DE102022131840B3

DE102022131840B3 - Battery device for an at least partially electrically driven motor vehicle with temperature control elements

Info

Publication number: DE102022131840B3
Application number: DE102022131840.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grass; Oliver Steiner; Tim Schmidt; Markus Göhring
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2042-12-02

Abstract

Batterieeinrichtung (1) für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, umfassend eine Anordnung von Batteriezellen (2) und zwischen den Batteriezellen (2) angeordnete Temperierelemente (3). Die Temperierelemente (3) stellen Kühlkanäle (13) für eine Direktkühlung der Batteriezellen (2) bereit und sind flexibel ausgebildet, um Volumenänderungen der Batteriezellen (2) kompensieren zu können. Dabei weisen die Temperierelemente (3) eine wellenförmige Querschnittsgeometrie (23) auf, sodass zwischen einer Kanaloberfläche (33) und einer Zellenoberfläche (12) Kühlkanäle (13) mit einer glockenförmigen Querschnittskontur (4) ausgebildet sind, in welcher Stützstrukturen (5) ausgebildet sind, um die Temperierelemente (3) an den Batteriezellen (2) abzustützen.Battery device (1) for an at least partially electrically driven motor vehicle, comprising an arrangement of battery cells (2) and temperature control elements (3) arranged between the battery cells (2). The temperature control elements (3) provide cooling channels (13) for direct cooling of the battery cells (2) and are designed to be flexible in order to be able to compensate for changes in volume of the battery cells (2). The temperature control elements (3) have a wave-shaped cross-sectional geometry (23), so that cooling channels (13) with a bell-shaped cross-sectional contour (4) are formed between a channel surface (33) and a cell surface (12), in which support structures (5) are formed to support the temperature control elements (3) on the battery cells (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterieeinrichtung für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einer Anordnung von Batteriezellen und zwischen den Batteriezellen angeordneten Temperierelementen. Die Temperierelemente stellen Kühlkanäle für eine Direktkühlung der Batteriezellen bereit und sind wenigstens teilweise flexibel ausgebildet, um Volumenänderungen der Batteriezellen kompensieren zu können.The present invention relates to a battery device for an at least partially electrically driven motor vehicle with an arrangement of battery cells and temperature control elements arranged between the battery cells. The temperature control elements provide cooling channels for direct cooling of the battery cells and are at least partially designed to be flexible in order to be able to compensate for changes in volume of the battery cells.

Eine Batterieeinrichtung mit solchen Temperierelementen ist beispielsweise aus der DE 10 2018 221 477 A1 bekannt. Dabei muss in der Regel beachtet werden, dass die Kühlkanäle aufgrund der entstehenden Druckkräfte (zum Beispiel Anschwellen der Batteriezellen, sogenanntes Cell-Swelling) nicht kollabieren oder ihren Strömungsquerschnitt unerwünscht verändern.A battery device with such temperature control elements is, for example, from DE 10 2018 221 477 A1 known. As a rule, it must be ensured that the cooling channels do not collapse or undesirably change their flow cross section due to the resulting pressure forces (e.g. swelling of the battery cells, so-called cell swelling).

Eine gattungsgemäße Batterieeinrichtung ist aus der DE 10 2020 001 662 A1 bekannt.A generic battery device is from the DE 10 2020 001 662 A1 known.

Aus der DE 10 2019 128 143 A1 ist eine Temperier- und Abstützeinrichtung für ein Batteriemodul mit einem elastisch komprimierbaren Temperierelement bekannt. Das Temperierelement weist zwei gegenüberliegende Kanalwände auf, welche an Breitseiten der Batteriezellen anliegen und dadurch einen Temperierkanal für das Temperierfluid begrenzen. Das Temperierfluid steht somit nur indirekt über die Kanalwände mit den Batteriezellen in Kontakt. Das Temperierelement weist zudem eine elastisch komprimierbare, trapezblechartige Stützstruktur auf, welche in dem Temperierkanal angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine das Temperierelement komprimierende Kraft aufzunehmen und dabei einen vorbestimmten Mindestströmungsquerschnitt aufrechtzuerhalten.From the DE 10 2019 128 143 A1 a temperature control and support device for a battery module with an elastically compressible temperature control element is known. The temperature control element has two opposite channel walls, which rest on the broad sides of the battery cells and thereby delimit a temperature control channel for the temperature control fluid. The temperature control fluid is therefore only in indirect contact with the battery cells via the channel walls. The temperature control element also has an elastically compressible, trapezoidal sheet-like support structure, which is arranged in the temperature control channel and is designed to absorb a force compressing the temperature control element while maintaining a predetermined minimum flow cross section.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Batterieeinrichtung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise sollen eine zuverlässige Direktkühlung und eine zuverlässige Kompensation von Volumenänderungen der Batteriezellen möglich sein. Zugleich soll die Lösung kompakt und Bauraum sparend und unaufwendig herstellbar sein.In contrast, the object of the present invention is to provide an improved battery device. Reliable direct cooling and reliable compensation for volume changes in the battery cells should preferably be possible. At the same time, the solution should be compact, space-saving and inexpensive to produce.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Batterieeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.This object is achieved by a battery device with the features of claim 1. Preferred developments of the invention are the subject of the subclaims. Further advantages and features of the present invention emerge from the general description and the description of the exemplary embodiment.

Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung ist für ein wenigstens teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug und beispielsweise für ein Elektrofahrzeug und/oder Hybridfahrzeug vorgesehen. Die Batterieeinrichtung umfasst wenigstens eine Anordnung von Batteriezellen und zwischen den Batteriezellen angeordnete Temperierelemente. Die Temperierelemente stellen (zwischen sich und einer Batteriezellenoberfläche verlaufende) Kühlkanäle für eine Direktkühlung der Batteriezellen bereit. Die Temperierelemente sind wenigstens teilweise flexibel ausgebildet, um (betriebsbedingte) Volumenänderungen der Batteriezellen wenigstens teilweise kompensieren zu können. Dabei weisen die Temperierelemente jeweils eine wellenförmige Querschnittsgeometrie auf. Insbesondere werden durch die Querschnittsgeometrie zwischen einer Kanaloberfläche und einer Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur ausgebildet. Insbesondere weist die glockenförmige Querschnittskontur in einem Zentralabschnitt einen maximalen Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche auf. Der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche nimmt in Richtung zu den Randabschnitten der glockenförmigen Querschnittskontur ab, sodass die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen. Dabei sind im Zentralabschnitt und/oder in den Randabschnitten Stützstrukturen ausgebildet, um die Temperierelemente an den Batteriezellen abzustützen. Dabei umfassen die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens einen bis zur Batteriezelle ragenden Steg. Zusätzlich oder alternativ umfassen die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Keilprofil mit einer keilförmigen Querschnittsfläche.The battery device according to the invention is intended for an at least partially electrically driven motor vehicle and, for example, for an electric vehicle and/or hybrid vehicle. The battery device comprises at least one arrangement of battery cells and temperature control elements arranged between the battery cells. The temperature control elements provide cooling channels (running between themselves and a battery cell surface) for direct cooling of the battery cells. The temperature control elements are designed to be at least partially flexible in order to be able to at least partially compensate for (operational) changes in volume of the battery cells. The temperature control elements each have a wave-shaped cross-sectional geometry. In particular, cooling channels with a bell-shaped cross-sectional contour are formed by the cross-sectional geometry between a channel surface and a cell surface. In particular, the bell-shaped cross-sectional contour has a maximum distance between the channel surface and the cell surface in a central section. The distance between the channel surface and the cell surface decreases towards the edge sections of the bell-shaped cross-sectional contour, so that the channel surface and the cell surface meet in the edge sections. Support structures are formed in the central section and/or in the edge sections in order to support the temperature control elements on the battery cells. The support structures arranged in the central section each comprise at least one web that projects up to the battery cell. Additionally or alternatively, the support structures arranged in the edge section each comprise at least one wedge profile with a wedge-shaped cross-sectional area.

Die erfindungsgemäße Batterieeinrichtung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten die glockenförmige Querschnittskontur und die darin angeordneten Stützstrukturen. So kann durch die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen die Biegelänge des Temperierelements beispielsweise halbiert werden. Durch die in den Randabschnitten angeordneten Stützstrukturen kann die Biegelänge weiter reduziert werden, ohne dass es zu einer ungünstigen Verringerung des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals kommt. Denn in den Randabschnitten findet in der Regel nur ein wenig relevanter Volumenstrom statt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erfindung trotz der Abstützung eine zuverlässige Kompensation der Volumenänderungen der Batteriezellen ermöglicht. Insgesamt ermöglicht die Erfindung dadurch eine zuverlässige Direktkühlung, deren Kühlkanäle mit Blick auf die Volumenänderungen der Batteriezellen sicher und zugleich Bauraum sparend und konstruktiv unaufwendig stabilisiert sind.The battery device according to the invention offers many advantages. The bell-shaped cross-sectional contour and the support structures arranged therein offer a significant advantage. For example, the bending length of the temperature control element can be halved by the support structures arranged in the central section. Due to the support structures arranged in the edge sections, the bending length can be further reduced without there being an unfavorable reduction in the flow cross section of the cooling channel. Because there is usually only a small amount of relevant volume flow in the edge sections. A further advantage is that the invention enables reliable compensation of the volume changes of the battery cells despite the support. Overall, the invention enables reliable direct cooling, the cooling channels of which are stabilized safely with regard to the volume changes of the battery cells and at the same time save space and are structurally uncomplicated.

Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Temperierelemente jeweils wenigstens zwei Decklagen und jeweils wenigstens eine zwischen den Decklagen angeordnete flexible Zwischenlage umfassen. Vorzugsweise sind die Stützstrukturen an wenigstens einer der wenigstens zwei Decklagen angeordnet. Insbesondere erstrecken sich die Stützstrukturen zwischen der Decklage und den Batteriezellen. Insbesondere sind die Decklagen und die Zwischenlagen fest miteinander verbunden. Insbesondere bilden die Decklagen und die Zwischenlagen und die Stützstrukturen einen Verbundkörper. Insbesondere sind die Temperierelemente als Verbundkörper ausgebildet.It is preferred and advantageous that the temperature control elements each have at least two decks gen and each include at least one flexible intermediate layer arranged between the cover layers. The support structures are preferably arranged on at least one of the at least two cover layers. In particular, the support structures extend between the cover layer and the battery cells. In particular, the cover layers and the intermediate layers are firmly connected to one another. In particular, the cover layers and the intermediate layers and the support structures form a composite body. In particular, the temperature control elements are designed as composite bodies.

Vorzugsweise weisen die Decklagen (jeweils eines Temperierelements) zueinander einen parallelen wellenförmigen Verlauf auf. Insbesondere weisen die Decklagen entlang ihres wellenförmigen Verlaufs einen (im Wesentlichen) gleich bleibenden Abstand zueinander auf. Insbesondere weisen die Decklagen und/oder die Zwischenlagen eine (im Wesentlichen) kontinuierliche Stärke auf. Insbesondere weisen die Temperierelemente eine (im Wesentlichen) kontinuierliche Stärke auf. Mit anderen Worten, die Decklagen sind (im Wesentlichen) mit einem gleich bleibenden Abstand zueinander angeordnet. Diese Angaben beziehen sich insbesondere auf einen Grundzustand der Temperierelemente. Im Rahmen einer Kompensation einer betriebsbedingten Volumenänderung der Batteriezellen können sich diese Dimensionen bzw. Relationen ändern.The cover layers (each of a temperature control element) preferably have a parallel, wave-shaped course to one another. In particular, the cover layers have a (substantially) constant distance from one another along their wave-shaped course. In particular, the cover layers and/or the intermediate layers have a (substantially) continuous thickness. In particular, the temperature control elements have a (substantially) continuous thickness. In other words, the cover layers are (essentially) arranged at a constant distance from one another. This information relates in particular to a basic state of the temperature control elements. These dimensions or relationships can change as part of compensation for an operational change in the volume of the battery cells.

Die Zwischenlage ist vorzugsweise flexibel und insbesondere elastisch ausgebildet. The intermediate layer is preferably designed to be flexible and in particular elastic.

Insbesondere dienen die Decklagen zur Druckverteilung auf die Zwischenlagen. Vorzugsweise sind die Decklagen steif ausgebildet und besonders bevorzugt steifer als die Zwischenlagen ausgebildet. Insbesondere sind die Zwischenlagen dazu geeignet und ausgebildet, die Volumenänderungen der Batteriezellen mittels elastischer Verformung wenigstens teilweise zu kompensieren. Die Decklagen sind insbesondere insoweit flexibel ausgebildet, dass sie der elastischen Verformung der Zwischenlagen wenigstens teilweise folgen können. Insbesondere wird eine solche Verformbarkeit wenigstens teilweise durch die wellenförmige Querschnittsgeometrie der Decklagen unterstützt bzw. ermöglicht.In particular, the cover layers serve to distribute pressure on the intermediate layers. The cover layers are preferably designed to be stiff and particularly preferably designed to be stiffer than the intermediate layers. In particular, the intermediate layers are suitable and designed to at least partially compensate for the volume changes of the battery cells by means of elastic deformation. The cover layers are designed to be flexible in particular to the extent that they can at least partially follow the elastic deformation of the intermediate layers. In particular, such deformability is at least partially supported or made possible by the wave-shaped cross-sectional geometry of the cover layers.

Insbesondere sind die Stützstrukturen an den Temperierelementen und vorzugsweise an den Decklagen befestigt. Insbesondere sind die Stützstrukturen fest und vorzugsweise nicht zerstörungsfrei lösbar daran befestigt. Möglich ist auch, dass die Stützstrukturen wenigstens teilweise separat zu den Temperierelementen ausgebildet sind.In particular, the support structures are attached to the temperature control elements and preferably to the cover layers. In particular, the support structures are firmly attached to them and preferably cannot be detached in a non-destructive manner. It is also possible for the support structures to be at least partially designed separately from the temperature control elements.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Stützstrukturen wenigstens teilweise einstückig mit den Temperierelementen und vorzugsweise mit den Decklagen ausgebildet. Insbesondere bilden die Stützstrukturen dann zusammen mit den Temperierelementen einen Verbundkörper. Insbesondere sind wenigstens die Stützstrukturen der Randabschnitte und/oder die Stützstrukturen der Zentralabschnitte einstückig mit den Temperierelementen und insbesondere mit den Decklagen ausgebildet.In an advantageous development, the support structures are at least partially formed in one piece with the temperature control elements and preferably with the cover layers. In particular, the support structures then form a composite body together with the temperature control elements. In particular, at least the support structures of the edge sections and/or the support structures of the central sections are formed in one piece with the temperature control elements and in particular with the cover layers.

