DE102014201928A1 - Energiespeichermodul - Google Patents

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Jochen Schäfer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul mit mehreren Speicherzellen zum Speichern elektrischer Energie, wobei sich die Speicherzellen in einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium befinden, das zum Abführen einer beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehenden thermischen Energie vorgesehen ist, wobei die Speicherzellen in einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Masse als Abführmedium vergossen sind, welche die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie an ein Gehäuse des Energiespeichermoduls abführt, oder wobei sich die Speicherzellen in einem Fluidbehälter befinden, der mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Fluid als Abführmedium gefüllt ist, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul zum Speichern elektrischer Energie.
  • Ein Energiespeichermodul zum Speichern elektrischer Energie kann eine Vielzahl von Speicherzellen enthalten. Eines oder mehrere Energiespeichermodule können einen Verbraucher bzw. eine Last mit elektrischem Gleichstrom versorgen. Bei dem elektrischen Verbraucher bzw. der elektrischen Last kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor eines Fahrzeuges oder einer Transportvorrichtung zum Transport von Waren und/oder Personen in horizontaler oder vertikaler Richtung handeln. Bei elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugen, beispielsweise Straßenbahnen, werden vermehrt Energiespeichermodule zur Rückgewinnung von Bremsenergie eingesetzt. Energiespeichermodule weisen Energiespeicherzellen auf, insbesondere elektrochemische Energiespeicherzellen, beispielsweise Batteriezellen. Weiterhin können die Speicherzellen auch Doppelschichtkondensatoren oder Pouchzellen mit einer hohen Speicherkapazität und einer hohen Verlustleistungsdichte aufweisen. Bei Energiespeichermodulen mit einer Vielzahl von Speicherzellen, die jeweils eine hohe Speicherkapazität und eine hohe Verlustleistungsdichte besitzen, können beim Lade- und Entladevorgang des Energiespeichermoduls Ströme mit hohen Stromamplituden auftreten. Dabei entsteht in den Speicherzellen des Energiespeichermoduls sowie an dessen elektrischen Anschlüssen während des Lade- und Entladevorgangs thermische Energie. Die entstehende thermische Energie bzw. hervorgerufene Wärme führt zu einer unerwünschten Erhöhung des Temperaturniveaus innerhalb des Energiespeichermoduls und zu lokalen Erwärmungen in einzelnen Speicherzellen bzw. Speicherzellengruppen innerhalb des gesamten Energiespeichermoduls. Die Erhöhung des Temperaturniveaus innerhalb des gesamten Energiespeichermoduls oder lokal an bestimmten Speicherzellen verkürzt die Lebensdauer der betroffenen Speicherzellen und somit die Lebensdauer des gesamten Energiespeichermoduls.
  • Um Alterungsprozesse des Energiespeichermoduls zu verzögern bzw. um die Lebensdauer des Energiespeichermoduls zu erhöhen, werden daher Energiespeichermodule gekühlt, um eine Erwärmung des Energiespeichermoduls zu verhindern. Bei herkömmlichen Energiespeichermodulen werden diese mithilfe von Kühleinrichtungen gekühlt, die an dem Gehäuse des Energiespeichermoduls angebracht bzw. angeflanscht sind oder die einen Teil des Gehäuses des Energiespeichermoduls bilden. Die Kühlung der Speicherzellen, die sich innerhalb des Gehäuses des Energiespeichermoduls befinden, geschieht dabei durch einen Wärmetransport ausgehend von den Speicherzellen als Wärmequelle zu der an dem Gehäuse befindlichen Kühleinrichtung als Wärmesenke. Die Speicherzellen innerhalb des Gehäuses des Energiespeichermoduls sind zylindrisch und/oder flach ausgebildet, wobei die in der Speicherzelle entstehende thermische Energie über die beiden Stirnflächen der zylinderförmigen Speicherzelle an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abgeleitet wird. Die beiden Stirnflächen der zylinderförmigen Speicherzellen stehen dabei in direktem mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse des Energiespeichermoduls.
