zum Temperieren einer Batterie

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere eine thermoelektrische Wärmepumpe, zum Temperieren einer Batterie, sowie eine Batterie- Anordnung mit einem solchen Wärmeübertrager.

Unter dem Begriff "Thermoelektrizität" versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Thermoelektrische Materialien machen sich diese Beeinflussung zunutze, um als thermoelektrische Generatoren aus Abwärme elektrische Energie zu erzeugen, kommen aber auch in Form sog. Wärmepumpen zum Einsatz, wenn unter Aufwendung von elektrischer Energie Wärme von einem Temperatur-Reservoir mit niedrigerer Temperatur in eines mit höherer Temperatur transportiert werden soll.

Gerade thermoelektrische Wärmepumpen finden in der Fahrzeugtechnik bei der Kühlung unterschiedlichster Bauteile wie z.B. moderner Lithium-Ionen-Batterien Anwendung, die im Betrieb in erheblichem Maße Abwärme entwickeln. Solche thermoelektrischen Wärmeübertrager in Form von Wärmepumpen können aber auch in Elektrokraftfahrzeugen als kombinierte Heiz- und Kühleinrichtung, etwa zum Temperieren des Fahrgastinnenraums, verwendet werden, zumal sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als etwa herkömmliche elektrische Widerstandsheizer. Die Anwendungsgebiete thermoelektrischer Wärmeübertrager in Kraftfahrzeugen sind also vielfältiger Natur.

Der Einsatz in einem Kraftfahrzeug führt stets zu dem Erfordernis, thermoelektrische Wärmeübertrager mit hohem Wirkungsgrad und in kompakter Bauweise herzustellen. In Fahrzeugen verbaute Wärmeübertrager sind daher oftmals in Platten- oder Schichtbauweise hergestellt, wobei die thermoelektrisch aktiven Elemente innerhalb eines thermisch leitenden Gehäuses angeordnet und zum Transport von Wärme mit einer äußeren elektrischen Versorgungsspannung versorgt werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmeübertragern mit thermoelektrischen Elementen neue Wege aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager zum Temperieren einer Batterie, insbesondere eine thermoelektrische Wärmepumpe, umfasst eine erste und eine zweite Abdeckung, die einander gegenüberliegen. Zwischen den beiden Abdeckungen ist ein Tragrahmen angeordnet, der eine Durchgangsöffnung einfasst. In der Durchgangsöffnung ist wenigstens ein thermoelektrisches Element angeordnet, und in der ersten Abdeckung ist wenigstens ein Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet. Die zweite Abdeckung des Wärmeübertragers dient dabei zum Anbringen des Wärmeübertragers an die zu temperierende Batterie. Durch thermische Ankopplung der ersten Abdeckung über den Tragrahmen und die zweite Abdeckung an die zu temperierende Batterie kann das durch den wenigstens einen Fluidkanal strömende Fluid Wärme an die Batterie abgeben oder von dieser aufnehmen. Ein solcher Wärmeaustausch zwischen dem Fluid - im Falle, dass die Batterie gekühlt werden soll, kann als Fluid ein Kühl- oder Kältemittel verwendet werden - wird durch das wenigstens eine thermoelektrische Element unterstützt, wenn dieses in der Art einer Wärmepumpe betrieben wird. Hierzu ist es lediglich erforderlich, an das thermoelektrisch aktive Element eine äußere elektrische Versorgungsspannung anzulegen, so dass dieses - je nach Polarisierung besagter elektrischer Spannung - aufgrund des thermoelektrischen Effekts Wärme von der zweiten Abdeckung zur ersten Abdeckung transportiert oder umgekehrt.

Die Anordnung des wenigstens einen thermoelektrischen Elements sandwichartig in einem Tragrahmen zwischen zwei Abdeckungen erlaubt eine Realisierung des Wärmeübertragers mit einem geringen Bedarf an Bauraum, insbesondere entlang einer Stapelrichtung, entlang welcher die beiden Abdeckungen und der Tragrahmen mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Element aufeinander gestapelt sind.

Im Ergebnis erlaubt der hier vorgestellte, erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine verbesserte Temperierung einer thermisch angekoppelten Batterie bei sehr geringem Bauraumbedarf. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der einzelnen Komponenten des Wärmeübertragers dessen Realisierung in Flachbauweise, was einerseits eine flächige und somit effektive Temperierung der angekoppelten Batterie erlaubt und andererseits die Anordnung des Wärmeübertragers im Motorblock eines Kraftfahrzeugs mit hoher Komponentendichte erheblich erleichtert.