Es ist möglich und vorteilhaft, dass wenigstens die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen durch wenigstens teilweises Auffüllen des jeweiligen Randabschnitts mit einem Werkstoff der Decklage gebildet sind. Insbesondere können auch die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen aus dem Werkstoff der Decklage gebildet sein. Möglich ist auch, dass die Stützstrukturen der Randabschnitte und/oder Zentralabschnitt aus einem anderen Werkstoff als die Decklage gebildet sind.It is possible and advantageous for at least the support structures arranged in the edge section to be formed by at least partially filling the respective edge section with a material of the cover layer. In particular, the support structures arranged in the central section can also be formed from the material of the cover layer. It is also possible that the support structures of the edge sections and/or central section are formed from a different material than the cover layer.

In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt und vorteilhaft, dass die Stützstrukturen in Längsrichtung der Kühlkanäle und/oder in einer Hauptströmungsrichtung eines Kühlmediums im Kühlkanal verlaufen. Die Längsrichtung der Kühlkanäle und die Längsrichtung der Stützstrukturen sind insbesondere parallel. Insbesondere sind die Stützstrukturen in den jeweiligen wellenförmigen Querschnittsgeometrien beabstandet zueinander angeordnet. Insbesondere sind zwischen den Stützstrukturen der Randabschnitte und der wenigstens einen Stützstruktur des Zentralabschnitts freie Bereiche ausgebildet, welche zusammen den Strömungsquerschnitt eines Kühlkanals bereitstellen.In all embodiments, it is preferred and advantageous that the support structures run in the longitudinal direction of the cooling channels and/or in a main flow direction of a cooling medium in the cooling channel. The longitudinal direction of the cooling channels and the longitudinal direction of the support structures are in particular parallel. In particular, the support structures are arranged at a distance from one another in the respective wave-shaped cross-sectional geometries. In particular, free areas are formed between the support structures of the edge sections and the at least one support structure of the central section, which together provide the flow cross section of a cooling channel.

In einer bevorzugten und besonders vorteilhaften Weiterbildung sind an den Stützstrukturen wenigstens teilweise Verwirbelungskörper angeordnet. Die Verwirbelungskörper dienen insbesondere zur Verwirbelung eines in den Kühlkanälen strömenden Kühlmediums. Die Verwirbelungskörper können auch als Turbulatoren bezeichnet werden. Insbesondere dienen die Verwirbelungskörper dazu, einer laminaren Strömung in den Kühlkanälen entgegenzuwirken. Insbesondere erstrecken sich die Verwirbelungskörper quer zur Längsachse der Stützstrukturen und/oder quer zu einer Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums innerhalb der Kühlkanäle. Die Verwirbelungskörper erstrecken sich insbesondere in den Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals.In a preferred and particularly advantageous development, swirling bodies are at least partially arranged on the support structures. The swirling bodies serve in particular to swirl a cooling medium flowing in the cooling channels. The swirling bodies can also be referred to as turbulators. In particular, the swirling bodies serve to counteract a laminar flow in the cooling channels. In particular, the swirling bodies extend transversely to the longitudinal axis of the support structures and/or transversely to a main flow direction of the cooling medium within the cooling channels. The swirling bodies extend in particular into the flow cross section of the respective cooling channel.

Vorzugsweise ragen die Verwirbelungskörper, welche an den im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen angeordnet sind, und die Verwirbelungskörper, welche an den im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen angeordnet sind, versetzt zueinander in einen Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals. Insbesondere sind die Stützstrukturen jeweils einer glockenförmigen Querschnittskontur wenigstens teilweise versetzt zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Verwirbelungskörper so angeordnet, dass sie den Strömungsquerschnitt des jeweiligen Kühlkanals wenigstens teilweise labyrinthartig versperren.Preferably, the swirling bodies, which are arranged on the support structures arranged in the central section, and the swirling bodies, which are arranged on the support structures arranged in the edge section, project offset from one another into a flow cross section of the respective cooling channel. In particular, the support structures each have a bell-shaped cross sectional contour arranged at least partially offset from one another. In particular, the swirling bodies are arranged in such a way that they at least partially block the flow cross section of the respective cooling channel in a labyrinth-like manner.

Es ist erfindungsgemäß und vorteilhaft, dass die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens einen bis zur (jeweiligen) Batteriezelle ragenden Steg umfassen oder als solcher ausgebildet sind und/oder dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Keilprofil umfassen oder als solches ausgebildet sind. Das Keilprofil weist insbesondere eine keilförmige Querschnittsfläche auf. Insbesondere wird das Keilprofil durch wenigstens teilweises Auffüllen des Randabschnitts mit einem Werkstoff und vorzugsweise dem Werkstoff der Decklage gebildet. Möglich ist auch, dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils wenigstens ein Steg umfassen.It is inventive and advantageous that the support structures arranged in the central section each comprise at least one web projecting up to the (respective) battery cell or are designed as such and/or that the support structures arranged in the edge section each comprise at least one wedge profile or are designed as such. The wedge profile has in particular a wedge-shaped cross-sectional area. In particular, the wedge profile is formed by at least partially filling the edge section with a material and preferably the material of the cover layer. It is also possible for the support structures arranged in the edge section to each comprise at least one web.

