DE102012200400A1

DE102012200400A1 - Anordnung eines elektrischen Energiespeichers und einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102012200400A1
Application number: DE201210200400
Authority: DE
Inventors: Max Bachmann; Heinz Reichert
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-07-18

Abstract

Es wird eine Anordnung mit mehreren etwa parallel zueinander angeordneten Zellen (2) eines elektrischen Energiespeichers und mit mehreren mit Kühlmittel durchströmten Kühlelementen (1) einer Kühleinrichtung zum Kühlen der Zellen (2) vorgeschlagen, wobei jedes Kühlelement (1) mehreren Zellen (2) zugeordnet ist, und wobei die Kühlelemente (1) mit einer gemeinsamen Kühlmittelversorgung der Kühleinrichtung verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines elektrischen Energiespeichers und einer Kühleinrichtung für ein Fahrzeug.
Aus der Fahrzeugtechnik sind Anordnungen mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen von elektrischen Energiespeichern mit mehreren so genannten Coffeebag-Zellen bekannt. Hierbei werden Wärmeleitbleche, so genannte Finnen zwischen den einzelnen Zellen des Energiespeichers angeordnet, die mit einer Kühleinrichtung verbunden sind, um eine indirekte Kühlung zu realisieren. Bei der indirekten Kühlung kann eine Überschreitung von zulässigen Zelltemperaturen nur bedingt verhindert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung eines Energiespeichers und einer Kühleinrichtung vorzuschlagen, die einerseits eine ausreichende Kühlung des Energiespeichers sicherstellt und andererseits konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen sowie der Beschreibung.
Es wird eine Anordnung als Kühlkonzept eines Energiespeichers für ein Fahrzeug vorgeschlagen, bei dem mit mehreren mit Kühlmittel durchströmten Kühlelementen bzw. Kühltaschen oder dergleichen die etwa parallel zueinander angeordneten prismatischen Zellen, vorzugsweise so genannten Coffee-Bag-Zellen, des elektrischen Energiespeichers direkt kühlbar sind, wobei die Kühltaschen konstruktiv einfach an eine gemeinsame, zentrale Kühlmittelversorgung angeschlossen sind. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden analog zu den Zellbags Kühlbags in Reihe paketiert, wobei die Kühlbags mit dem Kühlmittelzulauf und dem Kühlmittelablauf in paralleler Weise gleichzeitig verbunden sind. Als Energiespeicher bzw. Energiespeichermodul kann vorzugsweise eine Li-Ionen Batterie bzw. Akkumulator vorgesehen sein. Jedes vorgesehene Kühlelement ist jeweils zwischen benachbarten Zellen des Speichermoduls angeordnet, so dass jeweils ein Kühlelemente zwei Zellen zugeordnet ist, wobei die Kühlflächen jedes Kühlelementes zumindest bereichsweise mit der Oberfläche der zugewandten Zellen zur Kühlung bzw. zur Wärmeabfuhr direkt in Kontakt stehen.
Auf diese Weise wird bei dem Kühlkonzept eine Wärmeableitung schon bei minimaler Temperaturdifferenz realisiert, so dass eine zulässige Zelltemperatur nicht überschritten wird. Mit der vorgeschlagenen direkten Kühlung wird das Kühlmittel großflächig direkt an der Zelloberfläche entlang geführt, so dass ein minimaler Widerstand bezüglich der Wärmeleitung entsteht. Durch die vorteilhaft kompakte Anordnung bzw. Paketierung von Kühlelementen und Zellen ergibt auch bei der vorgesehenen Direktkühlung eine bauraumsparende Anordnung, die aufgrund der geringen Anzahl an erforderlichen Bauteilen zu dem ein geringes Gewicht bedingt.
Die Kühlmittelversorgung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung wird durch die Verwendung einer zentralen Kühlmittelversorgungsplatte oder dergleichen zudem kompakt aufgebaut. Dazu kann beispielsweise die Kühlmittelversorgungsplatte einen Kühlmittelzulaufkanal und einen Kühlmittelablaufkanal aufweisen. Bevorzugt können der Zulauf und auch der Ablauf innerhalb der Kühlmittelversorgungsplatte verlaufen, so dass diese in die Platte integriert sind. Auf diese Weise können die zum Beispiel prismatischen Zellen und Kühlelemente über ein konstruktiv einfach aufgebautes Stecksystem oder dergleichen mit dem Kühlmittelzulaufkanal und Kühlmittelablaufkanal reib- bzw. kraft- und/ oder formschlüssig gekoppelt werden.
