DE102022110300A1

DE102022110300A1 - Heat exchange element for a high-voltage storage module

Info

Publication number: DE102022110300A1
Application number: DE102022110300.5A
Authority: DE
Inventors: Philip Kotter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschelement (18) zur Anordnung in einer Zellpackung (24) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (11) eines Hochvoltspeichermoduls (11), wobei das Wärmetauschelement (18) zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Zellreihen (16) der Zellpackung (24) anordenbar ist.The invention relates to a heat exchange element (18) for arrangement in a cell pack (24) with a plurality of battery cells (11) of a high-voltage storage module (11), wherein the heat exchange element (18) is located between two cell rows (16) of the cell pack (24) arranged adjacent to one another. can be arranged.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschelement zur Anordnung in einer Zellpackung mit einer Vielzahl von Batteriezellen eines Hochvoltspeichermoduls, wobei das Wärmetauschelement zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Zellreihen der Zellpackung anordenbar ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Hochvoltspeichermodul mit wenigstens einem solchen Wärmetauschelement.The invention relates to a heat exchange element for arrangement in a cell pack with a plurality of battery cells of a high-voltage storage module, wherein the heat exchange element can be arranged between two cell rows of the cell pack arranged adjacent to one another. The invention also relates to a high-voltage storage module with at least one such heat exchange element.

Zur Bereitstellung elektrischer Energie beim Versorgen elektrischer Antriebe von Fahrzeugen sind Hochvoltspeicher, auch als Antriebsbatterien oder -akkumulatoren bezeichnet, bekannt. Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist temperaturabhängig. In heutigen Hochvoltspeicherstrukturen von Elektrofahrzeugen werden Batteriezellen beispielsweise mittels Kühlschlangen mit Kühlflüssigkeit zwischen den Batteriezellen, auf den Batteriezellen oder unterhalb der Batteriezellen, Wärmeleitblechen mit Anbindung an Flüssigkeitskühlung zwischen den Batteriezellen, auf den Batteriezellen oder unterhalb der Batteriezellen oder flüssigkeitsumströmte Batteriezellen in Form einer „Immersionskühlung“ oder „Immersionsheizung“ gekühlt und/oder geheizt. Bei diesen Vorrichtungen kann die Kühlflüssigkeit auch mittels Beheizung erwärmt werden, um ein Aufheizen der Batteriezellen zu erreichen.High-voltage storage devices, also known as drive batteries or accumulators, are known for providing electrical energy when supplying electric drives in vehicles. The performance and service life of lithium-ion batteries depend on temperature. In today's high-voltage storage structures of electric vehicles, battery cells are, for example, using cooling coils with coolant between the battery cells, on the battery cells or below the battery cells, heat conducting plates with a connection to liquid cooling between the battery cells, on the battery cells or below the battery cells, or battery cells with liquid flow in the form of "immersion cooling" or “Immersion heating” cooled and/or heated. In these devices, the coolant can also be heated by heating in order to heat up the battery cells.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauscheinrichtung für ein Hochvoltspeichermodul, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu verbessern. Insbesondere soll eine solche Wärmetauscheinrichtung dahingehend verbessert werden, dass eine mechanische Stabilisierung des Hochvoltspeichermoduls mittels des Wärmetauschelements ermöglicht wird.Against this background, it is an object of the invention to improve a heat exchange device for a high-voltage storage module, in particular for a motor vehicle. In particular, such a heat exchange device should be improved in such a way that mechanical stabilization of the high-voltage storage module is made possible by means of the heat exchange element.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmetauschelement zur Anordnung in einer Zellpackung mit einer Vielzahl von Batteriezellen eines Hochvoltspeichermoduls mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch eine Wärmetauschanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 9 und ein Hochvoltspeichermodul mit den Merkmalen von Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by a heat exchange element for arrangement in a cell pack with a plurality of battery cells of a high-voltage storage module with the features of claim 1 and by a heat exchange arrangement with the features of claim 9 and a high-voltage storage module with the features of claim 10. The dependent claims relate to advantageous ones Further developments of the invention.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Wärmetauschelement zur Anordnung in einer Zellpackung mit einer Vielzahl von Batteriezellen eines Hochvoltspeichermoduls vorgeschlagen, wobei das Wärmetauschelement zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Zellreihen der Zellpackung anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschelement wenigstens einen Wärmetauschabschnitt und wenigstens einen Stabilisierungsabschnitt aufweist, der eingerichtet ist, die Zellpackung mechanisch zu stabilisieren.According to a first aspect, a heat exchange element is proposed for arrangement in a cell pack with a plurality of battery cells of a high-voltage storage module, wherein the heat exchange element can be arranged between two cell rows of the cell pack arranged adjacent to one another, characterized in that the heat exchange element has at least one heat exchange section and at least one stabilization section, which is designed to mechanically stabilize the cell packing.

Hierdurch kann das Wärmetauschelement zusätzlich zu der temperaturregulierenden Funktion zur Versteifung der Batteriezellenpackung des Hochvoltspeichermoduls beitragen, um, insbesondere im Betrieb eines Kraftfahrzeugs auftretenden, Belastungen entgegenzuwirken bzw. diese zu kompensieren oder zu reduzieren. Hierdurch kann eine Erhöhung der Lebensdauer des Hochvoltspeichermoduls bzw. eines Hochvoltspeichers ermöglicht werden.As a result, in addition to the temperature-regulating function, the heat exchange element can contribute to stiffening the battery cell pack of the high-voltage storage module in order to counteract or compensate for or reduce loads that occur, particularly when operating a motor vehicle. This makes it possible to increase the service life of the high-voltage storage module or a high-voltage storage device.