Insbesondere sind die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils dort angeordnet, wo die glockenförmige Querschnittskontur den maximalen Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche aufweist. Insbesondere sind die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen genau mittig angeordnet. Die im Zentralabschnitt angeordneten Stützstrukturen können aber auch (leicht) außermittig bzw. versetzt zum maximalen Abstand angeordnet sein.In particular, the support structures arranged in the central section are each arranged where the bell-shaped cross-sectional contour has the maximum distance between the channel surface and the cell surface. In particular, the support structures arranged in the central section are arranged exactly in the middle. The support structures arranged in the central section can also be arranged (slightly) off-center or offset from the maximum distance.

Es ist bevorzugt, dass sich die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen jeweils bis dorthin erstrecken, wo die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen. Möglich ist auch, dass die im Randabschnitt angeordneten Stützstrukturen (kurz) vor dem Ort enden, wo die Kanaloberfläche und die Zellenoberfläche in den Randabschnitten aufeinandertreffen.It is preferred that the support structures arranged in the edge section each extend to where the channel surface and the cell surface meet in the edge sections. It is also possible that the support structures arranged in the edge section end (shortly) before the location where the channel surface and the cell surface meet in the edge sections.

Die Temperierelemente sind insbesondere jeweils als ein Wellenprofil ausgebildet. Insbesondere umfassen die Temperierelemente Wellenberge und Wellentäler, wobei zwischen den Wellenbergen und den Wellentälern die Kühlkanäle ausgebildet und die Stützstrukturen angeordnet sind. Insbesondere wird der Strömungsquerschnitt jeweils eines Kühlkanals durch die Decklage und die Zellenoberfläche und die Stützstrukturen begrenzt. Insbesondere nimmt der Strömungsquerschnitt quer zur Längsachse des Kühlkanals und quer zur Hauptströmungsrichtung des Kühlmediums von den Randabschnitten aus in Richtung des Zentralabschnitts zu.The temperature control elements are each designed in particular as a wave profile. In particular, the temperature control elements include wave crests and wave troughs, the cooling channels being formed and the support structures being arranged between the wave crests and the wave troughs. In particular, the flow cross section of each cooling channel is limited by the cover layer and the cell surface and the support structures. In particular, the flow cross section increases transversely to the longitudinal axis of the cooling channel and transversely to the main flow direction of the cooling medium from the edge sections in the direction of the central section.

Die Stützstrukturen der Randabschnitte sind insbesondere dort, wo der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche weniger als die Hälfte und vorzugsweise weniger als ein Drittel des maximalen Abstands beträgt. Die Stützstrukturen des Zentralabschnitts sind insbesondere dort angeordnet, wo der Abstand zwischen der Kanaloberfläche und der Zellenoberfläche mehr als 80 % und vorzugsweise mehr als 90 % des maximalen Abstands beträgt.The support structures of the edge sections are in particular where the distance between the channel surface and the cell surface is less than half and preferably less than a third of the maximum distance. The support structures of the central section are arranged in particular where the distance between the channel surface and the cell surface is more than 80% and preferably more than 90% of the maximum distance.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Kühlung auch eine Temperierung verstanden, bei welcher die Batteriezellen sowohl gekühlt als auch erwärmt werden können. Insbesondere ist die Direktkühlung auch dazu geeignet, die Batteriezellen bei Bedarf zu erwärmen.In the context of the present invention, cooling is also understood to mean temperature control, in which the battery cells can be both cooled and heated. In particular, direct cooling is also suitable for heating the battery cells if necessary.

Insbesondere bilden die Temperierelemente mit ihrer wellenförmigen Querschnittsgeometrie zwischen sich und der Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur aus. Insbesondere bilden die Temperierelemente zwischen sich und einer Zellenoberfläche Kühlkanäle mit einer glockenförmigen Querschnittskontur aus. Insbesondere sind die Temperierelemente flächig ausgebildet.In particular, the temperature control elements, with their wave-shaped cross-sectional geometry, form cooling channels with a bell-shaped cross-sectional contour between themselves and the cell surface. In particular, the temperature control elements form cooling channels with a bell-shaped cross-sectional contour between themselves and a cell surface. In particular, the temperature control elements are designed to be flat.

Insbesondere umfassen die Stützstrukturen wenigstens eine Zentralstütze (z. B. Steg), welche sich im Zentralabschnitt befindet und wenigstens zwei Randstützen (z. B. Keilprofil), welche sich in jeweils einem Randabschnitt der glockenförmigen Querschnittskontur des jeweiligen Kühlkanals befinden. Insbesondere ist beidseitig vom Zentralabschnitt jeweils ein Randabschnitt vorgesehen.In particular, the support structures include at least one central support (e.g. web), which is located in the central section, and at least two edge supports (e.g. wedge profile), which are each located in an edge section of the bell-shaped cross-sectional contour of the respective cooling channel. In particular, an edge section is provided on both sides of the central section.

