DE102022212736A1 - Energy storage device with holding cage for energy storage cells - Google Patents

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Patrick Hauser
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Abstract

Regelungsschaltung (6), die mindestens eine Energiespeichervorrichtung(1) regelt, wobei die Energiespeichervorrichtung (1) mehrere Energiespeicherzellen (3) aufweist, die in einem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) zur homogenen Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen (3) von einem Kühlmedium (KM) durchströmt wird, wobei die Regelungsschaltung (6) einen Datenspeicher (6B) aufweist, in dem für jede Energiespeichervorrichtung (1) ein zugehöriger digitaler Zwilling ,DT, der Energiespeichervorrichtung (1) gespeichert ist, wobei die Regelungsschaltung (6) eine Berechnungseinheit(6A) aufweist, die basierend auf dem gespeicherten digitalen Zwilling ,DT, der betreffenden Energiespeichervorrichtung (1) ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung (1) zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung (1) berechnet und die Energiespeichervorrichtung (1) in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der betreffenden Energiespeichervorrichtung (1) regelt.Control circuit (6) which controls at least one energy storage device (1), wherein the energy storage device (1) has a plurality of energy storage cells (3) which are arranged in a housing (2) of the energy storage device (1), wherein the housing (2) of the energy storage device (1) is flowed through by a cooling medium (KM) for the homogeneous cooling of the energy storage cells (3) contained therein, wherein the control circuit (6) has a data memory (6B) in which an associated digital twin ,DT, of the energy storage device (1) is stored for each energy storage device (1), wherein the control circuit (6) has a calculation unit (6A) which, based on the stored digital twin ,DT, of the energy storage device (1) in question, calculates a thermal behavior of the energy storage device (1) in order to determine a current operating state of the energy storage device (1) and controls the energy storage device (1) depending on the determined current operating state of the energy storage device (1) in question.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Gerät, insbesondere für ein Schweißgerät mit einer Schweißstromquelle, welche durch die Energiespeichervorrichtung mit Strom versorgt werden kann, sowie eine Regelungsschaltung zur Regelung einer derartigen Energiespeichervorrichtung.The invention relates to an energy storage device for a device, in particular for a welding device with a welding power source which can be supplied with power by the energy storage device, as well as a control circuit for controlling such an energy storage device.

Schweißgeräte werden zur Durchführung eines Schweißprozesses mit Energie bzw. elektrischem Strom versorgt. Ein Schweißgerät verfügt über eine Schweißstromquelle. Hierzu kann die Schweißstromquelle eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen enthalten. Herkömmliche Schweißstromquellen können über sogenannte Akkupacks mit Energiespeicherzellen verfügen. Energiespeicherzellen umfassen beispielsweise Akkuzellen oder Batterien. Energiespeicherzellen können auch durch Elektrolytkondensatoren (sog. Elkos) oder elektrochemische Kondensatoren (z.B.: Superkondensatoren) gebildet werden. Die Energiespeicherzellen befinden sich dabei in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung. Beim Laden und Entladen der Energiespeicherzellen wird Wärme erzeugt. Es ist notwendig, diese erzeugte Wärme abzuführen, um eine lange Lebensdauer und hohe Effizienz der Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Hierzu können die Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium umströmt werden.Welding machines are supplied with energy or electrical current to carry out a welding process. A welding machine has a welding power source. For this purpose, the welding power source can contain an energy storage device with several energy storage cells. Conventional welding power sources can have so-called battery packs with energy storage cells. Energy storage cells include, for example, rechargeable cells or batteries. Energy storage cells can also be formed by electrolytic capacitors (so-called electrolytic capacitors) or electrochemical capacitors (e.g. supercapacitors). The energy storage cells are located in a housing of the energy storage device. Heat is generated when the energy storage cells are charged and discharged. It is necessary to dissipate this generated heat in order to ensure a long service life and high efficiency of the energy storage cells. For this purpose, a cooling medium can flow around the energy storage cells.

Die US 10 038 226 B2 beschreibt beispielsweise eine Energiespeichervorrichtung mit Lithium-Ionen-Batterien, die in einem Stack angeordnet sind und mithilfe von Kühlplatten gekühlt werden.The US 10 038 226 B2 For example, describes an energy storage device with lithium-ion batteries arranged in a stack and cooled using cooling plates.

Die US 7 642 004 B2 und die US 2005/0153199 A1 beschreiben Energiespeichervorrichtungen mit Energiespeicherzellen, die von einem Luftstrom umströmt werden. Ein Luftstrom strömt in eine Einlassöffnung der Energiespeichervorrichtung ein und strömt an einem Auslass der Energiespeichervorrichtung aus. The US 7 642 004 B2 and the US 2005/0153199 A1 describe energy storage devices with energy storage cells around which an air flow flows. An air flow flows into an inlet opening of the energy storage device and flows out at an outlet of the energy storage device.

Bei diesen Energiespeichervorrichtungen sind im Einlass- und Auslassbereich der Energiespeichervorrichtung strömungsregulierende Elemente mit besonderer Form vorgesehen, welche die Strömung des Kühlmediums beeinflussen.In these energy storage devices, flow-regulating elements with a special shape are provided in the inlet and outlet areas of the energy storage device, which influence the flow of the cooling medium.

Die US 7 896 063 B2 beschreibt eine Wärmetauschstruktur für Batteriemodule. Der Wärmetauscher dient zum Kühlen oder Erwärmen der Batteriemodule, indem er Luft mithilfe eines Lüfters einbläst. Eine Halterung für die Energiespeicherzellen ist seitlich mit einer Vielzahl von hervorstehenden Finnen versehen. In Strömungsrichtung nimmt die Höhe der an beiden Seiten der Halterung vorgesehenen Finnen auf der oberen Seite ab, während sie auf der unteren Seite zunimmt. Auf diese Weise kommen die mehr zu der Eingangsöffnung gelegenen Energiespeicherzellen in stärkeren Kontakt mit dem durchströmenden Kühlmedium als die von weiter entfernten Energiespeicherzellen. Allerdings werden die in Strömungsrichtung vorne gelegenen Energiespeicherzellen bei der in der US 7 896 063 B2 beschriebenen Struktur gegenüber dem Strom des Kühlmediums abgeschattet und weitestgehend asymmetrisch angeströmt. Aufgrund der sich verändernden Größe der Finnen verändert sich die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums aufgrund des graduell abnehmenden Querschnitts des Strömungskanals.The US 7 896 063 B2 describes a heat exchange structure for battery modules. The heat exchanger serves to cool or heat the battery modules by blowing in air using a fan. A holder for the energy storage cells is provided with a large number of protruding fins on the side. In the flow direction, the height of the fins provided on both sides of the holder decreases on the upper side, while it increases on the lower side. In this way, the energy storage cells located closer to the inlet opening come into greater contact with the cooling medium flowing through than those of energy storage cells further away. However, the energy storage cells located at the front in the flow direction are US 7 896 063 B2 The fins are shaded from the flow of the cooling medium and are largely asymmetrically flown against by the structure described. Due to the changing size of the fins, the flow rate of the cooling medium changes due to the gradually decreasing cross-section of the flow channel.

Durch die unsymmetrische Anströmung der Energiespeicherzellen kann es allerdings zu einem Temperaturgradienten innerhalb der betreffenden Speicherzellen kommen, welche eine homogene Kühlung der Energiespeicherzellen von allen Seiten ausschließt. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Betriebslebensdauer der in dieser Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzellen bzw. Batterien. Weiterhin ist die Effizienz der Kühlung aufgrund der unsymmetrischen Anströmung der Energiespeicherzellen relativ gering.However, the asymmetrical flow to the energy storage cells can lead to a temperature gradient within the storage cells in question, which prevents homogeneous cooling of the energy storage cells from all sides. This has a negative impact on the service life of the energy storage cells or batteries contained in this energy storage device. Furthermore, the efficiency of the cooling is relatively low due to the asymmetrical flow to the energy storage cells.

Weiterhin erwärmt sich ein Kühlmedium bei Durchströmen einer Energiespeichervorrichtung selbst, so dass stromabwärts angeordnete Energiespeicherzellen einer Energiespeichervorrichtung weniger Kühlung durch das Kühlmedium erhalten und sich somit ein Temperaturgradient ausbildet, welcher die Betriebslebensdauer der in der Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzellen beeinträchtigt.Furthermore, a cooling medium heats itself up when flowing through an energy storage device, so that energy storage cells of an energy storage device arranged downstream receive less cooling by the cooling medium and thus a temperature gradient is formed which impairs the operating life of the energy storage cells contained in the energy storage device.

Es wurde daher in der JP 2000133225 A ein Batteriepack mit Batteriezellen vorgeschlagen, die sich in einem Gehäuse des Batteriepacks befinden und von kühlender Luft umströmt werden, wobei in dem Gehäuse des Batteriepacks zusätzlich stromregulierende Teile vorgesehen sind deren Querschnitte sich in Strömungsrichtung stufenweise erhöht, um die Strömungsgeschwindigkeit der kühlenden Luft zu erhöhen und somit den Wärmetransfer der stromabwärtsgelegenen Batteriezellen in die sie umströmende kühlende Luft zu steigern. Die Querschnitte der strömungsregulierenden Teile innerhalb des Batteriepacks sind dabei allerdings festgelegt und nicht veränderlich. Daher können die strömungsregulierenden Teile innerhalb des Batteriepacks der JP 200033225A Schwankungen in der Umgebungstemperatur oder Wärmeeinwirkungen durch externe Bauteile, die sich in der Nähe des Batteriepacks befinden oder mit dem Gehäuse des Batteriepacks thermisch gekoppelt sind, nicht ausgleichen, so dass hierdurch ungewünschte Temperaturgradienten entstehen können.NIt was therefore in the JP 2000133225 A a battery pack with battery cells is proposed, which are located in a housing of the battery pack and are surrounded by cooling air, wherein in the housing of the battery pack additional flow-regulating parts are provided, the cross-sections of which increase gradually in the direction of flow in order to increase the flow speed of the cooling air and thus increase the heat transfer of the downstream battery cells into the cooling air flowing around them. The cross-sections of the flow-regulating parts within the battery pack are, however, fixed and cannot be changed. Therefore, the flow-regulating parts within the battery pack of the JP200033225A Fluctuations in ambient temperature or heat effects by external components that are located near the battery pack or are thermally coupled to the battery pack housing, so that undesirable temperature gradients can arise.N

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung sowie eine Regelungsschaltung für eine derartige Energiespeichervorrichtung zu schaffen, mit welcher die Kühlung von Energiespeicherzellen in noch effizienter Weise erfolgt und die Betriebslebensdauer der Energiespeicherzellen und somit der Energiespeichervorrichtung weiter erhöht wird, indem Änderungen in den Umgebungsbedingungen und /oder des Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung berücksichtigt werden.It is therefore an object of the present invention to provide an energy storage device and a control circuit for such an energy storage device, with which the cooling of energy storage cells takes place in an even more efficient manner and the operating life of the energy storage cells and thus of the energy storage device is further increased by taking into account changes in the ambient conditions and/or the operating state of the energy storage device.

Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen, die in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur homogenen Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen Strömungsleitobjekte vorgesehen sind, wobei aufgrund einer eine Form der Strömungsleitobjekte eine innerhalb des Gehäuses bestehende Strömung des Kühlmediums umgelenkt wird, wobei durch das umgelenkte Kühlmedium ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen zur Steigerung eines Wärmeüberganges von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen in das umgelenkte Kühlmedium und zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen umströmt wird.According to a first aspect, the invention provides an energy storage device with a plurality of energy storage cells arranged in a housing of the energy storage device, wherein the housing of the energy storage device can be flowed through by a cooling medium for homogeneous cooling of the energy storage cells contained therein, wherein flow guide objects are provided in spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing, wherein a flow of the cooling medium existing within the housing is deflected due to a shape of the flow guide objects, wherein the deflected cooling medium flows around a higher surface proportion of the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing in order to increase heat transfer from the lateral surfaces of the energy storage cells into the deflected cooling medium and to achieve a uniform temperature distribution between the energy storage cells.

Die Form und/oder Ausrichtung der Strömungsleitobjekte (relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums), die innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung vorgesehen sind, ist vorzugsweise veränderlich und kann an die Umgebungsbedingungen und/oder einen Lastfall dynamisch angepasst werden.The shape and/or orientation of the flow guiding objects (relative to the flow direction of the cooling medium) provided within the housing of the energy storage device is preferably variable and can be dynamically adapted to the ambient conditions and/or a load case.

Dies kann einer möglichen Ausführungsform durch Drehung der Strömungsleitobjekte relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums geschehen. Bei einer möglichen Implementierung erfolgt dies durch Aktuatoren, insbesondere Stellmotoren, die durch eine Regelungsschaltung angesteuert werden.In one possible embodiment, this can be done by rotating the flow-guiding objects relative to the flow direction of the cooling medium. In one possible implementation, this is done by actuators, in particular servomotors, which are controlled by a control circuit.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch Strömungsleitobjekte, beispielsweise Strömungsfinnen, von außen in das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung eingeführt bzw. darin abgesenkt werden. Auch dies kann mit Hilfe von Aktuatoren, insbesondere Stellmotoren, geschehen, die durch eine Regelungsschaltung angesteuert werden.In another possible embodiment, flow-guiding objects, such as flow fins, can also be introduced into the housing of the energy storage device from the outside or lowered into it. This can also be done with the help of actuators, in particular servomotors, which are controlled by a control circuit.

Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Strömungsleitobjekte ein variables Volumen. Dabei können die Strömungsleitobjekte beispielsweise eine Wandung aus elastischen Material haben und bei Bedarf durch Druckluft aufgeblasen werden, um eine Umlenkung des umströmenden Kühlmediums zu erzielen.In a further embodiment, the flow-guiding objects have a variable volume. The flow-guiding objects can, for example, have a wall made of elastic material and can be inflated with compressed air if necessary in order to achieve a deflection of the flowing cooling medium.

Aufgrund des durch die Strömungsleitobjekte veränderten Strömungsquerschnittes wird eine örtliche Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Kühlmedium die Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen jeweils umströmt, entsprechend einer vorgegebenen Kühlanforderung angepasst.Due to the flow cross-section changed by the flow guiding objects, a local flow velocity with which the cooling medium flows around the jacket surfaces of the energy storage cells arranged in the housing is adjusted according to a predetermined cooling requirement.

Die Kühlanforderung weist bei einer möglichen Ausführungsform eine zweidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y) oder eine dreidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y, z) der Energiespeicherzellen, mit einer maximal zulässigen Abweichung dieser Solltemperatur innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung auf.In one possible embodiment, the cooling requirement has a two-dimensional target temperature distribution T(x, y) or a three-dimensional target temperature distribution T(x, y, z) of the energy storage cells, with a maximum permissible deviation of this target temperature within the housing of the energy storage device.

Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung weist entlang der Strömungsrichtung einen symmetrischen Aufbau auf. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die verschiedenen Energiespeicherzellen innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung entlang ihrer Mantelflächen symmetrisch angeströmt werden. Dies wiederum verhindert ungewollte Temperaturgradienten innerhalb der Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung.The energy storage device according to the invention has a symmetrical structure along the flow direction. This ensures that the various energy storage cells within the housing of the energy storage device are flowed symmetrically along their lateral surfaces. This in turn prevents unwanted temperature gradients within the energy storage cells of the energy storage device.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung wird die Strömung des Kühlmediums, mit welcher die Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen jeweils umströmt werden, durch die Strömungsleitobjekte in Betrag und Richtung derart angepasst, dass sich dadurch eine örtlich definierte Kühlwirkung des Kühlmediums auf die Mantelflächen der umströmten Energiespeicherzellen und damit eine örtlich definierte Temperatur der Energiespeicherzellen ergibt.In one possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the flow of the cooling medium, with which the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing are each flowed around, is adjusted in amount and direction by the flow guide objects in such a way that this results in a locally defined cooling effect of the cooling medium on the lateral surfaces of the energy storage cells flowed around and thus a locally defined temperature of the energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung werden die Mantelflächen der in dem Gehäuse reihenförmig angeordneten Energiespeicherzellen von dem Kühlmedium in dessen Strömungsrichtung von einem wellen- oder mäanderförmigen Strömungsprofil umströmt.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in rows in the housing are surrounded by the cooling medium in its flow direction by a wave- or meander-shaped flow profile.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weist das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung eine Eingangsöffnung sowie eine Ausgangsöffnung auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the housing of the energy storage device has an inlet opening and an outlet opening.

Das Kühlmedium strömt zur Kühlung der in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzellen mit einer Eingangsströmungsgeschwindigkeit in mindestens eine Eingangsöffnung des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung ein. Darüber hinaus strömt das Kühlmedium mit einer Ausgangsströmungsgeschwindigkeit an mindestens einer Ausgangsöffnung des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung aus. Bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums durch die in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordneten Strömungsleitobjekte gegenüber der Eingangsströmungsgeschwindigkeit und/oder gegenüber der Ausgangsströmungsgeschwindigkeit verändert.The cooling medium flows into at least one inlet opening of the energy storage device housing at an inlet flow rate to cool the energy storage cells contained in the housing of the energy storage device. In addition, the cooling medium flows out at an outlet flow rate at at least one outlet opening of the energy storage device housing. In the energy storage device according to the invention, the flow rate of the cooling medium is changed by the flow guide objects arranged in the housing of the energy storage device compared to the inlet flow rate and/or compared to the outlet flow rate.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ist das Kühlmedium ein gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, das ausgehend von einer Strömungserzeugungseinheit, insbesondere einem Lüfter, in die mindestens eine Eingangsöffnung des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung einströmt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch ein flüssiges Kühlmedium verwendet werden, welches in die mindestens eine Eingangsöffnung des Gehäuses einströmt.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the cooling medium is a gaseous cooling medium, in particular air, which flows from a flow generation unit, in particular a fan, into the at least one inlet opening of the housing of the energy storage device. In an alternative embodiment, a liquid cooling medium can also be used, which flows into the at least one inlet opening of the housing.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weisen die Strömungsleitobjekte stabförmig ausgebildete Strömungsleitobjekte auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the flow guiding objects have rod-shaped flow guiding objects.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weisen die stabförmig ausgebildeten Strömungsleitobjekte einen kreisförmigen Querschnitt mit geringem Strömungswiderstand auf.In one possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the rod-shaped flow guiding objects have a circular cross-section with low flow resistance.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weisen die stabförmig ausgebildeten Strömungsleitobjekte einen halbkreisförmigen Querschnitt mit geringem Strömungswiderstand auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the rod-shaped flow guiding objects have a semicircular cross-section with low flow resistance.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weisen die stabförmig ausgebildeten Strömungsleitobjekte einen tropfenförmigen Querschnitt mit einem geringen Strömungswiderstand auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the rod-shaped flow guiding objects have a drop-shaped cross-section with a low flow resistance.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die Energiespeicherzellen gleichmäßig beabstandet in mehreren quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums ausgerichteten Reihen innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the energy storage cells are arranged evenly spaced in several rows aligned transversely to the flow direction of the cooling medium within the housing of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind für den in der ersten Reihe der in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordneten Energiespeicherzellen, welche der Eingangsöffnung des Gehäuses zugewandt sind, jeweils Abschirmobjekte zur teilweisen Abschirmung der Mantelflächen der entsprechenden Energiespeicherzellen vor dem in das Gehäuse einströmenden Kühlmedium vorgesehen.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, shielding objects are provided for the energy storage cells arranged in the first row in the housing of the energy storage device, which face the inlet opening of the housing, in order to partially shield the lateral surfaces of the corresponding energy storage cells from the cooling medium flowing into the housing.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die Querschnitte der Strömungsleitobjekte in Strömungsrichtung des Kühlmediums über die Reihen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen hinweg konstant.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the cross sections of the flow guide objects in the flow direction of the cooling medium are constant across the rows of energy storage cells arranged in the housing.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die Querschnitte der Strömungsleitobjekte in Strömungsrichtung des Kühlmediums über die Reihen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen hinweg unterschiedlich bzw. variieren.In an alternative embodiment of the energy storage device according to the invention, the cross sections of the flow guide objects in the flow direction of the cooling medium are different or vary across the rows of energy storage cells arranged in the housing.

Hierdurch kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den verschiedenen Reihen der Energiespeicherzellen erreicht werden.This allows a uniform temperature distribution to be achieved between the different rows of energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die Querschnitte der Strömungsleitobjekte, die in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen von in zwei benachbarten Reihen angeordneten Energiespeicherzellen vorgesehen sind, quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen variabel.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the cross sections of the flow guiding objects, which are provided in spaces between lateral surfaces of energy storage cells arranged in two adjacent rows, are variable transversely to the flow direction of the cooling medium in order to achieve a uniform temperature distribution between the energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung bilden die Strömungsleitobjekte Teil mindestens eines austauschbaren Aufnahmekäfigs zur Aufnahme von Energiespeicherzellen.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the flow guiding objects form part of at least one exchangeable receiving cage for receiving energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weist jeder Aufnahmekäfig jeweils zwei zueinander parallel angeordnete Platten auf. Diese Platten sind vorzugsweise über stabförmige Strömungsleitobjekte miteinander verbunden und weisen jeweils ein zweidimensionales Aufnahmeraster mit Aufnahmeöffnungen zur Aufnahme der in Reihen angeordneten Energiespeicherzellen der Energiespeichervorrichtung auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, each receiving cage has two plates arranged parallel to one another. These plates are preferably connected to one another via rod-shaped flow guide objects and each have a two-dimensional receiving grid with receiving openings for receiving the energy storage cells of the energy storage device arranged in rows.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind an einer oder beiden den Energiespeicherzellen zugewandten Oberflächen der Platten des Aufnahmekäfigs noppen- oder flossenförmige Strömungsleitobjekte vorgesehen, die Verwirbelungen des durch das Gehäuse hindurchströmenden Kühlmediums entlang der Mantelflächen der in dem Aufnahmekäfig enthaltenen Energiespeicherzellen zur weiteren Erhöhung des örtlichen Wärmeübergangs von den Energiespeicherzellen an das Kühlmedium entlang der Mantelflächen hervorrufen.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, knob- or fin-shaped flow guide objects are provided on one or both surfaces of the plates of the receiving cage facing the energy storage cells, which cause turbulence of the cooling medium flowing through the housing along the lateral surfaces of the energy storage cells contained in the receiving cage to further increase the local heat transfer from the energy storage cells to the cooling medium along the lateral surfaces.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weisen die Energiespeicherzellen aufladbare Batterien zur Speicherung elektrischer Energie auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the energy storage cells have rechargeable batteries for storing electrical energy.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die Energiespeicherzellen jeweils in zylinderförmigen Speicherpackungen mit einer äußeren Mantelfläche integriert.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention, the energy storage cells are each integrated in cylindrical storage packages with an outer jacket surface.