Um die Fertigungskosten der erfindungsgemäßen Anordnung weiter zu reduzieren, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zentrale Kühlmittelversorgungsplatte als besonders einfach herstellbares Spritzguss-Kunststoffteil oder dergleichen ausgeführt werden. Eine gleichmäßige Durchströmung der parallel an die Kühlmittelversorgungsplatte angeschlossenen Kühlelemente kann dadurch erreicht werden, dass der Kühlmittelzulaufkanal und der Kühlmittelablaufkanal mit einer Kühlmittelleitschiene versehen wird, um dadurch einen sich verändernden Querschnitt vorzusehen, so dass an jeden Kühlelement derselbe Durchfluss eingestellt ist, um eine Homogenisierung der Temperaturen in dem Energiespeicher zu erreichen.
Die Kühlelemente oder Kühlbags können beispielsweise als Stanz-Prägeteile oder dergleichen ausgeführt werden. Dazu können Ober- und Unterteil der Kühlelemente bzw. Kühltaschen mithilfe eines Stanz-Prägewerkzeuges vorgefertigt werden, die im verbundenen Zustand einen Innenraum bzw. Hohlraum bilden, der mit Kühlmittel durchströmt wird. Der Innenraum kann beliebige Formen aufweisen. Vorzugsweise kann ein U-förmiger oder dergleichen Strömungsverlauf des Kühlmittels realisiert werden. Es ist auch denkbar, dass der Innenraum mehrteilig ausgebildet ist. In diesem Fall könnte vorgesehen sein, dass die einzelnen Teilbereiche auch voneinander abtrennbar sind. Die Kühlmittelstutzen jedes Kühlelementes können aus einem spanenden oder nur umgeformt metallischen Drehteil gefertigt werden und anschließend mit dem Ober- und Unterteil des Kühlelements verschweißt, hartgelötet oder geklebt werden. Es ist auch möglich, dass die Kühlmittelstutzen als Spritzguss-Kunststoffteil hergestellt werden und mit dem Ober- und Unterteil des Kühlelementes verbunden oder schon bei der Herstellung verbunden bzw. angeformt werden. Dabei sind auch die Gestaltung eines Rahmens zur Paketierung und die Anbringung von Befestigungselementen möglich.
Zur weiteren Erhöhung der Kühlleistung kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein, dass die Kühlflächen der Kühlelemente durch zusätzliche oder auch alternativ vorgesehene Kühlbleche oder dergleichen ergänzt bzw. teilweise ersetzt werden. Die Kühlbleche können ebenfalls zwischen Zellen des Speichermoduls angeordnet werden, um ebenfalls einen direkten Kontakt mit der Oberfläche jeder Zelle zu gewährleisten. Die Kühlelemente können zur elektrischen Isolierung auch mit einer entsprechenden Beschichtung, beispielsweise einer Folie oder dergleichen versehen werden.
Um bei der vorgeschlagenen Anordnung die parallel zueinander angeordneten Zellen und Kühlelemente möglichst dicht aneinander zu befestigen, können beispielsweise an der ersten Zelle und der letzten Zelle eine Endplatte oder dergleichen vorgesehen werden, die quasi die gesamte Anordnung von Zellen und Kühlelemente umklammern, wobei die Kühlelemente beispielsweise über Befestigungs- bzw. Verbindungsabschnitte an den Endplatten befestigt sind. Zum Ausgleich von Toleranzen und zur Erhöhung der Anpassungsfähigkeit können beispielsweise elastische Druckplatten bzw. Druckpads oder dergleichen aus Kunststoff oder Schaumstoff zwischen Zellen vorgesehen werden. Dies erlaubt eine parallel gestaltete Anschlusstechnik an der zentralen Kühlmittelversorgungsplatte.
