WO2011147550A1 - Kühlelement und verfahren zum herstellen desselben; elektrochemische energiespeichervorrichtung mit kühlelement - Google Patents

Kühlelement und verfahren zum herstellen desselben; elektrochemische energiespeichervorrichtung mit kühlelement Download PDF

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WO2011147550A1
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transfer medium
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Christian Zahn
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Li-Tec Battery Gmbh
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    • Y10T29/49366—Sheet joined to sheet

Definitions

  • the present invention relates to a cooling element, in particular for the arrangement between electrochemical energy storage cells, and to a method for producing the same.
  • the invention also relates to an electrochemical energy storage device with a cooling element between each two memory cells.
  • FR 2 694 136 A1 discloses cooling elements for arrangement between flat, stacked battery cells in a battery arrangement.
  • Cooling elements are designed as heat exchanger plates, consisting of parallel metallic plates with tubes arranged therebetween or corrugated sheet metal arranged therebetween for the formation of
  • Coolant channels which are traversed by air or other coolant.
  • three cooling elements are provided, namely two each at the front end and one in the middle of the stack between two cells.
  • the cooling elements are designed and set up for cooling by air. Due to the only occasionally arranged cooling elements, the coolant volume and thus the total cooling capacity of the arrangement is limited.
  • the structure of the cooling elements is complex, the cooling elements are thick compared to the battery elements, and the manufacturing process is relatively complex.
  • From DE 10 2008 034 869 A1 is a battery with several, one Cell composite forming battery cells, wherein between two adjacent battery cells each have a heat conducting element is arranged, which deliver their heat absorbed by the battery cells to a common, arranged below the battery cells cooling plate.
  • a cooling element in particular for the arrangement between electrochemical
  • Heat transfer medium through-flowable heat exchanger structure the at least substantially of two film layers or
  • Foil layer structures is formed, which are juxtaposed with opposite surfaces and connected to formed within the surfaces seams, wherein the seams define cavities between the surfaces through which the heat transfer medium is conductive.
  • a cooling element is understood to mean a component which is also capable of cooling adjacent surfaces, in particular of electrochemical energy storage cells, between which it is arranged.
  • a heat transfer medium is understood as meaning a medium, in particular a fluid, which is also able to heat to pick up and transport, for example, to deliver it elsewhere.
  • an electrochemical energy storage cell is understood to mean a component which is also capable of converting electrical current supplied by electrochemical conversion processes into chemical energy and at least temporarily storing it, and of delivering stored chemical energy as electrical current to a consumer.
  • a film layer is understood to mean a component layer which at least essentially consists of a film
  • a film layer structure is understood in the context of the invention to be a film-like or foil-like structure consisting of several, possibly different, film layers consists.
  • a cavity is understood to mean a space between two film layers or film layer structures, independently of the actual spacing of the film layers or film layer structures from one another. It is to be understood that a foil layer or
  • Foil layer structure has a certain inherent rigidity and strength, so that manufactured components not under its own weight
  • a thickness of a film layer structure may preferably be several tens to several hundreds pm (microns).
  • a cooling element which is actively cooled. This also makes a high cooling capacity possible. With the active cooling of each cooling element, an accurate and targeted cooling of the entire memory cell stack on the level of the individual memory cell of a stacked arrangement of memory cells is possible.
  • the processing of films is technically easy to control and economical; they can easily be deformed, for example by pressing or deep-drawing relief structures or punching out recesses and holes. Only two individual parts (namely the film layers or film layer structures) are to be handled in the heat exchanger structure. The wording of the invention is not opposed when the two film layers or film layer structures connected by an edge and folded over each other: in this case, even only one item can be handled.
  • the cooling element is designed such that walls of the cavities formed by the film layers or film layer structures have an elasticity such that they are in an operating state in which the heat exchanger structure is under an operating overpressure of the heat transfer medium, compared to a pressureless state in the thickness direction of the cooling element expand. Under an operating pressure is within the meaning of the invention, a pressure difference between the heat transfer medium in the interior of the cavities of the
  • Cooling element to understand an environment that occurs when the cooling element within design-compliant operating parameters of
  • Cooling element is used. Elasticity of the walls is understood in the context of the invention to mean elastic extensibility in the surface-parallel direction of the wall. Due to the described configuration, the cooling element can be easily mounted between two surfaces to be cooled, without having to touch those surfaces. In the described operating state, the heat exchanger structure can then expand so that its wall comes into contact with the surfaces and a good heat transfer is ensured. However, the wording of the invention is not opposed if the cooling element is mounted in close contact, possibly even under pressure, between surfaces to be cooled; In this case, the heat exchanger structure will deform elastically during assembly and cling to the surfaces, and will continue to cling to the surfaces under the operating pressure and the
  • the cooling element may be formed such that the heat exchanger structure has expansion sections which are in an operating state in which the heat exchanger structure is under a
  • the cooling element is designed such that the
  • Cooling element has a frame structure in the neck of the
  • Heat exchanger structure is arranged.
  • a frame structure is understood to mean a structure which, in addition to the inherent rigidity of the heat exchanger structure, gives the cooling element further rigidity by keeping the heat exchanger structure in its edge region.
  • the frame structure can be independent of an operating overpressure
  • the frame structure can also specify in particular a defined reference thickness of the cooling element. In this way, the mechanical strength and stability of the cooling element can be increased and can Modularisieriana a
  • Battery assembly can be facilitated with cooling elements.
  • the frame structure may be at least substantially formed of two foil layers or foil layer structures disposed opposite respective surfaces.
  • a symmetrical frame structure can be easily constructed.
  • the film layer structures may be constructed of folded film layers to achieve sufficient rigidity.
  • edge regions of the film layers or film layer structures of the W are to be handled for producing the frame structure.
  • Heat exchanger structure may be included between parts of the frame structure. It is therefore not excluded that a border area of
  • Heat exchanger structure is formed, as part of the frame structure is understood 5.
  • the frame structure is formed from folded edge portions of the foil layers or foil layer structures of the heat exchanger structure, the production of the cooling element can be further simplified.
  • the frame structure can be sprayed onto edge sections of the foil layers or foil layer structures of the heat exchanger structure or as
  • the frame structure has a stiffening structure, in particular with a number of ribs. With such a structure can also be sufficient
  • Rigidity and strength of the cooling element can be realized at the same time light construction.
  • the cooling element is designed such that the heat exchanger structure in an operating state in which it is under an operating pressure of the heat transfer medium, protrudes in the thickness direction over a predetermined by the frame structure expansion, 25 where they are not or significantly less than in an unpressurized state protrudes in the operating state beyond the predetermined by the frame structure extension or behind the predetermined by the frame structure expansion. It can thus cover a variety of geometric constraints and installation situations.
  • the cooling element is further configured such that the cooling element a heat transfer medium supply port and a Having heat transfer medium discharge port, which through the
  • the cooling element can also be easily connected to a coolant supply circuit in this way.
  • the cooling element is designed such that the cavities at least in a portion of
  • Heat exchanger structure form one or more channels, which preferably extend parallel to each other and in the same direction or in opposite directions through the heat transfer medium can be flowed through. It can thus a variety of -. thermal design parameters are covered.
  • Foil layer structures comprise a plastic.
  • the plastic may include, but is not limited to, an elastomer such as PE, PC, PP, PVC, PS.
  • an elastomer or thermoplastic is understood as meaning a plastic which is reversibly deformable in a specific temperature range.
  • the film layers or film layer structures may also have a composite film, a laminate film or the like, for example, different
  • the foil layers or foil layer structures may preferably contain a substance which influences the thermal conductivity. Such substances are, for example but not exclusively,
  • the heat transfer medium is a liquid
  • Heat transfer medium which preferably comprises at least one of water and an alcohol, in particular glycol, more preferably in a mixing ratio of at least about 50:50.
  • a mixing ratio can be adjusted and / or other additives added.
  • Film layer structure such that surfaces of the first and the second film layer or film layer structure facing each other;
  • Foil layer structure formed in the surfaces seams such that between the seams, a cavity structure is formed, which is preferably open at least two locations on the edge side, wherein between the two open points, there is a continuous connection to form a heat exchanger structure.
  • the step of preparing comprises a step of forming a relief structure in the first and the second film layer structure, wherein the relief structure after the step of
  • Connecting the first and the second film layer or film layer structure forms the cavity structure.
  • the method comprises a step of introducing a pressurized fluid between the first and the second film layer or
  • Film layer structure preferably in a heated state, to expand the cavity structure, more preferably using a die to limit the expansion.
  • the method particularly preferably has a step of forming a frame structure that is at least essentially circumferential on both sides of a dividing plane that is defined between the first and the second film.
  • an electrochemical energy storage device has a plurality of particularly flat electrochemical energy storage cells, which are arranged with mutually facing flat sides in a stack, wherein between each two memory cells, a cooling element is arranged, which is formed as described above or after the above described method is made.
  • a cooling element is arranged, which is formed as described above or after the above described method is made.
  • Fig. 1 is a perspective view of two battery cells with a
  • Cooling element in an embodiment of the present invention is a perspective view of the cooling element alone; Fig. 3 is an end view of the cooling element; Fig. 4 is a marginal view of the cooling element on a line IV-IV in
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view of a detail of the cooling element taken along a line V-V in the direction of view associated arrows in Fig. 3;
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of a specimen for
  • Fig. 7 is a schematic front view of a cooling element in one
  • FIG. 8 is a schematic front view of a cooling element in a further modification of the embodiment of the present invention
  • Fig. 9 is an enlarged sectional view corresponding to Fig. 5, which is a
  • Fig. 10 is an enlarged sectional view corresponding to Fig. 5, which is a
  • Fig. 11 and Fig. 12 are enlarged sectional views corresponding to Fig. 5, showing a further modification in the structure of the cooling element in two stages of manufacture
  • Fig. 13 is a plan view of a semi-finished product for producing a Cooling element according to FIG. 11 or FIG. 12
  • Fig. 14 is a schematic illustration of a battery cell assembly having a coolant circuit.
  • Fig. 1 shows in a battery assembly 1, two lithium-ion battery cells 10, between which a cooling element 40 is arranged, in a perspective view.
  • the two battery cells 10 are part of a block or module of battery cells 10, in which more than two battery cells 10 can be stacked, and are an example of electrochemical
  • Battery cells 10 connected to each other in series and / or in parallel, that a predetermined block voltage and block capacitance on the basis of individual voltages and individual capacities of the battery cells 10 is realized.
  • the exact structure of the battery cells 10 follows substantially
  • a battery cell 10 has a battery element 30 and a two-part frame with two frame parts 12, 14, wherein the first frame part 12 has a trough shape with a peripheral edge web and the second frame part 14 has a plate shape and is fitted into the edge web of the first frame part 12. Elevations or pins (not shown in detail), which rise from a bottom of the first frame part 12, engage in holes 16 of the second frame part 14. In the four corners of the first frame part, widening at which the edge web, four depressions 18 are provided , At the back of the first frame part four knobs 19 are integrally formed with the depressions 18.
  • a sinking depth of the depressions 18 is greater than the height of the studs 19 plus a thickness of the cooling element 40, and that in an assembled state of multiple battery cells 10, the studs 19 of a battery cell 10 each in the depressions 18 of an adjacent battery cell 10 space Find.
  • mounting holes are formed in the frame part 12.
  • Cooling elements 40 is strung together, these are by means of long screws (not shown), which extend through the mounting holes, screwed.
  • the battery element 30 has the shape and structure of a pouch cell
  • a pouch cell is understood to be a battery element in which a sequence of electrode, current collector and separator foils is arranged in a stack or a flat coil and forms a flat package.
  • the electrode films include those which act as an anode and those which act as a cathode and are each connected to a current collector foil.
  • the current collector foils of the anodes are brought together, in particular outside the stack or the coil, and with the negative absorber 34 connected; Similarly, the current collector foils of the cathodes, in particular outside the stack or the coil, are brought together and connected to the positive diverter 32.
  • the arresters 32, 34 protrude through the sealed seam to the outside.
  • the term battery is used in particular, but not exclusively, for secondary batteries, that is for multiple times rechargeable and rechargeable batteries, which are also referred to as accumulators.
  • the battery elements 30 are assumed to be lithium ion or lithium polymer battery elements or the like; However, the invention is not limited to battery elements of this type.
  • the positive arrester 32 is angled at right angles and has in the
  • bent leg several (here: three) holes 34a on.
  • Notches of the first frame part 12 are formed supports 20 whose height with the height of the angled legs of the arrester 32, 34th
  • the supports 20 also have a plurality of (here: three) holes 20 a, which correspond to the holes 32 a, 34 a of the arresters 32, 34.
  • the battery elements 30 are arranged in their frame 12, 14, that the angled legs of the conductors to be connected 32, 34 are superposed and their holes 32 a, 34 a aligned with each other and with the holes 20 a of the supports 20.
