing size of the cross-sectional area (in FIG. 4 the panel-shaped upper cross-sectional constriction element 18).
  • the through-opening preferably becomes larger in the flow direction of the coolant.
  • FIG. 5 shows a detail from a further embodiment of the device 2 .
  • the narrowing of the flow cross section of the coolant channels 6 does not occur abruptly, as is the case in the embodiment variants according to FIG.
  • the decrease can be linear or according to another mathematical function, for example exponential.
  • the cross-sectional constriction element 18 is also designed with a steadily increasing passage cross-section (i.e. with a steadily increasing size of the passage cross-section) for the coolant.
  • the section of the cross-sectional constriction element 18 with the continuously increasing passage cross-sectional area can directly adjoin the section with a constantly decreasing passage cross-sectional area or directly on a section with the same size of the passage cross-sectional area (as shown in FIG. 5).
  • the sections with the decreasing and the increasing size of the passage cross-sectional area are preferably of equal length in the direction of flow of the coolant. But they can also have a different length.
  • the cross-sectional constriction element 18 is formed symmetrically with regard to the change in the size of the cross-sectional area of the passage opening 19 .
  • the cross-sectional tapering element 18 can be formed, for example, in the shape of an hourglass.
  • transitions into and out of the cross-sectional constriction element 18 can be rounded.
  • the cross-sectional tapering element 18 can be designed as a separate element and inserted into the coolant channel 6, as is the case, for example, in the embodiment variant according to FIG.
  • the cross-sectional tapering element 18 preferably consists at least partially of at least one plastic, in particular of a plastic mentioned above for the films 4, 5.
  • the cross-sectional constriction element 18 can be formed by a deformation of the coolant channel 6 itself.
  • This embodiment variant is shown as an example in FIG.
  • the cross-sectional tapering element 18 can be formed, for example, by the controlled pressing in of a metal coolant channel 6 to form a constriction.
  • the device 2 is formed with the two single-layer or multi-layer films 4, 5 mentioned above.
  • the two films 4, 5 are only partially connected to each other, as has been described.
  • connecting regions 22 are formed larger in these sections than in the remaining connecting sections of the films 4, 5 with one another.
  • the alignment of the connection areas cannot be changed accordingly either, so that there is no need for a full-surface connection in the connection areas 22 .
  • the cross-sectional constriction element 18 is formed by deforming the respective coolant channel 6, this is preferably already formed in the respective coolant channel 6 during the formation thereof. This can also be done with a separate element as cross-section constriction element 18 by placing it, for example, on one of the two foils 4, 5 and then partially connecting the two foils 4, 5 to one another to form the coolant channels 6.
  • the cross-section constriction element 18 can also be glued onto at least one of the two films 4, 5. The same applies if the device 2 is produced with only one of the two films 4, 5 and a rigid element is used instead of the other film 4, 5, as was explained above.
  • a cross-sectional constriction element 18 configured as a separate element is inserted into a coolant channel 6 formed from the two foils 4, 5 or with at least one of the two foils 4, 5, and in particular with at least one of the two foils 4, 5, in particular with both.
  • the connection can be made, for example, thermally or by means of an adhesive, as described above for connecting the two films 4, 5 to one another or for forming the laminates for the films 4, 5.
  • this has both a cross-sectional constriction element 18 inserted into a coolant channel 6 and a cross-sectional constriction element 18 formed by deformation of the coolant channel 6 .
  • the device 2 is preferably used in a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • a vehicle 23 with a built-in battery 1 is shown in FIG. 6 only for the sake of completeness.
  • the battery 1 can be held by at least one holding element.
  • the cooling fluid can be a liquid, such as water in particular, or a gas.
  • All information on value ranges in the present description is to be understood in such a way that it also includes any and all sub-ranges, e.g. the information 1 to 10 is to be understood in such a way that all sub-ranges, starting from the lower limit 1 and the upper limit 10, are also included , i.e. all sub-ranges start with a lower limit of 1 or greater and end with an upper limit of 10 or less, e.g. 1 to 1.7, or 3.2 to 8.1, or 5.5 to 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1), wobei die Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, und wobei zumindest einer der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.

Description

Titel: Kühlvorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul einer wiederaufladbaren Batterie, wobei die Vorrichtung mehrere Kühlmittelkanäle aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden.
Weiter betrifft die Erfindung eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Speichermodul für elektrische Energie und zumindest einer Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul.
Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit zumindest einer wiederaufladbaren Batterie.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul einer wiederaufladbaren Batterie, wobei in der Vorrichtung mehrere Kühlmittelkanäle ausgebildet werden, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden.
Die Lebensdauer und die Effektivität sowie auch die Sicherheit einer wiederaufladbaren Batterie für die sogenannte E-Mobility hängen unter anderem auch von der Temperatur im Betrieb ab. Aus diesem Grund wurden schon verschiedenste Konzepte für die Kühlung bzw. Temperierung der Akkumulatoren vorgeschlagen. Im Wesentlichen lassen sich die Konzepte in zwei Typen unterteilen, nämlich die Luftkühlung sowie die Wasserkühlung bzw. generell die Kühlung mit Flüssigkeiten.