  • Ein Nachteil dieser herkömmlichen Energiespeichermodule besteht darin, dass die in den Speicherzellen während des Lade- und Entladevorgangs erzeugte thermische Energie nur über die Stirnflächen der Speicherzellen an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abgeleitet wird und somit die abtransportierte Menge der thermischen Energie begrenzt ist. Bei Energiespeichermodulen, die Speicherzellen mit einer hohen Speicherkapazität und mit einer hohen Verlustleistungsdichte einsetzen, ist die über die Stirnflächen abtransportierte thermische Energie in vielen Fällen nicht ausreichend, um das Temperaturniveau innerhalb des Energiespeichermoduls während eines Lade- und Entladevorgangs konstant und genügend niedrig zu halten. Hierdurch wird die Lebensdauer des Energiespeichermoduls reduziert. Je höher die Speicherkapazität und die Verlustleistungsdichte der innerhalb des Energiespeichermoduls eingesetzten Speicherzellen ist, desto größer ist die anfallende thermische Energiemenge während des Lade- und Entladevorgangs und desto größer ist die Steigerung des Temperaturniveaus während eines Lade- und Entladevorgangs des Energiespeichermoduls. Darüber hinaus ist die Steigerung des Temperaturniveaus umso größer, je geringer der Anteil der Stirnflächen der Energiespeicherzellen an der gesamten Oberfläche der Speicherzellen ist. Handelt es sich bei der Energiespeicherzelle um eine zylinderförmige Energiespeicherzelle, hängt der Anteil der Stirnfläche an der Gesamtoberfläche der Speicherzelle vom Radius des Zylinders und dessen Höhe ab. Je kleiner der Durchmesser bzw. Radius der zylinderförmigen Speicherzelle ist und je größer die Höhe der zylinderförmigen Speicherzelle ist, umso geringer ist der Anteil der Stirnfläche der Speicherzelle an der gesamten Oberfläche. Je geringer die Stirnfläche ist, desto weniger thermische Energie kann über das Gehäuse des Energiespeichermoduls abtransportiert bzw. abgeführt werden und desto höher ist die Steigerung des Temperaturniveaus bei einem Lade- und Entladevorgang.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energiespeichermodul zu schaffen, mit der während eines Lade- und Entladevorgangs eine Änderung, insbesondere eine Erhöhung, des Temperaturniveaus innerhalb des Energiespeichermoduls weitestgehend vermieden wird, sodass die Lebensdauer des Energiespeichermoduls maximiert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Energiespeichermodul mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Die Erfindung schafft demnach gemäß einem ersten Aspekt ein Energiespeichermodul mit mehreren Speicherzellen zum Speichern elektrischer Energie,
    wobei sich die Speicherzellen in einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium befinden, das zum Abführen einer beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehenden thermischen Energie vorgesehen ist,
    wobei die Speicherzellen in einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Masse als Abführmedium vergossen sind, welche die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie an ein Gehäuse des Energiespeichermoduls abführt, oder
    wobei sich die Speicherzellen in einem Fluidbehälter befinden, der mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Fluid als Abführmedium gefüllt ist, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abführt.
  • Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul bietet den Vorteil, dass selbst bei Verwendung von Speicherzellen mit einer hohen Speicherkapazität und einer hohen Verlustleistungsdichte während eines Lade- und Entladevorgangs das Temperaturniveau bzw. die Temperaturverteilung innerhalb des gesamten Energiespeichermoduls weitestgehend konstant und genügend niedrigbleibt, sodass eine ungewollte Alterung der Speicherzellen innerhalb des Energiespeichermoduls verhindert wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul erfolgt eine Wärmeableitung nicht nur über die Stirnflächen der Speicherzellen, sondern auch über die Mantelflächen der Speicherzellen.