  • screws By means of screws (not shown in detail), which are screwed through the holes 32a, 34a into the holes 20a of the supports 20, the arresters 32, 34 are fixable on the supports 20 and can be reliably contacted with each other.
  • a cooling element 40 is arranged between two battery cells 10.
  • the cooling element 40 is an active cooling element, that is, it is through a coolant flows through. It has a flow connection 42 and a
  • the cooling element 40 of FIG. 1 is shown in FIG. 2 alone.
  • the flow connection 42 is connected to a distribution channel 46.
  • the distribution channel 46 opens or branches into a plurality of parallel heat exchange channels 48, which in turn open into a collecting channel 50, which is connected to the return port 44.
  • the flow connection 42 and the return connection 44 have an im
  • Substantial annular mouth which in each case with a flow distributor or a return manifold (not shown here) of the battery is connectable.
  • the flow port 42 and the return port 44 may, for example, have an external thread or a shape that allows connection by squeezing or the like. Others too
  • connection such as a taper fit or the like are conceivable.
  • the previously described sub-elements of the cooling element 40 namely the flow port 42, the manifold 46, the heat exchanger channels 48, the collecting channel 50 and return port 44 together form a heat exchanger structure (without its own reference numeral) in the context of the invention, which is held in a frame 52.
  • the frame 52 serves on the one hand to stiffen the heat exchanger arrangement and on the other hand the dimensionally accurate arrangement between battery cells 10.
  • the frame 52 a plurality of recesses 54, as far as the requirements for the overall stiffness allow it (between the recesses 54 thus remain ribs 53 are.
  • the remaining surfaces of the end faces (flat sides) of the frame 52 form contact surfaces for the frame elements 12 of the battery cells 10, as shown in Fig. 1.
  • a bay 55 is formed, which measures its dimensions in approximately recesses in the frame parts 12 of the Battery elements 10 for receiving the Abieiter 32, 34 correspond. Holes 56 in the corners of the frame 52 of the cooling element 40 are aligned in the
  • FIG. 3 shows an end view of the cooling element 40; and FIG. 4 shows a side view of the cooling element 40 in the direction of an arrow IV in FIG. 3 in a pressurized state.
  • a coolant flow (cold) 58 and a coolant return (warm) 60 are indicated schematically.
  • the main dimensions (width W, height H) of the cooling element 40 are indicated.
  • the width W of the heating element (and a battery element) may be about 220 mm
  • the height H of the heating element (and a battery element) may be about 276 mm, for example.
  • Fig. 4 shows a side view of the heating element 4 from the side of
  • the thickness T of the frame 52 is indicated as the third major dimension of the cooling element 40.
  • the thickness T of the heating element 40 may be, for example, 2 to 3 mm in a practical embodiment of a lithium-ion battery cell of 40 Ah (the direction of the thickness T of the cooling element 40 is also referred to as the thickness direction in the sense of the invention).
  • the heat exchange passages 48 this region is also referred to as a cooling pad protrude in the pressurized state shown in FIG. 4
  • a coolant for example, a mixture of water and glycol in the ratio 50:50 is used.
  • the mixing ratio can be adapted to the climatic conditions. It is understood that, depending on capacity, design and other constraints other
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view of the cooling member taken along a line and looking in the direction of an arrow V in FIG. 3; FIG. The figure illustrates the internal structure of the cooling element 40.
  • the cooling element 40 is substantially off built up four layers.
  • a first layer 62 forms a first
  • Frame half 62, a second layer 64 forms a first heat exchanger half 64, forms a third layer 66, a second heat exchanger half 66, and forms a fourth layer 68, a second frame half 68 from.
  • a dot-dash line 70 in the figure indicates a plane of symmetry of the layer structure.
  • the second and third layers 64, 66 are made of films and on
  • Cooling element 40 In the background of the figure and the distribution channel 46 is visible.
  • the distribution channel 46 and the collection channel 50 ( Figure 2) are delimited by similar seams.
  • the heat exchanger halves 64, 66 may be shaped in advance (such as by deep drawing or hot pressing) and then joined at the seams 72a, 72b, 72c.
  • the layers 64, 66 may be first bonded (as by heat) at the seams 72a, 72b, 72c and then formed by pressure in the warm state, possibly in a die.
  • first and fourth layers (first and second frame halves) 62, 68 are respectively welded, molded or otherwise formed above and below the plane of symmetry 70. These form a peripheral frame (frame 52, Fig. 2) for stiffening the construction of the second and third layer 64, 66. (Mechanically, the captured between the frame halves 62, 68 edge portions of the heat exchanger halves 64, 66 as part of the frame 52nd
  • the frame 52 is a frame structure in the sense of
  • the two heat exchanger halves 64, 66 within the frame 52 form the heat exchanger structure in the context of the invention.
  • the whole Area within the frame 52, in which the heat exchanger structure is arranged, is also referred to as a section of the frame structure according to the invention.
  • the shape of the frame halves 62, 68 with recesses 54 can be made for example by deep drawing or hot pressing a thin film.
  • the recesses 54 may be formed, for example, by subsequent impressions, evaporation (such as by laser beam) or milling a thicker material layer.
  • the heat exchanger halves 64, 66 have a corrugated cross-section in the region of the cavities 76 (the heat exchanger channels 48).
  • the film from which the heat exchanger halves (layers) 64, 66 are made, is elastic enough that the waves at internal pressure in the cavities 76 in the thickness direction of the cooling element 40 stretch so that they protrude beyond the boundary of the edge 52.
  • the distribution channel 46 has a smaller extension in the thickness direction; the same applies to the collection channel (50, see FIG. 2), which is not visible in the figure.
  • the distributor channel 46 and the collecting channel 50 therefore do not expand as far as the heat exchanger channels 48 in the thickness direction in the case of overpressure.
  • the layers 62, 64, 66, 68 are formed for example from films of a plastic; In particular, they form foil layers or
  • Foil layer structures in the sense of the invention.
  • the material of the layers 62, 64, 66, 68 is selected according to the required chemical resistance, fire performance (B1, etc.), use temperature, heat conductivity, heat resistance, wear and tear resistance, and the like.
  • the films have an elastomer such as polyethylene (PE), polycarbonate (PC),
  • the layers 62, 64, 66, 68 may also consist of a Composite film, a laminate film or the like. In the case of such composite films, for example, a layer can have a property improving the toughness or tear resistance, for example by using fiber-reinforced plastics. If, for example, the height h of a frame half 62, 68 is, for example, 1 mm to 1.5 mm, the thickness s of the two inner foils 64, 66 may each be about 50 ⁇ m to 150 ⁇ m. So can the
  • Total thickness T of the frame 52 for example, from 2.1 mm to 3.3 mm range.
  • a simplification of the manufacturing process can be achieved in that the film layers of the heat exchanger structure (the first and second heat exchanger half 64, 66) are connected at one edge and the
  • the film thickness s has a significant influence on the heat transfer in the area of the heat exchanger channels 48.
  • Fig. 6 shows schematically a heat transfer from a battery element 30 through the wall (layer 64 or 66) into the cavity 76 of a
  • Heat exchange channels 48 In this case, the symbol ⁇ symbolizes a temperature of the battery element 30 in [K], T 2 a temperature of
  • the battery element 30 can be interpreted as a heating element for the present consideration, and the heat flow Q can be interpreted as the heating power of the heating element assuming steady state conditions.
  • a battery element 30 be a heating element having a
  • the coefficient of thermal conductivity ⁇ of a plastic film can be assumed to be 0.6 W / K * m, and the contact area A can be 0.2 x 0.2 m 2
  • the film layers for forming the heat exchanger structure can be thinner in the area of the bulges than in the area of the seams. This dilution, for example, by a molding process in the
  • FIG. 7 shows a modification of the cooling element 40 of the present invention in a simplified representation, the view corresponding to that in Fig. 3.
  • the flow channel first extends perpendicular to the flow direction in the flow port 42 and then distributed in the
  • Heat exchanger channels 48 which are perpendicular as comb teeth of the
  • the flow direction in the heat exchanger channels 48 corresponds to the inflow and outflow direction (58, 60).
  • the flow from the flow connection 42 is first via a connection channel 78 to
  • Width direction of the cooling element 40 extends. At the bottom of the
  • Cooling element 40 extends corresponding to a collecting channel 50 in
  • the collecting channel 50 is connected by a further connecting channel 80 with the return port 44.
  • a plurality of heat exchanger tubes 48 extend, and the flow direction through the
  • Heat exchanger tubes 48 extends perpendicularly from top to bottom, ie transversely to the flow or return direction 58, 60.
  • distribution channel 46 may be below and the collecting channel 50 may be at the top, so that the flow direction 49 points in the heat exchanger channels upwards.
  • Fig. 8 shows a further modification of the cooling element 40 in a representation corresponding to that of Fig. 7.
  • a single, continuous heat exchange channel 48 zigzags (see arrows 49).
  • flow channels heat exchanger channels
  • the corrugated cross-section of the heat exchanger halves 64, 66 approximately from circular ring segments
  • the waves can be stretched higher and thus an approximately egg-shaped
  • FIG. 9 is a view corresponding to the enlarged partial sectional view of FIG. 5 showing a modification in construction of the heat exchanger structure
  • Heat exchanger halves 64, 66 which walls of the cavities 76 to
  • Forming the heat exchanger channels 48 form, in each case two web sections 82 and a Schmiegabites 84, which connects the web sections together to form a closed cavity in cross-section 76. It should be noted that in this modification, the cavity 74 (Fig. 5) is omitted.
  • the Schmiegabitese 84 have an outer surface 84 a, the
  • the Schmiegabitese 84 are thus designed and adapted to conform to an outer contour of the battery elements 30.
  • Outside surface 84a may also be the heat transfer surface with the
  • Battery element 30 can be increased.
  • Schmiegabitesen 84 extend, have a cross-sectionally S-shaped course.
  • the web sections 82 extend in such a way that the Schmiegabitese 84 come to rest against the battery elements 30 (see dotted contour 84 'in the upper half of the right cavity shown) ,
  • the web portions 82 form
  • Fig. 10 shows another modification of the embodiment of the present invention. The modification essentially concerns the
  • the cooling element 40 of this modification is essentially composed of only two layers 64, 66.
  • the layers 64, 66 form heat exchanger halves with cavities 76, as in the embodiment described above.
  • the frame 52 is formed from these layers 64, 66.
  • edge regions of the layers 64, 66 are folded in the form of a "U” in order to obtain a circumferential, double "U” -shaped frame 52, which is formed on both sides of the plane of symmetry 70 respectively of two layers of the layer 64 and 66, respectively the walls of the cavities 76 are each formed only from one layer of the layer 64 or 66.
  • the layers 64 and 66 in the region of the edge profile have a connecting layer or joint 72d with each other, where they are connected to each other, for example by gluing, welding or the like.
  • FIGS. 11 and 12 show two process steps in the manufacture of a cooling element 40 in a further modification of the embodiment of the present invention.
  • the cooling element 40 of this modification essentially consists of two layers 64, 66.
  • the layers 64, 66 form heat exchanger halves with cavities 76.
  • the Frame 52 formed from these layers 64, 66 as described below with reference to FIGS. 1 1 and 12 is explained.
  • edge regions of the layers 64, 66 are folded several times on both sides of the plane of symmetry in order to form an edge bead 52', which defines the heat exchanger structure (cavities 76 or channels 46, 48, 50) surrounds circumferentially.
  • the edge bead 52 ' is then hot deformed (pressed) to the edge 52 with his
  • Recesses 54 form, as shown in Fig. 12. 12, the folded layers of the layers 64 and 66 have become thinner after the pressing process than in the edge bead 52 ', while the height h of the edge 52 is higher than the height h' of the edge bead 52 'of FIG 1 1 manufacturing state shown. (Nevertheless, a construction of the
  • the edge bead 52 ' (formed in deviation from FIG. 11 in the height of the final edge 52, that is to say consisting of more layers) can, for example, be milled out instead of a pressing operation in order to form the recesses 54.
  • Fig. 13 shows a cut foil sheet 64 'and 66' as
  • Dashed lines 90a, 92a within tabs 90, 92 indicate bend lines at which tabs 90, 92 are to be folded to form an edge bead 52 '( Figure 11). Between the bending lines 90a, 90b strips 90b, 92b are defined.
  • the tabs 90, 92 also have lateral incisions 90c and 92c, the incision depth of which corresponds to the spacing of the bending lines 90a, 92a.
  • the narrower tabs 90 each of the first strip 90b incisions 90c, the second strip 90b has no cuts, the third strip in turn incisions 90c, and so on in alternation;
  • the wider tabs 92 the first strip 92b has no cuts, the second strip 92b has cuts 92c, the third strip has no cuts, and so on.
