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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem, insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen.
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Bei elektrochemischen Energiespeichersystem, bspw. Batterien, erfolgt eine Bereitstellung des gewünschten Spannungslevels durch hintereinanderschalten von einzelnen elektrochemischen Zellen. Eine Mehrzahl an Zellen können in einzelnen Modulen zusammengefasst sein. Die gewünschte Spannung wird häufig durch Aneinanderreihung entsprechender Module mit einer entsprechenden Anzahl an Zellen erzeugt.
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Typisches Einsatzgebiet derartiger Energiespeichersysteme ist die Elektromobilität, insbesondere elektrisch betriebene Fahrzeuge, jedoch ist der Einsatz hierauf nicht beschränkt. Der Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs verbraucht bei der Beschleunigung eine hohe elektrische Leistung, welche vom Energiespeichersystem bzw. den elektrochemischen Zellen des Energiespeichers bereitzustellen ist.
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Bei der Entnahme der Energie aus dem Energiespeichersystem bzw. aus den elektrochemischen Zellen entsteht durch die Summe aller Widerstände (z.B. Innenwiderstand Zelle, Kontaktwiderstände, Leitungswiderstände, etc.) in Abhängigkeit der Stromstärke eine Verlustleistung in den Zellen, die in Wärme umgesetzt wird. Die Verlustleistung erwärmt das Energiespeichersystem beziehungsweise die Zellen, so dass ohne eine Abfuhr dieser Wärmeenergie das Energiespeichersystem bzw. Zellen des Energiespeichers überhitzen würden. Dies gilt in ähnlicher Weise für die Rückspeisung von Energie in das Energiespeichersystem.
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Es muss somit eine Kühlung bzw. ein Wärmetauscher für ein Energiespeichersystem bereitgestellt werden, um eine Überhitzung der Zellen bzw. Module bzw. des Energiespeichers zu verhindern.
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Eine besonders dynamische Fahrweise, wie sie etwa bei sportlichen und höher motorisierten Fahrzeugen auftritt, führt zu einer erhöhten Belastung des Energiespeichersystems. Diese erhöhte Belastung des Energiespeichersystems tritt einerseits auf bei Abruf entsprechender Leistung im Falle des Leistungsbedarfs des Fahrzeugs, jedoch andererseits auch bei Rekuperation von Energie und Zurückspeisung von Energie in das Energiespeichersystem.
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Kommt es häufig zu starken Lastwechseln, ist eine besonders effektive Kühlung des Energiespeichersystems erforderlich. Dies trifft insbesondere auf Boost-Batterien zu, welche zusätzlich einen Verbrennungsmotor, bspw. eines Sportfahrzeugs, unterstützen. Diese werden durch den hohen kurzzeitigen Leistungsabruf häufig an ihre elektrische Leistungsgrenze getrieben.
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Es werden daher effektive bzw. hoch performante Kühlsysteme benötigt, um eine Überhitzung der Zellen zu vermeiden. Eine effektive Kühlung kann durch eine direkte thermische Anbindung der Zellen an die Kühlflüssigkeit möglichst ohne weitere thermische Widerstände, wie etwa Gapfiller, Wärmeleitpasten oder elektrisch isolierende Zwischenschichten, erfolgen. Insbesondere für Zellen mit rundem Querschnitt bietet es sich deshalb an, sie direkt der Kühlflüssigkeit auszusetzen. Voraussetzung hierfür ist, dass das Kühlfluid nicht elektrisch leitfähig ist. Das ist z.B. bei Trafoölen oder Spezialflüssigkeiten wie Novec erfüllt.
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Ferner muss berücksichtigt werden, dass die Zellen keine zu großen Temperaturunterschiede ausbilden. Geringe Temperaturunterschiede sind insbesondere deshalb von Interesse, da die Zellen abhängig von der jeweiligen Temperaturbelastung unterschiedlich schnell altern. Je höher die Temperatur der Zellen, desto schneller altern die Zellen. Es soll daher durch eine geringe Temperaturdifferenz der Zellen untereinander eine möglichst gleichmäßige Alterung der Zellen bewerkstelligt werden, um einen frühzeitigen Ausfall oder eine signifikante Leistungsreduktion einzelner Zellen zu vermeiden.
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Geringe Temperaturunterschiede werden insbesondere dadurch erreicht, dass die Zellen vom gleichen Kühlflüssigkeitsstrom zunächst in einer ersten Richtung und dann vom gleichen Kühlflüssigkeitsstrom in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung angeströmt werden. Dies ist auch als Gegenstromprinzip bekannt. Dadurch werden die Temperaturdifferenzen der Zellen und der Kühlflüssigkeit berücksichtigt und es kommt zu einem Wärmeaustauschverhalten, das die Temperaturdifferenzen der Zellen untereinander gering hält.
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Wie oben erwähnt sind derartige Energiespeichersysteme häufig modular aufgebaut; d.h. es werden eine bestimmte Anzahl an Modulen mit Zellen in Serie angeordnet, um eine bestimmte Spannung zu erhalten. Erfolgt die Kühlung mit nur einem einzigen Medienstrom für alle Module, kommt es ebenfalls zu unterschiedlichen Zelltemperaturen von in Strömungsrichtung nacheinander angeordneten Modulen. So liegt bspw. in Strömungsrichtung für die Zellen des ersten Moduls eine größere Temperaturdifferenz zwischen Zelltemperatur und Medientemperatur vor, als bspw. für das in Strömungsrichtung letzte Modul.