Für die Wasserkühlung werden Kühlkörper verwendet, in denen zumindest ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist. Diese Kühlköper werden zwischen den einzelnen Modulen des Akkumulators oder auf den Modulen angeordnet. Ein Modul ist dabei eine selbstständige Einheit des Akkumulators, also nicht zwingend nur eine Zelle.
Bei der Anordnung auf den Modulen werden die Kühlkörper üblicherweise so gestaltet, dass sie sämtliche Module des Akkumulators abdecken. Dabei tritt aber das Problem auf, dass aufgrund von Toleranzen, etc., der Kühlkörper nicht gleichmäßig an den Modulen anliegt. Um dem Abzuhelfen, wird der Kühlkörper mit jedem einzelnen Modul verschraubt. Damit ist aber der Nachteil verbunden, dass die Herstellung des Akkumulators entsprechend aufwändig und damit kostenintensiv ist. Dies wiederum verschlechtert die Akzeptanz der E-Mobility an sich.
Neben derartigen Kühlkörpern sind im Stand der Technik auch schon Kühlvorrichtungen beschrieben worden, die flexibel sind und sich somit an den Untergrund anpassen zu können. So beschreibt z.B. die AT 520 018 A1 einen Akkumulator mit zumindest einem Speichermodul für elektrische Energie und zumindest einer Kühlvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul, wobei die Kühlvorrichtung zumindest einen Kühlmittelkanal, zumindest einen Kühlmitteleinlass und zumindest einen Kühlmittelauslass aufweist, und wobei die Kühlvorrichtung ein- oder mehrschichtige Folien aufweist. Der Kühlmittelkanal ist von den Folien und zwischen diesen ausgebildet. Weiter liegt die Kühlvorrichtung mit einer der Folien an dem zumindest einen Speichermodul an.
Generell tritt bei derartigen Kühlem das Problem auf, dass über den gesamten Kühler gesehen unterschiedliche Volumenströme auftreten können. Dies führt zu unterschiedlich gekühlten Zellen des Akkumulators, womit in weiterer Folge auch die Leistungsfähigkeit des Akkumulators über die Zeitdauer seiner Nutzung durch unterschiedliche Alterung seiner Zellen sinkt. Um dem entgegenzuwirken werden die Fluidkanäle unter den Modulen werden sehr lang gestaltet, um so einen hohen Druckverlust zu erreichen welcher die Vergleichmäßigung ermöglicht. Es ist auch möglich, die Länge der Kühlmittelkanäle entsprechend dem Teichelmannprinzip vorzusehen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Einsetzbarkeit der beschriebenen Kühlvorrichtung in einem Elektrofahrzeug bzw. die Kühlung einer Batterie in einem Elektrofahrzeug zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit der eingangs genannten Vorrichtung gelöst, die in zumindest einem der Kühlmittelkanäle ein Querschnittsverengungselement mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung bei der eingangs genannten Batterie dadurch gelöst, dass diese die Vorrichtung zur Kühlung oder Temperierung für zumindest Speichermodul nach der Erfindung aufweist.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Fahrzeug gelöst, das die Batterie nach der Erfindung aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem vorgesehen ist, dass in zumindest einem der Kühlmittelkanäle ein Querschnittsverengungselement mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel angeordnet wird.
Durch die in dem zumindest einen Kühlmittelkanal vorgesehene Querschnittsverengung, wird ein erhöhter Druckverlust erzeugt. Damit wird es möglich, in den Kühlmittelkanälen zumindest annährend denselben Durchfluss (Volumenstrom pro Zeiteinheit) zu erreichen. Somit kann auf sehr lange Kanäle oder komplexe Kühlmittelführung außerhalb der Batterie verzichtet werden. Zudem kann auf einige der bei sehr langen Kühlmittelkanälen erforderlichen Schweißnähte verzichtet werden, womit das Risiko für Undichtheiten im Kühlmittelkreislauf reduziert werden kann. Darüber hinaus kann diese zumindest annähernde Vergleichmäßigung der Volumenströme durch die Kühlmittelkanäle mit gleicher Strömungsrichtung mit relativ einfachen Mitteln erreicht werden, womit die Herstellung der Vorrichtung bzw. des diese aufweisenden Kühlsystems vereinfacht werden kann. Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement ein in den Kühlmittelkanal eingesetztes Element ist. Es ist damit möglich, das Querschnittsverengungselement einfacher an die durch die Querschnittsverengung verursachten höheren Materialbelastungen anzupassen, ohne die gesamte Vorrichtung diesbezüglich ändern zu müssen. Darüber hinaus ist dadurch das Querschnittsverengungselemente flexibler in der Vorrichtung platzierbar, womit ein höherer Vorfertigungsgrad der Vorrichtung bzw. Vorrichtungen unterschiedlichster Größe mit einer höheren Anzahl an Gleichteilen aufgebaut werden können. Zudem ist es damit einfacher möglich, einen minimalen Strömungsquerschnitt aufrecht zu erhalten, selbst wenn die Vorrichtung großteils aus einem flexiblen Material besteht.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittverengungselement durch eine Verformung des Kühlmittelkanals gebildet ist. Mit dieser Ausführungsvariante können ein Materialmix und die damit verbundenen Probleme einfacher vermieden werden. Zudem kann die Ausbildung des Querschnittsverengungselements bereits mit der Herstellung der Kühlmittelkanäle erfolgen, womit zusätzliche Arbeitsschritte für die Herstellung der Vorrichtung gegebenenfalls vermieden werden können.
