-
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für eine Hochvoltbatterie, die Hochvoltbatterie selbst und ein mit einer solchen Hochvoltbatterie ausgestattetes Kraftfahrzeug.
-
Hochvoltbatterien für Fahrzeuganwendungen, z. B. in Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, umfassen eine Vielzahl einzelner Batteriezellen, die für die gewünschte HV-Spannung elektrisch in Reihe geschaltet werden. Je nach Bauart und Größe der Batterie können die einzelnen Batteriezellen auch in Modulen zusammengefasst sein. Die Batteriezellen sind in einem Gehäuse untergebracht, das einerseits Verschmutzung von außen vermeiden soll und andererseits im Falle eines Unfalls auch dem Schutz beteiligter Personen und Rettungskräften dient. Zudem befinden sich zumeinst die dazugehörende Elektronik und Kühlung in dem Gehäuse. Neben der elektrischen Verschaltung werden die einzelnen Batteriezellen auch mechanisch verbunden, wodurch die Position jeder Zelle innerhalb der Batterie festgelegt und eine definierte Kühlung für die Zellen ermöglicht wird.
-
Üblicherweise sind die Batteriezellen einer HV-Batterie in sogenannten Zellblöcken zusammengefasst, die jeweils eine gewisse Anzahl von Zellen inklusive deren mechanischer Fixierung, Kontaktierung und Einrichtung zur Kühlung enthalten.
-
Kühlkörper, die von einem Kühlmittel durchflossen werden, sind üblicherweise seitlich an jedem Zellblock angeordnet und direkt über das Zellgehäuse oder die Zellpole oder indirekt über Zellverbinder oder Kühlleiter mit den Zellen thermisch gekoppelt.
-
Derartige innerhalb des Batteriegehäuses untergebrachte Kühlungen herkömmlicher HV-Batterien weisen in der Regel diverse Steckanschlüsse und/oder Schlauchverbindungen auf, um die vom Kühlmittel durchströmten Kühlkörper untereinander und nach außen an die Kühlmittel zu- und abführenden Anschlüsse zu verbinden. Erhöhter Montage- und Prüfaufwand sowie entsprechende Fehlerquellen aufgrund möglicher Undichtigkeiten sind die Folge. Ferner sind bisher bekannte Hochvoltbatterien aufgrund ihrer Bauform, die im Wesentlichen von der vorgegebenen Form der verwendeten Standard-Batteriezellen abhängig ist, nicht für den Einbau im Unterboden eines flach bauenden Fahrzeugs geeignet: Der Einbau einer Hochvoltbatterie in den Unterboden eines Fahrzeugs hat bislang einen eingeschränkten Fußraum oder eine deutlich größere Fahrzeughöhe zur Folge.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hinsichtlich Montage- und Prüfaufwand verbesserte Kühlvorrichtung für eine HV-Batterie aus Batteriezellen bereitzustellen, bei der zudem Fehlerquellen aufgrund möglicher Undichtigkeiten vermieden werden.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Eine weitere Aufgabe liegt in der Schaffung einer Hochvoltbatterie für Fahrzeuganwendungen, die hinsichtlich der Kühlmittelführung verbessert ist und zum Einbau in den Unterboden auch bei flach bauenden Fahrzeugen geeignet ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Hochvoltbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
-
Ein mit einer verbesserten HV-Batterie ausgestattetes Kraftfahrzeug wird durch die Merkmale des Anspruchs 10 offenbart.
-
Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
-
Ein erfindungsgemäßer Kühlkörper ist zur Kühlung einer oder mehrerer Batteriezellen einer Hochvoltbatterie vorgesehen und kann daher mit diesen Batteriezellen thermisch gekoppelt werden. Dazu umschließt der Kühlkörper einen Durchflussraum für ein Kühlmittel und weist Anschlüsse für einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf auf. Erfindungsgemäß weist der Kühlkörper eine Außenschale und eine damit verbundene Innenschale auf, die ein Bauteil mit doppelwandigen länglichen Rippen mit Wellenprofil ausbilden. Dabei formieren die Wellenberge eine flächige Anlaufseite, an der ein Abschnitt angelegt werden kann. In den Wellentalbereichen kontaktiert die Innenschale jeweils die Außenschale, so dass die doppelwandigen länglichen Rippen Kühlkanäle bilden, in denen Kühlmittel geführt wird.
