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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, umfassend ein Gehäuse, in welchem Speicherzellen angeordnet sind, wobei den Speicherzellen eine Einrichtung zum Temperieren der Speicherzellen zugeordnet ist, wobei die Einrichtung zumindest ein Hohlprofil aufweist.
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Energiespeichersysteme, insbesondere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie, sind insbesondere in mobilen Systemen weit verbreitet. Wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie werden zudem in tragbaren elektronischen Geräten wie Smartphones oder Laptops eingesetzt. Des Weiteren werden wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie vermehrt zum Bereitstellen von Energie für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete von elektrischen Energiespeichersystemen sind stationäre Anwendungen, beispielsweise in Backup-Systemen, in Netzwerkstabilisierungssystemen und zur Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Energiequellen.
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Ein häufig eingesetztes Energiespeichersystem ist dabei ein wiederaufladbarer Speicher in Form eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen, wie andere wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie auch, zumeist mehrere Speicherzellen auf, welche gemeinsam in einem Gehäuse verbaut sind. Mehrere elektrisch miteinander verbundene Speicherzellen bilden dabei ein Modul.
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Dabei erstreckt sich das Energiespeichersystem nicht nur auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Auch andere wiederaufladbare Batterie-Systeme, wie Lithium-Schwefel-Batterien, Feststoffbatterien oder Metall-Luft-Batterien können eine Temperierung benötigen. Des Weiteren kann das Batteriespeichersystem als Superkondensator ausgebildet sein.
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Energiespeichersysteme in Form von wiederaufladbaren Speichern weisen die höchste elektrische Kapazität nur in einem begrenzten Temperaturspektrum auf. Bei Über- bzw. Unterschreitung des optimalen Betriebstemperaturbereiches fällt die elektrische Kapazität des Speichers stark ab, bzw. die Funktionalität des Energiespeichers ist beeinträchtigt. Darüber hinaus können zu hohe Temperaturen zu einer Schädigung des Energiespeichersystems führen. Ferner kann eine ungleichmäßige Temperierung zu ungleichmäßiger Alterung einzelner Speicherzellen und damit zu einem verfrühten Ausfall des Energiespeichersystems führen.
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Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn das Energiespeichersystem für die Bereitstellung elektrischer Energie von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen dient. Zum Temperieren der Zellen des Energiespeichersystems ist es daher bereits bekannt, Kühl- oder Heizelemente zum Temperieren der Speicherzellen vorzusehen.
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In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Batterieträger verwendet, um Batteriemodule zu lagern, welche zwischen den Achsen des Fahrzeuges angeordnet sind. Hierzu ist es aus der
DE 10 2012 100 977 B3 bekannt, Batterieträger aus Profilelementen auszubilden. Dabei weisen die Profilelemente Hohlprofile auf, so dass diese mit Kühlflüssigkeit, bzw. mit Flüssigkeit zum Temperieren der Batteriemodule durchströmt werden können. Insofern dient der Batterieträger gleichzeitig der Temperierung des Batteriemoduls.
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Bei den derzeit bekannten Batterieträgern ist nachteilig, dass diese relativ voluminös und damit schwierig zu transportieren sind. Des Weiteren sind die bekannten Batterieträger starr ausgebildet, so dass eine vollflächige Auflage der Speicherzellen auf dem temperierten Hohlprofil nicht gewährleistet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespeichersystem bereitzustellen, bei welchem die Temperierung der Speicherzellen verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist das Hohlprofil aus elastisch verformbarem Werkstoff ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Speicherzellen auf mehreren Hohlprofilen gelagert. Dabei können die Hohlprofile parallel und mit Abstand zueinander angeordnet sein. Die Hohlprofile können an den freien Enden jeweils in ein Fluidsammelrohr münden. Durch das Fluidsammelrohr wird den Hohlprofilen Temperierflüssigkeit zugeführt. Bei dieser Ausgestaltung liegen die Speicherzellen auf den Hohlprofilen auf. Durch die elastisch verformbare Ausgestaltung der Hohlprofile ist gewährleistet, dass die Speicherzellen stets auf den Hohlprofilen aufliegen, wobei sich vorteilhafterweise ein großflächiger Kontakt zwischen Speicherzelle und Hohlprofil ergibt. Dadurch ist ein besonders guter Energieaustausch zwischen Speicherzelle und Hohlprofil möglich.