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Aus diesem Grund ist es bekannt, die Module parallel mit meinem wärmetauschenden Medium gleicher Eingangstemperatur zu versorgen. Hierdurch kann eine hohe Kühlleistung mit geringen Temperaturunterschieden der Zellen innerhalb des jeweiligen Moduls, aber auch über die Module des Energiespeichersystems hinweg, bereitgestellt werden. Für diese parallele Versorgung der Module mit dem wärmetauschenden Medium sind jedoch sehr aufwändige Zu- und Ableitungssysteme erforderlich, welche eine Vielzahl von zu montierenden Komponenten umfassen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine konstruktiv einfachere und effektive Kühlung für ein Energiespeichersystem bereitzustellen
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem umfasst wenigstens ein Modul mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Zellen, wobei das Modul eine Modulwand aufweist, welche die Zellen des Moduls umgibt, mit einem Energiespeichergehäuse, wobei zumindest ein Teilbereich des Energiespeichergehäuses derart ausgebildet ist, dass es durch Zusammenwirken mit der Modulwand wenigstens zwei Kanäle, insbesondere wenigstens einen Vorlaufkanal und wenigstens einen Rücklaufkanal, zur Führung eines wärmetauschenden Mediums, insbesondere einer wärmetauschenden Flüssigkeit, bildet.
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Das Modul umfasst in der Regel eine bestimmte Anzahl elektrochemischer Zellen, welche grundsätzlich beliebiger Art und Form sein können. Das Energiespeichersystem kann eine Mehrzahl aneinandergrenzender Module mit entsprechenden Zellen umfassen. Die Module können bspw. auch mit einem Nut-Feder-Mechanismus miteinander verbunden sein, so dass diese lagestabil zueinander sind. Die Modulwand eines Moduls umgibt die Zellen dahingehend, dass die Modulwand eine Mantelfläche um die Zellen bildet. Diese kann, muss aber nicht, nach allen Seiten des Moduls geschlossen sein. Die Modulwand kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Das Energiespeichersystem weist ein Energiespeichergehäuse auf. Dieses haust das wenigstens eine Modul bzw. die Mehrzahl an Modulen ein. Ein Teilbereich des Energiespeichergehäuses, bspw. die Bodenplatte des Energiespeichergehäuses, weist Strukturen auf, welche dazu geeignet sind, zusammen mit der Modulwand Kanäle auszubilden, wenn das Modul auf den entsprechenden Teilbereich aufgebracht ist. Diese Strukturen müssen dazu geeignet und ausgebildet sein, das wärmetauschende Medium durch Zusammenwirken mit der Modulwand zu führen.
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Der Teilbereich des Energiespeichergehäuses, welcher die entsprechenden Strukturen zur Ausbildung der Kanäle aufweist, kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. In einer möglichen Ausführungsform ist der Teilbereich des Energiespeichergehäuses als einteilige Bodenplatte eines Druckgussgehäuses ausgebildet, welches die entsprechenden Strukturen bzw. Mittel umfasst, welche zusammen mit der Modulwand die Kanäle bilden. Der Energiespeichergehäuseteilbereich kann eine Zuführöffnung und eine Abführöffnung aufweisen, mittels derer das wärmetauschende Medium den entsprechenden Strukturen des Energiespeichergehäuseteilbereichs zugeführt bzw. aus diesem abgeführt werden kann.
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Als Vorlaufkanal wird dabei ein vom Energiespeichergehäuseteilbereich und einer Modulwand gebildeter Kanal bezeichnet, der dazu dient, das wärmetauschende Medium zu einem Modul hinzutransportieren, so dass dieses für die Kühlung der Zellen des Moduls genutzt werden kann. Als Rücklaufkanal wird dabei ein Kanal bezeichnet, der dazu dient, das nach erfolgtem Wärmetausch mit den Zellen des Moduls erwärmte oder gekühlte Medium vom Modul abzuführen. Dieser ist ebenfalls durch den Energiespeichergehäuseteilbereich und eine Modulwand gebildet.
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Als wärmetauschendes Medium kann ein flüssiges Medium, insbesondere eine nicht elektrisch leitende Flüssigkeit gewählt werden, bspw. Trafo-Öl oder andere geeignete Medien. Ggf. kann auch ein gasförmiges Medium zum Einsatz kommen.
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Die Strukturen zur Ausbildung der Kanäle sind in einen Teilbereich des Energiespeichergehäuses integriert. Es muss lediglich das wenigstens eine Modul als Teil des Energiespeichersystems installiert werden, um durch Zusammenwirken, insbesondere Aufliegen auf den vorhandenen Strukturen des Teilbereichs des Energiespeichergehäuses, die Kanäle in einen für das wärmeleitende Medium führungsfähigen Zustand zu versetzen.
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Durch das erfindungsgemäße Energiespeichersystem kann auf das aufwändige Leitungssystem, eine Vielzahl separater Dichtungen und weitere Komponenten für die parallele Zuführung des wärmetauschenden Medium zu dem wenigstens einen Modul bzw. den Modulen verzichtet werden. Hierdurch entfallen Kosten für die Komponenten für ein Kühlsystem, wie etwa Rohrleitungen, Dichtungen, Befestigungsmittel. Ferner entfällt der Montageaufwand für die Kühlsystemleitungen und die weiteren Komponenten. Es wird zudem das Gewicht des Energiespeichersystems und die Fehleranfälligkeit reduziert.