Die Erfindung schafft ferner ein Schweißgerät mit einer Schweißstromquelle, die mindestens eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zur Energieversorgung aufweist.The invention further provides a welding device with a welding power source which has at least one energy storage device according to the first aspect of the invention for supplying energy.

Die Erfindung schafft gemäß einem weiteren zweiten Aspekt eine Regelungsschaltung zur Regelung einer Energiespeichervorrichtung.According to a further second aspect, the invention provides a control circuit for controlling an energy storage device.

Die Erfindung schafft demnach eine Regelungsschaltung, die mindestens eine Energiespeichervorrichtung regelt, wobei die Energiespeichervorrichtung mehrere Energiespeicherzellen aufweist, die in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur homogenen Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmt wird,
wobei die Regelungsschaltung einen Datenspeicher aufweist, in dem für jede Energiespeichervorrichtung ein zugehöriger digitaler Zwilling der Energiespeichervorrichtung gespeichert ist, wobei die Regelungsschaltung eine Berechnungseinheit aufweist, die basierend auf dem gespeicherten digitalen Zwilling der betreffenden Energiespeichervorrichtung ein thermisches Verhalten und/oder elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung berechnet und die Energiespeichervorrichtung in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der betreffenden Energiespeichervorrichtung regelt.The invention therefore provides a control circuit which controls at least one energy storage device, wherein the energy storage device has a plurality of energy storage cells which are arranged in a housing of the energy storage device, wherein the housing of the energy storage device is flowed through by a cooling medium for homogeneous cooling of the energy storage cells contained therein,
wherein the control circuit has a data memory in which an associated digital twin of the energy storage device is stored for each energy storage device, wherein the control circuit has a calculation unit which, based on the stored digital twin of the energy storage device in question, calculates a thermal behavior and/or electrical behavior of the energy storage device in order to determine a current operating state of the energy storage device and controls the energy storage device depending on the determined current operating state of the energy storage device in question.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung wird das durch die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung berechnete thermische Verhalten der Energiespeichervorrichtung mit einem gemessenen thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen verglichen.In one possible embodiment of the control circuit according to the invention, the thermal behavior of the energy storage device calculated by the calculation unit of the control circuit is compared with a measured thermal behavior of the energy storage device in order to determine deviations.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung wird das durch die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung berechnete elektrische Verhalten der Energiespeichervorrichtung mit einem gemessenen elektrischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung von Abweichungen verglichen.In one possible embodiment of the control circuit according to the invention, the electrical behavior of the energy storage device calculated by the calculation unit of the control circuit is compared with a measured electrical behavior of the energy storage device in order to determine deviations.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung wird durch die Regelungsschaltung anhand der ermittelten Abweichungen zwischen dem durch die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung mit Hilfe des digitalen Zwillings berechneten thermischen und/oder elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung und dem mittels Sensoren gemessenen thermischen und/oder elektrischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung mindestens ein Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung geregelt.In one possible embodiment of the control circuit according to the invention, the control circuit controls at least one operating parameter of the energy storage device based on the determined deviations between the thermal and/or electrical behavior of the energy storage device calculated by the calculation unit of the control circuit with the aid of the digital twin and the thermal and/or electrical behavior of the energy storage device measured by means of sensors.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung stellt die Regelungsschaltung einen oder mehrere Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Abweichung ein.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention, the control circuit adjusts one or more operating parameters of the energy storage device depending on the determined deviation.

Dabei weist der eingestellte Betriebsparameter bei einer möglichen Ausführungsform eine an eine Last abgegebene elektrische Leistung, einen von der Energiespeichervorrichtung durch eine Last bezogenen elektrischen Strom, eine von der Energiespeichervorrichtung bereitgestellte elektrische Ausgangsspannung oder eine Betriebstemperatur der Energiespeichervorrichtung auf.In one possible embodiment, the set operating parameter comprises an electrical power delivered to a load, an electrical current drawn by the energy storage device through a load, an electrical output voltage provided by the energy storage device, or an operating temperature of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung stellt die Regelungsschaltung eine Strömungsrate des Kühlmediums als weiteren Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung ein.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the control circuit sets a flow rate of the cooling medium as a further operating parameter of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung stellt die Regelungsschaltung innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung vorgesehene Strömungsleitobjekte in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung ein.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the control circuit adjusts flow guiding objects provided within the housing of the energy storage device depending on the determined current operating state of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung berechnet die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung anhand des ermittelten Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung eine verbleibende elektrische Leistung und/oder verbleibende elektrische Ladung der Energiespeichervorrichtung.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the calculation unit of the control circuit calculates a remaining electrical power and/or remaining electrical charge of the energy storage device based on the determined operating state of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung berechnet die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung in Echtzeit während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the calculation unit of the control circuit calculates a thermal behavior of the energy storage device to determine a current operating state of the energy storage device in real time during the ongoing operation of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung berechnet die Berechnungseinheit der Regelungsschaltung ein elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung in Echtzeit während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the calculation unit of the control circuit calculates an electrical behavior of the energy storage device for determining a current operating state of the energy storage device in real time during the ongoing operation of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sind in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen durch die Regelungsschaltung einstellbare Strömungsleitobjekte vorgesehen. Diese Strömungsleitobjekte lenken eine innerhalb des Gehäuses bestehende Strömung des Kühlmediums vorzugsweise derart um, dass ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen von dem Kühlmedium zur Steigerung des Wärmeüberganges von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen in das Kühlmedium und zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen umströmt wird.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, flow guide objects that can be adjusted by the control circuit are provided in the spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing. These flow guide objects preferably redirect a flow of the cooling medium within the housing in such a way that a larger proportion of the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing is flowed around by the cooling medium in order to increase the heat transfer from the lateral surfaces of the energy storage cells into the cooling medium and to achieve a uniform temperature distribution between the energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird aufgrund des durch die eingestellten Strömungsleitobjekte veränderten Strömungsquerschnittes eine örtliche Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Kühlmedium die Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen jeweils umströmt, entsprechend einer vorgegebenen Kühlanforderung automatisch angepasst.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, a local flow velocity with which the cooling medium flows around the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing is automatically adjusted according to a predetermined cooling requirement due to the flow cross-section changed by the set flow guide objects.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Strömung des Kühlmediums, mit welcher die Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen jeweils umströmt werden, durch die eingestellten Strömungsleitobjekte in Betrag und Richtung derart angepasst, dass sich dadurch eine örtlich definierte Kühlwirkung des Kühlmediums auf die Mantelflächen der umströmten Energiespeicherzellen und damit eine örtlich definierte Temperatur der Energiespeicherzellen ergibt.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention in accordance with the second aspect of the invention, the flow of the cooling medium, with which the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing are each flowed around, is adjusted in amount and direction by the set flow guide objects in such a way that a locally defined cooling effect is thereby achieved. effect of the cooling medium on the jacket surfaces of the energy storage cells around which it flows, thus resulting in a locally defined temperature of the energy storage cells.

Die Strömung des Kühlmediums kann als Vektorpfeil dargestellt werden. Der Betrag der Strömung betrifft die Länge des Vektorpfeils, die sich aus den Amplituden der Vektorelemente bzw. die Strömungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Raumrichtungen x, y, z ergibt.The flow of the cooling medium can be represented as a vector arrow. The amount of flow relates to the length of the vector arrow, which results from the amplitudes of the vector elements or the flow velocities in the various spatial directions x, y, z.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Mantelflächen der in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung reihenförmig angeordneten Energiespeicherzellen von dem Kühlmedium in dessen Strömungsrichtung von einem wellen- oder mäanderförmigen Strömungsprofil umströmt.In a further possible embodiment of the control circuit according to the invention according to the second aspect of the invention, the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in rows in the housing of the energy storage device are flowed around by the cooling medium in its flow direction by a wave- or meander-shaped flow profile.

Die Erfindung schafft ferner ein Schweißgerät mit einer Schweißstromquelle, die mindestens eine Regelungsschaltung zur Regelung einer Energiespeichervorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung enthält.The invention further provides a welding device with a welding power source which contains at least one control circuit for controlling an energy storage device according to the second aspect of the invention.

Dabei kann die Energiespeichervorrichtung in einem austauschbaren Gehäuse integriert sein, das elektrische Anschlusskontakte zum Anschluss an eine elektronische Leiterplatte des Schweißgerätes aufweist.The energy storage device can be integrated in an exchangeable housing which has electrical connection contacts for connection to an electronic circuit board of the welding device.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Regeln eines Betriebes einer Energiespeichervorrichtung, die mehrere Energiespeicherzellen aufweist, welche in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

  • Berechnen eines thermischen und/oder elektrischen Verhaltens der Energiespeichervorrichtung anhand eines gespeicherten digitalen Zwillings der Energiespeichervorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung und
  • Einstellen von mindestens einem Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung.
The invention further provides a method for controlling an operation of an energy storage device having a plurality of energy storage cells arranged in a housing of the energy storage device, wherein a cooling medium flows through the housing of the energy storage device to cool the energy storage cells contained therein, the method comprising the following steps:
  • Calculating a thermal and/or electrical behavior of the energy storage device based on a stored digital twin of the energy storage device to determine a current operating state of the energy storage device and
  • Setting at least one operating parameter of the energy storage device depending on the determined current operating state of the energy storage device.