  • tabs 90b with notches 90c at the corners of the tab 88 meet tabs 92 without cuts and meet tabs 90b without cuts on tabs 92 with slots 92c. In this way, accumulations of material and thus elevations in the region of the corners 88a are avoided. It is understood that the order of the cuts may be different.
  • the essential feature of this modification is that, at the corners 88a, one of the strips 88b, 92b of the same ordinal number meeting there has one incision and the other does not.
  • two successive strips of a flap 90 or 92 may have a cut 90c and 92c, respectively, at a corner 88a, while the corresponding strips of the other flap have no incision.
  • the intertwining of the tabs 90, 92 is not so pronounced; However, the folding of the tabs 90, 92 may be easier to accomplish.
  • material accumulations and thus elevations in the area of the corners 88a are deliberately accepted, so that the notches 90c, 92c are omitted. In this variant, an increased material requirement in the corners 88a for supporting the bores 56 (FIG. 2) can be taken into account.
  • Fig. 14 shows a battery assembly 1 with a cooling circuit, as may be provided for example in a vehicle, but also in a stationary system.
  • the battery assembly 1 has in the example shown - without limiting the generality in terms of design and number - ten lithium-ion battery cells 10 according to the above description with each interposed cooling elements 40.
  • the projecting laterally from the battery assembly 1 flow connections 42 of the cooling elements 40 are connected to a common flow distributor 94. Similarly, the projecting on the other side of the battery assembly 1 return ports 42 of the cooling elements 40 with a
  • Battery elements (30, unspecified here) are detected and a Battery control unit (stack control unit) 100 as state signals Z B are provided.
  • the operating conditions include in particular a cell temperature.
  • the temperature and other status signals are fed via a network (not shown in detail) to a control unit (CTR) 102.
  • CTR control unit
  • the controller 102 processes the signals supplied to it to provide control signals S P for a pump 104, S L for a fan motor 106, and S H for an electric flow heater 108.
  • the downstream of the return manifold 96 arranged pump 104 keeps a coolant circuit in motion.
  • the pumped by the pump 104 coolant is passed through a radiator 110 and from there into a surge tank 1 12. From the surge tank 112, the coolant is drawn off by suction of the pump 104 and first passed through the flow heater 108, before it via the flow distributor 94th the flow connections 42 of the
  • Cooling elements 40 is supplied.
  • the coolant (as described above, water and glycol in a suitable mixing ratio of, for example, 50:50) absorbs excess heat of the battery cells 10.
  • the cooling of the battery cells 10 can by controlling the pump 04, the flow rate of the
  • Coolant determined, and by controlling the fan motor 106, the cooling fan 114 sweeps the radiator 110 with an air flow, are controlled. In this respect, for example in cold weather and especially at the start of the
  • Battery system is also a preheating of the battery cells 10 by
  • the coolant can also be understood quite generally as a heat transfer medium within the meaning of the invention.
  • the flow connection 42 is a
  • Heat transfer medium supply port and the return port 44 is a heat transfer medium discharge port.
  • the cooling circuit is
  • Arrangement 1 is for example via controllable flow restrictor valves (not shown in detail) possible, which are respectively connected upstream of the flow connections 42 and can be controlled via the control unit 102.
  • the coolant circuit may be provided separately for the battery area and specially adapted; but it can also, for example in a
  • Hybrid vehicle a coolant circuit of an internal combustion engine to be exploited.
  • Claims may be modified and extended to predetermined scope and range, for example, but not exclusively, as indicated below.
  • the heat exchanger channels 48 in a pressureless state substantially in the thickness direction of the cooling element 40 flush with an outer boundary of the cooling element 40 defined by the frame 52 and do not touch the respective adjacent battery elements 10.
  • the outer contour of the heat exchanger channels 48 can recede or slightly beyond the boundary of the frame 52 in the pressureless state. Decisive for the optimal functioning of the cooling element 40 is that the outer contour of the heat exchanger ducts in an operating state in which the cooling element under an operating pressure of the
  • Heat transfer medium is, conforms to the battery element 10.
  • the outer contour of the heat exchanger ducts 48 in the unpressurised state can protrude significantly beyond the boundary of the frame 52 and even in the unpressurized state the battery element 10 already protrudes touch or be compressed by this in cross-section.
  • relief structures are only in one of the heat exchanger halves 64, 66 (cf., Fig. 5 et seq.)
  • Heat exchanger half is flat.
  • the plane of symmetry 70 generalizes to a dividing plane in the sense of the invention.
  • Such a cooling element can be used, for example, outside the last battery cells 10 in an arrangement 1.
  • electrochemical energy storage cells is independent of their mode of action applicable, in which a derivative of excess heat could be advantageous.
  • connection layer (interface)

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Abstract

Ein Kühlelement, das insbesondere zur Anordnung zwischen elektrochemischen Energiespeicherzellen ausgelegt und eingerichtet ist, weist eine von einem Wärmeträgermedium durchströmbare Wärmetauscherstruktur auf, die wenigstens im Wesentlichen aus zwei Folienschichten oder Folienschichtstrukturen ausgebildet ist, die mit gegenüberliegenden Flächen aneinandergelegt und an innerhalb der Flächen ausgebildeten Nahtstellen verbunden sind, wobei die Nahtstellen Hohlräume zwischen den Flächen begrenzen, durch welche das Wärmeträgermediums leitbar ist.

Description

Kühlelement und Verfahren zum Herstellen desselben;
elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit Kühlelement
B e s c h r e i b u n g Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement, insbesondere zur Anordnung zwischen elektrochemischen Energiespeicherzellen, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben. Die Erfindung betrifft auch eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung mit einem Kühlelement zwischen jeweils zwei Speicherzellen.
Aus der FR 2 694 136 A1 sind Kühlelemente zur Anordnung zwischen flachen, gestapelten Batteriezellen in einer Batterieanordnung bekannt. Die
Kühlelemente sind als Wärmetauscherplatten ausgebildet, bestehend aus parallelen metallischen Platten mit dazwischen angeordneten Rohren oder einem dazwischen angeordneten gewellten Blech zur Ausbildung von
Kühlmittelkanälen, welche durch Luft oder ein anderes Kühlmittel durchströmt werden. In der Batterieanordnung sind drei Kühlelemente vorgesehen, nämlich zwei jeweils am stirnseitigen Ende und eines in der Mitte des Stapels zwischen zwei Zellen. Die Kühlelemente sind zur Kühlung durch Luft ausgelegt und eingerichtet. Durch die nur vereinzelt angeordneten Kühlelemente ist das Kühlmittelvolumen und damit die gesamte Kühlkapazität der Anordnung begrenzt. Der Aufbau der Kühlelemente ist komplex, die Kühlelemente sind im Vergleich zu den Batterieelementen dick, und das Herstellungsverfahren ist vergleichsweise aufwändig.
Aus der DE 10 2008 034 869 A1 ist eine Batterie mit mehreren, einen Zellenverbund bildenden Batteriezellen bekannt, wobei zwischen zwei benachbarten Batteriezellen jeweils ein Wärmeleitelement angeordnet ist, die ihre von den Batteriezellen aufgenommene Wärme an eine gemeinsame, unterhalb der Batteriezellen angeordnete Kühlplatte abgeben. Die
Wärmeaufnahme- und -ableitkapazität der passiv wirkenden Wärmeleitelemente ist begrenzt.
Kurzfassung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau nach dem Stand der Technik, insbesondere (aber nicht nur) im Hinblick auf die vorstehend genannten Gesichtspunkte, zu verbessern.
Die Aufgabe wird wenigstens zum Teil durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Kühlelement, das insbesondere zur Anordnung zwischen elektrochemischen
Energiespeicherzellen ausgelegt und eingerichtet ist, eine von einem
Wärmeträgermedium durchströmbare Wärmetauscherstruktur auf, die wenigstens im Wesentlichen aus zwei Folienschichten oder
Folienschichtstrukturen ausgebildet ist, die mit gegenüberliegenden Flächen aneinandergelegt und an innerhalb der Flächen ausgebildeten Nahtstellen verbunden sind, wobei die Nahtstellen Hohlräume zwischen den Flächen begrenzen, durch welche das Wärmeträgermedium leitbar ist.
Unter einem Kühlelement wird im Sinne der Erfindung ein Bauelement verstanden, das auch in der Lage ist, angrenzende Flächen, insbesondere von elektrochemischen Energiespeicherzellen, zwischen denen es angeordnet ist, zu kühlen. Unter einem Wärmeträgermedium wird im Sinne der Erfindung ein Medium, insbesondere ein Fluid, verstanden, das auch in der Lage ist, Wärme aufzunehmen und zu transportieren, um sie beispielsweise an einer anderen Stelle wieder abzugeben. Unter einer elektrochemischen Energiespeicherzelle wird im Sinne der Erfindung ein Bauelement verstanden, das auch in der Lage ist, mittels elektrochemischer Umwandlungsprozesse zugeführten elektrischen Strom in chemische Energie umzuwandeln und zumindest zeitweise zu speichern, sowie gespeicherte chemische Energie als elektrischen Strom an einen Verbraucher abzugeben. Unter einer Folienschicht wird im Sinne der Erfindung eine Bauteilschicht verstanden, die wenigstens im Wesentlichen aus einer Folie besteht, und unter einer Folienschichtstruktur wird im Sinne der Erfindung eine ihrerseits folienartige bzw. als Folie verarbeitbare Struktur verstanden, die aus mehreren, ggf. unterschiedlichen, Folienschichten besteht. Unter einem Hohlraum wird im Sinne der Erfindung ein Raum zwischen zwei Folienschichten oder Folienschichtstrukturen verstanden, unabhängig von dem tatsächlichen Abstand der Folienschichten oder Folienschichtstrukturen voneinander. Es ist zu verstehen, dass eine Folienschicht bzw.
Folienschichtstruktur eine gewisse Eigensteifigkeit und -festigkeit aufweist, sodass daraus gefertigte Bauteile nicht unter ihrem Eigengewicht
zusammenfallen oder zusammensinken. Eine Stärke einer Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur kann vorzugsweise einige zehn bis einige hundert pm (Mikrometer) betragen.
Mit dem beschriebenen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Kühlelement geschaffen, das aktiv gekühlt wird. Damit ist auch eine hohe Kühlleistung möglich. Mit der aktiven Kühlung jedes Kühlelements ist auch eine genaue und gezielte Kühlung des gesamten Speicherzellenstapels auf der Ebene der einzelnen Speicherzelle einer Stapelanordnung von Speicherzellen möglich. Die Verarbeitung von Folien ist technisch gut beherrschbar und wirtschaftlich; sie können leicht verformt werden, etwa durch Pressen oder Tiefziehen von Reliefstrukturen bzw. Ausstanzen von Ausnehmungen und Löchern. Es sind in der Wärmetauscherstruktur nur zwei Einzelteile (nämlich die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen) zu handhaben. Dem Wortlaut der Erfindung steht nicht entgegen, wenn die zwei Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen an einer Kante zusammenhängen und übereinander gefaltet sind: in diesem Fall ist sogar nur ein Einzelteil zu handhaben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement derart ausgebildet, dass durch die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen ausgebildete Wandungen der Hohlräume eine Elastizität derart aufweisen, dass sie sich in einem Betriebszustand, in welchem die Wärmetauscherstruktur unter einem Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums steht, gegenüber einem drucklosen Zustand in Dickenrichtung des Kühlelements ausdehnen. Unter einem Betriebsüberdruck ist im Sinne der Erfindung eine Druckdifferenz zwischen dem Wärmeträgermedium im Inneren der Hohlräume des
Kühlelements zu einer Umgebung zu verstehen, die sich einstellt, wenn das Kühlelement innerhalb auslegungskonformer Betriebsparameter des
Kühlelements verwendet wird. Unter einer Elastizität der Wandungen wird im Sinne der Erfindung eine elastische Streckbarkeit in flächenparalleler Richtung der Wandung verstanden. Durch die beschriebene Konfiguration kann das Kühlelement leicht zwischen zwei zu kühlenden Flächen montiert werden, ohne jene Flächen berühren zu müssen. In dem beschriebenen Betriebszustand kann sich die Wärmetauscherstruktur dann so ausdehnen, dass ihre Wandung mit den Flächen zur Anlage kommt und ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Dem Wortlaut der Erfindung steht aber nicht entgegen, wenn das Kühlelement in dichter Anlage, ggf. auch unter Pressung, zwischen zu kühlenden Flächen montiert wird; in diesem Fall wird sich die Wärmetauscherstruktur bei Montage elastisch verformen und an die Flächen anschmiegen, und wird sich unter dem Betriebsüberdruck noch weiter an die Flächen anschmiegen und den
Wärmeübergang noch weiter verbessern.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Kühlelement so ausgebildet sein, dass die Wärmetauscherstruktur Ausdehnungsabschnitte aufweist, die sich in einem Betriebszustand, in welchem die Wärmetauscherstruktur unter einem
Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums steht, gegenüber einem
drucklosen Zustand in Dickenrichtung des Kühlelements ausdehnen. Unter einem Ausdehnungsabschnitt wird im Sinne der Erfindung eine Struktur verstanden, welche die Wärmetauscherstruktur in Dickenrichtung ausdehnbar macht. Diese Ausdehnung ist von einer Materialstreckung im Sinne der zuvor beschriebenen Elastizität unabhängig zu stehen und kann allein durch entsprechende Formgebung der Wandungen, etwa in S-förmiger oder balgförmiger Art, gegeben sein.
