DE102010038684A1 - Power supply device for motor car, has cooling arrangement comprising cooling passages in heat guidance profile, where arrangement is pressed by spring assembly that is placed between bottom portion of housing and cooling arrangement - Google Patents
Power supply device for motor car, has cooling arrangement comprising cooling passages in heat guidance profile, where arrangement is pressed by spring assembly that is placed between bottom portion of housing and cooling arrangement Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Energiespeichermodul, das aus mehreren prismatischen Speicherzellen gebildet ist, die, zumindest in einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei die Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls bodenseitig in thermischem Kontakt mit einer Kühlanordnung stehen.The invention relates to a device for power supply, in particular of a motor vehicle, with at least one energy storage module, which is formed of a plurality of prismatic memory cells, stacked at least in a row, arranged one behind the other and electrically interconnected, wherein the memory cells of the at least one energy storage module bottom side in thermal contact with a cooling arrangement.
In einer üblicherweise als Batterie bezeichneten Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs kommt meist eine Mehrzahl an Energiespeichermodulen zum Antrieb von Fahrzeugen, beispielsweise von Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, zum Einsatz. Ein jeweiliges Energiespeichermodul besteht typischerweise aus mehreren gestapelten prismatischen Speicherzellen. Die einzelnen Speicherzellen enthalten elektrochemische Zellen der Batterie. Der Stapel aus den einzelnen Speicherzellen wird zumeist über eine mechanische Endplatte und Zuganker zu dem Energiespeichermodul verspannt. Die Endplatten und Zuganker dienen neben der mechanischen Fixierung der Module zueinander insbesondere dazu, eine Verformung durch Gasdruckänderungen, welche beim Betrieb in den im Inneren der Module angeordneten elektrochemischen Zellen auftreten, entgegenzuwirken. Derartige Energiespeichermodule benötigten in der Regel eine Kühlung, um die benötigte Betriebstemperatur sicherzustellen.In a device usually referred to as a battery for supplying power to a motor vehicle, a plurality of energy storage modules are usually used to drive vehicles, for example electric vehicles or hybrid vehicles. A respective energy storage module typically consists of several stacked prismatic storage cells. The individual memory cells contain electrochemical cells of the battery. The stack of individual memory cells is usually clamped to the energy storage module via a mechanical end plate and tie rods. The end plates and tie rods serve in addition to the mechanical fixation of the modules to each other in particular to counteract deformation by gas pressure changes, which occur during operation in the arranged inside the modules electrochemical cells. Such energy storage modules usually required cooling to ensure the required operating temperature.
Aus der
Eine bodenseitige Kühlung von Speicherzellen eines Energiespeichermoduls ist weiterhin aus der
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, anzugeben, welche ein vereinfachtes Handling und damit geringere Herstellungskosten bei effizienter Kühlung der Speicherzellen der Vorrichtung ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a device for power supply, in particular of a motor vehicle, which allows a simplified handling and thus lower manufacturing costs with efficient cooling of the memory cells of the device.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a device for power supply according to the features of
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Energiespeichermodul, das aus mehreren prismatischen Speicherzellen gebildet ist, die, zumindest in einer Reihe gestapelt, hintereinander angeordnet und elektrisch miteinander verschaltet sind, wobei die Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls bodenseitig in thermischem Kontakt mit einer Kühlanordnung stehen.The invention provides a device for supplying voltage, in particular of a motor vehicle, with at least one energy storage module, which is formed from a plurality of prismatic memory cells which, at least stacked in a row, arranged one behind the other and electrically interconnected, wherein the memory cells of the at least one energy storage module on the bottom side in thermal contact with a cooling arrangement.
Erfindungsgemäß weist die Kühlanordnung eine Anzahl an Rundrohren auf, welche in einem Wärmeleitprofil angeordnet und mit diesem Wärme leitend verbunden sind auf. Ferner wird die Kühlanordnung durch eine Federanordnung im Wesentlichen flächig an den Boden der Speicherzellen gepresst, wobei die Federanordnung zwischen einem Gehäuseboden der Vorrichtung und der Kühlanordnung angeordnet ist und sich an dem Gehäuseboden der Vorrichtung abstützt, und wobei der Gehäuseboden relativ zu dem zumindest einen Energiespeichermodul fixiert ist.According to the invention, the cooling arrangement has a number of round tubes which are arranged in a heat conduction profile and conductively connected to this heat. Furthermore, the cooling arrangement is pressed by a spring arrangement substantially flat against the bottom of the memory cells, wherein the spring arrangement is arranged between a housing bottom of the device and the cooling arrangement and is supported on the housing bottom of the device, and wherein the housing bottom is fixed relative to the at least one energy storage module is.
