DE102004054060B3 - Energiespeicher aus Doppelschicht-Kondensatoren und Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schienenfahrzeugen - Google Patents

Energiespeicher aus Doppelschicht-Kondensatoren und Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schienenfahrzeugen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Energiespeicher aus Doppelschichtkondensatoren vorgeschlagen, bei dem jeweils mehrere Doppelschichtkondensatoren (1, 1', 1'') ein Modul bilden, wobei jedes Kondensator-Modul ein Modulgehäuse (10) hat, dem eine Kühlung mit einem flüssigen Medium zugeordnet ist. Die Flüssigkeitskühlung dient zur Entfernung der von den einzelnen Doppelschicht-Kondensatoren (1, 1', 1'', ...) abgegebenen Abwärme. In vorteilhafter Weise werden derartige Energiespeicher bei Schienenfahrzeugen (70), insbesondere Straßenbahnen, zur Kurzzeitenergieversorgung angewandt. Bei einem solchen Schienenfahrzeug (70) können zusammengesteckte Modulgehäuse (10) in den dort vorhandenen Freiräumen (77, 78) angeordnet werden.

Description

  • Energiespeicher aus Doppelschicht-Kondensatoren und Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schienenfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf einen Energiespeicher aus Doppelschichtkondensatoren. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schienenfahrzeugen.
  • Doppelschichtkondensatoren dienen in nahezu idealer Weise zur kurzzeitigen Energieversorgung. Ihre Technik ist ausgereift (so genannte SuperCaps). Die Doppelschichtkondensatoren werden zu Modulen von bis zu über 100 einzelnen Kondensatoren zusammengeschaltet. Die Einsatzmöglichkeiten solcher Doppelschichtkondensator-Module hängen von der Leistungsfähigkeit der einzelnen Doppelschichtkondensatoren ab.
  • Erste Exemplare von Doppelschichtkondensatoren mit Kapazitäten ≤ 1F kamen nach 1970 auf den Markt. Erst als Einzelzellen mit Kapazitäten > 1000 F verfügbar waren, wurde die Zusammenschaltung mehrerer Kondensatoren praxisgerecht, um diese zur kurzzeitigen Bereitstellung hoher Leistungen zu verwenden. Insbesondere für Anwendungen in der Verkehrstechnik, z.B. für die Elektrotraktion, Unterwerke bei Schienenfahrzeugen, wird die Verschaltung zu größeren Modulen erforderlich, um sowohl den gegebenen Leistungs- als auch den Spannungsanforderungen zu genügen.
  • Insbesondere bei solchen Anwendungen, bei denen hohe Leistungen zu erwarten sind, wird in erheblichem Maß Verlustwärme anfallen. Zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebes und zur Gewährleistung hoher Lebensdauern muss diese Verlustwärme zuverlässig und effizient abgeführt werden.
  • In bisherigen Prototypen bzw. Pilotanlagen von Doppelschicht-Kondensator-Modulen wird letzterer Forderung dadurch Rechnung getragen, indem die einzelnen Kondensatoren oder das ganze Modul mit Kühlluft versorgt werden. Der Kühleffekt kann dabei auch durch Anbringen von separaten Kühlkörpern verstärkt werden.
  • Eine Luftkühlung bedeutet bei elektrischen Anlagen immer eine Begrenzung des Einbauortes. In Fällen, bei denen hohe Leistungen oft oder permanent zu erwarten sind, wird diese Art der Kühlung an Grenzen stoßen, insbesondere dann, wenn sich ändernde bzw. hohe Umgebungstemperaturen herrschen. Die Konsequenz ist, dass das Leistungsprofil entsprechend reduziert werden muss, um eine Schädigung des Moduls zu verhindern und um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.
  • Aus der JP 11-54356 A ist auch bereits ein Energiespeicher aus mehreren Doppelschichtkondensator-Modulen bekannt, die zur Thermostatisierung in einem Flüssigkeitsbad angeordnet sind. Dabei beinhaltet jedes abgeschlossene Modul mehrere Doppelschicht-Kondensatoren und befinden sich mehrere solche Module im Flüssigkeitsbad innerhalb eines Gehäuses, das auf einer Seite einen Zugang und einen Abgang haben kann.