Die Stützstrukturen erstrecken sich insbesondere zwischen den Temperierelementen und den Batteriezellen. Der Strömungsquerschnitt für ein Kühlmedium ist insbesondere zwischen den Stützstrukturen und den Temperierelementen und den Batteriezellen ausgebildet. Insbesondere stützen die Stützstrukturen die Decklage an der Batteriezelle ab.The support structures extend in particular between the temperature control elements and the battery cells. The flow cross section for a cooling medium is formed in particular between the support structures and the temperature control elements and the battery cells. In particular, the support structures support the cover layer on the battery cell.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.Further advantages and features of the present invention result from the exemplary embodiments, which are explained below with reference to the accompanying figures.

In den Figuren zeigen:

1 eine rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterieeinrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;
2 eine Detaildarstellung der Batterieeinrichtung in einer entlang der Linie A-A der 1 geschnittenen Ansicht;
3 eine Detaildarstellung der Batterieeinrichtung in einer entlang der Linie B-B der 2 geschnittenen Ansicht; und
4 eine Weiterbildung der Batterieeinrichtung der 3.

Show in the figures:

1 a purely schematic representation of a battery device according to the invention in a sectioned side view;
2 a detailed representation of the battery device in one along line AA 1 sectioned view;
3 a detailed representation of the battery device in one along the line BB 2 sectioned view; and
4 a further development of the battery device 3 .

Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Batterieeinrichtung 1 mit einer Anordnung von Batteriezellen 2 und zwischen den Batteriezellen 2 angeordneten Temperierelementen 3. Die Batteriezellen 2 und die Temperierelemente 3 sind in einem Gehäuse 11 untergebracht. Die Temperierelemente 3 stellen jeweils eine Mehrzahl von Kühlkanälen 13 für eine Direktkühlung der Batteriezellen 2 bereit. Die Kühlkanäle 13 sind hier zwischen der Zellenoberfläche 12 der Batteriezellen 2 und der von den Temperierelementen 3 gebildeten Kanaloberfläche 33 ausgebildet. Die Temperierelemente 3 sind hier flexibel ausgebildet und dienen zur Kompensation von betriebsbedingten Volumenänderungen der Batteriezellen 2.The 1 and 2 show a battery device 1 according to the invention with an arrangement of battery cells 2 and temperature control elements 3 arranged between the battery cells 2. The battery cells 2 and the temperature control elements 3 are accommodated in a housing 11. The temperature control elements 3 each provide a plurality of cooling channels 13 for direct cooling of the battery cells 2. The cooling channels 13 are formed here between the cell surface 12 of the battery cells 2 and the channel surface 33 formed by the temperature control elements 3. The temperature control elements 3 are designed to be flexible here and serve to compensate for operational volume changes in the battery cells 2.

Für die Direktkühlung ist hier ein flüssiges Kühlmedium vorgesehen, welches über einen Zulauf 21 in das Gehäuse 11 strömt und dort in den Kühlkanälen 13 entlang der Batteriezellen 2 strömt. Die Strömungen 7 sind hier durch Pfeile skizziert. Über einen Ablauf 31 kann das Kühlmedium das Gehäuse 11 wieder verlassen.For direct cooling, a liquid cooling medium is provided here, which flows into the housing 11 via an inlet 21 and flows there in the cooling channels 13 along the battery cells 2. The flows 7 are outlined here by arrows. The cooling medium can leave the housing 11 again via a drain 31.

Die Temperierelemente 3 sind hier hinsichtlich ihrer Ausdehnung variabel, um die auftretenden Volumenänderungen der Batteriezellen 2 zu kompensieren, ohne dass die Kühlleistung bzw. ein Strömungsquerschnitt 130 der Kühlkanäle 13 unerwünscht beeinträchtigt wird. Dazu sind die Temperierelemente 3 mit steifen Decklagen 43 ausgestattet. Zwischen den Decklagen 43 ist eine flexible bzw. elastische Zwischenlage 53 angeordnet. Die Zwischenlage 53 baut zum einen den für die Batteriezellen 2 erforderlichen Druck auf und gleicht zum anderen die Volumenänderung der Batteriezellen 2 aus.The temperature control elements 3 are variable here in terms of their expansion in order to compensate for the volume changes that occur in the battery cells 2 without undesirably affecting the cooling performance or a flow cross section 130 of the cooling channels 13. For this purpose, the temperature control elements 3 are equipped with stiff cover layers 43. A flexible or elastic intermediate layer 53 is arranged between the cover layers 43. On the one hand, the intermediate layer 53 builds up the pressure required for the battery cells 2 and, on the other hand, compensates for the change in volume of the battery cells 2.