Zur Verbesserung des Wärmaustausches zwischen dem Fluid und dem wenigstens einen thermoelektrischen Element wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, in dem wenigstens einen Fluidkanal Strömungsleitelemente, insbesondere Turbulenzerzeugungselemente, für das durch den Fluidkanal strömende Fluid anzuordnen. Mittels der auf diese Weise im Fluid erzeugten Wirbelströmen bzw. Turbulenzen geht ein verbesserter Wärmeaustausch des Fluids mit dem thermoelektrischen Element und somit mit der zu temperierenden Batterie einher. Besonders zweckmäßig kann die zweite Abdeckung als Abdeckplatte realisiert sein, die wenigstens auf einer vom Tragrahmen abgewandten Seite im Wesentlichen eben ausgebildet ist, so dass sie flächig am Batteriegehäuse einer mittels des Wärmeübertragers zu temperierenden Batterieeinheit anbringbar ist. Diese Eigenschaft der zweiten Abdeckung führt ebenfalls zu einem verbesserten Wärmeaustausch.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist an einem äußeren Umfangsrand des Wärmeübertragers, der durch die beiden Abdeckungen und den Tragrahmen gebildet ist, entlang der Umfangsrichtung eine Mehrzahl von klammerartigen Befestigungselementen angebracht. Mittels dieser Befestigungselemente werden die beiden Abdeckungen sowohl aneinander als auch jeweils gegen den Tragrahmen gedrückt. Dies verbessert die thermische Ankopplung der beiden Abdeckungen an den Tragrahmen und an das darin angeordnete, wenigstens eine thermoelekt- rische Element.

Besonders bevorzugt kann in dem Tragrahmen zusätzlich zur Durchgangsöffnung wenigstens ein weiterer Durchbruch vorgesehen sein, in welchem kein thermo- elektrisches Element angeordnet ist. Besagter weiterer Durchbruch bildet zwischen den beiden Abdeckungen einen Hohlraum aus, der als thermische Isolation zwischen den beiden Abdeckungen wirkt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Wärmeaustausch zwischen den beiden Abdeckungen weitgehend oder sogar ausschließlich über das wenigstens eine thermoelektrische Element erfolgt. Dies ermöglicht eine genaue Steuerung des vom Wärmeübertrager bereitzustellenden Wärmeaustausche durch Bereitstellen einer am wenigstens einen thermoelektrischen Element angelegten, äußeren elektrischen Versorgungsspannung. Besonders zweckmäßig kann der Tragrahmen ein Rahmenmaterial aufweisen, welches zu mindestens 75% einen Kunststoff umfasst oder zu mindestens 75% aus einem solchen Kunststoff besteht. Bevorzugt besteht der Tragrahmen vollständig aus Kunststoff. Somit kann die erste Abdeckung elektrisch von der zweiten Abdeckung isoliert werden. Ein unerwünschter elektrischer Kurzschluss des typischerweise metallischen Batteriegehäuses über die beiden Abdeckungen des Wärmeübertragers mit einem weiteren, nicht zum Wärmeübertrager gehörigen Bauteil aus einem elektrisch leitenden Material kann auf diese Weise vermieden werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die mit besonders geringen Herstellungskosten verbunden ist, ist die erste Abdeckung zweilagig mit einer dem Tragrahmen zugewandten ersten Schicht und einer vom Tragrahmen abgewandten zweiten Schicht ausgebildet. Bei dieser Variante ist der wenigstens eine Fluidkanal der Kanalstruktur zwischen den beiden Schichten ausgebildet.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine dem Tragrahmen zugewandte Seite der ersten Abdeckung, insbesondere der ersten Schicht, in einem Oberflächenbereich von wenigstens 75% eben ausgebildet. Besonders bevorzugt ist diese Seite im Wesentlichen vollständig eben - also vollständig eben abgesehen von Unebenheiten mit vernachlässigbarer lateraler Ausdehnung - ausgebildet. Diese Eigenschaft der ersten Abdeckung erleichtert die Realisierung des Wärmeübertragers in Flachbauweise.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist das wenigstens eine thermo- elektrische Element ein Peltier-Element. Solche Peltier-Elemente sind kommerziell in großen Mengen und kostengünstig verfügbar. Somit ergeben sich insbesondere bei Verwendung mehrerer Peltier-Elemente erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung des Wärmeübertragers. Eine besonders hohe Wärmeübertragungsleistung kann in dem Wärmeübertrager erreicht werden, wenn wenigstens zwei thermoelektrische Elemente, vorzugsweise eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, benachbart zueinander in der Durchgangsöffnung angeordnet sind. Besagte thermoelektrische Elemente sind dabei bevorzugt mittels jeweiliger Halteelemente, insbesondere in der Art von Streben, in der Durchgangsöffnung des Tragrahmens gehalten. Besonders bevorzugt, weil platzsparend, ist eine rasterartige Anordnung der thermoelektrischen Elemente mit wenigstens zwei Rasterzeilen und wenigstens zwei Rasterspalten.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen den beiden Abdeckungen eine Dichtungseinrichtung angeordnet, welche den durch die Durch- gangsöffnung des Tragrahmens gebildeten Hohlraum gegen die äußere Umgebung abdichtet. Auf diese Weise kann das wenigstens eine thermoelektrische Element gegen Beschädigung oder Zerstörung durch in der Umgebungsluft vorhandene Verschmutzungen verhindert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Dichtungseinrichtung zwei Dichtungsringe, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Tragrahmens angeordnet sind und beide jeweils die Durchgangsöffnung vollständig umlaufend einfassen. Auf diese Weise kann kostengünstig die gewünschte Abdichtung auf beiden Seiten des Tragrahmens realisiert werden.

