DE102011078308A1

DE102011078308A1 - Energiespeichermodul

Info

Publication number: DE102011078308A1
Application number: DE102011078308A
Authority: DE
Inventors: Torsten Peppel; Karsten Rechenberg; Sorin-Alexandru Dutulescu; Bruno Gebhard; Dipl.-Ing. Sachse Steffen; Michael Meinert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013000802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul (1), welches mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherzellen (2) für elektrische Energie, ein die Speicherzellen (2) umschließendes Modulgehäuse (4) und eine Überwachungseinrichtung (19) zur Ermittlung eines Betriebszustandes der Speicherzellen (2) umfasst. Durch wenigstens eine im Modulgehäuse (4) angeordnete Halteplatte (13, 14), die Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen (2) aufweist und auf der dünnschichtige Leiterbahnen (18) zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen (2) mit der Überwachungseinrichtung (19) verlaufen, wird der erforderliche Montageaufwand für ein Energiespeichermodul (1) verringert und die Sicherheit des Energiespeichermoduls (1) im Fahrzeugbetrieb erhöht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiespeichermodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Energiespeichermodule sind zur Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie für den Betrieb unterschiedlichster Fahrzeuge, wie zum Beispiel Schienenfahrzeuge, Trucks, Busse, Schiffe, Kräne und andere Spezialfahrzeuge mit Dieselmotoren, aber auch in stationären Energiespeichern einsetzbar. Unterschiedliche Betriebsarten, wie Energie sparen durch Nutzung von Bremsenergie, Spannung stabilisieren, als Kurzzeitspeicher oder zum oberleitungslosen Fahren, sowie unterschiedliche Kühlungsarten als auch die Anpassung von Strom und Spannung an den Einsatzfall, ergeben flexible Einsatzmöglichkeiten.
Aus der DE-Produktinformation „Sitras ESM 125: Energiespeichermodul für mobile und stationäre Anwendungen“, herausgegeben 2010 von Siemens AG unter der Nr. A6Z00023425080, ist ein solches Energiespeichermodul bekannt, welches als Speicherzellen nebeneinander angeordnete elektrische Doppelschicht-Kondensatoren mit zylindrischer Bauform verwendet, die in ein gekapseltes Modulgehäuse aus Aluminium eingebaut und in Reihe verschaltet sind. Eine interne Überwachungseinrichtung ermittelt den Betriebszustand des Energiespeichermoduls, indem die Zellentemperatur und die Zellenspannung der Speicherzellen sowie die Modultemperatur gemessen werden. Übersteigt die Kondensatorspannung 2,7 V oder die Kondensatortemperatur 65 °C wird ein Fehler-Signal ausgesandt, andernfalls ein Fehlerfrei-Signal. Die Überwachungseinrichtung weist auch eine Symmetrierschaltung auf, die zur Vermeidung einer Spannungsüberlastung einzelner Doppelschicht-Kondensatoren für eine gleichmäßige Spannungsverteilung über den Kondensatoren ab einer Spannung von 1,1 V sorgt.
Aufgrund der zylindrischen Bauform der Speicherzellen führt dies zu Problemen bei der mechanischen Anbindung der Kondensatoren zum Modulgehäuse, vor allem in Hinblick darauf, dass die Energiespeichermodule entsprechenden Schwingungs- und Schockbelastungen standhalten müssen. Außerdem erfordert die Verkabelung der Speicherzellen mit der Überwachungseinrichtung einen hohen Verdrahtungsaufwand bei der Montage mit teueren kurzschlussfesten Kabeln.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichermodul der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen geringeren Montageaufwand erfordert und sicherer im Fahrzeugbetrieb ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsgemäßes Energiespeichermodul mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Durch wenigstens eine im Modulgehäuse angeordnete Halteplatte, die Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen aufweisen und auf der dünnschichtige Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen mit der Überwachungseinrichtung verlaufen, können mit demselben Einbauteil sowohl die mechanische Stabilität der Speicherzellenanordnung im Modulgehäuse als auch die elektrische Anbindung der Speicherzellen an die Überwachungseinrichtung verwirklicht werden. Dies verkürzt die Montagezeiten für erfindungsgemäße Energiespeichermodule und vermindert den erforderlichen Bauteilaufwand. Vor allem wird der hohe Verkabelungsaufwand unter Verwendung kurzschlussfester Kabel im Energiespeichermodul deutlich verringert. Als Halteplatte lassen sich beispielsweise bekannte Leiterplatten aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, wie zum Beispiel faserverstärkter Kunststoff, einsetzen, auf der die Leiterbahnen aus einer dünnen Kupferschicht geätzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die Festsetzungsmittel durch Ausnehmungen in der wenigstens einen Halteplatte gebildet, in welchen die Speicherzellen formschlüssig festgesetzt sind.