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Das Hohlprofil kann als Kastenprofil ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung weist das Hohlprofil beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt auf und hat damit eine besonders große Anlagefläche für die Speicherzellen.
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Das Hohlprofil kann als Schlauch ausgebildet sein. Ein Schlauch ist besonders flexibel. Darüber hinaus ist ein Schlauch besonders einfach, beispielsweise im Extrusionsverfahren, herstellbar.
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Im Inneren des Hohlprofils kann eine Abstützeinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass das Hohlprofil beim Aufstellen größerer Energiespeicher derart verformt wird, dass der Durchfluss der Temperierflüssigkeit durch den Hohlkanal verringert oder gar unterbunden ist. Die Abstützeinrichtung ermöglicht eine Übertragung der Aufstelllast von der Seite auf der die Energiespeicher aufgestellt sind auf die gegenüberliegende Seite.
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Im Inneren des Profils kann eine Verwirbelungseinrichtung angeordnet sein. Je nach Volumenstrom der Temperierflüssigkeit kann es sein, dass sich im Inneren des Hohlprofils lediglich eine laminare Strömung einstellt. Diese ist nachteilig, weil in diesem Fall nur ein geringer Wärmestrom innerhalb der Temperierflüssigkeit erfolgt. Durch die Verwirbelungseinrichtung erfolgt eine Vermischung der in dem Hohlprofil geführten Temperierflüssigkeit, so dass sich ein verbesserter Wärmestrom innerhalb der Temperierflüssigkeit und damit ein verbesserter Wärmeübergang von der Wand des Hohlprofils in die Temperierflüssigkeit ergeben.
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Die Abstützeinrichtung oder die Verwirbelungseinrichtung kann Stege aufweisen, welche gitterförmig zueinander angeordnet sind. Dabei können die Stege materialeinheitlich und einstückig mit dem Hohlprofil ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stege separat ausgebildet und in das Hohlprofil eingeschoben. Bei dieser Ausgestaltung stützen sich die Stege an der Innenwand des Hohlprofils ab. Dabei ist es nicht erforderlich, die Stege innerhalb der Hohlprofile zu fixieren. Die Stege können sich von einer Innenwand des Hohlprofils bis zur gegenüberliegenden Innenwand des Hohlprofils erstrecken. Dabei können in den Hohlprofilen Ausnehmungen oder Durchbrechungen oder dergleichen angeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung fungieren die Stege gleichzeitig als Abstützeinrichtung und als Verwirbelungseinrichtung. Wenn die Stege gitterförmig zueinander angeordnet sind, ergibt sich eine mechanisch stabile Abstützung der Hohlprofile, so dass ein gleichbleibender Volumenstrom der Temperierflüssigkeit auch bei höheren mechanischen Lasten gewährleistet ist.
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Es können erste Stege und zweite Stege vorgesehen sein, wobei erste Stege und zweite Stege unterschiedliche Höhen aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung können sich beispielsweise erste Stege von einer Innenwand bis zur gegenüberliegenden Innenwand erstrecken und die Abstützeinrichtung bilden. Zweite Stege weisen demgegenüber eine geringere Höhe auf und bilden die Verwirbelungseinrichtung. Dabei können erste Stege und zweite Stege gitterförmig zueinander angeordnet sein und so einen mechanisch stabilen Verbund bilden. Vorzugsweise sind die Stege aus einem spritzgießfähigen Kunststoff ausgebildet. Eine besonders hohe Stabilität ergibt sich, wenn erste Stege und zweite Stege materialeinheitlich und einstückig sind.
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Erste Stege können in Längsrichtung verlaufen und sich von der ersten Wand bis zur gegenüberliegenden Wand erstrecken. Zweite Stege können winklig zu ersten Stegen in dem Hohlprofil angeordnet sein.
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Das Hohlprofil kann mehrteilig ausgebildet sind. Dabei kann das Hohlprofil so ausgebildet sein, dass die dem Energiespeicher zugewandte Seite aus einem besonders gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist, während die übrigen Seiten des Hohlprofils aus einem besonders stabilen Material bestehen. Als Materialien kommen insbesondere Kunststoffe in Betracht, die sich im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren verarbeiten lassen. Insbesondere in der Ausgestaltung des Hohlprofils als Schlauch ist denkbar, die Wand des Schlauches mit einer Gewebeverstärkung zu versehen.