-
Geeigneter Weise ist der Kühlkörper so bemessen, dass längs jeder Rippe zumindest eine Batteriezelle, vorzugsweise jedoch mehrere Batteriezellen, angeordnet werden kann/können. Durch diese Gestalt der Kühlkörper mit Rippenform wird erfindungsgemäß die gleichmäßige Kühlung der jeweils daran angeordneten Batteriezellen erlaubt.
-
Besonders bevorzugt kann der Kühlkörper außer der Kühlung der Batteriezellen noch eine weitere Aufgabe lösen und indem er gleichzeitig ein Gehäuseunterteil der Hochvoltbatterie bildet, wobei die Anschlüsse für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf in der Außenschale und damit an der Gehäuseaußenseite vorgesehen sind. Durch die Gestaltung des Kühlkörpers als kühlmitteldurchströmter Gehäusebestandteil wird eine gegenüber dem Innenraum der gesamten HV-Batterie hermetisch dichte Führung des Kühlmittels erreicht. Innerhalb des HV-Batteriegehäuses sind deshalb keine schwierig zu montierenden und fehleranfälligen Schlauch- oder Steckverbindungen für das Kühlmittel notwendig, die bislang mit dem Risiko von fehlerhaftem Flüssigkeitsaustritt im Innenbereich der Hochvoltbatterie verbunden waren.
-
Vorteilhaft kann die Außenschale stabilitätserhöhende längliche Sicken aufweisen, deren Tiefe und Lage auf die Rippen der Innenschale abgestimmt ist. Mit der Tiefe und gegebenenfalls auch Form der Sicke wird der Durchflussquerschnitt jedes Kühlkanals bestimmt, und kann so in gewünschter Weise mehr oder weniger gedrosselt werden, abhängig auch von der Lage des jeweiligen Kühlkanals in Bezug zu dem Kühlmittelzulauf und -ablauf. Auf diese Weise kann durch die Sicken ein gleichmäßiger Kühlmittelstrom durch alle Kühlkanäle und damit eine gleichmäßige Kühlung der an den Rippen angeordneten Batteriezellen gesichert werden.
-
Um den Kühlmittelstrom auf die Kühlkanäle zu verteilen, sind die Außenschale und die Innenschale an den Enden der Kühlkanäle zur Ausbildung einer gemeinsamen Verteilerkammer und einer Sammelkammer geformt, die jeweils mit den Kühlkanälen verbunden sind. Damit wird die Fluidverbindung zwischen dem Anschluss für den Kühlmittelzulauf, der in der Außenschale im Bereich der Verteilerkammer vorgesehen ist, und dem Anschluss für den Kühlmittelablauf, der entsprechend in der Außenschale im Bereich der Sammelkammer ausgebildet ist, hergestellt.
-
Die Innenschale ist mit der Außenschale über umlaufende Flansche fluiddicht verbunden, beispielsweise, wenn Innen- und Außenschale Blechbauteile sind, verschweißt. Zudem kann der Kühlkörper ein oder mehrere Montagehilfselement(e) zur Anordnung der zumindest einen Batteriezelle aufweisen.
-
Ein solches Montagehilfselement kann beispielsweise eine Montageschiene sein, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform jeweils eine Montageschiene beidseitig senkrecht, resp. normal zu den Rippen auf der Innenschale angeordnet ist.
-
Generell richtet sich die Gestaltung des Kühlkörpers nach der Anzahl und Art bzw. Form der zu kühlenden Batteriezellen. So wird die Anzahl und die Länge der Rippen der Innenschale in Abhängigkeit der Anzahl der zu kühlenden Batteriezelle der Hochvoltbatterie ausgelegt. Dabei können auch mehrere Batteriezellen nebeneinander längs jeder Rippe angeordnet werden, so dass die Länge der Rippen ein Mehrfaches der Breite einer Batteriezelle betragen kann.
-
Zudem kann das Wellenprofil der Rippen in Abhängigkeit der Dicke der zu kühlenden Batteriezellen und einer vorbestimmten Einbauposition der zu kühlenden Batteriezellen ausgeformt sein.