Durch diese einfach und genau herstellbaren Festsetzungsmittel kann die Einbaulage der Speicherzellen im Modulgehäuse sicher fixiert werden, insbesondere gegen seitliche Verschiebungen in Richtung der Ebene der Halteplatte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die Speicherzellen zylindrisch ausgebildet und weisen zwei gegenüberliegende stirnseitig angeordnete Zellpole auf, an welchen je zwei benachbarte Speicherzellen elektrisch miteinander verbindende Brückenglieder befestigt sind, und wobei die Speicherzellen über die Brückenglieder in Ausnehmungen einer oberen Halteplatte und einer zu dieser parallel angeordneten, unteren Halteplatte beidseitig formschlüssig festgesetzt sind. Eine Fixierung durch zwei Halteplatten, die in zwei die Zellpole enthaltenden Polebenen angeordnet sind, wird die Stabilität der Speicherzellenanordnung noch weiter erhöht. Dabei sind die Speicherzellen über eine mechanisch feste Verbindung zu ihren Brückengliedern in den Ausnehmungen der Halteplatten fixiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls endet eine Leiterbahn zellenseitig in einem federelastischen Freischnitt der wenigstens einen Halteplatte und kontaktiert einen Spannungsabgriff an einem Brückenglied. Ein Freischnitt kann bogenförmig ausgeführt sein, so dass eine längliche federelastische Anschlusszunge gebildet wird, auf der eine Leiterbahn endet. An ihrem freien Ende wird die Anschlusszunge von einer Schraube durchdrungen, die eine elektrische Verbindung zwischen Leiterbahn und Brückenglied und damit zwischen Leiterbahn und Speicherzelle herstellt. Durch die elastische Anbindung der Spannungsabgriffe können temperaturbedingte Längenänderungen sowie dynamische Belastungen im Fahrbetrieb eines mit dem Energiespeichermodul ausgerüsteten Fahrzeugs abgefedert und damit Brüche der Halteplatten und Leiterbahnunterbrechungen vermieden werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist die Halteplatte mit mindestens einem Temperatursensor bestückt, der mit der Überwachungseinrichtung über Leiterbahnen elektrisch verbunden ist. Zur Messung der Zellentemperatur oder einer Modultemperatur vorgesehene Temperatursensoren lassen sich auf der Halteplatte einfach integrieren und über eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Verbindung an die einzelnen Brückenglieder anbinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist die Überwachungseinrichtung auf der wenigstens einen Halteplatte integriert angeordnet. Die Leiterplatte kann mit den elektronischen Bauteilen und Leitungsverbindungen der Überwachungs- und der Symmetrierschaltung einfach vor Montage bestückt werden, was den Montage- und den Verkabelungsaufwand weiter reduziert.
Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren
1 ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul von oben,
2 das Energiespeichermodul gemäß 1 von unten,
3 das Energiespeichermodul gemäß 1 im Querschnitt längs der Linie III-III und
4 ein vergrößerter Teilschnitt im Anbindungsbereich einer Speicherzelle des Energiespeichermoduls gemäß 3
schematisch veranschaulicht sind.
Ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul 1 weist gemäß 1 bis 4 mehrere Speicherzellen 2 für elektrische Energie auf, vorzugsweise 48 in Reihe geschaltete elektrische Doppelschicht-Kondensatoren mit einer Zellenkapazität von 3000 F bei einer Zellenspannung von 2,7 V. Doppelschicht-Kondensatoren zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hochdynamisches Umladevermögen und eine sehr hohe Zyklusfestigkeit sowie Lebensdauer aus. Außerdem sind sie tiefentladungsfest und wartungsfrei. Die Speicherzellen 2 sind beispielsweise zylindrisch ausgebildet und weisen zwei stirnseitig gegenüber liegende Zellpole 3 auf. Die Speicherzellen 2 sind derart achsparallel in einem kastenförmigen Modulgehäuse 4 angeordnet, dass die Zellpole 3 der einen Stirnseite in einer oberen Polebene 5 und die Zellpole 3 der gegenüber liegenden Stirnseite in einer unteren Polebene 6 angeordnet sind. Das Modulgehäuse 4 ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und gemäß Schutzklasse IP 65 gekapselt. Das Energiespeichermodul 1 kann an seinen großflächigen, die Polebenen 5 und 6 abdeckenden Gehäusewänden eine nicht dargestellte Luft- oder Wasserkühlung aufweisen.
Die Speicherzellen 2 sind einerseits durch in der oberen Polebene 5 angeordnete obere Brückenglieder 7 und andererseits durch in der unteren Polebene 6 angeordnete untere Brückenglieder 8 elektrisch zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Die Brückenglieder 7 und 8 dienen daneben auch der mechanischen Verbindung zwischen den Speicherzellen 2 durch eine Schraubverbindung mit den Zellpolen 3 sowie der thermischen Anbindung der Speicherzellen 2 an die Kühlung. Die Brückenglieder 7 und 8 sind brillenförmig ausgebildet und weisen je zwei Innengewinde zur Aufnahme der Zellpole 3 auf. Während die unteren Brückenglieder 8 einteilig ausgebildet sind, umfassen die oberen Brückenglieder 7 kreisrunde Ausnehmungen, in die Anschlussstücke 9 mit Innengewinden für die Zellpole 3 eingesetzt und darin über eine lösbare Spanneinrichtung befestigt werden. Die Spanneinrichtung ist durch einen die Ausnehmungen verbindenden Schlitz 10 und eine diesen quer durchsetzende Schraube 11 gebildet. Schließlich umfassen die Brückenglieder 7 und 8 elektrische Isolierstücke 12, mittels derer ein definierter Abstand zu den Wänden des Modulgehäuses 4 eingestellt und gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst das Energiespeichermodul 1 eine obere Halteplatte 13 und eine zu dieser parallel angeordnete, untere Halteplatte 14, die jeweils Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen 2 im Modulgehäuse 4 aufweisen. Die Festsetzungsmittel können durch zu den Brückengliedern 7 und 8 kongruente Ausnehmungen 15, beispielsweise in Form von Durchbrüchen, gebildet werden, in welche die Bückenglieder 7 und 8 passgenau eingesetzt sind. Hierdurch werden die Speicherzellen 2 auf zwei Ebenen mechanisch fixiert, so dass das erfindungsgemäße Energiespeichermodul 1 den Vibrations- und Schockanforderungen im Fahrzeugbetrieb, etwa bei Verwendung des Energiespeichermoduls 1 in einem Schienen- oder Straßenfahrzeug, standhalten können. Die Halteplatten 13 und 14 sind von Stehbolzen 16 durchsetzt, die sich achsparallel zu den Speicherzellen 2 zwischen gegenüber liegenden Wänden des Modulgehäuses 4 erstrecken und in diesen mittels Schrauben 17 festgesetzt sind. Die Stehbolzen 16 dienen der zusätzlichen mechanischen Stabilisierung des Energiespeichermoduls 1, insbesondere auch bei wärmebedingten Längenänderungen der Modulteile. Die Stehbolzen 16 verhindern außerdem, dass sich Kühlkörper wölben, und gewährleisten damit eine gleichmäßige Anpressung eines Kühlkörpers an einen zwischen den Halteplatten 13 und 14 und den kühlungsseitigen Wänden des Modulgehäuses 4 angeordneten elektrischen Isolierstoff, der gleichzeitig eine gute Wärmeanbindung zum Modulgehäuse 4 und damit den Wärmetransport von den Speicherzellen 2 zur Kühlung realisiert. Damit wird eine gute und gleichmäßige Abführung von Verlustwärme über den Isolierstoff zur Kühlung gewährleistet.