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Grundsätzlich kann die Erfindung nicht nur dazu verwendet werden, die Zellen zu kühlen, sondern diese können mit Hilfe der Erfindung im Bedarfsfall auch erwärmt werden, insbesondere bei kalten Außentemperaturen. In der Regel wird die Verwendung der Erfindung zu Kühlzwecken, d.h. einem Wärmetausch von den Zellen zum wärmetauschenden Medium und nicht umgekehrt, im Vordergrund stehen.
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In einer ersten Ausführungsform des Energiespeichersystems weist der Energiespeichergehäuseteilbereich ein Querschnittsprofil auf, welches eine Mehrzahl an abgesenkten Teilbereichen und eine Mehrzahl an erhöhten Teilbereichen aufweist, wobei die Modulwand zur Bildung der Kanäle mit den erhöhten Teilbereichen zusammenwirkt. Die abgesenkten und erhöhten Teilbereiche können verschiedene Formen aufweisen. In einer möglichen Variante können die abgesenkten Teilbereiche im Querschnitt V-artig, U-artig oder auch als Wellental ausgebildet sein. Andere Formen sind ebenfalls denkbar. Die Mehrzahl der abgesenkten Teilbereiche kann derart dimensioniert sein, dass ein gewünschter Mindest-Volumenstrom mittels des gebildeten Kanals bzw. der gebildeten Kanäle realisierbar ist, um Wärme effektiv abzuführen. Der erhöhte Teilbereich kann derart, insbesondere in seiner Breite, dimensioniert sein, dass ein mediendichter, insbesondere flüssigkeitsdichter, Verschluss zwischen zwei abgesenkten Teilbereichen sichergestellt werden kann und ferner das Gewicht eines darauf gelagerten Moduls aufgenommen werden kann.
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In einer weiteren möglichen Weiterbildung des Energiespeichersystems ist zwischen wenigstens einem ersten erhöhten Teilbereich und der Modulwand ein elastisches Dichtmittel, insbesondere eine Schaumdichtung, vorhanden bzw. angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, einen Durchtritt des wärmetauschenden Mediums zwischen Modulwand und dem erhöhten Teilbereich zu vermeiden. Als elastisches Dichtmittel kann bspw. ein Scheibenkleber, eine Schaumdichtung oder Karosseriedichtmasse herangezogen werden. Für eine Schaumdichtung wird in der Regel eine flüssige oder thixotrope, pastöse Dichtmasse in einer Maschine aufbereitet und über eine Düse in Form einer Raupe auf den erhöhten Teilbereich aufgetragen. Anschließend wird das Dichtmaterial derart verarbeitet, getrocknet oder vernetzt, so dass es seine weiche, verpressbare Dichtungseigenschaft erhält. Der Vorteil einer Schaumdichtung liegt vor allem darin, dass diese mittels eines maschinellen automatisierten Prozesses einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
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In einer weiteren möglichen Fortbildung des Energiespeichersystems ist das elastische Dichtmittel zwischen jedem erhöhten, einen Kanal bildenden Teilbereich und der Modulwand angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Mediendichtigkeit, insbesondere Flüssigkeitsdichtigkeit, für alle gebildeten Kanäle gegeben ist.
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In einer anderen vorteilhaften möglichen Ausgestaltung des Energiespeichersystems erstreckt sich der erhöhte Teilbereich mäanderförmig im Wesentlichen über den gesamten Teilbereich des Energiespeichergehäuses. Das elastische Dichtmittel, insbesondere die Schaumdichtung, erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des erhöhten Teilbereichs. Insbesondere kann der Mäander einteilig aus dem erhöhten Teilbereich gebildet sein. Durch die Mäanderform können für den erhöhten Teilbereich scharfe Kanten und Ecken vermieden werden. Ferner kann durch die Gestaltung bzw. Beschaffenheit des Mäanders die Breite und Länge der Kanäle in einfacher Weise dimensioniert werden. Eine derartige Mäanderform lässt sich ferner einfach durch einen Gießprozess realisieren. Insbesondere kann die Beschaffenheit des Mäanders an der Modulbreite orientiert werden, so dass die Breite der Modulwand eines Moduls der Breite zweier benachbarter, durch den Mäander gebildeten Kanäle entspricht. Bspw. ist dann aus dem ersten Kanal das wärmetauschende Medium für die Kühlung des Moduls beziehbar. In den zweiten Kanal ist das von den Zellen des Moduls erwärmte Medium abführbar. Die Modulwand eines Moduls erstreckt sich somit zumindest teilweise über beide Kanäle. Eine Modulwand kann auch mehrteilig ausgebildet sein, und mehrere Wandelemente aufweisen. Die Schaumdichtung kann maschinell, automatisiert und unterbrechungslos auf dem gesamten mäanderförmigen erhöhten Teilbereich aufgebracht werden. Dies ist eine besonders aufwandsarme und exakte Möglichkeit einen mäanderförmigen Teilbereich mit darauf angeordneter Schaumdichtung bereitzustellen.