  • Zur Wärmeableitung sind die Speicherzellen entweder mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Masse vergossen oder befinden sich innerhalb eines Fluids in einem Fluidbehälter des Energiespeichermoduls.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die Speicherzellen elektrochemische Speicherzellen, wobei sich das Abführmedium gegenüber Stoffen, die aus den elektrochemischen Speicherzellen ungewollt austreten, neutral verhält.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls weist das isolierende, wärmeleitende fluide Abführmedium Fluorketone mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,05 W/mK auf.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird die innerhalb des Energiespeichermoduls beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie mittels des Abführmediums durch Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion an das Gehäuse des Energiespeichermoduls und von dort nach außen abgeführt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie von den Speicherzellen mittels des wärmeleitenden Abführmediums direkt oder indirekt über einen Spalt an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abgeführt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie von den Speicherzellen mittels eines bewegten fluiden Abführmediums direkt oder indirekt über einen Spalt an das Gehäuse des Energiespeichermoduls abgeführt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird das fluide Abführmedium zum Abführen der thermischen Energie passiv aufgrund von Konvektion durch Dichteunterschiede bewegt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird das fluide Abführmedium zum Abführen der thermischen Energie durch eine Pumpe bewegt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird das fluide Abführmedium zum Abführen der thermischen Energie durch eine auf das Energiespeichermodul wirkende Beschleunigungs- oder Zentrifugalkraft bewegt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist eine zusätzliche Kühleinrichtung innerhalb des Gehäuses des Energiespeichermoduls vorgesehen.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist eine zusätzliche Kühleinrichtung außerhalb an dem Gehäuse des Energiespeichermoduls vorgesehen.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird die abgeführte thermische Energie an einen Verbraucher weitergeleitet oder einem Rückkühler zugeführt.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls wird eine Volumenänderung des Abführmediums infolge einer Temperaturänderung durch einen an dem Energiespeichermodul vorgesehenen Ausdehnungsbehälter kompensiert.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls weist das isolierende, wärmeleitende Abführmedium eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit von mehr als 10 kV/mm auf.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist das isolierende wärmeleitende Abführmedium nicht brennbar bzw. nicht entflammbar sowie umweltverträglich.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die darin enthaltenen Speicherzellen Doppelschichtkondensatoren.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls weisen die Speicherzellen Pouchzellen auf.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls weisen die Speicherzellen Batteriezellen auf.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls weisen die Speicherzellen eine hohe Speicherkapazität und eine hohe Verlustleistungsdichte auf.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist das wärmeleitende Fluid, welches als Abführmedium eingesetzt wird, ein Gas.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist das wärmeleitende Fluid, welches als Abführmedium eingesetzt wird, eine Flüssigkeit.
  • Die Erfindung schafft als weiteren Aspekt eine Vorrichtung mit mindestens einem Elektromotor, welcher zyklisch elektrische Energie aus mindestens einem Energiespeichermodul gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bezieht.
  • Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung mit einem Motor, der beim Start und/oder Betrieb elektrische Energie aus mindestens einem Energiespeichermodul gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bezieht.
  • Bei dem Motor kann es sich um einen Elektromotor oder um einen Verbrennungsmotor handeln.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung um eine Transportvorrichtung zum Transport von Waren und/oder Personen in horizontaler oder vertikaler Richtung.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Transportvorrichtung ein Schienen-, Land-, See- oder Luftfahrzeug mit einem oder mehreren Motoren, die Energie aus mindestens einem Energiespeichermodul gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, beziehen.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform ist dabei das Energiespeichermodul innerhalb der Transportvorrichtung federnd derart gelagert, dass Beschleunigungskräfte, Zentrifugalkräfte und/oder mechanische Erschütterungen, die beim Betrieb der Transportvorrichtung auftreten, das die Speicherzellen des Energiespeichermoduls umgebende elektrisch isolierende, wärmeleitende fluide Abführmedium zur Steigerung der von den Speicherzellen nach außen abgeführten thermischen Energie gezielt bewegen.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung ist das mindestens eine Energiespeichermodul über mindestens eine Federeinrichtung an einer Karosserie der Vorrichtung angebracht, wobei eine Federkonstante der Feder in Abhängigkeit von dem verwendeten Abführmedium und/oder den in dem Energiespeichermodul enthaltenen Speicherzellen, insbesondere in Abhängigkeit von deren Verlustleistungsdichte, zur Maximierung der von den Speicherzellen nach außen abgeführten thermischen Energie einstellbar ist.
  • Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Kühlung von Speicherzellen mit den in Patentanspruch 20 angegebenen Merkmalen.
  • Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zum Kühlen von Speicherzellen eines Energiespeichermoduls, wobei die Speicherzellen des Energiespeichermoduls von einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium umgeben werden, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie direkt oder indirekt über einen Spalt an ein Gehäuse des Energiespeichermoduls abführt.
  • Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch ein Energiespeichermodul mit einer darin enthaltenen Energiespeicherzelle zur Erläuterung der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
  • 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
  • 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
  • 4 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls;
  • 5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls.
