DE102010012949A1

DE102010012949A1 - Kondensatormodul

Info

Publication number: DE102010012949A1
Application number: DE201010012949
Authority: DE
Inventors: Dr. Hahn Alexander; Dr. Huber Norbert; Dr. Meinert Michael; Dr. Rechenberg Karsten; Andreas Schröter; Dr. Schäfer Jochen; Dr. Weydanz Wolfgang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren und einem Mittel zur Temperierung der Zellen, wobei das Mittel zur Temperierung der Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) ein mit den Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial (4, 7, 11, 20, 21, 29, 33, 36) aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) abgegebenen Wärme absorbiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren und einem Mittel zur Temperierung der Zellen.
Doppelschicht-Kondensatoren (DLC-Kondensatoren), die auch als elektrochemische Doppelschicht-Kondensatoren (EDLC) oder Superkondensatoren bezeichnet werden, sind Kondensatoren mit besonders hoher Energiedichte, die Energie wird dabei elektrostatisch gespeichert. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch eine hohe gewichtsbezogene Leistung aus und können als Energiespeicher eingesetzt werden, wenn kurzzeitig ein hoher Strom benötigt oder abgegeben wird. Wenn das aus einer Vielzahl von Zellen bestehende Kondensatormodul geladen oder entladen wird, wird innerhalb der einzelnen Zellen Wärme freigesetzt, wobei die Wärmeleistung von der elektrischen Beanspruchung abhängt.
Die Lebensdauer der Zellen der Doppelschicht-Kondensatoren oder Hybridkondensatoren, die das Kondensatormodul bilden, ist stark temperaturabhängig. Eine bestimmte Temperaturgrenze, die beispielsweise 80°C betragen kann, darf nicht überschritten werden, da ansonsten die Lebensdauer bereits bei geringer Überschreitung stark abnimmt. Es wird daher angestrebt, die Temperatur innerhalb der Zellen möglichst niedrig zu halten. Die Alterung und Degradation einzelner Zellen hängt von den lokalen Bedingungen, zum Beispiel der Temperatur, ab, ebenso ist die Geschwindigkeit des Alterungsprozesses lokal von Zelle zu Zelle unterschiedlich. Bereits innerhalb einer Zelle können Temperaturunterschiede von mehreren Kelvin auftreten, höhere Temperaturunterschiede können innerhalb eines Kondensatormoduls entstehen. Es ist daher schwierig, die geforderten Temperaturgrenzen für einzelne Zellen eines Kondensatormoduls einzuhalten.
Herkömmliche Mittel zur Temperierung der Zellen können vorsehen, dass ein Kühlmittel, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit, das Kondensatormodul von außen umströmt, weiterhin könnte ein Mittel zur Temperierung der Zellen Kühlkörper aufweisen. Problematisch ist dabei jedoch, dass mit herkömmlichen Kühlmethoden nicht die geforderte gleichmäßige Temperierung der Zellen erreicht werden kann, da die Temperaturverteilung stark von der Position und den Einbaubedingungen der Zellen in dem Kondensatormodul abhängt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatormodul anzugeben, mit dem die Einhaltung der Temperaturgrenze erleichtert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kondensatormodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Mittel zur Temperierung der Zellen ein mit den Zellen in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen abgegebenen wärme absorbiert.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Phasenwechselmaterial kann temporär eine interne Kühlung einzelner Zellen des erfindungsgemäßen Kondensatormoduls erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb einer Zelle und den Zellen eines Kondensatormoduls, wodurch die Einhaltung der festgelegten Temperaturgrenze erleichtert wird. Insbesondere können durch die Wirkung des Phasenwechselmaterials Temperaturspitzen verringert werden, ohne dass dazu ein hoher baulicher Aufwand erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der Strom der abgeführten Wärme zeitlich geglättet wird, sodass der dafür erforderliche apparative und energetische Aufwand sinkt. Das erfindungsgemäße Kondensatormodul eignet sich besonders gut für solche Anwendungen, bei denen die Zellen während eines kurzen Zeitraums durch hohe Leistungen beaufschlagt werden. Durch das Phasenwechselmaterial, das die von den Zellen abgegebene Wärme absorbiert, kann das Kondensatormodul bei derartigen Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen eingesetzt werden.
Da durch das vorgesehene Phasenwechselmaterial die thermische Trägheit des Kondensatormoduls erhöht wird, wird die Gefahr eines thermischen Durchgehens (thermal runaway) verringert.
Bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial in den Zwischenräumen zwischen den Zellen angeordnet ist. Wenn die Freiräume zwischen den Zellen mit dem Phasenwechselmaterial ausgefüllt sind, werden gegebenenfalls vorhandene Temperaturdifferenzen ausgeglichen. Dies gilt sowohl für Temperaturdifferenzen innerhalb einer Zelle als auch zwischen verschiedenen Zellen eines Kondensatormoduls.
Alternativ oder zusätzlich kann es bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial um die Zellen herum angeordnet ist. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn die Zellen eine zylindrische Form aufweisen.
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul an einem Ableiter zur Stromzuführung einer Zelle angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial kann an einem oder an beiden Ableitern der Zelle angeordnet sein, es ist auch möglich, das Phasenwechselmaterial zwischen zwei Ableitern anzuordnen. Anstelle von Ableitern zur Stromzuführung kann auch eine gemeinsame Sammelschiene für mehrere Zellen vorgesehen sein, an der das Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Phasenwechselmaterial an einem Kühlkörper, insbesondere auf einer Fläche des Kühlkörpers oder in einer Ausnehmung oder in einem Hohlraum des Kühlkörpers angeordnet ist. Diese verschiedenen Varianten können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden. Durch das Phasenwechselmaterial kann die Kühlleistung des Kühlkörpers verbessert werden, sodass sich ein günstigeres Temperaturprofil einstellt.