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In einer weiteren möglichen vorteilhaften Weiterbildung des Energiespeichersystems ist mittels des mäanderförmigen erhöhten Teilbereichs durch Zusammenwirken mit der Modulwand wenigstens ein Vorlaufkanal und wenigstens ein, insbesondere zum Vorlaufkanal benachbarter, Rücklaufkanal gebildet. Der Vorlaufkanal und der Rücklaufkanal werden jeweils durch einen erhöhten Teilbereich seitlich begrenzt. Sofern der Vorlaufkanal und der Rücklaufkanal unmittelbar benachbart sind, ist der Vorlaufkanal und der Rücklaufkanal durch einen den jeweiligen Kanal begrenzenden, gemeinsamen erhöhten Teilbereich getrennt. Dies ist eine besonders einfache Form, im Hinblick auf die Modulanordnung Vor- und Rücklaufkanäle zu realisieren, aus denen ein Modul mit einem wärmetauschenden Medium versorgbar ist.
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In einer anderen Ausführungsvariante des Energiespeichersystems ist eine erste Öffnung der Modulwand vorhanden, mittels welcher den Zellen des Moduls das wärmetauschende Medium aus einem von der Modulwand und dem Teilbereich des Energiespeichergehäuses gebildeten ersten Kanal, insbesondere einem Vorlaufkanal, zuführbar ist. Ferner ist eine zweite Öffnung der Modulwand vorhanden, mittels welcher das den Zellen zugeführte Medium in einen von der Modulwand und dem Teilbereich des Energiespeichergehäuses gebildeten zweiten Kanal, insbesondere einem Rücklaufkanal, abführbar ist. In der Regel sind die erste Öffnung, die auch als Eintrittsöffnung bezeichnet werden kann, und die zweite Öffnung, die auch als Austrittsöffnung bezeichnet werden kann, an unterschiedlichen Orten der Modulwand angeordnet. Die erste Öffnung kann aus einer Mehrzahl von Öffnungen bestehen, durch welche das wärmetauschende Medium zu den Zellen eines Moduls eintritt. Diese können vorteilhafterweise in Längsrichtung über dem gleichen Vorlaufkanal angeordnet sein. Ferner kann auch die zweite Öffnung, durch welche das wärmetauschende Medium aus dem Modul austritt, eine Mehrzahl an Öffnungen umfassen. Diese können vorteilhafterweise längs über demselben Rücklaufkanal angeordnet sein. Die erste und die zweite Öffnung können auf derselben Seite des Moduls angeordnet sein, oder bspw. auch auf gegenüberliegenden Seiten. Bspw. kann dies davon abhängig sein, ob ein Gegenstromprinzip für das wärmetauschende Medium angewendet werden soll oder nicht. Ist die Breite des Vorlaufkanals und des benachbarten Rücklaufkanals entsprechend gewählt, ist die Zuführung und Abführung des wärmetauschenden Mediums in bzw. aus dem Modul vergleichsweise toleranzunempfindlich. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Breite des Vorlaufkanals derart ausgestaltet ist, dass dieser eine signifikante Überdeckung zu der oder den Eintrittsöffnungen der Modulwand aufweist. Zudem ferner dann, wenn die Breite des Rücklaufkanals derart ausgestaltet ist, dass dieser eine signifikante Überdeckung zu der oder den Austrittsöffnungen der Modulwand aufweist. So kann durch geeignete Positionierung der Module auf den entsprechenden erhöhten Teilbereichen des Energiespeichergehäuseteilbereichs und damit über den entsprechenden Kanälen eine einfache und toleranzunempfindliche Zuführung des wärmetauschenden Mediums in das Modul und eine Abführung aus dem Modul sichergestellt werden. Dies ist ein erheblicher Vorteil zu Systemen, bei welchen die Module einzeln mit Rohrleitung an den Eintrittsöffnungen der Module angebunden werden müssen.
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In einer vorteilhaften möglichen Variante sind die erste Öffnung und die zweite Öffnung kreisförmige Ausnehmungen. Die erste oder zweite Öffnung kann jedoch auch eine andere Form der Ausnehmung aufweisen. Ferner kann vorgesehen werden, dass die erste Öffnung eine kleinere Durchtrittsfläche, insbesondere bei einer kreisförmigen Ausnehmung einen kleineren Durchmesser, für das wärmetauschende Medium aufweist, als die zweite Öffnung. Umfasst die erste Öffnung eine Mehrzahl an Öffnungen und die zweite Öffnung eine Mehrzahl an Öffnungen, so kann diese Dimensionierung der Durchtrittsfläche von erster und zweiter Öffnung für alle entsprechenden Öffnungen vorgesehen sein. Insbesondere kann die erste Öffnung im Randbereich der Modulwand vorgesehen sein, so dass bspw. durch Zusammenwirken der Ausnehmungen der Modulwände zweier nebeneinander angeordneter Module eine gemeinsame erste Öffnung bzw. eine Mehrzahl gemeinsam gebildeter erster Öffnungen bzw. Eintrittsöffnungen gebildet wird.
