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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs.
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Ein Fahrzeug mit Elektroantrieb umfasst einen elektrischen Energiespeicher mit einer Vielzahl von Speicherzellen. Dabei sind die Speicherzellen typischerweise innerhalb von ein oder mehreren Speichermodulen am Unterboden des Fahrzeugs angeordnet. Die ein oder mehreren Speichermodule umfassen eine Kühleinheit mit einem Kühlkörper (insbesondere mit einer Kühlplatte) und mit mindestens einem Verteilerrohr zur Führung eines Kühlmediums (z.B. Wasser-Glykol oder Kohlendioxid).
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Die Speichermodule und insbesondere die Kühleinheiten nehmen Bauraum im Fahrzeug in Anspruch. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, den Bauraum für den Verbau eines Speichermoduls und insbesondere für den Verbau einer Kühleinheit zu reduzieren.
DE 10 2009 029 629 A1 beschreibt einen Wärmeübertrager zur Temperierung von Fahrzeugbatterien.
DE 10 2009 058 808 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugantriebsbatterie.
EP 2 660 926 A2 beschreibt ein Kühlmodul zur Kühlung einer Batterie mit verbesserter Effizienz.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Kühleinheit für ein elektrisches Speichermodul eines Fahrzeugs beschrieben. Das Speichermodul umfasst dabei eine zu kühlende Fläche, die durch eine erste und eine zweite Stirnfläche des Speichermoduls begrenzt ist. Typischerweise umfasst das Speichermodul eine Vielzahl von (plattenförmigen) Speicherzellen, die entlang der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls nebeneinander angeordnet sind. An den ersten und zweiten Stirnflächen umfasst das Speichermodul typischerweise Druckplatten, die die Speicherzellen zusammendrücken.
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Die Kühleinheit für ein solches Speichermodul umfasst einen flächenförmigen Kühlkörper, der ausgebildet ist, die Speicherzellen an der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls zu kühlen. Dabei wird typischerweise die gesamte zu kühlende Fläche durch den Kühlkörper abgedeckt. Der Kühlkörper weist eine Grundfläche bzw. eine Unterseite auf, die von der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls abgewandt ist. Der Kühlkörper kann z.B. eine Kühlplatte aufweisen, die die zu kühlende Fläche des Speichermoduls zumindest teilweise bedeckt, und die Kanäle umfasst, die eingerichtet sind, das Kühlmedium an der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls vorbeizuführen. Alternativ oder ergänzend kann der Kühlkörper Leitungsrohre mit einem Flachprofil aufweisen, die entlang der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls verlaufen und die eingerichtet sind, das Kühlmedium an der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls vorbeizuführen.
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Desweiteren umfasst die Kühleinheit ein oder mehrere Verteilerrohre, die entlang ein oder mehrerer Enden bzw. Seiten des Kühlkörpers verlaufen, und die mit dem Kühlkörper (an entsprechenden Enden bzw. Seiten) verbunden sind. Dabei sind alle Verteilerrohre der Kühleinheit derart mit Enden des Kühlkörpers verbunden, dass alle Verteilerrohre auf einer dem Speichermodul zugewandten Seite einer entlang der Grundfläche des Kühlkörpers verlaufenden Grundebene angeordnet sind. Die Grundebene umfasst dabei die Grundfläche. Mit anderen Worten, die Grundfläche des Kühlkörpers liegt innerhalb der Grundebene.
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Desweiteren sind die Verteilerrohre der Kühleinheit derart mit Enden bzw. Seiten des Kühlkörpers verbunden, dass kein Verteilerrohr die Grundebene schneidet. Es befinden sich somit alle Verteilerrohre der Kühleinheit vollständig auf der dem Speichermodul zugewandten Seite der Grundebene des Kühlkörpers. Mit anderen Worten, alle Verteilerrohre der Kühleinheit (insbesondere alle Zu- und Abläufe) liegen oberhalb der Kühlkörperunterseite (d.h. oberhalb der Grundebene) (wenn angenommen wird, dass das Speichermodul auf dem Kühlkörper steht).
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Durch eine derartige Anordnung der Verteilerrohre der Kühleinheit kann der erforderliche Bauraum für die Kühleinheit und für ein, die Kühleinheit umfassendes, Speichermodul in einem Fahrzeug reduziert werden.
