DE102015214661A1 - Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung (8) zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte (9) aufweist, wobei die Kühlplatte (9) aus einem Strangpressprofil ausgeführt ist und wenigstens einen Kühlkanal (20, 22) aufweist. Durch die Strangpressprofile sind in vorteilhafter Weise gleichmäßige, reproduzierbare Kühlkanäle mit definierter Oberfläche ausgebildet, die gegenüber den herkömmlich aus Sandguss mit verlorenen Sandkernen hergestellten Kühlkörpern eine deutlich bessere Kühlleistung aufweisen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte aufweist.
- Für Elektro- und Hybridfahrzeuge spielt das Thermomanagement der Traktionsbatterie eine wichtige Rolle. Der Betrieb von Batteriezellen, vorzugsweise Lithium-Ionen-Batteriezellen, ist wirkungsgradbehaftet. Auch wenn der Wirkungsgrad dieser Batterieanordnungen hoch ist, muss eine im Verhältnis der übertragenen Energie geringe Wärmemenge abgeführt werden, da diese Wärme den Batteriezellen schaden kann. Bei einer erhöhten Temperatur können innerhalb der Batterie in den Batteriezellen irreversible Degradationsreaktionen auftreten, die die Lebensdauer der Batteriezellen reduzieren. Die Batteriezellen sollten idealerweise dauerhaft unterhalb von 40°C betrieben werden, weshalb eine Temperiereinrichtung bzw. eine Kühlvorrichtung innerhalb der Batterieanordnung bei größeren Entlade- und Ladeströmen von Vorteil ist. Als Kühlvorrichtung für Lithium-Ionen-Batterien wird bekannter Weise ein Flüssigkeitskühlkreislauf eingesetzt.
- Kühlkanäle von aus Herstell- und Kostengründen im Sandguss hergestellten Kühlkörpern herkömmlicher Batteriemodule weisen zumeist eine undefinierte Innengeometrie auf. Diese Geometrie ist durch die Verwendung verlorener Sandkerne bedingt. Es besteht hierbei die Gefahr einer ungleichmäßigen Kühlmittel- oder Temperaturverteilung und eines schlechteren Wärmeübergangs von den zu kühlenden Batteriezellen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsstarke Kühlung der Batteriezellen bei minimalem Bauraum und herstell- und kostengünstig zur Verfügung zu stellen.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Traktionsbatterie hat eine Kühlvorrichtung zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte aufweist, wobei die Kühlplatte als Strangpressprofil ausgeführt ist. Durch die Strangpressprofile sind in vorteilhafter Weise gleichmäßige, reproduzierbare Kühlkanäle mit definierter Oberfläche ausgebildet, die gegenüber den aus Sandguss mit verlorenen Sandkernen hergestellten Kühlkörpern eine deutlich bessere Kühlleistung aufweisen.
- Die erfindungsgemäße Traktionsbatterie kann durch die kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche weitergebildet werden, womit die Ausgestaltungsmöglichkeiten jedoch nicht erschöpft sind.
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Kühlkanal einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Kühlplatte kann so kostengünstig, einfach und reproduzierbar hergestellt werden.
- Die kürzeren Seiten des annähernd rechteckigen Querschnitt wenigstens einen Kühlkanals weisen vorteilhaft einen geraden Verlauf auf, sodass die Herstellung der Geometrie einfach und kostengünstig erfolgen kann.
- Die längeren Seiten des Kühlkanals sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie einen annähernd wellenförmigen Verlauf aufweisen. Der wellenförmige Verlauf des Querschnitts, aufweisend Wellenberge und Wellentäler, an den längeren Seiten des Kühlkanals sorgt für eine vergrößerte Oberfläche, sodass eine größtmögliche Fläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittelstrom und der Kühlplatte zur Verfügung steht.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkanal an seinen längeren Seiten jeweils mehrere Wellenberge und Wellentäler auf, die derart ausgestaltet sind, dass der Wellenberg der ersten längeren Seite dem Wellental der zweiten längeren Seite genau gegenüber liegt. Der so entstehende Querschnitt ähnelt einer Ziehharmonika, da sich die Breite des Kühlkanals ändert, wobei diese zwischen einer schmaleren und einer weiteren Breite stetig wechselt.