Ein Hochvoltspeicher ist insbesondere ein Energiespeicher bzw. eine Antriebsbatterie bzw. -akkumulator, welcher insbesondere mehrere Module mit parallel und seriell verschalteten Batteriezellen aufweist. Hierbei kommen insbesondere zylindrische Batteriezellen zum Einsatz, welche insbesondere in hexagonalen Packungsanordnungen bereitgestellt werden. Die Anzahl der eingesetzten Batteriezellen kann in direktem Zusammenhang mit einer Reichweite eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs stehen und eine Betriebsspannung von beispielsweise 400 oder 800 Volt bereitstellen. Derartige Hochvoltspeicher sind im Allgemeinen nicht als Monoblocks, sondern modular aus einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut; d.h. ein Hochvoltspeicher besteht in der Regel aus mehreren Modulen, die jeweils aus eng „gepackten“ parallel und seriell verschalteten Zellen bestehen. Insbesondere wenn dabei zylindrische Rundzellen verwendet werden, werden diese häufig in einer hexagonalen Zellpackung angeordnet, auch „Honeycomb“ oder „Wabenstruktur“ genannt. Dies erhöht die Gestaltungsfreiheit und ermöglicht die Verwendung vergleichsweise kostengünstiger Standardzellen, die als Massenprodukte hergestellt werden können, anstelle von individuellen Spezialanfertigungen.A high-voltage storage device is in particular an energy storage device or a drive battery or accumulator, which in particular has several modules with battery cells connected in parallel and in series. In particular, cylindrical battery cells are used here, which are provided in particular in hexagonal packing arrangements. The number of battery cells used can be directly related to the range of an electric or hybrid vehicle and can provide an operating voltage of, for example, 400 or 800 volts. Such high-voltage storage systems are generally not constructed as monoblocks, but rather modularly made up of a large number of battery cells; i.e. a high-voltage storage system usually consists of several modules, each consisting of tightly packed cells connected in parallel and series. Especially when cylindrical round cells are used, they are often arranged in a hexagonal cell pack, also called a “honeycomb” or “honeycomb structure”. This increases design freedom and enables the use of comparatively inexpensive standard cells that can be mass-produced instead of individual, custom-made cells.

Batteriezellen bzw. Rundzellen sind in solchen Hochvoltspeichermodulen insbesondere in zueinander versetzt benachbarten Zellreihen angeordnet. Unter zwei zueinander versetzt benachbart angeordneten Zellreihen ist hier insbesondere zu verstehen, dass die Batteriezellen der benachbarten Zellreihen - bezogen auf eine Längsachse der Batteriezellen - bei identischer Beabstandung untereinander an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind, die sich aus einer hexagonalen Packung ergeben. Dadurch können die Batteriezellen benachbarter Reihen an ihren Mantelseiten näher zueinander angeordnet sein, sodass sich für den Zwischenraum eine wellenförmige und/oder schwach mäandernde Längsform ergibt, weil korrespondierende Zellen der benachbarten Zellreihen einander überschneiden würden, wenn sie nicht zueinander versetzt angeordnet wären.In such high-voltage storage modules, battery cells or round cells are arranged in particular in rows of cells that are offset from one another. Two rows of cells arranged offset from one another are to be understood here in particular as meaning that the battery cells of the adjacent rows of cells - based on a longitudinal axis of the battery cells - are arranged at different positions with identical spacing from one another, which result from a hexagonal pack. As a result, the battery cells of adjacent rows can be arranged closer to one another on their jacket sides, so that a wavy and/or slightly meandering longitudinal shape results for the gap because corresponding cells of the adjacent cell rows would overlap one another if they were not arranged offset from one another.

In diesem mäandernden Zwischenraum ist das Wärmetauschelement anordenbar bzw. angeordnet und weist hierbei insbesondere in seiner Längsrichtung eine mäandernde Außengeometrie auf. Eine Breite in Querrichtung des Wärmetauschelements kann einer Breite des Zwischenraums wenigstens im Wesentlichen entsprechen, um für eine Wärmeübertragung bzw. einen Wärmeübergang mit beiden benachbarten Batteriezellen bzw. Zellreihen, insbesondere flächig, in Berührung stehen zu können. Hierbei kann das Wärmetauschelement eine an die versetzt zueinanderstehenden Mantelflächen der Batteriezellen angeformte Gestalt aufweisen, insbesondere eine Wellenform und/oder eine schwach mäandernde Form mit durch die Längsachsen der Batteriezellen bestimmten Krümmungsachsen. Das ermöglicht eine gute Wärmeübertragung an die Zellmäntel der Batteriezellen und es kann eine Strukturfunktion des Wärmeelements erreicht werden, weil sich durch das Anformen die Batteriezellen über die Wärmeelemente aneinander abstützen und ggf. zueinander festlegen können.The heat exchange element can be arranged or arranged in this meandering intermediate space and has a meandering external geometry, particularly in its longitudinal direction. A width in the transverse direction of the heat exchange element can at least substantially correspond to a width of the intermediate space in order to be able to be in contact with both adjacent battery cells or rows of cells, in particular over a large area, for heat transfer or heat transfer. Here, the heat exchange element can have a shape that is molded onto the mutually offset lateral surfaces of the battery cells, in particular a wave shape and/or a slightly meandering shape with axes of curvature determined by the longitudinal axes of the battery cells. This enables good heat transfer to the cell jackets of the battery cells and a structural function of the heat element can be achieved because the battery cells can be supported on one another via the heat elements and, if necessary, fixed to one another through the molding.