Besonders bevorzugt ist das Kühlelement derart ausgebildet, dass das
Kühlelement eine Rahmenstruktur aufweist, in deren Ausschnitt die
Wärmetauscherstruktur angeordnet ist. Unter einer Rahmenstruktur wird im Sinne der Erfindung eine Struktur verstanden, die dem Kühlelement zusätzlich zu der Eigensteifigkeit der Wärmetauscherstruktur weitere Steifigkeit verleiht, indem sie die Wärmetauscherstruktur in ihrem Randbereich hält. Insbesondere kann die Rahmenstruktur von einem Betriebsüberdruck unabhängige
Außenabmessungen des Kühlelements definieren. So kann die Rahmenstruktur auch insbesondere eine definierte Referenzdicke des Kühlelements vorgeben. Auf diese Weise kann auch die mechanische Belastbarkeit und Stabilität des Kühlelements gesteigert werden und kann die Modularisierbarkeit eines
Stapelaufbaus beispielsweise, aber nicht ausschließlich, einer
Batterieanordnung mit Kühlelementen erleichtert werden.
Alternativ kann die Rahmenstruktur wenigstens im Wesentlichen aus zwei Folienschichten oder Folienschichtenstrukturen ausgebildet sein, die mit jeweiligen Flächen gegenüberliegend angeordnet sind. Auf diese Weise kann auch eine symmetrische Rahmenstruktur leicht aufgebaut werden. Wie schon erwähnt, ist die Verarbeitung von Folien technisch gut beherrschbar und wirtschaftlich; es sind somit auch zur Herstellung der Rahmenstruktur nur zwei Einzelteile (nämlich die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen) sowie die von der Rahmenstruktur zu haltende Wärmetauscherstruktur zu handhaben. Die Folienschichtstrukturen können aus gefalteten Folienschichten aufgebaut sein, um eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen. Vorzugsweise können dabei Randbereiche der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der W
- 6 -
Wärmetauscherstruktur zwischen Teilen der Rahmenstruktur aufgenommen sein. Es ist somit auch nicht ausgeschlossen, dass ein Randbereich der
Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen, aus denen die
Wärmetauscherstruktur ausgebildet ist, als Teil der Rahmenstruktur verstanden 5 wird.
Wenn die Rahmenstruktur aus gefalteten Randabschnitten der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der Wärmetauscherstruktur ausgebildet ist, kann die Fertigung des Kühlelements noch weiter vereinfacht werden.
10
Alternativ kann die Rahmenstruktur auf Randabschnitte der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der Wärmetauscherstruktur aufgespritzt oder als
Formteil aufgeklebt oder auf sonstige Weise aufgebracht sein.
15 In einer weiter entwickelten Ausbildungsform kann vorgesehen sein, dass die Rahmenstruktur eine Versteifungsstruktur, insbesondere mit einer Anzahl von Rippen, aufweist. Mit einem solchen Aufbau können auch ausreichende
Steifigkeit und Festigkeit des Kühlelements bei gleichzeitig leichter Bauweise verwirklicht werden.
20
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement derart ausgebildet, dass die Wärmetauscherstruktur in einem Betriebszustand, in welchem sie unter einem Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums steht, in Dickenrichtung über eine durch die Rahmenstruktur vorgegebene Ausdehnung hinausragt, 25 wobei sie in einem drucklosen Zustand nicht oder deutlich geringer als in dem Betriebszustand über die durch die Rahmenstruktur vorgegebene Ausdehnung hinausragt oder hinter die durch die Rahmenstruktur vorgegebene Ausdehnung zurücktritt. Es können damit eine Vielzahl geometrischer Randbedingungen und Einbausituationen abgedeckt werden.
30
Vorteilhafterweise ist das Kühlelement ferner derart ausgebildet, dass das Kühlelement einen Wärmeträgermedium-Zuführungsanschluss und einen Wärmeträgermedium-Abführungsanschluss aufweist, welche durch die
Hohlräume miteinander verbunden sind. Das Kühlelement kann auf diese Weise auch leicht mit einem Kühlmittelversorgungskreis verbunden werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlelement derart ausgebildet, dass die Hohlräume wenigstens in einem Abschnitt der
Wärmetauscherstruktur einen oder mehrere Kanäle bilden, welche vorzugsweise zueinander parallel verlaufen und gleichsinnig oder gegensinnig durch das Wärmeträgemedium durchströmbar sind. Es können damit eine Vielzahl von -. thermischen Auslegungsparametern abgedeckt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Folienschichten bzw.
Folienschichtstrukturen einen Kunststoff aufweisen. Der Kunststoff kann insbesondere, aber nicht nur, ein Elastomer wie etwa PE, PC, PP, PVC, PS aufweisen. Unter einem Elastomer (oder Thermoplast) wird im Sinne der Erfindung wie auch im Allgemeinen ein Kunststoff verstanden, der in einem bestimmten Temperaturbereich reversibel verformbar ist. Die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen können auch eine Verbundfolie, einen Laminatfilm oder dergleichen aufweisen, um beispielsweise unterschiedliche
Materialeigenschaften abzubilden. Vorzugsweise können die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen einen die Wärmeleitfähigkeit beeinflussenden Stoff enthalten. Solche Stoffe sind beispielsweise, aber nicht ausschließlich,
Quarzmehl, Glas, Metalle, Aluminiumnitridpulver oder Kohlenstoff. Besonders bevorzugt ist das Wärmeträgermedium ein flüssiges
Wärmeträgermedium, das vorzugsweise wenigstens eines von Wasser und einem Alkohol, insbesondere Glykol, aufweist, besonders bevorzugt in einem Mischungsverhältnis von wenigstens ungefähr 50:50. Eine solche Mischung weist einerseits eine gute Wärmeaufnahmekapazität auf und ist andererseits gut gegen Einfrieren geschützt. Je nach Umgebungstemperatur und sonstigen Anforderungen kann das Mischungsverhältnis angepasst und/oder weitere Zusätze beigemischt werden. Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlelements, insbesondere zur Anordnung zwischen
Flachseiten zweier elektrochemischer Energiespeicherzellen, die Schritte auf:
• Vorbereiten einer ersten Folienschicht oder Folienschichtstruktur und einer zweiten Folienschicht oder Folienschichtstruktur, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial; · Anordnen der ersten und der zweiten Folienschicht bzw.
Folienschichtstruktur so, dass Flächen der ersten und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur zueinander weisen; und
• Verbinden der ersten und der zweiten Folienschicht bzw.
Folienschichtstruktur an in den Flächen ausgebildeten Nahtstellen derart, dass zwischen den Nahtstellen eine Hohlraumstruktur ausgebildet ist, die vorzugsweise an wenigstens zwei Stellen randseitig offen ist, wobei zwischen den zwei offenen Stellen eine durchgängige Verbindung besteht, um eine Wärmetauscherstruktur auszubilden.
Besonders bevorzugt weist der Schritt des Vorbereitens einen Schritt eines Ausbildens einer Reliefstruktur in der ersten und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur auf, wobei die Reliefstruktur nach dem Schritt des
Verbindens der ersten und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur die Hohlraumstruktur ausbildet.
Alternativ oder zusätzlich dazu weist das Verfahren einen Schritt eines Einleitens eines Druckfluids zwischen die erste und die zweite Folienschicht bzw.
Folienschichtstruktur, vorzugsweise in einem erwärmten Zustand, auf, um die Hohlraumstruktur aufzuweiten, besonders bevorzugt unter Verwendung einer Matrize, um die Aufweitung zu begrenzen. Besonders bevorzugt weist das Verfahren einen Schritt eines Ausbildens einer randseitig wenigstens im Wesentlichen umlaufenden Rahmenstruktur beidseits einer Teilungsebene, die zwischen der ersten und der zweiten Folie definiert ist, auf.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine elektrochemische Energiespeichervorrichtung eine Mehrzahl von insbesondere flachen elektrochemischen Energiespeicherzellen auf, die mit einander zugewandten Flachseiten in einem Stapel angeordnet sind, wobei zwischen je zwei Speicherzellen ein Kühlelement angeordnet ist, das wie oben beschrieben ausgebildet oder nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Dabei sind vorzugsweise Wärmeträgermedium-Zuführungsanschlüsse und
Wärmeträgermedium-Abführungsanschlüsse der Kühlelemente in der
Elektroenergie-Speichervorrichtung jeweils gemeinsam mit einem
Wärmeträgermedium-Versorgungskreis verbunden. Wenn jeweils zwischen zwei Speicherzellen ein Kühlelement angeordnet ist, kann eine effiziente Kühlung verwirklicht werden. Mit der aktiven Kühlung der beschriebenen Kühlelemente ist eine genaue und gezielte Kühlung des Speicherzellenstapels möglich. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlicher ersichtlich werden, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde.
In den Zeichnungen: ist Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zweier Batteriezellen mit einem
Kühlelement in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ist Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Kühlelements allein; ist Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht des Kühlelements; ist Fig. 4 eine randseitige Ansicht des Kühlelements an einer Linie IV-IV in
Blickrichtung zugehöriger Pfeile in Fig. 3; ist Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht einer Einzelheit des Kühlelements entlang einer Linie V-V in Blickrichtung zugehöriger Pfeile in Fig. 3; ist Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines Prüfkörpers zur
Verdeutlichung von Vorgängen eines Wärmedurchgangs; ist Fig. 7 eine schematische stirnseitige Ansicht eines Kühlelements in einer
Abwandlung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung; ist Fig. 8 eine schematische stirnseitige Ansicht eines Kühlelements in einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ist Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht entsprechend Fig. 5, die eine
Abwandlung im Aufbau des Kühlelements darstellt; ist Fig. 10 eine vergrößerte Schnittansicht entsprechend Fig. 5, die eine
weitere Abwandlung im Aufbau des Kühlelements darstellt; sind Fig. 11 und Fig. 12 vergrößerte Schnittansichten entsprechend Fig. 5, die eine weitere Abwandlung im Aufbau des Kühlelements in zwei Fertigungsstufen darstellt; ist Fig. 13 eine Draufsicht eines Halbzeugs zur Herstellung eines Kühlelements nach Fig. 11 bzw. Fig. 12; und ist Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Batteriezellenanordnung mit einem Kühlmittelkreislauf.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren schematisch sind und sich auf die Wiedergabe der für das Verständnis der Erfindung wichtigsten Merkmale beschränken. Auch ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Abmessungen und Größenverhältnisse allein der Deutlichkeit der Darstellung geschuldet sind und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind, es sei denn, aus der Beschreibung ergäbe sich etwas anderes. In der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels und seiner Abwandlungen und Varianten sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt in einer Batterieanordnung 1 zwei Lithium-Ionen-Batteriezellen 10, zwischen denen ein Kühlelement 40 angeordnet ist, in einer perspektivischen Darstellung. Die zwei Batteriezellen 10 sind Bestandteil eines Blocks oder Moduls von Batteriezellen 10, in welcher mehr als zwei Batteriezellen 10 gestapelt sein können, und sind ein Beispiel für elektrochemische
Energiespeicherzellen im Sinne der Erfindung. In dem Block sind die
Batteriezellen 10 so miteinander in Reihe und/oder parallel verschaltet, dass eine vorbestimmte Blockspannung und Blockkapazität auf der Grundlage der Einzelspannungen und Einzelkapazitäten der Batteriezellen 10 verwirklicht wird. Der genaue Aufbau der Batteriezellen 10 folgt im Wesentlichen dem
Gegenstand einer bei Hinterlegung der vorliegenden Anmeldung noch unveröffentlichten Patentanmeldung, die beim Vertreter des Anmelders unter dem internen Aktenzeichen 106876 geführt wird und insoweit vollumfänglich in Bezug genommen wird, und er wird nachstehend nur insoweit beschrieben, wie es für das Verständnis unerlässlich ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist eine Batteriezelle 10 ein Batterieelement 30 und einen zweiteiligen Rahmen mit zwei Rahmenteilen 12, 14 auf, wobei der erste Rahmenteil 12 eine Wannenform mit einem umlaufenden Randsteg aufweist und der zweite Rahmenteil 14 eine Plattenform aufweist und in den Randsteg des ersten Rahmenteils 12 eingepasst ist. Erhebungen oder Stifte (nicht näher dargestellt), die sich von einem Boden des ersten Rahmenteils 12 aus erheben, greifen in Löcher 16 des zweiten Rahmenteils 14. In den vier Ecken des ersten Rahmenteils, an welchen sich der Randsteg verbreitert, sind vier Einsenkungen 18 vorgesehen. An der Rückseite des ersten Rahmenteils sind mit den Einsenkungen 18 fluchtend vier Noppen 19 angeformt. Hierzu ist anzumerken, dass eine Einsenktiefe der Einsenkungen 18 größer als die Höhe der Noppen 19 zuzüglich einer Dicke des Kühlelements 40 ist, und dass in einem zusammengebauten Zustand mehrerer Batteriezellen 10 die Noppen 19 einer Batteriezelle 10 jeweils in den Einsenkungen 18 einer benachbarten Batteriezelle 10 Platz finden. Mit den Einsenkungen 18 und Noppen 19 fluchtend sind Montagebohrungen (nicht näher dargestellt) in dem Rahmenteil 12 ausgebildet. Wenn die erforderliche Anzahl von Batteriezellen 10 mit
Kühlelementen 40 aneinander gereiht ist, sind diese mittels langer Schrauben (nicht näher dargestellt), die sich durch die Montagebohrungen erstrecken, verschraubbar.