Es kann aber nach weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal eingesetztes Querschnittsverengungselement als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals gebildetes Querschnittsverengungselement aufweist, womit eine Kombination der voranstehend beschriebenen Effekte erzielbar ist.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine erste ein- oder mehrschichtige Folie aufweist, die einen Teil der Kühlmittelkanäle bildet. Von Vorteil ist dabei, dass sich die flexible Folie besser an die Flächen der wiederaufladbaren Batterie bzw. deren Speichermodule für elektrische Energie anlegt, wodurch die Wärmeübertragung in das Kühlmittel verbessert werden kann. Zudem kann durch die Folie auch eine Gewichtsreduktion erreicht werden, wodurch die Effektivität der E-Mobility durch höhere Reichweiten verbessert werden kann. Diese Effekte haben unmittelbar Einfluss auf die Kühlung der Batterie, da beide Effekte eine Reduzierung der Kühlleistung ermöglichen. Dies wiederum begünstigt die einfache Vergleichmäßigung des Volumenstroms an Kühlmittel, das durch die Kühlmittelkanäle strömt.
Zur weiteren Verbesserung dieser Effekte kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine weitere ein- oder mehrschichtige Folie aufweist, die zusammen mit der ersten ein- oder mehrschichtigen Folie die Kühlmittelkanäle ausbildet.
In einer einfachen Ausführung des Querschnittsverengungselement kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass dieses blendenförmig ausgebildet ist.
Eine größere Anpassbarkeit der Volumenstromänderung bzw. Volumenstromanpassung bietet jedoch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung, wonach vorgesehen sein kann, dass das Querschnittsverengungselement mit einem stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist. Dieser stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt erlaubt zudem die Ausbildung eines günstigen Strömungsprofils in den Kühlmittelkanälen.
Zur weiteren Verbesserung der Strömungsverhältnisse kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement nach dem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement eine Länge in Strömungsrichtung aufweist, wobei ein Verhältnis von Länge zu kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts zwischen 2 und 10 beträgt, da in diesem Bereich eine gute Anpassbarkeit von Volumenstrom und Druckverlust in den Kühlmittelkanälen der Vorrichtung erzielbar ist. Eine bessere Anbindung des Querschnittselements an die Wandungen des Kühlmittelkanäle kann erreicht werden, wenn das Querschnittsverengungselement nach einer weiteren Ausführungsvariante zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff besteht.
Es ist damit gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens gegebenenfalls auch möglich, dass das Querschnittsverengungselement bereits bei der Ausbildung der Kühlmittelkanäle in diesen angeordnet wird und insbesondere mit diesen verbunden wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 Eine wiederaufladbare Batterie in Schrägansicht mit einer Kühlvorrichtung; Fig. 2 Die Batterie nach Fig. 1 in Schrägansicht ohne Kühlvorrichtung;
Fig. 3 Einen Ausschnitt aus einer Kühlvorrichtung im Querschnitt;
Fig. 4 Einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsvariante der
Kühlvorrichtung mit einem Querschnittsverengungselement;
Fig. 5 Einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung mit einem Querschnittsverengungselement;
Fig. 6 Ein Fahrzeug mit einer wiederaufladbaren Batterie.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. In den Fig. 1 und 2 ist eine wiederaufladbare Batterie 1 , auch als Akkumulator bezeichenbar (im Folgenden nur mehr als Batterie 1 bezeichnet), in Schrägansicht dargestellt, wobei die Fig. 1 die Batterie 1 mit einer Vorrichtung 2 zur Kühlung oder Temperierung (im Folgenden nur mehr als Vorrichtung 2 bezeichnet) und die Fig. 2 die Batterie 1 ohne diese Vorrichtung 2 zeigt.
Die Batterie 1 umfasst mehrere Speichermodule 3 für elektrische Energie. Im dargestellten Beispiel sind es 16 Speichermodule 3. Diese Anzahl ist aber nicht beschränkend zu verstehen.
Die Speichermodule 3 können mehrere Zellen aufweisen.
Da der prinzipielle Aufbau derartiger Batterien 1 für die E-Mobility aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt ist, sei zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen.
Wie aus dem Vergleich der beiden Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist die Vorrichtung 2 an einer Seite der Batterie 1 angeordnet, insbesondere oben. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die Vorrichtung 2 an mehreren Seiten der Batterie 1 angeordnet ist und sich über zumindest zwei Oberflächen der Batterie 1 erstreckt, beispielsweise oben und seitlich und gegebenenfalls unten.
Die Vorrichtung 2 kann sich über sämtliche Speichermodule 3, insbesondere deren Oberseite, erstrecken (wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist), damit mit nur einer Vorrichtung 2 sämtliche Speichermodule 3 gekühlt werden können. Prinzipiell ist es aber auch möglich, in der Batterie 1 bzw. an der Batterie 1 mehrere Vorrichtungen 2 vorzusehen, beispielsweise zwei oder drei oder vier, sodass also beispielsweise die Speichermodule 3 auf zwei oder drei oder vier, etc. Vorrichtungen 2 aufgeteilt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe Oberseite, etc., auf die Einbaulage der Batterie 1 in einem Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug beziehen. In Fig. 3 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 im Querschnitt dargestellt.