Das Wärmetauschelement ist insbesondere derart an bzw. zwischen den Batteriezellen anordenbar bzw. angeordnet, dass mittels des Wärmetauschabschnitts eine Wärmeleitung durch mechanische Berührung erfolgen kann. Hierbei kann das Wärmetauschelement mittels einer wärmeleitenden Paste oder Schicht an den Batteriezellen angeordnet sein. Der Wärmetauschabschnitt kann beispielsweise zur Flüssigkeitsführung ausgebildet sein bzw. Flüssigkeitsleitungen aufweisen, durch welche ein vortemperiertes Fluid strömen kann, um einen Wärmeübergang zwischen den Batteriezellen und dem Wärmetauschabschnitt zu ermöglichen.The heat exchange element can in particular be arranged on or between the battery cells in such a way that heat conduction can take place through mechanical contact by means of the heat exchange section. Here, the heat exchange element can be arranged on the battery cells using a heat-conducting paste or layer. The heat exchange section can, for example, be designed to guide liquids or have liquid lines through which a pre-tempered fluid can flow in order to enable heat transfer between the battery cells and the heat exchange section.

Der Stabilisierungsabschnitt ist eingerichtet, das Flächenträgheitsmoment des Wärmetauschelements, insbesondere gegenüber einem Flächenträgheitsmoment des Wärmetauschabschnitts, zu erhöhen, um eine Widerstandsfähigkeit gegen eine Biegebeanspruchung des Wärmtauschelements zu verbessern. Hierzu kann der Stabilisierungsabschnitt insbesondere in einer Längsrichtung der Batteriezellen bzw. in einer Hochrichtung des Wärmetauschelements angrenzend an den Wärmetauschabschnitt angeordnet sein, um ein mechanisch wirksames Volumen des Wärmetauschelements zu erhöhen. Insbesondere ist der Stabilisierungsabschnitt derart ausgebildet, dass er eine Außengeometrie des Wärmetauschabschnitts fortsetzt bzw. zusammen mit dem Wärmetauschabschnitt eine homogen ausgebildete Außengeometrie aufweist. Hierbei kann das Wärmetauschelement eine Berührungsfläche mit der bzw. den Batteriezellen ausbilden, die zum einen zur Wärmeübertragung und zum anderen zur mechanischen Stabilisierung der Zellpackung beiträgt.The stabilization section is set up to increase the area moment of inertia of the heat exchange element, in particular compared to a area moment of inertia of the heat exchange section, in order to improve resistance to bending stress of the heat exchange element. For this purpose, the stabilization section can be arranged in particular in a longitudinal direction of the battery cells or in a vertical direction of the heat exchange element adjacent to the heat exchange section in order to increase a mechanically effective volume of the heat exchange element. In particular, the stabilization section is designed such that it continues an external geometry of the heat exchange section or has a homogeneously formed external geometry together with the heat exchange section. Here, the heat exchange element can form a contact surface with the battery cell(s), which contributes to heat transfer and to the mechanical stabilization of the cell pack.

Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, Kühl- bzw. Heizstrukturen, welche zum effizienten Betrieb eines Hochvoltspeichers vorgesehen sind, derart weiterzubilden, dass diese auch zu einer mechanischen Versteifung des Hochvoltspeichers genutzt werden können. Hierzu wird vorgeschlagen, neben dem thermisch wirksamen Bereich wenigstens eine zusätzliche Struktur in Form eines Stabilisierungsabschnitts vorzusehen, um eine Versteifung des Hochvoltspeichers insbesondere in einer Richtung einer Fahrzeugvertikalen zu ermöglichen.The invention is based, among other things, on the idea of developing cooling or heating structures, which are intended for the efficient operation of a high-voltage storage device, in such a way that they can also be used to mechanically stiffen the high-voltage storage device. For this purpose, it is proposed to provide at least one additional structure in the form of a stabilization section in addition to the thermally effective area in order to enable the high-voltage battery to be stiffened, particularly in a vertical direction of the vehicle.

Hierdurch können insbesondere Überbelastungen von Verbindungstellen wie beispielsweise Strukturklebebereiche oder Kontaktierungsstellen, welche zum Beispiel beim Überfahren von Bodenwellen entstehen können, verringert werden. Zudem kann eine Beitragsleistung des Hochvoltspeichers zu einer Gesamtsystemsteifigkeit eines Kraftfahrzeugs gesteigert werden. Hierdurch kann eine Lebensdauer des Hochvoltspeichers bzw. des Hochvoltspeichermoduls erhöht werden.In this way, overloading of connection points such as structural adhesive areas or contact points, which can arise, for example when driving over bumps, can be reduced. In addition, the contribution of the high-voltage storage unit to the overall system rigidity of a motor vehicle can be increased. As a result, the service life of the high-voltage storage or the high-voltage storage module can be increased.

Bei einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Stabilisierungsabschnitt beabstandet zu einer neutralen Faser des Wärmetauschelements angeordnet. Die neutrale Faser, auch Nulllinie genannt, ist diejenige Faser oder Schicht eines Wärmetauschelementquerschnitts, deren Länge sich bei einem Biegen nicht ändert bzw. in der eine Beanspruchung keine Zug- oder Druck-Spannung verursacht. Die neutrale Faser verläuft insbesondere durch den geometrischen Schwerpunkt der Querschnittsfläche des Wärmetauschelements. Da die Belastung in einer von der neutralen Faser in senkrechter Richtung am weitesten entfernten Faser maximal ist, kann durch einen derart bzw. dort angeordneten Stabilisierungsabschnitt eine solche Belastung verbessert aufgenommen bzw. dieser entgegengewirkt werden.In one embodiment, the at least one stabilization section is arranged at a distance from a neutral fiber of the heat exchange element. The neutral fiber, also known as the zero line, is the fiber or layer of a heat exchange element cross section whose length does not change when bent or in which stress does not cause tensile or compressive stress. The neutral fiber runs in particular through the geometric center of gravity of the cross-sectional area of the heat exchange element. Since the load is maximum in a fiber furthest away from the neutral fiber in the vertical direction, such a load can be better absorbed or counteracted by a stabilization section arranged in this way or there.

