WO2023088997A1 - Vorrichtung zum temperieren einer fahrzeugbatterie - Google Patents

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WO2023088997A1
WO2023088997A1 PCT/EP2022/082193 EP2022082193W WO2023088997A1 WO 2023088997 A1 WO2023088997 A1 WO 2023088997A1 EP 2022082193 W EP2022082193 W EP 2022082193W WO 2023088997 A1 WO2023088997 A1 WO 2023088997A1
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elevations
chamber
temperature control
depressions
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Matthias Binder
Hans Beyer
Jochen Haussmann
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Webasto SE
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    • H01M50/249—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders specially adapted for aircraft or vehicles, e.g. cars or trains

Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling the temperature of a vehicle battery, for example a primary energy battery of an electric vehicle comprising a plurality of battery cells, and a vehicle battery.
  • the dissipation of the power loss or the supply of heating power is usually realized structurally by connecting the battery cells to a temperature control surface.
  • a temperature control surface can be part of a battery module, for example.
  • This temperature control surface can be designed as the outside of a base element of the vehicle battery, which provides a chamber-like flow space for a temperature control fluid.
  • Such temperature control devices are usually made of metal, for example aluminum or steel, and are made of two shells, depending on the dimensions. Of the two shells, one is often flat, for example the upper shell facing the battery cells, whereas the other, corresponding for example the lower shell, can have a deep-drawn shape.
  • the upper shell and lower shell are connected to one another in a pressure-tight manner, for example via soldering, welding and/or gluing.
  • Such devices for tempering which have a suitable size to the thermal connection surface of a battery module, an entire battery pack or the entire To map a vehicle battery, in addition to a circumferential connection for tightness, further connection points, surfaces and/or lines between the upper shell and lower shell distributed over the surface of the device are required. These serve on the one hand for the dimensional stability of the device in order to withstand an internal pressure generated by the tempering fluid, and on the other hand for resistance to external force application through battery cells, battery modules and/or load-bearing frame parts of the battery housing connected to the device. Devices of this type are implemented, for example, in the form of transverse struts extending parallel to the battery cells. Furthermore, it is possible for the temperature control device itself to be designed as a supporting component of the battery housing.
  • the number of connections for the inlet and outlet of the temperature control fluid into and out of the flow space is usually kept as small as possible, even with large-area temperature control devices there is exactly one inlet and one outlet for the tempering fluid into or out of the flow space.
  • the flow rate of the temperature control fluid and the turbulence occurring in the temperature control fluid are different at different positions in the flow space, since the temperature control fluid takes the path of least flow resistance from inlet to outlet. If the flow is guided through closed channels or chambers, frequent deflection and thus a high pressure loss between the inlet and outlet is unavoidable, depending on the size and complexity of the temperature control surface. If the connection points, surfaces and/or lines between the two shells required for the mechanical stability of the temperature control device are only set according to stability-relevant criteria, the influence of these connections on the flow is purely arbitrary in terms of flow dynamics and usually does not lead to a homogeneous flow all positions within the device or within its flow space.
  • connection of the battery cells at different positions of the device results in an individual thermal resistance between the battery cell and the tempering fluid for each battery cell, which is dependent on the flow rate and turbulence at the respective position.
  • temperature of each battery cell is different, even with the same thermal resistance, depending on the temperature of the tempering fluid locally at the contact surface.
  • the temperature of Tempering fluid changes from inlet to outlet as a function of the amount of heat exchanged in the meantime.
  • the battery cells there is a temperature spread between battery cells with a comparatively low thermal resistance to the tempering fluid and battery cells with a comparatively high thermal resistance to the tempering fluid.
  • the temperature of battery cells that are positioned closer to the inlet is also closer to the set temperature of the temperature control fluid supplied to the flow space of the device at the inlet than the temperature of battery cells that are positioned further away from the inlet.
  • a temperature spread between the battery cells has several negative effects.
  • the battery cells of the vehicle battery age at different rates at different operating temperatures. Above-average aging of individual battery cells in the vehicle battery shortens the overall service life of the vehicle battery.
  • battery cells with higher temperatures have a lower electrical internal resistance.
  • the higher currents and the resulting higher energy throughputs of the warmer battery cells result in accelerated aging of these battery cells.
  • Battery cells with different temperatures within a vehicle battery also have different power limits. If one or more cells within a battery have a lower power limit than the other battery cells due to an inhomogeneous temperature distribution, the power of the entire battery must be limited to this low power limit. If the temperature inhomogeneity and thus the temperature peaks within a vehicle battery are not correctly recognized and/or the power is not limited accordingly, this represents a significant safety risk, especially with regard to the operational safety of the vehicle battery.
  • a device for controlling the temperature of a vehicle battery preferably a primary energy battery of an electric vehicle comprising several battery cells, with the features of claim 1 .
  • a device for tempering a vehicle battery preferably a primary energy battery of an electric vehicle comprising several battery cells, comprising an essentially plate-shaped upper shell extending in a main plane of extent and an upper shell adjoining the upper shell transversely to the main plane of extent and extending in the main plane of extent
  • Substantially plate-shaped lower shell, the upper shell and the lower shell enclosing a flow chamber through which a temperature control fluid flows, the at least one flow chamber comprising at least two chambers fed by a common inlet and opening into a common outlet and through which the temperature control fluid flows in parallel.
  • the device is further characterized in that in the area of the common inlet and/or in the area of the common outlet, guide structures for guiding and/or subdividing the temperature control fluid flow are arranged, and/or in the at least two chambers elevations protruding into the flow space perpendicular to the main direction of extension and /or are arranged perpendicular to the main extension direction extending depressions for deflecting the temperature control fluid, wherein a number of elevations and / or depressions per unit area and / or a shape of the elevations and / or depressions from chamber to chamber is different.
  • each chamber has a chamber volume flow that is a part of the total volume flow flowing through the flow space.
  • the sum of the chamber volume flows therefore essentially corresponds to the total volume flow supplied to the common inlet and discharged via the common outlet.
  • the chambers are connected in parallel with respect to the flow of the tempering fluid in the sense of one Parallel connection, as is known in electrical circuits, for example when two ohmic resistors are connected in parallel.
  • the conductive structures and/or elevations and/or depressions can also provide additional structural functionality and thereby contribute to the structural stabilization of the device and/or the vehicle battery.
  • the flow space is preferably essentially formed by deformation structures, preferably deep-drawn structures, present in the upper shell and/or in the lower shell and extending transversely to the main plane of extension.
  • the upper shell and/or the lower shell can preferably provide or form a temperature control surface.
  • the upper shell or the lower shell can be arranged on one side, preferably a base, of a vehicle battery in a heat-transferring manner to this side, and/or it forms one side of a housing of the vehicle battery, preferably a base.
  • the vehicle battery preferably includes a plurality of battery modules, each of which includes a plurality of battery cells. In other words, several battery cells are combined to form a battery module, which can form a mechanical and/or electrical unit.
  • the battery cells can preferably be embodied as cylindrical battery cells, prismatic battery cells and/or pouch battery cells, but are not limited to these.
  • the common inlet is connected to a central inlet for letting the temperature control fluid into the flow space and the common outlet is connected to a central outlet for removing the temperature control fluid from the flow space.
  • the inlet and the outlet are arranged at one end of the flow space in relation to a line-up direction in which the chambers are lined up, with the line-up direction preferably corresponding to a longitudinal extent of the device lying in the main plane of extent.
  • the upper shell and/or the lower shell comprise transverse struts that are preferably oriented in parallel, with the transverse struts dividing the flow space into the plurality of chambers, with the transverse struts preferably being located in the main plane of extension, transversely, preferably perpendicularly, to the Longitudinally oriented transverse direction extend.
  • the common inlet and the common outlet preferably extend essentially in the longitudinal direction.
  • each of the guide structures is designed in such a way that, viewed in the direction of flow of the temperature control fluid, it transfers a volume flow impinging on the respective guide structure into a chamber volume flow supplied to a chamber assigned to the respective guide structure and into a discharge part volume flow diverted downstream into the common inlet in the direction of the flow direction subsequently arranged chambers divides.
  • a quotient of the chamber volume flow to the discharge volume flow of the respective guide structure preferably increases as the distance between the guide structures and the central inlet increases.
  • the discharge volume flow is essentially the sum of the number of chambers following the respective chamber, viewed in the line-up direction or longitudinal direction, multiplied by the chamber volume flow.
  • V K /V A l/(n - i)
  • this guide structure can divide the incoming volume flow, which essentially corresponds to the chamber volume flow V K , in order to target the flow conditions in the last chamber to adjust.
  • the guide structures are designed in the form of guide beads extending in a longitudinal direction, with the length of the guide structures preferably decreasing as the distance between the guide structures and the central inlet increases.
  • the guide structure In the chamber furthest from the central inlet and outlet, there is preferably no guide structure or a guide structure that minimally restricts the inlet. Thus, a largely free flow through the last chamber and thus a minimal from the flow resulting pressure loss can be realized.
  • the number, distribution, length and shape of the guide structures at the inlets and/or outlets of all other chambers through which flow occurs are preferably designed and set up in such a way that the volume flow of all chambers through which flow occurs is essentially the same.
  • the length of the guide structure can have a decreasing length from the chamber located closest to the inlet and/or outlet to the chamber furthest away.