-
Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie weist neben mehreren gestapelten Batteriezellen ein Gehäuse auf, in dem die Batteriezellen untergebracht sind und das als Gehäuseelemente zumindest ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil, gegebenenfalls auch noch mehr Gehäuseelemente, aufweist. Dabei wird das Gehäuseunterteil durch einen erfindungsgemäßen Kühlkörper dargestellt, wobei längs jeder Rippe zumindest eine der Batteriezellen angeordnet ist.
-
Vorzugsweise wird in einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie mehr als eine Batteriezelle, nämlich eine vorbestimmte Anzahl der Batteriezellen, nebeneinander längs jeder Rippe angeordnet sein, wobei die pro Rippe nebeneinander angeordneten Batteriezellen durch einen Montagerahmen gehalten werden, der an dem zumindest einen Montagehilfselement des Kühlkörpers befestigt ist.
-
Die vorbestimmte Einbauposition der Batteriezellen, von der die Form des wellenartigen Profils der Rippen abhängt, ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine in Bezug zu einer durch den Kühlkörper bereitgestellte Grundebene geneigte Anordnung der Batteriezellen. Dabei weist das Wellenprofil der Rippen jeweils eine Auflageflanke für die Batteriezellen, die die vorbestimmte Neigung der Batteriezellen vorgibt, und eine Stützflanke auf, an der die Batteriezellen in der geneigten Anordnung abgestützt werden.
-
Mit der geneigten Anordnung der Batteriezellen, die durch die Form der Rippen unterstützt wird, weist die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie eine geringere Bauhöhe auf als eine herkömmliche Batterie mit senkrechter Anordnung der Batteriezellen. Die durch die geneigte Anordnung der Batteriezellen entstandenen Zwischenräume unterhalb der Batteriezellen wird durch die Rippen des Kühlkörpers als Kühlkanäle zur Kühlung der Batteriezellen genutzt.
-
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es zumindest eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie aufweist, die zumindest mit einem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Durch die flache Bauhöhe der erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie infolge der geneigten Anordnung der Batteriezellen kann diese Hochvoltbatterie im Unterboden des Kraftfahrzeugs auch in flach bauenden Fahrzeugen angeordnet werden, ohne den Fußraum einzuschränken oder die Fahrzeughöhe zu vergrößern.
-
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen als Gehäuseunterteil ausgebildeten Kühlkörpers,
-
2 eine Schnittdetailansicht durch den eine Montageschiene aufweisenden Rand des erfindungsgemäßen Kühlkörpers,
-
3 eine Seitenschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie,
-
4 eine Detailansicht aus 3,
-
5 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlkörpers und eines vormontierten Batterie-Submoduls aus einer Reihe nebeneinander angeordneter Batteriezellen,
-
6 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit an den Rippen angeordneten Batterie-Submodulen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf einen Kühlkörper für eine bauhöhenoptimierte Hochvoltbatterie, die so auch im Unterboden von flach bauenden Kraftfahrzeugen wie Hybrid- bzw. Plug-In-Fahrzeugen, oder auch Elektrofahrzeugen angeordnet werden kann.
-
Um die Bauhöhe der Hochvoltbatterie zu verringern und so den Einsatz im Unterboden auch flach bauender Fahrzeuge zu ermöglichen, werden die (Standard-)Batteriezellen geneigt angeordnet.
-
Der erfindungsgemäße Kühlkörper, der von einem Kühlmittel durchströmt werden kann, übernimmt dabei die Funktion eines Gehäusebestandteils der gesamten Hochvoltbatterie und kann gleichzeitig die besonderen geometrischen Anforderungen der hinsichtlich einer flachen Bauhöhe optimierten Hochvoltbatterie (wie z. B. die geneigte, dachziegelartige Anordnung der Batteriezellen) berücksichtigen.
-
Der erfindungsgemäße Kühlkörper ist aufgrund seiner Bauform mit den Kühlmittelanschlüssen außerhalb des Gehäuses gegenüber dem spannungsführenden Innenraum der Hochvoltbatterie abgedichtet. Flüssigkeitsleckagen des Kühlmittels innerhalb des Batteriegehäuses und davon abhängige Fehlfunktionen sind somit nicht mehr möglich.