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In einer weiteren beispielhaften Fortbildung umfasst das Energiespeichersystem ein erstes Modul mit einer ersten Modulwand und ein zweites Modul mit einer zweiten Modulwand, wobei die erste Modulwand und die zweite Modulwand jeweils die vom ersten und zweiten Modul umfassten Zellen umgibt, wobei das erste Modul und das zweite Modul jeweils mindestens eine offene Stirnfläche aufweisen, wobei die offene Stirnfläche des ersten und des zweiten Moduls unmittelbar aneinandergrenzen, wobei das erste und das zweite Modul jeweils Zellhalterungen zur Positionierung der Zellen im jeweiligen Modul aufweisen, wobei die Zellhalterungen des ersten und zweiten Moduls, die Zellen des ersten und zweiten Moduls und die erste und zweite Modulwand derart angeordnet sind, dass diese einen mediendichten Zwischenmodulkanal zur Führung des wärmetauschenden Mediums bilden und wobei die erste Öffnung durch wenigstens eine Ausnehmung der aneinander grenzenden ersten und zweiten Modulwände gebildet ist, mittels welcher das wärmetauschende Medium dem Zwischenmodulkanal zuführbar ist. Als Stirnfläche wird diejenige Fläche des Moduls bezeichnet, welche in der Regel senkrecht zur Modulwand steht. Diese ist offen, d.h. nicht durch eine Modulwand verschlossen. Dadurch wird mittels der aneinandergrenzenden Stirnflächen ein Hohlraum zwischen den Modulen gebildet, der das wärmetauschende Medium aufnehmen kann. Mittels dieser möglichen Weiterbildung der Erfindung wird das Modul mit seinen ohnehin vorhandenen Komponenten, wie Zellen, Zellhalterungen und Modulwand zusätzlich genutzt, um einen zwischen den Modulen angeordneten Zwischenmodulkanal zur Führung des wärmetauschenden Mediums zu schaffen. Zusätzliche aufwändige Komponenten zur Führung des Mediums sind nicht erforderlich. Gleichzeitig wird ein effektiver Wärmetausch an den Zellen gewährleistet.
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In einer anderen beispielhaften Fortbildung des Energiespeichersystems sind die Zellen eines Moduls zylindrisch ausgebildet und es ist wenigstens ein erstes Dichtelement und ein zweites Dichtelement an jeder Zelle des Moduls angeordnet, wobei das erste Dichtelement eine Medienabdichtung, insbesondere Flüssigkeitsabdichtung, in radialer Richtung zwischen Zelle und Zellhalterung bewirkt und das zweite Dichtelement eine Medienabdichtung, insbesondere Flüssigkeitsabdichtung, in axialer Richtung einer Zelle zwischen Zellhalterung und Zelle bewirkt. Zylindrische Zellen werden gelegentlich auch als Rundzellen bezeichnet, aufgrund des runden Querschnitts senkrecht zur axialen Richtung. Die Zellen bilden samt der an ihnen angeordneten Dichtelemente eine mediendichte, insbesondere flüssigkeitsdichte, Struktur, welche die Bildung eines Zwischenmodulkanals ermöglicht, ohne dass zusätzliche Strukturen für die Module vorgesehen werden müssen. Der Zwischenmodulkanal weist somit zumindest eine Eintrittsöffnung auf, durch welche das wärmetauschende Medium in den Zwischenmodulkanal gelangt. Das Medium wird somit strukturiert in eine definierte Richtung geführt und umspült dabei zumindest einen Teilbereich der zu kühlenden Zellen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsvariante ist nach der in Zwischenmodulkanal-Strömungsrichtung letzten Zelle des Moduls wenigstens eine dritte Öffnung vorhanden, durch welche das wärmetauschende Medium in einen Innenraum des ersten Moduls und/oder des zweiten Moduls führbar ist. Mittels der Zellen, der Zellhalterungen und der Modulwand kann ein Modulinnenraumkanal gebildet sein, wobei in Gegenströmungsrichtung zur Zwischenmodulkanal-Strömungsrichtung nach der letzten Zelle die zweite Öffnung angeordnet ist, mittels welcher das wärmetauschende Medium in einen von der ersten oder zweiten Modulwand und den Teilbereich des Energiespeichergehäuses gebildeten Rücklaufkanal ausführbar ist. Indem eine dritte Öffnung zum Überführen des Mediums aus dem sonst mediendichten Zwischenmodulkanal in den Modulinnraumkanal vorgesehen ist, wird ein Rückströmen des Mediums in einem vom Zwischenmodulkanal verschiedenen Modulinnenraumkanal ermöglicht. Die dritte Öffnung, die auch als Übertrittsöffnung bezeichnet werden kann, kann ebenfalls eine Mehrzahl an Öffnungen umfassen. In einer möglichen Ausgestaltung ist eine dritte Öffnung jeweils in Strömungsrichtung des Zwischenmodulkanals nach den letzten Zellen jeweils zwischen zwei benachbarten, parallel liegenden Zellen des Moduls vorhanden. Der Modulinnenraumkanal ist gegenüber dem Zwischenmodulkanal bzw. den auf beiden Seiten vorhandenen Zwischenmodulkanälen mediendicht durch entsprechende radiale und axiale Dichtelemente an den Zellen ausgestaltet. Durch diese Anordnung kann ein Gegenstromprinzip realisiert werden, da ein erster Teil der Zelle zunächst in Zwischenmodulkanal-Strömungsrichtung gekühlt werden kann und nach Durchtritt durch die dritte Öffnung andere Teilbereiche dieser Zellen in Gegenrichtung im Modulinnenraumkanal gekühlt werden können. Dies erlaubt eine Minimierung der Temperaturdifferenzen der Zellen eines Moduls. Wie der Zwischenmodulkanal wird der Modulinnenraumkanal ohne zusätzliche Medien führende Komponenten realisiert.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Aufsicht auf eine Bodenplatte eines Energiespeichergehäuses einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems, mit mäanderförmig erhöhtem Teilbereich geeignet zur Ausbildung von Kanälen zur Führung eines wärmetauschenden Mediums,
- 2 ein vergrößerter Auszug eines Schnitts einer Profilansicht einer Bodenplatte mit erhöhten und abgesenkten Teilbereichen zur Führung eines wärmetauschenden Mediums, und
- 3 eine Schnittdarstellung durch von auf einer Bodenplatte angeordneten Modulen zur Darstellung des Medienflusses.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung
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Zum leichteren Verständnis werden in der folgenden Beschreibung die Bezugszeichen zu den Figuren als Referenz beibehalten.