    •
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte Energiespeicher zu schaffen, eine geeignete Anwendung vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Anwendung ist im Patentanspruch 20 angegeben. Weiterbildungen des Energiespeichers und insbesondere der Anwendung bei Schienenfahrzeugen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Mit der Erfindung wird also eine geeignete Flüssigkeitskühlung für Doppelschichtkondensatoren, deren Verwendung bei Schienfahrzeugen sowie ein diesbezüglich ausgestattetes Schienenfahrzeug vorgeschlagen.
  • Wie oben bereits ausgeführt, sind Flüssigkeitskühlungen von Energiespeichergeräten, auch von Geräten mit elektrischen und elektronischen Leistungsbauelementen, zwar bekannt. Solche Kühlungen sind aber "a priori" nicht für einzelne Doppelschicht-Kondensatoren geeignet. Speziell bei dem in der JP 11-54356 A beschriebenen Energiespeicher sind abgeschlossene Module in dichter Packung zum Wärmeausgleich im Flüssigkeitsbad einer singulären Gehäuseeinheit angeordnet, wobei aber insbesondere keine Kopplung mehrerer Gehäuseeinheiten möglich ist. Demgegenüber ist mit der Erfindung ein solcher Energiespeicher geschaffen, bei dem einzelne Gehäuseeinheiten miteinander koppelbar sind.
  • Mit der Erfindung werden unterschiedliche Maßnahmen zur effektiven Abführung von Abwärme aus einem Doppelschichtkondensator-Modul bzw. -System, mit denen eine wirksame Verhinderung von durch Wärme bedingten Schädigungen bei solchen Modulen möglich ist, vorgeschlagen. Eine Überhitzung des Bauteils, d.h. Überschreiten der zulässigen Betriebstemperatur der Doppelschichtkondensatoren, könnte nämlich zur verringerten Lebensdauer bzw. zur Schädigung der Kondensatoren selbst, beispielsweise zum Entweichen des Elektrolyten bis hin zum explosiven Abbrand führen. Durch die Erfindung wird insbesondere bei Schienenfahrzeugen die Beschränkung des Einbauortes aufgehoben.
    •
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung die
  • 1 bis 5 unterschiedliche Alternativen eines Doppelschichtkondensator-Moduls mit geeigneter Flüssigkeitskühlung,
  • 6 und 7 alternative Möglichkeiten der Ankopplung einzelner Doppelschichtkondensator-Module aneinander (LEGO-Prinzip),
  • 8 ein Schienenfahrzeug, bei dem in unterschiedlichen Freiräumen wassergekühlte Module als Energiespeicher angeordnet sind, in Seitenansicht und
  • 9 eine Schnittdarstellung des Fahrgastraumes in 8 mit Leerräumen zur Aufnahme von Doppelschichtkondensator-Modulen mit Flüssigkeitskühlung.
  • Von den 1 bis 5 sind die 1 bis 3 und 5 in schematischer Schnittdarstellung dargestellt, während speziell 4 eine Draufsicht zeigt. Insbesondere die 1 bis 5 werden bezüglich ihrer gleichen Einheiten nachfolgend gemeinsam beschrieben.
  • In den Figuren ist 1 bis 5 jeweils ein Modulgehäuse 10 dargestellt, das als Normgehäuse im Wesentlichen gleiche äußere Abmessungen hat. In jedem Modulgehäuse 10 befinden sich eine Reihe von Doppelschichtkondensatoren 1, 1'', 1''' etc. Die Zahl der einzelnen Doppelschichtkondensatoren 1, 1'', ..., in einem Modul ist nicht festgelegt. Vorteilhafterweise sind zwischen 5 und 50 Doppelschichtkondensatoren vorhanden. Dabei sind beispielsweise 13 in einem Raster von 3xr oder 24 Doppelschichtkondensatoren in einem Raster von 4 × 6 angeordnet, und elektrisch in geeigneter Weise seriell und/oder parallel geschaltet. Innerhalb eines Moduls können beliebige Kombinationen vorgesehen sein.
  • In der Darstellung der Figuren bis 3 sowie 5 sind die einzelnen Doppelschichtkondensatoren 1, 1', 1'', ... in den Figuren über elektrische Kontaktschienen 2, 2' elektrisch derart geschaltet, dass aufgrund einer kombinierten Parallel- und Serienschaltung eine geeignete Ausgangsspannung und -strom des einzelnen Moduls geliefert wird. Eine Mehrzahl von Modulen kann hintereinander geschaltet werden, so dass sich die geeignete Systemspannungs- und -leistungsebene ergibt. Es sind auch geeignete interne Seriell-/Parallel-Verbinder möglich.