Durch eine derartige Anordnung des bzw. der Stabilisierungsabschnitte kann der Steiner-Anteil des Flächenträgheitsmoments des Wärmetauschelementquerschnitts und damit das Flächenträgheitsmoment des Wärmetauschelements erhöht werden, um eine Stabilisierungswirkung für den Hochvoltspeicher zu erzielen. Hierdurch kann beispielsweise eine Resonanzfrequenz des Hochvoltspeichers angehoben werden, um eine mechanische Stabilisierung beispielsweise in einem Betrieb eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.Through such an arrangement of the stabilization section(s), the Steiner portion of the area moment of inertia of the heat exchange element cross section and thus the area moment of inertia of the heat exchange element can be increased in order to achieve a stabilization effect for the high-voltage storage device. In this way, for example, a resonance frequency of the high-voltage storage device can be increased in order to enable mechanical stabilization, for example when operating a motor vehicle.

Bei einer Ausführungsform grenzt wenigstens ein Stabilisierungsabschnitt in einer Hochrichtung des Wärmetauschelements an den Wärmetauschabschnitt an. Die Hochrichtung des Wärmetauschelements steht hierbei senkrecht zur Quer- und Längsrichtung des Wärmetauschelements. Die Hochrichtung des Wärmetauschelements verläuft in einer betriebsgemäßen Anordnung insbesondere parallel zu einer Längsachse einer bzw. der Batteriezellen des Hochvoltspeichermoduls bzw. kann die Hochrichtung in Bezug auf eine Einbausituation in einem Kraftfahrzeug im Wesentlichen eine Fahrzeugvertikale sein. Ein Stabilisierungsabschnitt kann an einem bzw. beiden Enden des Wärmetauschabschnitts vorgesehen sein, um eine Versteifung des Wärmetauschelements und/oder der Zellpackung zu verbessern und zu einer Erhöhung eines Biegewiderstandes beizutragen.In one embodiment, at least one stabilization section adjoins the heat exchange section in a vertical direction of the heat exchange element. The vertical direction of the heat exchange element is perpendicular to the transverse and longitudinal directions of the heat exchange element. The vertical direction of the heat exchange element In an operational arrangement, runs in particular parallel to a longitudinal axis of one or the battery cells of the high-voltage storage module or the vertical direction can essentially be a vehicle vertical in relation to an installation situation in a motor vehicle. A stabilization section can be provided at one or both ends of the heat exchange section in order to improve stiffening of the heat exchange element and/or the cell packing and to contribute to increasing bending resistance.

Bei einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Stabilisierungsabschnitt kraftübertragend mit dem Wärmetauschabschnitt verbunden. Hierbei kann eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung vorgesehen sein bzw. der Wärmetauschabschnitt und der Stabilisierungsabschnitt des Wärmetauschelements können als integral bzw. einstückig ausgebildete Komponente ausgeprägt sein. Hierdurch kann eine Verformungsbeanspruchung mittels der Stabilisierungsabschnitte aufgenommen werden, wobei ein Abgleiten dieser von dem Wärmetauschabschnitt und ein damit verbundenes Beschädigungsrisiko verringert bzw. vermieden werden kann.In one embodiment, the at least one stabilization section is connected to the heat exchange section in a force-transmitting manner. Here, a non-positive and/or positive connection can be provided or the heat exchange section and the stabilization section of the heat exchange element can be designed as an integral or one-piece component. As a result, a deformation stress can be absorbed by means of the stabilization sections, whereby slipping of these from the heat exchange section and the associated risk of damage can be reduced or avoided.

Bei einer Ausführungsform entspricht das Wärmetauschelement in seiner Hochrichtung wenigstens im Wesentlichen einer Höhe der Batteriezellen. Eine Höhe der Batteriezellen bzw. Rundzellen ist hierbei in Richtung deren Längsachse bemessen und kann beispielsweise einer Höhe einer Umfangsgeometrie der Batteriezellen entsprechen. Insbesondere schließt das Wärmetauschelement dabei in Hochrichtung oben und/oder unten zumindest im Wesentlichen, insbesondere bündig, mit den benachbarten Batteriezellen, insbesondere mit deren Zellkörper, ab. Dadurch, dass ein derart ausgeprägtes Wärmetauschelement in seiner Geometrie ein maximales Volumen des Zwischenraums zwischen benachbarten Zellreihen ausnutzt, um das Flächenträgheitsmoment des Wärmetauschelements bzw. des oder der Stabilisierungsabschnitte zu erhöhen, kann eine Versteifungswirkung des Wärmetauschelements verbessert werden.In one embodiment, the vertical direction of the heat exchange element corresponds at least substantially to a height of the battery cells. A height of the battery cells or round cells is measured in the direction of their longitudinal axis and can, for example, correspond to a height of a peripheral geometry of the battery cells. In particular, the heat exchange element closes in the vertical direction at the top and/or bottom at least essentially, in particular flush, with the neighboring battery cells, in particular with their cell bodies. Because such a pronounced heat exchange element in its geometry utilizes a maximum volume of the space between adjacent rows of cells in order to increase the moment of inertia of the heat exchange element or the stabilization section or sections, a stiffening effect of the heat exchange element can be improved.