Bevorzugt kann die vorgeschlagene Anordnung mit dem entsprechend gekühlten elektrischen Energiespeicher bei Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, die über einen rein elektrischen Antrieb oder einen Hybridantrieb verfügen, bei denen das elektrische Speichermodul zur Energieversorgung des Antriebes oder zum Speichern bzw. Rekuperieren von elektrischer Energie eingesetzt werden können.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert, in denen ein mögliches Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine schematische Teilansicht einer möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Kühleinrichtung;
2 eine geschnittene Ansicht von zwischen Zellen des Energiespeichers angeordneten Kühlelementen der Kühleinrichtung gemäß 1;
3 eine Explosionsdarstellung eines Kühlelementes der Anordnung;
4 eine schematische Einzelteilansicht eines Kühlelementes der Anordnung; und
4A eine vergrößerte Ansicht eines Kühlmittelzulaufstutzens und eines Kühlmittelablaufstutzens.
In den Figuren ist exemplarisch eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Anordnung mit mehreren mit Kühlmittel durchströmten Kühlelementen bzw. Kühltaschen 1 zum Kühlen von zumindest einem elektrischen Energiespeichermodul mit mehreren parallel zueinander angeordneten prismatischen Zellen 2 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die Anordnung kann vorzugsweise in einem Nutzfahrzeug eingesetzt werden.
In 1 ist die Anordnung nur mit einem Teil der Kühlelemente 1 und einem Teil der Zellen 2 des elektrischen Energiespeichers gezeigt. Jede Zelle 2 ist mit elektrischen Anschlüssen 16 versehen. Die nicht weiter dargestellte Kühleinrichtung umfasst eine zentrale Kühlmittelversorgungsplatte 3, in die ein Kühlmittelzulaufkanal 4 und ein Kühlmittelablaufkanal 5 integriert ist. Der Kühlmittelzulaufkanal 4 und der Kühlmittelablaufkanal 5 können entweder zum Beispiel als Rohr in der Kühlmittelversorgungsplatte 3 verlegt werden oder es ist auch denkbar, dass entsprechende Hohlräume in der Kühlmittelversorgungsplatte 3 gebildet werden, an die dann jeweils ein Anschluss für den Kühlmittelzulaufkanal 4 und den Kühlmittelablaufkanal 5 befestigt wird. An der Oberseite der Kühlmittelversorgungsplatte 3 sind in Reihe mehrere Anschlussöffnungen 6 an den Kühlmittelzulaufkanal 4 und in Reihe mehrere Anschlussöffnungen 7 an den Kühlmittelablaufkanal 5 vorgesehen. Ferner ist an jeder Stirnseite der Kühlmittelversorgungsplatte 3 ein Befestigungsflansch 20 vorgesehen.
Die Kühlelemente 1 sind jeweils als Kühltasche bzw. Kühlbag ausgebildet und jeweils zwischen benachbarten Zellen 2 des Energiespeichers parallel nebeneinander angeordnet, so dass jeweils ein Kühlelement 1 zwei Zellen 2 zugeordnet ist, um diese entsprechend zu kühlen. Dadurch wird mehr Bauraum für die Kühlmittelanschlusstechnik geschaffen. Dadurch, dass die Kühlelemente 1 jeweils mit ihren Kühlflächen direkt an der Oberfläche der Zellen 2 anliegen, wird eine optimale Kühlleistung mit der vorgeschlagenen Kühlanordnung erzielt.
Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, können alternativ oder auch zusätzlich Kühlbleche und/oder Druckplatten 17 zwischen benachbarten Zellen 2 angeordnet werden. Mögliche Toleranzen zwischen den Zellen 2 des Energiespeichers können über zwischen Zellen 2 angeordnete Druckplatten bzw. Druckpads 17 ausgeglichen werden. Dadurch, dass die einem Kühlelement 1 zugeordnete Zelle 2 an der dem Kühlelement 1 abgewandten Seitenfläche eine Druckplatte 17 oder eine Endplatte 20 zugeordnet ist, ergibt sich neben dem Toleranzausgleich zusätzlich eine Befestigungsmöglichkeit der Zellen 2 und der Kühlelemente 1 an den Endplatten 19. Der ersten und der letzten Zelle 2 ist jeweils eine Endplatte 19 zugeordnet, wobei in 2 nur eine der Endplatten 19 dargestellt ist.