  • Bei den einzelnen 1 bis 5 geht es darum, geeignete Anordnungen zur Flüssigkeitskühlung vorzusehen. So wird speziell in 1 unter Ausschluss der isolierten elektrischen Leitschienen 2, 2' und zugehöriger Kontakte, die beide in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine Vergussmasse, isoliert sind ein Innenvolumen 11 im Modulgehäuse 10 gebildet, das komplett mit Kühlflüssigkeit 100 durchströmt wird. Es ist ein Einlass 12 und ein Auslass 13 vorhanden.
  • In 2 sind bei prinzipiell gleichem Aufbau des Modulgehäuses 10 mit Doppelschichtkondensatoren 1, 1', ... und Leit schienen 2, 2' auf zwei gegenüber liegenden Gehäuseflächen Flüssigkeitskühlkörper 12, 12', die jeweils separat mit Kühlflüssigkeit 100 durchströmt werden, angeordnet. Durch die Anordnung der Flüssigkeitskühlkörper 12, 12' oberhalb und/oder unterhalb des Moduls ergibt sich durch geeignete Ankopplung eine hinreichende Kühlwirkung. Gegebenenfalls kann ein einziger Kühlkörper ausreichend sein.
  • In 3 ist ein Modulgehäuse gemäß 2 derart abgewandelt, dass sich die Flüssigkeitskühlkörper unmittelbar auf den Parallel- und Seriellverbindern 2, 2' befinden. Damit wird die Wärmeabfuhr verbessert.
  • Gemäß 4 ist ein Modulgehäuse 10 derart abgewandelt, dass innerhalb des Modulgehäuses und die Doppelschichtkondensatoren herum ein konturfähiger Schlauch 14 angeordnet ist, in dem das Kühlmedium strömt. Durch Anwendung der konturfähigen Schläuche werden insbesondere die einzelnen Doppelschichtkondensatoren 1, 1', 1'', ..., unmittelbar gekühlt.
  • Eine Kombination der vorher anhand der einzelnen Beispiele dargestellten Prinzipien ergibt sich 5. Hier sind bei einem Modulgehäuse 10 außen Flüssigkeitskühlkörper 15 bzw. 15' vorhanden, die über Verteilerstrukturen 16, 16', 16'', ... zur gleichmäßigen Umströmung der Kondensatoren miteinander verbunden sind. Es ergibt sich hier die Möglichkeit, über einen Einlass an der einen Seite des Modulgehäuses 10 einen Flüssigkeitszustrom zu realisieren, während auf der anderen Seite über einen Auslass der Flüssigkeitsstrom weggeführt wird.
  • Letztere Realisierung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn genormte Modulgehäuse geschaffen werden und die einzelnen Modulgehäuse mit jeweils elektrischen Verbindern und Flüssigkeitsverbindern, d.h. einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass, in ansonsten beliebiger Kombination miteinander gekoppelt werden können.
  • Anhand der 6 und 7 wird verdeutlicht, dass einzelne Module nach Art des LEGO-Baustein-Prinzips in praktisch beliebiger Weise miteinander koppelbar sind. Dafür benötigt jedes Modulgehäuse 10 an seinen Außenflächen Verbindungseinrichtungen für die elektrische Kontaktierung einerseits und für die Fluidverbindung andererseits. Diese Mittel können in geeigneter Weise ausgebildete Steckeinrichtungen sein, die jeweils an definierten Stellen einer Gehäusefläche ein Steckerteil und jeweils ein Aufnahmeteil umfassen. Einzelne Module können so hintereinander- oder parallelgeschaltet werden.
  • In 6 ist dazu ein abstrahiertes Gehäuseelement 101 mit Verbindungseinrichtungen 110, 110' sowie 120 versehen, von denen 110, 110' weibliche Steckeinrichtungen (Buchse) und 120 männliche Steckeinrichtungen (Stecker) darstellen.
  • In 6 erfolgt der elektrische Anschluss über Steckerteile 111 und 111' bei der Einrichtung 110 bzw. 110', während die Kühlflüssigkeitsverbindung über ein Steckerteil 112 hergestellt wird. In der korrespondierenden Einrichtung 120 sind dazu die zugehörigen Gegenstücke 121, 121' und 122 vorhanden. Speziell für den Flüssigkeitsanschluss ist dabei eine Dichtung 125 notwendig.