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Der Kühlkörper kann an einem ersten Ende einen ersten gebogenen Abschnitt aufweisen, in dem der Kühlkörper in Richtung der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls gebogen ist, so dass ein, mit dem ersten Ende verbundenes, erstes Verteilerrohr auf der dem Speichermodul zugewanden Seite der Grundebene angeordnet ist und die Grundebene nicht schneidet. Mit anderen Worten, der Kühlkörper kann an einem Ende von der Kühlkörperunterseite weg und zu dem Speichermodul hin gebogen sein, um ein Verteilerrohr oberhalb der Kühlkörperunterseite zu positionieren. Eine derartige Anbindung über gebogene Abschnitte des Kühlkörpers kann für alle Verteilerrohre der Kühleinheit erfolgen.
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Die Kühleinheit kann ein erstes Verteilerrohr umfassen, das entlang eines ersten Endes des Kühlkörpers verläuft und das an dem ersten Ende des Kühlkörpers mit dem Kühlkörper verbunden ist. Dabei ist das erste Verteilerrohr ausgebildet, ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmedium an das erste Ende des Kühlkörpers heranzuführen und/oder von dem ersten Ende des Kühlkörpers wegzuführen. Desweiteren kann die Kühleinheit ein zweites Verteilerrohr umfassen, das entlang einem zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten, Ende des Kühlkörpers verläuft und das an dem zweiten Ende des Kühlkörpers mit dem Kühlkörper verbunden ist. Dabei kann das zweite Verteilerrohr ausgebildet sein, das Kühlmedium am zweiten Ende des Kühlkörpers aus dem Kühlkörper aufzunehmen und wieder in den Kühlkörper einzuspeisen. Insbesondere kann das Kühlmedium durch das zweite Verteilerrohr wieder in Richtung des ersten Verteilerrohrs umgelenkt werden.
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Die ein oder mehreren Verteilerrohre können ein (dediziertes) Zulaufrohr umfassen, das mit einem ersten Ende des Kühlkörpers verbunden ist, und das eingerichtet ist, das Kühlmedium an das erste Ende des Kühlkörpers heranzuführen. Desweiteren können die ein oder mehreren Verteilerrohre ein (dediziertes) Ablaufrohr umfassen, das entlang dem ersten Ende des Kühlkörpers verläuft und das an dem ersten Ende des Kühlkörpers mit dem Kühlkörper verbunden ist. Das Ablaufrohr ist dabei ausgebildet, das Kühlmedium von dem ersten Ende des Kühlkörpers wegzuführen. Die Kühleinheit kann somit entlang einem gleichen Ende des Kühlkörpers ein Zulaufrohr und ein separates Ablaufrohr umfassen. Diese Verteilerrohre liegen dabei beide oberhalb der Kühlkörperunterseite (wenn sich die zu kühlende Fläche des Speichermoduls auf der Oberseite des Kühlkörpers befindet).
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Insbesondere können das Zulaufrohr und das Ablaufrohr über jeweilige gebogene Abschnitte mit dem Kühlkörper verbunden sein. Die gebogenen Abschnitte können dabei unterschiedliche Krümmungen aufweisen, um das Zulaufrohr und das Ablaufrohr übereinander entlang dem ersten Ende des Kühlkörpers anzuordnen. Zu diesem Zweck kann das erste Ende des Kühlkörpers in mindestens zwei Bereiche unterteilt sein, wobei die gebogenen Abschnitte für das Zulaufrohr und für das Ablaufrohr in jeweils unterschiedlichen Bereichen des ersten Endes des Kühlkörpers angeordnet sind.