  • Wie man bei der schematischen Darstellung gemäß 1 erkennen kann, weist das erfindungsgemäße Energiespeichermodul 1 ein Gehäuse 2 auf, das mehrere Gehäusewandungen 2a, 2b umfasst. Das Energiespeichermodul 1 enthält mehrere Speicherzellen 3 zum Speichern elektrischer Energie. In 1 ist eine zylinderförmige Speicherzelle 3 dargestellt, welche zwei Stirnflächen und eine Mantelfläche besitzt. Die obere Stirnfläche 4a der Speicherzelle 3 ist mit einer oberen Gehäusewandung 2a des Gehäuses 2 entweder direkt verbunden oder indirekt über einen Spalt mit einer Spaltbreite S wie in 1 dargestellt. In gleicher Weise ist die untere Stirnfläche 4b des Energiespeichermoduls 1 direkt mit einer unteren Gehäusewandung 2b des Gehäuses 2 verbunden oder es besteht ein Spalt mit einer Spaltbreite S zwischen der unteren Stirnfläche 4b und der unteren Gehäusewandung 2b. Die zylinderförmige Energiespeicherzelle 3 ist von einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium 5 umgeben, das zum Abführen einer beim Laden oder Entladen der Speicherzelle 3 anfallenden thermischen Energie vorgesehen ist. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Speicherzellen 3 in einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Masse als Abführmedium eingegossen bzw. vergossen. Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsvariante befinden sich die Speicherzellen 3 in einem Fluidbehälter, der mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Fluid als Abführmedium gefüllt ist, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzelle 3 entstehende thermische Energie an das Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 abführt.
  • Die Energiespeicherzelle 3 ist eine Speicherzelle mit einer hohen Speicherkapazität und einer hohen Verlustleistungsdichte. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Speicherzelle 3 ein Superkondensator, insbesondere ein Doppelschichtkondensator. Superkondensatoren bzw. Ultrakondensatoren sind elektrochemische Kondensatoren. Während Superkondensatoren im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts nur etwa 10 % von deren Energiedichte besitzen, ist ihre Leistungsdichte etwa bis zu 10-fach größer. Die Leistungsdichte beschreibt die Geschwindigkeit und Höhe, mit der die elektrische Energie aufgenommen oder an einen Verbraucher geliefert werden kann. Superkondensatoren können schneller geladen und entladen werden als Akkumulatoren. Zudem ist die Anzahl der möglichen Schaltzyklen bei einem Superkondensator höher als bei herkömmlichen Batteriespeicherzellen. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die in einem Energiespeichermodul 1 eingesetzte Speicherzelle ein Doppelschichtkondensator. Dabei können beide Elektroden des Doppelschichtkondensators aus Aktivkohle bestehen, d.h. aus reinem Kohlenstoff mit besonders großer Oberfläche. Zwischen den Elektroden befindet sich ein organochemischer Elektrolyt. Die Kathode und Anode des Doppelschichtkondensators sind durch einen Separator getrennt. Dieser Separator ist für solvatisierte Elektrolytionen durchlässig und ermöglicht einen Ladungstransport bei der Auf- und Entladung des Doppelschichtkondensators. Die elektrische Ladung der elektrisch leitenden Elektrode wird an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und Elektrolyt, dem Übergang von Elektronenleiter zum Ionenleiter, durch entgegengesetzt geladene Ionen des Elektrolyten abgeschirmt. Diese Doppelschicht bildet einen Kondensator mit einer Kapazität von mehr als 10 µF/cm2. Der Doppelschichtkondensator besteht aus einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren, die eine gleich große Kapazität besitzen. Bei der Verwendung von Aktivkohle mit bis zu 1000 m2/g Oberfläche ergibt sich bei einer Doppelschichtkapazität von 10 µF/cm2 ein Kapazitätswert von 100 F/g.
