DE102013215358A1

DE102013215358A1 - Wärmetauscher für eine Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102013215358A1
Application number: DE201310215358
Authority: DE
Inventors: Jürgen Otto; Katia HENDRICKX; Marta Lucka-Gabor; Heiko Neff; Caroline SCHMID
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-19
Also published as: CN104344764A; US20150034287A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, mit mindestens einem, aus Kunststoff bestehenden Fluidsammler (4, 5; 13, 14), welcher mit mindestens einem Kühlelement (2, 3) verbunden ist. Bei einem Wärmetauscher, bei welchem die Energieeffizienz des Kraftfahrzeuges erhöht wird, ist das Kühlelement als Kunststoffrohr (2, 3) ausgebildet, in welchem ein Fluid von dem ersten Fluidsammler (5; 13) zu einem zweiten Fluidsammler (4; 14) geführt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Hochleistungsbatterien, wie Lithium-Ionen-Batterien, werden als Energiespeicher vielfältig z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen genutzt. Beim Betrieb von solchen Hochleistungszellen entsteht Verlustwärme, die zur Aufheizung der Hochleistungszelle führt. Besonders Lithium-Ionen-Batterien altern ab einer bauartbedingten Temperatur aber deutlich schneller, so dass sich die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie unerwünscht verkürzt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Kühlkörper an der Lithium-Ionen-Batterie angebracht.
Auch die niedrigen Umgebungstemperaturen der Lithium-Ionen-Batterie können die Funktionalität der Batterie enorm beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, die Temperatur des Energiespeichers in einem vorgegebenen Rahmen zu halten.
Aus der WO 2010/037797 A2 ist eine Energiespeichereinheit bekannt, welche einen Kühlkörper umfasst, der zumindest abschnittsweise mit den Flachzellen der Energiespeichereinheit in einer wärmeleitenden Verbindung steht. Der Kühlkörper besteht zumindest bereichsweise aus Kunststoff. In dem Kühlkörper ist ein Hohlraum ausgebildet, welcher von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Darüber hinaus ist jeder Hohlraum des Kühlkörpers mit je einem Kühlelement verbunden, das zwischen zwei Flachzellen des Energiespeichers ausgebildet ist. Die Energieeffizienz eines mit einem solchen Kühlkörper ausgerüsteten Kraftfahrzeuges ist verhältnismäßig gering.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, bei welchem die Energieeffizienz eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges weiter verbessert wird.
Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Wärmetauscher für eine Kühlung einer Fahrzeugbatterie mit mindestens einem aus Kunststoff bestehenden Fluidsammler, welcher mindestens mit einem Kühlelement verbunden ist, wobei das Kühlelement als Kunststoffrohr ausgebildet ist, in welchen ein Fluid von dem ersten Fluidsammler zu einem zweiten Fluidsammler geführt ist. Ein solcher vollständig aus Kunststoff bestehender Wärmetauscher hat den Vorteil, dass dessen Gewicht reduziert wird. Insbesondere bei der Verwendung des Wärmetauschers im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien, welche in Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen Einsatz finden, trägt dies zur Reduktion des Fahrzeuggewichtes bei. Da das Fahrzeuggewicht den Energiebedarf des Fahrzeuges, insbesondere im Stadtverkehr, beeinflusst, führt ein solcher vollständig aus Kunststoff bestehender Wärmetauscher zu einer Verbesserung der Energieeffizienz des Fahrzeuges. Gleichzeitig dient ein vollständig aus Kunststoff bestehender Wärmetauscher zur elektrischen Isolation zwischen den einzelnen Energiezellen der Lithium-Ionen-Batterie, weshalb auf zusätzliches Isolationsmaterial verzichtet werden kann. Der Verzicht auf Isolationsmaterial senkt die Herstellungskosten weiter. Dadurch, dass das Kunststoffrohr von einem Kühlmittel durchflossen wird, wird die Einstellung einer optimalen Temperatur an der Lithium-Ionen-Batterie verbessert, wodurch sich die Lebensdauer der Lithium-Ionen-Batterie erhöht.