Die Vorrichtung 2 kann gemäß dieser Ausführungsvariante eine erste ein- oder mehrschichtige Folie 4 aufweisen. Mit dieser ersten Folie 4 kann die Vorrichtung 2 an dem Speichermodul 3 oder den Speichermodulen 3 anliegen, insbesondere unmittelbar. Die Anlage erfolgt beispielsweise an der Oberseite der Speichermodule 3, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Nachdem die erste Folie 4 flexibel ist, also nicht steif ist, kann sich diese erste Folie 4 an Unebenheiten der Speichermodule 3 oder zwischen den Speichermodulen 3 besser anpassen. Eine Ausgleichsmasse zwischen der Vorrichtung 2 und den Speichermodulen 3 ist nicht erforderlich. Es kann damit die Wärmeübertragung von den Speichermodulen 3 in die Vorrichtung 2 verbessert werden.
Bei der Ausführungsvariante des Vorrichtung 2 nach Fig. 3 ist diese erste Folie 4 mit einer weiteren Folie 5 verbunden. Diese weitere Folie 5 ist ebenfalls mehrschichtig ausgebildet, kann aber auch einschichtig ausgebildet sein. Zwischen der weiteren Folie 5 und der ersten Folie 4 sind mehrere Kühlmittelkanäle 6 ausgebildet. Dazu kann die weitere Folie 5 mit der ersten Folie 4 über Stege 7 verbunden sein. Die Stege 7 können beispielsweise während der Verbindung der ersten mit der weiteren Folie 4, 5, z.B. durch Heißsiegeln oder Verkleben, gebildet werden. Es sind aber auch Ausführungen der Vorrichtung 1 ohne diese Stege 7 möglich.
Es ist weiter möglich, dass die Vorrichtung 2 anstelle der weiteren Folie 5 ein starres Element, beispielsweise die Abdeckung der Batterie 1 , aufweist, mit dem die erste Folie 4 verbunden ist. In diesem Fall werden die Kühlmittelkanäle 6 zum Teil durch die erste Folie 4 und zum Teil durch dieses starre Element gebildet. Die Verbindung zwischen der ersten Folie 4 und dem starren Element zur Ausbildung der Kühlmittelkanäle 6 kann über die Stege 7 erfolgen. Das starre Element kann z.B. aus einem Metall oder einem Kunststoff, z.B. einem Duroplast oder einem Thermoplast, bestehen. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung weder die erste noch die weitere Folie 4, 5 aufweist, sondern nur ein starres Element aufweist, beispielsweise aus einem Metall.
Die erste Folie 4 kann mit der weiteren Folie 5 oder dem starren Element verklebt sein. Es können aber auch andere Verbindungstechniken angewandt werden, um die erste Folie 4 mit der weiteren Folie 5 oder dem starren Element zu verbinden. Die Verbindungstechniken werden vorzugsweise derart gewählt, dass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine flüssigkeitsdichte Ausführung der Verbindung zu erhalten.
Der jeweils optimierte Verlauf der Kühlmittelkanäle 6 richtet sich u.a. nach der Wärmemenge, die abzuführen ist, der Geometrie der Batterie 1 , etc.
Wie bereits ausgeführt, können die erste Folie 4 und/oder die weitere Folie 5 auch mehrschichtig ausgebildet sein. Insbesondere können sie aus einem Laminat bestehen.
In der bevorzugten Ausführungsvariante weist die erste Folie 4 eine erste Kunststoffschicht 8, eine zweite Kunststoffschicht 9, und eine zwischen den beiden Kunststoffschichten angeordnete Schicht 10 auf bzw. besteht daraus. Wie bereits erwähnt, kann die erste Folie 4 aber auch einschichtig ausgebildet sein und weist dann die erste Kunststoffschicht 8 auf, die gegebenenfalls (faser)verstärkt ausgebildet ist.
Sofern die weitere Folie 5 gleich aufgebaut ist, kann sie eine erste Kunststoffschicht 11 , eine zweite Kunststoffschicht 12, und eine zwischen den beiden Kunststoffschichten angeordnete Schicht 13 aufweisen oder daraus bestehen. Sie kann aber auch nur aus einer der oder beiden, gegebenenfalls (faser)verstärkten, Kunststoffschicht(en) 11 , 12 bestehen.
Gegebenenfalls kann/können die erste Folie 4 und/oder die weitere Folie 5 eine, insbesondere mit der ersten Kunststoffschicht 8, 11 verbundene, Verstärkungsschicht 14, 15 aufweisen, die gegebenenfalls auch mit der Schicht 10, 13 verbunden sein oder diese ersetzen kann. Es ist auch möglich, dass die erste Kunststoffschicht 8, 11 oder die zweite Kunststoffschicht 9, 12 durch die Verstärkungsschicht 14, 15 ersetzt ist.
Prinzipiell können auch andere Laminate verwendet werden. Beispielsweis kann nur die erste Folie 4 mit der Schicht 10 oder nur die weitere Folie 5 mit der Schicht 13 versehen sein. Ebenso sind zweischichtige oder mehr als dreischichtige Aufbauten der ersten Folie 4 und/oder der weiteren Folie 5 möglich. Bevorzugt sind die Folie 4 und die weitere Folie 5 jedoch gleich ausgebildet.