Die Erfindung schafft gemäß einem weiteren dritten Aspekt eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen, die in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen Strömungsleitobjekte vorgesehen sind, welche eine innerhalb des Gehäuses bestehende Strömung des Kühlmediums derart umlenken, dass ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen von dem Kühlmedium zur Steigerung eines Wärmeüberganges von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen in das Kühlmedium und zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen umströmt wird,
wobei die Strömungsleitobjekte einander gegenüberliegende Zellhalter, die zur mechanischen Halterung von Energiespeicherzellen vorgesehen sind, verbinden.According to a further third aspect, the invention provides an energy storage device with a plurality of energy storage cells arranged in a housing of the energy storage device, wherein the housing of the energy storage device can be flowed through by a cooling medium for cooling the energy storage cells contained therein, wherein flow guide objects are provided in spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing, which deflect a flow of the cooling medium within the housing in such a way that a higher surface proportion of the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing is flowed around by the cooling medium in order to increase heat transfer from the lateral surfaces of the energy storage cells into the cooling medium and to achieve a uniform temperature distribution between the energy storage cells,
wherein the flow guiding objects connect opposing cell holders which are intended for the mechanical holding of energy storage cells.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen die Zellhalter elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen auf.In a possible embodiment of the energy storage device according to the invention according to the third aspect of the invention, the cell holders have electrical contacts for electrically contacting electrical poles of the energy storage cells.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung sind die Strömungsleitobjekte stabförmig ausgebildet.In a possible embodiment of the energy storage device according to the third aspect of the invention, the flow guiding objects are rod-shaped.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weisen die Strömungsleitobjekte jeweils eine elektrische Isolationsschicht zur elektrischen Isolation von elektrischen Kontakten einander gegenüberliegender Zellhalter auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention according to the third aspect of the invention, the flow guiding objects each have an electrical insulation layer for electrically insulating electrical contacts of opposing cell holders.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bilden mehrere Strömungsleitobjekte und zugehörige Zellhalter einen Aufnahmekäfig zur Aufnahme einer Gruppe von Energiespeicherzellen.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the invention according to the third aspect of the invention, several flow guiding objects and associated cell holders form a receiving cage for receiving a group of energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist der Aufnahmekäfig in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung austauschbar angeordnet.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the third aspect of the invention, the receiving cage is arranged interchangeably in the housing of the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist der Aufnahmekäfig aus mehreren Teilen durch Steckverbindungen gebildet.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the third aspect of the invention, the receiving cage is formed from several parts by plug connections.

Bei einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist der Aufnahmekäfig durch Spritzguss gefertigt.In a further possible alternative embodiment of the energy storage device according to the third aspect of the invention, the receiving cage is manufactured by injection molding.

Die Erfindung schafft ferner einen Aufnahmekäfig für eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung mit einander gegenüberliegenden Zellhaltern zur mechanischen Halterung von Energiespeicherzellen und mit stabförmigen Strömungsleitobjekten, welche die gegenüberliegenden Zellhalter miteinander verbinden.The invention further provides a receiving cage for an energy storage device according to the third aspect of the invention with opposing cell holders for mechanically holding energy storage cells and with rod-shaped flow guide objects which connect the opposing cell holders to one another.

Die Erfindung schafft ferner gemäß einem vierten Aspekt Energiespeichervorrichtung zur Energieversorgung von elektronischen Bauteilen innerhalb eines Gerätegehäuses eines Gerätes wobei die Energiespeichervorrichtung mehrere Energiespeicherzellen aufweist, die in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmbar ist,
wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen Strömungsleitobjekte mit bestimmter oder einstellbarer Form oder Stellung, insbesondere veränderbare Drehstellung, vorgesehen sind, wobei eine innerhalb des Gehäuses bestehende Strömung des Kühlmediums aufgrund der Form der Strömungsleitobjekte umgelenkt wird und ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse angeordneten Energiespeicherzellen von dem umgelenkten Kühlmedium zur Steigerung eines Überganges von Wärme Q ausgehend von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen in das Kühlmedium umströmt wird,
wobei die Form der Strömungsleitobjekte und/oder eine Stellung der Strömungsleitobjekte bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmediums eine durch die elektronischen Bauteile des Gerätes während eines Betriebes des Gerätes innerhalb des Gerätegehäuses entstehende Wärmeverteilung zur Bereitstellung einer annähernd gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung ausgleichen.The invention further provides, according to a fourth aspect, an energy storage device for supplying energy to electronic components within a device housing of a device, wherein the energy storage device has a plurality of energy storage cells arranged in the housing of the energy storage device, wherein the housing of the energy storage device can be flowed through by a cooling medium for cooling the energy storage cells contained therein,
wherein flow guide objects with a specific or adjustable shape or position, in particular a variable rotational position, are provided in the spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing, wherein a flow of the cooling medium existing within the housing is diverted due to the shape of the flow guide objects and a higher surface area of the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing is flowed around by the diverted cooling medium in order to increase a transfer of heat Q from the lateral surfaces of the energy storage cells into the cooling medium,
wherein the shape of the flow-guiding objects and/or a position of the flow-guiding objects with respect to a flow direction of the cooling medium compensate for a heat distribution generated by the electronic components of the device during operation of the device within the device housing in order to provide an approximately uniform temperature distribution within the housing of the energy storage device.

Die Erfindung schafft ferner Verfahren zum Bereitstellen einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb einer Energiespeichervorrichtung, die in einem Gerätegehäuse eines elektrischen Gerätes , insbesondere eines Schweißgerätes, vorgesehen ist und elektronische Bauteile des Gerätes mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Energiespeichervorrichtung mehrere Energiespeicherzellen (3) aufweist, die in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, wobei das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium durchströmt wird, wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordneten Energiespeicherzellen Strömungsleitobjekte mit bestimmter oder veränderlicher Form oder Stellung vorgesehen sind, die eine innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung bestehende Strömung des Kühlmediums aufgrund ihrer Form und oder eingestellten Stellung umlenken, wodurch und ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung angeordneten Energiespeicherzellen von dem umgelenkten Kühlmedium zur Steigerung eines Wärmeüberganges von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen in das Kühlmedium umströmt wird,
wobei durch die momentane Form der Strömungsleitobjekte und/oder durch eine momentan eingestellte Stellung der Strömungsleitobjekte bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmediums eine durch die elektronischen Bauteile des Gerätes während eines Betriebes des Gerätes innerhalb des Gerätegehäuses entstehende Wärmeverteilung zur Bereitstellung einer annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung ausgeglichen wird.The invention further provides methods for providing a uniform temperature distribution within an energy storage device which is provided in a device housing of an electrical device, in particular a welding device, and supplies electronic components of the device with electrical energy, wherein the energy storage device has a plurality of energy storage cells (3) which are arranged in a housing of the energy storage device, wherein a cooling medium flows through the housing of the energy storage device to cool the energy storage cells contained therein, wherein flow guide objects with a specific or variable shape or position are provided in spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing of the energy storage device, which deflect a flow of the cooling medium existing within the housing of the energy storage device due to their shape and/or set position, as a result of which a higher surface proportion of the lateral surfaces of the energy storage cells arranged in the housing of the energy storage device is flowed around by the deflected cooling medium to increase heat transfer from the lateral surfaces of the energy storage cells into the cooling medium,
wherein the current shape of the flow-guiding objects and/or a currently set position of the flow-guiding objects with respect to a flow direction of the cooling medium compensates for a heat distribution generated by the electronic components of the device during operation of the device within the device housing in order to provide an approximately uniform temperature distribution within the housing of the energy storage device.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung bilden die elektronischen Bauteile des Gerätes jeweils eine Wärmesenke, einen Wärmespeicher oder eine Wärmequelle.In a possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the electronic components of the device each form a heat sink, a heat accumulator or a heat source.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung bestehen die Strömungsleitobjekte aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten, die beim Betrieb des Gerätes entstehen.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the flow guiding objects consist of a thermally conductive Material with a high specific heat capacity to smooth thermal peak loads that arise during operation of the device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung verbinden die Strömungsleitobjekte einander gegenüberliegende Zellhalter, die zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen vorgesehen sind, mechanisch.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the flow guiding objects mechanically connect opposing cell holders, which are provided for the mechanical holding of the energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung sind die Strömungsleitobjekte stabförmig ausgebildet.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the flow guiding objects are rod-shaped.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weisen die Zellhalter elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the cell holders have electrical contacts for electrically contacting electrical poles of the energy storage cells.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung sind die elektronischen Bauteile des Gerätes auf einer elektronischen Leiterplatte des Gerätes räumlich verteilt angeordnet und bewirken während eines Betriebes des Gerätes eine entsprechende örtliche Wärmverteilung.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the electronic components of the device are spatially distributed on an electronic circuit board of the device and cause a corresponding local heat distribution during operation of the device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird die momentane Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung mittels Temperatursensoren erfasst.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the current temperature distribution within the energy storage device is detected by means of temperature sensors.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist das Gerät eine Nutzerschnittstelle mit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der momentanen Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the device has a user interface with a display unit for displaying the current temperature distribution within the energy storage device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung sind die Zellhalter paarweise über zugehörige Zellverbinder miteinander verbunden.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the cell holders are connected to one another in pairs via associated cell connectors.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung bestehen die Zellverbinder aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the cell connectors consist of a thermally and electrically conductive material with a high specific heat capacity for smoothing thermal peak loads during operation of the device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weisen die Zellverbinder jeweils eine Kapsel zur Aufnahme eines Materials auf, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the cell connectors each have a capsule for receiving a material that undergoes a phase change when heated.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weisen die elektronischen Bauteile des Gerätes zugehörige Kühleinheiten auf.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the electronic components of the device have associated cooling units.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird mindestens ein Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung und/oder eine räumliche Stellung bzw. Lage der Strömungsleitobjekte in Abhängigkeit der erfassten momentanen Temperaturverteilung der Energiespeichervorrichtung durch eine daran angeschlossene Regelungsschaltung, insbesondere durch eine Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, während des Betriebes des Gerätes eingestellt.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, at least one operating parameter of the energy storage device and/or a spatial position or location of the flow-guiding objects is set as a function of the detected instantaneous temperature distribution of the energy storage device by a control circuit connected thereto, in particular by a control circuit according to the second aspect of the invention, during operation of the device.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung dient die Energiespeichervorrichtung zur Energieversorgung eines Schweißgerätes.In a further possible embodiment of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention, the energy storage device serves to supply energy to a welding device.

Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung und der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.Possible embodiments of the energy storage device according to the invention and the control circuit according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

  • 1 eine seitlich perspektivische Ansicht zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 2 eine Ansicht von oben auf die in 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
  • 3 eine weitere Ansicht von oben auf eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung;
  • 4A-4F Ausführungsbeispiele für mögliche Querschnittsformen und Stellungen von Strömungsleitobjekten, welche bei einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung eingesetzt werden können;
  • 5 eine Ansicht von oben auf eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
  • 6 eine perspektivische Ansicht von seitlich oben auf eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
  • 7 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung;
  • 8 ein weiteres Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelungsschaltung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
  • 9 ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Energiespeichervorrichtung mithilfe der in den 7, 8 dargestellten Regelungsschaltung;
  • 10A, 10B Strömungsleitobjekte mit integrierten Zellhaltern einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung;
  • 11 eine weitere Ansicht auf Strömungsleitobjekte mit integrierten elektrischen Zellverbindern bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung;
  • 12 eine perspektivische Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 13A-13D Ansichten auf ein Gerät, das Energie aus einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung bezieht;
  • 14A, 14B eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 15A, 15B perspektivische Darstellungen von Strömungsleitobjekten bei einem möglichen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 16 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 17A, 17B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 18A, 18B weitere Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 19 ein Ausführungsbeispiel eines Zellverbinders als Wärmespeicher bei einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 20A, 20B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zellverbinders innerhalb einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 22A, 22B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;
  • 23 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung mit Anzeigeeinheit.
Show it:
  • 1 a side perspective view showing a possible embodiment of the energy storage device according to the invention according to a first aspect of the invention;
  • 2 a top view of the 1 illustrated embodiment of an energy storage device according to the invention;
  • 3 a further view from above of another possible embodiment of the storage device according to the invention;
  • 4A-4F Embodiments of possible cross-sectional shapes and positions of flow-guiding objects which can be used in an energy storage device according to the invention;
  • 5 a top view of another possible embodiment of an energy storage device according to the invention;
  • 6 a perspective view from the side above of another possible embodiment of an energy storage device according to the invention;
  • 7 a block diagram of a possible embodiment of a control circuit according to the invention according to a second aspect of the invention;
  • 8th a further block diagram of an inventive control circuit according to the second aspect of the invention;
  • 9 a simple flow chart illustrating a method according to the invention for controlling an energy storage device using the 7 , 8th shown control circuit;
  • 10A , 10B Flow guiding objects with integrated cell holders of an energy storage device according to the invention according to a third aspect of the invention;
  • 11 a further view of flow guiding objects with integrated electrical cell connectors in a possible embodiment of the energy storage device according to the invention according to the third aspect of the invention;
  • 12 a perspective view of a possible embodiment of an energy storage device according to the invention according to a fourth aspect of the invention;
  • 13A-13D Views of a device that draws energy from an energy storage device according to the invention;
  • 14A , 14B a schematic representation of a cross section through an embodiment of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 15A , 15B perspective representations of flow guiding objects in a possible embodiment of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 16 a schematic view of an embodiment of a cell connector of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 17A , 17B Timing diagrams for explaining the operation of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 18A , 18B further timing diagrams to explain the operation of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 19 an embodiment of a cell connector as a heat accumulator in an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 20A , 20B Timing diagrams for explaining the operation of the energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 21 a further embodiment of a cell connector within an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 22A , 22B Timing diagrams for explaining the operation of an energy storage device according to the fourth aspect of the invention;
  • 23 an embodiment of an energy storage device according to the invention with display unit.

1 zeigt eine Ansicht von schräg oben auf ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Energiespeichervorrichtung 1 verfügt über ein Gehäuse 2, das beispielsweise quaderförmig ausgebildet ist, wie in 1 dargestellt. Das Gehäuse 2 weist bei einer möglichen Ausführungsform an einer Stirnseite 2A mindestens eine Eingangsöffnung zum Einströmen eines Kühlmediums KM auf. Das Gehäuse 2 weist an seiner gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 2B mindestens eine Ausgangsöffnung zur Abgabe des Kühlmediums KM auf. Innerhalb des Gehäuses 2 sind mehrere Energiespeicherzellen 3 angeordnet. Die Energiespeicherzellen 3 sind beispielsweise wiederladbare Batteriezellen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 zylinderförmig ausgebildet und besitzen entsprechende Mantelflächen. Die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 werden zur Kühlung von einem Kühlmedium KM umströmt. Bei dem Kühlmedium KM kann es sich beispielsweise um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. Ein Kühlmedium KM ist beispielsweise Umgebungsluft, die von einem Lüfter ausgehend in die Eingangsöffnung des Gehäuses 2 einströmt. Alternativ kann es sich bei dem Kühlmedium KM auch um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, handeln. Je nach Anwendungsfall sind auch andere Kühlmedien KM möglich, beispielsweise Öl und dergleichen. Wie man in 1 erkennen kann, sind in den Zwischenräumen zwischen den Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitobjekte 4 stabförmig ausgebildet. Die Strömungsleitobjekte 4 sind geeignet, eine innerhalb des Gehäuses 2 bestehende Strömung des Kühlmediums KM derart umzulenken, dass ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 von dem Kühlmedium KM zur Steigerung eines Wärmeübergangs ausgehend von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen 3 in das umströmende Kühlmedium KM und zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 umströmt wird. Aufgrund des durch die Strömungsleitobjekte 4 veränderten Strömungsquerschnittes kann eine örtliche Strömungsgeschwindigkeit v, bei der das Kühlmedium KM die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt, entsprechend einer vorgegebenen Kühlanforderung angepasst werden. Die Anpassung der Form der Strömungsleitobjekte und/oder eine Veränderung der Stellung der Strömungsleitobjekte 4 erfolgt vorzugsweise in Echtzeit durch eine Regelungsschaltung 6 in Abhängigkeit von veränderlichen Umgebungsbedingungen, wie in 7 schematisch dargestellt. Diese Umgebungsbedingungen umfassen insbesondere eine Wärmeinwirkung auf die Energiespeichervorrichtung 1 durch externe elektronische Bauteile 14 eines Gerätes 10, insbesondere eines Schweißgerätes, das durch die Energiespeichervorrichtung 1 mit Energie versorgt wird. 1 shows a view obliquely from above of an embodiment of an energy storage device 1 according to the first aspect of the invention. The energy storage device 1 has a housing 2, which is, for example, cuboid-shaped, as in 1 shown. In one possible embodiment, the housing 2 has at least one inlet opening on one end face 2A for the inflow of a cooling medium KM. The housing 2 has at least one outlet opening on its opposite second end face 2B for the discharge of the cooling medium KM. Several energy storage cells 3 are arranged within the housing 2. The energy storage cells 3 are, for example, rechargeable battery cells. In the 1 In the embodiment shown, the energy storage cells 3 are cylindrical and have corresponding lateral surfaces. The energy storage cells 3 contained in the housing 2 of the energy storage device 1 are cooled by a cooling medium KM. The cooling medium KM can be a gas or a liquid, for example. A cooling medium KM is, for example, ambient air that flows from a fan into the inlet opening of the housing 2. Alternatively, the cooling medium KM can also be a liquid, for example water. Depending on the application, other cooling media KM are also possible, for example oil and the like. As can be seen in 1 can be seen, flow guide objects 4 are provided in the spaces between the lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2. In the 1 In the embodiment shown, the flow guide objects 4 are designed in a rod shape. The flow guide objects 4 are suitable for redirecting a flow of the cooling medium KM within the housing 2 in such a way that a higher surface area of the lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2 is flowed around by the cooling medium KM in order to increase heat transfer from the lateral surfaces of the energy storage cells 3 into the surrounding cooling medium KM and to achieve a uniform temperature distribution between the energy storage cells 3. Due to the flow cross-section changed by the flow guide objects 4, a local flow velocity v at which the cooling medium KM flows around the lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2 can be adjusted in accordance with a predetermined cooling requirement. The adjustment of the shape of the flow guide objects and/or a change in the position of the flow guide objects 4 preferably takes place in real time by a control circuit 6 depending on changing ambient conditions, as in 7 shown schematically. These environmental conditions include in particular a heat effect on the energy storage device 1 by external electronic components 14 of a device 10, in particular a welding device, which is supplied with energy by the energy storage device 1.

Die Kühlanforderung kann je nach Anwendungsfall und Betriebszustand des Gerätes 10 und Lastzustand unterschiedlich sein. Die Kühlanforderungen können beispielsweise eine möglichst geringe Maximal-Temperatur der Energiespeichervorrichtung 1, bei gleichzeitig minimaler Spreizung bzw. minimalen Temperaturgradient umfassen. Die Kühlanforderung umfasst beispielsweise eine zweidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y) oder eine dreidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y, z) innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1. Bei einer möglichen Ausführungsform kann sich die Kühlanforderung auch dynamisch über die Zeit t verändern ((T(x, y, t); T(x, y , z, t)).The cooling requirement can vary depending on the application and operating state of the device 10 and the load state. The cooling requirements can include, for example, the lowest possible maximum temperature of the energy storage device 1, with a minimal spread or minimal temperature gradient at the same time. The cooling requirement includes, for example, a two-dimensional target temperature distribution T(x, y) or a three-dimensional target temperature distribution T(x, y, z) within the housing 2 of the energy storage device 1. In one possible embodiment, the cooling requirement can also change dynamically over time t ((T(x, y, t); T(x, y , z, t)).

Die Temperaturverteilung T(x, y , z)innerhalb des Gehäuses 2 kann mittels eines Planungs-Softwaretools und einer gespeicherten Bibliothek möglicher Strömungsleitobjekte 4 und Abschirmobjekte 5 unter Angabe geometrischer Randbedingungen, insbesondere einer Länge L, Höhe H und Breite B des Gehäuses 2 sowie weiterer Parameter, insbesondere Wärmeleitkoeffizienten und Strömungsrate des Kühlmediums KM, Anzahl der Reihen und Spalten an Energiezellen 3 in der x-y Ebene, sowie einer normalen und maximal erlaubten Betriebstemperatur der Energiespeicherzellen 3 berechnet bzw. simuliert werden.The temperature distribution T(x, y, z) within the housing 2 can be calculated or simulated by means of a planning software tool and a stored library of possible flow guiding objects 4 and shielding objects 5, specifying geometric boundary conditions, in particular a length L, height H and width B of the housing 2 and further parameters, in particular thermal conductivity coefficients and flow rate of the cooling medium KM, number of rows and columns of energy cells 3 in the x-y plane, as well as a normal and maximum permitted operating temperature of the energy storage cells 3.

Insbesondere bei einem Anwendungsfall mit sich dynamisch veränderbarer Kühlanforderung können die Strömungsleitobjekte 4 oder Abschirmobjekte 5, wie sie in 6 dargestellt sind, bei einer möglichen zumindest teilweise mittels Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, bewegbar angeordnet vorgesehen sein. Beispielsweise können Strömungsleitobjekte 4 in der x, y-Ebene drehbar angeordnet sein oder in z-Richtung in den Hohlraum des Gehäuses 2 von oben oder unten einfahrbar sein. Die Soll-Temperaturverteilung Tsoll kann geändert werden, um insbesondere einer Schwankung oder einer sensorisch erfassten Änderung der Temperatur TKM (t) des Kühlmediums KM oder einer sensorisch erfassten Änderung der Strömungsrate des Kühlmediums KM Rechnung zu tragen. Bei einer möglichen Implementierung wird die aktuelle Temperatur TKM des Kühlmediums KM eingangsseitig mit einem Temperatursensor 11 erfasst. Auch innerhalb des Gehäuses 2 können Temperatursensoren 11 vorgesehen sein. Dies erlaubt es die aktuell gemessene Temperaturverteilung Tist mit der Soll-Temperaturverteilung Tsoll zu vergleichen und eine Stellung der Strömungsleitobjekte 4 und/oder der Abschirmobjekte 5 mittels einer Regelungseinheit 6 derart zu regeln, dass die in dem Gehäuse 2 gemessene Temperaturverteilung der gewünschten Soll-Temperaturverteilung entspricht. Die Soll-Temperaturverteilung ändert sich bei einer möglichen Ausführungsform in Abhängigkeit der eingesetzten Energiespeicherzellen 3. Eine erste Art von Energiespeicherzellen 3 wird beispielsweise bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben als eine zweite Art von Energiespeicherzellen 3 und weist eine entsprechende Soll-Temperaturverteilung mit höherem Temperaturniveau auf, die bei der Anordnung und Form der Strömungsleitobjekte 4 und/oder Abschirmobjekte 5 berücksichtigt wird.Particularly in an application with dynamically changing cooling requirements, the flow guide objects 4 or shielding objects 5, as shown in 6 are shown, in one possible way they can be arranged at least partially movable by means of actuators 12, in particular servomotors. For example, flow guide objects 4 can be arranged so as to be rotatable in the x, y plane or can be inserted into the cavity of the housing 2 from above or below in the z direction. The target temperature distribution T target can be changed in order to take into account in particular a fluctuation or a sensor-detected change in the temperature T KM (t) of the cooling medium KM or a sensor-detected change in the flow rate of the cooling medium KM. In one possible implementation, the current temperature T KM of the cooling medium KM is detected on the inlet side with a temperature sensor 11. Temperature sensors 11 can also be provided inside the housing 2. This allows the currently measured temperature distribution T actual to be compared with the target temperature distribution T target and to control a position of the flow guiding objects 4 and/or the shielding objects 5 by means of a control unit 6 such that the temperature distribution measured in the housing 2 corresponds to the desired target temperature distribution The target temperature distribution changes in one possible embodiment depending on the energy storage cells 3 used. A first type of energy storage cells 3 is operated, for example, at a higher operating temperature than a second type of energy storage cells 3 and has a corresponding target temperature distribution with a higher temperature level, which is taken into account in the arrangement and shape of the flow guiding objects 4 and/or shielding objects 5.