- Vorzugsweise weist die Kühlplatte zwei voneinander getrennte Kühlmittelanschlüsse auf, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse für einen Kühlmitteleinlass und der andere Kühlmittelanschluss für einen Kühlmittelauslass dient. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass ist vorzugsweise oberhalb des Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass angeordnet. So kann das über den Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass eingebrachte Kühlmittel durch Schwerkraft unterstützt aus dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass nach Durchströmen der Kühlplatte wieder austreten.
- Vorteilhaft weist die Kühlplatte einen Kühlkanal für den Zulauf des Kühlmittels und mehrere Kühlkanäle für den Rücklauf des Kühlmittels auf, wodurch die gesamte Kühlplatte von Kühlmittel durchströmt werden kann. Die Kühlmittelanschlüsse sind bauraumoptimiert im oberen Bereich angeordnet, wodurch daran angeschlossene Kühlmittelleitungen kürzer und damit günstiger ausgeführt werden können. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass öffnet sich trichterförmig in Richtung der Kühlkanäle für den Rücklauf, sodass alle drei Kühlkanäle für den Rücklauf vom Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass erfasst werden.
- Vorzugsweise weist der Kühlkanal für den Zulauf einen größeren Querschnitt auf, als jeder der Kühlkanäle für den Rücklauf, wobei z.B. die Summe der Querschnittsflächen der Kühlkanäle für den Rücklauf etwa der Querschnittsfläche des Kühlkanals für den Zulauf entspricht. Die Querschnittsflächen der Kühlkanäle für den Rücklauf sind bspw. im Wesentlichen gleich groß und weisen die gleiche Geometrie auf, sodass nahezu gleiche Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühlkanälen herrschen. Die somit entstehende Wärmeübertragung ist über die gesamte Kühlfläche sehr homogen. Dies ergibt eine besonders gleichmäßige Verteilung des Kühlmittelstroms, sodass das zugeführte Kühlmittel einen konstanten Druck hat.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Kühlkanal für den Zulauf und die Kühlkanäle für den Rücklauf auf der den Kühlmittelanschlüssen abgewandte Stirnseite der Kühlplatte miteinander verbunden, sodass das Kühlmittel in einer definierten Richtung durch die Kühlplatte fließen kann.
- Die Kühlplatten sind vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Aluminium hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sodass ein guter und schneller Wärmeübergang zwischen der Kühlplatte und den angrenzenden Batteriezellen sowie zwischen Kühlplatte und Kühlmittel gewährleistet ist.
- Es zeigen
-
1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Traktionsbatterie mit einer Kühlvorrichtung im Zusammenbau mit zwei Batteriezellmodulen; -
2 einen Schnitt entlang der Y-Achse durch die Ausführungsform in1 ; -
2a einen Querschnitt eines Kühlkanals; -
3 eine Kühlplatte in einer isometrischen Ansicht; -
4 einen Schnitt entlang der X-Achse durch die Kühlplatte in3 . - Die Traktionsbatterie
1 gemäß1 weist zwei Zellmodule3 auf, welche jeweils zwei Verbinder5 jeweils an ihren Stirnseiten7 aufweisen. Zwischen den Zellmodulen3 ist eine Kühlvorrichtung8 angeordnet, welche vorzugsweise als Kühlplatte9 ausgeführt ist. Die Kühlplatte9 weist an einer ihrer Stirnseite11 zwei Kühlmittelanschlüsse12 ,13 auf, wobei der in Z-Richtung gesehen obere Kühlmittelanschluss12 für einen Kühlmitteleinlass ist und der in Z-Richtung gesehen untere Kühlmittelanschluss13 für einen Kühlmittelauslass dient. Die Kühlmittelanschlüsse12 ,13 weisen dieselbe runde Querschnittsgeometrie auf. Die Zellmodule3 , die Verbinder5 und die Kühlplatte9 sind mittels Verbindungselementen15 miteinander verschraubt und verspannt. Die Verbindungselemente15 bestehen aus einer durch die Zellmodule3 , die Verbinder5 und die Kühlplatte9 geführten Schraube und aus einer einseitig an einem der Verbinder5 angeschweißten Schraubmutter. -