Es wird besonders bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Kondensatormodul in einem Gehäuse aufgenommen ist und das Phasenwechselmaterial in einem Freiraum und/oder in einem Randbereich des Gehäuses angeordnet ist. Diese Freiräume innerhalb des Gehäuses können besonders einfach mit dem Phasenwechselmaterial gefüllt werden.
Es ist auch möglich, dass das Phasenwechselmaterial als elektrisches Isolationsmaterial im Bereich eines Ableiters zur Stromzuführung angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial kann auf diese Weise eine ansonsten erforderliche zusätzliche elektrische Isolierung ersetzen. Ebenso kann das Phasenwechselmaterial zwischen Zellen und einem Kühlkörper angeordnet sein, um auf diese Weise die erforderliche elektrische Isolation zwischen den Zellen und dem Kühlkörper sicherzustellen.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Kondensatormoduls sieht vor, dass das Phasenwechselmaterial in einer Umhüllung aufgenommen ist. Vorzugsweise kann die Umhüllung als Folie ausgebildet sein, durch die ebenfalls eine elektrisch isolierende Wirkung erzeugt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kondensatormodul kommen die folgenden Phasenwechselmaterialien in Frage: Paraffine, Gashydrate, Salzhydrate. Es ist auch möglich, mehrere unterschiedliche Phasenwechselmaterialien miteinander zu kombinieren, um ein bestimmtes Wärmeabsorptionsverhalten zu erzeugen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls;
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls; und
7 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kondensatormoduls.
1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung einen Ausschnitt eines Kondensatormoduls 1, das im Wesentlichen aus mehreren schichtweise angeordneten Zellen 2 besteht, wobei jede Zelle 2 an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite von einem Kühlkörper 3 umgeben ist. Der Bereich zwischen benachbarten Kühlkörpern 3 ist mit einem Phasenwechselmaterial 4 gefüllt. Nicht dargestellt sind in 1 elektrische Anschlüsse, mit denen mehrere Zellen 2 miteinander verschaltet sind. Die Zellen 2 können in Reihe oder parallel geschaltet sein, damit durch das Kondensatormodul 1 eine bestimmte Spannung oder ein bestimmter Strom zur Verfügung gestellt werden kann.
Beim Laden oder Entladen der Zellen 2 wird Wärme abgegeben, die zumindest teilweise von dem Phasenwechselmaterial 4 aufgenommen wird. Das Phasenwechselmaterial 4 erfährt dabei einen Phasenwechsel, beispielsweise von fest zu flüssig. Die von den Zellen 2 abgegebene Wärme wird als latente Wärme in dem Phasenwechselmaterial 4 gespeichert, sodass die Zellen 2 selbst weniger stark erwärmt werden. Insbesondere wenn von den Zellen 2 elektrische Energie mit hoher Leistung abgegeben oder aufgenommen wird, verhindert das Phasenwechselmaterial 4 eine unerwünschte und schädliche Temperaturerhöhung oberhalb eines zulässigen Temperaturgrenzwerts. Das thermische Verhalten kann durch die Wahl eines passenden Phasenwechselmaterials sowie durch die Wahl der Größe der Flächen zwischen den Zellen 2 und dem Phasenwechselmaterial 4 sowie durch die Geometrie und die Dicke des Phasenwechselmaterials 4 in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 5, bei dem zylinderförmige Zellen 6 verwendet werden. Die Zellen 6 sind jeweils mit einem Phasenwechselmaterial 7 umhüllt, das rohrförmig bzw. als Hohlzylinder ausgebildet ist. Die Zellen 6 sind in einem Gehäuse 8 aufgenommen. Da in dem Gehäuse 8 zwischen dem Phasenwechselmaterial 7 und der Innenseite des Gehäuses 8 Freiräume vorhanden sind, kann bei Bedarf zusätzlich ein weiteres Mittel zur Temperierung der Zellen 6 vorgesehen sein, beispielsweise ein Kühlmedium wie Gas oder eine Flüssigkeit.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 9, bei dem eine Zelle 10 vollständig von einem Phasenwechselmaterial 11 umgeben ist. Die Zelle 10 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, an einer Seite befinden sich elektrische Anschlüsse 12, 13. Die Zelle 10 kann aus Doppelschicht-Kondensatoren oder Hybridkondensatoren bestehen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 14, bei dem Zellen 15, 16 an beiden Seiten eines plattenförmigen Kühlkörpers 17 angeordnet sind. An gegenüberliegenden Seiten der Zellen 15, 16 sind Ableiter 18, 19 zur Stromzuführung vorgesehen. Der zwischen den Ableitern 18, 19 auf einer Seite der Zellen 15, 16 gebildete Freiraum ist jeweils mit einem Phasenwechselmaterial 20, 21 gefüllt. Bei dieser Ausführung wird beim Einsatz des Phasenwechselmaterials 20, 21 kein größerer Bauraum benötigt.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 22 sind mehrere Zellen 23 vorgesehen, die an eine gemeinsame Sammelschiene 24 angeschlossen sind. Durch einen Isolierstoff 25 ist die Sammelschiene 24 von einem Kühlkörper 26 für eine Wasserkühlung getrennt. Der Kühlkörper 26 weist Kanäle 27 auf, durch die Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit strömt, um von den Zellen 23 abgegebene Wärme abzuführen. Der Kühlkörper 26 umfasst darüber hinaus Ausnehmungen 28, die mit einem Phasenwechselmaterial 29 gefüllt sind. Da die von den Zellen 23 abgegebene Wärme als latente Wärme in dem Phasenwechselmaterial 29 gespeichert wird, wird die Kühlleistung des Kühlkörpers 26 signifikant erhöht.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 30 dargestellt, bei dem eine Mehrzahl von Zellen 31 in einem Gehäuse 32 angeordnet ist. Die Freiräume zwischen den schichtweise mit Abstand zueinander angeordneten Zellen sind jeweils mit Phasenwechselmaterial 33 ausgefüllt. Das Phasenwechselmaterial füllt somit sowohl Zwischenräume als auch Randbereiche zwischen den Zellen 31 und der Innenseite des Gehäuses 32 aus.
Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Kondensatormoduls 34 sind Zellen 23 über eine Sammelschiene 24 miteinander verbunden. Zwischen der Sammelschiene 24 und einem Kühlkörper 35 mit Wasserkühlung befindet sich Phasenwechselmaterial 36. Um die erforderliche elektrische Isolation zwischen der Sammelschiene 24 und dem Kühlkörper 35 zu gewährleisten, weist das Phasenwechselmaterial 36 eine als Folie ausgebildete Umhüllung auf.