  • Gemäß 7 kann der Flüssigkeitseintritt über Innenlumina der elektrischen Anschlüsse erfolgen. Dafür sind die Medienschnittstellen 110, 120 mit Steckerteilen 113, 113' versehen, die Anschlüsse 114, 114' für die Schienenverteiler der Doppelschichtkondensatoren haben. Im Innenlumen 114, 114' der Steckteile 113, 113' wird das Kühlmedium geführt. Bei den zugehörigen Gegenstücken 123 bzw. 123' sind hier Dichtungen 125 bzw. 125' zur Verhinderung von Flüssigkeitsverlust vorhanden.
  • Bei Ausbildung von zwei Steckverbindungen an gegenüberliegenden Seiten der Modulgehäuse ist eine Hintereinanderschaltung möglich. Durch die dritte Steckverbindung entsprechend den 6 und 7 können Module auch parallel geschaltet werden, wobei aber nur ein flächenhafter Aufbau erfolgen kann.
  • Durch eine Anordnung mit sechs Steckverbindungen, d.h. eine Steckverbindung an jeder Fläche des quaderförmigen Modulgehäuses 10, wird ein beliebiger dreidimensionaler Aufbau des Energiespeichers möglich, so dass vorhandene Leerräume optimal genutzt werden können.
  • In 8 ist ein Straßenbahnzug 70 angedeutet, wie er vom Stand der Technik der Schienfahrzeuge bekannt ist. Er besteht aus einem Chassis 71 mit einem Fahrwerk 72 mit Lauf- und Antriebsachsen, einem Karosserieaufbau 73, einem Dachaufbau 74 und einem inneren Fahrgastraum 75 mit Fahrgastsitzen 76, 76', .... Weiterhin sind die bei Straßenbahnen notwendigerweise vorhandenen Mittel zur elektrischen Energieversorgung vorhanden. Insbesondere sind dafür Stromabnehmer zur Stromabnahme aus Oberleitungen und elektrische Stromrichtereinheiten zur Ansteuerung der Fahrmotoren sowie Hilfsbetriebseinrichtungen vorhanden. Derartige Einrichtungen sind üblicherweise auf dem Dachaufbau des Schienenfahrzeuges in einem nach außen abgeschlossenen Container angeordnet.
  • Bisher werden auch zusätzliche Einheiten zur Energieversorgung, wie insbesondere auch Module mit durch Doppelschichtkondensatoren, im Container auf dem Dachaufbau des Straßenbahnzuges angeordnet. Durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft kann insbesondere im Fahrbetrieb gleichermaßen die Kühlwirkung des Fahrtwindes ausgenutzt werden.
  • Im vorliegenden Fall ergibt sich nunmehr die Möglichkeit, in vorhandenen Leerräumen innerhalb der Straßenbahn, insbesondere unter den Fahrgastsitzen o. dgl., die Modulgehäuse mit Energiespeichern anzuordnen. Durch das Zusammenfügen der Modulgehäuse nach dem LEGO-Prinzip ist es dabei möglich, die vorhandenen Leer- und Freiräume jeweils in optimaler Weise komplett auszunutzen.
  • In 9 ist dazu gezeigt, dass der Einbauort im Fahrgastraum 75 des Schienenfahrzeuges 70 so gestaltet ist, dass die einschlägigen Sicherheitsbestimmungen erfüllt sind. Dafür wird die Außenwand 79 des Karosserieaufbaus 73 unterhalb der Fahrgastsitze 76, 76', 76'', ... nach innen gestülpt, wodurch der somit von der Fahrgastzelle 75 abgetrennte Raum nutzbar gemacht werden kann.
  • Durch letztere Anordnung ist den Sicherheitsbestimmungen, die eine Anordnung des Energiespeichers, insbesondere von mit flüssigen Elektrolyten versehenen Kondensatoren, im Fahrgastraum ausschließen, Rechnung getragen.
