WO2016050395A1 - Kühlplatte für einen elektrischen energiespeicher - Google Patents

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WO2016050395A1
WO2016050395A1 PCT/EP2015/068081 EP2015068081W WO2016050395A1 WO 2016050395 A1 WO2016050395 A1 WO 2016050395A1 EP 2015068081 W EP2015068081 W EP 2015068081W WO 2016050395 A1 WO2016050395 A1 WO 2016050395A1
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electrical energy
cooling
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Benjamin Kopp
Steffen Benz
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Robert Bosch Gmbh
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    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention is based on a cooling plate for an electrical
  • a modular device for supplying power to a motor vehicle wherein for cooling the electrochemical storage cells, a cooling plate is used in the form of a heat sink.
  • the heat sink is for example by means of roll bonding or
  • Cooling plate for an electrical energy storage at least two permanently interconnected metal sheets and at least one plastic cover, wherein the connected metal sheets at least one by means of a Include release agent inflated cooling channel, whereby a better mechanical stability can be achieved.
  • the plastic cover is an electrical insulator, whereby an electrical insulation of the cooling plate is achieved against an adjacent electrical energy storage, so that, for example, in case of failure, no current flows from an energy storage through the cooling plate and cooling tubes to a cooling system and injures a person by an electric shock.
  • the method for producing a cooling plate according to the invention comprises the following steps:
  • a release agent is applied to at least a first region of a first metal sheet, whereby, for example, a cooling channel structure is provided.
  • a selected method for applying the release agent for example by means of a
  • fine cooling channel structures are produced, which have a high tightness compared to pipelines according to the prior art and / or allows a simple change or adaptation of the cooling channel structure.
  • a mechanically non-detachable connection between second regions of the first metal sheet and at least one second metal sheet is produced, wherein the first regions are recessed by the release agent from the mechanically insoluble compound, whereby
  • At least one cooling channel is formed by inflating the first region, so that a coolant for heat absorption can flow through the cooling channel.
  • a coolant for heat absorption can flow through the cooling channel.
  • a plastic cover with at least one of the mechanically non-detachable connection facing away surface of the connected metal sheets is mechanically fixed, thereby advantageously a better mechanical stability and in a fixing of
  • Plastic coverings on all sides of the mechanically non-detachably connected metal sheets a high density is achieved.
  • Metal sheets are stored by means of rollbonding and / or gluing.
  • the metal sheets are joined by rolling under high pressure.
  • a metal sheet is made
  • the release agent is printed on the metal sheet, thereby advantageously fine cooling duct structures are produced, which have a high tightness to piping and / or a simple changes of Enable cooling channel structure.
  • a release agent for example, graphite, oil, wax, silicone and / or fat is used.
  • compressed air is advantageously used, wherein, for example, a diameter of the cooling channel is varied depending on a duration of the inflation and / or the pressure used.
  • a diameter of the cooling channel is varied depending on a duration of the inflation and / or the pressure used.
  • two different cooling channel structures with different diameters can be produced within a cooling plate.
  • the plastic cover is fixed by means of clips, ultrasonic welding, gluing and / or screws with the at least one surface of the connected metal sheets facing away from the mechanically non-detachable connection.
  • the plastic cover is fixed by means of clips and / or screws. This advantageously takes place at the edges of the mechanically undetachably connected metal sheets.
  • cooling plate for example, to be protected against manipulation, then the plastic cover by welding, for example
  • the cooling plate according to the invention with an electrical energy storage, such as a battery cell, a battery module and / or a Supercap, mechanically connected, for example by screwing, gluing, clamping, clips, and through the at least one cooling channel, a coolant flows through the cooling plate.
  • an electrical energy storage such as a battery cell, a battery module and / or a Supercap
  • the cooling plate according to the invention is used in a vehicle having at least one electrical energy store, for example a lithium-ion, lithium-sulfur, lithium-air battery. It shows:
  • Figure la a first process step for the preparation of
  • FIG. 1b shows a second method step for producing the
  • Cooling plate performing a third and a fourth process step
  • FIG. 2 shows a first possible use of the cooling plate according to the invention.
  • FIG. 3 shows a second and third possible use of the invention
  • FIG. 1a shows a first metal sheet 1 and a second metal sheet 2, wherein a release agent is applied to at least a first region 3 (1) of the first metal sheet 1 and a second region 3 (2) of the first metal sheet 1 without release agent.
  • the release agent is applied in a first process step, for example by a printing process on the first metal sheet 1.
  • first metal sheet 1 and the second metal sheet 2 are mechanically non-detachably connected to each other, for example, the compound is produced in a second process step by roll bonding.
  • Figure lc shows a section through drawn in Figure lb level AA of a manufactured cooling plate 10, wherein in a third step by means of Inflation of the first region 3 (1) lying within the mechanically non-detachable connection of the first metal sheet 1 and the second metal sheet 2, at least one cooling channel 6 is formed and, in a fourth method step, plastic covers 4, 5 are fixed on the surfaces facing away from the mechanically non-detachable connection.
  • FIG. 2 shows a first possible use of the inventive cooling plate 10, which is arranged spatially between two energy stores 7 (1), 7 (2), for example battery cells or battery modules. On the surfaces facing away from the mechanically non-detachable connection plastic covers 4.5 are fixed, which form a plastic sheath around the metal sheets 1.2. By means of two cooling channels 6 (1), 6 (2), the cooling plate 10 is connected to a cooling circuit
  • FIG. 3 shows a second use of the inventive cooling plate 10 (FIG. 2), which is spatially arranged on an upper side, for example between the terminal poles of battery cells, of electrical energy stores 7 (1), 7 (2), 7 (3).
  • FIG. 3 shows a third use of the inventive cooling plate 10 (FIG. 1), which is spatially arranged on a lower side, for example as a bottom plate of battery cells, of electrical energy stores 7 (1), 7 (2), 7 (3).
  • the cooling plate is arranged within a housing of the electrical energy store 7 (1), 7 (2), 7 (3). Due to the electrically insulating plastic and the high density, the cooling plate according to the invention can be arranged for example within a battery cell housing.

