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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlplatte zur Batteriekühlung, insbesondere zur Kühlung einer Batterie von Kraftfahrzeugen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Kühlplatten. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kühlvorrichtung für eine Batterie mit zumindest einer solchen Kühlplatte.
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Bei Elektrofahrzeugen gleich ob rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge kommen wiederaufladbare Batterien zum Einsatz, die üblicherweise eine Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschaltete elektrische Speicherzellen aufweisen. Hierbei können elektrische Speicherzellen zu Batteriemodulen zusammengefasst sein, aus denen die Batterie aufgebaut ist.
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Zur Sicherung der Reichweite, Fahrleistung und Ladeleistung ebenso wie der Lebensdauer von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist ein definiertes Thermomanagement der Batterien erforderlich. Die Batterien sind empfindlich im Hinblick auf eine unterschiedliche Temperaturverteilung, wodurch es zu einer Überhitzung und einem vorzeitigen Altern kommen kann. Um die Batterien in einem optimalen Temperaturbereich zu halten, kommen Kühlvorrichtungen zum Einsatz. Diese sollen sicherstellen, dass nicht benötigte Abwärme, die beim Betreiben der Batterien entsteht, von den Batterien abgeführt und die Batterie auf einem gleichmäßigen Temperaturniveau temperiert wird.
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Zur Kühlung von Batterien bzw. Batteriemodulen werden Kühlplatten eingesetzt, welche die Batterien direkt oder indirekt kontaktieren. Häufig werden zur Kühlung der Batterien bzw. Batteriemodule Kühlplattenanordnungen oberhalb und/oder unterhalb der Batterien angebracht. Die Kühlplatten werden von einem Kühlfluid durchflossen. Solche Kühlplatten bestehen üblicherweise aus zwei plattenartigen Bauteilen bzw. Plattenkörpern, die zusammengesetzt einen oder mehrere dazwischenliegende Kühlkanäle begrenzen. Häufig sind die Kühlplatten aus Leichtmetallblechen, insbesondere Aluminiumblechen, oder stangengepressten Leichtmetallprofilen, insbesondere Aluminiumprofilen, gefertigt.
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Um das Kühlfluid der Kühlplatte zu- und abzuführen werden die Platten mit Anschlussstutzen versehen. In der Regel werden die Anschlussstutzen formgebend oder spanabhebend gefertigt. Die Verbindung der Anschlussstutzen an die Kühlplatte wird stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben vorgenommen, auch Schraubverbindungen sind bekannt.
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Eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie mit einer Kühlplatte, welche einen stoffschlüssig gefügten Anschluss bzw. Anschlussstutzen aufweist zählt durch die
EP 2 828 922 B1 zum Stand der Technik.
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Aus der
DE 10 2015 216 719 A1 ist eine Kühlplatte bekannt. In der Kühlplatte ist ein Kühlkanal und ein damit kommunizierender Zulauf und ein Ablauf angeordnet. Im Bereich des Zulaufs und des Ablaufs ist jeweils ein Anschlussstutzen vorgesehen, der zwischen dem Oberteil und dem Unterteil der Kühlplatte eingeklemmt ist.
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Eine löttechnisch gefügte Kühlplatte gebildet aus einer Strukturplatte und einer Deckplatte ist in der
DE 10 2014 217 728 A1 beschrieben.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2014 217 931 A1 eine Kühlvorrichtung für ein Batteriesystem eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Diese weist einen Anschlussflansch zur Verbindung der Kühlvorrichtung mit einem fahrzeugseitigen Kälte- bzw. Kühlmittelkreislauf auf. Der Anschlussflansch besitzt eine Grundplatte aus Kunststoff, die wenigstens eine, insbesondere zwei, Anschlussstellen aufweist.
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Nachteilig sind bei stoffschlüssigen Verbindungen von Kühlplatte und Anschlussstutzen mögliche Undichtigkeiten, insbesondere in Folge von thermischen Verzügen und der damit verbundene Nachbearbeitungsaufwand. Klebetechnische Verbindungen sind demgegenüber durch ihre kostenintensive Oberflächenvorbereitung (Beizen u.a.), aufwendig.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde eine Kühlplatte aufzuzeigen mit einem funktional und montagetechnisch verbesserten Anschlussstutzen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte zu schaffen, welches eine montagegerechte, prozesssichere und günstige Fügung eines Anschlussstutzens an der Kühlplatte ermöglicht.
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Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Kühlplatte gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
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Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 5 bzw. 7 bis 9.
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Anspruch 10 ist auf eine Kühlvorrichtung für eine Fahrzeugbatterie mit einer erfindungsgemäßen Kühlplatte bzw. einer erfindungsgemäß hergestellten Kühlplatte gerichtet.