Die Kühlmittelkanäle 6 sind bei dieser Ausführungsvariante nicht durch gesonderte Bauteile, sondern durch die nur partielle Verbindung der ersten Folie 4 mit der weiteren Folien 5 oder dem starren Element gebildet. Die Wand bzw. die Wände des zumindest einen Kühlmittelkanals 6 werden also durch die erste Folie 4 und die weitere Folie 5 oder das starre Element gebildet, vorzugsweise jeweils zur Hälfte.
Die Schicht 10, 13 kann elektrisch leitfähig sein. Sie kann beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff, einem elektrisch leitfähigen Elastomer, bestehen oder aus einem elektrisch leitfähigen Lack hergestellt sein. Dazu können dem jeweiligen Basismaterial elektrisch leitfähige Partikel, wie z.B. Grafit, Metallpartikel, etc., zugemischt sein. Die Schicht 10, 11 kann auch als Metallschicht oder als metallisierte Kunststoffschicht ausgebildet sein.
Die erste Kunststoffschicht(en) 8, 11 und/oder die weiteren Kunststoffschicht(en) 9, 12 und/oder die metallisierte Kunststoffschicht(en) besteht/bestehen bevorzugt zu zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zu zumindest 90 Gew.-%, aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Elastomer. Der thermoplastische Kunststoff kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), insbesondere PA 6, PA 66, PA 11 , PA 12, PA 610, PA 612, Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), vernetzte Polyolefine, bevorzugt Polypropylen (PP). Das Elastomer kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus thermoplastischen Elastomeren wie z.B. thermoplastische Vulkanisate, olefin-, amin-, ester-basierende, thermoplastische Polyurethane, insbesondere thermoplastische Elastomere auf Ether-/Ester Basis, Styrol-Block-Copolymere, Silikonelastomere.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einem Kunststoff ein synthetisches oder natürliches Polymer verstanden wird, das aus entsprechenden Monomeren hergestellt ist.
Vorzugsweise besteht/bestehen die erste Kunststoffschicht(en) 8, 11 und/oder die weitere Kunststoffschicht(en) 9, 12 und/oder die metallisierte Kunststoffschicht(en) aus einer sogenannten Siegelfolie. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Schichten direkt miteinander verbunden werden können.
Es ist aber auch möglich, andere Kunststoffe, wie z.B. duroplastische Kunststoffe bzw. duroplastische Werkstoffe einzusetzen, die dann beispielsweise mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Zweikomponenten Klebstoffsysteme auf Polyurethanbasis oder Silikonbasis oder auch Heißklebesysteme.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass zu Herstellung der ersten und/oder der weiteren Folie 4, 5 Einzelfolien aus den jeweiligen Materialien eingesetzt werden können, die miteinander verbunden werden.
Bevorzugt umfasst/umfassen die gegebenenfalls vorhandenen Verstärkungsschicht(en) 14, 15 eine oder besteht/bestehen aus einer Faserverstärkung, die bevorzugt als eigene Schicht ausgebildet ist. Die Faserverstärkung kann aus Fasern und/oder Fäden gebildet sein, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Glasfasern, Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Mineralfasern, wie beispielsweise Basaltfasern, Naturfasern, wie z.B. Hanf, Sisal, und Kombinationen daraus. Bevorzugt werden Glasfasern als Faserverstärkungsschicht eingesetzt. Der Anteil der Fasern, insbesondere der Glasfasern, an der Faserverstärkung kann zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zumindest 90 Gew.-% betragen. Bevorzugt bestehen die Fasern und/oder Fäden der Faserverstärkung ausschließlich aus Glasfasern.
Die Fasern und/oder Fäden können in der Faserverstärkung als Gelege, beispielsweise als Vlies, vorliegen. Bevorzugt wird jedoch ein Gewebe oder ein Gestrick aus den Fasern und/oder Fäden. Es ist dabei auch möglich, dass das Gewebe oder Gestrick nur bereichsweise vorliegt und die restlichen Bereiche der Faserverstärkung durch ein Gelege gebildet werden.
Es ist auch möglich, dass gummierte Fasern und/oder Fäden als bzw. für die Faserverstärkung eingesetzt werden.
Bei Verwendung eines Gewebes sind unterschiedliche Bindungsarten, insbesondere Lein-wand-, Köper- oder Atlasbindung, möglich. Bevorzugt wird eine Leinwandbindung eingesetzt.
Es ist aber auch möglich, ein offenmaschiges Glasgewebe oder Glasgelege zu verwenden.
Als Faserverstärkung kann auch ein beschichtetes Papier verwendet werden. Durch die Beschichtung wird das Papier flüssigkeitsfest ausgerüstet.
Alternativ oder zusätzlich zur Faserverstärkung kann/können die Verstärkungsschichten) 14, 15 eine mineralische Füllung aufweisen. Als mineralische Füllung (mineralischer Füllstoff) kann beispielsweise Calziumcarbonat, Talkum, Quarz, Wollastonit, Kaolin oder Glimmer eingesetzt werden.
Die Metallschicht ist insbesondere aus Aluminium gebildet bzw. besteht daraus. Es sind aber auch andere Metalle verwendbar, wie beispielsweise Kupfer oder Silber. Die Metallschicht kann eine Schichtstärke zwischen 5 pm und 200 pm, insbesondere zwischen 60 pm und 200 pm, aufweisen.