Durch die simple Verspannung und den planaren Aufbau der Kühlanordnung ist die Montage der Kühlanordnung in der Vorrichtung zur Spannungsversorgung einfach und prozesssicher. Gegenüber anderen Varianten, bei denen die Kühlanordnung beispielsweise über eine Spannvorrichtung oder andere Haltemittel mit dem zumindest einen Energiespeichermodul verbunden werden muss, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Gewichtsvorteil auf. Die Verwendung einer Federanordnung stellt sowohl vom Materialeinsatz als auch vom Produktionsaufwand des Kühlers eine kostengünstige Lösung dar. Durch die Federanordnung ist sichergestellt, dass die Kühlanordnung, die besonders einfache und kostengünstige Rundrohre aufweist, flächig an den Boden der Speicherzellen gepresst wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Kühlung der Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls sichergestellt.Due to the simple tension and the planar structure of the cooling arrangement, the mounting of the cooling arrangement in the device for power supply is simple and reliable. Compared with other variants in which the cooling arrangement has to be connected, for example via a tensioning device or other holding means, to the at least one energy storage module, the device according to the invention has a weight advantage. The use of a spring arrangement represents a cost-effective solution both from the use of materials and from the production costs of the cooler. The spring arrangement ensures that the cooling arrangement, which has particularly simple and cost-effective round tubes, is pressed flat against the bottom of the storage cells. This ensures a uniform cooling of the memory cells of the at least one energy storage module.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Federanordnung eine Anzahl an Federelementen, welche im Bereich zwischen jeweils zwei Kühlkanälen die Kühlanordnung an den Boden der Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls presst. Durch die Anzahl an Federelementen kann festgelegt werden, an welchen sowie an wie vielen Abschnitten die Kühlanordnung an den Boden der Speicherzellen gepresst wird. Die Anzahl an Federelementen kann beispielsweise abhängig von der benötigten Vorspannkraft und/oder von der Größe der Kühlanordnung gewählt werden, um einen guten thermischen Kontakt zwischen Kühlanordnung und Energiespeichermodul(en) zu erzielen. Die Wahl der Anzahl an Federelementen kann ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Kosten für jedes Federelement sowie des durch jedes zusätzliche Federelement eingebrachten zusätzlichen Gewichts erfolgen. Die „korrekte” Wahl der Anzahl an Federelementen kann durch eine Berechnung oder durch einen einfachen Test ausfindig gemacht werden. According to an expedient embodiment, the spring arrangement comprises a number of spring elements, which presses the cooling arrangement on the bottom of the memory cells of the at least one energy storage module in the area between in each case two cooling channels. By the number of spring elements can be determined to which and how many sections the cooling arrangement is pressed to the bottom of the memory cells. The number of spring elements can be selected, for example, depending on the required biasing force and / or the size of the cooling arrangement in order to achieve a good thermal contact between the cooling arrangement and the energy storage module (s). The choice of the number of spring elements can also be done from the standpoint of the cost of each spring element and the introduced by each additional spring element additional weight. The "correct" choice of the number of spring elements can be found by a calculation or a simple test.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Federelemente in einem Schnitt quer zur Längsrichtung federnde Beine bzw. Flügel aufweisen, welche sich an dem Gehäuseboden abstützen und bei Verformung eine in Richtung der Speicherzellen wirkende Kraft erzeugen. Um elastische sowie Druck erzeugende Eigenschaften zu erhalten, ist es zweckmäßig, wenn die Federelemente aus Kunststoff oder einem Metall, z. B. Stahl, gefertigt sind. Durch die Geometrie der Beine bzw. Flügel, insbesondere deren Länge und/oder deren Querschnitt, können in einer dem Fachmann bekannten Weise die elastischen Eigenschaften festgelegt werden.According to a further embodiment, it is provided that the spring elements have in a section transversely to the longitudinal direction resilient legs or wings, which are supported on the housing bottom and generate a deformation acting in the direction of the memory cell force. In order to obtain elastic and pressure-generating properties, it is advantageous if the spring elements made of plastic or a metal, for. As steel, are made. The geometry of the legs or wings, in particular their length and / or their cross section, the elastic properties can be determined in a manner known to those skilled in the elastic properties.