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Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Kühlplatte sowohl ein einzelne Platte als auch eine aus zwei Plattenbauteilen bzw. Plattenkörpern zusammengesetzte Kühlplatte verstanden.
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Gemäß der Erfindung weist der Anschlussstutzen einen Montageflansch sowie einen Steckabschnitt auf. Der Montageflansch liegt an einem Plattenkörper der Kühlplatte an. Der Steckabschnitt ist in einer Montageöffnung der Kühlplatte bzw. des Plattenkörpers positioniert sowie plastisch verformt. Durch die zumindest bereichsweise partielle Umformung des Steckabschnitts ist der Anschlussstutzen mit der Kühlplatte gefügt. Dies erfolgt in erster Linie formschlüssig. Möglich ist es einen oder beide Fügepartner zu erwärmen und die Fügung im warmen Zustand durchzuführen. Nach dem Abkühlen entsteht durch Schrumpfung zusätzlich ein Kraftschluss.
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Der Anschlussstutzen liegt mit seinem Montageflansch an der Außenseite der Kühlplatte bzw. einem Plattenkörper der Kühlplatte an. Der Steckabschnitt ist durch die in den geometrischen Abmessungen auf den Steckabschnitt angepasste Montageöffnung in den Plattenkörper hindurchgeführt und auf der dem Montageflansch gegenüberliegenden Seite des Kühlplattenkörpers plastisch verformt. Hierdurch entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen Anschlussstutzen und Kühlplatte. Die Umformung wird mit einem Umformwerkzeug, beispielsweise einem Umformstempel, vorgenommen. Dies kann sowohl in Richtung des oberen Plattenkörpers der Kühlplatte, als auch entgegengesetzt von der unteren Seite des oberen Plattenkörpers vorgenommen werden.
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Die Erfindung schafft eine vorteilhafte und schnelle, montagegerechte sowie prozesssichere Verbindung zwischen Anschlussstutzen und Kühlplatte. Eine hohe Prozessstabilität ist gewährleistet. Es erfolgt keine thermische Beeinflussung umgebender Bauteile oder Bauteilkomponenten. Auf einen Beizprozess kann vollkommen verzichtet werden. Eine geringe Taktzeit lässt sich realisieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit im Schadensfall einen Anschlussstutzen auszutauschen.
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Durch den Umformvorgang und die partielle Verformung des Steckabschnitts wird der Montageflansch des Anschlussstutzens gegen den Plattenkörper gezogen.
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Hierbei kommt es auch zu einem Anlegen des Stutzenabschnitts bzw. des Werkstoffs des Stutzenabschnitts an und/oder in der Montageöffnung, wodurch eine erste metallische Abdichtung entsteht. Im weiteren Umformverlauf bewegt sich der Anschlussstutzen axial in Richtung zum Plattenkörper weiter. Hierdurch kommt es zu einer zusätzlichen Abdichtwirkung. Des Weiteren kann zwischen dem Montageflansch und der Kühlplatte bzw. dem Plattenkörper eine Dichtung bzw. ein Dichtelement eingegliedert werden. Durch die Umformbewegung und das gegeneinander verspannen von Anschlussstutzen und Plattenkörper wird das Dichtelement gegen den Plattenkörper gepresst und bis zur vollständigen Anlage des Anschlussstutzens an den Plattenkörper elastisch verformt. Hierdurch entsteht eine zweite formschlüssige und dichte Verbindung.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Steckabschnitts sieht vor, dass dieser endseitig einen verbreiterten Schulterbereich aufweist. Dieser verbreitete Schulterbereich erstreckt sich radial nach innen. Der Steckabschnitt hat dementsprechend an seiner mündungsseitigen Öffnung einen geringeren Innendurchmesser als in seinem übrigen Längenbereich.
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Wie bereits ausgeführt ist die Montage des Anschlussstutzens einfach und prozesssicher. Es wird ein Anschlussstutzen bereitgestellt, welcher einen Montageflansch und einen Steckaufschnitt aufweist. Des Weiteren wird der Plattenkörper einer Kühlplatte bereitgestellt. Im Plattenkörper ist eine Montageöffnung eingebracht. Diese Montageöffnung weist einen Durchmesser auf, der auf den Außendurchmesser des Steckabschnitts abgestimmt ist. Der Steckabschnitt wird in die Montageöffnung eingeführt, bis der Montageflansch an der Kühlplatte bzw. dem Plattenkörper anliegt. Anschließend erfolgt das Fügen des Anschlussstutzens mit dem Plattenkörper, wozu der Steckabschnitt mittels eines Umformwerkzeuges plastisch, insbesondere bereichsweise, plastisch verformt wird.