  • Die Verwendung eines Doppelschichtkondensators als Speicherzelle hat den Vorteil, dass die Speicherzelle einen Innenwiderstand von bis zu wenigen Milliohm besitzt, die sie relativ unempfindlich gegen Stromspitzen bei der Ladung oder Entladung macht. Die Doppelschichtkondensatoren können daher direkt ohne Vorwiderstand geladen werden. Vorzugsweise liegt die Ladespannung etwas oberhalb der Nennspannung des Doppelschichtkondensators, da aufgrund von dessen Innenwiderstand sonst nicht die volle Ladekapazität erreicht wird. Die Kapazität des Doppelschichtkondensators ist proportional zur Oberfläche und der Permeabilität und umgekehrt proportional zum Abstand der Ladungen. Dieser Abstand ist sehr klein, da es sich hierbei um die Dicke der Doppelschicht handelt, die von den Ionenradien und der Salzkonzentration abhängt. Der Abstand kann in einem Bereich von 5 bis 10 Å liegen. Die aktive Oberfläche ist bei dem Doppelschichtkondensator sehr groß aufgrund der Porosität der Elektroden. Doppelschichtkondensatoren weisen eine sehr hohe Leistungsdichte von beispielsweise 20 kW/kg auf. Doppelschichtkondensatoren besitzen zudem eine ausgezeichnete Zyklenstabilität mit einer sehr hohen Zahl von Lade- und Entladevorgängen. Aufgrund der hohen Leistungsdichte können Doppelschichtkondensatoren mit entsprechend hohen Strömen geladen und entladen werden. Je nach Baugröße können die Stromamplituden in einem Bereich von mehreren hundert Ampere liegen. Der Einsatz von Doppelschichtkondensatoren mit einer sehr hohen Speicherkapazität von beispielsweise bis zu 6500 F ermöglicht ein Energiespeichermodul 1 mit einer sehr hohen elektrischen Speicherkapazität und erlaubt hohe Ströme.
  • Die beim Laden und Entladen der Speicherzelle 3 entstehende thermische Energie wird über das Abführmedium 5 abgeführt. Bei dem Abführmedium 5 handelt es sich vorzugsweise um ein Fluid F. Dieses Fluid F wird bei einer möglichen Ausführungsform durch eine wärmeleitende Flüssigkeit gebildet. Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein wärmeleitendes Gas als Abführmedium eingesetzt. Das Vorsehen eines Spalts mit einer Spaltbreite S zwischen einer Stirnfläche der Energiespeicherzelle 3 und einer Gehäusewandung 2a des Gehäuses 2 vereinfacht eine Konvektion des umgebenden Fluids F, wie in 2 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das elektrisch isolierende, thermisch leitfähige fluide Abführmedium 5 ein Fluorketon mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit. Bei einer möglichen Ausführungsform liegt die Wärmeleitfähigkeit des fluiden Abführmediums 5 über 0,05 W/mK. Fluorketone zeichnen sich dadurch aus, dass sie ungiftig und schwer entflammbar bzw. nicht brennbar sind. Zudem sind Fluorketone umweltfreundlich und gut wärmeleitend. Fluorketone zeichnen sich durch eine hohe Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit aus. Das Fluorketon Novec649 ist farblos und geruchsarm und in einem Temperaturbereich von –108°C bis 49°C flüssig. Derartige Fluorketone sind bis zu einer Temperatur von 300°C thermisch stabil. Das Erderwärmungspotenzial GWP des Fluorketons liegt bei 1 und ist somit umweltverträglich. Darüber hinaus haben Fluorketone kein Ozonabbaupotenzial (ODP = 0). Die Wärmekapazität der Fluorketone liegt bei über 1000 J/gK. Die Verwendung eines Fluorketons als Abführmedium bietet neben dem Vorteil einer hohen Wärmetransportfähigkeit zudem den Vorteil, dass das Energiespeichermodul 1 auch bei sehr geringen Temperaturen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus verhält sich das Fluorketon gegenüber Stoffen, die aus der elektrochemischen Speicherzelle 3 ungewollt austreten können, chemisch neutral. Handelt es sich bei dem Abführmedium um ein flüssiges Abführmedium, insbesondere um ein Fluorketon, wird die innerhalb des Energiespeichermoduls 1 beim Laden oder Entladen der Speicherzellen 3 entstehende thermische Energie mittels des Abführmediums 5 durch Wärmeleitung und Wärmekonvektion an das Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 und von dort nach außen abgeführt. Die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen 3 entstehende thermische Energie wird von den Speicherzellen 3 mittels des wärmeleitenden Abführmediums 5 direkt über die Stirnflächen an eine Gehäusewandung des Gehäuses 2 oder indirekt über einen Spalt an das Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 abgeführt, wie in 2 dargestellt.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 1 bewegt sich das fluide Abführmedium 5 zum Abführen der thermischen Energie rein passiv aufgrund von Konvektion durch Dichteunterschiede. Bei einer alternativen Ausführungsform wird das die Energiespeicherzellen 3 umgebende Fluid aktiv bewegt, beispielsweise mithilfe von Pumpen. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird das umgebende fluide Abführmedium 5 durch eine auf das Energiespeichermodul 1 wirkende äußere Beschleunigungskraft oder Zentrifugalkraft bewegt. Bei dieser Ausführungsform kann sich das Energiespeichermodul 1 innerhalb einer beweglichen Vorrichtung, insbesondere einer Transportvorrichtung, befinden, welche zum Transport von Waren oder Personen dient. Bei der Bewegung der Transportvorrichtung entstehen Beschleunigungs- oder Zentrifugalkräfte sowie mechanische Erschütterungen, welche die Konvektion des umgebenden fluiden Abführmediums 5 fördern und somit zu einer Steigerung der abtransportierten Wärmemenge führen.