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Abstract

Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher, wobei die Kühlplatte mindestens zwei unlösbar miteinander verbundene Metallbleche und mindestens eine Kunststoffabdeckung aufweist, wobei die verbundenen Metallbleche mindestens einen mittels eines Trennmittels aufgeblasenen Kühlkanal umfassen.

Description

Beschreibung Titel
Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kühlplatte für einen elektrischen
Energiespeicher.
Aus der DE 102010025656 AI ist beispielsweise eine modulare Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei zur Kühlung der elektrochemischen Speicherzellen eine Kühlplatte in Form eines Kühlkörpers eingesetzt wird. Der Kühlkörper ist beispielsweise mittels Rollbonding bzw.
Strangpressen hergestellt, wobei ein Leitungsverlauf durch Lasern bzw.
Flachrohre eingebracht ist. Am Boden des Gehäuses wird eine Isolationsschicht vorgesehen, um die Kühlleistung nicht zu verschlechtern.
Offenbarung der Erfindung
Nachteilig an dem bekannten Stand der Technik ist, dass ausschließlich eine thermische Isolation zwischen den elektrochemischen Speicherzellen und der Kühlplatte verwendet wird und die Kühlplatte keine separate Hülle aufweist
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine
Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher mindestens zwei unlösbar miteinander verbundene Metallbleche und mindestens eine Kunststoffabdeckung aufweist, wobei die verbundenen Metallbleche mindestens einen mittels eines Trennmittels aufgeblasenen Kühlkanal umfassen, wodurch eine bessere mechanische Stabilität erreicht werden.
Durch die Kunstoffabdeckung wird eine zusätzliche Abdichtung und dadurch eine höhere Dichtigkeit erreicht, wodurch vorteilhafterweise eine
Auftrittswahrscheinlichkeit von Undichtigkeiten gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Als Material für die Metallbleche Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer und/oder Gold verwendet, wodurch vorteilhafterweise eine ebene Kontaktfläche zwischen der Kühlplatte und beispielsweise einem elektrischen Energiespeicher und/oder eine gute Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.
Vorteilhafterweise ist die Kunststoffabdeckung ein elektrischer Isolator, wodurch eine elektrische Isolation der Kühlplatte gegen einen angrenzenden elektrischen Energiespeicher erreicht wird, so dass beispielsweise im Fehlerfall kein Strom von einem Energiespeicher über die Kühlplatte und Kühlrohren zu einem Kühlsystem fließt und eine Person durch einen elektrischen Schlag verletzt.
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kühlplatte umfasst folgende Schritte:
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Trennmittel auf zumindest einen ersten Bereich eines ersten Metallblechs aufgebracht, wodurch beispielsweise eine Kühlkanalstruktur vorgesehen wird. Vorteilhafterweise können durch ein gewähltes Verfahren zum Aufbringen des Trennmittels, beispielsweise mittels eines
Druckverfahrens, feine Kühlkanalstrukturen erzeugt werden, die eine hohe Dichtigkeit gegenüber Rohrleitungen gemäß dem Stand der Technik aufweisen und/oder eine einfache Änderung bzw. Anpassung der Kühlkanalstruktur ermöglicht. In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine mechanisch unlösbare Verbindung zwischen zweiten Bereichen des ersten Metallblechs und mindestens einem zweiten Metallblech hergestellt, wobei die ersten Bereiche durch das Trennmittel von der mechanisch unlösbaren Verbindung ausgespart sind, wodurch
vorteilhafterweise ein Einbringen von Kanälen beispielsweise durch Lasern entfällt.
In einem dritten Verfahrensschritt wird mindestens ein Kühlkanal durch Aufblasen des ersten Bereichs ausgebildet, so dass ein Kühlmittel zur Wärmeaufnahme durch den Kühlkanal fließen kann. In Abhängigkeit eines durch einen Druck und/oder Dauer des ein- oder beidseitiges Aufblasen des ersten Bereichs wird ein grüßerer Querschnitt des Kühlkanals erreicht, wodurch vorteilhafterweise
Druckverluste reduziert werden und/oder eine größere Kontaktfläche bei gleichem Gewicht erreicht wird.
In einem vierten Verfahrensschritt wird eine Kunststoffabdeckung mit mindestens einer von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Fläche der verbundenen Metallbleche mechanisch fixiert, wodurch vorteilhafterweise eine bessere mechanische Stabilität und bei einem Fixieren von
Kunststoffabd eckungen auf allen Seiten der mechanisch unlösbar verbundenen Metallbleche eine hohe Dichtigkeit erreicht wird.
Die mechanisch unlösbare Verbindung zwischen den mindestens zwei
Metallblechen wird mittels Rollbonding und/oder Verklebens hegestellt. Bei dem Rollbonding- Verfahren werden die Metallbleche durch Walzen unter hohem Druck gefügt. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Metallblech aus
unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt, bevor ein Walzen mit einem weiteren Metallblech erfolgt. Durch das Rollbonding wird eine gleichmäßige mechanisch unlösbare Verbindung erzeugt, wodurch die mechanische Stabilität erhöht wird und Gewicht reduziert wird, da dünnere Metallbleche verwendet werden.