Die Kunststoffschichten 8, 9, 11 , 12 kann/können eine Schichtdicke zwischen 10 pm und 200 pm aufweisen.
Die Schichtdicke der Verstärkungsschicht(en) 14, 15 kann zwischen 5 pm und 50 pm betragen.
Obwohl die Folien 4, 9 prinzipiell in Form der Einzelfolien zur Herstellung der Vorrichtung 2 eingesetzt werden können, sodass das bzw. die Folienlaminat(e) erst im Zuge der Herstellung der Vorrichtung 2 ausgebildet werden, ist es von Vorteil, wenn die Folien 4, 9 als (laminiertes) Halbzeug eingesetzt werden.
Zur Verbindung der Einzelschichten des Laminats oder der Laminate können diese miteinander über Klebstoffe verklebt werden. Hierzu eignen sich die voranstehend genannten Klebstoffe. Neben Klebstoffen kann auch die Coextrusion und die Extrusionsbeschichtung als Verbindungsmöglichkeit eingesetzt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination möglich, dass mehrere Kunststoffe coextrudiert und mit einer extrusionsbeschichteten Metall- oder (Faser)Verstärkungsschicht miteinander klebekaschiert werden. Generell können sämtliche bekannte Verfahren zur Herstellung von Verbundfolien bzw.
Folienlaminaten verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 dargestellt. Die Vorrichtung weist neben den mehreren Kühlmittelkanälen 6 (es sind nur zwei Kühlmittelkanäle 6 dargestellt, wobei diese Anzahl nicht beschränkend zu verstehen ist) einen Zufuhrkanal 16 und einen Abfuhrkanal 17 auf. Über den Zufuhrkanal 16 wird das Kühlmittel den Kühlmittelkanälen 6 zugeführt und über den Abfuhrkanal 17 wieder abgeführt. Die Kühlmittelkanäle 6 zweigen vom Zufuhrkanal 16 ab und münden in den Abfuhrkanal 17. Die Vorrichtung 2 kann auch mehr als einen Zufuhrkanal 16 und/oder mehr als einen Abfuhrkanal 17 aufweisen, sodass in diesem Fall die Kühlmittelkanäle 6 auf mehrere Strömungsfelder aufgeteilt sein können.
Wie in Fig. 4 anhand von Pfeilen veranschaulicht ist, strömt das Kühlmittel in den Kühlmittelkanälen 6 in die gleiche Richtung. Insbesondere sind die Kühlmittelkanäle 6 (im Rahmen der Produktionstoleranzen) parallel zueinander ausgerichtet. Die Kühlmittelkanäle 6 können aber auch in zueinander unterschiedlichen Richtungen verlaufen, wobei auch in diesem Fall die Strömungsrichtung des Kühlmittels in den Kühlmittelkanälen 6 als gleich anzusehen ist, wenn diese Kühlmittelkanäle 6 von einem gemeinsamen Zufuhrkanal 16 abzweigen und in einen gemeinsamen Abfuhrkanal 17 münden.
In den Kühlmittelkanälen 6 ist jeweils zumindest ein Querschnittsverengungselement
18 angeordnet. Das Querschnittsverengungselement 18 weist eine Durchtrittsöffnung
19 für das Kühlmittel auf. Die Durchtrittsöffnung 19 hat einen Durchtrittsquerschnitt. Der Durchtrittsquerschnitt kann beispielsweise quadratisch, rechteckig, sechseckig, bzw. generell mehreckig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Durchtrittsquerschnitt aber kreisrund und weist eine Durchmesser 20 auf. Weiter weist das Querschnittsverengungselement 18 in Strömungsrichtung des Kühlmittels eine Länge 21 auf.
Im Rahmen der Erfindung ist es generell möglich, dass von den mehreren Kühlmittelkanälen 6 nur einer oder mehrere oder sämtlich ein Querschnittsverengungselement 18 oder mehrere Querschnittsverengungselemente 18 aufweist/aufweisen. Weiter sind die Querschnittsverengungselemente 18 in Fig. 1 im Wesentlichen jeweils in den Kühlmittelkanälen 6 gleich platziert. Sie können aber auch an unterschiedlichen Stellen in den Kühlmittelkanälen 6 platziert werden.
Zudem sind die Querschnittsverengungselement 18 in Fig. 4 gleich ausgebildet. Sie können aber auch unterschiedlich sein, beispielsweise eine unterschiedliche Länge 21 und/oder einen in Hinblick auf Größe und/oder Form unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitt, insbesondere unterschiedlichen Durchmesser, aufweisen. Das zumindest eine Querschnittsverengungselement 18 wird in den Kühlmittelkanälen 6 zur Angleichung bzw. Anpassung der Volumenströme an Kühlmittel durch die Kühlmittelkanäle 6, also zwischen Zufuhrkanal 16 und Abfuhrkanal 17, eingesetzt. Für die Ausbildung zumindest annähernd gleicher Volumenströme kann der Fachmann die jeweilige konkrete Platzierung des Querschnittsverengungselements 18 im jeweiligen Kühlmittelkanal 6 und/oder die konkrete Form bzw. Größe des Durchtrittquerschnitts für eine bestimmte Anwendung anhand weniger Versuche eruieren. Diese Platzierung und/oder Ausbildung des Querschnittsverengungselement 18 richtet sich u.a. auch nach der Anzahl und/oder Länge der Kühlmittelkanäle 6, etc.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Querschnittsverengungselement 18 oder die Querschnittsverengungselemente 18 ein Verhältnis von der Länge 21 zur kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts, insbesondere zum kleinsten Durchmesser 20, zwischen 2 und 10, insbesondere zwischen 2 und 7, aufweisen.