  • the number of elevations and/or depressions per unit area in a chamber decreases as the distance between the chambers and the central inlet increases, with the elevations and/or depressions preferably being formed and/or having an arrangement with respect to one another that the elevations and / or to deflect and/or decelerate the temperature control fluid flowing around depressions, so that pressure losses occur in the chamber in the chamber due to elevation in the direction of flow of the temperature control fluid through the flow space.
  • the chamber furthest away from the central inlet and outlet there are preferably no or only a minimal number of mechanically necessary elevations and/or depressions.
  • the number, distribution and shape of the elevations and/or depressions in all other through-flow chambers are preferably designed and set up in such a way that the volume flow of all through-flow chambers is essentially the same.
  • the shape and arrangement of the elevations are preferably designed in such a way that a heat conduction that is as homogeneous as possible is achieved from each individual battery cell into the tempering fluid over the entire tempering surface.
  • Crucial parameters for this are in particular the shape of the elevations and/or indentations, the arrangement of the elevations and/or indentations relative to one another, the size of the elevation and/or indentation and the height of the elevation and/or indentation, the arrangement of the elevations and/or indentations to the battery cells positioned on the temperature control surface, as well as the direction of the formation of the elevation and/or depression into or out of the chamber.
  • Elevations and/or depressions with a low flow-dynamic resistance for example with a low cd value, a streamlined profile, a small height and/or a small width, for example due to a droplet shape facing the flow direction, ensure a lower pressure loss in the chamber through which the flow occurs than elevations and or Indentations with a higher flow dynamic resistance.
  • Shapes with a low flow dynamic resistance also ensure less turbulence in the temperature control fluid.
  • the heat transfer between the temperature control fluid and the temperature control surface can also be set and/or adjusted by the shape of the elevation.
  • the arrangement of the elevations and/or depressions in relation to one another can further influence the turbulence and the pressure loss of the flow through the individual chambers.
  • the size of the elevation and/or depression can also influence the pressure loss and the turbulence of the flow. It should be noted that the size is also influenced by the mechanical requirements on the temperature control surface.
  • the height of the elevations and/or depressions can also be used to adjust the flow field.
  • An inward elevation up to the point of contact with the opposite shell, which is preferably designed as a temperature control surface, can be used, as described above, for the targeted displacement of the temperature control fluid from areas of the temperature control surface.
  • An inwardly directed elevation into the chamber through which flow occurs, but without contact with the shell forming the temperature control surface can be used to influence the flow field locally, in the area of the elevation.
  • An outwardly directed indentation from the chamber can also be used to influence the flow field locally in the area of the indentation.
  • the flow field can be adjusted locally by the height of a gap between the elevation and the opposite tempering surface.
  • the number of elevations and/or depressions per unit area in each chamber decreases as the distance between the chambers and the central inlet increases, with the elevations and/or depressions preferably having a shape and/or an arrangement relative to one another, are generated by the additional turbulence in the flow of temperature control fluid through the chamber.
  • the elevations and/or depressions for deflecting and/or slowing down the tempering fluid and the elevations and/or depressions for generating additional turbulence can be provided in combination in the chambers and/or distributed over the chambers, with the elevations and/or depressions preferably being or indentations for deflecting and/or braking the tempering fluid and the elevations and/or indentations for generating additional turbulence preferably have different shapes and are arranged differently from one another.
  • a vehicle battery preferably a vehicle battery that provides primary energy for an electric vehicle, with the features of claim 9 .
  • a vehicle battery preferably a vehicle battery providing primary energy of an electric vehicle, which comprises a plurality of battery cells and also a device for temperature control of a vehicle battery, preferably for temperature control of the battery cells of a vehicle battery, according to one of the above embodiments.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective side view of a vehicle battery with a device for controlling the temperature of the vehicle battery according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through the vehicle battery according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic perspective side view of a lower shell of the device from FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of the lower shell from FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a lower shell of a device for controlling the temperature of a vehicle battery according to a further embodiment
  • FIGS. 6A-6D show schematic plan views of elevations such as can be used in devices according to FIGS. 1 to 6;
  • FIGS. 7A-7C show schematic sectional views through elevations such as can be used in devices according to FIGS. 1 to 7;
  • FIG. 7D shows a schematic sectional view through a depression, as can be used instead of or in addition to the elevations in FIGS. 1 to 7C.
  • FIG or lined up A schematic perspective side view of a vehicle battery 100 for providing primary energy for driving a main drive electric motor of an electric vehicle can be seen from FIG or lined up, each comprising a plurality of battery cells, and a device 1 arranged underneath for temperature control of a vehicle battery according to a first embodiment, which is presently designed for cooling and/or heating the battery cells of the battery modules 3.
  • the battery cells are preferably designed in a cylindrical shape, in a prismatic shape or in the form of pouch battery cells.
  • the device 1 is essentially plate-shaped or represents a tempering plate. It extends in a main extension plane 4, which is oriented parallel to the bottom side of the battery modules 3 or a battery bottom, not shown.
  • the longitudinal direction 2 and a transverse direction 5 oriented perpendicularly to the longitudinal direction 2 can be understood as the main axes of the main extension plane.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the battery modules 3 and the device 1 from Figure 1 along the longitudinal direction 2.
  • the device 1 comprises a flat, essentially plate-shaped upper shell 6 extending in the skin extension plane 4 and an upper shell 6 which is attached to the upper shell 6 transversely to the main extension plane 4 subsequent, essentially plate-shaped lower shell 7 extending in the skin extension plane 4, with the upper shell 6 and the lower shell 7 enclosing a flow space 8 through which a temperature control fluid flows, with the flow space 8 feeding several from a common inlet (see Figure 3) and into one chambers 9 which open out to a common outlet (see FIG. 3) and through which the tempering fluid flows in parallel.
  • the device 1 forms the bottom of a battery housing (not shown) of the vehicle battery 100 at the same time.
  • the device 1 can also be designed separately from a battery housing. Then, with reference to FIG. 2, a housing base is arranged between the side of the battery modules 3 pointing toward the device 1 and the side of the upper shell 6 pointing toward the battery modules 3 .
  • the upper shell 6 is of essentially flat design, so that a large-area connection of the battery modules 3 to the surface of the upper shell 6 facing the battery modules 3 is possible in a simple manner. Due to the large-area connection, heat can be effectively transferred between the battery modules 3 and the upper shell 6 .
  • a thermally conductive medium such as a Thermal paste, be provided between the battery modules 3 and the upper shell 6, .
  • the upper shell 6 therefore forms or provides a temperature control surface.
  • the flow space 8 is provided in the present case in that the lower shell 7 has deformed sections extending transversely to the main extension plane 4 .
  • the lower shell 7 can be a formed metal sheet or a formed plate.
  • the deformed sections are preferably produced by deep-drawing a flat, plate-shaped blank of the lower shell 7 .
  • FIG. 2 A perspective side view of the lower shell 7 of the device 1 according to FIGS. 1 and 2 is shown schematically in FIG.
  • the lower shell 7 comprises a plurality of transverse struts 10 oriented parallel to one another, the flow space 8 being divided into the plurality of chambers 9 by the transverse struts 10 .
  • the transverse struts 10 extend perpendicularly to the longitudinal direction 2, thus in the transverse direction 5.
  • the transverse struts 10 can provide a structural connection of the lower shell 7 to the upper shell 6 and further to the vehicle battery 100 to be cooled.
  • the chambers 9 are arranged between the common inlet 11 and the common outlet 12 .
  • the common inlet 11 and the common outlet 12 each extend essentially in the longitudinal direction 2.
  • the device 1 also includes a central inlet 13, through which tempering fluid for tempering the battery modules 3 grouped battery cells in the common Inlet 11 flows in.
  • the temperature control fluid flows through the common inlet 11 and is distributed in the chambers 9. After flowing through the chambers 9, the temperature control fluid combines in the common outlet 12. To remove the temperature control fluid that has flowed through the outlet 12 from the flow space 8, there is a at the end of the outlet 12 central outlet 14 arranged.
  • the inlet 13 and the outlet 14 are arranged at one end 15 of the device 1 in relation to the longitudinal direction 2 .
  • guide structures 16 for guiding and dividing the temperature control fluid flow are arranged in the area of the common inlet 11, which are described in more detail with regard to FIG. 4, which shows a schematic top view of the lower shell 7 from FIG.
  • each conducting structure 16-16"" divides a volume flow impinging on the respective conducting structure 16-16"", viewed in the flow direction of the temperature control fluid, into a chamber volume flow supplied to a chamber 9-9"" assigned to the respective conducting structure 16-16", which is shown in Figure 4 is indicated by way of example for a chamber 9 by means of the reference number 17, and in a discharge part volume flow derived downstream into the common outlet 12, which is indicated in FIG.
  • a quotient of chamber volume flow 17 to discharge volume flow 18 of the respective guide structure 16-16′′′′ increases as the distance between the guide structures 16-16′′′′ and the central inlet 13 increases.
  • the chamber volume flow 17 is essentially the same in each chamber 9 .
  • the discharge volume flow 18 is essentially the sum of the number of chambers 9 following the respective chamber 9, viewed in the longitudinal direction 2, multiplied by the chamber volume flow 17.
  • each guide structure 16 accordingly divides the volume flow arriving upstream, seen in the direction of flow of the tempering fluid, essentially according to the ratio:
  • V K /V A l/(n - i)
  • n is the total number of chambers 9 through which flow occurs in parallel.
  • i designates the position of chamber 9 to which the respective guide structure 16 is assigned, with the counting of the positions of chambers 9 at end 15, i.e. on the inlet side 14 begins.