Bei einer Ausführungsform weist der Stabilisierungsabschnitt, insbesondere in einer Hochrichtung des Wärmetauschelements, wenigstens ein Stegelement auf, das wenigstens teilweise über eine Höhe der Batteriezellen ragt bzw. über diese hinaussteht. Damit weist das Wärmetauschelement eine Höhe auf, die größer ist als eine Höhe der Batteriezellen bzw. Zellreihen. Das Stegelement kann hierbei in Verlängerung der Außengeometrie des Stabilisierungsabschnitts bzw. des Wärmetauschelements ausgebildet sein bzw. diese fortsetzen, um durch eine Materialverteilung, möglichst weit beabstandet zu der neutralen Faser des Wärmetauschelements, einen Biegewiderstand zu erhöhen, um so eine etwaige mechanische Verformung reduzieren zu können. Das Stegelement kann dazu eingerichtet oder ausgebildet sein, mit einem Gehäuse oder weiteren Stabilisierungselementen des Hochvoltspeichers und/oder Hochvoltspeichermoduls verbunden, beispielsweise verschweißt oder verklebt, zu werden, um eine weitere Versteifung zu ermöglichen.In one embodiment, the stabilization section, in particular in a vertical direction of the heat exchange element, has at least one web element which projects at least partially above a height of the battery cells or protrudes beyond them. The heat exchange element thus has a height that is greater than a height of the battery cells or rows of cells. The web element can be designed as an extension of the outer geometry of the stabilization section or the heat exchange element or can continue this in order to increase bending resistance by distributing material as far away as possible from the neutral fiber of the heat exchange element in order to be able to reduce any mechanical deformation . The web element can be set up or designed to be connected, for example welded or glued, to a housing or further stabilizing elements of the high-voltage storage and/or high-voltage storage module in order to enable further stiffening.

Bei einer Ausführungsform ist das Stegelement wenigstens im Wesentlichen T-förmig ausgebildet. Dabei kann das Stegelement einen Quersteg aufweisen, der wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Hoch- bzw. Vertikalachse des Wärmetauschelements ausgebildet sein kann. Das Stegelement kann abschnittsweise oder im Wesentlichen über die gesamte Längserstreckung des Wärmetauschelements bzw. des Stabilisierungsabschnitts ausgebildet sein und somit ein zusätzliches Lager für die Zellreihen bieten, um eine Versteifung der Zellpackung zu ermöglichen und eine Belastung der Batteriezellen zu reduzieren. Zudem kann durch die dadurch bedingte Massenverteilung das Flächenträgheitsmoment verbessert gegen eine Biegebeanspruchung wirken.In one embodiment, the web element is at least substantially T-shaped. The web element can have a transverse web, which can be formed at least substantially perpendicular to a vertical or vertical axis of the heat exchange element. The web element can be formed in sections or essentially over the entire longitudinal extent of the heat exchange element or the stabilization section and thus provide an additional bearing for the cell rows in order to enable the cell pack to be stiffened and to reduce the load on the battery cells. In addition, the resulting mass distribution allows the area moment of inertia to have an improved effect against bending stress.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Wärmetauschanordnung für ein Hochvoltspeichermodul für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, die zur Anordnung in einer Zellpackung mit einer Vielzahl von Batteriezellen eines Hochvoltspeichermoduls eingerichtet ist und wenigstens ein hierin beschriebenes Wärmetauschelement aufweist. Dabei sind die Wärmetauschelemente insbesondere so angeordnet, dass in jedem zweiten Reihenzwischenraum zwischen zwei Zellreihen, insbesondere einer Packebene der Batteriezellen, des Hochvoltspeichers ein Wärmetauschelement angeordnet werden kann oder ist. Damit kann jede Batteriezelle an wenigstens einer Mantelseite geheizt und/oder gekühlt werden und eine Stabilisierungswirkung für die Zellpackung bereitgestellt werden.According to a further aspect, a heat exchange arrangement for a high-voltage storage module for a motor vehicle is proposed, which is designed to be arranged in a cell pack with a plurality of battery cells of a high-voltage storage module and has at least one heat exchange element described herein. The heat exchange elements are arranged in particular in such a way that a heat exchange element can or is arranged in every second row gap between two rows of cells, in particular a packing level of the battery cells, of the high-voltage storage device. This means that each battery cell can be heated and/or cooled on at least one side of the shell and a stabilizing effect can be provided for the cell pack.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Hochvoltspeichermodul vorgeschlagen, aufweisend eine Vielzahl von Batteriezellen, wobei die Batteriezellen in einem Speicherraum des Hochvoltspeichermoduls in einer im Wesentlichen hexagonalen Zellpackung angeordnet sind, die durch mehrere mit jeweils einem Reihenzwischenraum zueinander versetzte Zellreihen ausgebildet ist, wobei in wenigstens einem Reihenzwischenraum ein hierin beschriebenes Wärmetauschelement angeordnet ist, um das Hochvoltspeichermodul mechanisch zu stabilisieren.According to a further aspect, a high-voltage storage module is proposed, comprising a plurality of battery cells, wherein the battery cells are arranged in a storage space of the high-voltage storage module in a substantially hexagonal cell pack, which is formed by a plurality of cell rows offset from one another, each with a row gap, wherein in at least one row gap a heat exchange element described herein is arranged to mechanically stabilize the high-voltage storage module.

Dabei sind die Batteriezellen insbesondere in einem wabenförmigen Parallel- und Seriellverschaltungsverbund angeordnet und die Wärmetauschelemente sind an eine Geometrie der Reihenzwischenräume angepasst ausgebildet, um eine gute Wärmeübertragung mit den Batteriezellen zu ermöglichen und eine Strukturstabilisierung für das Hochvoltspeichermodul bereitstellen zu können. So kann eine wirksame Temperierung, also Kühlung und/oder Heizung, mittels der Wärmetauschabschnitte mit einer mechanischen Versteifung mittels der Stabilisierungsabschnitte kombiniert werden, wodurch zum einen ein schonender Betrieb der Batteriezellen durch Temperaturausgleich und zum anderen eine Reduzierung einer mechanischen Belastung der Batteriezellen ermöglicht sein kann, um eine Lebensdauer des Hochvoltspeichers bzw. des Hochvoltspeichermoduls zu erhöhen.The battery cells are arranged in particular in a honeycomb-shaped parallel and series connection network and the heat exchange elements are adapted to a geometry of the row spaces in order to enable good heat transfer with the battery cells to be able to provide structural stabilization for the high-voltage storage module. Effective temperature control, i.e. cooling and/or heating, by means of the heat exchange sections can be combined with mechanical stiffening by means of the stabilization sections, which, on the one hand, enables gentle operation of the battery cells through temperature compensation and, on the other hand, a reduction in mechanical stress on the battery cells. in order to increase the service life of the high-voltage storage or the high-voltage storage module.