Um die Handhabung beim Zusammenbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erleichtern, ist es zweckmäßig, wenn die Federanordnung an der Kühlanordnung vorfixiert ist. Beispielsweise können die einzelnen Federelemente über eine Clipsverbindung an der Kühlanordnung befestigt sein. Entsprechende Vorsprünge bzw. Nasen können im Rahmen der Herstellung der Kühlanordnung an dieser ausgebildet sein.To facilitate handling during assembly of the device according to the invention, it is expedient if the spring arrangement is prefixed to the cooling arrangement. For example, the individual spring elements may be fastened to the cooling arrangement via a clip connection. Corresponding projections or noses can be formed in the production of the cooling arrangement at this.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Kühlanordnung mit dem Energiespeichermodul und/oder mit dem Gehäuseboden über die Kraftbeaufschlagung durch die Federanordnung hinaus keine weitere mechanische Verbindung auf. Dies bedeutet, dass keine Vorfertigung eines Halbzeugs, bestehend aus Energiespeichermodul und Kühlanordnung bzw. Kühlanordnung und Gehäuse und dergleichen, bereitgestellt werden muss. Sämtliche Einzelkomponenten können beim Einbringen der Vorrichtung zur Spannungsversorgung in ein Fahrzeug bereitgestellt und dann dort verbaut werden. Hierdurch wird die Montage wesentlich vereinfacht.According to a further expedient embodiment, the cooling arrangement with the energy storage module and / or with the housing bottom over the application of force by the spring arrangement also has no further mechanical connection. This means that no prefabrication of a semifinished product, consisting of energy storage module and cooling arrangement or cooling arrangement and housing and the like, must be provided. All individual components can be provided when introducing the device for power supply in a vehicle and then installed there. As a result, the assembly is much easier.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst das Wärmeleitprofil eine Platte, die durch die Federanordnung an den Boden der Speicherzellen gepresst wird, wobei die Rundrohre mit der Platte in thermischen Kontakt stehen. Die Rundrohre können stoffschlüssig mit der Platte verbunden sein, beispielsweise durch eine Lötung oder Schweißung. Ebenso könnten die Rundrohre über einen Wärmeleitkleber mit der Platte verbunden sein, um eine mechanische und thermische Anbindung zu erhalten. Über die Platte kann die von den Rundrohren bereit gestellte Kühlleistung über eine große Fläche gleichmäßig in den Boden der Speicherzelle eingeleitet werden. Die Platte weist vorzugsweise eine an die Fläche des Bodens des zumindest einen Energiespeichermoduls angepasste Fläche auf. Alternativ könnten auch mehrere nebeneinander angeordnete Platten thermisch an den Boden des zumindest einen Energiespeichermoduls angebunden sein. Die mehreren Platten können optional mechanisch und/oder thermisch miteinander verbunden sein. Die Platte ist vorzugsweise aus einem Metall, z. B. Aluminium oder Stahl oder deren Legierungen, gebildet, wobei jedoch auch jedes andere gut Wärme leitende Material oder Materialzusammensetzung in Frage kommt.According to a further expedient embodiment, the heat conduction profile comprises a plate which is pressed by the spring arrangement to the bottom of the memory cells, wherein the round tubes are in thermal contact with the plate. The round tubes can be materially connected to the plate, for example by soldering or welding. Likewise, the round tubes could be connected via a thermally conductive adhesive to the plate in order to obtain a mechanical and thermal connection. About the plate provided by the round tubes cooling power can be introduced over a large area evenly into the bottom of the memory cell. The plate preferably has an area adapted to the surface of the bottom of the at least one energy storage module. Alternatively, a plurality of juxtaposed plates could be thermally connected to the bottom of the at least one energy storage module. The plurality of plates may optionally be mechanically and / or thermally interconnected. The plate is preferably made of a metal, e.g. As aluminum or steel or their alloys, formed, but also any other good heat conductive material or material composition in question.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Platte auf der von den Speicherzellen abgewandten Hauptfläche Fahnen auf, wobei einem jeweiligen Rundrohr zumindest eine Fahne zugeordnet ist, wobei ein jeweiliges Rundrohr mit der zumindest einen Fahne als auch mit der Platte in thermischem Kontakt steht. Insbesondere ist zwischen jeweils zwei Fahnen ein Rundrohr angeordnet ist, das sowohl mit den beiden Fahnen als auch mit der Platte in thermischem Kontakt steht. Hierdurch kann die thermische Anbindung eines jeweiligen Rundrohrs an die Platte verbessert werden.In an advantageous development, the plate has flags on the main surface facing away from the memory cells, wherein a respective round tube is assigned at least one flag, wherein a respective round tube is in thermal contact with the at least one flag as well as with the plate. In particular, between each two flags a round tube is arranged, which is in thermal contact both with the two flags and with the plate. As a result, the thermal connection of a respective round tube to the plate can be improved.