  • V K represents the chamber volume flow 17 and V A the discharge volume flow 18.
  • a guide structure 16'" is also assigned to the last chamber 9'", i.e. if "i" is "n", the guide structure 16'" can provide a subdivision of the incoming volume flow, which essentially corresponds to the chamber volume flow 17, in order to reduce the flow conditions in the chamber 9"" to be specifically adjusted.
  • the flow space 8 comprises five chambers 9. Accordingly, the guide structure 16 closest to the inlet 14 divides the incoming volume flow flowing against it essentially in the ratio 1/4 or in V K /AV K . This is in the direction in which the chambers 9 are lined up, which in the present case corresponds to the longitudinal direction 2 subsequent guide structure 16' is associated with the second chamber 9'. Accordingly, it is designed in such a way that it essentially divides the incoming volume flow in a ratio of 1/3 or in V K / V K , etc.
  • the guide structures 16-16'' are designed in the form of guide beads.
  • the length of the guide structures 16-16′′ decreases as the distance between the guide structures 16-16′′ and the central inlet 13 increases.
  • the duct structures 16-16"" can also be designed in such a way that with an increasing distance between the chambers 9-9"" and the inlet 13, the chamber volume flow 16-16"" decreases, a flow speed from the common inlet 11 into each of the chambers 9- 9"" remains essentially the same.
  • the constant inflow velocity is preferably achieved in that a flow cross section present for the tempering fluid in the area of the common inlet 11 and/or common outlet 12 due to the guide structures 16-16"" is reduced as the distance from the inlet 13 or outlet 14 increases.
  • FIG. 5 schematically shows a top view of a lower shell 7 of a device 1 for temperature control of a vehicle battery according to a further embodiment.
  • the device 1 essentially corresponds to that of Figures 1 to 4.
  • elevations 20 protruding into the flow chamber 8 perpendicularly to the main direction of extent 4 are arranged in a plurality of the chambers 9 for deflecting the temperature control fluid, with the number of elevations 20 per unit area varying from chamber 9 to chamber 9 is.
  • the number of elevations 20 per unit area in a chamber 9 decreases as the distance between the chambers 9 and the central inlet 13 increases.
  • the elevations 20 are formed and are arranged relative to one another such that the elevations 20 deflect and decelerate the temperature control fluid flowing around them. The elevations 20 consequently cause additional pressure losses in the chamber 9 .
  • a depression can be provided for deflecting the tempering fluid.
  • a mixture of elevations 20 and depressions can also be provided. What has been written above with regard to the elevations 20 also applies correspondingly to the depressions or a combination of elevations 20 and depressions.
  • the elevations 20 and depressions are preferably arranged in a predetermined pattern relative to one another.
  • a depression can be surrounded by two, three or four elevations 20, elevations 20 and depressions can be arranged alternating in the main flow direction and/or elevations 20 and depressions can be arranged alternating transversely to the main flow direction.
  • the elevations 20 and/or depressions are formed and are arranged in relation to one another such that additional turbulences are generated in the flow of the tempering fluid through the chamber 9 .
  • the elevations 20 and/or depressions increase a degree of turbulence in areas with a lower flow rate compared to areas with a higher flow rate. Due to the increase in turbulence, the thermal resistance between the battery cell of the battery module 3 to be temperature-controlled and the temperature-control fluid flowing in the chambers 9 can be reduced. As a result, a homogenized temperature control effect or temperature control performance can be achieved over all chambers 9 .
  • FIGS. 6A to 6D show schematic sectional views through various preferred embodiments of the elevations 20 parallel to the main extension plane 4, the direction of flow of the tempering fluid being indicated by the reference number 21.
  • the surveys 20 differ in terms of the shape of their cross sections, their length, their
  • the elevation 20 from Figure 6C due to its abruptly ending rear side perpendicular to the main flow direction 21, the elevation 20 from Figure 6C generates comparatively strong turbulence and/or a comparatively strong stall downstream of the elevation 20, whereas the elevation 20 in Figure 6D due to its streamlined outlet at the downstream section of the elevation 20 brings comparatively low turbulence into the tempering fluid.
  • a streamlined elevation 20 can even prevent a laminar flow from breaking off and, for example, only a deflection of the temperature control fluid flowing along the elevation 20 can be achieved.
  • FIGS. 7A to 7D show schematic detailed sectional views perpendicular to the main extension plane 4, different preferred embodiments of the elevations 20 being evident from FIGS. 7A to 7C.
  • FIG. 7D instead of the elevations 20 described above, a depression 22 extending transversely to the main flow direction in the present case in the lower shell 7 is shown.
  • the embodiments, advantages and effects described above with regard to the elevations 20 apply to the depression 22 in an analogous manner.
  • what has been written with regard to the elevations 20 also applies to the depressions in all of the embodiments.
  • the elevations 20 and/or depressions can have any conceivable shape as long as they fulfill the intended purpose.
  • they may have shapes corresponding to a combination of the cross sections shown in Figures 6A to 6D and the cross sections shown in Figures 7A to 7D, but are not limited thereto.
  • elevations 20 and/or depressions 22 make it possible to generate increased turbulence or turbulence in the flow in areas with poor flow. Furthermore, elevations 20 and/or depressions 22 can be introduced, which ensure less turbulence or turbulence in the flow and/or slow down the flow in areas with good flow.
  • At least some of the guide structures 16 and/or the elevations 20 and/or depressions 22 are designed to direct the temperature control fluid in such a way that parts of the temperature control fluid from areas close to the outlet 14 specifically mix with parts of the temperature control fluid from areas close or closer at the entrance 13 be remixed. In this way, location-dependent temperature gradients can be further reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie (100), bevorzugt einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie (100) eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine sich in einer Hauterstreckungsebene (4) erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Oberschale (6) und eine sich an die Oberschale (6) quer zur Haupterstreckungsebene (4) anschließende, sich in der Hauterstreckungsebene (4) erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Unterschale (7), wobei die Oberschale (6) und die Unterschale (7) einen mit einem Temperierfluid durchströmten Strömungsraum (8) umschließen, wobei der Strömungsraum (8) zumindest zwei von einem gemeinsamen Zulauf (11) gespeiste und in einen gemeinsamen Ablauf (12) mündende, durch das Temperierfluid parallel durchflossene Kammern (9) umfasst, wobei im Bereich des gemeinsamen Zulaufs (11) und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs (12) Leitstrukturen (16) zum Leiten und/oder Unterteilen des Temperierfluidstromes angeordnet sind, und/oder in den zumindest zwei Kammern (9) in den Strömungsraum (8) senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (4) hervorstehende Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) zum Umlenken des Temperierfluids angeordnet ist, wobei eine Anzahl von Erhebungen (20) pro Flächeneinheit und/oder eine Form der Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) von Kammer (9) zu Kammer (9) unterschiedlich ist; sowie eine eine derartige Vorrichtung aufweisende Fahrzeugbatterie (100).

Description

Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie, beispielsweise einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie eines Elektrofahrzeugs, sowie eine Fahrzeugbatterie.
Stand der Technik
Im Bereich des Einsatzes von als Hochvoltbatterie ausgebildete Fahrzeugbatterien zum Bereitstellen einer Primärenergie für einen Primärantrieb eines Fahrzeugs, wie es beispielsweise bei landbetriebenen Elektrofahrzeugen der Fall ist, ist es bekannt, die Fahrzeugbatterie, beziehungsweise die Batteriezellen der Fahrzeugbatterie, zu temperieren. Für den sicheren Einsatz von Hochvoltbatterien ist insbesondere eine Ableitung der im Betrieb der Batterie in den Batteriezellen auftretenden Verlustwärme von essentieller Bedeutung. Außerdem ist oftmals unter kalten Umgebungsbedingungen ein Aufheizen der Batteriezellen erforderlich.
Die Ableitung der Verlustleistung beziehungsweise das Zuführen von Heizleistung wird konstruktiv meist durch die Anbindung der Batteriezellen an eine Temperierfläche realisiert. Konstruktiv kann sie beispielsweise Teil eines Batteriemoduls sein. Diese Temperierfläche kann als Außenseite eines Bodenelements der Fahrzeugbatterie ausgeführt sein, welches einen kammerartigen Strömungsraum für ein Temperierfluid bereitstellt. Derartige Temperiervorrichtungen sind zumeist aus Metall, beispielsweise Aluminium oder Stahl, und je nach Dimension zweischalig, ausgeführt. Von den zwei Schalen ist oftmals eine eben ausgebildet, beispielsweise die den Batteriezellen zugewandte Oberschale, wohingegen die andere, entsprechend beispielsweise die Unterschale, eine tiefgezogene Form aufweisen kann.
Um eine Leckage des Temperierfluids aus dem Strömungsraum zu verhindern, sind Oberschale und Unterschale druckdicht miteinander verbunden, etwa via Löten, Schweißen und/oder Kleben.