Besonders einfach und somit kostengünstig herzustellen ist der Wärmeübertrager, wenn der Tragrahmen als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet wird, in welchem wenigstens ein elektrischer Leiter zum Versorgen des wenigstens einen thermoelektrischen Elements mit elektrischer Energie aus einer externen elektrischen Energiequelle angeordnet ist. Bei dieser Variante ist der wenigstens eine elektrische Leiter von dem Kunststoff des Tragrahmens umspritzt. Eine separate, elektrisch isolierende Umhüllung des elektrischen Leiters kann auf diese Weise entfallen. Bei einer Weiterbildung können mehrere solche elektrischen Leiter jeweils elektrisch isoliert voneinander mit dem Kunststoff des Tragrahmens umspritzt sein. Dies Variante erlaubt eine einfache elektrische Verdrahtung der im Tragrahmen vorhandenen thermoelektrischen Elemente mit einer externen elektrischen Spannungsquelle.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie-Anordnung mit einer ein Batteriegehäuse aufweisenden Batterie sowie mit einem vorangehend vorgestellten Wärmeübertrager zum Temperieren der Batterie, wobei die zweite Abdeckung zum Temperieren der Batterie am Batteriegehäuse anliegt oder einen Teil des Batteriegehäuses der Batterie ausbildet, wobei oder einen Teil des Batteriegehäuses ausbildet. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Wärmeübertragers übertragen sich somit auf die Batterie-Anordnung.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Die einzige Figur 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung ein Beispiel eines erfin- dungsgemäßen Wärmeübertragers 1 , der als thermoelektrische Wärmepumpe für eine Batterie-Anordnung verwendet werden kann. Der Wärmeübertrager 1 weist eine erste Abdeckung 2a und eine zweite Abdeckung 2b auf, die einander entlang einer Stapelrichtung S gegenüberliegen. Zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b ist in der Stapelrichtung S sandwichartig ein Tragrahmen 3 angeordnet. Der Tragrahmen 3 fasst eine Durchgangsöffnung 4 ein, in welcher mehrere thermoelektrische Elemente 22 angeordnet sind.

Wie Figur 1 anschaulich belegt, sind die thermoelektrischen Elemente 22 unter Ausbildung eines Rasters 16 benachbart und im Abstand zueinander in der Durchgangsöffnung 4 angeordnet. In Figur 1 sind exemplarisch sechs thermoelektrische Elemente 22 gezeigt, die Anzahl an thermoelektrischen Elemente 22 kann aber in Varianten des Beispiels variiert werden. Das Raster 16 mit den sechs thermoelektrischen Elementen umfasst im Beispiel der Figur 1 zwei Rasterzeilen 25 und drei Rasterspalten 26. Wie Figur 1 weiter erkennen lässt, können die thermoelektrische Elemente 22 mittels geeigneter Halteelemente 24 in der Durchgangsöffnung 4 gehalten sein. Die thermoelektrischen Elemente 22 sind vorzugsweise als Peltier-Elemente realisiert.

In der ersten Abdeckung 2a ist eine Kanalstruktur 5 mit mehreren Fluidkanälen 6 - in Figur 1 ist deren möglicher Verlauf in der ersten Abdeckung 2a schematisch angedeutet - ausgebildet, die zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet ist. Ein solches Fluid kann ein Kühl- oder Kältemittel sein, welches als Kühlmedium für eine thermisch an den Wärmeübertrager 1 gekoppelte Batterie dient. Besagtes Fluid kann über einen an der ersten Abdeckung 2a seitlich angeordneten Fluidei- nlass 7 in die Kanalstruktur 5 eintreten und über einen ebenfalls seitlich an der ersten Abdeckung 2a angeordneten Fluidauslass 8 wieder aus der Kanalstruktur 5 austreten. In den Fluidkanälen 6 der Kanalstruktur 5 können in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellte Strömungsleitelemente, insbesondere Turbulenzerzeugungselemente, für das durch die Kanalstruktur 5 strömende Fluid angeordnet sein. Dies bewirkt einen verbesserten Wärmeaustausch des Fluids mit den thermoelektrischen Elementen 22.