Erfindungsgemäß verlaufen auf den Halteplatten 13 und 14 dünnschichtige Leiterbahnen 18 zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen 2 mit einer Überwachungseinrichtung 19, im dargestellten Ausführungsbeispiel nur in 2 auf der unteren Halteplatte 14 eingezeichnet und in 1 auf der oberen Halteplatte 13 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Die Überwachungseinrichtung 19 dient der Ermittlung des Betriebszustandes der Speicherzellen 2, insbesondere der Überwachung einer Zellentemperatur und/oder einer Zellenspannung. Hierzu sind Temperatursensoren 20 zur Messung von Zellentemperaturen auf den Halteplatten 13 und 14 integriert und mit der Überwachungseinrichtung 19 über Leiterbahnen 18 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 19 weist auch eine Symmetrierschaltung zum Ausgleichen von Unterschieden zwischen den Zellenspannungen auf. Hierzu werden Zellenspannungen an Spannungsabgriffen 21 in Form von Leiterbahnen 18 mit Brückengliedern 7 bzw. 8 leitend verbindenden Schrauben abgegriffen und in der Überwachungseinrichtung 19 mit einem Schwellenwert verglichen. Zur Vermeidung einer Überlastung einzelner Speicherzellen 2 wird ab einer Zellenspannung von beispielsweise 1,1 V symmetriert. Zur Vermeidung eines Bruches in den Halteplatten 13 und 14 endet eine Leiterbahn 18 zellenseitig in einem Freischnitt 22 der Halteplatte 13 bzw. 14, der eine federelastische längliche Anschlusszunge 23 bildet, deren Ende die Spannungsabgriffsschraube 21 durchdringt. Die Überwachungseinrichtung 19 kann auf einer der Halteplatten 13 bzw. 14 oder auf einer eigenen Leiterplatte integriert sein.

Claims

Energiespeichermodul (1), umfassend mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Speicherzellen (2) für elektrische Energie, ein die Speicherzellen (2) umschließendes Modulgehäuse (4) und eine Überwachungseinrichtung (19) zur Ermittlung eines Betriebszustandes der Speicherzellen (2), gekennzeichnet durch wenigstens eine im Modulgehäuse (4) angeordnete Halteplatte (13, 14), die Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen (2) aufweist und auf der dünnschichtige Leiterbahnen (18) zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen (2) mit der Überwachungseinrichtung (19) verlaufen.
Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Festsetzungsmittel durch Ausnehmungen (15) in der wenigstens einen Halteplatte (13, 14) gebildet sind, in welchen die Speicherzellen (2) formschlüssig festgesetzt sind.
Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 2, wobei die Speicherzellen (2) zylindrisch ausgebildet sind und zwei gegenüberliegende stirnseitig angeordnete Zellpole (3) aufweisen, an welchen je zwei benachbarte Speicherzellen (2) elektrisch miteinander verbindende Brückenglieder (7, 8) befestigt sind, und wobei die Speicherzellen (2) über die Brückenglieder (7, 8) in Ausnehmungen (15) einer oberen Halteplatte (13) und einer zu dieser parallel angeordneten, unteren Halteplatte (14) beidseitig formschlüssig festgesetzt sind.
Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Leiterbahn (18) zellenseitig in einem federelastischen Freischnitt (22) der wenigstens einen Halteplatte (13, 14) endet und einen Spannungsabgriff (21) an einem Brückenglied (7, 8) kontaktiert.
Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wenigstens eine Halteplatte (13, 14) mit mindestens einem Temperatursensor (20) bestückt ist, der mit der Überwachungseinrichtung (19) über Leiterbahnen (18) elektrisch verbunden ist.
Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Überwachungseinrichtung (19) auf der wenigstens einen Halteplatte (13, 14) integriert angeordnet ist.