Derartige Vorrichtungen zum Temperieren, welche eine geeignete Größe haben, um die thermische Anbindungsfläche eines Batteriemoduls, eines ganzen Batteriepacks oder der gesamten Fahrzeugbatterie abzubilden, benötigen neben einer umlaufenden Verbindung zur Dichtigkeit weitere Verbindungspunkte, -flächen und/oder -linien zwischen Oberschale und Unterschale über die Fläche der Vorrichtung verteilt. Diese dienen zum einen der Formstabilität der Vorrichtung, um einem durch das Temperierfluid erzeugten Innendruck standzuhalten, und zum anderen der Widerstandsfähigkeit gegen äußere Krafteinleitung durch mit der Vorrichtung verbundene Batteriezellen, Batteriemodule und/oder tragende Rahmenteile des Batteriegehäuses. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in Form von sich parallel zu den Batteriezellen erstreckenden Querstreben realisiert. Ferner ist es möglich, dass die Vorrichtung zum Temperieren selbst als tragendes Bauteil des Batteriegehäuses ausgebildet ist.
Aus Kostengründen, zur Erhöhung der Betriebssicherheit und um die Integration der Vorrichtung möglichst einfach zu gestalten, wird auch bei großflächigen Vorrichtungen zum Temperieren die Anzahl der Verbindungen für den Einlass und den Auslass des Temperierfluids in den beziehungsweise aus dem Strömungsraum möglichst klein gehalten, in der Regel ist genau ein Einlass und genau ein Auslass für das Temperierfluid in den beziehungsweise aus dem Strömungsraum vorgesehen.
Wird der Durchfluss des Temperierfluids durch den Strömungsraum nicht gezielt gelenkt, sind die Flussrate des Temperierfluids und im Temperierfluid auftretende Verwirbelungen an unterschiedlichen Positionen des Strömungsraumes unterschiedlich, da das Temperierfluid den Weg des geringsten Strömungswiderstands von Einlass zu Auslass nimmt. Wird der Durchfluss durch geschlossene Kanäle beziehungsweise Kammern gelenkt, so ist abhängig von der Größe und Komplexität der Temperierfläche eine häufige Umlenkung und damit ein hoher Druckverlust zwischen Einlass und Auslass unvermeidbar. Werden die für die mechanische Stabilität der Temperiervorrichtung nötigen Verbindungspunkte, -flächen und/oder -linien zwischen den beiden Schalen nur nach stabilitätsrelevanten Kriterien gesetzt, ist die Beeinflussung der Strömung durch diese Verbindungen strömungsdynamisch betrachtet rein willkürlich und führt in der Regel nicht zu einer homogenen Anströmung aller Positionen innerhalb der Vorrichtung beziehungsweise innerhalb deren Strömungsraums. Durch die Anbindung der Batteriezellen an verschiedenen Positionen der Vorrichtung ergibt sich für jede Batteriezelle entsprechend ein individueller thermischer Widerstand zwischen der Batteriezelle und dem Temperierfluid, der abhängig ist von Flussrate und Verwirbelungen an der jeweiligen Position. Zudem ist die Temperatur jeder Batteriezelle selbst bei gleichem thermischen Widerstand unterschiedlich, je nachdem, welche Temperatur das Temperierfluid lokal an der Kontaktfläche aufweist. Die Temperatur des Temperierfluids ändert sich von Einlass zu Auslass als Funktion der zwischenzeitlich ausgetauschten Wärmemenge.
Entsprechend stellt sich hinsichtlich der Batteriezellen eine Temperaturspreizung zwischen Batteriezellen mit vergleichsweise niedrigem thermischen Widerstand zum Temperierfluid und Batteriezellen mit vergleichsweise hohem thermischen Widerstand zum Temperierfluid ein. Typischerweise liegt zudem die Temperatur von Batteriezellen, die näher am Zulauf positioniert sind, näher an der eingestellten Temperatur des dem Strömungsraum der Vorrichtung am Einlass zugeführten Temperierfluids als die Temperatur von Batteriezellen, die weiter entfernt vom Einlass positioniert sind. Eine Temperaturspreizung zwischen den Batteriezellen hat mehrere negative Auswirkungen.
Zum einen altern die Batteriezellen der Fahrzeugbatterie bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unterschiedlich schnell. Eine überdurchschnittlich schnelle Alterung einzelner Batteriezellen in der Fahrzeugbatterie verkürzt dabei die Gesamtlebensdauer der Fahrzeugbatterie.
Ferner weisen Batteriezellen mit höheren Temperaturen einen niedrigeren elektrischen Innenwiderstand auf. In einer parallelen Verschaltung von Batteriezellen mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen führt dies dazu, dass wärmere Batteriezellen mit höheren Strömen belastet werden als Batteriezellen mit niedrigeren Temperaturen. Dies hat einerseits zur Folge, dass ein Aufwand und ein Umfang für ein sogenanntes Zellbalancing erhöht wird. Zum anderen haben die höheren Ströme und daraus resultierenden höheren Energiedurchsätze der wärmeren Batteriezellen eine beschleunigte Alterung dieser Batteriezellen zur Folge.
Batteriezellen mit unterschiedlichen Temperaturen innerhalb einer Fahrzeugbatterie haben außerdem unterschiedliche Leistungsgrenzen. Haben eine oder mehrere Zellen innerhalb einer Batterie aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung eine niedrigere Leistungsgrenze als die übrigen Batteriezellen, muss die Leistung der gesamten Batterie auf diese niedrige Leistungsgrenze limitiert werden. Wenn die Temperaturinhomogenität und damit die Temperaturspitzen innerhalb einer Fahrzeugbatterie nicht richtig erkannt werden und/oder die Leistung nicht entsprechend limitiert wird, stellt dies ein signifikantes Sicherheitsrisiko, insbesondere hinsichtlich der Betriebssicherheit der Fahrzeugbatterie, dar.
Darstellung der Erfindung Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie, bevorzugt einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie eines Elektrofahrzeugs, sowie eine verbesserte Fahrzeugbatterie bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie, bevorzugt einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie eines Elektrofahrzeugs, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie, bevorzugt einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie eines Elektrofahrzeugs, vorgeschlagen, umfassend eine sich in einer Haupterstreckungsebene erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Oberschale und eine sich an die Oberschale quer zur Haupterstreckungsebene anschließende, sich in der Haupterstreckungsebene erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Unterschale, wobei die Oberschale und die Unterschale einen mit einem Temperierfluid durchströmten Strömungsraum umschließen, wobei der mindestens eine Strömungsraum zumindest zwei von einem gemeinsamen Zulauf gespeiste und in einen gemeinsamen Ablauf mündende, durch das Temperierfluid parallel durchflossene Kammern umfasst. Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des gemeinsamen Zulaufs und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs Leitstrukturen zum Leiten und/oder Unterteilen des Temperierfluidstromes angeordnet sind, und/oder in den zumindest zwei Kammern in den Strömungsraum senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung hervorstehende Erhebungen und/oder sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung erstreckende Vertiefungen zum Umlenken des Temperierfluids angeordnet sind, wobei eine Anzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen pro Flächeneinheit und/oder eine Form der Erhebungen und/oder Vertiefungen von Kammer zu Kammer unterschiedlich ist.
„Parallel durchflossen“ ist hierbei derart zu verstehen, dass ein dem gemeinsamen Zulauf zugeführter Volumenstrom von Temperierfluid sich auf die Mehrzahl von Kammern aufteilt. Mit anderen Worten weist jede Kammer einen Kammervolumenstrom auf, der ein Teil des gesamten durch den Strömungsraum fließenden Volumenstroms ist. Die Summe der Kammervolumenströme entspricht mithin im Wesentlichen dem gesamten, dem gemeinsamen Zulauf zugeführten und via des gemeinsamen Ablaufs abgeführten Volumenstroms. Nochmals anders ausgedrückt sind die Kammern in Bezug auf den Fluss des Temperierfluids parallel geschaltet im Sinne einer Parallelschaltung, wie sie bei elektrischen Schaltkreisen bekannt ist, etwa bei der Parallelschaltung zweier Ohm'scher Widerstände.
Dadurch, dass im Bereich des gemeinsamen Zulaufs und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs Leitstrukturen zum Leiten und/oder Unterteilen des Temperierfluidstromes angeordnet sind, und/oder in den zumindest zwei Kammern in den Strömungsraum senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung hervorstehende Erhebungen zum Umlenken des Temperierfluids und/oder sich senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung erstreckende Vertiefungen zum Umlenken des Temperierfluids angeordnet sind, wobei eine Anzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen pro Flächeneinheit und/oder eine Form der Erhebungen und/oder Vertiefungen von Kammer zu Kammer unterschiedlich ist, können in Haupterstreckungsebene betrachtet ortsabhängige Inhomogenitäten hinsichtlich des thermischen Widerstands zwischen den einzelnen Batteriezellen und dem durch den Strömungsraum fließenden Temperierfluid sowie Inhomogenitäten hinsichtlich einer durch das Temperierfluid bereitgestellten Temperierung reduziert werden.
Insbesondere kann es möglich sein, die Temperaturspreizung zwischen den Batteriezellen innerhalb eines Batteriemodules oder innerhalb der gesamten Fahrzeugbatterie und/oder über eine Batteriezelle gesehen zu reduzieren.
Ferner kann durch den homogenisierten thermischen Widerstand über den Strömungsraum betrachtet im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen ein verbessertes Alterungsverhalten der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie erzielt und somit eine Erhöhung der Lebensdauer der Fahrzeugbatterie erreicht werden.
Weiterhin ist es dadurch möglich, den Bedarf an „Balancing“ für die Fahrzeugbatterie zu reduzieren.
Durch die verbesserte Temperierung der Fahrzeugbatterie kann ein sogenanntes „Derating“ der Fahrzeugbatterie, mithin ein (selbstständiges) Reduzieren der Leistung aufgrund von ansteigender Temperatur einer oder mehrerer Batteriezellen seltener notwendig sein.
