Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung zur Kühlung von Batterien Stand der Technik

Bei Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen werden Hochvoltbatterien als Energiespeicher eingesetzt, beispielsweise Lithium-Batterien. Derartige Lithium- Batterien (Li-Ionen-Batterien) werden mittels eines Kühlmittels gekühlt bzw. temperiert. Hierzu werden die Batterien oder die Batteriezellen an ihrem Boden und/oder seitlich mit Kühlplatten kontaktiert, welche eine Abfuhr von Wärme zur Kühlung oder eine Zufuhr von Wärme zum Heizen ermöglichen. Derartige Kühlplatten werden meist aus Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigt und mit internen Strömungskanälen und Einlassstutzen bzw. Auslassstutzen

ausgestattet.

Es erweist sich beim Stand der Technik als nachteilig, dass Kühlplatten aus verschiedenen Komponenten gefügt werden. Dies führt zu energetisch ungünstigen Fertigungsprozessen und zu einer relativ langen Prozessdauer. Verbunden ist dies mit hohen Herstellungskosten.

Die DE 20 2012 102 969 U1 offenbart eine Batteriekühlungsanordnung, bei welcher mehrere Kühlrohre zur thermischen Kontraktierung gegen die Batterien vorgespannt sind.

Aus der DE 20 2012 101 076 U1 ist es bekannt, Batterien, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einer Kühlplatte zu kontaktieren, in welche ein

Kühlmittelschlauch eingelegt und mechanisch verspannt ist.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung zur Kühlung von Batterien, insbesondere von Batterien für Kraftfahrzeuge, vorgesehen, bei welchem zwei Platten aus elastischem Material zur Ausbildung einer Anordnung von miteinander kommunizierenden Kühlkanälen miteinander gefügt werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft somit miteinander kommunizierende Kühlkanäle, welche beispielsweise eine gitterartige oder netzartige Struktur bilden können. Die Kühlkanäle bilden dabei flexible Kühlschläuche. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit auf sehr einfache Weise möglich, komplexe Strukturen von Kühlkanälen einfach und kostengünstig herzustellen, welche eine hohe Funktionalität aufweisen und unterschiedlichsten

geometrischen Anforderungen angepasst werden können. So ist es

beispielsweise möglich, mäanderförmige oder sich verzweigende Anordnungen von Kühlkanälen zu realisieren. Somit kann die Strömungsführung von Kühlmittel durch die Kühlkanäle konstruktiv so ausgelegt werden, dass sie entlang einer Vorzugsrichtung an den einzelnen Zellen der Batterien verläuft. Es ist

erfindungsgemäß auch möglich, die Anordnung von miteinander

kommunizierenden Kühlkanälen dreidimensional zu gestalten, so dass sowohl eine Bodenkühlung, als auch eine Seitenkühlung der einzelnen Zellen und/oder der gesamten Batterien ermöglicht wird. Die sich aus der erfindungsgemäß hergestellten Anordnung von Kühlkanälen ergebende Strömungsführung ist somit sehr leicht und kostengünstig realisierbar. Da die gesamte Anordnung aus einem elastischen Material gefertigt ist, kann diese, beispielsweise bei Service- Arbeiten, einfach und kostengünstig ausgetauscht werden. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Herstellverfahren eine schnelle und flexible Anpassung und Skalierung an unterschiedliche Batterieanordnungen, Batteriegrößen und/oder Anordnungen von einzelnen Zellen.

Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn die Kühlkanäle durch

Einbringen eines Trennmittels zwischen die Platten vor dem Fügevorgang erzeugt werden. Auf diese Weise ist es besonders einfach möglich,

unterschiedlichste und auch komplexe Geometrien der Anordnungen von

Kühlkanälen zu realisieren. Das Trennmittel verhindert beim Fügen der Platten des elastischen Materials ein Fügen entlang der zu erzeugenden Kühlkanäle und stellt eine sehr einfache und betriebssichere Maßnahme dar. Zudem ist dieser Verfahrensschritt auch in einfacher Weise automatisierbar.

Erfindungsgemäß ist es möglich, vor dem Fügen oder nach dem Fügen die Bereiche der Platten zu entfernen, an welchen keine Kühlkanäle ausgebildet werden sollen. Abhängig von der Geometrie und dem Material der Platten kann die Erfindung somit an unterschiedlichste Anforderungen angepasst werden.