  • 3 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 1. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform verfügt das Energiespeichermodul 1 über eine oder mehrere zusätzliche Kühleinrichtungen. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform enthält das Energiespeichermodul 1 eine interne Kühleinrichtung 6 und eine außerhalb an dem Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 befindliche externe Kühleinrichtung 7. Die interne Kühleinrichtung 6 kann beispielsweise ein eingebauter Kühler bzw. Wärmeübertrager sein. Die externe Kühleinrichtung 7 umfasst beispielsweise Kühlrippen, die an einer Gehäusewandung des Gehäuses 2 angebracht sind. Die intern aufgenommene Wärme bzw. thermische Energie kann bei einer möglichen Ausführungsform an die Umgebung abgegeben werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die intern aufgenommene Wärme bzw. thermische Energie an einen aktiven Rückkühler zur Rückkühlung weitergeleitet werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die intern aufgenommene Wärme an einen Verbraucher geleitet werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 1 wird eine Volumenänderung des Abführmediums 5 infolge einer Temperaturänderung durch einen an dem Energiespeichermodul 1 vorgesehenen Ausdehnungsbehälter kompensiert. Bei einer möglichen Ausführungsform enthält das Energiespeichermodul 1 eine Vielzahl von verschalteten Doppelschichtkondensatoren. Bei einer alternativen Ausführungsform werden die Speicherzellen 3 durch Pouchzellen oder Batteriezellen gebildet.
  • Durch die direkte homogene Kühlung im Inneren des Energiespeichermoduls 1 wird die Leistungsfähigkeit des Energiespeichermoduls 1 gesteigert und gleichzeitig dessen Lebensdauer erhöht. Aufgrund der Vergleichmäßigung und Erniedrigung der Wärmeverteilung innerhalb des Energiespeichermoduls 1 werden Hot-Spot-Bildungen vermieden und die Lebensdauer des Energiespeichermoduls 1 wird erhöht. Durch die Verwendung eines wärmeleitenden Fluids kann aufgrund der Konvektion eine lokale Überhitzung in bestimmten Bereichen des Energiespeichermoduls 1 verhindert werden. Durch den Einsatz eines wärmeleitenden Abführmediums mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise eines Fluorketons, wird die maximal auftretende Betriebstemperatur des Energiespeichermoduls 1 insbesondere im Inneren des Energiespeichermoduls 1 im Bereich der Energiespeicherzellen, die der höchsten Temperaturbelastung ausgesetzt sind, abgesenkt. Die Betriebstemperatur des Energiespeichermoduls 1 wird während des Betriebs verringert und vergleichmäßigt. Das erfindungsgemäße Energiespeichermodul 1 lässt sich mit hohen Strömen belasten und besitzt eine hohe Betriebslebensdauer.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls 1. Das Energiespeichermodul 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches die in dem Energiespeichermodul 1 befindlichen Energiespeicherzellen 3-1, 3-2 ... 3-n umschließt. Bei den Energiespeicherzellen 3-i kann es sich um Energiespeicherzellen mit einer hohen Speicherkapazität und Leistungsdichte handeln, insbesondere Doppelschichtkondensatoren. Die Speicherzellen 3-i werden von einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium, insbesondere einem wärmeleitenden Fluid, insbesondere Fluorketone, umschlossen. Das Energiespeichermodul 1 besitzt zwei an dem Gehäuse 2 angebrachte elektrische Anschlusskontakte 8-1, 8-2, über die das Energiespeichermodul 1 geladen bzw. entladen werden kann. Das Energiespeichermodul 1 speichert elektrische Energie und liefert nach Ladung der Speicherzellen einen elektrischen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung für einen elektrischen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor. Der Elektromotor kann ein Transportfahrzeug zum Transport von Waren und/oder Personen antreiben. Beispielsweise handelt es sich bei der Transportvorrichtung um ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienen-, Land-, See- oder Luftfahrzeug. Weiterhin kann es sich bei der Transportvorrichtung um einen Transportaufzug handeln, welcher Waren und/oder Personen in vertikaler Richtung innerhalb eines Gebäudes befördert. Bei dieser Ausführungsform wird das Energiespeichermodul 1 bei der Aufwärtsbewegung des Transportliftes entladen. Bei der Abwärtsbewegung der Transportvorrichtung bzw. des Transportliftes wird Energie zurückgewonnen und in dem Energiespeichermodul 1 gespeichert.