Die Leitstrukturen und oder Erhebungen und/oder Vertiefungen können ferner zusätzlich eine strukturelle Funktionalität bereitstellen, und dadurch zur strukturellen Stabilisierung der Vorrichtung und/oder der Fahrzeugbatterie beitragen.
Vorzugsweise ist der Strömungsraum im Wesentlichen ausgebildet durch in der Oberschale und/oder in der Unterschale vorliegende, sich quer zur Haupterstreckungsebene erstreckende Verformungsstrukturen, bevorzugt Tiefziehstrukturen. Die Oberschale und/oder die Unterschale können vorzugsweise eine Temperierfläche bereitstellen bzw. eine solche ausbilden. Beispielsweise kann die Oberschale oder die Unterschale an einer Seite, bevorzugt eines Bodens, einer Fahrzeugbatterie wärmeübertragend zu dieser Seite angeordnet sein, und/oder sie bildet eine Seite eines Gehäuses der Fahrzeugbatterie aus, bevorzugt einen Boden.
Vorzugsweise umfasst die Fahrzeugbatterie eine Mehrzahl von Batteriemodulen, welche jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassen. Anders ausgedrückt sind jeweils mehrere Batteriezellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst, welches eine mechanische und/oder elektrische Einheit ausbilden kann.
Die Batteriezellen können vorzugsweise als zylindrische Batteriezellen, prismatische Batteriezellen und/oder oder Pouch-Batteriezellen ausgebildet sein, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der gemeinsame Zulauf mit einem zentralen Einlass zum Einlassen des Temperierfluids in den Strömungsraum verbunden und ist der gemeinsame Ablauf mit einem zentralen Auslass zum Abführen des Temperierfluids aus dem Strömungsraum verbunden. Vorzugsweise sind hierbei der Einlass und der Auslass bezogen auf eine Aufreihrichtung, in welcher die Kammern aufgereiht sind, gesehen an einem Ende des Strömungsraumes angeordnet, wobei bevorzugt die Aufreihrichtung einer in der Haupterstreckungsebene liegenden Längserstreckung der Vorrichtung entspricht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Oberschale und/oder die Unterschale bevorzugt parallel orientierte Querstreben, wobei durch die Querstreben der Strömungsraum in die Mehrzahl von Kammern unterteil ist, wobei sich die Querstreben bevorzugt in einer in der Haupterstreckungsebene liegenden, quer, bevorzugt senkrecht, zur Längsrichtung orientierten Querrichtung erstrecken.
Vorzugsweise erstrecken sich der gemeinsame Zulauf und der gemeinsame Ablauf im Wesentlichen in Längsrichtung.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Leitstrukturen derart im Bereich des gemeinsamen Zulaufs und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs angeordnet sind, dass ein dem gemeinsamen Zulauf zugeführter Volumenstrom von Temperierfluid im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Kammern aufgeteilt wird. Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist jede der Leitstrukturen derart ausgebildet, dass sie einen in Strömungsrichtung des Temperierfluids betrachtet auf die jeweilige Leitstruktur auftreffender Volumenstrom in einen einer derjeweiligen Leitstruktur zugeordneten Kammer zugeführten Kammervolumenstrom und in einen stromabwärts in den gemeinsamen Zulauf abgeleiteten Ableitteilvolumenstrom in Richtung der in Strömungsrichtung gesehen nachfolgend angeordneten Kammern aufteilt.
Vorzugsweise steigt ein Quotient aus Kammervolumenstrom zu Ableitvolumenstrom der jeweiligen Leitstruktur mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen vom zentralen Einlass an.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ableitvolumenstrom im Wesentlichen die Summe aus der Anzahl der in Aufreihrichtung beziehungsweise Längsrichtung gesehen der jeweiligen Kammer nachfolgenden Kammern mal dem Kammervolumenstrom.
Auf diesen Fall gerichtet, angenommen „n“ sei die Gesamtzahl der parallel durchströmten Kammern und „i“ sei die Position der jeweiligen Kammer, welcher einer jeweiligen Leitstruktur zugeordnet ist, wobei die Zählung der Positionen der Kammern auf der Seite des Einlasses beginnt, so kann, wenn „i“ kleiner „n“ ist, VK den Kammervolumenstrom und VA den Ableitvolumenstrom dargestellt, die Aufteilung des Volumenstroms in Strömungsrichtung des Temperierfluids gesehen in Kammervolumenstrom durch die jeweilige Leitstruktur entsprechend im Wesentlichen gemäß dem Verhältnis teilen:
VK/VA = l/(n - i)
Ist eine Leitstruktur auch der letzten Kammer zugeordnet, also bei „i“ ist gleich „n“, so kann diese Leistruktur eine Unterteilung des ankommenden Volumenstroms, welcher im Wesentlichen dem Kammervolumenstrom VKentspricht, teilen, um so die Strömungsverhältnisse in die letzte Kammer gezielt anzupassen.
Aus Versuchen konnte als besonders vorteilhaft festgestellt werden, wenn die Leitstrukturen in Form von sich in einer Längserstreckung erstreckende Führungssicken ausgebildet sind, wobei bevorzugt die Länge der Leitstrukturen mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen vom zentralen Einlass abnimmt.
Bevorzugt ist in der am weitesten vom zentralen Einlass und Auslass entfernten Kammer keine oder eine minimal den Einlass beschränkende Leitstruktur vorgesehen. Somit kann eine weitestgehend freie Durchströmung der letzten Kammer und somit ein minimaler aus der Durchströmung resultierender Druckverlust realisiert werden. Die Anzahl, Verteilung, Länge und Form der Leitstrukturen an Ein- und/oder Ausgängen aller anderen durchströmten Kammern sind vorzugsweise so ausgebildet und eingerichtet, dass der Volumenstrom aller durchströmten Kammern im Wesentlichen gleich ist. Beispielsweise kann die Länge der Leitstruktur von der am nächsten des Einlassen und/oder Auslasses gelegenen Kammer bis zur am weitesten entfernten Kammer eine abnehmende Länge aufweisen.
Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform nimmt die Anzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen pro Flächeneinheit in einer Kammer mit zunehmenden Abstand der Kammern vom zentralen Einlass ab, wobei bevorzugt die Erhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildet sind und/oder eine Anordnung zueinander aufweisen, das die Erhebungen und/oder Vertiefungen umströmende Temperierfluid umzulenken und/oder abzubremsen, so dass in der Kammer erhebungsbedingt in Strömungsrichtung des Temperierfluids durch den Strömungsraum betrachtet in der Kammer Druckverluste auftreten.
Bevorzugt sind in der am weitesten vom zentralen Einlass und Auslass entfernten Kammer keine oder eine minimale Anzahl an mechanisch notwendigen Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen. Somit kann eine weitestgehend freie Durchströmung der letzten Kammer und somit ein minimaler aus der Durchströmung resultierender Druckverlust realisiert werden. Die Anzahl, Verteilung und Form der Erhebungen und/oder Vertiefungen in allen anderen durchströmten Kammern sind vorzugsweise so ausgebildet und eingerichtet, dass der Volumenstrom aller durchströmten Kammern im Wesentlichen groß gleich ist.. Die Form und Anordnung der Erhebungen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine möglichst homogene Wärmeleitung von jeder einzelnen Batteriezelle in das Temperierfluid über die gesamte Temperierfläche erzielt wird. Entscheidende Parameter dazu sind insbesondere die Form der Erhebungen und/oder Vertiefungen, die Anordnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen zueinander, die Größe der Erhebung und/oder Vertiefung und die Höhe der Erhebung und/oder Vertiefung, die Anordnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen zu den auf der Temperierfläche positionierten Batteriezellen, sowie die Richtung der Ausformung der Erhebung und/oder Vertiefung in die Kammer hinein oder heraus.
Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einem geringen strömungsdynamischen Widerstand, beispielsweise mit einem geringen cw-Wert, einem stromlinienförmigen Profil, einer geringen Höhe und/oder einer geringen Breite, etwa durch eine der Strömungsrichtung zugewandte Tropfenform sorgen für einen geringeren Druckverlust der durchströmten Kammer als Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einem höheren strömungsdynamischen Widerstand. Formen mit einem geringen strömungsdynamischen Widerstand sorgen außerdem für geringere Verwirbelungen des Temperierfluids. Somit kann neben dem Druckverlust auch der Wärmeübergang zwischen Temperierfluid und Temperierfläche durch die Form der Erhebung eingestellt und/oder angepasst werden.
Durch die Anordnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen zueinander, beispielsweise einer versetzten Anordnung und/oder eine aufgereihte Anordnung, kann weiter Einfluss auf die Verwirbelung und den Druckverlust der Durchströmung der einzelnen Kammern genommen werden.
Auch die Größe der Erhebung und/oder Vertiefung kann den Druckverlust und die Verwirbelung der Durchströmung beeinflussen. Es gilt zu beachten, dass die Größe auch durch die mechanischen Anforderungen an die Temperierfläche beeinflusst werden. Eine Erhebung, welche sich über die komplette Höhe der Kammer, mithin komplett zischen Unterschale und Oberschale erstreckt, verursacht in ihrer Kontaktfläche zur als Temperierfläche ausgebildete Oberschale und/oder Unterschale eine Verdrängung der Durchströmung, so dass dort kein Temperierfluid strömen kann. Damit ist an dieser Stelle kein direkter Wärmeübergang zwischen der Temperierfläche und dem Temperierfluid möglich. An Stellen, an denen dieser Effekt nicht erwünscht, ist sollte diese Kontaktfläche und damit auch die Größe der Erhebung daher vergleichsweise klein ausgebildet sein. An Stellen, an denen dieser Effekt erwünscht ist, kann durch die Größe der Erhebung gezielt ein erhöhter thermischer Widerstand zum Temperierfluid bereitgestellt werden.