Die Decklagen 43 verlaufen hier parallel zueinander bzw. weisen denselben Abstand zueinander auf. Somit steht für die dazwischen angeordnete Zwischenlage 53 stets der gleiche Raum bereit. Dadurch kann die Zwischenlage 53 besonders gleichmäßig belastet bzw. verpresst werden, wenn sich die Batteriezellen 2 ausdehnen. So ergibt sich eine besonders homogene Druckkraft in die Zellenoberfläche 12. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Decklagen 43 auch eine Abdichtung der Kühlkanäle 13 zu der Zwischenlage 53 übernehmen. So können auch solche Zwischenlagen 53 eingesetzt werden, welche sonst zu Spalten oder Leckagepfaden führen würden.The cover layers 43 run parallel to one another here or are at the same distance from one another. The same space is therefore always available for the intermediate layer 53 arranged in between. As a result, the intermediate layer 53 can be loaded or pressed particularly evenly when the battery cells 2 expand. This results in a particularly homogeneous pressure force in the cell surface 12. A further advantage is that the cover layers 43 also seal the cooling channels 13 from the intermediate layer 53. Intermediate layers 53 can also be used which would otherwise lead to gaps or leakage paths.

Zur Einsparung von Bauraum sind die Temperierelemente 3 hier möglichst dünn aufgebaut. Dies hat zur Folge, dass die Decklagen 43 bei sehr geringen Wandstärken sehr flexibel werden. Dadurch ist es umso wichtiger, dass die Kühlkanäle 13 aufgrund der entstehenden Druckkräfte durch ein Anschwellen der Batteriezellen 2 nicht ihren vorgesehenen Strömungsquerschnitt 130 verändern oder gar kollabieren.To save installation space, the temperature control elements 3 are constructed as thinly as possible. The result of this is that the cover layers 43 become very flexible with very small wall thicknesses. This makes it all the more important that the cooling channels 13 do not change their intended flow cross section 130 or even collapse due to the pressure forces generated by the swelling of the battery cells 2.

Um dies zu gewährleisten, weisen die Temperierelemente 3 hier eine wellenförmige Querschnittsgeometrie 23 mit Stützstrukturen 5 auf. Dadurch wird eine glockenförmige Querschnittskontur 4 ausgebildet. Die glockenförmige Querschnittskontur 4 weist in einem Zentralabschnitt 14 einen maximalen Abstand 140 zwischen der Kanaloberfläche 33 und der Zellenoberfläche 12 auf. In Richtung zu den Randabschnitten 24 nimmt der Abstand 140 ab. In den Randabschnitten 24 treffen die Kanaloberfläche 33 und die Zellenoberfläche 12 schließlich aufeinander.To ensure this, the temperature control elements 3 here have a wave-shaped cross-sectional geometry 23 with support structures 5. This creates a bell-shaped cross-sectional contour 4. The bell-shaped cross-sectional contour 4 has a maximum distance 140 between the channel surface 33 and the cell surface 12 in a central section 14. The distance 140 decreases towards the edge sections 24. The channel surface 33 and the cell surface 12 finally meet in the edge sections 24.

Im Zentralabschnitt 14 ist eine hier als Steg 15 ausgebildete Stützstruktur 5 vorgesehen. Beispielsweise befindet sich der Steg 15 genau in der Mitte des jeweiligen Kühlkanals 13 und dient als eine Art Stützrippe. Dadurch wird die freie Biegelänge halbiert.A support structure 5, designed here as a web 15, is provided in the central section 14. For example, the web 15 is located exactly in the middle of the respective cooling channel 13 and serves as a type of support rib. This halves the free bending length.

Zudem sind hier in den Randabschnitten 24 Stützstrukturen 5 ausgebildet. In dem hier gezeigten Beispiel sind diese Stützstrukturen 5 als Keilprofil mit einer keilförmigen Querschnittsfläche ausgebildet. In den hier gezeigten Randabschnitten 24 findet aufgrund des spitz zulaufenden Kühlkanals 13 in der Regel kein bzw. fast kein Volumenstrom statt. Daher eignen sich die Randabschnitte 24 besonders gut zur Anordnung der Stützstruktur 5. Beispielsweise werden die Randabschnitte 24 dazu mit dem Werkstoff der Decklage 43 aufgefüllt. Eine unerwünschte Verformung der Decklagen 43 aufgrund zu starker Druckkräfte wird dadurch wirkungsvoll entgegengewirkt.In addition, 24 support structures 5 are formed here in the edge sections. In the example shown here, these support structures 5 are designed as a wedge profile with a wedge-shaped cross-sectional area. Due to the tapered cooling channel 13, there is generally no or almost no volume flow in the edge sections 24 shown here. Therefore, the edge sections 24 are particularly suitable for arranging the support structure 5. For example, the edge sections 24 are filled with the material of the cover layer 43 for this purpose. This effectively counteracts undesirable deformation of the cover layers 43 due to excessive pressure forces.

Die 3 skizziert die Strömungen 7 des Kühlmediums zwischen den Stützstrukturen 5 eines Kühlkanals 13 der Batterieeinrichtung 1 der 1.The 3 outlines the flows 7 of the cooling medium between the support structures 5 of a cooling channel 13 of the battery device 1 1 .