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Die Wand des Hohlprofils kann einlagig, mehrlagig, oder partiell mehrlagig sein. Dabei kann eine Trägerlage und eine Temperaturleitlage vorgesehen sein. Die Trägerlage erhöht die mechanische Festigkeit, während die Temperaturleitlage zu einer Homogenisierung der Kontakttemperatur führt. Dabei kann die Trägerlage aus Gewebe und die Temperaturleitlage aus Metall hergestellt sein.
Trägerlage und Temperaturleitlage können durch Bekleben, Beschichten, Verschweißen, Anspritzen, Verhaken oder Auflegen miteinander verbunden werden. Insbesondere die zum Temperiermedium orientierte Trägerlage kann derart ausgeführt sein, dass das Medium verwirbelt wird, so dass sich die Wärmeabfuhr von der Temperaturleitlage zum Temperiermedium verbessert. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Trägerlage ein grobes Gewebe, ein Netz, eine perforierte Folie, eine beflockte Oberfläche, oder eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
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Die Verbindung des Hohlprofils mit dem Fluidsammelrohr erfolgt vorzugsweise mittels einer Steckverbindung, wobei die Steckverbindung mit einem Dichtelement versehen ist, so dass sich nach dem Fügen eine sichere und dichte Verbindung zwischen Fluidsammelrohr und Dichtung ergibt. Dabei ist es insbesondere auch denkbar, dass das Fluidsammelrohr aus Kunststoff ausgebildet ist. An zumindest einem Ende weisen die Fluidsammelrohre Anschlüsse an eine Zirkulation für die Temperierflüssigkeit auf.
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Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Energiespeichersystem;
- 2 eine Einrichtung zum Temperieren;
- 3 ein Hohlprofil der Einrichtung;
- 4 eine Abstütz- und Verwirbelungseinrichtung.
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1 zeigt ein Energiespeichersystem 1, umfassend ein Gehäuse 2, in welchem Speicherzellen 3 angeordnet sind, wobei den Speicherzellen 3 eine Einrichtung 4 zum Temperieren der Speicherzellen 3 zugeordnet ist. Bei dem Energiespeichersystem 1 handelt es sich um einen Lithium-Ionen-Akkumulator. Die Speicherzellen 3 sind in Form von prismatischen Zylindern ausgebildet. Dabei sind die Speicherzellen 3 so in dem Gehäuse 2 angeordnet, dass die Einrichtung 4 die Speicherzellen 3 seitlich kontaktiert. Alternativ können die Speicherzellen 3 auch so angeordnet sein, dass die Speicherzellen 3 auf der Einrichtung 4 stehen.
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2 zeigt die Einrichtung 4 zum Temperieren der Speicherzellen 3 in der Draufsicht. Die Einrichtung 4 weist parallel zueinander angeordnete Fluidsammelrohre 11 und mehrere Hohlprofile 5 auf, wobei sich die Hohlprofile 5 quer zu den Fluidsammelrohren 11 erstrecken und die parallel zueinander angeordneten Fluidsammelrohre 11 miteinander verbinden.
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Die Fluidsammelrohre 11 sind rohrförmig und aus spritzgießfähigem Kunststoff ausgebildet. Auf jeder Seite sind mehrere Fluidsammelrohre ineinander gesteckt, wobei die Fluidsammelrohre 11 stirnseitig ineinander steckbare Dichtungen aufweisen. In die Wandung der Fluidsammelrohre 11 sind Durchbrechungen eingebracht, wobei die Hohlprofile 5 in den Durchbrechungen angeordnet sind.
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Die Einrichtung 4 ist mit einem Wärmetauscher koppelbar, welcher ausgebildet ist, die Speicherzellen 3 zu temperieren. Hierzu kann der Wärmtauscher von einem Fluid durchströmt werden, wobei das Fluid Wärme von den Speicherzellen 3 aufnehmen und aus dem Energiespeichersystem 1 abführen kann. Des Weiteren kann das Fluid Wärme an die Speicherzellen 3 abgeben. Das von dem Wärmetauscher temperierte Fluid gelangt über die Fluidsammelrohre 11 in die Hohlprofile 5.