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1 zeigt einen Teilbereich 1 eines Energiespeichergehäuses, auch als Energiespeichergehäuseteilbereich bezeichnet, in Form einer druckgegossenen Bodenplatte des Energiespeichergehäuses. Diese wird für den Betrieb mit dem Rest des Energiespeichergehäuses verschraubt, um die vom Energiespeichersystem umfassten Module einzuhausen.
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Die Bodenplatte 1 zeigt einen mäanderförmigen erhöhten Teilbereich 2, sowie einen abgesenkten Teilbereich 3. Dieser mäanderförmige erhöhte Teilbereich 2 ist von einem rahmenartigen erhöhten Teilbereich 2 umgegeben. Dieser rahmenartige erhöhte Teilbereich 2 ist um den mäanderförmigen erhöhten Teilbereich 2 herum angeordnet, so dass diese beiden Strukturen zusammen einen Kanal auf der Bodenplatte 1 bilden. Der erhöhte Teilbereich 2 weist eine konstante Höhe über eine Referenzebene der Bodenplatte auf. Damit bilden der erhöhte Teilbereich 2 ein konstantes Höhenniveau, welches mit Modulwänden der Module zusammenwirken kann. Zwischen den mäanderförmigen Strukturen, welche der erhöhte Teilbereich 2 ausbildet, befinden sich ein abgesenkter Teilbereich 3, der hinsichtlich einer zur Bodenplatte parallelen Referenzebene unterhalb des erhöhten Teilbereichs 2 angeordnet ist.
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Der abgesenkte Teilbereich 3 nimmt das wärmetauschende Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit auf. Der erhöhte Teilbereich 2 trennt die verschiedenen Bereiche des abgesenkten Teilbereichs 3. Der abgesenkte Teilbereich 3 kann unterschiedlich tief abgesenkt sein, insbesondere abhängig davon, wie viel Volumen der Kühlflüssigkeit durch den jeweiligen Bereich transportiert werden soll.
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Der mäanderförmige erhöhte Teilbereich 2 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Bodenplatte 1 des Energiespeichergehäuses, um eine effektive Kühlung der Module zu ermöglichen. Durch die mäanderförmige Struktur des erhöhten Teilbereichs 2 ist es ferner möglich, dass zwei abgesenkte, benachbarte Bereiche als Vorlaufkanal 4 und als Rücklaufkanal 5 fungieren können. Dabei ist die Breite des Vorlaufkanals 4 und die Breite des Rücklaufkanals 5 derart auf die Dimension des Moduls abgestimmt, dass der Vorlaufkanal 4 dem Modul die Kühlflüssigkeit durch eine Eintrittsöffnung zuführen kann und der benachbarte Rücklaufkanal 5 die aus der Austrittsöffnung des Moduls austretende Kühlflüssigkeit aufnehmen kann. Dies ist in entsprechender Weise auch für ggf. weitere vorhandene Module in derselben Art und Weise vorgesehen.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnittprofils der Struktur der Bodenplatte 1 aus 1. Es sind der erhöhte Teilbereich 2 und der abgesenkte Teilbereich 3 ersichtlich, sowie der gebildete Vorlaufkanal 4 und Rücklaufkanal 5. Zusätzlich, und in 1 nicht dargestellt, sind Schaumdichtungen 6 gezeigt, welche sich längs des erhöhten Teilbereichs 2 erstrecken, d.h. längs des mäanderförmigen erhöhten Teilbereichs 2 und des rahmenartigen erhöhten Teilbereichs 2. Auf diese Schaumdichtungen 6 wird das nicht dargestellte Modul abgesetzt. Der abgesenkte Teilbereich 3 weist bzgl. Der Referenzebene unterschiedlich tiefe Absenkungen auf. Die auf der Schaumdichtung 6 zu liegen kommende, nicht dargestellte Modulwand dichtet den Vorlaufkanal 4 und den Rücklaufkanal 5 nach oben hin hab. Ferner wird die Schaumdichtung 6 durch das Eigengewicht eines darauf gelagerten Moduls verdichtet und die Abdichtung zwischen Vorlaufkanal 4 und Rücklaufkanal 5 verstärkt. Es kann somit keine Kühlflüssigkeit über den erhöhten Teilbereich 2 von einem Vorlaufkanal 4 in einen Rücklaufkanal 5 eintreten und umgekehrt.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung von auf einer Bodenplatte angeordneten Modulen eines Energiespeichersystems. Es ist somit ein Ausschnitt eines Energiespeichersystems 100 gezeigt. Dieser umfasst den Teilbereich 1 eines Energiespeichergehäuses in Form der mäanderförmig strukturierten Bodenplatte. Die Bodenplatte 1 weist einen erhöhten Teilbereich 2 auf, der die mäanderförmige Struktur ausbildet. Zwischen dem erhöhten Teilbereich 2 befindet sich ein abgesenkter Teilbereich 3.