Die zweite Abdeckung 2b ist als Abdeckplatte 9 realisiert, die wenigstens auf einer vom Tragrahmen 3 abgewandten Seite 10 im Wesentlichen eben ausgebildet ist. Dies erlaubt es, die zweite Abdeckung 2b zur hochwirksamen thermischen Ankopplung flächig am Batteriegehäuse einer mittels des Wärmeübertragers 1 zu temperierenden Batterieeinheit anzubringen. Eine Gehäusewand 1 1 eines solchen Batteriegehäuses der zu temperierenden Batterie ist in Figur 1 in gestrichelter Darstellung angedeutet. Auch die erste Abdeckung 2a kann als Abdeckplatte 27 ausgebildet sein. Eine oder beide Abdeckungen 2a, 2b können als Stanz- oder Blechformteil ausgebildet sein.

An einem gemeinsamen äußeren Umfangsrand 12 des Wärmeübertrages, der durch die beiden Abdeckungen 2a, 2b und den Tragrahmen 3 gebildet ist, können entlang deren Umfangsrichtung U eine Mehrzahl von klammerartigen Befestigungselementen 13 angeordnet sein. Mittels solcher Befestigungselemente 13, die in der Explosionsdarstellung der Figur 1 an der zweiten Abdeckung 2b gezeigt sind, werden die beiden Abdeckungen 2a, 2b sowohl aneinander als auch jeweils gegen den Tragrahmen 3 gedrückt.

Im Tragrahmen 3 sind zusätzlich zur Durchgangsöffnung 4 weitere Durchbrüche 14 vorgesehen, in welchen keine thermoelektrisches Elemente 22 angeordnet sind. Diese Durchbrüche 14 bilden zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b jeweilige Hohlräume 15 aus, die als thermische Isolation zwischen den beiden Ab- deckungen 2a, 2b wirkt. In Figur 1 ist exemplarisch nur ein einziger Durchbruch 14 dargestellt.

Bevorzugt weist der Tragrahmen 3 ein Rahmenmaterial auf, welches zu mindestens 75% aus einem Kunststoff besteht. Eine dem Tragrahmen 3 zugewandte Seite 17 der ersten Abdeckung 2a, insbesondere der ersten Schicht ist in einem Oberflächenbereich von wenigstens 75% eben ausgebildet. Auf diese Weise wird ein guter thermischer Kontakt der ersten Abdeckung 2a mit den thermoelektri- schen Elementen 22 sichergestellt. Der Tragrahmen 3 ist bevorzugt als Kunststoff-Spritzgussteil ausgebildet, in welchem elektrische Leiter 23 zum Versorgen der thermoelektrischen Elemente 22 mit elektrischer Energie aus einer externen elektrischen Energiequelle angeordnet ist. Die elektrischen Leiter, im Beispielszenario nur grobschematisch angedeutet, sind vom Kunststoff des Tragrahmen 3 umspritzt und benötigen daher keine separate, elektrisch isolierende Umhüllung.

Bevorzugt ist die erste Abdeckung 2a zweilagig ausgebildet und besitzt eine mit einer dem Tragrahmen 3 zugewandte erste Schicht und eine vom Tragrahmen 3 abgewandten zweiten Schicht (die beiden Schichten sind in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt). Die Kanalstruktur 5 mit den Fluidkanälen 6 ist vorzugsweise zwischen beiden Schichten ausgebildet.

Zwischen den beiden Abdeckungen 2a, 2b kann eine Dichtungseinrichtung 18 angeordnet sein, welche den durch die Durchgangsöffnung 4 gebildeten Hohlraum gegen die äußere Umgebung 19 des Wärmeübertragers 1 abdichtet. Hierzu kann die Dichtungseinrichtung zwei Dichtungsringe 20 umfassen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten 21 a, 21 b des Tragrahmens 3 angeordnet sind und beide jeweils die Durchgangsöffnung 4 vollständig umlaufend einfassen. Aus dem in Figur 1 dargestellten Blickwinkel ist nur derjenige der beiden Dichtungs- ringe 20 erkennbar, welcher auf der der ersten Abdeckung 2a zugewandten Seite 21 a angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Dichtungsringe 20 aus einem Elastomer hergestellt.