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Insbesondere wird das freie Ende des Steckabschnitts durch das Umformwerkzeug aufgeweitet und nach außen in Richtung zur Unterseite des Plattenkörpers geformt.
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Hierbei wird das Umformwerkzeug beim Formvorgang relativ zum Steckabschnitt bewegt. Das Umformwerkzeug kann beim Formvorgang axial relativ zum Steckabschnitt bewegt werden. Auch eine rotatorische Bewegung des Umformwerkzeugs relativ zum Steckabschnitt ist vorteilhaft. Die Kombination einer axialen und einer rotatorischen Bewegung des Umformwerkzeugs beim Formvorgang relativ zum Steckabschnitt ist ebenfalls vorteilhaft. Insbesondere die Überlagerung einer axialen und einer rotatorischen Relativbewegung ist effizient.
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Das Umformwerkzeug ist entsprechend für den Formvorgang konfiguriert. Bei dem Umformwerkzeug kann es sich um einen Umformstempel mit einem endseitigen Aufweitkegel handeln. Der Aufweitkegel kann sich konisch verjüngen oder auch konisch verbreitern. Auch ein mehrteiliges Umformwerkzeug mit einem Stempelkörper und einem konischen Spreizring bzw. -konus, welche gegeneiner verlagert werden, ist möglich.
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Durch die plastische Verformung des Steckabschnitts werden die Bauteile gegeneinander verspannt und dichten gegenseitig ab. Vorzugsweise ist zwischen Montageflansch und Kühlplatte eine Dichtung eingegliedert, die ebenfalls beim Umformvorgang bzw. der Fügung von Anschlussstutzen und Plattenkörper der Kühlplatte verspannt wird.
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Der mit dem zumindest einem Anschlussstutzen versehene Plattenkörper wird dann zur Kühlplatte komplettiert. Hierbei kann der Plattenkörper mit einem weiteren plattenförmigen Bauteil gefügt werden. Auf diese Weise wird eine Kühlplatte mit einem geschlossenen Leitungssystem hergestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich zunächst einen Plattenkörper mit einem weiteren Plattenkörper oder einem Plattenelement zur Kühlplattenanordnung zu fügen und anschließend die notwendigen Anschlussstutzen in vorbereitete Montageöffnungen im Plattenkörper gemäß der Erfindung zu fügen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt einer Kühlplatte mit Anschlussstutzen während des Montagevorgangs;
- 2a bis 2c den Montagevorgang des Anschlussstutzens gemäß der Darstellung von 1 in drei Montagesituationen und
- 3a bis 3c den Montagevorgang von Anschlussstutzen und Plattenkörper der Kühlplatte in drei Montagesituationen bei Verwendung eines anderen Umformwerkzeugs.
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Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Kühlplatte 1. Die Kühlplatte 1 weist einen Plattenkörper 2 und einen am Plattenkörper 2 festgelegten Anschlussstutzen 3 für ein Kühlfluid auf.
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Üblicherweise besitzt die Kühlplatte 1 zwei Anschlussstutzen 3 für den Zulauf und Ablauf von Kühlfluid. Komplettiert wird die Kühlplatte 1 durch einen hier nicht dargestellten zweiten unteren Plattenkörper bzw. ein unteres Plattenelement. Dieses bildet den Boden bzw. den bodenseitigen Abschluss der Kühlplatte 1. Zwischen dem oberen Plattenkörper 2 und dem unteren Plattenelement verlaufen ein oder mehrere Kühlkanäle.
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Der Anschlussstutzen 3 weist einen oberen Anschlussabschnitt 4 auf. Dieser ist zum Anschluss einer Kühlfluidleitung konfiguriert (nicht dargestellt). Des Weiteren weist der Anschlussstutzen 3 einen sich radial vom Anschlussabschnitt 4 nach außen erstreckenden Montageflansch 5 auf. In Verlängerung des Anschlussabschnitts 4 besitzt der Anschlussstutzen 3 unterhalb des Montageflanschs 5 einen Steckabschnitt 6 auf (siehe hierzu auch 2a bis 2c sowie die 3a bis 3c). Durch den Anschlussstutzen 3 erstreckt sich in dessen Längsrichtung eine Durchgangsöffnung 7.
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Im Plattenkörper 2 ist eine Montageöffnung 8 eingebracht. Die Montageöffnung 8 weist einen Durchmesser DM auf, der auf den Außendurchmesser DS des Steckabschnitts 6 abgestimmt ist. Endseitig des Steckabschnitts 6 ist im Bereich seiner unteren Öffnung ein verbreiterter Schulterbereich 9 vorgesehen. Der Schulterbereich 9 erstreckt sich umlaufend radial nach innen. Die 2a und 3a verdeutlichen, dass der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung 7 im Schulterbereich 9 im Ausgangszustand des Anschlussstutzens 3 reduziert ist.