Durch Variation der Ausführung bzw. Implementierung der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM ist es möglich, eine möglichst homogene Kühlung der Energiespeicherzellen 3 zu erreichen. Hierdurch kann eine Temperaturdifferenz zwischen den Energiespeicherzellen 3 reduziert werden, wodurch die Lebensdauer der Energiespeicherzellen 3 erhöht wird. Durch entsprechende Ausbildung der Form der Strömungsleitobjekte 4 und durch entsprechende Einstellung der momentanen Stellung der Strömungsleitobjekte 4 ist es möglich, eine weitestgehend konstante Anströmung der Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 befindlichen Energiespeicherzellen 3 zu erreichen und somit eine homogene Kühlung zu erzielen. Weiterhin ist es möglich, durch die Ausbildung und Stellung der Strömungsleitobjekte 4 die Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Energiespeicherzellen 3 zu beeinflussen und damit auch eine konstante homogene Schwellentemperatur der Energiespeicherzellen 3 zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass der Temperaturgradient innerhalb einer Energiespeicherzelle 3 weitestgehend konstant ist. Weiterhin ist es möglich, durch Ausbildung und Stellung der Strömungsleitobjekte 4 einen Druckverlust bei vorgegebenem Bauraum des Gehäuses 2 zu optimieren, wobei sich dies wiederum positiv auf den Volumenstrom des Kühlmediums KM auswirkt. Dies kann beispielsweise im Zusammenspiel mit einer Strömungserzeugungseinheit, beispielsweise einem Lüfter, erfolgen, welcher die Strömung des Kühlmediums KM antreibt.By varying the design or implementation of the flow guiding objects 4 in the flow direction of the cooling medium KM, it is possible to achieve the most homogeneous cooling of the energy storage cells 3 possible. This can reduce a temperature difference between the energy storage cells 3, thereby increasing the service life of the energy storage cells 3. By appropriately designing the shape of the flow guiding objects 4 and by appropriately adjusting the current position of the flow guiding objects 4, it is possible to achieve a largely constant flow to the lateral surfaces of the energy storage cells 3 located in the housing 2 and thus to achieve homogeneous cooling. Furthermore, it is possible to influence the temperature distribution within the respective energy storage cells 3 through the design and position of the flow guiding objects 4 and thus also to enable a constant, homogeneous threshold temperature of the energy storage cells 3. This means that the temperature gradient within an energy storage cell 3 is largely constant. Furthermore, it is possible to optimize a pressure loss in a given installation space of the housing 2 by designing and positioning the flow guide objects 4, which in turn has a positive effect on the volume flow of the cooling medium KM. This can be done, for example, in conjunction with a flow generation unit, such as a fan, which drives the flow of the cooling medium KM.

Die Strömung des Kühlmediums KM, mit welcher die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt werden, kann durch die Strömungsleitobjekte 4 in Betrag und Richtung derart angepasst werden, dass sich dadurch eine örtlich definierte Kühlwirkung des Kühlmediums KM auf die Mantelflächen der umströmten Energiespeicherzellen 3 und somit eine örtlich definierte Temperatur der Energiespeicherzellen 3 ergibt. Die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 reihenförmig angeordneten Energiespeicherzellen 3 werden vorzugsweise von dem Kühlmedium KM in dessen Strömungsrichtung von einem wellen- oder mäanderförmigen Strömungsprofil umströmt. An der Stirnseite 2A des Gehäuses 2 strömt das Kühlmedium KM zur Kühlung der in dem Gehäuse 2 befindlichen Energiespeicherzellen 3 mit einer Eingangsströmungsgeschwindigkeit v1 ein. An der gegenüberliegenden anderen Stirnseite 2B des Gehäuses 2 strömt das Kühlmedium KM an mindestens einer Ausgangsöffnung mit einer Ausgangsströmungsgeschwindigkeit v2 aus. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmediums KM durch die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordneten Strömungsleitobjekte 4 gegenüber der Eingangsströmungsgeschwindigkeit und/oder gegenüber der Ausgangsströmungsgeschwindigkeit verändert. Aufgrund des durch die Strömungsleitobjekte 4 veränderten Strömungsquerschnittes kann die örtliche Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Kühlmedium KM die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt, höher oder niedriger als die Eingangsströmungsgeschwindigkeit v1 und/oder höher oder niedriger als die Ausgangsströmungsgeschwindigkeit v2 des Kühlmediums KM sein.The flow of the cooling medium KM, with which the lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2 are each flowed around, can be adjusted in amount and direction by the flow guide objects 4 in such a way that this results in a locally defined cooling effect of the cooling medium KM on the lateral surfaces of the energy storage cells 3 flowed around and thus a locally defined temperature of the energy storage cells 3. The lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in rows in the housing 2 are preferably flowed around by the cooling medium KM in its flow direction by a wave- or meander-shaped flow profile. At the front side 2A of the housing 2, the cooling medium KM flows in to cool the energy storage cells 3 located in the housing 2 at an inlet flow velocity v1. At the opposite other front side 2B of the housing 2, the cooling medium KM flows out at at least one outlet opening at an outlet flow velocity v2. In one possible embodiment, the flow velocity v of the cooling medium KM is changed by the flow guide objects 4 arranged in the housing 2 of the energy storage device 1 compared to the input flow velocity and/or compared to the output flow velocity. Due to the flow cross-section changed by the flow guide objects 4, the local flow velocity with which the cooling medium KM flows around the lateral surfaces of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2 can be higher or lower than the input flow velocity v1 and/or higher or lower than the output flow velocity v2 of the cooling medium KM.

Die Strömungsleitobjekte 4 sind vorzugsweise stabförmig ausgebildet, wie in 1 dargestellt. Sie können dabei je nach Anwendungsfall einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, wie in den 4A, 4B, 4C, 4D dargestellt.The flow guiding objects 4 are preferably rod-shaped, as in 1 They can have a different cross-section depending on the application, as shown in the 4A , 4B , 4C , 4D shown.

Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die Strömungsleitobjekte 4 einen halbkreisförmigen Querschnitt wie in 4A dargestellt auf. Weiterhin können die Strömungsleitobjekte 4 auch einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, wie in 4B dargestellt. Die Strömungsleitobjekte 4 können auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wie in 4C dargestellt. Darüber hinaus werden bei einer bevorzugten Ausführungsform auch Strömungsleitobjekte 4 mit einem tropfenförmigen Querschnitt mit besonders geringem Strömungswiderstand verwendet, wie in 4D schematisch dargestellt. Es ist nicht erforderlich, dass die Strömungsleitobjekte 4 alle den gleichen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können unterschiedlich geformte Strömungsleitobjekte 4 mit unterschiedlichem Querschnitt je nach Anwendungsfall innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet werden.In one possible embodiment, the flow guiding objects 4 have a semicircular cross-section as in 4A Furthermore, the flow guiding objects 4 can also have a circular cross-section, as in 4B The flow guiding objects 4 can also have an elliptical cross-section, as in 4C In addition, in a preferred embodiment, flow guiding objects 4 with a drop-shaped cross-section with particularly low flow resistance are used, as in 4D shown schematically. It is not necessary for the flow guiding objects 4 to all have the same cross-section. For example, differently shaped flow guiding objects 4 with different cross-sections can be arranged within the housing 2 depending on the application.

Die Strömungsleitobjekte 4 umfassen zumindest teilweise auch bewegliche, insbesondere schwenkbare oder drehbar gelagerte Strömungsleitobjekte 4, wie in den 4E, 4F schematisch dargestellt. Die Schwenkung (4E) oder Drehung (4F) eines Strömungsleitobjektes 4 zwischen verschiedenen Stellungen erfolgt mit Hilfe eines zugehörigen Aktuators 12, insbesondere einem Stellmotor 12, der durch die Regelungsschaltung 6 angesteuert wird. Auf diese Weise kann das anströmende Kühlmedium KM innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 durch die Regelungsschaltung 6 je nach Betriebszustand bzw. erfasster Temperaturverteilung nach oben oder unten umgelenkt werden, um beispielsweise das Kühlmedium KM auf Zonen mit hohen Temperaturen umzulenken.The flow guiding objects 4 also comprise, at least in part, movable, in particular pivotable or rotatably mounted flow guiding objects 4, as in the 4E , 4F shown schematically. The swivel ( 4E) or rotation ( 4F) of a flow guide object 4 between different positions is carried out with the aid of an associated actuator 12, in particular a servomotor 12, which is controlled by the control circuit 6. In this way, the inflowing cooling medium KM can be controlled within of the housing 2 of the energy storage device 1 can be redirected upwards or downwards by the control circuit 6 depending on the operating state or the detected temperature distribution, for example to redirect the cooling medium KM to zones with high temperatures.

Bei einer möglichen Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 1 sind die Energiespeicherzellen 3 gleichmäßig beabstandet in dem Gehäuse 2 angeordnet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 gleichmäßig beabstandet in mehreren quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM ausgerichteten Reihen innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet.In one possible embodiment of the energy storage device 1, the energy storage cells 3 are arranged evenly spaced in the housing 2. In the 1 In the embodiment shown, the energy storage cells 3 are arranged evenly spaced in several rows aligned transversely to the flow direction of the cooling medium KM within the housing 2 of the energy storage device 1.