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Energiespeichermodul 1 federnd gelagert, wie in 5 dargestellt. Dabei ist das Energiespeichermodul 1 vorzugsweise derart federnd gelagert, dass Beschleunigungskräfte, Zentrifugalkräfte oder sonstige mechanische Erschütterungen, die beim Betrieb auftreten, das die Speicherzellen 3-i umgebende isolierende, wärmeleitende fluide Abführmedium 5 zur Steigerung der von den Speicherzellen 3-i nach außen abgeführten thermischen Energie bewegen. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 über eine Federeinrichtung 9 mit einer Karosserie 10 einer Transportvorrichtung verbunden ist. Bei dem in 5 dargestellten Beispiel weist die Federeinrichtung 9 zwei Federn 11-1, 11-2 auf, welche das Gehäuse 2 des Energiespeichermoduls 1 federnd lagern. Bei den Federn 11-i kann es sich um mechanische Federn handeln. Weiterhin kann die Federeinrichtung 9 auch eine Luftfederung oder dergleichen sein. Die Transportvorrichtung kann bei einer möglichen Ausführungsform einen Elektromotor enthalten, welcher Energie aus dem Energiespeichermodul 1 bezieht. Die Transportvorrichtung besitzt eine Karosserie 10, an welcher das Energiespeichermodul 1 über die Federeinrichtung 9 angebracht ist. Beschleunigungskräfte, Zentrifugalkräfte oder sonstige mechanische Kräfte, insbesondere mechanische Erschütterungen, führen zu einer mechanischen Schwingung, welche das in dem Energiespeichermodul 1 befindliche Abführmedium bzw. Fluid 5 bewegt und somit die von den Speicherzellen 3-i nach außen abgeführte thermische Energie steigert. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Federkonstante der Federeinrichtung bzw. der darin enthaltenen Federn 11-1, 11-2 in Abhängigkeit von dem verwendeten Abführmedium 5 und den in dem Energiespeichermodul 1 enthaltenen Speicherzellen 3-i, insbesondere in Abhängigkeit von deren Verlustleistungsdichte, zur Maximierung der von den Speicherzellen 3-i nach außen abgeführten thermischen Energie eingestellt. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist das Energiespeichermodul 1 an dem Gehäuse eines Transportlifts über eine Federeinrichtung 9 angebracht. Durch die Bewegung der Transportvorrichtung bzw. des Lifts entstehen niederfrequente mechanische Schwingungen, welche das innerhalb des Gehäuses 2 des Energiespeichermoduls 1 befindliche fluide Abführmedium 5 bewegen. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen den Energiespeicherzellen 3-i und den Gehäusewandungen des Gehäuses 2 ein Abstand bzw. Spalt, sodass die Stirnflächen der Energiespeicherzellen 3-i die Gehäusewandungen nicht berühren. Dies kann beispielsweise mithilfe von Haltestäbchen bzw. Abstandshaltern oder durch Verwendung einer entsprechenden Matte erreicht werden.

Claims (20)

  1. Energiespeichermodul (1) mit mehreren Speicherzellen (3) zum Speichern elektrischer Energie, wobei sich die Speicherzellen (3) in einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium (5) befinden, das zum Abführen einer beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehenden thermischen Energie vorgesehen ist, wobei die Speicherzellen (3) in einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Masse als Abführmedium (5) vergossen sind, welche die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen entstehende thermische Energie an ein Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) abführt, oder wobei sich die Speicherzellen (3) in einem Fluidbehälter befinden, der mit einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Fluid als Abführmedium (5) gefüllt ist, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehende thermische Energie an das Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) abführt.
  2. Energiespeichermodul nach Anspruch 1, wobei die Speicherzellen (3) elektrochemische Speicherzellen sind und sich das Abführmedium (5) gegenüber Stoffen, die aus den elektrochemischen Speicherzellen (3) ungewollt austreten, neutral verhält.