  • Insgesamt löst die Erfindung das Problem einer effizienten Wärmeausbringung, in dem einerseits in den einzelnen Modulen Hohlräume geschaffen oder vorhandene Hohlräume genutzt werden, um diese mit einem geeigneten flüssigen Kühlmedium zu durchströmen, welche die Abwärme als Zwischenmedium aufnimmt und diese aus dem Modul entfernt. Diese flüssigkeitsdurchströmten Module können darüber hinaus an jeweils geeigneten Orten im Schienenfahrzeug angeordnet werden. Ein Kontakt zur Umgebungsluft, insbesondere zum Fahrtwind, ist unnötig.

Claims (21)

  1. Energiespeicher aus Doppelschicht-Kondensatoren, wobei jeweils mehrere Doppelschichtkondensatoren ein Modul bilden, mit folgenden Merkmalen: – jedes Kondensator-Modul (10) besteht aus bis zu n Doppelschicht-Kondensatoren (1, 1', 1'', ...) und enthält eine Kühlung (11 bis 14) mit einem flüssigen Medium zur Entfernung der von den einzelnen Doppelschicht-Kondensatoren (1, 1', 1'', ...) erzeugten Abwärme, – einzelne Kondensator-Module sind miteinander verbindbar sind, wozu die Modulgehäuse (10) Schnittstellen (101) zur elektrischen Verbindung einerseits und zur fluidischen Verbindung andererseits aufweisen, denen geeignete Verbindungsmittel (110, 120) zugeordnet, und – die so beschaffenen Einheiten sind modular skalierbar, wobei die modular skalierbaren Einheiten (10, 101) beim Aneinanderfügen und/oder Stapeln außer den Schnittstellen keine zusätzlichen Verbinder haben.
  2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit (100) hoher Wärmekapazität und geringer Leitfähigkeit, beispielsweise entionisiertes Wasser, Transformatorenöl od. dgl., ist.
  3. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Doppelschichtkondensatoren (1, 1', 1'', ...) komplett in einem Bad einer das Kondensator-Modul (10) durchströmenden Kühlflüssigkeit (100) befinden (1).
  4. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich Flüssigkeitskühlkörper (12, 12') unterhalb und/oder oberhalb des einzelnen Kondensator-Moduls (10) befinden. (2, 3)
  5. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass konturfähige Schläuche (14) für eine Aufnahme des Kühlmediums (100) vorhanden sind. (4)
  6. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kühlmodul, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kühlmodul (10) der Flüssigkeitszustrom unten und der Flüssigkeitsauslass diagonal hierzu oben erfolgt. (5)
  7. Energiespeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmodul (15) Verteilerstrukturen (16, 16') zur Erzielung einer gleichmäßigen Beströmung der Doppelschichtkondensatoren (1, 1', 1'') vorhanden sind. (5)
  8. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Isolierung der Kondensator-Module (10) Vergussmassen oder Formteile mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.
  9. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Parallel- und/oder Seriellverbinder (2, 3) mit zugehörigen Anschlüssen für die einzelnen Zellen vorhanden sind, die elektrisch isoliert sind.
  10. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrom geregelt ist, wodurch die Temperatur im Kondensator-Modul (10) weitgehend konstant gehalten wird.
  11. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem einen Wärmetauscher, der ggf. gebläseunterstützt arbeitet, beinhaltet.
  12. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung nach dem Prinzip einer so genannten Heat-Pipe vorhanden ist.
  13. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein separates Filtersystem vorhanden ist, in das austretende Dämpfe oder andere gesundheitsschädliche Substanzen eingeleitet werden.
  14. Energiespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kühlmedium (100) zur Aufnahme von Elektrolytdämpfen geeignet ist.
  15. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (110, 120) Steckeinrichtungen (121, 121') sind.
  16. Energiespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Modulgehäuse (10) mindestens zwei, vorzugsweise drei bis sechs, Steckeinrichtungen (110, 110', 120) vorhanden sind.
  17. Energiespeicher nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckeinrichtungen (110, 110', 120) jeweils wenigstens einen Stecker (111) und jeweils wenigstens eine Buchse (121) umfassen.
  18. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensator-Modul (10) 5 bis 50 Doppelschichtkondensatore (1, 1', 1'', ...) enthält.
  19. Energiespeicher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet dass das Kondensator-Modul (10) 24 Doppelschichtkondensatoren (1, 1', 1'', ...) enthält.
  20. Verwendung eines Energiespeichers nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 19 zur Energieversorgung eines Schienenfahrzeuges.
  21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorübergehende, insb, kurzzeitige, Energieversorgung des Schienenfahrzeuges (70) erfolgt.
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