Im Ursprungszustand, d. h. vor der fertigen Montage zu der Vorrichtung, weist die Platte eine ebene, insbesondere plane oder bombierte, und den Speicherzellen zugewandte Oberfläche auf. Eine plane, den Speicherzellen zugewandte Oberfläche der Platte sorgt von Haus aus für einen guten thermischen Kontakt zu dem Boden der Speicherzellen. Alternativ kann vorgesehen sein, die den Speicherzellen zugewandte Oberfläche der Kühlanordnung bombiert, d. h. vorgewölbt, auszuführen. Beim Zusammenbau der einzelnen Komponenten wird die Kühlanordnung durch die Federanordnung mit einer Kraft beaufschlagt, so dass diese Bombierung niedergedrückt und geebnet wird. Hierdurch ergibt sich ein optimierter thermischer Übergang zwischen der Kühlanordnung und dem zumindest einen Energiespeichermodul.In the original state, d. H. before the finished assembly to the device, the plate has a flat, in particular flat or cambered, and the memory cell facing surface. A flat, the memory cell facing surface of the plate provides inherently good thermal contact with the bottom of the memory cells. Alternatively, it may be provided that the surface of the cooling arrangement facing the storage cells is cambered, ie H. bulging, execute. When assembling the individual components, the cooling arrangement is acted upon by the spring arrangement with a force, so that this crowning is depressed and leveled. This results in an optimized thermal transition between the cooling arrangement and the at least one energy storage module.
Zur Bereitstellung einer gewichtsoptimierten Kühlanordnung weist die Kühlanordnung in einer weiteren Ausgestaltung im Bereich zwischen zwei benachbart verlaufenden Kühlkanälen zumindest eine Aussparung auf.To provide a weight-optimized cooling arrangement, the cooling arrangement has in a further embodiment in the region between two adjacent extending cooling channels at least one recess.
Zur weiteren Verbesserung des thermischen Übergangs zwischen dem Energiespeichermodul und der Kühlanordnung ist eine elastische und/oder Wärme leitende Beschichtung zwischen dem Boden der Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls und der Kühlanordnung vorgesehen. Die Beschichtung kann beispielsweise in Gestalt einer Folie oder eines Klebers ausgebildet sein. Die Elastizität der Beschichtung sorgt für einen Ausgleich von Unebenheiten oder Oberflächenrauhigkeiten der aneinander grenzenden Komponenten, wodurch über die gesamte Fläche ein gleichmäßiger thermischer Übergang gegeben ist.To further improve the thermal transition between the energy storage module and the cooling arrangement, an elastic and / or heat-conducting coating is provided between the bottom of the storage cells of the at least one energy storage module and the cooling arrangement. The coating may be formed for example in the form of a film or an adhesive. The elasticity of the coating compensates for unevenness or surface roughness of the adjacent components, thereby providing a uniform thermal transition over the entire surface.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Energiespeichermodul mit dem Gehäuseboden der Vorrichtung kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Hierdurch kann die Kühlanordnung zusammen mit der Federanordnung zwischen dem zumindest einen Energiespeichermodul und dem Gehäuseboden „verspannt” werden, so dass sich der gewünschte flächige Kontakt zwischen der Kühlanordnung und dem Boden der Speicherzellen ergibt. Vorzugsweise wird eine lösbare Verbindung, in Gestalt von Schrauben, verwendet, um im Falle eines Defekts einen einfachen Austausch jeweiliger Komponenten zu erlauben.According to a further expedient embodiment, the energy storage module with the housing bottom of the device non-positively and / or positively connected to each other. In this way, the cooling arrangement can be "clamped" together with the spring arrangement between the at least one energy storage module and the housing bottom, so that the desired surface contact between the cooling arrangement and the bottom of the storage cells results. Preferably, a releasable connection, in the form of screws, is used to allow easy replacement of respective components in the event of a defect.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlkanäle in der Kühlanordnung derart ausgebildet, dass unter jeder der Speicherzellen des zumindest einen Energiespeichermoduls eine gleiche Anzahl an ein Kühlmedium führenden Hin- und Rückleitungen vorgesehen ist. Als Kühlmedium kann ein Kühlmittel (einphasige Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser-Glykol-Gemisch) oder auch Kältemittel, wie z. B. R134a, R1234yF oder R744, verwendet werden. Kältemittel umfassen solche Medien, die während des Wärmetauschprozesses ihren Aggregatszustand ändern.In a further advantageous embodiment, the cooling channels are formed in the cooling arrangement such that under each of the memory cells of the at least one energy storage module, an equal number of leading to a cooling medium forward and return lines is provided. As a cooling medium, a coolant (single-phase liquids, such as water-glycol mixture) or refrigerants, such. R134a, R1234yF or R744. Refrigerants include those media that change their state of aggregation during the heat exchange process.