2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung aus1 in einem Schnitt in Y-Richtung. Die Kühlplatte9 ist zwischen den Zellmodulen3 angeordnet. Jeweils zwischen Kühlplatte9 und einem der Zellmodule3 ist eine thermische Leitschicht18 , die vorzugsweise als thermisch leitfähige Folie ausgeführt ist, angeordnet, die dem besseren Wärmeaustausch zwischen Kühlplatte9 und Zellmodul3 dient. Die Kühlplatte9 weist bspw. einen Kühlkanal für den Zulauf20 des Kühlmittels auf, der einen geometrisch größeren Querschnitt hat, und drei Kühlkanäle für den Rücklauf22 , die einen geometrisch kleineren Querschnitt haben, auf. Sowohl der Kühlkanal für den Zulauf20 als auch die Kühlkanäle für den Rücklauf22 weisen einen annähernd rechteckigen Querschnitt auf, der anhand2a näher erläutert wird. -
2a zeigt einen erfindungsgemäßen Querschnitt des Kühlkanals für den Zulauf20 , der im Wesentlichen rechteckig ist, wobei zwei kürzere Seiten24 , die in Y-Richtung verlaufen, einen geraden Verlauf aufweisen und zueinander parallel sind. Zwei in Z-Richtung verlaufende längere Seiten26 ,27 des annähernd rechteckigen Querschnitts weisen eine Wellenform mit mehreren Wellenbergen28 und Wellentälern29 auf. Die Wellenberge28 weisen geometrisch dasselbe Maximum und die Wellentäler29 geometrisch dasselbe Minimum auf, wobei in Y-Richtung gesehen jeweils alle Wellenberge und alle Wellentäler auf derselben Höhe liegen. Die Wellenberge28 und Wellentäler29 sind derart angeordnet, dass sich jeweils ein Wellenberg28 der ersten längeren Seite26 genau mit einem Wellental29 der zweiten längeren Seite27 gegenüber liegt, sodass der Querschnitt entlang der Z-Achse einer Ziehharmonika ähnelt. Der Querschnitt ändert sich somit entlang der Z-Achse, wobei er schmaler und weiter wird. Die Kanalgeometrie des Kühlkanals für den Zulauf20 findet sich in ähnlicher Form auch jeweils an den Kühlkanälen für den Rücklauf22 , wobei die Kühlkanäle für den Rücklauf22 jeweils dieselben Maxima der Wellenberge28 und Minima der Wellentäler29 aufweisen, jedoch in Z-Richtung gesehen jeweils kürzer ausgeführt sind, sodass sich insgesamt eine verringerte Querschnittsfläche jeder der Kühlkanäle für den Rücklauf22 im Vergleich mit dem Kühlkanal für den Zulauf20 ergibt. -
3 zeigt die Kühlplatte9 mit den Kühlmittelanschlüssen12 ,13 . Die Kühlplatte9 ist in der XZ-Ebene an ihrem in Z-Richtung gesehen oberen und unteren Bereich in der Tiefe (in Y-Richtung) mit geringerer Wandstärke ausgeführt und weist in jedem seiner vier Ecken eine Bohrung32 auf. Durch diese Bohrungen32 werden die Schrauben der Verbindungselemente15 geführt. -
4 zeigt einen Schnitt in X-Richtung durch die Kühlplatte9 gemäß3 . Auf der den Kühlmittelanschlüssen12 ,13 abgewandten Stirnseite der Kühlplatte9 sind der Kühlkanal für den Zulauf20 mit allen Kühlkanälen für den Rücklauf22 über eine Verbindungsleitung30 verbunden. Die Kühlplatte9 weist an der die Kühlmittelanschlüsse12 ,13 aufweisenden Stirnseite11 eine Kopplungsleitung31 auf. Die Kopplungsleitung31 verbindet die Kühlkanäle für den Rücklauf22 miteinander. Die Kopplungsleitung31 ist über ihre gesamte in Z-Richtung verlaufende Länge mit dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass13 verbunden, wobei die rohrförmige Geometrie des Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass13 sich in Richtung der Kühlkanäle für den Rücklauf22 trichterartig öffnet. Der Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass12 öffnet sich in Richtung des Kühlkanal für den Zulauf20 ebenfalls trichterartig, da sich der Querschnitt zwischen dem Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass12 und dem Kühlkanal für den Zulauf20 ändert. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Traktionsbatterie