In Fig. 4 sind im rechten Kühlmittelkanal 6 zwei Ausführungsvarianten des Querschnittsverengungselements 18 gezeigt, nämlich eine blendenförmige Ausführungsvariante (oberes Querschnittsverengungselement 18) und eine zylinderförmige Ausführungsvariante (unteres Querschnittsverengungselement 18). Das blendenförmige Querschnittsverengungselement 18 weist bevorzugt eine Länge 21 in Strömungsrichtung des Kühlmittels auf, die maximal dem 1 ,5-fachen der kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts beträgt.
Die Form des Querschnittsverengungselements 18 kann von der Blendenform oder Zylinderform auch abweichen. Beispielsweise kann das Querschnittsverengungselement 18 auch quaderförmig oder würfelförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten ist die Erfindung nicht auf die genannten Formen des Querschnittsverengungselements 18 eingeschränkt.
Die Durchtrittsöffnung 19 kann im Rahmen der Erfindung mit gleichbleibender Größe der Querschnittsfläche (in Fig. 4 das untere Querschnittsverengungselement 18) oder mit sich verändernder Größe der Querschnittsfläche (in Fig. 4 das blendenförmige obere Querschnittsverengungselement 18) ausgebildet sein. Bei der blendenförmigen Ausführungsvariante wird die Durchtrittsöffnung vorzugsweis in Strömungsrichtung des Kühlmittels größer.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt die Verengung des Strömungsquerschnitts der Kühlmittelkanäle 6 nicht sprunghaft, wie dies bei den Ausführungsvarianten nach Fig. 4 der Fall ist, sondern nimmt der Durchtrittsquerschnitt des Querschnittsverengungselements 18 in Strömungsrichtung stetig ab. Die Abnahme kann linear oder entsprechend einer anderen mathematischen Funktion, beispielsweise exponentiell, ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung, die ebenfalls in Fig. 5 dargestellt ist, kann vorgesehen sein, dass das Querschnittsverengungselement 18 auch mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt (d.h. mit einer stetig zunehmenden Größe des Durchtrittquerschnitts) für das Kühlmittel ausgebildet ist. Der Abschnitt des Querschnittverengungselements 18 mit der stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnittsfläche kann unmittelbar an den Abschnitt mit einer stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnittsfläche oder unmittelbar an einen Abschnitt mit gleichbleibender Größe des Durchtrittsquerschnittfläche anschließen (wie dies in Fig. 5 gezeigt ist).
Vorzugsweise sind die Abschnitte mit der abnehmenden und der zunehmenden Größe der Durchtrittsquerschnittsfläche in Strömungsrichtung des Kühlmittels gleich lang. Sie können aber auch eine unterschiedliche Länge aufweisen. Insbesondere ist das Querschnittsverengungselement 18 hinsichtlich der Veränderung der Größe der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnung 19 symmetrisch ausgebildet. Das Querschnittsverjüngungselement 18 kann beispielsweise sanduhrförmig ausgebildet sein.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich können Übergänge in das und aus dem Querschnittsverengungselement 18 gerundet ausgeführt sein. Das Querschnittsverjüngungselement 18 kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung als gesondertes Element ausgebildet sein und in den Kühlmittelkanal 6 eingesetzt sein, wie dies z.B. bei der Ausführungsvariante nach Fig. 4 der Fall ist. Vorzugsweise besteht das Querschnittsverjüngungselement 18 dabei zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff, insbesondere aus einem voranstehend zu den Folien 4, 5 genannten Kunststoff.
Nach einer anderen Ausführungsvariante kann auch vorgesehen werden, das Querschnittverengungselement 18 durch eine Verformung des Kühlmittelkanals 6 selbst gebildet ist. Diese Ausführungsvariante ist als Beispiel in Fig. 5 dargestellt. Dabei kann das Querschnittsverjüngungselement 18 beispielsweis durch das kontrollierte Eindrücken eine metallischen Kühlmittelkanals 6 zur Ausbildung einer Einschnürung ausgebildet sein. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird die Vorrichtung 2 aber mit den beiden voranstehend genannten ein- oder mehrschichtigen Folien 4, 5 gebildet. Dabei werden die beiden Folien 4, 5 nur partiell miteinander verbunden, wie dies beschrieben worden ist. Zur Ausbildung des zumindest einen Querschnittsverengungselements 18 werden Verbindungsbereiche 22 in diesen Abschnitten größer ausgebildet, als in den restlichen Verbindungsabschnitten der Folien 4, 5 miteinander. Es kann aber auch nicht die Linienführung der Verbindungsbereiche entsprechend geändert werden, sodass also keine vollflächige Verbindung in den Verbindungsbereichen 22 erfolgen muss.