Das Batterieelement 30 weist die Form und den Aufbau einer Pouchzelle
(Coffeebag-Zelle) auf, deren Rand zwischen dem Boden des ersten
Rahmenteils 12 und dem zweiten Rahmenteil 14 eingeklemmt ist. An der Oberseite der Batteriezelle 10 liegen ein positiver Abieiter 32 und ein negativer Abieiter 34 des Batterieelements 30 in entsprechenden Ausklinkungen des ersten Rahmenteils 32 frei. Als Pouchzelle wird ein Batterieelement verstanden, bei welchem eine Abfolge von Elektroden-, Stromsammler- und Separatorfolien in einem Stapel oder einem Flachwickel angeordnet ist und ein flaches Paket bildet. Die Elektrodenfolien umfassen solche, die als Anode wirken, und solche, die als Kathode wirken, und sind jeweils mit einer Stromsammlerfolie verbunden. Die Stromsammlerfolien der Anoden sind, insbesondere außerhalb des Stapels oder des Wickels, zusammengeführt und mit dem negativen Abieiter 34 verbunden; gleichermaßen sind die Stromsammlerfolien der Kathoden, insbesondere außerhalb des Stapels oder des Wickels, zusammengeführt und mit dem positiven Ableiter 32 verbunden. Der gesamte Stapel oder Wickel der Folien einschließlich eines Bereichs der Zusammenführung der
Stromsammlerfolien wird von einer Hüllfolie, die einen umlaufenden Rand (auch als Siegelnaht bezeichnet) ausbildet, sandwichartig umhüllt und dicht umschlossen. Die Ableiter 32, 34 ragen durch die Siegelnaht nach außen. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Begriff der Batterie insbesondere, aber nicht ausschließlich, für Sekundärbatterien verwendet, also für mehrmals entladbare und wiederaufladbare Batterien, die auch als Akkumulatoren bezeichnet werden. Die Batterieelemente 30 werden als Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkumulatorelemente oder dergleichen angenommen; die Erfindung ist aber nicht auf Batterieelemente dieser Art beschränkt. Der positive Ableiter 32 ist rechtwinklich abgewinkelt und weist in dem
abgewinkelten Schenkel mehrere (hier: drei) Löcher 32a auf; gleichermaßen ist der negative Ableiter 34 rechtwinklich abgewinkelt und weist in dem
abgewinkelten Schenkel mehrere (hier: drei) Löcher 34a auf. In den
Ausklinkungen des ersten Rahmenteils 12 sind Auflager 20 ausgebildet, deren Höhe mit der Höhe der abgewinkelten Schenkel der Ableiter 32, 34
korrespondiert. Die Auflager 20 weisen ferner mehrere (hier: drei) Löcher 20a auf, die mit den Löchern 32a, 34a der Ableiter 32, 34 korrespondieren. In zwei benachbarten Batteriezellen 10 sind die Batterieelemente 30 so in ihren Rahmen 12, 14 angeordnet, dass die abgewinkelten Schenkel der zu verbindenden Ableiter 32, 34 übereinander liegen und deren Löcher 32a, 34a miteinander und mit den Löchern 20a der Auflager 20 fluchten. Mittels Schrauben (nicht näher dargestellt), die in durch die Löcher 32a, 34a in die Löcher 20a der Auflager 20 geschraubt werden, sind die Ableiter 32, 34 auf den Auflagern 20 fixierbar und miteinander zuverlässig kontaktierbar.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist zwischen zwei Batteriezellen 10 ein Kühlelement 40 angeordnet. Das Kühlelement 40 ist ein aktives Kühlelement, d.h., es wird durch ein Kühlmittel durchströmt. Es weist einen Vorlaufanschluss 42 und ein
Rücklaufanschluss 44 auf, die seitlich aus der Anordnung herausragen.
Das Kühlelement 40 aus Fig. 1 ist in Fig. 2 allein dargestellt. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist der Vorlaufanschluss 42 mit einem Verteilerkanal 46 verbunden. Der Verteilerkanal 46 mündet bzw. verzweigt sich in eine Mehrzahl von parallelen Wärmetauscherkanälen 48, die ihrerseits in einen Sammelkanal 50 münden, der mit dem Rücklaufanschluss 44 verbunden ist. Der Vorlaufanschluss 42 und der Rücklaufanschluss 44 weisen eine im
Wesentlichen ringförmige Mündung auf, die jeweils mit einem Vorlaufverteiler bzw. einem Rücklaufverteiler (hier nicht näher dargestellt) der Batterie verbindbar ist. Der Vorlaufanschluss 42 und der Rücklaufanschluss 44 können beispielsweise ein Außengewinde aufweisen oder eine Formgestaltung, die eine Verbindung durch Quetschen oder dergleichen erlaubt. Auch andere
Verbindungsarten wie etwa eine Kegelpassung oder dergleichen sind denkbar.
Die bislang beschriebenen Teilelemente des Kühlelements 40, nämlich der Vorlaufanschluss 42, der Verteilerkanal 46, die Wärmetauscherkanäle 48, der Sammelkanal 50 und Rücklaufanschluss 44 bilden zusammengenommen eine Wärmetauscherstruktur (ohne eigenes Bezugszeichen) im Sinne der Erfindung, die in einem Rahmen 52 gehalten wird. Der Rahmen 52 dient einerseits der Versteifung der Wärmetauscheranordnung und andererseits der maßgenauen Anordnung zwischen Batteriezellen 10. Zur Einsparung von Gewicht weist der Rahmen 52 mehrere Ausnehmungen 54 auf, soweit die Anforderungen an die Gesamtsteifigkeit es erlauben (zwischen den Ausnehmungen 54 bleiben demgemäß Rippen 53 stehen. Die verbleibenden Flächen der Stirnseiten (Flachseiten) des Rahmens 52 bilden Anlageflächen für die Rahmenelemente 12 der Batteriezellen 10, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
Im oberen Bereich des Kühlelements 40 ist eine Bucht 55 ausgebildet, die ihn ihren Abmessungen in etwa Ausnehmungen in den Rahmenteilen 12 der Batterieelemente 10 zur Aufnahme der Abieiter 32, 34 entsprechen. Bohrungen 56 in den Ecken des Rahmens 52 des Kühlelements 40 fluchten im
Zusammenbau mit den Noppen 19 der Rahmenelemente 12 und weisen einen entsprechenden Durchmesser auf. Die Noppen 19, deren axiale Erstreckung größer als die Dicke des Rahmens 52 des Kühlelements 40 ist, dienen so auch als Montagehilfe für das Kühlelement 40 sowie die nächste Batteriezelle 10. Bei ausreichend enger Tolerierung der Durchmesser und Lageabstände der Einsenkungen 18 und Noppen 19 auf der Seite des Rahmenelements 12 der Batteriezelle 10 und der Bohrungen 56 auf der Seite des Rahmens 52 des Kühlelements 40 kann ein formschlüssig gehaltener Block aus Batteriezellen 10 und Kühlelementen 40 gebildet werden, der zumindest in einem vormontierten Zustand auch ohne Spannschrauben zusammenhält; dies kann die Handhabung bei der Montage erheblich erleichtern. Die Wärmetauscherkanäle 48 (Fig. 1) sind so ausgebildet, dass sie in einem drucklosen Zustand in Dickenrichtung nicht über den Rahmen 52 hinausragen, und weisen eine Elastizität derart auf, dass sie dann, wenn sie unter einem Innendruck stehen, der einem Betriebszustand mit eingeleitetem Kühlmittel entspricht, sich im Querschnitt ausdehnen, sodass sie in Dickenrichtung über die Begrenzung des Rahmens 52 hinausragen. Durch diese Ausdehnung ist gewährleistet, dass sich die Wärmetauscherkanäle 48 im Betrieb an das Batterieelement 30 anschmiegen. Hierdurch wird der Übergangswiderstand deutlich reduziert, da Unebenheiten ausgeglichen werden und sich ein Luftspalt reduziert (idealerweise verschwindet), sodass ist ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist. Im Vergleich zu einer Ableiterkühlung wird der Kühlpfad deutlich verkürzt.
Fig. 3 zeigt eine stirnseitige Ansicht des Kühlelements 40; und Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Kühlelements 40 in Blickrichtung eines Pfeils IV in Fig. 3 in einem druckbeaufschlagten Zustand.
In Fig. 3 sind ein Kühlmittelvorlauf (kalt) 58 und ein Kühlmittelrücklauf (warm) 60 schematisch angedeutet. Ebenso sind die Hauptabmessungen (Breite W, Höhe H) des Kühlelements 40 angegeben. Für ein typisches Batterieelement (Li- lonen-Akkumulatorzelle) von 40 Ah kann die Breite W des Heizelements (und eines Batterieelements) beispielsweise etwa 220 mm betragen und kann die Höhe H des Heizelements (und eines Batterieelements) beispielsweise etwa 276 mm betragen.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Heizelements 4 von der Seite des
Rücklaufanschlusses 46 aus gesehen. In der Figur ist die Dicke T des Rahmens 52 als dritte Hauptabmessung des Kühlelements 40 angegeben.
Die Dicke T des Heizelements 40 kann in einer praktischen Ausführung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle von 40 Ah beispielsweise 2 bis 3 mm betragen (die Richtung der Dicke T des Kühlelements 40 wird auch als Dickenrichtung im Sinne der Erfindung bezeichnet). Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ragen die Wärmetauscherkanäle 48 (dieser Bereich wird auch als Kühlpad bezeichnet), wie oben erwähnt, im hier gezeigten, druckbeaufschlagten Zustand in
Dickenrichtung über die Begrenzung des Rahmens 52 hinaus. Als Kühlmittel (Vorlauf 58 / Rücklauf 60) wird beispielsweise eine Mischung von Wasser und Glykol im Verhältnis 50:50 verwendet. Das Mischungsverhältnis kann den klimatischen Verhältnissen angepasst sein. Es versteht sich, dass je nach Kapazität, Bauweise und sonstigen Randbedingungen andere
Abmessungen erforderlich sein können, sodass die hier angegebenen Maße allein dem Beispiel und keinesfalls der Beschränkung des Erfindungsgedankens dienen können.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Kühlelements entlang einer Linie und in Blickrichtung eines Pfeils V in Fig. 3; die Figur verdeutlicht den inneren Aufbau des Kühlelements 40.
Gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist das Kühlelement 40 im Wesentlichen aus vier Schichten aufgebaut. Dabei bildet eine erste Schicht 62 eine erste
Rahmenhälfte 62, bildet eine zweite Schicht 64 eine erste Wärmetauscherhälfte 64, bildet eine dritte Schicht 66 eine zweite Wärmetauscherhälfte 66, und bildet eine vierte Schicht 68 eine zweite Rahmenhälfte 68 aus. Eine strichpunktierte Linie 70 in der Figur deutet eine Symmetrieebene des Schichtaufbaus an.
Die zweite und dritte Schicht 64, 66 sind aus Folien hergestellt und an
Nahtstellen 72a, 72b, 72c miteinander verbunden, z.B. verschweißt oder verklebt. Zwischen den Nahtstellen 72a, 72b, 72c sind Kavitäten 74, 76 ausgebildet. In dem dargestellten Ausschnitt bildet die Kavität 74 eine
Verbindung zwischen dem Verteilerkanal 46 und dem Sammelkanal 50 (Fig. 2), und bilden Kavitäten 76 die Wärmetauscherkanälen 48 (Fig. 2) des
Kühlelements 40. Im Hintergrund der Figur ist auch der Verteilerkanal 46 sichtbar. Der Verteilerkanal 46 und der Sammelkanal 50 (Fig. 2) sind durch ähnliche Nahtstellen abgegrenzt.