Vorteilhafterweise ist das Kunststoffrohr als extrudiertes Flachrohr ausgebildet. Ein solcher extrudierter Körper weist keine Nahtstellen auf, so dass sich das Fluid gut abgedichtet im Flachrohr bewegen kann.
In einer Ausgestaltung ist das Kunststoffrohr als Mehrkammerrohr ausgebildet, welches mehrere voneinander getrennte Fluidkanäle umfasst. Das Mehrkammerrohr ist in seiner Geometrie vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, so dass es gut zwischen den einzelnen Zellen der Lithium-Ionen-Batterie angeordnet werden kann, um die Wärme, welche von den einzelnen Zellen der Lithium-Ionen-Batterie abgegeben wird, aufzunehmen und mittels des durch die Fluidkanäle fließenden Fluids aus dem Bereich der Einzelzellen herauszuführen, wodurch der Wärmeaustausch weiter verbessert wird. Die Verwendung von mehreren getrennten Fluidkanälen erlaubt dabei eine großflächige Wärmeübertragung und eine schnelle Abführung der aufgenommenen Wärme. Ein solches aus Kunststoff bestehendes Mehrkammerrohr ausgebildet ist, lässt sich einfach in einem einzigen Verfahrensschritt herstellen, was die Herstellungskosten des Wärmetauschers weiter reduziert.
In einer Variante besteht das Kunststoffrohr aus einem Kunststoff mit wärmeleitenden Partikeln, vorzugsweise Keramikpartikeln. Mittels solcher Keramikpartikel wird die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs erhöht, wodurch der Wärmetauscher in Umgebungen mit einer besonders hohen Temperatur eingesetzt werden kann.
Alternativ sind im Inneren des Kunststoffrohres Metallinserts zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Auch mittels solcher Metallinserts wird die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers beliebig erhöht.
In einer Weiterbildung besteht der Fluidsammler aus zwei verschweißten, spritzgegossenen Teilen. Somit lässt sich der aus Kunststoffschalen bestehende Fluidsammler einfach herstellen, da die aus Kunststoff spritzgegossenen Teile lediglich in einem Schweißvorgang miteinander verbunden werden. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mit welchen der Fluidsammler verschweißt werden kann. Dabei handelt es sich um Laserschweißen, Vibrationsschweißen oder Ultraschallschweißen. In jedem Fall wird mit nur einem einzigen Arbeitsschritt der Fluidsammler hergestellt, was den Montageaufwand verringert.
In einer alternativen Ausführungsform werden der Fluidsammler und ein Verbindungselement direkt an die Rohrenden angespritzt, Overmolding-Verfahren. Beim Overmolding-Verfahren handelt es sich um ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnik, bei welchem zwei kompatible Werkstoffe, z. B. mit derselben Matrix jedoch unterschiedlichen Füllstoffen, stoffschlüssig miteinander verbunden werden können.
Vorteilhafterweise bestehen der erste und der zweite Fluidsammler aus dem gleichen Kunststoff, vorzugsweise aus dem Kunststoff, aus welchem das Kunststoffrohr ausgebildet ist. Durch die Verwendung nur ein und desselben Kunststoffs für die verschiedenen Elemente des Wärmetauschers ist es möglich, den Wärmetauscher mit stoffschlüssigen Verbindungen, beispielsweise in dem oben beschriebenen Overmolding-Verfahren, herzustellen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Fluidsammler stoffschlüssig mit dem Kunststoffrohr in einem Overmolding-Verfahren verbunden ist.
In einer Alternative besteht der erste Fluidsammler aus einem ersten Kunststoff, während der zweite Fluidsammler aus einem zweiten Kunststoff gefertigt ist. Bei der Wahl des Kunststoffes kann damit dem Einbauort des Wärmetauschers Rechnung getragen werden, insbesondere dann, wenn einer der Fluidsammler eine höhere Festigkeit aufweisen muss.