Die Höhe der Erhebungen und/oder Vertiefungen kann ebenfalls zur Einstellung des Strömungsfelds genutzt werden. Eine nach innen gerichtete Erhebung bis zum Kontakt der gegenüberliegenden Schale, welche vorzugsweise als Temperierfläche ausgebildet ist, kann wie oben beschrieben zur gezielten Verdrängung des Temperierfluids von Bereichen der Temperierfläche genutzt werden. Eine nach innen gerichtete Erhebung in die durchströmte Kammer hinein aber ohne Kontakt zur die Temperierfläche ausbildende Schale kann genutzt werden, um lokal, im Bereich der Erhebung, das Strömungsfeld zu beeinflussen. Eine nach außen gerichtete Vertiefung aus der Kammer heraus kann ebenfalls genutzt werden um lokal, im Bereich der Vertiefung das Strömungsfeld zu beeinflussen. Durch die Höhe eines Spalts zwischen Erhebung und gegenüberliegender Temperierfläche kann das Strömungsfeld lokal eingestellt werden. Damit kann sowohl der lokale Wärmeübergang zwischen Temperierfläche und Temperierfluid als auch der Druckverlust der gesamten durchströmten Kammer eingestellt bzw. angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Anzahl von Erhebungen und/oder Vertiefungen pro Flächeneinheit in jeder Kammer mit zunehmendem Abstand der Kammern vom zentralen Einlass abnehmen, wobei bevorzugt die Erhebungen und/oder Vertiefungen eine Form und/oder eine Anordnung zueinander aufweisen, durch die zusätzliche Turbulenzen in der Strömung des Temperierfluids durch die Kammer erzeugt werden.
Die Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Umlenken und/oder Abbremsen des Temperierfluids und die Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Erzeugen zusätzlicher Turbulenzen können gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform kombiniert in den Kammern und/oder über die Kammern verteilt vorgesehen sein, wobei bevorzugt die Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Umlenken und/oder Abbremsen des Temperierfluids und die Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Erzeugen zusätzlicher Turbulenzen vorzugsweise unterschiedliche Formen aufweisen und unterschiedlich zueinander angeordnet sind.
Aus eingehenden Versuchen konnte überraschenderweise herausgefunden werden, dass eine besonders günstige Strömungsbeeinflussung des Temperierfluids hinsichtlich eines besonders gleichmäßigen Wärmeübergangs über den Strömungsraum und/oder einer besonders effektiven Angleichung des thermischen Widerstands erzielt werden kann, wenn die Vorrichtung eine Kombination aus Leitstrukturen und Erhebungen und/oder Vertiefungen umfasst.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch eine Fahrzeugbatterie, bevorzugt eine Primärenergie eines Elektrofahrzeugs bereitstellende Fahrzeugbatterie, mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Entsprechend wird eine Fahrzeugbatterie bevorzugt eine Primärenergie eines Elektrofahrzeugs bereitstellende Fahrzeugbatterie, vorgeschlagen, welche eine Mehrzahl von Batteriezellen und ferner eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie, bevorzugt zum Temperieren der Batteriezellen einer Fahrzeugbatterie, gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen umfasst.
Durch die Fahrzeugbatterie können die hinsichtlich der Vorrichtung beschriebenen Vorteile und Wirkungen in analoger Weise erzielt werden. Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 schematisch eine perspektivische Seitenansicht einer Fahrzeugbatterie mit einer Vorrichtung zum Temperieren der Fahrzeugbatterie gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 2 schematisch eine Schnittansicht durch die Fahrzeugbatterie gemäß Figur 1 ;
Figur 3 schematisch eine perspektivische Seitenansicht auf eine Unterschale der Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2;
Figur 4 schematisch eine Draufsicht auf die Unterschale aus Figur 3;
Figur 5 schematisch eine Draufsicht auf eine Unterschale einer Vorrichtung zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie gemäß einerweiteren Ausführungsform;
Figuren 6A-6D schematisch Draufsichten auf Erhebungen wie sie in Vorrichtungen gemäß den Figuren 1 bis 6 Anwendung finden können;
Figuren 7A-7C schematisch Schnittansichten durch Erhebungen wie sie in Vorrichtungen gemäß den Figuren 1 bis 7 Anwendung finden können; und
Figur 7D schematisch eine Schnittansicht durch eine Vertiefung, wie sie anstelle der oder zusätzlich zu den Erhebungen in den Figuren 1 bis 7C Anwendung finden kann.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Aus Figur 1 ist schematisch eine perspektivische Seitenansicht einer Fahrzeugbatterie 100 zum Bereitstellen von Primärenergie zum Antreiben eines Hauptantrieb-Elektromotors eines Elektrofahrzeugs zu entnehmen, wobei hier der Übersicht halber von der Fahrzeugbatterie 100 lediglich eine Mehrzahl von in einer als Aufreihrichtung fungierenden Längsrichtung 2 gestapelten beziehungsweise aufgereihten, jeweils eine Mehrzahl von Batteriezellen umfassenden Batteriemodulen 3 und eine darunter angeordnete Vorrichtung 1 zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie gemäß einer ersten Ausführungsform, welche vorliegend zum Kühlen und/oder Heizen der Batteriezellen der Batteriemodule 3 ausgebildet ist, gezeigt sind.
Die Batteriezellen sind bevorzugt in zylindrischer Form, in prismatischer Form oder in Form von Pouch-Batteriezellen ausgebildet.
Die Vorrichtung 1 ist im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet beziehungsweise stellt eine Temperierplatte dar. Sie erstreckt sich in einer Haupterstreckungsebene 4, welche parallel zur Bodenseite der Batteriemodule 3 beziehungsweise einem nicht gezeigten Batterieboden orientiert ist. Als Hauptachsen der Haupterstreckungsebene können die Längsrichtung 2 und eine senkrecht zur Längsrichtung 2 orientierte Querrichtung 5 verstanden werden.
Figur 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht der Batteriemodule 3 und der Vorrichtung 1 aus Figur 1 entlang der Längsrichtung 2. Die Vorrichtung 1 umfasst eine sich in Hauterstreckungsebene 4 erstreckende, ebene, im Wesentlichen plattenförmige Oberschale 6 und eine sich an die Oberschale 6 quer zur Haupterstreckungsebene 4 anschließende, sich in der Hauterstreckungsebene 4 erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Unterschale 7, wobei die Oberschale 6 und die Unterschale 7 einen mit einem Temperierfluid durchströmten Strömungsraum 8 umschließen, wobei der Strömungsraum 8 mehrere von einem gemeinsamen Zulauf (siehe Figur 3) gespeiste und in einen gemeinsamen Ablauf (siehe Figur 3) mündende, durch das Temperierfluid parallel durchflossene Kammern 9 umfasst.
Optional bildet die Vorrichtung 1 zugleich den Boden eines Batteriegehäuses (nicht gezeigt) der Fahrzeugbatterie 100 aus. Alternativ kann die Vorrichtung 1 auch separat zu einem Batteriegehäuse ausgebildet sein. Dann ist in Bezug auf Figur 2 zwischen der zur Vorrichtung 1 weisenden Seite der Batteriemodule 3 und der zu den Batteriemodule 3 weisenden Seite der Oberschale 6 ein Gehäuseboden angeordnet.
Die Oberschale 6 ist gemäß dieser Ausführungsform im Wesentlichen flach ausgebildet, sodass auf einfache Weise eine großflächige Anbindung der Batteriemodule 3 an die zu den Batteriemodule 3 weisende Oberfläche der Oberschale 6 möglich ist. Durch die großflächige Anbindung kann Wärme zwischen den Batteriemodule 3 und der Oberschale 6 effektiv übertragen werden. Optional kann zwischen den Batteriemodule 3 und der Oberschale 6 ein Wärmeleitmedium, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, vorgesehen sein. Vorliegend bildet die Oberschale 6 mithin eine Temperierfläche aus bzw. stellt diese bereit.
Der Strömungsraum 8 wird vorliegend dadurch bereitgestellt, dass die Unterschale 7 sich quer zur Haupterstreckungsebene 4 erstreckende Umformungsabschnitte aufweist. Mit anderen Worten kann die Unterschale 7 ein umgeformtes Blech beziehungsweise eine umgeformte Platte sein. Bevorzugt sind die Umformabschnitte mittels Tiefziehen eines ebenen plattenförmigen Rohlings der Unterschale 7 erzeugt.
In Figur 3 ist schematisch eine perspektivische Seitenansicht der Unterschale 7 der Vorrichtung 1 gemäß den Figuren 1 und 2 gezeigt. Wie auch aus Figur 2 zu entnehmen, umfasst die Unterschale 7 eine Mehrzahl von parallel zueinander orientierter Querstreben 10, wobei durch die Querstreben 10 der Strömungsraum 8 in die Mehrzahl von Kammern 9 unterteil ist. Die Querstreben 10 erstrecken sich senkrecht zur Längsrichtung 2, mithin in Querrichtung 5. Durch die Querstreben 10 kann eine strukturelle Anbindung der Unterschale 7 an die Oberschale 6 und weiter an die zu kühlende Fahrzeugbatterie 100 bereitgestellt werden.