Bei der Herstellung können die Wärmetauscherhälften 64, 66 vorab (etwa durch Tiefziehen oder Warmpressen) in Form gebracht und dann an den Nahtstellen 72a, 72b, 72c verbunden werden. Alternativ können die Schichten 64, 66 zuerst (etwa durch Wärmeeinwirkung) an den Nahtstellen 72a, 72b, 72c verbunden und dann durch Druck im warmen Zustand, ggf. in einer Matrize, ausgeformt werden.
Im Randbereich der zweiten und dritten Schicht 64, 66 sind die erste und vierte Schicht (erste und zweite Rahmenhälfte) 62, 68 jeweils oberhalb und unterhalb der Symmetrieebene 70 angeschweißt, angespritzt oder auf andere Weise angeformt. Diese bilden einen umlaufenden Rahmen (Rahmen 52, Fig. 2) zur Versteifung des Aufbaus aus zweiter und dritter Schicht 64, 66. (Mechanisch gesehen können auch die zwischen den Rahmenhälften 62, 68 aufgenommenen Randbereiche der Wärmetauscherhälften 64, 66 als Teil des Rahmens 52 betrachtet werden.) Der Rahmen 52 ist eine Rahmenstruktur im Sinne der
Erfindung, und die beiden Wärmetauscherhälften 64, 66 innerhalb des Rahmens 52 bilden die Wärmetauscherstruktur im Sinne der Erfindung aus. Der gesamte Bereich innerhalb des Rahmens 52, in welchem die Wärmetauscherstruktur angeordnet ist, wird auch als Ausschnitt der Rahmenstruktur im Sinne der Erfindung bezeichnet. Die Form der Rahmenhälften 62, 68 mit Ausnehmungen 54 kann beispielsweise durch Tiefziehen oder Warmpressen einer dünnen Folie hergestellt werden. Alternativ können die Ausnehmungen 54 beispielsweise durch nachträgliches Eindrücken, Verdampfen (etwa durch Laserstrahl) oder Ausfräsen einer dickeren Materialschicht ausgebildet werden.
Die Wärmetauscherhälften 64, 66 weisen im Bereich der Kavitäten 76 (der Wärmetauscherkanäle 48) einen gewellten Querschnitt auf. Die Folie, aus welcher die Wärmetauscherhälften (Schichten) 64, 66 hergestellt sind, ist elastisch genug, dass sich die Wellen bei Innendruck in den Kavitäten 76 in Dickenrichtung des Kühlelements 40 strecken, sodass sie über die Begrenzung des Randes 52 hinausragen. Wie in Fig. 5 gezeigt, weist der Verteilerkanal 46 eine geringere Erstreckung in Dickenrichtung auf; das Gleiche gilt für den in der Figur nicht sichtbaren Sammelkanal (50, vgl. Fig. 2). Der Verteilerkanal 46 und der Sammelkanal 50 dehnen sich daher bei Überdruck in Dickenrichtung nicht so weit wie die Wärmetauscherkanäle 48.
Die Schichten 62, 64, 66, 68 sind beispielsweise aus Folien eines Kunststoffs ausgebildet; sie bilden insbesondere Folienschichten bzw.
Folienschichtstrukturen im Sinne der Erfindung. Das Material der Schichten 62, 64, 66, 68 ist nach erforderlicher chemischer Beständigkeit, Brandverhalten (B1 etc.), Einsatztemperatur, Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Verschleiß- und Reißfestigkeit, und dergleichen ausgewählt. Besonders bevorzugt weisen die Folien ein Elastomer wie etwa Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC),
Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS) oder vergleichbare Thermoplaste auf. Um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, können Stoffe wie Quarzmehl, Glas, Metalle, Aluminiumnitridpulver, Kohlenstoff oder andere beigemischt sein. Die Schichten 62, 64, 66, 68 können auch aus einer Verbundfolie, einem Laminatfilm oder dergleichen hergestellt sein. Bei solchen Verbundfolien kann z.B. eine Lage eine die Zähigkeit oder Reißfestigkeit verbessernde Eigenschaft aufweisen, etwa durch Einsatz von faserverstärkten Kuststoffen. Wenn die Höhe h einer Rahmenhälfte 62, 68 - als Anhaltspunkt - beispielsweise 1 mm bis 1 ,5 mm beträgt, kann die Stärke s der beiden inneren Folien 64, 66 jeweils etwa 50 pm bis 150 pm betragen. So kann die
Gesamtdicke T des Rahmens 52 beispielsweise von 2,1 mm bis 3,3 mm reichen. Eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses kann dadurch erzielt werden, dass die Folienschichten der Wärmetauscherstruktur (die erste und zweite Wärmetauscherhälfte 64, 66) an einer Kante zusammenhängen und zur
Verbindung aufeinander geklappt werden. Die Folienstärke s hat einen wesentlichen Einfluss auf den Wärmeübergang im Bereich der Wärmetauscherkanäle 48.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Wärmedurchgang von einem Batterieelement 30 durch die Wandung (Schicht 64 oder 66) in die Kavität 76 eines
Wärmetauscherkanals 48. Dabei symbolisiert das Formelzeichen ΤΊ eine Temperatur des Batterieelements 30 in [K], T2 eine Temperatur eines
Wärmeträgermediums im Inneren der Kavität 76 in [K], A eine Kontaktfläche in
[mm2], s die Dicke bzw. Stärke der Schicht 64 (66) in [m], Q einen Wärmestrom in [J/s] und λ die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 64 (66) in [W/K*m] oder
[J/K*m*s].
Durch die Einheit der Wärmeleitfähigkeit wird deutlich, dass die Schichtdicke einen wesentlichen Einfluss auf die absolute Wärmeleitung hat. Dabei bezieht sich λ immer auf ein Einheitsmodell und gibt an, welche Wärmemenge Q (in [J]) in einer Sekunde (1 s) durch eine Schicht mit einer Eintrittsfläche von A=1 m2 mit einer Dicke von 1 m fließt. Mit Ti als Eintrittstemperatur und T2 als
Austrittstemperatur ergibt sich der Wärmestrom zu (1) Q = -* A x (Tl -T2).
Das Batterieelement 30 kann für die vorliegende Betrachtung als Heizelement interpretiert werden, und der Wärmestrom Q kann unter der Annahme stationärer Verhältnisse als Heizleistung des Heizelements interpretiert werden.
Bei bekannten geometrischen Größen, bekannter Eintrittstemperatur Ti und bekannter Heizleistung Q kann die Austrittstemperatur T2 (Temperatur auf der Rückseite der Folie) bei idealen Bedingungen aus nachstehender Formel (2) zu
Figure imgf000022_0001
berechnet werden, die sich durch einfaches Umstellen der vorherigen Formel (1 ) ergibt.
Um typische Verhältnisse einer Batteriezelle (als Beispiel sei eine Li-Ionen- Akkumulatorzelle von 40 Ah betrachtet) auf das vorstehende Modell zu übertragen, sei ein Batterieelement 30 als ein Heizelement mit einer
Wärmeleistung Q von 30 W (J/s) angenommen. Ein typischer
Wärmeleitkoeffizient λ einer Kunststofffolie kann zu 0,6 W/K*m angenommen werden, und als Kontaktfläche A kann eine Fläche von 0,2 x 0,2 m2
angenommen werden. Für eine konstante Eintrittstemperatur ΤΊ von 50°C sei die Austrittstemperatur T2 unter idealen Bedingungen gesucht (da nur
Differenzen der Temperatur betrachtet werden bzw. sich Konstanten der
Temperatur in der zu Grunde liegenden Formel herauskürzen, ist es zulässig, statt in [K] in [°C] zu rechnen). Die nachstehende Tabelle 1 gibt die
Berechnungsergebnisse für verschiedene Schichtdicken s wieder: Schichtdicke Fläche
s in mm T1 T2 Lambda Wärmeleistung m2 delta T
0,15 50 49,8125 0,6 30 0,04 0,1875
0,3 50 49,625 0,6 30 0,04 0,375
0,5 50 49,375 0,6 30 0,04 0,625
1 50 48,75 0,6 30 0,04 1,25
2 50 47,5 0,6 30 0,04 2,5
3 SO 46.Z5 0,6 30 0,04 3,75
4 50 45 0.6 30 0,04 5
Tabelle 1
Es zeigt sich, dass bei 30 W Wärmeleistung und einer Fläche von 0,04 m2 bei geringen Schichtdicken die Auswirkungen des Lambda-Wertes nur im
Nachkommabereich ersichtlich sind.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Folienschichten zur Ausbildung der Wärmetauscherstruktur (Wärmetauscherhälften 64, 66) im Bereich der Aufwölbungen dünner sein kann als im Bereich der Nahtstellen. Diese Verdünnung, die beispielsweise durch einen Formprozess bei der
Ausbildung der Kavitäten 76 entstehen kann, kann hinsichtlich der Elastizität und des Wärmeübergangs wünschenswert sein. Fig. 7 zeigt eine Abwandlung des Kühlelements 40 der vorliegenden Erfindung in einer vereinfachten Darstellung, wobei die Ansicht derjenigen in Fig. 3 entspricht.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel weitet sich gemäß der Darstellung in Fig. 2 bzw. 3 der Strömungskanal zunächst senkrecht zu der Strömungsrichtung in dem Vorlaufanschluss 42 auf und verteilt sich dann in die
Wärmetauscherkanäle 48, die senkrecht wie Kammzinken von dem
Vorlaufanschluss 42 abgehen und senkrecht in den Sammelkanal 50 münden. Die Strömungsrichtung in den Wärmetauscherkanälen 48 (angedeutet durch Pfeile 49 in Fig. 3) entspricht der Zufluss- und der Abflussrichtung (58, 60). In einer Abwandlung eines Kühlelements 40 gemäß Fig. 7 wird die Strömung von dem Vorlaufanschluss 42 zunächst über einen Verbindungskanal 78 zur
Oberseite des Kühlelements 40 geführt, wo sich ein Verteilerkanal 46 in
Breitenrichtung des Kühlelements 40 erstreckt. An der Unterseite des
Kühlelements 40 erstreckt sich entsprechend ein Sammelkanal 50 in
Breitenrichtung des Kühlelements 40. Der Sammelkanal 50 ist durch einen weiteren Verbindungskanal 80 mit dem Rücklaufanschluss 44 verbunden.
Zwischen dem Verteilerkanal 46 und dem Sammelkanal 50 erstrecken sich mehrere Wärmetauscherrohre 48, und die Strömungsrichtung durch die
Wärmetauscherrohre 48 (angedeutet durch Pfeile 49) verläuft senkrecht von oben nach unten, also quer zur Vorlauf- bzw. Rücklaufrichtung 58, 60.
In einer weiteren Abwandlung kann der Verteilerkanal 46 unten liegen und kann der Sammelkanal 50 oben liegen, sodass die Strömungsrichtung 49 in den Wärmetauscherkanälen nach oben weist.
Fig. 8 zeigt eine weitere Abwandlung des Kühlelements 40 in einer Darstellung entsprechend jener von Fig. 7. Bei der vorliegenden Abwandlungen verläuft ein einziger, durchgängiger Wärmetauscherkanal 48 im Zickzack (vgl. die Pfeile 49).
Dem Fachmann werden weitere Varianten einfallen, um Strömungskanäle (Wärmetauscherkanäle) zur Verwirklichung eines I-Flow-, U-Flow- oder S-Flow- Wärmetauscherelements auszubilden. Nach dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gewellte Querschnitt der Wärmetauscherhälften 64, 66 in etwa aus Kreisringsegmenten
zusammengesetzt. Hiervon sind Abweichungen möglich. So können die Wellen beispielsweise höher gestreckt sein und somit eine in etwa eiförmige
Querschnittsform aufweisen, oder sie können breiter gestreckt sein und somit eine liegend elliptische Querschnittsform aufweisen. In einer weiteren Alternative können die Wellen eine gerundet-winkelige Form aufweisen. Fig. 9 zeigt in einer Ansicht, die der vergrößerten Teilschnittansicht von Fig. 5 entspricht, eine Abwandlung im Aufbau der Wärmetauscherstruktur,
insbesondere der Kavitäten 76 zur Ausbildung der Wärmetauscherkanäle 48. Umrisse von benachbarten Batterieelementen 30 sind in gestrichelten Linien dargestellt. Soweit sich nachstehend nicht ausdrücklich oder zwingend etwas anderes ergibt, sind die Ausführungen zu den vorherigen Ausführungsbeispielen und Abwandlungen auch auf die vorliegende Abwandlung anzuwenden.
Gemäß der Darstellung in Fig. 9 weisen die Abschnitte der
Wärmetauscherhälften 64, 66, welche Wandungen der Kavitäten 76 zur
Ausbildung der Wärmetauscherkanäle 48 bilden, jeweils zwei Stegabschnitte 82 und einen Schmiegabschnitt 84 auf, der die Stegabschnitte miteinander verbindet, um eine im Querschnitt geschlossene Kavität 76 auszubilden. Es sei angemerkt, dass bei dieser Abwandlung die Kavität 74 (Fig. 5) entfällt.