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Zunächst ist wieder die bereits in 1 und 2 erläuterte Bodenplatte 1 in Schnittdarstellung ersichtlich. Auf dem erhöhten Teilbereich 2 ist eine durchgängige Schaumdichtung 6 angeordnet, welche sich durchgehend längs des erhöhten Teilbereichs 2 erstreckt. Die Schaumdichtung 6 ist somit über die gesamte Länge des sich mäanderförmig erstreckenden Teilbereichs 2 und des rahmenartigen erhöhten Teilbereichs 2 vorhanden. Der erhöhte Teilbereich 2 weist eine konstante Höhe relativ zu einer Referenzebene parallel zur Bodenplatte 1 auf.
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3 zeigt, dass der Vorlaufkanal 4 des abgesenkten Teilbereichs 3 tiefer ausgestaltet ist als der Rücklaufkanal 5. Da Vorlaufkanal 4 und Rücklaufkanal 5 stets benachbart zueinander sind und durch den erhöhten Teilbereich 2 getrennt sind, ergibt sich eine alternierende Tiefenverteilung in der Blattebene der 3 und senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des erhöhten Teilbereichs 2. Unterhalb der weniger stark abgesenkten Vorlaufkanäle 4 ist noch eine in 3 nicht bezeichnete Stütze angeordnet, welche die Höhedifferenz zwischen Rücklaufkanal 5 und Vorlaufkanal 4 ausgleicht. Durch die Stützen haben Vorlaufkanal 4 und Rücklaufkanal 5 ein gleiches Lagerungsniveau und können sich auf derselben Fläche nach unten abstützen.
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3 zeigt drei identische Module in Schnittdarstellung, welche auf die Schaumdichtungen 6 abgesetzt sind. Von den drei Modulen ist das erste Modul mit Bezugszeichen 7 versehen und das zweite Modul mit Bezugszeichen 8. Das dritte Modul wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit eigenem Bezugszeichen versehen. Die Ausführungen gelten zum dritten Modul analog.
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Das erste Modul 7 und das zweite Modul 8 weisen jeweils eine zweiteilige Modulwand 7' bzw. 8' auf. Diese Modulwände 7' und 8' hausen zylindrische, elektrochemische Zellen 13 und Zellhalterungen 14 des jeweiligen Moduls 7 bzw. 8 ein, d.h. umgeben diese. Die Modulwand 7' bzw. 8' ist zweiteilig ausgebildet und umfasst zwei Modulteilwände, welche zusammensteckbar sind.. Insbesondere kann die Modulwand bzw. eine Modulteilwand, jeweils einteilig mit den Zellhalterungen 14 ausgebildet sein. Die Modulwand 7' bzw. 8' umfasst in der vorliegenden Ausführungsform eine Nut 9 und eine Feder 10, aus Platzgründen am dritten Modul bezeichnet, mit der das erste und das zweite Modul 7 bzw. 8 aneinander befestigbar sind. Dies gilt auch für alle weiteren, direkt aneinandergrenzenden Module. Somit wird aus den einzelnen Modulen ein zusammenhängender Modulblock gebildet.
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Im Betrieb des Energiespeichers wird eine Kühlflüssigkeit M mittels des Vorlaufkanals 4 an das erste Modul 7 herangeführt. Die Modulwand 7' grenzt direkt an die Modulwand 8' des zweiten Moduls 8. Beide Modulwände 7' bzw. 8' weisen oberhalb des Vorlaufkanals 4 und jeweils am Rand der Modulwand 7' bzw. 8' eine erste Öffnung 11 auf, die man auch als Eintrittsöffnung bezeichnen kann. In Längsrichtung des Vorlaufkanals 4, d.h. senkrecht zur Schnittebene der 3, ist vorzugsweise eine Mehrzahl weiterer erster Öffnungen 11 bzw. Eintrittsöffnungen 11 im Randbereich der ersten und zweiten Modulwand 7' bzw. 8' vorgesehen. Durch die erste Öffnung 11 tritt die Kühlflüssigkeit M in einen Zwischenmodulkanal 15 ein.
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Der Zwischenmodulkanal 15 umfasst die Zellen 13 des ersten und zweiten Moduls 7 bzw. 8, die Zellhalterungen 14, welche die Zellen 13 des ersten und zweiten Moduls 7 bzw. 8 ein einer bestimmten Position und Lage halten und der Modulwände 7' bzw. 8'. Dabei ist ein erstes Dichtelement 16 vorgesehen, welches den Raum zwischen Zellhalterung 14 und Zelle 13 flüssigkeitsdicht abdichtet. Dieses erste Dichtelement 16 hat eine radiale Dichtfunktion. Dieses ist für jede Zelle 13 vorhanden, welche den Zwischenmodulkanal 15 seitens des ersten Moduls 7 mit ausbildet. Ferner ist ein zweites Dichtelement 17 vorhanden, welches eine axiale Dichtfunktion aufweist und ebenfalls zwischen Zellhalterung 14 und der Zelle 13 angeordnet ist. Dieses ist vorgesehen zur Abdichtung der seitens dem Modul 8 zum Zwischenmodulkanal 15 beitragenden Zellen 13 bzw. Zellhalterungen 14. Auch dieses ist für jede Zelle 13 bzw. Zellhalterung 14 vorhanden, welches den Zwischenmodulkanal 15 seitens des zweiten Moduls 8 mitausbildet. Zusammen mit der ersten und zweiten Modulwand 7' bzw. 8' des ersten und zweiten Moduls 7 bzw. 8 wird somit ein flüssigkeitsdichter Zwischenmodulkanal 15 gebildet, in dem die Kühlflüssigkeit mit einem Kopfbereich der Zellen 13 des ersten Moduls 7 und einem Fußbereich der Zellen 13 des zweiten Moduls 8 in Kontakt tritt und Wärme austauscht.