Das Trennmittel wird auf das Metallblech aufgedruckt, wodurch vorteilhafterweise feine Kühlkanalstrukturen erzeugt werden, die eine hohe Dichtigkeit gegenüber Rohrleitungen aufweisen und/oder eine einfache Änderungen der Kühlkanalstruktur ermöglichen. Als Trennmittel wird beispielsweise Graphit, Öl, Wachs, Silikon und/oder Fett verwendet.
Zum Aufblasen des ersten Bereich wird vorteilhafterweise Druckluft eingesetzt, wobei in Abhängigkeit einer Dauer des Aufblasens und/oder des verwendeten Drucks beispielsweise ein Durchmesser des Kühlkanals variiert wird. So können beispielsweise zwei unterschiedliche Kühlkanalstrukturen mit unterschiedlichen Durchmessern innerhalb einer Kühlplatte hergestellt werden.
Die Kunststoffabdeckung wird mittels Clipsen, Ultraschallschweißen, Kleben und/oder Schrauben mit der mindestens einen von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Fläche der verbundenen Metallbleche fixiert.
Für reversible mechanische Verbindungen, beispielsweise zum Tauschen der Metallbleche und/oder Kunststoffabdeckungen, für Wartungszwecke, wird die Kunststoffabdeckung mittels Clipsen und/oder Schrauben fixiert. Vorteilhafterweise erfolgt dies an den Ränder der mechanisch unlösbar verbundenen Metallbleche.
Soll die Kühlplatte beispielsweise gegen Manipulation geschützt werden, dann wird die Kunststoffabdeckung mittels Schweißen, beispielsweise
Ultraschallschweißen, und/oder Kleben an den Rändern und/oder einer von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Fläche der verbundenen Metallbleche fixiert.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Kühlplatte mit einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Batteriezelle, einem Batteriemodul und/oder einem Supercap, mechanisch verbunden, beispielsweise durch Schrauben, Kleben, Klemmen, Clipsen, und durch den mindestens einen Kühlkanal fließt ein Kühlmittel durch die Kühlplatte.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Kühlplatte in einem Fahrzeug mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher verwendet, beispielsweise einer Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium- Luft- Batterie. Es zeigt:
Figur la einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Kühlplatte;
Figur lb einen zweiten Verfahrensschritt zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Kühlplatte;
Figur lc Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Kühlplatte Durchführung eines dritten und eines vierten Verfahrensschritts; und
Figur 2 eine erste mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlplatte.
Figur 3 eine zweite und dritte mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen
Kühlplatte.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche
Vorrichtungskomponenten.
Figur la zeigt ein erstes Metallblech 1 und ein zweites Metallblech 2, wobei auf zumindest einem ersten Bereich 3(1) des ersten Metallblechs 1 ein Trennmittel aufgetragen ist und einen zweiten Bereich 3(2) des ersten Metallblechs 1 ohne Trennmittel. Das Trennmittel wird in einem ersten Verfahrensschritt beispielsweise durch ein Druckverfahren auf das erste Metallblech 1 aufgebracht.
In Figur lb sind das erste Metallblech 1 und das zweite Metallblech 2 mechanisch unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise wird die Verbindung in einem zweiten Verfahrensschritt durch Rollbonding hergestellt.
Figur lc zeigt einen Schnitt durch die in Figur lb eingezeichnete Ebene A-A einer hergestellten Kühlplatte 10, wobei in einem dritten Verfahrensschritt mittels Aufblasen des innerhalb der mechanisch unlösbaren Verbindung des ersten Metallblechs 1 und des zweiten Metallblechs 2 liegenden ersten Bereichs 3(1) mindestens ein Kühlkanal 6 gebildet wird und in einem vierten Verfahrensschritt auf die von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Flächen Kunststoffabdeckungen 4,5 fixiert werden.
Figur 2 zeigt eine erste mögliche Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlplatte 10, die räumlich zwischen zwei Energiespeichern 7(1), 7(2), beispielsweise Batteriezellen oder Batteriemodulen, angeordnet ist. Auf die von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Flächen sind Kunststoffabdeckungen 4,5 fixiert, die eine Kunststoffhülle um die Metallbleche 1,2 bilden. Mittels zwei Kühlkanälen 6(1), 6(2) wird die Kühlplatte 10 an einen Kühlkreislauf
angeschlossen.
Figur 3 zeigt eine zweite Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlplatte 10(2), die räumlich an einer Oberseite, beispielsweise zwischen den Anschlusspolen von Batteriezellen, von elektrischen Energiespeichern 7(1), 7(2), 7(3) angeordnet ist.
In Figur 3 ist eine dritte Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlplatte 10(1) gezeigt, die räumlich an einer Unterseite, beispielsweise als Bodenplatte von Batteriezellen, von elektrischen Energiespeichern 7(1), 7(2), 7(3) angeordnet ist.
In einer weiteren möglichen Verwendung ist die Kühlplatte innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Energiespeicher 7(1), 7(2), 7(3) angeordnet. Aufgrund des elektrisch isolierenden Kunstoffs und der hohen Dichtigkeit kann die erfindungsgemäße Kühlplatte beispielsweise innerhalb eines Batteriezellgehäuses angeordnet werden.