Die Schmiegabschnitte 84 weisen eine Außenoberfläche 84a auf, die
wenigstens im Wesentlichen eben ist und parallel zu der Symmetrieebene 70 verläuft. Die Schmiegabschnitte 84 sind somit ausgelegt und eingerichtet, sich an eine Außenkontur der Batterieelemente 30 anzuschmiegen. Durch die ebene und gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel breitere
Außenoberfläche 84a kann auch die Wärmeübergangsfläche mit dem
Batterieelement 30 vergrößert werden.
Die Stegabschnitte 82, die sich von der Symmetrieebene 70 zu den
Schmiegabschnitten 84 erstrecken, weisen einen im Querschnitt S-förmig gebogenen Verlauf auf. In einem Betriebszustand, in welchem die Kanäle 48 unter einem Betriebsüberdruck des Kühlmittels stehen, strecken sich die Stegabschnitte 82 derart, dass die Schmiegabschnitte 84 zur Anlage an die Batterieelemente 30 kommen (vgl. gepunktete Kontur 84' in der oberen Hälfte der rechten dargestellten Kavität). Somit bilden die Stegabschnitte 82
Ausdehnungsabschnitte im Sinne der Erfindung. Fig. 10 zeigt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Abwandlung betrifft im Wesentlichen den
Schichtaufbau des Kühlelements 40. Das Kühlelement 40 dieser Abwandlung ist im Wesentlichen aus nur zwei Schichten 64, 66 aufgebaut. Die Schichten 64, 66 bilden wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Wärmetauscherhälften mit Kavitäten 76 aus. Gleichzeitig ist auch der Rahmen 52 aus diesen Schichten 64, 66 ausgebildet. Hierzu sind Randbereiche der Schichten 64, 66 in Form eines„U" gefaltet, um einen umlaufenden, doppelt„U"-förmigen Rahmen 52 zu erhalten, der beidseits der Symmetrieebene 70 jeweils aus zwei Lagen der Schicht 64 bzw. 66 gebildet ist, während die Wandungen der Kavitäten 76 jeweils nur aus einer Lage der Schicht 64 bzw. 66 gebildet sind. Die Schichten 64 und 66 im Bereich des Randprofils weisen eine Verbindungsschicht oder Nahtstelle 72d miteinander auf, wo sie etwa durch Kleben, Schweißen oder dergleichen miteinander verbunden sind.
Es ist zu bemerken, dass das„U"-Profil des Randes 52 dieser Abwandlung den Ausnehmungen 54 in Fig. 2 etc. entspricht. Bohrungen 56 (Fig. 2), die in den Ecken des Rahmens 52 vorgesehen sind, werden bei dieser Abwandlung nur eine geringe Materialstärke vorfinden. Als zusätzliche Abstützung kann in den Ecken des Rahmens 52 weiteres Folienmaterial, ggf. auch ein Einsatz aus einem vollen Material, vorgesehen sein. Darüber hinaus können zur Versteifung des Rahmens zusätzliche Querrippen eingesetzt sein.
Fign 11 und 12 zeigen zwei Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Kühlelements 40 in einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das Kühlelement 40 dieser Abwandlung ist wie bei der vorherigen Abwandlung im Wesentlichen aus zwei Schichten 64, 66 aufgebaut. Die Schichten 64, 66 bilden Wärmetauscherhälften mit Kavitäten 76 aus. Gleichzeitig ist auch der Rahmen 52 aus diesen Schichten 64, 66 ausgebildet, wie es nachstehend anhand der Fign. 1 1 und 12 erläutert wird.
In einer in Fig. 1 1 dargestellten Fertigungsstufe 40' des Kühlelements sind Randbereiche der Schichten 64, 66 beidseits der Symmetrieebene 70 mehrfach gefaltet, um einen Randwulst 52' auszubilden, der die innerhalb desselben liegende Wärmetauscherstruktur (Kavitäten 76 bzw. Kanäle 46, 48, 50) umlaufend umgibt. Mit Hilfe eines Matrizenwerkzeugs (nicht näher dargestellt) wird der Randwulst 52' sodann heiß verformt (gepresst), um den Rand 52 mit seinen
Ausnehmungen 54 auszubilden, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 12 sind die gefalteten Lagen der Schicht 64 bzw. 66 nach dem Pressvorgang dünner geworden als in dem Randwulst 52', gleichzeitig ist die Höhe h des Randes 52 höher als die Höhe h' des Randwulstes 52' des in Fig. 1 1 gezeigten Fertigungszustands. (Gleichwohl ist ein Aufbau der
Folienlagen im Bereich des Randes 52 in Fig. 12 stark vereinfacht dargestellt; in der Realität werden die Lagen durch den Formvorgang zwischen den Fign. 11 und 12 in ein komplizierteres geometrisches Muster gebracht werden.)
In einer weiteren Abwandlung kann der (in Abweichung von Fig. 1 1 in der Höhe des endgültigen Randes 52 ausgebildete, also aus mehr Lagen bestehende) Randwulst 52' anstelle eines Pressvorgangs beispielsweise ausgefräst werden, um die Ausnehmungen 54 auszubilden.
Fig. 13 zeigt einen geschnittenen Folienbogen 64' bzw. 66' als
Ausgangsmateriäl einer Wärmetauscherhälfte 64 bzw. 66 in der Abwandlung von Fign. 1 1 und 12. Durch eine gestrichelte Linie 86 ist derjenige Bereich angedeutet, der später einer Wärmetauscherstruktur vorbehalten ist (eine die Wärmetauscherstruktur, also die Kavitäten 76 etc. bestimmende Reliefstruktur ist in dem in Fig. 13 dargestellten Zustand noch nicht ausgebildet). Ein außerhalb der Linie 86 liegender Randbereich 88 markiert die geometrischen Begrenzungen des Rahmenelements (Breite W und Höhe H). An die kurzen Seiten (Breite W) des Randbereichs 88 schließen sich jeweils Laschen 90, und an die längeren Seiten (Höhe H) des Randbereichs 88 schließen sich jeweils Laschen 92 an.
Gestrichelte Linien 90a, 92a innerhalb der Laschen 90, 92 deuten Biegelinien an, an welchen die Laschen 90, 92 umzubiegen bzw. zu falten sind, um einen Randwulst 52' (Fig. 11) auszubilden. Zwischen den Biegelinien 90a, 90b sind Streifen 90b, 92b definiert.
Die Laschen 90, 92 weisen ferner seitliche Einschnitte 90c bzw. 92c auf, deren Einschnitttiefe dem Abstand der Biegelinien 90a, 92a entspricht. Dabei weist bei den schmäleren Laschen 90 jeweils der erste Streifen 90b Einschnitte 90c auf, weist der zweite Streifen 90b keine Einschnitte auf, weist der dritte Streifen wiederum Einschnitte 90c auf, und so weiter im Wechsel; demgegenüber weist bei den breiteren Laschen 92 jeweils der erste Streifen 92b keine Einschnitte auf, weist der zweite Streifen 92b Einschnitte 92c auf, weist der dritte Streifen keine Einschnitte auf, und so weiter im Wechsel. Wenn nun abwechselnd breitere Laschen 92 und schmälere Laschen 90 gefaltet werden, so treffen Streifen 90b mit Einschnitten 90c an den Ecken des Randes 88 auf Streifen 92 ohne Einschnitte und treffen Streifen 90b ohne Einschnitte auf Streifen 92 mit Einschnitten 92c. Auf diese Weise werden Materialanhäufungen und somit Überhöhungen im Bereich der Ecken 88a vermieden. Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Einschnitte anders sein kann.
Wesentlich bei dieser Abwandlung ist lediglich, dass an den Ecken 88a an den von den dort aufeinandertreffenden Streifen 90b, 92b der gleichen Ordnungszahl der eine Streifen einen Einschnitt aufweist und der andere nicht. In einer Variante dieser Abwandlung können an einer Ecke 88a jeweils zwei aufeinanderfolgende Streifen einer Lasche 90 oder 92 einen Einschnitt 90c bzw. 92c aufweisen, während die entsprechenden Streifen der anderen Lasche keinen Einschnitt aufweisen. In dieser Variante ist die Verflechtung der Laschen 90, 92 nicht so ausgeprägt; die Faltung der Laschen 90, 92 kann aber einfacher zu bewerkstelligen sein. Es sei angemerkt, dass in einer weiteren Variante bewusst Materialanhäufungen und somit Überhöhungen im Bereich der Ecken 88a in Kauf genommen werden, sodass die Einschnitte 90c, 92c entfallen. Bei dieser Variante kann einem erhöhten Materialbedarf in den Ecken 88a zur Abstützung der Bohrungen 56 (Fig. 2) Rechnung getragen werden.
Es sei ferner angemerkt, dass bei der Bemessung des Zuschnitts 64' (66') eine Asymmetrie zur Ausbildung der Bucht 55 (Fig. 2) unberücksichtigt geblieben ist.
Fig. 14 zeigt eine Batterieanordnung 1 mit einem Kühlkreislauf, wie sie beispielsweise in einem Fahrzeug, aber auch in einer stationären Anlage vorgesehen sein kann.
Die Batterieanordnung 1 weist im dargestellten Beispiel - ohne Beschränkung der Allgemeinheit hinsichtlich Bauart und Anzahl - zehn Lithium-Ionen- Batteriezellen 10 gemäß vorstehender Beschreibung mit jeweils dazwischen angeordneten Kühlelementen 40 auf.
Die seitlich von der Batterieanordnung 1 abragenden Vorlaufanschlüsse 42 der Kühlelemente 40 sind mit einem gemeinsamen Vorlaufverteiler 94 verbunden. Gleichermaßen sind die auf der anderen Seite der Batterieanordnung 1 abragenden Rücklaufanschlüsse 42 der Kühlelemente 40 mit einem
gemeinsamen Rücklaufverteiler 96 verbunden. In den zu dem Vorlaufverteiler 94 und dem Rücklaufverteiler 96 führenden Leitungen ist jeweils ein Kanal- Temperaturfühler vorgesehen, die ein Vorlauftemperatursignal J_v und ein Rücklauftemperatursignal TR liefern. Über nicht näher dargestellte Fühler können Betriebszustände der Batteriezellen 10 bzw. der darin enthaltenen
Batterieelemente (30, hier nicht näher bezeichnet) erfasst werden und über eine Batteriesteuereinheit (Stack-Steuereinheit) 100 als Zustandssignale ZB zur Verfügung gestellt werden. Die Betriebszustände umfassen insbesondere eine Zellentemperatur. Die Temperatur- und sonstigen Zustandssignale werden über ein Netzwerk (nicht näher dargestellt) einem Steuergerät (CTR) 102 zugeführt. Das Steuergerät 102 verarbeitet die ihm zugeführten Signale, um Steuersignale SP für eine Pumpe 104, SL für einen Lüftermotor 106 und SH für ein elektrisches Vorlaufheizgerät 108 bereitzustellen.
Die stromabwärts des Rücklaufverteilers 96 angeordnete Pumpe 104 hält einen Kühlmittelkreislauf in Gang. Das von der Pumpe 104 geförderte Kühlmittel wird durch einen Kühler 110 geleitet und von dort in einen Ausgleichsbehälter 1 12. Von dem Ausgleichsbehälter 112 aus wird das Kühlmittel durch Saugwirkung der Pumpe 104 abgezogen und zunächst durch das Vorlaufheizgerät 108 geleitet, bevor es über den Vorlaufverteiler 94 den Vorlaufanschlüssen 42 der
Kühlelemente 40 zugeführt wird.
In den Kühlelementen 40 nimmt das Kühlmittel (wie oben beschrieben, Wasser und Glykol in einem geeigneten Mischungsverhältnis von bspw. 50:50) überschüssige Wärme der Batteriezellen 10 auf. Die Kühlung der Batteriezellen 10 kann durch Ansteuerung der Pumpe 04, die den Volumenstrom des
Kühlmittels bestimmt, und durch Ansteuerung des Lüftermotors 106, dessen Kühllüfter 114 den Kühler 110 mit einem Luftstrom bestreicht, geregelt werden. Insofern, etwa bei kalter Witterung und insbesondere beim Start des
Batteriesystems, ist auch eine Vorerwärmung der Batteriezellen 10 durch
Ansteuerung des Vorlaufheizgeräts 108 möglich. Das Kühlmittel kann also auch ganz allgemein als Wärmeträgermedium im Sinne der Erfindung verstanden werden. Im Sinne der Erfindung ist der Vorlaufanschluss 42 ein
Wärmeträgermedium-Zuführungsanschluss und ist der Rücklaufanschluss 44 ein Wärmeträgermedium-Abführungsanschluss. Der Kühlkreislauf ist
dementsprechend ein Wärmeträgermedium-Versorgungskreis im Sinne der Erfindung. Eine Feineinstellung der Temperaturregelung der Einzelzellen 10 in der
Anordnung 1 ist beispielsweise über steuerbare Vorlaufdrosselventile (nicht näher dargestellt) möglich, die jeweils den Vorlaufanschlüssen 42 vorgeschaltet sind und über das Steuergerät 102 ansteuerbar sind.