In einer Ausgestaltung besteht der erste und/oder zweite Fluidsammler aus einem Kunststoff, welcher frei von wärmeleitfähigen Partikeln ist. Dies ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn der Fluidsammler außerhalb der die Wärme produzierenden Batteriezellen angeordnet ist und lediglich dazu dient, das Fluid, was aus den Kunststoffrohren kommend, im Fluidsammler zu sammeln und abzuführen bzw. in die Kunststoffrohre einzuführen. Mit einem solchen Wärmetauscher, der vollfunktionsfähig aus Kunststoff hergestellt ist, lassen sich diverse Bauteillängen realisieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
2 einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher nach 1,
3 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetauschers nach 1,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
5 einen Ausschnitt aus dem Wärmetauscher gemäß 4,
6 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß 4.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 besteht dabei aus zwei Mehrkammerrohren 2, 3, welche zwischen zwei Fluidsammlern 4, 5 angeordnet sind. Sowohl die beiden Mehrkammerrohre 2, 3 als auch die beiden Fluidsammler 4, 5 bestehen dabei vollständig aus Kunststoff. Der in 1 dargestellte Wärmetauscher 1 ist als U-Flow-Kühler ausgebildet. Ein solcher Wärmetauscher 1 zeichnet sich dadurch aus, dass ein Eintrittsstutzen 6 für das als Kühlmittel ausgebildete Fluid und ein Austrittsstutzen 7 für das Fluid beide an demselben Fluidsammler 5 angeordnet sind. Der Eintrittsstutzen 6 ist dabei im Bereich des ersten Mehrkammerrohres 2 angeordnet, während der Austrittsstutzen 7 dem zweiten Mehrkammerrohr 3 gegenüberliegt.
2 zeigt einen Ausschnitt aus den Mehrkammerrohren 2 und 3, woraus ersichtlich ist, dass jedes Mehrkammerrohr 2, 3 eine Vielzahl von Fluidkanälen 2.1 bzw. 3.1 aufweist. Bei dem beschriebenen U-Flow-Kühler wird das Fluid, welches durch den Eintrittsstutzen 6 über den Fluidsammler 5 in das Mehrkammerrohr 2 fließt, in dessen Kanäle 2.1 geführt und dem zweiten Fluidsammler 4 zugeführt. In dem zweiten Fluidsammler 4 wird das Fluid umgelenkt und durch das zweite Mehrkammerrohr 3, insbesondere dessen Fluidkanäle 3.1, zurück zum ersten Fluidsammler 5 geführt, wo es gesammelt und durch den Austrittsstutzen 7 aus dem Wärmetauscher 1 herausgeführt wird. Damit der Kreislauf zwischen dem, in zwei entgegengesetzte Richtungen strömenden Fluid gewährleistet wird, ist innerhalb des ersten Fluidsammlers 5 im Bereich der Angrenzung von dem ersten und dem zweiten Mehrkammerrohr 2, 3 eine Trennwand 8 ausgebildet, die verhindert, dass das einzuführende Fluid bereits im Fluidsammler 5 in die Kanäle 3.1 eintritt.
Ein Querschnitt durch den Fluidsammler 5 im Bereich des zweiten Mehrkammerrohres 3 ist 3 zu entnehmen. Daraus ist ersichtlich, dass der Fluidsammler 5 so an dem Mehrkammerrohr 3 angeordnet ist, dass das aus dem Fluidkanal 3.1 austretende Fluid ungehindert in den Fluidsammler 5 und von diesem in den Austrittsstutzen 7 eintreten kann. Um dies zu realisieren, ist der Fluidsammler 5 als kastenähnlicher Behälter aufgebaut, wobei zwei, annähernd parallel verlaufende Wände 9, 10 über eine Schweißverbindung 11 miteinander verbunden sind. Die beiden Wände 9, 10 weisen einen solchen Abstand auf, der annähernd der Höhe der jeweiligen Fluidkanäle 3.1 entspricht.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 12 dargestellt. Dieser Wärmetauscher 12 ist als I-Flow-Kühler ausgebildet und besteht ebenfalls aus zwei Mehrkammerrohren 2, 3. Auch in diesem Fall sind die beiden Mehrkammerrohre 2, 3 auf jeder Seite von jeweils einem Fluidsammler 13, 14 abgeschlossen. Die Mehrkammerrohre 2, 3 und die Fluidsammler 13, 14 bestehen vollständig aus Kunststoff. Der I-Flow-Kühler unterscheidet sich von dem U-Flow-Kühler dadurch, dass die beiden Anschlussstutzen 6, 7 auf die beiden Fluidsammler 13, 14 verteilt sind. So weist der erste Fluidsammler 13 den Einlassstutzen 6 auf, während der zweite Fluidsammler 14 den Austrittsstutzen 7 trägt. Die beiden Fluidsammler 13, 14 sind dabei so auf die Mehrkammerrohre 2, 3 aufgesteckt, dass sich der Eintrittsstutzen 6 und der Austrittsstutzen 7 diagonal gegenüberliegen.