Eine gleiche Anzahl an Kühlmedium führenden Hin- und Rückleitungen ermöglicht eine symmetrische Anordnung der Kühlmedium führenden Kanäle. Hierdurch ist eine gleichmäßige Wärmeabfuhr von den Speicherzellen gewährleistet. Insbesondere kann hierdurch eine Anforderung erfüllt werden, nach der sämtliche Speicherzellen eines Energiespeichermoduls untereinander maximal einen Temperaturunterschied von 5 Kelvin aufweisen dürfen.An equal number of cooling medium leading return lines allows a symmetrical arrangement of the cooling medium leading channels. This ensures a uniform heat dissipation from the memory cells. In particular, this can fulfill a requirement according to which all memory cells of an energy storage module may have a maximum temperature difference of 5 Kelvin between one another.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment in the drawing. Show it:
In
Das Energiespeichermodul
Die Speicherzellen (von denen in
Die Kühlanordnung
Zwischen jeweils zwei der Fahnen
In einer alternativen Ausgestaltung könnte jedem Rundrohr auch nur eine einzige Fahne zugeordnet sein.In an alternative embodiment, each round tube could also be assigned only a single flag.
In einer weiteren, nicht dargestellten Alternative könnte die Kühlanordnung auch lediglich aus der Platte
Die Rundrohre können stoffschlüssig mit der Platte und/oder den Fahnen
Die Rundrohre
Über die Platte wird die von den Rundrohren
Alternativ können auch mehrere, nebeneinander angeordnete Platten thermisch an den Boden des zumindest einen Energiespeichermoduls angebunden sein. Mehrere Platten können mechanisch und/oder thermisch miteinander verbunden sein.Alternatively, a plurality of plates arranged next to one another can be thermally connected to the bottom of the at least one energy storage module. Several plates can be mechanically and / or thermally connected to each other.
Im Ausführungsbeispiel (vgl.
Durch die Kühlkanäle
Die Kühlanordnung
Die Fixierung von Gehäuseboden
Die Federelemente bzw. -schienen
Prinzipiell kann vorgesehen sein, zwischen jeweils zwei benachbarten Kühlkanälen ein Federelement bzw. eine Federschiene vorzusehen. Ebenso kann, wie dies im Ausführungsbeispiel der
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kühlanordnung sind die Federelemente bzw. Federschienen
Außer der durch die Verspannung erzeugten Fixierung der Kühlanordnung
Im Rahmen der Herstellung wird zunächst das Wärmeleitprofil
Aufgrund der bodenseitigen Kühlung der einzelnen Speicherzellen
Um den Kontakt zwischen dem Wärmeleitprofil
Optional kann, um den Wärmeübergang von Wärmeleitprofil
Zur Gewichtsreduktion kann die Platte
Um einen möglichst guten Temperaturausgleich am Boden
In den in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Energiespeichermodul aus insgesamt sechs hintereinander angeordneten Speicherzellen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtung zur SpannungsversorgungDevice for power supply
- 1010
- EnergiespeichermodulEnergy storage module
- 1212
- Speicherzellememory cell
- 1414
- Boden der SpeicherzelleBottom of the storage cell
- 1616
- Flanschflange
- 1818
- Flanschflange
- 2020
- Vorderseitefront
- 3030
- Kühlanordnungcooling arrangement
- 3131
- Wärmeleitprofilheat-conducting profile
- 3232
- Rundrohrround tube
- 3333
- Rundrohrround tube
- 3434
- Rundrohrround tube
- 3535
- Rundrohrround tube
- 3636
- Umlenkung für RundrohrDeflection for round tube
- 3737
- Umlenkung für RundrohrDeflection for round tube
- 3838
- Platteplate
- 3939
- FahneBanner, flag
- 4040
- Federanordnungspring assembly
- 4141
- Federelement/FederschieneBungee / spring rail
- 4242
- Bein/Flügel des FederelementsLeg / wing of the spring element
- 4343
- Auflageabschnittbearing section
- 5050
- Gehäusebodencaseback
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 2068390 A1 [0004] EP 2068390 A1 [0004]
Claims (11)
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