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Die Kühlflüssigkeit M fließt im Zwischenmodulkanal in Strömungsrichtung S und nimmt dabei Wärme von dem umströmten Zellen 13 auf. Die Kühlflüssigkeit M umströmt die Zellen 13 des ersten Moduls 7 an Teilen der zylindrischen Mantelfläche der Zellen 13, was im Rahmen der Schnittdarstellung der 3 nicht darstellbar ist.
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Nach der in Strömungsrichtung S letzten Zelle 13 des ersten und zweiten Moduls 7 bzw. 8 trifft die Kühlflüssigkeit M auf die Modulwand 7' bzw. 8'. Um einen Rückfluss der nun bereits wärmeren Kühlflüssigkeit M zu ermöglichen, ohne dass der Zwischenmodulkanal erneut in Gegenrichtung durchflossen wird, ist wenigstens eine dritte Öffnung 18 vorgesehen. Diese dritte Öffnung 18, die auch als Übertrittsöffnung bezeichnet werden kann, ist eine Ausnehmung der Zellhalterung 14 des ersten Moduls 7 und der Zellhalterung 14 des zweiten Moduls 8. Da in der Regel senkrecht zur Blattebene der 3 mehrere Zellen hintereinander liegen ist vorzugsweise eine Übertrittsöffnung 18 für jede Zellhalterung 14 nach all diesen in Strömungsrichtung S letzten Zellen 13 vorgesehen.
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Mittels dieser Übertrittsöffnung 18 kann die Kühlflüssigkeit M in den inneren abgeschlossenen Bereich des ersten Moduls 7 bzw. in den inneren abgeschlossenen Bereich des zweiten Moduls 8 eindringen. Dort kann sie den bisher nicht umspülten Bereich der Zellen 13 des ersten und zweiten Moduls 7 bzw. 8 kontaktieren und Wärme aufnehmen.
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Wie der Zwischenmodulkanal 15 ist der von der Kühlflüssigkeit M durch die Übertrittsöffnung 18 erreichte Modulinnenraumkanal 19 durch entsprechenden erste und zweite Dichtelemente 16 und 17, den Zellhalterungen 14, die Zellen 13 und der Modulwand 7' bzw. 8' flüssigkeitsdicht ausgebildet.
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Somit strömt die durch die Übertrittsöffnung 18 in den Modulinnenraumkanal eintretende Kühlflüssigkeit M in zur Strömungsrichtung S des Zwischenmodulkanals 15 entgegengesetzte Richtung, der Gegenstromrichtung G, an den Zellen 13 vorbei nach unten. Nach der letzten Zelle in Gegenstromrichtung G ist eine zweite Öffnung 12, welche auch als Austrittsöffnung bezeichnet werden kann, vorgesehen, aus der die nun weiter erwärmte Kühlflüssigkeit aus dem ersten bzw. zweiten Modul 7 bzw. 8 in den jeweiligen Rücklaufkanal 5 austreten kann. Auch hier kann eine Mehrzahl an Austrittsöffnungen 12 des Moduls längs des Rücklaufkanals 4 vorgesehen werden. Mittels des Rücklaufkanals 5 wird die Kühlflüssigkeit M aus dem Energiespeichersystem 100 abgeführt.
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Dieses Prinzip kommt vorteilhafterweise für alle Module des Energiespeichersystems zur Anwendung, wobei sich für das erste und letzte Modul des Modulblocks ein Unterschied dahin ergibt, dass diese nur ein direkt benachbartes Modul aufweisen. Für diese erfolgt ein Zustrom der Kühlflüssigkeit in den Modulinnenraumkanal über einen Zwischenmodulkanal und über einen zweiten, der zwischen dem letzten Modul und einer Modulblock-Endplatte ausgebildet wird.
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Das erläuterte Ausführungsbeispiel der Erfindung erlaubt eine effektive Kühlung der Module eines Energiespeichersystems u.a. mittels Gegenstromprinzip, ohne zusätzliche aufwändige Installation von Komponenten und Rohren. Die Module bilden ihre Strömungskanäle selbst aus. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit wird in einfacher Weise über eine strukturierte Bodenplatte erreicht, deren Strukturen durch Zusammenwirken mit den Modulwänden in einfacher Weise Vor- und Rücklaufkanäle bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Energiespeichersystem
- 1
- Teilbereich eines Energiespeichergehäuses: Bodenplatte
- 2
- erhöhter Teilbereich
- 3
- abgesenkter Teilbereich
- 4
- Vorlaufkanal
- 5
- Rücklaufkanal
- 6
- elastisches Dichtmittel: Schaumdichtung
- 7
- Modul, erstes
- 8
- Model, zweites
- 7'
- Modulwand, erste
- 8'
- Modulwand, zweite
- 9
- Nut
- 10
- Feder
- 11
- erste Öffnung: Eintrittsöffnung
- 12
- zweite Öffnung: Austrittsöffnung
- 13
- Zelle
- 14
- Zellhalterung
- 15
- Zwischenmodulkanal
- 16
- erstes Dichtelement, radial
- 17
- zweites Dichtelement, axial
- 18
- dritte Öffnung: Übertrittsöffnung
- 19
- Modulinnenraumkanal
- M
- wärmetauschendes Medium: Kühlflüssigkeit
- S
- Strömungsrichtung
- G
- Gegenströmungsrichtung