Die Kammern 9 sind zwischen dem gemeinsamen Zulauf 11 und dem gemeinsamen Ablauf 12 angeordnet. Wie aus Figur 3 zu entnehmen, erstrecken sich der gemeinsame Zulauf 11 und der gemeinsame Ablauf 12 jeweils im Wesentlichen in Längsrichtung 2. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen zentralen Einlass 13, durch welchen Temperierfluid zum Temperieren der zu den Batteriemodulen 3 gruppierten Batteriezellen in den gemeinsamen Zulauf 11 einströmt. Das Temperierfluid strömt durch den gemeinsamen Zulauf 11 und verteilt sich in die Kammern 9. Nach Durchströmen der Kammern 9 vereinigt sich das Temperierfluid im gemeinsamen Ablauf 12. Zum Abführen des durch den Ablauf 12 durchströmten Temperierfluids aus dem Strömungsraum 8 ist am Ende des Ablaufs 12 ein zentraler Auslass 14 angeordnet.
Der Einlass 13 und der Auslass 14 sind bezogen auf Längsrichtung 2 an einem Ende 15 der Vorrichtung 1 angeordnet.
Wie aus Figur 3 ferner zu erkennen, sind im Bereich des gemeinsamen Zulaufs 11 Leitstrukturen 16 zum Leiten und Unterteilen des Temperierfluidstromes angeordnet, welche in Hinblick auf Figur 4 näher beschrieben werden, die schematisch eine Draufsicht der Unterschale 7 aus Figur 3 zeigt.
Die Leitstrukturen 16-16““ sind derart im Bereich des gemeinsamen Zulaufs 11 geordnet, dass ein dem gemeinsamen Zulauf 11 zugeführter Volumenstrom von Temperierfluid im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Kammern 9-9““ aufgeteilt wird. Hierzu teilt jede Leitstruktur 16-16““ einen in Strömungsrichtung des Temperierfluids betrachtet auf die jeweilige Leitstruktur 16-16““ auftreffenden Volumenstrom in einen einer derjeweiligen Leitstruktur 16-16““ zugeordneten Kammer 9-9““ zugeführten Kammervolumenstrom, welcher in Figur 4 beispielhaft für eine Kammer 9 mittels des Bezugszeichens 17 angedeutet ist, und in einen stromabwärts in den gemeinsamen Ablauf 12 abgeleiteten Ableitteilvolumenstrom, welcher in Figur 4 beispielhaft für eine Kammer 9 mittels des Bezugszeichens 18 angedeutet ist, auf.
Gemäß dieser Ausführungsform steigt ein Quotient aus Kammervolumenstrom 17 zu Ableitvolumenstrom 18 der jeweiligen Leitstruktur 16-16““ mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen 16-16““ vom zentralen Einlass 13 an.
Wie bereits oben erwähnt, ist der Kammervolumenstrom 17 in jeder Kammer 9 im Wesentlichen gleich. Entsprechend ist der Ableitvolumenstrom 18 im Wesentlichen die Summe aus der Anzahl der in Längsrichtung 2 gesehen der jeweiligen Kammer 9 nachfolgenden Kammern 9 multipliziert mit dem Kammervolumenstrom 17.
Sofern „i“ kleiner „n“ ist, teilt entsprechend jede Leitstruktur 16 den in Strömungsrichtung des Temperierfluids gesehen stromaufwärts ankommenden Volumenstrom im Wesentlichen gemäß dem Verhältnis:
VK/VA = l/(n - i)
Hierbei ist „n“ die Gesamtzahl der parallel durchströmten Kammern 9. Weiter bezeichnet „i“ die Position der Kammer 9, welcher die jeweilige Leitstruktur 16 zugeordnet ist, wobei die Zählung der Positionen der Kammern 9 am Ende 15, mithin auf der Seite des Einlasses 14 beginnt. Ferner stellt VK den Kammervolumenstrom 17 und VA den Ableitvolumenstrom 18 dar.
Ist eine Leitstruktur 16‘“ auch der letzten Kammer 9‘“ zugeordnet, also bei „i“ ist „n“, kann die Leitstruktur 16‘“ eine Unterteilung des ankommenden Volumenstroms, welcher im Wesentlichen dem Kammervolumenstrom 17 entspricht, bereitstellen, um die Strömungsverhältnisse in der Kammer 9““ gezielt anzupassen.
Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform umfasst der Strömungsraum 8 fünf Kammern 9. Entsprechend teilt die dem Einlass 14 am nächsten gelegene Leitstruktur 16 den sie anströmenden, ankommenden Volumenstrom im Wesentlichen im Verhältnis 1/4 beziehungsweise in VK/AVK auf. Dies in Aufreihrichtung der Kammern 9, welche vorliegend der Längsrichtung 2 entspricht nachfolgende Leitstruktur 16‘ ist der zweiten Kammer 9‘ zugeordnet. Entsprechend ist sie derart ausgebildet, dass sie den ankommenden Volumenstrom im Wesentlichen im Verhältnis 1/3 beziehungsweise in VK/ VK teilt, usw.
Wie Figur 4 weiter zu entnehmen, sind die Leitstrukturen 16-16‘“ in Form von Führungssicken ausgebildet. Die Länge der Leitstrukturen 16-16‘“ nimmt mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen 16-16‘“ vom zentralen Einlass 13 ab.
Alternativ können die Leistrukturen 16-16““ auch derart ausgebildet sein, dass bei sich mit zunehmenden Abstand der Kammern 9-9““ zum Einlass 13 verringerndem Kammervolumenstrom 16-16““ eine Strömungsgeschwindigkeit aus dem gemeinsamen Zulauf 11 in jede der Kammern 9- 9““ im Wesentlichen gleich bleibt.
Bevorzugt wird die gleichbleibende Einströmgeschwindigkeit dadurch erzielt, dass ein durch die Leitstrukturen 16-16““ einen für das Temperierfluid vorliegender Strömungsquerschnitt im Bereich des gemeinsamen Zulaufs 11 und/oder gemeinsamen Ablaufs 12 mit zunehmenden Abstand zum Einlass 13 beziehungsweise Auslass 14 verringert wird.
Figur 5 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Unterschale 7 einer Vorrichtung 1 zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen jener aus den Figuren 1 bis 4.
Zusätzlich zu den Leistrukturen 16 im Bereich des gemeinsamen Zulaufs 11 sind in einer Mehrzahl der Kammern 9 in den Strömungsraum 8 senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 4 hervorstehende Erhebungen 20 zum Umlenken des Temperierfluids angeordnet, wobei eine Anzahl von Erhebungen 20 pro Flächeneinheit von Kammer 9 zu Kammer 9 unterschiedlich ist.
Vorliegend nimmt die Anzahl von Erhebungen 20 pro Flächeneinheit in einer Kammer 9 mit zunehmendem Abstand der Kammern 9 vom zentralen Einlass 13 ab.
Die Erhebungen 20 sind ausgebildet und weisen eine Anordnung zueinander auf, so dass die Erhebungen 20 das sie umströmende Temperierfluid umlenken und abbremsen. Die Erhebungen 20 bewirken folglich in der Kammer 9 zusätzliche Druckverluste.
Mithin können durch das Vorsehen einer dichten Anordnung von Erhebungen 20 in einlassnahen Bereichen und eine Reduzierung bis zu einem Weglassen der Anzahl der Erhebungen 20 in Bereichen mit großer Entfernung zum Einlass 13 Druckverluste bei der Durchströmung einlassnaher Kammern 9 gezielt erhöht werden und Druckverluste bei der Durchströmung weiter von Einlass entfernter Kammern weniger stark beeinflusst werden. Dadurch kann eine Homogenisierung der Druckverluste für die Durchströmung aller Kammern 9 erzielt werden. Die homogenisierte Druckverteilung über alle Kammern 9 bewirkt wiederum eine homogenisierte Durchströmung und dadurch einen homogenisierten thermischeren Widerstand zwischen den zu temperierenden Batteriezellen der Batteriemodule 3 und dem Temperierfluid über allem Kammern 9.
Alternativ kann anstelle zumindest einer der Erhebungen 20 eine Vertiefung zum Umlenken des Temperierfluids vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann anstelle der Mehrzahl von Erhebungen auch eine Mischung aus Erhebungen 20 und Vertiefungen vorgesehen sein. Die oben hinsichtlich der Erhebungen 20 Geschriebene gilt entsprechend auch für die Vertiefungen bzw. einer Kombination aus Erhebungen 20 und Vertiefungen.
Vorzugsweise sind die Erhebungen 20 und Vertiefungen in einem vorgegebenen Muster zueinander angeordnet. Beispielsweise kann eine Vertiefung je durch zwei, drei oder vier Erhebungen 20 umgeben sein, in Hauptströmungsrichtung Erhebungen 20 und Vertiefungen alternierend angeordnet sein und/oder quer zur Hauptströmungsrichtung Erhebungen 20 und Vertiefungen alternierend angeordnet sein.
Die Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen sind ausgebildet und weisen eine Anordnung zueinander auf, so dass zusätzliche Turbulenzen in der Strömung des Temperierfluids durch die Kammer 9 erzeugt werden. Mit anderen Worten wird durch die Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen ein Grad von Verwirbelungen in Bereichen mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit gegenüber Bereichen mit höherer Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Durch die Zunahme an Turbulenzen kann der thermische Widerstand zwischen der zu temperierenden Batteriezelle der Batteriemodule 3 und dem in den Kammern 9 strömenden Temperierfluid reduziert werden. Folglich kann dadurch eine homogenisierte Temperierwirkung beziehungsweise Temperierleistung über alle Kammern 9 erzielt werden.