- 3
- Zellmodul
- 5
- Verbinder
- 7
- Stirnseite der Zellmodule
- 8
- Kühlvorrichtung
- 9
- Kühlplatte
- 11
- Stirnseite der Kühlplatte
- 12
- Kühlmittelanschluss für den Kühlmitteleinlass
- 13
- Kühlmittelanschluss für den Kühlmittelauslass
- 15
- Verbindungselemente
- 18
- thermische Leitschicht
- 20
- Kühlkanal für den Zulauf
- 22
- Kühlkanal für den Rücklauf
- 24
- kürzere Seite
- 26
- erste längere Seite
- 27
- zweite längere Seite
- 28
- Wellenberg
- 29
- Wellental
- 30
- Verbindungsleitung
- 31
- Kopplungsleitung
- 32
- Bohrung
Claims (10)
- Traktionsbatterie (
1 ) für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung (8 ) zur Temperierung von Batteriezellen, die zumindest eine Kühlplatte (9 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9 ) aus einem Strangpressprofil ausgeführt ist und wenigstens einen Kühlkanal (20 ,22 ) aufweist. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (20 ,22 ) einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeren Seiten (24 ) des Kühlkanals (20 ,22 ) einen geraden Verlauf aufweisen und zueinander parallel sind und seine längeren Seiten (26 ,27 ) annähernd einer Wellengeometrie, aufweisend Wellberge (28 ) und Wellentäler (29 ) folgen. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verläufe der gegenüber liegenden längeren Seiten (26 ,27 ) um einen Wellenberg (28 ) derart zueinander verschoben sind, dass sich der Wellenberg (28 ) der ersten längeren Seite (26 ) mit dem Wellental (29 ) der zweiten längeren Seite (27 ) genau gegenüber liegt. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden längeren Seiten (26 ,27 ) des Kühlkanals (20 ,22 ) mehrere Wellenberge (28 ) und Wellentäler (29 ) aufweist, sodass der Querschnitt des Kühlkanals (20 ,22 ) im Wesentlichen einer Ziehharmonika ähnelt. - Traktionsbatterie (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9 ) wenigstens zwei voneinander getrennte Kühlmittelanschlüsse (12 ,13 ) aufweist. - Traktionsbatterie (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (9 ) mindestens drei Kühlkanäle (20 ,22 ) aufweist, wobei ein Kühlkanal (20 ) für einen Zulauf eines Kühlmittels und mehrere Kühlkanäle (22 ) für einen Rücklauf des Kühlmittels vorgesehen sind. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (20 ) für den Zulauf des Kühlmittels eine größere Querschnittsfläche aufweist, als jeder der Kühlkanäle (22 ) für den Rücklauf des Kühlmittels, wobei die Kühlkanäle (22 ) für den Rücklauf jeweils denselben Querschnitt aufweisen. - Traktionsbatterie (
1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kühlkanäle (22 ) innerhalb der Kühlplatte (9 ) auf der den Kühlmittelanschlüssen (12 ,13 ) zugewandten Stirnseite (11 ) der Kühlplatte (9 ) miteinander verbunden sind. - Traktionsbatterie (
1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal für den Zulauf (20 ) und die Kühlkanäle für den Rücklauf (22 ) des Kühlmittels innerhalb der Kühlplatte (9 ) auf der den Kühlmittelanschlüssen (12 ,13 ) abgewandten Stirnseite der Kühlplatte (9 ) miteinander verbunden sind.
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