Der Kühlmittelkreis kann für den Batteriebereich separat vorgesehen und speziell angepasst sein; es kann aber auch, beispielsweise in einem
Hybridfahrzeug, ein Kühlmittelkreis eines Verbrennungsmotors mit ausgenutzt werden.
Obschon die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf ein konkretes Ausführungsbeispiel und seinen Abwandlungen in ihren wesentlichen Merkmalen beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern in dem durch die
Patentansprüche vorgegebenen Umfang und Bereich abgewandelt und erweitert werden kann, beispielsweise, aber nicht ausschließlich, wie es nachstehend angedeutet ist.
In den beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen und
Abwandlungen sind die Wärmetauscherkanäle 48 in einem drucklosen Zustand im Wesentlichen in Dickenrichtung des Kühlelements 40 bündig mit einer durch den Rahmen 52 definierten äußeren Begrenzung des Kühlelements 40 und berühren die jeweils angrenzenden Batterieelemente 10 nicht. In Abwandlungen kann die Außenkontur der Wärmetauscherkanäle 48 in dem drucklosen Zustand hinter die Begrenzung des Rahmens 52 zurückweichen oder geringfügig überstehen. Maßgeblich für das optimale Funktionieren des Kühlelements 40 ist, dass sich die Außenkontur der Wärmetauscherkanäle in einem Betriebszustand, in welchem das Kühlelement unter einem Betriebsüberdruck des
Wärmeträgermediums steht, an das Batterieelement 10 anschmiegt. In einer weiteren Abwandlung kann die Außenkontur der Wärmetauscherkanäle 48 in dem drucklosen Zustand deutlich über die Begrenzung des Rahmens 52 überstehen und auch in dem drucklosen Zustand schon das Batterieelement 10 berühren bzw. von diesem im Querschnitt gestaucht werden. Der
Betriebsüberdruck in dem Kühlelement 40 führt dann nur noch dazu, dass sich die Wärmetauscherkanäle 48 noch mehr und dichter an das Batterieelement 10 anschmiegen.
Obschon nach dem Ausführungsbeispiel und den gezeigten Abwandlungen nicht ausdrücklich vorgesehen ist, dass der Verteilerkanal 46 und der Sammelkanal 50 zum Wärmeübergang beitragen, kann dies in weiteren Abwandlungen vorgesehen sein.
In einer weiteren Abwandlung des Kühlelements 40 sind nur in einem der Wärmetauscherhälften 64, 66 (vgl. Fig. 5 u.a.) Reliefstrukturen derart
vorgesehen, dass sie Kavitäten 76 ausbilden, während die andere
Wärmetauscherhälfte flach ist. Bei einem solchen Kühlelement verallgemeinert sich die Symmetrieebene 70 zu einer Teilungsebene im Sinne der Erfindung. Ein solches Kühlelement kann etwa stirnseitig außerhalb der letzten Batteriezellen 10 in einer Anordnung 1 verwendet werden.
Die Erfindung wurde anhand von Lithium-Ionen-Batteriezellen 10 beschrieben, die ein Beispiel für eine elektrochemische Energiespeicherzelle im Sinne der Erfindung sind. Es versteht sich, dass die Erfindung auf jede Art
elektrochemischer Energiespeicherzellen unabhängig von deren Wirkprinzip anwendbar ist, bei welchen eine Ableitung überschüssiger Wärme vorteilhaft sein könnte.
Liste der Bezugszeichen:
1 Batterieanordnung
10 Batteriezelle
12 Erstes Rahmenteil
14 Zweites Rahmenteil
16 Löcher
18 Einsenkung
19 Noppe
20 Auflager
20a Loch (Sackloch, Einschraubloch)
30 Batterieelement
32 Positiver Abieiter
32a Loch (Durchgangsloch, Befestigungsloch)
34 Negativer Abieiter
34a Loch (Durchgangsloch, Befestigungsloch)
40 Kühlelement
40' Fertigungsstufe
42 Vorlaufanschluss
44 Rücklaufanschluss
46 Verteilerkanal
48 Wärmetauscherkanal
50 Sammelkanal
52 Rahmen
52' Randwulst
54 Ausnehmung
55 Bucht
56 Bohrung
58 Kühlmittelvorlauf
59 Kühlmittelströmung im Kühlpad
60 Kühlmittelrücklauf
62 Erste Schicht; erste Rahmenhälfte
64 Zweite Schicht; erste Wärmetauscherhälfte 64' Folienbogen
66 Dritte Schicht; zweite Wärmetauscherhälfte
68 Vierte Schicht; zweite Rahmenhälfte
70 Symmetrieebene
72a, 72b, 72c Nahtstelle
72d Verbindungsschicht (Nahtstelle)
74, 76 Kavität (Hohlraum)
78, 80 Verbindungskanal
82 Stegabschnitt
84 Schmiegabschnitt
84' Kontur im Betriebszustand
84a Außenoberfläche
86 Linie (Markierung des Wärmetauscherbereichs)
88 Randbereich
88a Ecke
90 Lasche
90a Biegelinie
90b Streifen
90c Einschnitt
92 Lasche
92a Biegelinie
92b Streifen
92c Einschnitt
94 Vorlaufverteiler
96 Rücklaufverteiler
98 Kanal-Temperaturfühler
100 Batteriesteuereinheit
102 Steuergerät
104 Pumpe
106 Lüftermotor
108 Vorlaufheizgerät
110 Kühler
112 Ausgleichsbehälter 114 Kühllüfter
Liste der Symbole
Höhe einer Rahmenhälfte
Höhe des Randwulstes
Schichtdicke (Folienstärke)
A Kontaktfläche
H Höhe des Heizelements
Q Wärmestrom; Heizleistung
SH Vorlaufheizgerät-Ansteuerungssignal
SL Lüftermotoransteuerungssignal
SP Pumpenansteuerungssignal
T Dicke des Heizelements
Ti Eintrittstemperatur; Temperatur auf der Seite einer Batteriezelle
T2 Austrittstemperatur; Temperatur auf der Seite einer Kavität
IR Rücklauftemperatursignal
Iv Vorlauftemperatursignal
w Breite des Heizelements
ZB Batterie-Zustandssignal λ Wärmeleitfähigkeit
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass vorstehende Bezugszeichenliste und vorstehende Symbolliste integraler Bestandteil der Beschreibung sind.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Kühlelement, das insbesondere zur Anordnung zwischen
elektrochemischen Energiespeicherzellen ausgelegt und eingerichtet ist, mit einer von einem Wärmeträgermedium durchström baren
Wärmetauscherstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmetauscherstruktur im Wesentlichen aus wenigstens zwei
Folienschichten oder Folienschichtstrukturen ausgebildet ist, die mit gegenüberliegenden Flächen aneinandergelegt und an innerhalb der Flächen ausgebildeten Nahtstellen verbunden sind, wobei die Nahtstellen Hohlräume zwischen den Flächen begrenzen, durch welche das
Wärmeträgermedium leitbar ist.
Kühlelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen ausgebildete Wandungen der Hohlräume eine Elastizität derart aufweist, dass sie sich in einem Betriebszustand, in welchem die Wärmetauscherstruktur unter einem Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums stehen, gegenüber einem drucklosen Zustand in Dickenrichtung des Kühlelements ausdehnen.
Kühlelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherstruktur Ausdehnungsabschnitte aufweist, die sich in einem Betriebszustand, in welchem die Wärmetauscherstruktur unter einem Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums steht, gegenüber einem drucklosen Zustand in Dickenrichtung des Kühlelements ausdehnen.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kühlelement eine Rahmenstruktur aufweist, in deren Ausschnitt die Wärmetauscherstruktur angeordnet ist. Kühlelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur wenigstens im Wesentlichen aus zwei Folienschichten oder Folienschichtenstrukturen ausgebildet ist, die mit jeweiligen Flächen gegenüberliegend angeordnet sind, wobei vorzugsweise Randbereiche der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der
Wärmetauscherstruktur zwischen den Folienschichten bzw.
Folienschichtstrukturen der Rahmenstruktur aufgenommen sind, vorzugsweise dass die Rahmenstruktur aus gefalteten Randabschnitten der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der
Wärmetauscherstruktur ausgebildet ist und/oder
dass die Rahmenstruktur auf Randabschnitte der Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen der Wärmetauscherstruktur aufgespritzt oder als Formteil aufgeklebt oder auf sonstige Weise aufgebracht ist.
Kühlelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur eine Versteifungsstruktur, insbesondere mit einer Anzahl von Rippen, aufweist.
7. Kühlelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherstruktur in einem
Betriebszustand, in welchem sie unter einem Betriebsüberdruck des Wärmeträgermediums steht, in Dickenrichtung über eine durch die Rahmenstruktur vorgegebene Ausdehnung hinausragt, wobei sie in einem drucklosen Zustand nicht oder deutlich geringer als in dem
Betriebszustand über die durch die Rahmenstruktur vorgegebene
Ausdehnung hinausragt oder hinter die durch die Rahmenstruktur vorgegebene Ausdehnung zurücktritt.
8. Kühlelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kühlelement einen Wärmeträgermedium-
Zuführungsanschluss und einen Wärmeträgermedium- Abführungsanschluss aufweist, welche durch die Hohlräume miteinander verbunden sind,
vorzugsweise dass die Hohlräume wenigstens in einem Abschnitt der Wärmetauscherstruktur einen oder mehrere Kanäle bilden, welche vorzugsweise zueinander parallel verlaufen und gleichsinnig oder gegensinnig durch das Wärmeträgemedium durchströmbar sind.
Kühlelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen einen Kunststoff, insbesondere PE, PC, PP, PVC, PS, oder eine
Verbundfolie, einen Laminatfilm oder dergleichen aufweisen, wobei die Folienschichten bzw. Folienschichtstrukturen vorzugsweise einen die Wärmeleitfähigkeit beeinflussenden Stoff, insbesondere Quarzmehl, Glas, Metalle, Aluminiumnitridpulver oder Kohlenstoff enthalten.
Kühlelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium ein flüssiges
Wärmeträgermedium ist, das vorzugsweise wenigstens eines von Wasser und einem Alkohol, insbesondere Glykol, aufweist, besonders bevorzugt in einem Mischungsverhältnis von wenigstens ungefähr 50:50.
Verfahren zum Herstellen eines Kühlelements, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
Vorbereiten einer ersten Folienschicht oder Folienschichtstruktur und einer zweiten Folienschicht oder Folienschichtstruktur, vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial;
Anordnen der ersten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur so, dass Flächen der ersten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur und der zweiten
Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur zueinander weisen; und Verbinden der ersten und der zweiten Folienschicht bzw.
Folienschichtstruktur an in den Flächen ausgebildeten Nahtstellen derart, dass zwischen den Nahtstellen eine Hohlraumstruktur ausgebildet ist, die vorzugsweise an wenigstens zwei Stellen randseitig offen ist, wobei zwischen den zwei offenen Stellen eine durchgängige Verbindung besteht, um eine Wärmetauscherstruktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorbereitens einen Schritt eines Ausbildens einer Reliefstruktur in der ersten und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur aufweist, wobei die Reliefstruktur nach dem Schritt des Verbindens der ersten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur die Hohlraumstruktur ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiter gekennzeichnet durch einen Schritt eines Einleitens eines Druckfluids zwischen die erste und die zweite Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur, vorzugsweise in einem erwärmten Zustand, um die Hohlraumstruktur aufzuweiten, besonders bevorzugt unter Verwendung einer Matrize, um die Aufweitung zu begrenzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, weiter gekennzeichnet durch einen Schritt eines Ausbildens einer randseitig wenigstens im Wesentlichen umlaufenden Rahmenstruktur beidseits einer
Teilungsebene, die zwischen der ersten und der zweiten Folienschicht bzw. Folienschichtstruktur definiert ist.
15. Elektrochemische Energiespeichervorrichtung, mit einer Mehrzahl von insbesondere flachen elektrochemischen Energiespeicherzellen, die mit einander zugewandten Flachseiten in einem Stapel angeordnet sind, wobei zwischen je zwei Speicherzellen ein Kühlelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet oder nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 hergestellt ist, wobei vorzugsweise
Wärmeträgermedium-Zuführungsanschlüsse und Wärmeträgermedium- Abführungsanschlüsse der Kühlelemente in der Elektroenergie- Speichervorrichtung jeweils gemeinsam mit einem Wärmeträgermedium-
Versorgungskreis verbunden sind.
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