Claims

Kondensatormodul, mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Zellen von Doppelschicht-Kondensatoren und/oder Hybridkondensatoren und einem Mittel zur Temperierung der Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Temperierung der Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) ein mit den Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial (4, 7, 11, 20, 21, 29, 33, 36) aufweist, das zumindest einen Teil der von den Zellen (2, 6, 10, 15, 16, 23, 31) abgegebenen Wärme absorbiert.
Kondensatormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (4, 33) in den Zwischenräumen zwischen den Zellen (3, 31) angeordnet ist.
Kondensatormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (7, 11) um die Zellen (6, 10) herum angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (20, 36) an einem Ableiter (18, 19) zur Stromzuführung einer Zelle (15, 16) oder an einer Sammelschiene (24) angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (20, 21, 29) an einem Kühlkörper (17, 26), insbesondere auf einer Fläche des Kühlkörpers (17, 26) oder in einer Ausnehmung (28) oder in einem Hohlraum des Kühlkörpers (26) angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatormodul (5, 30) in einem Gehäuse (8, 32) aufgenommen ist und das Phasenwechselmaterial (7, 33) in einem Freiraum und/oder in einem Randbereich des Gehäuses (8, 32) angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (20, 21) als elektrisches Isolationsmaterial im Bereich eines Ableiters (19, 19) zur Stromzuführung angeordnet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (36) in einer Umhüllung aufgenommen ist.
Kondensatormodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung als Folie ausgebildet ist.
Kondensatormodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial aus Paraffin und/oder Gashydraten und/oder Salzhydraten besteht.