Aus den Figuren 6A bis 6D sind schematisch Schnittansichten durch verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erhebungen 20 parallel zur Haupterstreckungsebene 4 gezeigt, wobei mittels des Bezugszeichens 21 die Strömungsrichtung des Temperierfluids angedeutet ist.
Die Erhebungen 20 unterscheiden sich hinsichtlich der Form Ihrer Querschnitte, ihrer Länge, ihrer
Breite und ihres strömungsdynamischen Widerstandes, mithin ihres cw-Werts. Ferner unterscheiden sie sich formbedingt hinsichtlich der Art und des Umfangs der Beeinflussung der Strömungsverhältnisse. So erzeugt die Erhebung 20 aus Figur 6C beispielsweise aufgrund ihrer abrupt endenden Hinterseite senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 21 vergleichsweise starke Turbulenzen und/oder einen vergleichsweise stark ausgebildeten Strömungsabriss stromabwärts der Erhebung 20, wohingegen die Erhebung 20 in Figur 6D aufgrund ihres stromlinienförmigen Auslaufs am stromabwärtigen Abschnitt der Erhebung 20 vergleichsweise geringe Turbulenzen in das Temperierfluid einbringt. Je nach Strömungsverhältnissen kann durch eine stromlinienförmige Erhebung 20 gar ein Abriss einer laminaren Strömung verhindert und beispielsweise lediglich eine Umlenkung des an der Erhebung 20 entlang strömenden Temperierfluids erzielt werden.
Aus den Figuren 7A bis 7D sind schematische Detail-Schnittansichten senkrecht zur Haupterstreckungsebene 4 gezeigt, wobei aus den Figuren 7A bis 7Cverschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erhebungen 20 zu entnehmen sind.
In Figur 7D ist anstelle der vorstehend beschriebenen Erhebungen 20 eine sich quer zur Hauptströmungsrichtung vorliegend in der Unterschale 7 erstreckende Vertiefung 22 gezeigt. Für die Vertiefung 22 treffen die oben hinsichtlich der Erhebungen 20 beschriebenen Ausführungen, Vorteile und Wirkungen in analoger Weise zu. Entsprechend gilt das hinsichtlich der Erhebungen 20 Geschriebene ebenso für die Vertiefungen in allen Ausführungsformen.
Generell können die Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen jede erdenkliche Form aufweisen, so lange sie den angedachten Zweck erfüllen. Sie können beispielsweise Formen aufweisen, welcher einer Kombination der Querschnitte aus den Figuren 6A bis 6D und den Querschnitten gemäß der Figuren 7A bis 7D entsprechen, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
Entsprechend ist durch das Einbringen von Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen 22 möglich, in Bereichen mit schlechter Durchströmung erhöhte Turbulenzen beziehungsweise Verwirbelungen in der Strömung zu erzeugen. Ferner können Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen 22 eingebracht werden, die in Bereichen mit guter Durchströmung für weniger Turbulenzen beziehungsweise Verwirbelungen in der Strömung sorgen und/oder Abbremsen der Strömung bewirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zumindest einige der Leitstrukturen 16 und/oder der Erhebungen 20 und/oder Vertiefungen 22 ausgebildet, eine Lenkung des Temperierfluids dahingehend bereitzustellen, dass Teile des Temperierfluids aus Bereichen nahe des Auslasses 14 gezielt mit Teilen des Temperierfluids aus Bereichen nahe beziehungsweise näher am Einlass 13 rückvermischt werden. So können ortsabhängige Temperaturgradienten nochmals reduziert werden.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Längsrichtung
3 Batteriemodul
4 Haupterstreckungsebene
5 Querrichtung
6 Oberschale
7 Unterschale
8 Strömungsraum
9 Kammer
10 Querstrebe
11 Gemeinsamer Zulauf
12 Gemeinsamer Ablauf
13 Einlass
14 Auslass
15 Ende
16 Leitstruktur
17 Kammervolumenstrom
18 Ableitvolumenstrom
20 Erhebung
21 Strömungsrichtung
22 Vertiefung
100 Fahrzeugbatterie

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie (100), bevorzugt einer mehrere Batteriezellen umfassende Primärenergiebatterie (100) eines Elektrofahrzeugs, umfassend eine sich in einer Hauterstreckungsebene (4) erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Oberschale (6) und eine sich an die Oberschale (6) quer zur Haupterstreckungsebene (4) anschließende, sich in der Hauterstreckungsebene (4) erstreckende, im Wesentlichen plattenförmige Unterschale (7), wobei die Oberschale (6) und die Unterschale (7) einen mit einem Temperierfluid durchströmten Strömungsraum (8) umschließen, wobei der Strömungsraum (8) zumindest zwei von einem gemeinsamen Zulauf (11) gespeiste und in einen gemeinsamen Ablauf (12) mündende, durch das Temperierfluid parallel durchflossene Kammern (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des gemeinsamen Zulaufs (11) und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs (12) Leitstrukturen (16) zum Leiten und/oder Unterteilen des Temperierfluidstromes angeordnet sind, und/oder in den zumindest zwei Kammern (9) in den Strömungsraum (8) senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (4) hervorstehende Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) zum Umlenken des Temperierfluids angeordnet sind, wobei eine Anzahl von Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) pro Flächeneinheit und/oder eine Form der Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) von Kammer (9) zu Kammer (9) unterschiedlich ist.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Zulauf (11) mit einem zentralen Einlass (13) zum Einlassen des Temperierfluids in den Strömungsraum (8) verbunden ist und der gemeinsame Ablauf (12) mit einem zentralen Auslass (14) zum Abführen des Temperierfluids aus dem Strömungsraum (8) verbunden ist, wobei bevorzugt der Einlass (13) und der Auslass (14) bezogen auf eine Aufreihrichtung, in welcher die Kammern (9) aufgereiht sind, gesehen an einem Ende (15) des Strömungsraumes (8) angeordnet sind, wobei bevorzugt die Aufreihrichtung einer in der Haupterstreckungsebene (4) liegenden Längsrichtung (2) der Vorrichtung (1) entspricht.
3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschale (6) und/oder die Unterschale (7) bevorzugt parallel orientierte Querstreben (10) umfasst, wobei durch die Querstreben (10) der Strömungsraum (8) in die Mehrzahl von Kammern (9) unterteil ist, wobei sich die Querstreben (10) bevorzugt in einer in der Haupterstreckungsebene (4) liegenden, quer, bevorzugt senkrecht, zur Längsrichtung (2) orientierten Querrichtung (5) erstrecken, wobei bevorzugt der gemeinsame Zulauf (11) und der gemeinsame Ablauf (12) sich im Wesentlichen in Längsrichtung (2) erstrecken.
4. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstrukturen (16) derart im Bereich des gemeinsamen Zulaufs (11) und/oder im Bereich des gemeinsamen Ablaufs (12) angeordnet sind, dass ein dem gemeinsamen Zulauf (11) zugeführter Volumenstrom von Temperierfluid im Wesentlichen gleichmäßig auf die einzelnen Kammern (9) aufgeteilt wird.
5. Vorrichtung (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leitstruktur (16) einen in Strömungsrichtung des Temperierfluids betrachtet auf die jeweilige Leitstruktur (16) auftreffender Volumenstrom in einen einer derjeweiligen Leitstruktur (16) zugeordneten Kammer (9) zugeführten Kammervolumenstrom (17) und in einen stromabwärts in den gemeinsamen Zulauf (11) abgeleiteten Ableitteilvolumenstrom (18) aufteilt wird, wobei bevorzugt ein Quotient aus Kammervolumenstrom (17) zu Ableitvolumenstrom (18) der jeweiligen Leitstruktur (9) mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen (9) vom zentralen Einlass (13) ansteigt.
6. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstrukturen (16) in Form von sich in einer Längserstreckung erstreckenden Führungssicken ausgebildet sind, wobei bevorzugt die Länge jeder der Leitstrukturen (16) mit zunehmendem Abstand der Leitstrukturen (16) vom zentralen Einlass (13) abnimmt.
7. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) pro Flächeneinheit in einer Kammer (9) mit zunehmenden Abstand der Kammern (9) vom zentralen Einlass (13) abnimmt, wobei bevorzugt die Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) ausgebildet sind und/oder eine Anordnung zueinander aufweisen, das die Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) umströmende Temperierfluid umzulenken und/oder abzubremsen, bevorzugt derart, dass aufgrund der Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) in Strömungsrichtung des Temperierfluids betrachtet in der Kammer (9) Druckverluste auftreten. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) pro Flächeneinheit in jeder der Kammern (9) mit zunehmendem Abstand der Kammern (9) vom zentralen Einlass (13) abnimmt, wobei bevorzugt die Erhebungen (20) und/oder Vertiefungen (22) eine Form und/oder eine Anordnung zueinander aufweisen, durch die zusätzliche Turbulenzen in der
Strömung des Temperierfluids durch die Kammer (9) erzeugt werden. Fahrzeugbatterie (100), umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (1) zum Temperieren einer Fahrzeugbatterie (100), bevorzugt zum Temperieren der Batteriezellen der Fahrzeugbatterie (100), gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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