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Zur Herstellung der gewünschten Dimension der Einrichtung 4 können die Hohlprofile 5 hinsichtlich ihrer Länge auf das gewünschte Maß angepasst werden. Die Länge der Einrichtung 4 ergibt sich aus der Anzahl der stirnseitig ineinander gefügten Fluidsammelrohre 11.
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3 zeigt im Detail ein Hohlprofil 5. Das Hohlprofil 5 ist als Kastenprofil ausgebildet und weist insofern einen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei besteht das Hohlprofil 5 aus einem flexiblen, in der vorliegenden Ausgestaltung elastischen Werkstoff und ist als Schlauch ausgebildet. Im Inneren des Hohlprofils 5 ist eine Abstützeinrichtung 6 angeordnet. Die Abstützeinrichtung 6 umfasst mehrere gitterförmig zueinander angeordnete Stege 8. Dabei sind erste Stege 8' und zweite Stege 2" vorgesehen, wobei erste Stege 8' und zweite Stege 8" unterschiedliche Höhen aufweisen. Bei der vorliegenden Ausgestaltung erstrecken sich die ersten Stege 8' von der ersten Wand 9 bis zur gegenüberliegenden Wand 10 des Hohlprofils 5. Insofern bilden die ersten Stege 8' die Abstützeinrichtung 6.
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Die ersten Stege 8' sind über zweite Stege 8" miteinander verbunden, wobei die zweiten Stege 8" eine geringere Höhe aufweisen und sich nicht von der ersten Wand 9 bis zur gegenüberliegenden Wand 10 erstrecken. Es verbleibt vielmehr ein Freiraum über bzw. unter den Stegen und der ersten Wand 9 bzw. der gegenüberliegenden Wand 10. Dieser Bereich kann durchströmt werden, so dass die zweiten Stege 8" eine Verwirbelungseinrichtung 7 bilden. Beim Durchströmen des Hohlprofils 5 wird das Fluid im Bereich der zweiten Stege 8" umgelenkt, wodurch eine Durchmischung des Fluids und damit eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des Fluids erfolgt. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang von den Speicherzellen 3 über das Hohlprofil 5 in das Temperierfluid.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann das Hohlprofil 5 mehrteilig ausgebildet sein. Dabei ist das Hohlprofil 5 so ausgebildet, dass die der Speicherzelle 3 zugewandte Seite aus einem besonders gut wärmeleitenden Material gebildet ist, während die übrigen Seiten des Hohlprofils 5 aus einem besonders stabilen Material bestehen. Hierbei kommen Kunststoffe zum Einsatz, die sich im Spritzgieß- oder Extrusionsverfahren verarbeiten lassen. Bei der Ausgestaltung des Hohlprofils 5 als Schlauch ist in die Wand vorzugsweise eine Gewebeverstärkung eingebettet.
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Dabei kann das Hohlprofil 5 mit einer Trägerlage und einer Temperaturleitlage versehen sein. Die Trägerlage erhöht die mechanische Festigkeit, während die Temperaturleitlage zu einer Homogenisierung der Kontakttemperatur führt. Dabei kann die Trägerlage aus Gewebe und die Temperaturleitlage aus Metall hergestellt sein.
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Trägerlage und Temperaturleitlage können durch Bekleben, Beschichten, Verschweißen, Anspritzen, Verhaken oder Auflegen miteinander verbunden werden. Insbesondere die zum Temperiermedium orientierte Trägerlage kann derart ausgeführt sein, dass das Medium verwirbelt wird, so dass sich die Wärmeabfuhr von der Temperaturleitlage zum Temperiermedium verbessert. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Trägerlage ein grobes Gewebe, ein Netz, eine perforierte Folie, eine beflockte Oberfläche, oder eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
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4 zeigt im Detail die gitterförmige Anordnung von ersten Stegen 8' und zweiten Stegen 8". Dabei verlaufen erste Stege 8' in Längsrichtung und zweite Stege 8" verlaufen winklig zu den ersten Stegen 8'. Die Abstützeinrichtung 6, bzw. Verwirbelungseinrichtung 7, welche die ersten Stege 8' und zweiten Stege 8" formen, ist materialeinheitlich und einstückig aus einem spritzgießfähigen Kunststoff ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012100977 B3 [0007]