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Der Montageflansch 5 weist an seiner zum Plattenkörper 2 gewandten Unterseite 10 eine Aufnahme 11 in Form einer Ringnut auf. In der Aufnahme 11 ist ein Dichtelement 12 in Form eines Dichtrings aufgenommen.
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Zur Montage des Anschlussstutzens 3 mit dem Plattenkörper 2 wird der Anschlussstutzen 3 mit seinem Steckabschnitt 6 in die Montageöffnung 8 eingeführt bis der Montageflansch 5 flächig oberseitig am Plattenkörper 2 anliegt. Durch axiale Verlagerung eines stempelförmigen Umformwerkzeugs 13 wird der Steckabschnitt 6 plastisch verformt. Hierbei wird das untere durch die Montageöffnung 8 ragende freie Ende 14 des Steckabschnitts 6 nach außen aufgeweitet und gebogen. Der Umformvorgang ist in der 1 durch die Pfeile V verdeutlicht. Durch die plastische Verformung des Steckabschnitts 6 wird der Werkstoff auch an die Bohrungskante der Montageöffnung 8 angeformt. Hierdurch entsteht eine metallische Abdichtung. In Folge der weiteren Umformung wird der Montageflansch 5 in Richtung zum Plattenkörper 2 gezogen. Hierbei wird das Dichtelement 12 gegen den Plattenkörper verspannt, wodurch eine weiter formschlüssige Dichtung erfolgt.
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Das Umformwerkzeug 13 kann beim Formvorgang auch rotatorisch bewegt werden. Möglich ist auch eine axiale Verlagerung bei gleichzeitiger rotatorischer Bewegung des Umformwerkzeugs.
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Nach Beendigung des Montagevorgangs ist der Anschlussstutzen 3 stabil und dicht mit dem Plattenkörper 2 verbunden.
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Bei dem Montagevorgang wie anhand der 2a bis 2c dargestellt, kommt ein Umformwerkzeug 13 in Form eines Umformstempels zum Einsatz. Dieses wird axial in Richtung des Pfeils P1 verlagert. Der Stempelweg des Umformwerkzeugs 13 ist in Bildebene von oben nach unten in Richtung zum Plattenkörper 2 der Kühlplatte 1. Das Umformwerkzeug 13 weist einen konischen Aufweitkegel 15 auf. Dieser gelangt bei der Verlagerung innenseitig an dem nach innen ragenden Schulterbereich 9 zur Anlage (2a). Bei der weiteren Abwärtsbewegung entsprechend dem Pfeil P1 wird der Steckabschnitt 6 nach außen verformt (2b) bis die plastische Verformung abgeschlossen und der Anschlussstutzen 3 festgelegt ist (2c).
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Die Darstellungen der 3a bis 3c entsprechen grundsätzlich der zuvor Beschrieben. Von daher sind einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beim Montagevorgang wie in den 3a bis 3c dargestellt, kommt ein Umformwerkzeug 13a mit einem sich konisch erweiternden Aufweitkegel 15a zur Anwendung. Das Umformwerkzeug 13a ist bereits im Anschlussstutzen 3 von unten eingeführt. Der Stempelweg ist entsprechend dem Pfeil P2 in Bildebene von unten nach oben. Bei der Verlagerung wird der Endbereich 16 des Steckabschnitts 6 durch den Aufweitkegel 15a nach außen plastisch verformt. Auf diese Weise wird der Anschlussstutzen 3 formschlüssig und dicht mit dem Plattenkörper 2 gefügt.
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Ein Plattenkörper 2 mit gefügten Anschlussstutzen 3 wird durch Anbau von notwendigen Bauteilkomponenten, insbesondere einem weiteren plattenförmigen Bauteil, zur Kühlplatte komplettiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Kühlplatte
- 2 -
- Plattenkörper
- 3 -
- Anschlussstutzen
- 4 -
- Anschlussabschnitt
- 5 -
- Montageflansch
- 6 -
- Steckabschnitt
- 7 -
- Durchgangsöffnung
- 8 -
- Montageöffnung
- 9 -
- Schulterbereich
- 10-
- Unterseite
- 11 -
- Aufnahme
- 12 -
- Dichtelement
- 13 -
- Umformwerkzeug
- 13a -
- Umformwerkzeug
- 14 -
- freies Ende v. 6
- 15 -
- Aufweitkegel
- 15a -
- Aufweitkegel
- DM -
- Durchmesser
- DS -
- Außendurchmesser
- V -
- Pfeil
- P1 -
- Pfeil
- P2 -
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2828922 B1 [0006]
- DE 102015216719 A1 [0007]
- DE 102014217728 A1 [0008]
- DE 102014217931 A1 [0009]