Bei einer Ausführungsform des Hochvoltspeichers ist das wenigstens eine Wärmetauschelement, insbesondere mittels des Stabilisierungsabschnitts, kraftübertragend mit einem Gehäuse des Speicherraums verbunden. Hierbei kann beispielsweise ein Stegelement des Stabilisierungsabschnitts des Wärmetauschelements mit dem Gehäuse des Speicherraums verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt sein, um eine Versteifung der Zellpackung zu ermöglichen und eine Belastung für die Batteriezellen zu reduzieren.In one embodiment of the high-voltage storage device, the at least one heat exchange element is connected to a housing of the storage space in a force-transmitting manner, in particular by means of the stabilization section. Here, for example, a web element of the stabilization section of the heat exchange element can be connected to the housing of the storage space, in particular glued or welded, in order to enable the cell pack to be stiffened and to reduce the load on the battery cells.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Im Allgemeinen gilt, dass Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Aspekte und/ oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern dies im Zusammenhang mit der Offenbarung nicht eindeutig ausgeschlossen ist.Further advantages and possible applications of the invention result from the following description in connection with the figures. In general, features of the various exemplary aspects and/or embodiments described herein may be combined with one another unless clearly excluded in the context of the disclosure.

Im folgenden Teil der Beschreibung wird auf die Figuren Bezug genommen, die zur Veranschaulichung spezifischer Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind. Es versteht sich, dass andere Aspekte verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen der illustrierten Ausführungsformen möglich sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die folgende Beschreibung der Figuren ist daher nicht einschränkend zu verstehen.

1 zeigt ein Hochvoltspeichermodul mit einer Wärmetauschanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung.
2 zeigt eine Anordnung eines Wärmetauschelements zwischen den hexagonal gepackten Zellreihen des Hochvoltspeichermoduls aus 1.
3 zeigt beispielhaft eine Kühlschlange für einen Hochvoltspeicher aus dem Stand der Technik.
4a, 4b zeigen schematisch jeweils eine Ansicht eines Querschnitts durch zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschelements.

In the following portion of the description, reference is made to the figures shown to illustrate specific aspects and embodiments of the present invention. It is to be understood that other aspects may be used and structural or logical changes to the illustrated embodiments are possible without departing from the scope of the present invention. The following description of the figures is therefore not to be understood as limiting.

1 shows a high-voltage storage module with a heat exchange arrangement according to an exemplary embodiment of the invention.
2 shows an arrangement of a heat exchange element between the hexagonally packed cell rows of the high-voltage storage module 1 .
3 shows an example of a cooling coil for a high-voltage storage device from the prior art.
4a , 4b each show schematically a view of a cross section through two exemplary embodiments of a heat exchange element according to the invention.

1 zeigt ein Hochvoltspeichermodul 10 mit einer Wärmetauschanordnung 15 gemäß eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung. 1 shows a high-voltage storage module 10 with a heat exchange arrangement 15 according to an exemplary embodiment according to the invention in a schematic representation.

Das Hochvoltspeichermodul 10 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 11 auf, wobei die Batteriezellen 11 in einem Speicherraum 12 des Hochvoltspeichers 10 in einer im Wesentlichen hexagonalen Zellpackung 24 angeordnet sind. Hierbei sind mehrere Reihenzwischenräume 14 zwischen jeweils zwei zueinander versetzt angeordneten Zellreihen 16 ausgebildet. In einem solchen Reihenzwischenraum 14 istjeweils ein erfindungsgemäßes Wärmetauschelement 18 angeordnet, um das Hochvoltspeichermodul 10 und/oder einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug mechanisch zu stabilisieren.The high-voltage storage module 10 has a plurality of battery cells 11, wherein the battery cells 11 are arranged in a storage space 12 of the high-voltage storage 10 in a substantially hexagonal cell pack 24. Here, several row spaces 14 are formed between two rows of cells 16 arranged offset from one another. A heat exchange element 18 according to the invention is arranged in each such row space 14 in order to mechanically stabilize the high-voltage storage module 10 and/or a high-voltage storage device for a motor vehicle.

Die Wärmetauschelemente 18 sind zur Fluidführung ausgebildet und bilden zusammen die Wärmetauschanordnung 15 aus. Die Wärmetauschelemente 18 sind über einen Versorgungskanal 20 mit einer Wärmetauscheinrichtung 22 verbunden, um vortemperiertes Fluid zur Verfügung zu stellen und einen Wärmeaustausch zwischen Wärmetauschelement 18 und Batteriezellen 11 zu ermöglichen. In anderen Ausführungsbeispielen können mehrere Versorgungskanäle 20 vorgesehen sein, beispielsweise um Wärmetauschelemente 18 von zwei gegenüberliegenden Seiten des Hochvoltspeichermoduls 10 versorgen zu können.The heat exchange elements 18 are designed to guide fluid and together form the heat exchange arrangement 15. The heat exchange elements 18 are connected to a heat exchange device 22 via a supply channel 20 in order to provide pre-tempered fluid and to enable heat exchange between the heat exchange element 18 and battery cells 11. In other exemplary embodiments, several supply channels 20 can be provided, for example in order to be able to supply heat exchange elements 18 from two opposite sides of the high-voltage storage module 10.

In 2 ist eine Anordnung eines Wärmetauschelements 18 zwischen den hexagonal gepackten Zellreihen 16 des Hochvoltspeichermoduls 10 aus 1 schematisch dargestellt.In 2 is an arrangement of a heat exchange element 18 between the hexagonally packed cell rows 16 of the high-voltage storage module 10 1 shown schematically.