Ferner ist aus 2 ersichtlich, dass der in der Kühlmittelversorgungsplatte 3 vorgesehenen Kühlmittelzulaufkanal 4 und der Kühlmittelablaufkanal 5 jeweils eine Kühlmittelleitschiene 18 zur entsprechenden Querschnittsanpassung aufweisen. Auf diese Weise kann eine Regulierung des Kühlmitteleinlassdruckes bei jedem Kühlelement 1 realisiert werden, um eine gleichmäßige Durchströmung der angeschlossenen Kühlelemente 1 sicherzustellen.
Jedes als Kühlpad ausgebildetes Kühlelement 1 weist ein etwa plattenförmiges Unterteil 8 und ein plattenförmiges Oberteil 9 auf, die jeweils korrespondierende Vertiefungen aufweisen, welches insbesondere aus der Explosionsdarstellung gemäß 3 ersichtlich ist. Wenn das Oberteil 9 mit dem Unterteil 8 verbunden ist, bilden die Vertiefungen einen mit Kühlmittel durchströmbaren Innenraum bzw. Hohlraum 10 bei jedem Kühlelement 1. Der gebildete Innenraum 10 ermöglicht einen etwa U-förmigen Strömungsverlauf des Kühlmittels durch das Kühlelemente 1, wie in 4 angedeutet ist. Durch die U-Form wird quasi eine Zwangsführung des Kühlmittels in dem Innenraum 10 realisiert, welches sich positiv auf die Kühlleistung auswirkt. Als Kühlmittel zum Durchströmen des Innenraumes 10 kann ein flüssiges, gasförmiges oder dergleichen Medium verwendet werden. Beispielsweise kann Wasser als Kühlmittel eingesetzt werden.
Das Oberteil 9 und das Unterteil 8 jedes Kühlelementes 1 kann mithilfe eines Stanz-Prägewerkzeuges vorgefertigt werden, so dass dann die vorgefertigten Teile miteinander verschweißt oder hart gelötet werden können. Es ist auch denkbar, dass andere Verbindungsverfahren, wie zum Beispiel Kleben oder dergleichen je nach verwendetem Werkstoff eingesetzt werden.
An jedes Kühlelement 1 kann beispielsweise als Drehteil oder als Spritzguss-Kunststoffteil ein Kühlmittelzulaufstutzen 11 und ein Kühlmittelablaufstutzen 12 an einer zugeordneten Öffnung angeformt oder befestigt werden, die dann beispielsweise durch einfaches Einstecken mit den Anschlussöffnungen 6 und 7 verbunden werden können. Um die Steckverbindung entsprechend abzudichten, können die Kühlmittelzulaufstutzen 11 und die Kühlmittelablaufstutzen 12 mit einem Dichtelement, zum Beispiel einem O-Ring 13 versehen werden. Der Kühlmittelzulaufstutzen 11 und der Kühlmittelablaufstutzen 12 sind an der der Kühlmittelversorgungsplatte 3 zugeordneten Stirnseite jedes Kühlelement 1 angeordnet. Die Kühlelemente 1 weisen an ihrer der Kühlmittelversorgungsplatte 3 abgewandten Stirnseite zumindest einen Verbindungsabschnitt 15 auf, mit dem die Befestigung und Beabstandung der Kühlelemente 1 bzw. der Zellen 2 an den Endplatten 19 realisiert wird. Es ist auch denkbar, dass die Kühlelemente 1 entsprechend elastisch ausgeführt werden, so dass eine parallel ausgerichtete Anschlusstechnik für den Kühlmittelzulaufkanal 4 und den Kühlmittelablaufkanal 5 an der zum Beispiel als Spritzgussteil ausgebildeten Kühlmittelversorgungsplatte 3 realisiert wird.