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Der Kühlkörper kann entlang der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls eine Länge von 50cm oder mehr aufweisen, Die ein oder mehreren Verteilerrohre können jeweils einen Durchmesser von 8mm oder mehr aufweisen. Desweiteren kann der Kühlkörper eine Dicke, quer zu der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls, von 2mm, 4mm oder mehr aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrisches Speichermodul für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb beschrieben. Das Speichermodul umfasst eine Vielzahl von Speicherzellen, die entlang einer zu kühlenden Fläche des Speichermoduls nebeneinander angeordnet sind. Desweiteren umfasst das Speichermodul die in diesem Dokument beschriebene Kühleinheit mit einem Kühlkörper und mit zumindest einem Verteilerrohr. Der Kühlkörper kann fest mit der zu kühlenden Fläche des Speichermoduls verbunden, insbesondere verklebt, sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein mehrspuriges Kraftfahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben. Das Kraftfahrzeug umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs. Desweiteren umfasst das Kraftfahrzeug das in diesem Dokument beschriebene elektrische Speichermodul, das eingerichtet ist, elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Maschine zu speichern.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Speichermodul mit einer Kühleinheit mit einem symmetrischen bzw. koplanaren Verteilerrohr;
- 2a ein beispielhaftes Speichermodul mit einer Kühleinheit mit einem, gegenüber der Kühlplatte versetzten, Verteilerrohr;
- 2b einen Ausschnitt aus 2a;
- 2c eine Kühleinheit mit einem versetzten Verteilerrohr und mit mehreren Kühlleitern als Kühlkörper;
- 2d eine Kühleinheit mit einem versetzten Verteilerrohr und mit einer Kühlplatte als Kühlkörper
- 3a ein beispielhaftes Speichermodul mit einer Kühleinheit mit versetzten Verteilerrohren für Zulauf und Ablauf;
- 3b einen Ausschnitt aus 3a;
- 3c eine Kühleinheit mit versetzten Verteilerrohren und mit mehreren Kühlleitern als Kühlkörper; und
- 3d eine Kühleinheit mit versetzten Verteilerrohren und mit einer Kühlplatte als Kühlkörper.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, den erforderlichen Bauraum für ein Speichermodul, insbesondere für die Kühleinheit eines Speichermoduls, in einem Fahrzeug zu reduzieren. 1 zeigt ein beispielhaftes Speichermodul 100 mit einer Vielzahl von Speicherzellen 101. Die einzelnen Speicherzellen 101 weisen elektrische Kontakte 102 auf, über die die Speicherzellen 101 miteinander und/oder mit einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs verbunden werden können. Desweiteren weist das Speichermodul 100 ein Gehäuse 103 auf (z.B. Zuganker mit Druckplatten), durch das die Speicherzellen 101 zu einer Einheit zusammengehalten werden.
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Das Speichermodul 100 ist auf einem flächenförmigen Kühlkörper 110 (z.B. auf einer Kühlplatte bzw. auf einem Multiportkühler) angeordnet, wobei der Kühlkörper 110 Kanäle umfassen kann, durch die ein Kühlmedium (z.B. Wasser-Glykol oder Kohlendioxid) geführt wird, um die Speicherzellen 101 zu kühlen. Der Kühlkörper 110 an einer gekühlten Fläche des Speichermoduls 100 angeordnet. Der Kühlkörper 110 kann, wie in 1 dargestellt, unterhalb der Speicherzellen 101 des Speichermoduls 100 angeordnet sein. Desweiteren kann der Kühlkörper 110 fest mit dem Speichermodul 100 verbunden (z.B. verklebt) sein. Das Kühlmedium kann durch ein oder mehrere Verteilerrohre 111, 112 zu der Kühlfläche 110 hin bzw. von der Kühlfläche 110 weg befördert werden. Die in 1 dargestellte Kühleinheit umfasst ein kombiniertes Zulauf-/Ablaufrohr 111, das eingerichtet ist, das Kühlmedium zu dem Kühlkörper 110 hin bzw. von dem Kühlkörper 110 weg zu befördern, und ein Umlenkrohr 112, das eingerichtet ist, Kühlmedium aus Kanälen des Kühlkörpers 110 zu entnehmen und in andere Kanäle des Kühlkörpers 110 einzuspeisen. Wie aus 1 ersichtlich, sind die Verteilerrohre 111, 112 symmetrisch bzw. koplanar zu dem Kühlkörper 110 angeordnet. Dadurch entsteht unter dem Kühlkörper 110 ein Luftraum (angedeutet durch den Doppelpfeil 115, der den Abstand vom Kühlkörper 110 zum Boden bzw. zur Bodenfreiheit bzw. zur Auflagefläche darstellt).
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Wenn der Kühlkörper 110 z. B. als Auflagefläche des Speichermoduls 100 auf einer ebenen Fläche genutzt wird, wird der Abstand 115 des Speichermoduls 100 zur Auflagefläche durch den Radius der ein oder mehreren Verteilerrohre 111, 112 (z.B. 8 mm) bestimmt. Ohne den, durch die ein oder mehreren Verteilerrohre 111, 112 bestimmten, Abstand 115 könnte der Kühlkörper 110 bis auf die eigene Dicke des Kühlkörpers 110 (z.B. 2-4 mm) an die ebene Auflagefläche heranrücken. So könnte der für das Speichermodul 100 erforderliche Bauraum im Fahrzeug reduziert werden.
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Die koplanare Anordnung eines Verteilerrohres 111, 112 führt dazu, dass wenn, z.B. aus baulichen Gründen, nur auf einer Seite ein Verteilerrohr 111 verwendet werden kann, dieses Verteilerrohr 111 sowohl als Zulauf als auch als Ablauf, d.h. sowohl als Ein- und Ausströmer, verwendet werden muss. Es kann dann innerhalb des Verteilerrohres 111 nur eine Reihenschaltung der Kühlung umgesetzt werden, wodurch ggf. der Wirkungsgrad der Kühlung reduziert. Die koplanare Anordnung von Verteilerrohren 111, 112 kann somit bei baulichen Einschränkungen zu einer reduzierten Effektivität der Kühleinheit führen.