Bei zwei zueinander versetzt benachbart angeordneten Zellreihen 16 sind die Batteriezellen 11 der benachbarten Zellreihen 16 - bezogen auf eine Längsachse der Batteriezellen 11, die in der Darstellung senkrecht zu Zeichnungsebene steht - in gleichem Abstand zueinander an unterschiedlichen Positionen angeordnet, die sich aus einer hexagonalen Zellpackung 24 ergeben. Hierbei ergibt sich für den Reihenzwischenraum 14 eine wellenförmige und/oder schwach mäandernde Längsform.With two cell rows 16 arranged offset from one another, the battery cells 11 of the adjacent cell rows 16 - based on a longitudinal axis of the battery cells 11, which is perpendicular to the plane of the drawing in the illustration - are arranged at the same distance from one another at different positions, which consist of a hexagonal cell pack 24 result. This results in a wavy and/or slightly meandering longitudinal shape for the row space 14.

Das Wärmetauschelement 18 ist derart ausgebildet, dass es in dem Reihenzwischenraum 14 anordenbar bzw. angeordnet ist und dabei an die versetzt zueinanderstehenden Batteriezellen 11, insbesondere flächig, angrenzt. Hierbei weist das Wärmetauschelement 18 in seiner Längserstreckung eine mäandernde Form auf.The heat exchange element 18 is designed in such a way that it can be arranged in the space between the rows 14 and is adjacent to the battery cells 11, which are offset from one another, in particular flatly. Here, the heat exchange element 18 has a meandering shape in its longitudinal extent.

3 zeigt eine bekannte Kühlschlange 17 für einen Hochvoltspeicher aus dem Stand der Technik in einer Querschnittsdarstellung, welche einem Schnitt Q-Q aus der 2 entspricht. Dabei ist die Kühlschlange 17 in einem Reihenzwischenraum 14 zwischen zwei benachbarten Zellreihen 16 an Batteriezellen 11 angeordnet. Die Kühlschlange 17 weist beispielhaft mehrere Fluidkanäle 19 auf, die eingerichtet sind, ein mittels einer Wärmetauscheinrichtung 22 temperiertes Fluid zu führen, um einen Wärmeübergang zwischen der Kühlschlange 17 und den Batteriezellen 11 zu ermöglichen. Die Kühlschlange 17 ist dabei funktional im Wesentlichen auf ihre temperaturverändernden Eigenschaften beschränkt. 3 shows a known cooling coil 17 for a high-voltage storage device from the prior art in a cross-sectional view, which corresponds to a section QQ from the 2 corresponds. The cooling coil 17 is arranged in a row space 14 between two adjacent cell rows 16 on battery cells 11. The cooling coil 17 has, for example, a plurality of fluid channels 19, which are set up to conduct a fluid that is tempered by a heat exchange device 22 in order to enable heat transfer between the cooling coil 17 and the battery cells 11. The cooling coil 17 is functionally essentially limited to its temperature-changing properties.

4a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschelements 18 zur Anordnung in einer Zellpackung 24 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 11 eines Hochvoltspeichermoduls 10 in einer Querschnittsdarstellung entlang eines Schnitts Q-Q aus 2. 4a shows a first exemplary embodiment of a heat exchange element 18 according to the invention for arrangement in a cell pack 24 with a plurality of battery cells 11 of a high-voltage storage module 10 in a cross-sectional view along a section QQ 2 .

Das Wärmetauschelement 18 ist zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Zellreihen 16 der Zellpackung 24 anordenbar bzw. in der Darstellung angeordnet. Hierbei weist das Wärmetauschelement 18 einen Wärmetauschabschnitt 27 und zwei an den Wärmeaustauschabschnitt 27 angrenzend angeordnete Stabilisierungsabschnitte 28 auf, die eingerichtet sind, die Zellpackung 24 bzw. das Hochvoltspeichermodul 10 und/oder einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug mechanisch zu stabilisieren. Der Wärmetauschabschnitt 27 kann dabei in Aufbau und Wirkungsweise einer bekannten Wärmetauscheinrichtung, wie beispielsweise der Kühlschlange 17 aus 3, entsprechen und Fluidkanäle 19 aufweisen.The heat exchange element 18 can be arranged between two cell rows 16 of the cell pack 24 which are arranged adjacent to one another or is arranged in the illustration. Here, the heat exchange element 18 has a heat exchange section 27 and two stabilization sections 28 arranged adjacent to the heat exchange section 27, which are set up to mechanically stabilize the cell pack 24 or the high-voltage storage module 10 and/or a high-voltage storage device for a motor vehicle. The heat exchange section 27 can have the structure and operation of a known heat exchange device, such as the cooling coil 17 3 , correspond and have fluid channels 19.

Die Stabilisierungsabschnitte 29 grenzen in einer Hochrichtung des Wärmetauschelements 18, die parallel zu einer Längsachse L der Batteriezellen 11 ist, an den Wärmetauschabschnitt 27 an und sind, insbesondere dadurch, beabstandet zu einer neutralen Faser des Wärmetauschelements 18 angeordnet. Dabei sind die Stabilisierungsabschnitte 29 kraftübertragend mit dem Wärmetauschabschnitt 27 verbunden bzw. ist das Wärmetauschelement 18 einstückig ausgeführt.The stabilization sections 29 adjoin the heat exchange section 27 in a vertical direction of the heat exchange element 18, which is parallel to a longitudinal axis L of the battery cells 11, and are, in particular thereby, arranged at a distance from a neutral fiber of the heat exchange element 18. The stabilization sections 29 are connected to the heat exchange section 27 in a force-transmitting manner or the heat exchange element 18 is designed in one piece.