-
Der in den Figuren beispielhaft gezeigte erfindungsgemäße Kühlkörper 1 fungiert gleichzeitig als Gehäuseunterteil der Hochvoltbatterie 10 und besteht aus einer Außenschale 11 und einer Innenschale 12, bei denen es sich um Blechbauteile handeln kann.
-
In 1 ist der Kühlkörper 1 zu sehen, der den von der Außenschale 11 und der Innenschale 12 begrenzten Durchflussraum für ein Kühlmittel umschließt. Die Anschlüsse 17 für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf sind an der Außenschale 11 vorgesehen, so dass Kühlmittelleitungen leicht zugänglich außen am Batteriegehäuse angeschlossen und ausgetauscht werden können und selbst bei Leckagen an den Anschlüssen 17 kein Kühlmittel ins Innere des Batteriegehäuses gelangt.
-
Die Außenschale 11 ist mit der Innenschale 12 umlaufend dicht miteinander verbunden, und zwar an einer gemeinsamen Flanschverbindung 13, wie in 2 im Detail zu sehen ist. Das Fügen der Schalen 11, 12 kann beispielsweise mittels eines geeigneten Schweißverfahrens erfolgen, das eine Kühlmitteldichte Verbindung sicherstellt.
-
Selbstverständlich können die Schalen 11, 12 auch mittels anderer Fügetechniken verbunden werden, solange diese eine abgedichtete Verbindung bereitstellen.
-
Die Innenschale 12 des Kühlkörpers 1 ist wellenprofilartig mit länglichen Rippen geformt, so dass im vorliegenden Beispiel längs jeder Rippe sieben Batteriezelle 21 (siehe 5) angeordnet werden können, die auf diese Weise in thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper 1 treten. Die Rippen bilden nicht nur Anordnungshilfe für die Batteriezellen 21, sondern es wird der Durchflussraum für das Kühlmittel zwischen der Innenschale 12 und der Außenschale 11 in Kühlkanäle 14 unterteilt, indem die wellenprofilartigen Rippen der Innenschale 12 in Wellentalbereichen 12a die Außenschale 11 kontaktieren, wie im Detail in 4 zu sehen ist. So sind Außen- und Innenschale 11, 12 nicht nur an der umlaufenden Flanschverbindung 13 gefügt, sondern auch in den Bereichen zwischen den einzelnen geschaffenen Kühlkanälen 14 beispielsweise mittels Klebung oder ebenfalls Schweißung verbunden und dichten diese so gegeneinander ab.
-
Um alle Kühlkanäle 14 mit dem gleichen Volumenstrom zu durchströmen (hydraulischer Abgleich) und somit eine thermisch ausgewogene Kühlung aller Batteriezellen 21 zu erreichen, befindet sich in der Außenschale 11 pro Kühlkanal 14 eine Sicke 18 (siehe 3 und 4), die in ihrer Bauhöhe konstruktiv so ausgelegt wird (Drosselfunktion), dass der gewünschte gleichbleibende Volumenstrom in allen Kühlkanälen 14 gewährleistet wird. Gleichzeitig dienen diese über die gesamte Länge des Kühlkanals 14 verlaufenden Sicken 18 der Erhöhung der Gehäusesteifigkeit.
-
Wie in 1 und 2 zu sehen ist, sind zwischen der Außenschale 11 und der Innenschale 12 an den Enden der Kühlkanäle 14 jeweils eine Verteilerkammer und eine Sammelkammer 19 ausgeformt, die für die fluide Kommunikation zwischen den Anschlüssen 17 für den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf durch die Kühlkanäle 14 sorgen. So entsteht in dem aus Außenschale 11 und Innenschale 12 gebildeten Kühlkörper 1 durch die Formgebung beider Schalen 11, 12 eine Führung des Kühlmittels in den parallel angeordneten Kühlkanälen 14, die ausgehend von den Anschlüssen 17 durchströmt werden.
-
Zur Anordnung der vormontierten Submodule 2 aus eine Batteriezellenreihe (siehe 5 und 6) sind auf dem Kühlkörper 1 zwei Montageschienen 15 als Montagehilfselemente beidseitig senkrecht zu den Rippen auf der Innenschale 12, d. h. über der Verteiler- bzw. Sammelkammer 19, angebracht. Im vorliegenden Beispiel (1 und 2) sind die Montageschienen 15 auf stumpf aufgeschweißte Gewindebuchsen 16 auf den Kühlkörper 1 aufgeschraubt. Es kommen aber auch andere bekannte Fügetechniken zur Befestigung von Montagehilfselementen an dem Kühlkörper in Frage.