Wie aus 5 ersichtlich, weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel jedes Mehrkammerrohr 2, 3 eine Mehrzahl von Fluidkanälen 2.1 bzw. 3.1 auf. Bei dem I-Flow-Kühler fließt das Fluid, welches durch den Anschlussstutzen 6 in den Fluidsammler 13 eintritt, durch beide Mehrkammerrohre 2, 3 in den zweiten Fluidsammler 14, wo es gesammelt und über den Austrittsstutzen 7 den Wärmetauscher 12 verlässt.
Ein Schnitt durch den Fluidsammler 13 und das Mehrkammerrohr 3 ist in 6 dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass auch hier der Fluidsammler 13 aus zwei Wänden 9, 10 besteht, die über die Schweißverbindung 11 miteinander verbunden sind. Die offene Seite des Fluidsammlers 13 ist dabei auf das Mehrkammerrohr 3 gesteckt, wobei der Innenabstand zwischen den beiden parallel verlaufenden Wänden 9, 10 des Fluidsammlers 13 annähernd denselben Abstand aufweist wie die Höhe des Fluidkanals 3.1. Durch eine solche Ausbildung kann das in den Fluidsammler 13 einströmende, als Kühlmittel ausgebildete Fluid ungehindert in die Fluidkanäle 2.1 bzw. 3.1 der beiden Mehrkammerrohre 2, 3 einströmen. Der Fluidsammler 13 ist dabei trennwandlos ausgebildet. Einen vergleichbaren Aufbau besitzt der Fluidsammler 14.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/037797 A2 [0004]

Claims

Wärmetauscher für eine Kühlung einer Fahrzeugbatterie, insbesondere für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, mit mindestens einem, aus Kunststoff bestehenden Fluidsammler (4, 5; 13, 14), welcher mit mindestens einem Kühlelement (2, 3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement als Kunststoffrohr (2, 3) ausgebildet ist, in welchem ein Fluid von dem ersten Fluidsammler (5; 13) zu einem zweiten Fluidsammler (4; 14) geführt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffrohr (2, 3) als extrudiertes Flachrohr ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffrohr als Mehrkammerrohr (2, 3) ausgebildet ist, welches mehrere, voneinander getrennte Fluidkanäle (2.1, 3.1) umfasst.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffrohr (2, 3) aus einem Kunststoff mit wärmeleitenden Partikeln, vorzugsweise Keramikpartikeln, besteht.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Kunststoffrohres Metallinserts zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidsammler (4, 5; 13, 14) aus zwei verschweißten, spritzgegossenen Teilen (9, 10) besteht.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidsammler stoffschlüssig (4, 5; 13, 14) mit dem Kunststoffrohr (2, 3) in einem Overmolding-Verfahren verbunden wird.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Fluidsammler (4, 5; 13, 14) aus dem gleichen Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus dem Kunststoff, aus welchem das Kunststoffrohr (2, 3) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidsammler (5; 14) aus einem ersten Kunststoff besteht, während der zweite Fluidsammler (4; 13) aus einem zweiten Kunststoff gefertigt ist.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Fluidsammler (4, 5; 13, 14) aus einem Kunststoff besteht, welcher frei von wärmeleitfähigen Partikeln ist.