In der 4 sind die Stützstrukturen 5 mit Verwirbelungskörpern 6 ausgestattet. Die Verwirbelungskörper 6 an den Keilprofilen 25 sind hier versetzt zu den Verwirbelungskörpern 6 am Steg 15 angeordnet. So wird der Strömungsquerschnitt 130 labyrinthartig versperrt. Dadurch wird das Kühlmedium verwirbelt und es kommt zu einer turbulenten Strömung und somit zu einer besseren Wärmeaufnahme und einer insgesamt verbesserten Kühlleistung.In the 4 the support structures 5 are equipped with turbulence bodies 6. The swirling bodies 6 on the wedge profiles 25 are here offset from the swirling bodies 6 on the web 15. The flow cross section 130 is blocked like a labyrinth. This swirls the cooling medium and creates a turbulent flow, resulting in better heat absorption and overall improved cooling performance.

Die hier vorgestellte Aussteifung mittels der Stützstrukturen 5 bringt insgesamt nur eine sehr geringe Reduzierung des Strömungsquerschnitts 130 mit sich. Zudem sind dadurch sehr dünne Wandstärken der Decklagen 43 möglich, sodass insgesamt höhere Druckkräfte aufgenommen werden können und Bauraum eingespart wird.The stiffening presented here by means of the support structures 5 results in only a very small reduction in the flow cross section 130 overall. This also makes the walls very thin Strengthening the cover layers 43 is possible so that overall higher compressive forces can be absorbed and installation space is saved.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: BatterieeinrichtungBattery facility
22: BatteriezelleBattery cell
33: TemperierelementTemperature control element
44: QuerschnittskonturCross-sectional contour
55: StützstrukturSupport structure
66: Verwirbelungskörpervortex bodies
77: Strömungflow
1111: GehäuseHousing
1212: Zellenoberflächecell surface
1313: KühlkanalCooling channel
1414: ZentralabschnittCentral section
1515: Stegweb
2121: ZulaufIntake
2323: QuerschnittsgeometrieCross-sectional geometry
2424: RandabschnittEdge section
2525: Keilprofilwedge profile
3131: AblaufSequence
3333: KanaloberflächeChannel surface
4343: Decklagecover layer
5353: ZwischenlageIntermediate layer
130130: StrömungsquerschnittFlow cross section
140140: AbstandDistance

Claims

Battery device (1) for an at least partially electrically driven motor vehicle, comprising an arrangement of battery cells (2) and temperature control elements (3) arranged between the battery cells (2), the temperature control elements (3) having cooling channels (13) for direct cooling of the battery cells (2 ) and wherein the temperature control elements (3) are designed to be at least partially flexible in order to be able to compensate for volume changes of the battery cells (2), wherein the temperature control elements (3) have a wave-shaped cross-sectional geometry (23), so that between a channel surface (33) and a cell surface (12) cooling channels (13) are formed with a bell-shaped cross-sectional contour (4) and wherein the bell-shaped cross-sectional contour (4) has a maximum distance (140) in a central section (14) between the channel surface (33) and the cell surface (12) and wherein the distance (140) decreases towards the edge sections (24) of the bell-shaped cross-sectional contour (4), so that the channel surface (33) and the cell surface (12) meet in the edge sections (24), characterized in that in the central section (14 ) and/or support structures (5) are formed in the edge sections (24) in order to support the temperature control elements (3) on the battery cells (2) and that the support structures (5) arranged in the central section (14) each have at least one up to the battery cell ( 2) include a projecting web (15) and/or that the support structures (5) arranged in the edge section (24) each comprise at least one wedge profile (25) with a wedge-shaped cross-sectional area.

Battery device (1) according to the preceding claim, wherein the temperature control elements (3) each comprise at least two cover layers (43) and at least one flexible intermediate layer (53) arranged between the cover layers (43) and wherein the support structures (5) on at least one of the at least two cover layers (43) are arranged.

Battery device (1) according to the preceding claim, wherein the cover layers (43) have a parallel, wave-shaped course to one another.

Battery device (1) according to one of the two preceding claims, wherein the intermediate layer (53) is flexible and in particular elastic and the cover layers (43) serve to distribute pressure on the intermediate layer (53) and are designed to be stiffer than the intermediate layer (53). .

Battery device (1) according to one of the preceding claims, wherein the support structures (5) are at least partially attached to the temperature control elements (3) and preferably to the cover layers (43).

Battery device (1) according to one of the preceding claims, wherein the support structures (5) are at least partially formed in one piece with the temperature control elements (3).

Battery device (1) according to one of the preceding claims, wherein at least the support structures (5) arranged in the edge section (24) are formed by at least partially filling the edge section (24) with a material of the cover layer (43).

Battery device (1) according to one of the preceding claims, wherein the support structures (5) run in the longitudinal direction of the cooling channels (13).

Battery device (1) according to one of the preceding claims, wherein swirling bodies (6) for swirling a cooling medium flowing in the cooling channels (13) are arranged on the support structures (5).

Battery device (1) according to the preceding claim, wherein the swirling bodies (6), which are arranged on the support structures (5) arranged in the central section (14), and the swirling bodies (6), which are arranged on the support structures (24) arranged in the edge section 5) are arranged, protrude offset from one another in a flow cross section (130) of their respective cooling channel (13).