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Die o.g. Nachteile können dadurch überwunden werden, dass die ein oder mehreren Verteilerrohre 111, 112 nicht koplanar und/oder nicht symmetrisch zu dem Kühlkörper 110 angeordnet werden. Zu diesem Zweck kann der Kühlkörper an einem Ende, das einem Verteilerrohr 111, 112 zugewandt ist, zu den Speicherzellen 101 hin (insbesondere aufwärts) gebogen werden (ähnlich wie die Spitze eines Skis). Dies ist beispielhaft in 2a für eine Kühleinheit 230 mit Verteilerrohren 111, 112 an beiden Stirnflächen des Speichermoduls 100, d.h. an zwei entgegensetzten Enden des Kühlkörpers 210. Der Kühlkörper 210 weist an den jeweiligen Enden einen gebogenen Abschnitt 211 auf.
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Die ein oder mehreren gebogenen Abschnitte 211 können derart ausgestaltet sein, dass die entsprechenden ein oder mehreren Verteilerrohre 111, 112 oberhalb der Auflagefläche des Kühlkörpers 210 angeordnet sind. So kann gewährleistet werden, dass sich unterhalb des Kühlkörpers 210 kein Luftraum zu der Ablagefläche ergibt. Folglich kann der erforderliche Bauraum für das Speichermodul 110 und insbesondere für die Kühleinheit 230 reduziert werden.
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2b zeigt einen Ausschnitt aus 2a. Insbesondere zeigt 2b einen gebogenen Abschnitt 211 des Kühlkörpers 210. Desweiteren zeigt 2b einen Zulauf 212 zu dem Verteilerrohr 211. 2c zeigt die Kühleinheit 230 des Speichermoduls 100 aus 2a. Die Kühleinheit 230 umfasst ein erstes Verteilerrohr 111, das mit einem Zulauf 212 und mit einem Ablauf 213 für das Kühlmedium verbunden ist. Desweiteren umfasst die Kühleinheit 230 einen Kühlkörper 210, der in dem in 2c dargestellten Beispiel durch eine Vielzahl von flachen Rohrleitungen für das Kühlmedium gebildet wird. Alternativ kann der Kühlkörper 210 durch eine einheitliche Platte mit einer Vielzahl von Kanälen für das Kühlmedium gebildet sein (wie in 2d gezeigt). Die in 2c dargestellten Pfeile zeigen die Flussrichtung des Kühlmediums durch den Kühlkörper 210 an. Die Kühleinheit 230 umfasst weiter ein zweites Verteilerrohr 112, das dazu verwendet wird, das Kühlmedium von einer ersten Gruppe von Rohrleitungen bzw. Kanälen des Kühlkörpers 210 auf eine zweite Gruppe von Rohrleitungen bzw. Kanälen des Kühlkörpers 210 umzulenken.
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Die 2a bis 2d zeigen eine Kühleinheit 230 mit einer einseitigen Anordnung von Einströmer bzw. Zulauf 212 und Ausströmer bzw. Ablauf 213. Dabei wird der Kühlkörper 210 in hin- und rückströmende Teile unterteilt. 3a bis 3d zeigen eine weitere Variante mit zwei separaten Einströmer- und Ausströmer-Verteilerrohren 311, 321 (auch als Zulaufrohr 311 und Ablaufrohr 321 bezeichnet). Diese beiden Verteilerrohre 311, 321 für Hin- und Rückströmung sind auf der gleichen Seite des Speichermoduls 100 (d.h. an gleichen Ende des Kühlkörpers 210) angebracht. Zur Anbindung der Verteilerrohre 311, 321 kann der Kühlkörper 210 unterschiedlich stark aufwärts geneigt sein, so dass sich beide Verteilerrohre 311, 321 übereinander anordnen lassen.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann die Bauhöhe eines Speichermoduls 110 reduziert werden. Somit kann der erforderliche Bauraum für ein Speichermodul 110 reduziert und so die effektive Energiedichte erhöht werden. Desweiteren kann die verfügbare Kühlfläche einer Kühleinheit 230 durch die Verwendung von übereinander angeordneten separaten Einströmer- und Ausströmer-Verteilerrohren 311, 321 vergrößert werden, da dadurch innere Deckel in einem kombinierten Verteilerrohr 111 entfallen können und da die Kanäle bzw. Leitungsrohre für das Kühlmedium (insbesondere bei sogenannten Multiports) beliebig eng zusammenrücken können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