  3. Energiespeichermodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei das isolierende, wärmeleitende fluide Abführmedium (5) Fluorketone mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,05 W/mK aufweist.
  4. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die innerhalb des Energiespeichermoduls (1) beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehende thermische Energie mittels des Abführmediums (5) durch Wärmeleitung und/oder Wärmekonvektion an das Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) und von dort nach außen abgeführt wird.
  5. Energiespeichermodul nach Anspruch 4, wobei die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehende thermische Energie von den Speicherzellen (3) mittels des wärmeleitenden Abführmediums (5) direkt oder indirekt über einen Spalt an das Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) abgeführt wird.
  6. Energiespeichermodul nach Anspruch 5, wobei die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehende thermische Energie von den Speicherzellen (3) mittels eines aktiv bewegten fluiden Abführmediums (5) direkt oder indirekt über einen Spalt an das Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) abgeführt wird, wobei die Fluidbewegung durch eine Pumpe, einen Rührer, einen Propeller oder ein Paddel erreicht wird.
  7. Energiespeichermodul nach Anspruch 5, wobei das fluide Abführmedium (5) zum Abführen der thermischen Energie passiv aufgrund von Konvektion durch Dichteunterschiede oder durch eine auf das Energiespeichermodul (1) wirkende Beschleunigungskraft oder Zentrifugalkraft bewegt wird.
  8. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei eine zusätzliche Kühleinrichtung (6, 7) innerhalb des Gehäuses (2) des Energiespeichermoduls (1) oder außerhalb an dem Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) vorgesehen ist.
  9. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die abgeführte thermische Energie an einen Verbraucher weitergeleitet oder einem Rückkühler zugeführt wird.
  10. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Volumenänderung des Abführmediums (5) infolge einer Temperaturänderung durch einen an dem Energiespeichermodul (1) vorgesehenen Ausdehnungsbehälter kompensiert wird.
  11. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das isolierende, wärmeleitende Abführmedium (5) eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit von mehr als 10 kV/mm aufweist.
  12. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei das isolierende wärmeleitende Abführmedium (5) nicht brennbar bzw. nicht entflammbar sowie umweltfreundlich ist.
  13. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei die Speicherzellen (3) Doppelschichtkondensatoren, Pouchzellen oder Batteriezellen mit einer hohen Speicherkapazität und Verlustleistungsdichte aufweisen.
  14. Energiespeichermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei das wärmeleitende Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit ist.
  15. Vorrichtung mit mindestens einem Elektromotor, welcher zyklisch elektrische Energie aus mindestens einem Energiespeichermodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 bezieht.
  16. Vorrichtung mit einem Motor, der beim Start und/oder Betrieb elektrische Energie aus mindestens einem Energiespeichermodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 14 bezieht.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Vorrichtung eine Transportvorrichtung zum Transport von Waren und/oder Personen in horizontaler oder vertikaler Richtung ist.
  18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vorrichtung ein Schienenfahrzeug, ein Landfahrzeug, ein Seefahrzeug oder ein Flugzeug ist, wobei das mindestens eine Energiespeichermodul (1) federnd derart gelagert ist, dass Beschleunigungskräfte, Zentrifugalkräfte und/oder mechanische Erschütterungen, die beim Betrieb der Vorrichtung auftreten, das die Speicherzellen (3) des Energiespeichermoduls (1) umgebende elektrisch isolierende, wärmeleitende fluide Abführmedium (5) zur Steigerung der von den Speicherzellen (3) nach außen abgeführten thermischen Energie bewegen.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das mindestens eine Energiespeichermodul (1) über mindestens eine Feder (11-1, 11-2) an einer Karosserie (10) der Vorrichtung angebracht ist, wobei eine Federkonstante der Feder in Abhängigkeit von dem verwendeten Abführmedium (5) und/oder den in dem Energiespeichermodul (1) enthaltenen Speicherzellen (3), insbesondere deren Verlustleistungsdichte, zur Maximierung der von den Speicherzellen (3) nach außen abgeführten thermischen Energie einstellbar ist.
  20. Verfahren zum Kühlen von Speicherzellen eines Energiespeichermoduls, wobei die Speicherzellen (3) des Energiespeichermoduls (1) von einem elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Abführmedium (5) umgeben werden, welches die beim Laden oder Entladen der Speicherzellen (3) entstehende thermische Energie direkt oder indirekt über einen Spalt an ein Gehäuse (2) des Energiespeichermoduls (1) abführt.
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