-
Die Anzahl und Länge der Rippen der Innenschale 11 und die Ausdehnung des Kühlkörpers 1 richtet sich nach der Anzahl der zu kühlenden Batteriezellen 21 der Hochvoltbatterie 10 und der vorgesehenen Anordnung der Batteriezellen 21.
-
Zwar ist es denkbar, dass jeweils eine Batteriezelle an einer eine entsprechende Länge aufweisenden Rippe angeordnet wird, vorzugsweise jedoch werden mehrere Batteriezellen 21 nebeneinander längs jeder Rippe angeordnet.
-
Das Wellenprofil der Rippen hängt, wie in der Detaildarstellung in 4 gut zu sehen ist, von der Dicke der zu kühlenden Batteriezellen 21 und einer vorbestimmten Einbauposition der zu kühlenden Batteriezellen 21 ab.
-
Im vorliegenden Beispiel einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie ist die vorbestimmte Einbauposition der Batteriezellen 21 eine in Bezug zu einer durch den Kühlkörper 1 bereitgestellte Grundebene geneigte Anordnung. Das Wellenprofil der Rippen der Innenschale 12 des Kühlkörpers 1 ist entsprechend gewählt und stellt jeweils eine Auflageflanke 14a für die Batteriezellen 21, die die vorbestimmte geneigte Anordnung vorgibt, und eine Stützflanke 14b bereit, an der die Batteriezellen 21 in der geneigten Anordnung abgestützt werden.
-
Um eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie zu montieren, wird ein Kühlkörper 1 bereitgestellt, der Rippen in einer Anzahl und Länge und mit einem Wellenprofil aufweist, die eine gewünschte Anordnung der Batteriezellen 21 gestatten.
-
Die Batteriezellen werden in Submodulen 2 angeordnet, wobei in jedem Submodul 2 eine durch die Länge der Rippen vorgegebene Anzahl Batteriezellen 21 nebeneinander mittels eines Montagerahmens 23, 24 (siehe 4 und 5) fixiert ist. Längs jeder Rippe des Kühlkörpers 1 wird jeweils ein Batterie-Submodul 2 angeordnet, so dass die Batteriezellen 21 die durch das Wellenprofil der Rippen vorgegebene Positionierung einnehmen und in thermischen Kontakt mit dem Kühlkanal treten. Jedes Submodul 2 wird über den Montagerahmen 23, 24 an den als Montagehilfselement eingesetzten Montageschienen 15 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Es erfolgt ferner die elektrische Kontaktierung der Batteriezellen 21 über deren Pole 22, woraufhin das Gehäuse der Hochvoltbatterie 10 durch Anordnen und Befestigen eines Gehäuseoberteils 3 (siehe 3 und 4) auf dem Kühlkörper 1 geschlossen wird. Der Montageaufwand zum Anschließen des Kühlkörpers 1 an einen Kühlmittelkreislauf ist deutlich geringer, da die Anschlüsse 17 für Kühlmittelzu- und -abfuhr außen am Batteriegehäuse vorliegen.
-
Eine erfindungsgemäße Hochvoltbatterie 10 mit geneigt angeordneten Batteriezellen 21, wie sie in 3 beispielhaft gezeigt ist, weist aufgrund der geneigten Anordnung der Batteriezellen 21 und der in das Gehäuseunterteil 1 integrierten Kühlung eine deutlich reduzierte Bauhöhe auf und eignet sich damit besonders zum Einbau in den Unterboden eines Kraftfahrzeugs, um einen elektrischen Antrieb des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen.
-
Somit können Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antrieb, wie Hybrid-, Plug-In- oder Elektrofahrzeuge, erfindungsgemäß auch in flacher Bauweise realisiert werden, ohne den Fußraum im Inneren einzuschränken. Durch die außen am Gehäuse vorliegenden Kühlmittelanschlüsse werden Störungsquellen durch Kühlmittelleckagen im spannungsführenden Innenraum der Hochvoltbatterie vermieden und so die Sicherheit des Fahrzeugs insgesamt erhöht.