Um den Innenraum jedes Kühlelements 1 gegenüber der Umgebung abzudichten, sind die Ränder von Oberteil 9 und Unterteil 8 als umlaufende Verbindungsfläche 14 ausgeführt, die bei Bedarf ergänzend abgedichtet werden kann. Zusätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ein Mittelabschnitt ebenfalls als Verbindungsfläche 14 ausgeführt. Dadurch wird die U-Form des Innenraumes 10 gebildet, wodurch zusätzlich die Stabilität jedes Kühlelementes 1 erhöht wird. Um die Kühlelemente 1
Insgesamt kann die vorgeschlagene Kühlanordnung mit wenigen Werkzeugen ohne Spezialteile kostengünstig hergestellt werden, so dass insgesamt ein geringes Gewicht und ein geringer Bauraumbedarf notwendig ist.
Bezugszeichenliste

1: Kühlelement
2: Zelle
3: Kühlmittelversorgungsplatte
4: Kühlmittelzulaufkanal
5: Kühlmittelablaufkanal
6: Anschlussöffnungen an den Kühlmittelzulaufkanal
7: Anschlussöffnungen an den Kühlmittelablaufkanal
8: Unterteil
9: Oberteil
10: Hohl- bzw. Innenraum
11: Kühlmittelzulaufstutzen
12: Kühlmittelablaufstutzen
13: O-Ring
14: Verbindungsfläche
15: Verbindungsabschnitt
16: elektrischer Anschluss
17: Druckplatte
18: Kühlmittelleitschiene
19: Endplatte
20: Befestigungsflansch

Claims

Anordnung mit mehreren etwa parallel zueinander angeordneten Zellen (2) eines elektrischen Energiespeichers und mit mehreren mit Kühlmittel durchströmten Kühlelementen (1) einer Kühleinrichtung zum direkten Kühlen der Zellen (2), wobei jedes Kühlelement (1) zwei Zellen (2) zugeordnet ist, und wobei die Kühlelemente (1) mit einer gemeinsamen Kühlmittelversorgung der Kühleinrichtung verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gemeinsamen Kühlmittelversorgung mehrere etwa parallel nebeneinander angeordnete Kühlelemente (1) jeweils über einen Kühlmittelzulaufstutzen (11) und einen Kühlmittelablaufstutzen (12) mit einer Kühlmittelversorgungsplatte (3) reibschlüssig oder formschlüssig verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kühlmittelversorgungsplatte (3) ein Kühlmittelzulaufkanal (4) und ein Kühlmittelablaufkanal (5) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelzulaufkanal (4) und im Kühlmittelablaufkanal (5) zumindest eine die jeweilige Querschnittsform verändernde Kühlmittelleitschiene (18) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Kühlmittelzulaufkanales (4) und entlang des Kühlmittelablaufkanales (5) jeweils mehrere in Reihe angeordnete Anschlussöffnungen (6, 7) an der Kühlmittelversorgungsplatte (3) vorgesehen sind, in die jeweils zugeordnete Kühlmittelzulaufstutzen (11) und zugeordnete Kühlmittelablaufstutzen (12) jedes Kühlelementes (1) einsteckbar sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (1) ein Unterteil (8) und ein Oberteil (9) aufweist, die zumindest an ihren Rändern als Verbindungsflächen (14) miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (1) ein mit Kühlmittel durchströmten Innenraum (10) aufweist, der derart gestaltet ist, dass ein etwa U-förmiger Strömungsverlauf im Innenraum (10) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzulaufstutzen (11) und der Kühlmittelablaufstutzen (12) jedes Kühlelementes (1) jeweils als Kunststoff-Spritzgussteil oder als metallisches Drehteil an einer zugeordneten Öffnen des Kühlelementes (1) angeformt oder befestigt ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Kühlmittelversorgungsplatte (3) zugeordneten Stirnseite jedes Kühlelementes (1) der Kühlmittelzulaufstutzen (11) und der Kühlmittelablaufstutzen (12) vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einem Kühlelement (1) zugeordnete Zelle (2) an der dem Kühlelement (1) abgewandten Seitenfläche einer Druckplatte (17) oder einer Endplatte (19) zum Paketieren von Zellen und Kühlelemente zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der der Kühlmittelversorgungsplatte (3) abgewandten Stirnseite jedes Kühlelementes (1) zumindest ein Verbindungsabschnitt (15) angeordnet ist, der mit zumindest einer Endplatte (19) zum Befestigen jedes Kühlelementes (1) vorgesehen ist.