An einer ersten, in 4a oben dargestellten Seite, entspricht das Wärmetauschelement 18 in seiner Hochrichtung wenigstens im Wesentlichen einer Höhe h der Batteriezellen 11. Das Wärmetauschelement 18 schließt dabei oben in Hochrichtung mit den Zellkörpern der benachbarten Batteriezellen 11 bündig ab. An der gegenüberliegenden, in 4a unten dargestellten Seite, weist der Stabilisierungsabschnitt 29 ein Stegelement 30 auf, welches über die Höhe h der Batteriezellen 11 hinausragt. Mittels dieses Stegelements 30 kann das Wärmetauschelement 18 kraftübertragend mit einem Gehäuse eines Speicherraums 12 eines Hochvoltspeichers und/oder eines Hochvoltspeichermoduls 10 verbunden sein.At a first, in 4a On the page shown above, the heat exchange element 18 corresponds in its vertical direction at least essentially to a height h of the battery cells 11. The heat exchange element 18 is flush at the top in the vertical direction with the cell bodies of the adjacent battery cells 11. On the opposite, in 4a On the page shown below, the stabilization section 29 has a web element 30 which protrudes beyond the height h of the battery cells 11. By means of this web element 30, the heat exchange element 18 can be connected in a force-transmitting manner to a housing of a storage space 12 of a high-voltage storage device and/or a high-voltage storage module 10.

4b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschelements 18 zur Anordnung in einer Zellpackung 24 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 11 eines Hochvoltspeichermoduls 10 in einer Querschnittsdarstellung entlang eines Schnitts Q-Q aus 2. 4b shows a second exemplary embodiment of a heat exchange element 18 according to the invention for arrangement in a cell pack 24 with a plurality of battery cells 11 of a high-voltage storage module 10 in a cross-sectional view along a section QQ 2 .

Das Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten, in 4a dargestellten Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschelements 18, wobei die Stabilisierungsabschnitte 29 jeweils ein Stegelement 30 aufweisen, das über die Höhe h der Batteriezellen 10 übersteht. Dabei sind die Stegelemente 30 wenigstens im Wesentlichen T-förmig ausgebildet und weisen einen Quersteg 31 auf, welcher eingerichtet ist, die Batteriezellen 11 in ihrer Längsrichtung zu stabilisieren.The exemplary embodiment essentially corresponds to the first one, in 4a illustrated embodiment of a heat exchange element 18, wherein the stabilization sections 29 each have a web element 30 which protrudes beyond the height h of the battery cells 10. The web elements 30 are at least substantially T-shaped and have a transverse web 31, which is designed to stabilize the battery cells 11 in their longitudinal direction.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

1010: HochvoltspeichermodulHigh-voltage storage module
1111: BatteriezelleBattery cell
1212: Speicherraumstorage space
1414: Reihenzwischenraumspace between rows
1515: WärmetauschanordnungHeat exchange arrangement
1616: ZellreiheCell row
1717: Kühlschlangecooling coil
1818: WärmetauschelementHeat exchange element
1919: FluidkanalFluid channel
2020: Versorgungskanalsupply channel
2222: WärmetauscheinrichtungHeat exchange device
2424: ZellpackungCell packing
2727: WärmetauschabschnittHeat exchange section
2929: StabilisierungsabschnittStabilization section
3030: StegelementBridge element
3131: Quersteg cross bar
hH: Höhe der BatteriezelleBattery cell height
LL: Längsachse der BatteriezelleLongitudinal axis of the battery cell

Claims

Heat exchange element (18) for arrangement in a cell pack (24) with a plurality of battery cells (11) of a high-voltage storage module (11), wherein the heat exchange element (18) can be arranged between two cell rows (16) of the cell pack (24) arranged adjacent to one another, characterized in that the heat exchange element (18) has at least one heat exchange section (27) and at least one stabilization section (29), which is designed to mechanically stabilize the cell pack (24).

Heat exchange element (18). Claim 1 , wherein the at least one stabilization section (29) is arranged at a distance from a neutral fiber of the heat exchange element (18).

Heat exchange element (18) according to one of the preceding claims, wherein at least one stabilization section (29) adjoins the heat exchange section (27) in a vertical direction of the heat exchange element (18).

Heat exchange element (18) according to one of the preceding claims, wherein the at least one stabilization section (29) is connected to the heat exchange section (27) in a force-transmitting manner.

Heat exchange element (18) according to one of the preceding claims, wherein the heat exchange element (18) corresponds in its vertical direction at least substantially to a height (h) of the battery cells (11).

Heat exchange element (18) according to one of the preceding claims, wherein the heat exchange element (18) ends in the vertical direction at the top and/or bottom, in particular flush, with the adjacent battery cells (11).

Heat exchange element (18) according to one of the preceding claims, wherein the stabilization section (29) has a web element (30) which projects at least partially above a height (h) of the battery cells (11).

Heat exchange element (18). Claim 7 , wherein the web element (30) is at least substantially T-shaped.

Heat exchange arrangement (15) for a high-voltage storage module (10) for a motor vehicle, set up for arrangement in a cell pack (24) with a plurality of battery cells (11) of a high-voltage storage module (10), having at least one heat exchange element (18) according to one of Claims 1 until 8th .

High-voltage storage module (10) comprising a plurality of battery cells (11), the battery cells (11) being arranged in a storage space (12) of the high-voltage storage module (12) in a substantially hexagonally arranged cell pack (24), which is formed by several, each with a row gap (14) staggered rows of cells (16) are formed, with a heat exchange element (18) according to one of the rows in at least one space (14). Claims 1 until 7 is arranged to mechanically stabilize the high-voltage storage module (10).

High-voltage storage module (10). Claim 10 , wherein the at least one heat exchange element (18), in particular by means of the stabilization section (29), is connected to a housing of the storage space (12) in a force-transmitting manner.