Claims

Ansprüche
1. Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte mindestens zwei unlösbar miteinander verbundene Metallbleche und mindestens eine Kunststoffabdeckung aufweist, wobei die verbundenen Metallbleche mindestens einen mittels eines Trennmittels aufgeblasenen Kühlkanal umfassen.
2. Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Metallbleche Aluminium,
Aluminiumlegierungen, Kupfer und/oder Gold verwendet wird.
3. Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kunststoffabdeckung ein elektrischer Isolator ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend folgende Schritte:
- aufbringen eines Trennmittels auf zumindest einen ersten Bereich eines ersten Metallblechs,
- herstellen einer mechanisch unlösbaren Verbindung zwischen zweiten Bereichen des ersten Metallblechs und mindestens einem zweiten Metallblech,
- ausbilden mindestens eines Kühlkanals durch Aufblasen des ersten Bereichs,
- fixieren einer Kunststoffabdeckung mit mindestens einer von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Fläche der verbundenen Metallbleche.
5. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch unlösbare Verbindung mittels Rollbonding hergestellt wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel auf das Metallblech aufgedruckt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufblasen des ersten Bereichs Druckluft eingesetzt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffabdeckung mittels Clipsen, Ultraschallschweißen, Kleben und/oder Schrauben mit der mindestens einen von der mechanisch unlösbaren Verbindung abgewandten Fläche der verbundenen Metallbleche fixiert wird.
9. Elektrischer Energiespeicher mit mindestens einer Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte mit dem elektrischen Energiespeicher mechanisch verbunden ist und ein Kühlmittel eines Kühlkreislaufs durch den mindestens einen Kühlkanal der Kühlplatte fließt.
10. Verwendung einer Kühlplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Fahrzeug, das mindestens einen elektrischen Energiespeicher umfasst.
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