Bei der Ausbildung der Querschnittsverengungselements 18 durch Verformung des jeweiligen Kühlmittelkanals 6 wird dieses vorzugsweise bereits bei der Ausbildung des jeweiligen Kühlmittelkanals 6 in diesem ausgeformt. Dies kann auch mit einem gesonderten Element als Querschnittsverengungselement 18 erfolgen, indem dieses beispielsweise auf eine der beiden Folien 4, 5 aufgelegt wird, und danach die beiden Folien 4, 5 zur Ausbildung der Kühlmittelkanäle 6 partiell miteinander verbunden werden. Das Querschnittsverengungselement 18 kann dabei auch auf zumindest eine der beiden Folien 4, 5 aufgeklebt werden. Gleiches gilt, wenn die Vorrichtung 2 mit nur einer der beiden Folien 4, 5 hergestellt wird und anstelle der anderen Folie 4, 5 ein starres Element eingesetzt wird, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Es ist jedoch auch möglich, dass in einen aus den beiden Folien 4, 5 oder mit zumindest einer der beiden Folien 4, 5 gebildeten Kühlmittelkanal 6 ein als gesondertes Element ausgebildetes Querschnittsverengungselement 18 eingesetzt und insbesondere mit zumindest einer der beiden Folien 4, 5, insbesondere mit beiden, verbunden wird. Die Verbindung kann beispielsweise thermisch oder mittels eines Klebstoffes erfolgen, wie dies voranstehend zu der Verbindung der beiden Folien 4, 5 miteinander bzw. zur Ausbildung der Laminate für die Folien 4, 5 beschrieben wurde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann auch vorgesehen sein, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal 6 eingesetztes Querschnittsverengungselement 18 als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals 6 gebildetes Querschnittsverengungselement 18 aufweist.
Wie bereits erwähnt, wird die Vorrichtung 2 bevorzugt in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, verwendet. Nur der Vollständigkeit halber ist dazu in Fig. 6 ein derartiges Fahrzeug 23 mit eingebauter Batterie 1 dargestellt. Die Batterie 1 kann dabei von zumindest einem Haltelement gehalten sein.
Nur der Vollständigkeit halber sei noch angemerkt, dass das Kühlfluid eine Flüssigkeit, wie insbesondere Wasser, oder ein Gas sein kann.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvananten der Vorrichtung 2 bzw. der Batterie 1 , wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvananten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvananten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen.
Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1 ,7, oder 3,2 bis 8,1 , oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Vorrichtung 2 bzw. der Batterie 1 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt sind.
Bezugszeichenaufstellung
Batterie
Vorrichtung
Speichermodul
Folie
Folie
Kühlmittelkanal
Steg
Kunststoffschicht
Kunststoffschicht
Schicht
Kunststoffschicht
Kunststoffschicht
Schicht
Verstärkungsschicht
Verstärkungsschicht
Zufuhrkanal
Abfuhrkanal
Querschnittsverengungselement
Durchtrittsöffnung
Durchmesser
Länge
Verbindungsbereich
Fahrzeug

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1 ), wobei die Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) aufweist, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel aufweist.
2. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) ein in den Kühlmittelkanal (6) eingesetztes Element ist.
3. Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittverengungselement (18) durch eine Verformung des Kühlmittelkanals (6) gebildet ist.
4. Vorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese sowohl ein in einen Kühlmittelkanal (6) eingesetztes Querschnittsverengungselement (18) als auch eine durch Verformung des Kühlmittelkanals (6) gebildetes Querschnittsverengungselement (18) aufweist.
5. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine erste ein- oder mehrschichtige Folie (4) aufweist, die einen Teil der Kühlmittelkanäle (6) bildet.
6. Vorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine weitere ein- oder mehrschichtige Folie (5) aufweist, die zusammen mit der ersten ein- oder mehrschichtigen Folie (4) die Kühlmittelkanäle (6) ausbildet.
7. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) blendenförmig ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) mit einem stetig abnehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
9. Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) nach einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel mit einem stetig zunehmenden Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel ausgebildet ist.
10. Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) eine Länge (21 ) in Strömungsrichtung aufweist, wobei ein Verhältnis von Länge (21 ) zur kleinsten Abmessung des Durchtrittsquerschnitts zwischen 2 und 10 beträgt.
11 .Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) zumindest teilweise aus zumindest einem Kunststoff besteht.
12. Wiederaufladbare Batterie (1) mit zumindest einem Speichermodul (3) für elektrische Energie und zumindest einer Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für das zumindest eine Speichermodul (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
13. Fahrzeug (22) mit zumindest einer wiederaufladbaren Batterie (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass die wiederaufladbaren Batterie (1 ) nach Anspruch 12 gebildet ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (2) zur Kühlung oder Temperierung für zumindest ein Speichermodul (3) einer wiederaufladbaren Batterie (1 ), wobei in der Vorrichtung (2) mehrere Kühlmittelkanäle (6) ausgebildet werden, die von einem Kühlmittel in gleicher Richtung durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Kühlmittelkanäle (6) ein Querschnittsverengungselement (18) mit einem minimalen Durchtrittsquerschnitt für das Kühlmittel angeordnet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverengungselement (18) bei der Ausbildung der Kühlmittelkanäle (6) in diesen angeordnet wird.
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