Erfindungsgemäß wird die Anordnung der Kühlkanäle mit zumindest einem Einlassbereich und mit zumindest einem Auslassbereich ausgebildet, um einen

Anschluss der Kühlkanäle an einen Kühlmittelkreislauf zu ermöglichen. Der Einlassbereich und der Auslassbereich können dabei beispielsweise

Anschlussfittinge oder ähnliches umfassen. Erfindungsgemäß werden die Kühlkanäle aus einem Kunststoffmaterial, aus einem Gummimaterial oder aus einer Metallfolie gefertigt. Entscheidend ist, dass das Material flexibel ist, so dass nach dem Fügen der Platten und dem

Fertigstellen der Anordnung von Kühlkanälen diese mit einem Kühlmittel befüllt bzw. durch ein Kühlmittel durchströmt werden können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Material dünn und gut thermisch leitend ist. Der erfindungsgemäß hergestellte Kühlkanal bzw. die Anordnung von Kühlkanälen werden somit bei der Durchströmung mit dem Kühlmittel aufgebläht und passen sich flexibel an die zu kühlenden Oberflächen der Batterien oder der

Batteriezellen an. Dies erleichtert auch die Montagearbeit der

erfindungsgemäßen Anordnung, da die Anordnung von Kühlkanälen im nicht- aufgefalteten Zustand eingelegt werden kann. Durch die Befüllung erzielen die Kühlkanäle ihre endgültige Form und können durch Kontakt mit den Flächen der Batterien oder Batteriezellen die Wärmeübertragung bewirken. Erfindungsgemäß können sowohl Seitenflächen als auch Bodenflächen von Batterien bzw.

Batteriezellen durch die Anordnung der Kühlkanäle kontaktiert werden. Die elastischen, erfindungsgemäß hergestellten Kühlkanäle passen sich auch den jeweiligen Kontaktflächen an, so dass das Gesamtdesign eines

Thermomanagementsystems auf wenige Parameter reduziert und damit vereinfacht werden kann. Erfindungsgemäß ist es dabei auch möglich, standardisierte Größen von schlauchartigen Anordnungen von Kühlkanälen zu verwenden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung, der sich aus dem

erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Anordnung von miteinander kommunizierenden Kühlkanälen ergibt, ist dadurch gegeben, dass die

Anordnung der Kühlkanäle nicht mit Kraft beaufschlagt wird, so dass eine Entkopplung zwischen Kraftübertragung und Kühlung möglich ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Batterien in einer Gitterbox angeordnet werden, in welche die Anordnung der Kühlkanäle eingebracht wird. Eine derartige Gitterbox kann bevorzugterweise aus Kunststoff hergestellt werden,

beispielsweise mittels Spritzgießen oder mittels Druckguss. Die Gitterbox- Konstruktion trägt dabei die Batteriezellen oder die Batterien oder lagert zugleich die Anordnung der erfindungsgemäß hergestellten Kühlkanäle.

Bevorzugterweise wird die Gitterbox mit zumindest einer Führungsnut zur Aufnahme der Anordnung der Kühlkanäle versehen. Hierdurch wird

sichergestellt, dass die Anordnung der Kühlkanäle während der Montage exakt erfolgt. Knickstellen oder andere, einen Verschluss der Kühlkanäle bewirkende Fehler können somit ausgeschlossen werden.

Durch die Aufwölbung der Anordnung der Kühlkanäle bei der Durchströmung mit Kühlmittel ergibt sich eine gute Kontaktierung zu den Batterien und ein guter Wärmeübergang. Damit ist es erfindungsgemäß auch möglich, die

Kontaktbereiche kleiner zu dimensionieren und/oder kleiner dimensionierte Kühlkanäle einzusetzen. Hinsichtlich der Materialien der elastischen Platten, aus welchen

erfindungsgemäß die Anordnung der Kühlkanäle geformt wird, ergeben sich vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten. So ist es

beispielsweise auch möglich, Füllmaterial zu verwenden, um die

Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen oder um die mechanische Festigkeit zu steigern. So können beispielsweise metallische Partikel oder Kunststofffasern beigegeben werden. Es ist weiterhin auch möglich, metallische Oberflächen auf die elastischen Platten aufzubringen, um die mechanische Oberflächenfestigkeit zu steigern.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Anordnung der miteinander kommunizierenden Kühlkanäle die Möglichkeit schafft, unterschiedliche Querschnitte der Kühlkanäle zu realisieren. So ist es beispielsweise möglich, den Einströmbereich und den Ausströmbereich mit einem größeren Querschnitt auszubilden, als mittlere Verbindungsbereiche.

Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren möglich, unterschiedliche Kühlmittel einzusetzen, beispielsweise in flüssiger oder gasförmiger Form.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten

Ausführungsbeispiels mit zwei Platten aus elastischem

Material,

Figur 2 ein Herstellungsschritt der gefügten Platten,

Figur 3 eine schematische Darstellung der fertigen Anordnung von

Kühlkanälen,

Figur 4 eine Darstellung, analog Figur 1 , eines weiteren

Ausführungsbeispiels,

Figur 5 eine schematische Darstellung der vor dem Fügen

ausgestanzten Anordnungen von Kühlkanälen,

Figur 6 Darstellung der fertigen Anordnung von Kühlkanälen, og Figur 3,

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Batterie mit Gitterbox und

Kühlkanal zur Bodenkühlung,

Figur 8 eine Darstellung, analog Figur 7, zur Seitenkühlung, und Figuren 9-13 schematische Darstellungen auf Batterieanordnungen mit unterschiedlich ausgebildeten Anordnungen von erfindungsgemäß hergestellten Kühlkanälen.

Ausführungsformen der Erfindung

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 werden zwei Platten 2, 3 aus dünnem Butyl-Gummi extrudiert. Auf eine erste Platte 2 wird eine Anordnung von Trennmittel 5 aufgebracht. Ebenso können im Einzelnen nicht dargestellte Einlassbereiche 6 und Auslassbereiche 7 aufgebracht werden (s. Figur 3).

Nachfolgend wird, wie in Figur 2 dargestellt, die Anordnung der beiden Platten 2, 3 gefügt, beispielsweise durch Vulkanisation unter hohem Druck und hoher Temperatur. Nachfolgend wird, wie in Figur 3 dargestellt, der jeweilige

Zwischenbereich, welcher zwischen den Anordnungen der Kühlkanäle 4 vorhanden ist, entfernt, beispielsweise durch Ausstanzen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es in Weiterbildung der Erfindung möglich, zusätzliche Lagen von Gewebe oder ähnlichem einzubringen, welche die Form und mechanische Festigkeit der in Figur 3 gezeigten Anordnung von Kühlkanäle verbessern.

Während des Fügevorgangs zur Erzeugung der in Figur 2 gezeigten Anordnung ist es möglich, die Anordnung der Kühlkanäle zu befüllen, beispielsweise mit einem Gas, um den Fügevorgang und den nachfolgenden Stanzvorgang fehlerfrei durchführen zu können.

Die Figuren 4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem, ausgehend von einer Anordnung zweier Platten 2, 3 gemäß Figur 4, diese Platten jeweils einzeln ausgeschnitten oder ausgestanzt werden, um die

Anordnung von Kühlkanälen gemäß Figur 5 zu realisieren. Nachfolgend werden, wie in Figur 6 dargestellt, die Anordnungen der Kühlkanäle 4 gemäß Figur 5 gefügt, beispielsweise durch Vulkanisation unter hohem Druck und hoher Temperatur.

Die Figuren 7 und 8 zeigen die erfindungsgemäßen Anordnungen von

Kühlkanälen 4 in unterschiedlicher Zuordnung zu Batterien 1. Dabei ist schematisch jeweils ein Teil einer Gitterbox 8 dargestellt, welche beispiel aus Kunststoff gefertigt ist und mit Führungsnuten 9 versehen ist, in welchen die Kühlkanäle 4 verlaufen.

Die Figuren 9 bis 13 zeigen jeweils unterschiedliche

Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Anordnungen von

Kühlkanälen 4. Gemäß Figur 9 kann eine U-förmige Anordnung vorgesehen sein, welche von einem Einlassbereich 6 zu einem Auslassbereich 7 durchströmt wird. Bei der in Figur 10 gezeigten Anordnung verläuft die Anordnung der Kühlkanäle 4 von einem Einlassbereich 6 aus in variierenden Richtungen, um eine gute Kontaktierung der einzelnen Batterien 1 bzw. der Batteriezellen sicherzustellen, bevor ein Kühlmittel durch den Auslassbereich 7 abgeleitet wird.

Bei der Ausführungsvariante der Figur 1 1 verläuft die Anordnung der Kühlkanäle 4 an der Außenseite der einzelnen Batteriezellen oder Batterien 1 , während die Figur 12 ein Ausführungsbeispiel zeigt, bei welchem die Anordnung der

Kühlkanäle 4 zwischen benachbarten Anordnungen von Batterien 1 oder Batteriezellen angeordnet ist.

Die Figur 13 zeigt eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher sich die Anordnung der Kühlkanäle 4 mehrfach verzweigt und/oder vereinigt, um eine optimale Wärmeübertragung sicherzustellen.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, mittels der Anordnung von Kühlkanälen die Batterien 1 oder Batteriezellen zu kühlen. In analoger Weise ist es auch möglich, diese durch ein geeignetes Medium zu erwärmen.