Bei einer möglichen Ausführungsform können für die in der ersten Reihe der in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordneten Energiespeicherzellen 3, welche der mindestens einen Eingangsöffnung des Gehäuses 2 zugewandt sind, zusätzlich jeweils Abschirmobjekte 5 zur teilweisen Abschirmung von Mantelflächen der entsprechenden Energiespeicherzellen 3 vor dem in das Gehäuse 2 einströmenden Kühlmedium vorgesehen sein, wie in 6 dargestelltIn one possible embodiment, shielding objects 5 for partially shielding the lateral surfaces of the corresponding energy storage cells 3 from the cooling medium flowing into the housing 2 can be provided for the energy storage cells 3 arranged in the first row in the housing 2 of the energy storage device 1, which face the at least one inlet opening of the housing 2, as in 6 shown

Die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums können über mehrere Reihen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 hinweg konstant sein, wie in 1 und in 2 dargestellt. Alternativ können sich die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums über die verschiedenen Reihen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 hinweg auch verändern, wie beispielsweise in 3 dargestellt. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel nimmt der Querschnitt der stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 graduell zu. Darüber hinaus sind in den Zwischenräumen zwischen den Energiespeicherzellen 3 der ersten Reihen keine Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen. Erst ab der fünften Reihe sind Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen, deren runder Querschnitt graduell über die Reihen hinweg in Strömungsrichtung zunimmt. Wie man aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 erkennen kann, ist es nicht erforderlich, dass die Strömungsleitobjekte 4 in allen Zwischenräumen bzw. zwischen allen Reihen von Energiespeicherzellen 3 vorgesehen sind. Durch stufenweise oder graduelle Erhöhung des Querschnittes der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM kann bei einer möglichen Ausführungsform eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 erzielt werden. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel variieren die Querschnitte der verschiedenen Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 sich quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums verändern, wie in 5 dargestellt. Beispielsweise können die am Rand des Kühlstromes vorgesehenen Strömungsleitobjekte 4 einen anderen Querschnitt aufweisen als die in der Mitte der Strömung des Kühlmediums KM vorgesehenen Strömungsleitobjekte 4. Beispielsweise nehmen die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 quer zur Strömungsrichtung graduell zu, um eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 zu erzielen, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 gezeigt. Auch die Querschnittsformen der Strömungsleitobjekte 4 können sich in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM und/oder auch quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM verändern. Beispielsweise können am Rande des Strömungskanals Strömungsleitobjekte 4 mit einem kreisrunden Querschnitt verwendet werden, während in der Mitte des Strömungskanals vorzugsweise Strömungsleitobjekte 4 mit tropfenförmigem Querschnitt eingesetzt werden. Durch die Verwendung verschiedenartiger Strömungsleitobjekte 4 können die Strömungsprofile zwischen den Energiespeicherzellen 3 individuell für den jeweiligen Anwendungsfall gestaltet werden. Die Energiespeicherzellen 3 können aufladbare Batterien, Elektrolytkondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie aufweisen. Die Verwendung sonstiger Energiespeicherzellen ist möglich.The cross sections of the flow guide objects 4 in the flow direction of the cooling medium can be constant across several rows of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2, as in 1 and in 2 Alternatively, the cross sections of the flow guide objects 4 can also change in the flow direction of the cooling medium across the various rows of the energy storage cells 3 arranged in the housing 2, as for example in 3 shown. In the 3 In the example shown, the cross section of the rod-shaped flow guide objects 4 increases gradually. In addition, no flow guide objects 4 are provided in the spaces between the energy storage cells 3 of the first rows. Only from the fifth row onwards are flow guide objects 4 provided, the round cross section of which gradually increases across the rows in the direction of flow. As can be seen from the embodiment according to 3 can be seen, it is not necessary for the flow guide objects 4 to be provided in all gaps or between all rows of energy storage cells 3. By gradually increasing the cross-section of the flow guide objects 4 in the flow direction of the cooling medium KM, an even more uniform temperature distribution between the energy storage cells 3 can be achieved in one possible embodiment. 3 In the embodiment shown, the cross sections of the various flow guide objects 4 vary in the flow direction of the cooling medium KM. Furthermore, it is also possible that the cross sections of the flow guide objects 4 change transversely to the flow direction of the cooling medium, as in 5 For example, the flow guide objects 4 provided at the edge of the cooling flow can have a different cross-section than the flow guide objects 4 provided in the middle of the flow of the cooling medium KM. For example, the cross-sections of the flow guide objects 4 gradually increase transversely to the flow direction in order to achieve an even more uniform temperature distribution between the energy storage cells 3, as in the embodiment according to 5 shown. The cross-sectional shapes of the flow guide objects 4 can also change in the flow direction of the cooling medium KM and/or also transversely to the flow direction of the cooling medium KM. For example, flow guide objects 4 with a circular cross-section can be used at the edge of the flow channel, while flow guide objects 4 with a drop-shaped cross-section are preferably used in the middle of the flow channel. By using different types of flow guide objects 4, the flow profiles between the energy storage cells 3 can be designed individually for the respective application. The energy storage cells 3 can have rechargeable batteries, electrolytic capacitors or electrochemical capacitors for storing electrical energy. The use of other energy storage cells is possible.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 bilden die Strömungsleitobjekte 4 Teil eines austauschbaren Aufnahmekäfigs 7 zur Aufnahme von Energiespeicherzellen 3. Dieser Aufnahmekäfig 7 weist bei einer möglichen Ausführungsform zwei zueinander parallel angeordnete Platten auf, die über die stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 miteinander verbunden sind. Diese beiden einander gegenüberliegenden Platten weisen vorzugsweise jeweils ein zweidimensionales Aufnahmeraster mit Aufnahmeöffnungen zur Aufnahme der in Reihen angeordneten Energiespeicherzellen 3 auf. Bei zylinderförmigen Energiespeicherzellen 3, wie sie in 1 dargestellt sind, weisen die Aufnahmeöffnungen einen kreisrunden Querschnitt auf, der es erlaubt, die Energiespeicherzellen 3 von oben durch die Aufnahmeöffnung einer Platte einzusetzen. Hierdurch kann die Montage der Energiespeichervorrichtung 1 erleichtert werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform sind an einer oder an beiden den Energiespeicherzellen 3 zugewandten Oberflächen der Platten des Aufnahmekäfigs zusätzlich noppen- und flossenförmige Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen, die Verwirbelungen des durch das Gehäuse 2 hindurchströmenden Kühlmediums KM entlang der Mantelflächen der in dem Aufnahmekäfig 7 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 zur Erhöhung einer örtlichen Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmediums KM entlang der Mantelflächen hervorrufen. Die Energiespeicherzellen 3 können jeweils in zylinderförmigen Speicherpackungen mit einer äußeren Mantelfläche integriert sein, wie in 1 dargestellt.In a further possible embodiment of the energy storage device 1 according to the invention, the flow guide objects 4 form part of an exchangeable receiving cage 7 for receiving energy storage cells 3. In a possible embodiment, this receiving cage 7 has two plates arranged parallel to one another, which are connected to one another via the rod-shaped flow guide objects 4. These two opposing plates preferably each have a two-dimensional receiving grid with receiving openings for receiving the energy storage cells 3 arranged in rows. In the case of cylindrical energy storage cells 3, as shown in 1 As shown in the drawings, the receiving openings have a circular cross-section, which allows the energy storage cells 3 to be inserted from above through the receiving opening of a plate. This can facilitate the assembly of the energy storage device 1. In a further possible embodiment, additional nub- and fin-shaped flow guide objects 4 are provided on one or both surfaces of the plates of the receiving cage facing the energy storage cells 3, which turbulences of the cooling medium KM flowing through the housing 2 along the lateral surfaces of the energy storage cells 3 contained in the receiving cage 7. Energy storage cells 3 to increase a local flow velocity v of the cooling medium KM along the jacket surfaces. The energy storage cells 3 can each be integrated in cylindrical storage packages with an outer jacket surface, as in 1 shown.

Die Form der Strömungsleitobjekte 4 ist vorzugsweise veränderlich und kann an die Umgebungsbedingungen dynamisch angepasst werden. Dies kann einer möglichen Ausführungsform durch Drehung der Strömungsleitobjekte 4 relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM geschehen.The shape of the flow guiding objects 4 is preferably variable and can be dynamically adapted to the ambient conditions. In one possible embodiment, this can be done by rotating the flow guiding objects 4 relative to the flow direction of the cooling medium KM.

Bei einer möglichen Implementierung erfolgt dies durch Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, die durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden.In one possible implementation, this is done by actuators 12, in particular servo motors, which are controlled by a control circuit 6.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch Strömungsleitobjekte 4, beispielsweise Strömungsfinnen, von außen in das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eingeführt bzw. darin abgesenkt werden. Auch dies kann mit Hilfe von Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, geschehen, die durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden.In a further possible embodiment, flow guiding objects 4, for example flow fins, can also be introduced from the outside into the housing 2 of the energy storage device 1 or lowered into it. This can also be done with the aid of actuators 12, in particular servomotors, which are controlled by a control circuit 6.

Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Strömungsleitobjekte 4 ein variables Volumen. Dabei können die Strömungsleitobjekte 4 beispielsweise eine Wandung aus elastischen Material haben und bei Bedarf durch Druckluft gesteuert durch die Regelungsschaltung 6 aufgeblasen werden, um eine Umlenkung des umströmenden Kühlmediums KM zu erzielen.In a further embodiment, the flow-guiding objects 4 have a variable volume. The flow-guiding objects 4 can, for example, have a wall made of elastic material and, if necessary, can be inflated by compressed air under the control of the control circuit 6 in order to achieve a deflection of the flowing cooling medium KM.

Die in den 1 bis 6 beispielhaft dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann bei einer möglichen Ausführungsform in einer Schweißstromquelle eines Schweißgerätes integriert werden. Die Einbaurichtung kann dabei je nach Anwendungsfall variieren. Beispielsweise verlaufen die stabförmig ausgebildeten Strömungsleitobjekte 4 je nach Einbaulage der Energiespeichervorrichtung 1 in horizontaler Richtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung 1 in der Schweißstromquelle des Schweißgerätes austauschbar vorgesehen. Die Anzahl der Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann je nach Anwendungsfall variieren. Die Energiespeicherzellen 3 und dazwischen vorgesehenen stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 sind vorzugsweise in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM entlang der Strömungsachse symmetrisch angeordnet. Hierdurch kann eine symmetrische Anströmung der Mantelflächen der Energiespeicherzellen 3 erreicht werden. Auf diese Weise werden auch die Temperaturgradienten innerhalb der verschiedenen Energiespeicherzellen 3 verringert und somit deren individuelle Betriebslebensdauer erhöht. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 1 eignet sich insbesondere für den Einbau in ein tragbares Schweißgerät zu dessen Stromversorgung während des Schweißprozesses.The 1 to 6 The energy storage device 1 shown as an example according to the first aspect of the invention can be integrated in a welding power source of a welding device in one possible embodiment. The installation direction can vary depending on the application. For example, the rod-shaped flow guide objects 4 run in a horizontal direction depending on the installation position of the energy storage device 1. In a preferred embodiment, the energy storage device 1 is provided in the welding power source of the welding device so that it can be exchanged. The number of energy storage cells 3 within the energy storage device 1 can vary depending on the application. The energy storage cells 3 and the rod-shaped flow guide objects 4 provided between them are preferably arranged symmetrically in the flow direction of the cooling medium KM along the flow axis. This makes it possible to achieve a symmetrical flow onto the lateral surfaces of the energy storage cells 3. In this way, the temperature gradients within the various energy storage cells 3 are also reduced and thus their individual operating life is increased. The energy storage device 1 according to the invention is particularly suitable for installation in a portable welding device to supply it with power during the welding process.

Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 1 kann vorzugsweise über eine Schnittstelle an ein Ladegerät zum Aufladen der Energiespeicherzellen 3 angeschlossen werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch Stromschienen als Strömungsleitobjekte 4 zur Wärmeabfuhr genutzt werden.The energy storage device 1 according to the invention can preferably be connected via an interface to a charger for charging the energy storage cells 3. In a further possible embodiment, busbars can also be used as flow guide objects 4 for heat dissipation.

7 zeigt ein Blockschaltbild einer Energiespeichervorrichtung 1, die durch eine Regelungsschaltung 6 gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung geregelt wird. Ein Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1 ist in 1 dargestellt. Die durch die Regelungsschaltung 6 geregelte Energiespeichervorrichtung 1 umfasst mehrere Energiespeicherzellen 3, die in einem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind, wie es in 1 dargestellt wird. Das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 ist zur homogenen Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen 3 von einem Kühlmedium KM durchströmbar. Die Energiespeichervorrichtung 1 dient zur Stromversorgung eines Gerätes 10, beispielsweise als Bestandteil einer Stromquelle eines Schweißgerätes, wie in den 13A-13D dargestellt. Bei dem zu versorgenden elektrischen Gerät 10 kann es sich auch um andere tragbare oder nicht tragbare Geräte handeln. 7 shows a block diagram of an energy storage device 1 which is controlled by a control circuit 6 according to a second aspect of the invention. An embodiment of the energy storage device 1 is shown in 1 The energy storage device 1 controlled by the control circuit 6 comprises a plurality of energy storage cells 3 which are arranged in a housing 2 of the energy storage device 1, as shown in 1 The housing 2 of the energy storage device 1 can be flowed through by a cooling medium KM for homogeneous cooling of the energy storage cells 3 contained therein. The energy storage device 1 serves to supply power to a device 10, for example as a component of a power source of a welding device, as shown in the 13A-13D The electrical device 10 to be supplied may also be other portable or non-portable devices.

Die in dem Blockschaltbild gemäß 7 dargestellte Regelungsschaltung 6 gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Berechnungseinheit 6A und einen Datenspeicher 6B, wie in 8 gezeigt ist. In dem Datenspeicher 6B der Regelungsschaltung 6 ist ein zugehöriger digitaler Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 gespeichert.The circuit diagram shown in 7 The control circuit 6 shown in accordance with the second aspect of the invention comprises a calculation unit 6A and a data memory 6B, as in 8th is shown. In the data memory 6B of the control circuit 6, an associated digital twin DT of the energy storage device 1 is stored.

Der gespeicherte digitale Zwilling DT (engl. digital twin) stellt eine digitale Repräsentanz des materiellen realen Objektes, d.h. der Energiespeichervorrichtung 1, dar. Der gespeicherte digitale Zwilling DT kann verschiedene Formen aufweisen. Der digitale Zwilling DT kann bei einer möglichen Implementierung ein Verhaltensmodell der Energiespeichervorrichtung 1 aufweisen. Der digitale Zwilling DT kann auch ein 3D-Modell oder ein Funktionsmodell der Energiespeichervorrichtung 1 aufweisen, das mechanische, elektronische und andere Eigenschaften und Leistungsmerkmale des realen Zwillings bei einer modellbasierten Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung 1 möglichst realistisch und umfassend abbildet. Bei einer möglichen Ausführungsform können unterschiedliche digitale Zwillinge von Komponenten der Energiespeichervorrichtung 1, beispielsweise digitale Zwillinge der Energiespeicherzellen 3, der Strömungsleitobjekte 4, der Zellhalter 8 oder der Zellverbinder 9 miteinander zur Erstellung eines digitalen Zwillings DT der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 verknüpft werden. Die digitalen Zwillinge der Komponenten werden bei einer mögliche Ausführungsform von einer Bibliothek einer Datenbank geladen und mit Hilfe eines Editors logisch und funktional für die Auslegung einer Variante der Energiespeichervorrichtung 1 entsprechend einem Anwendungsfall zur Generierung eines digitalen Zwillings DT der entsprechenden Variante miteinander verknüpft. Mit Hilfe des digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 lässt sich ein Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 berechnen bzw. simulieren.The stored digital twin DT represents a digital representation of the material real object, i.e. the energy storage device 1. The stored digital twin DT can have different forms. The digital twin DT can have a behavior model of the energy storage device 1 in a possible implementation. The digital twin DT can also be a 3D model or have a functional model of the energy storage device 1 which depicts the mechanical, electronic and other properties and performance characteristics of the real twin in a model-based design of the energy storage device 1 as realistically and comprehensively as possible. In one possible embodiment, different digital twins of components of the energy storage device 1, for example digital twins of the energy storage cells 3, the flow guide objects 4, the cell holder 8 or the cell connector 9, can be linked to one another to create a digital twin DT of the entire energy storage device 1. In one possible embodiment, the digital twins of the components are loaded from a library of a database and, with the aid of an editor, logically and functionally linked to one another for the design of a variant of the energy storage device 1 in accordance with an application case for generating a digital twin DT of the corresponding variant. With the aid of the digital twin DT of the energy storage device 1, an operating behavior of the energy storage device 1 can be calculated or simulated.

Das Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einerseits ein elektrische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 und andererseits ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1. Das Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 ist auch abhängig vom jeweils zugrundliegenden physikalisch/chemischen Speicherprinzip. Bei Verwendung von Li Ionen Akkus als Energiespeicherzellen 3 gibt es z.B. innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 elektrochemische Reaktionen. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann aber auch z.B. nur kapazitive Speicherelemente (Kondensatoren) beinhalten, so dass keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Ein digitaler Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 ist unter Berücksichtigung des zugrundeliegenden Speicherprinzips als Modell hinterlegt.
Die Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 berechnet basierend auf dem in dem Datenspeicher 6B gespeicherten digitalen Zwilling DT der betreffenden Energiespeichervorrichtung 1 ein elektrisches und/oder thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1. In Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 wird diese durch einen Regler der Regelungsschaltung 6 geregelt. Bei einer möglichen Ausführungsform der Regelungsschaltung 6 wird durch die Berechnungseinheit 6A das mit Hilfe des digitalen Zwillings DT berechnete thermische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mit einem gemessenen thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung von Abweichungen verglichen. Bei einer möglichen Implementierung können analoge oder digitale Signale, welche das gemessene und berechnete thermische Verhalten widerspiegeln, durch einen Komparator der Regelungsschaltung 6 miteinander verglichen werden. Die Regelungsschaltung 6 kann anhand der ermittelten Abweichungen zwischen dem durch die Berechnungseinheit 6A mithilfe des digitalen Zwillings berechneten elektrischen und/oder thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 und dem mittels Sensoren 11 gemessenen elektrischen und/oder thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mindestens einen Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 regeln.The operating behavior of the energy storage device 1 includes, on the one hand, an electrical behavior of the energy storage device 1 and, on the other hand, a thermal behavior of the energy storage device 1. The operating behavior of the energy storage device 1 also depends on the underlying physical/chemical storage principle. When using Li-ion batteries as energy storage cells 3, for example, there are electrochemical reactions within the energy storage device 1. However, the energy storage device 1 can also contain only capacitive storage elements (capacitors), for example, so that no electrochemical reactions take place. A digital twin DT of the energy storage device 1 is stored as a model, taking into account the underlying storage principle.
The calculation unit 6A of the control circuit 6 calculates an electrical and/or thermal behavior of the energy storage device 1 based on the digital twin DT of the energy storage device 1 in question stored in the data memory 6B in order to determine a current operating state of the energy storage device 1. Depending on the determined current operating state of the energy storage device 1, the latter is controlled by a controller of the control circuit 6. In one possible embodiment of the control circuit 6, the calculation unit 6A compares the thermal behavior of the energy storage device 1 calculated with the aid of the digital twin DT with a measured thermal behavior of the energy storage device 1 in order to determine deviations. In one possible implementation, analog or digital signals which reflect the measured and calculated thermal behavior can be compared with one another by a comparator of the control circuit 6. The control circuit 6 can control at least one operating parameter BP of the energy storage device 1 based on the determined deviations between the electrical and/or thermal behavior of the energy storage device 1 calculated by the calculation unit 6A using the digital twin and the electrical and/or thermal behavior of the energy storage device 1 measured by means of sensors 11.

Bei dem geregelten Betriebsparameter BP kann es sich bei einer möglichen Ausführungsform um eine elektrische Leistung P handeln, die von der Energiespeichervorrichtung 1 an eine daran angeschlossene elektrische Last abgegeben wird. Diese Last kann eine oder mehrere elektrische Leistungsbauteile 14 innerhalb eines Gerätegehäuses 18 des Gerätes 10 umfassen, die über Stromanschlusskontakte 16 der Energisspeichervorrichtung1 mit Strom versorgt werden. Weiterhin kann es sich bei dem Betriebsparameter BP um einen elektrischen Strom I handeln, den eine angeschlossene Last von der Energiespeichervorrichtung 1 bezieht. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Betriebsparameter BP eine von der Energiespeichervorrichtung 1 bereitgestellte elektrische Ausgangsspannung U für eine daran angeschlossene Last. Weiterhin kann es sich bei dem Betriebsparameter BP um eine Betriebstemperatur T der Energiespeichervorrichtung 1 handeln. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung 6 stellt die Regelungsschaltung 6 eine Strömungsrate des Kühlmediums KM als weiteren Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 ein. Hierzu Kann die Regelungsschaltung 6 über eine Steuerleitung ein Strömungsventil als Aktuator 12 ansteuern. Die Regelungsschaltung 6 kann einen oder mehrere Betriebsparameter BP in Abhängigkeit der ermittelten Abweichung zwischen dem berechneten thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mit dem sensorisch gemessenen thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 einstellen. Die Einstellung der Betriebsparameter PB kann durch die Regelungsschaltung 6 in Echtzeit unter Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen in Abhängigkeit eines ermittelten momentanen Betriebszustandes des Gerätes 10 erfolgen.In one possible embodiment, the controlled operating parameter BP can be an electrical power P that is delivered by the energy storage device 1 to an electrical load connected to it. This load can comprise one or more electrical power components 14 within a device housing 18 of the device 10, which are supplied with power via power connection contacts 16 of the energy storage device 1. Furthermore, the operating parameter BP can be an electrical current I that a connected load draws from the energy storage device 1. In another possible embodiment, the operating parameter BP is an electrical output voltage U provided by the energy storage device 1 for a load connected to it. Furthermore, the operating parameter BP can be an operating temperature T of the energy storage device 1. In another possible embodiment of the control circuit 6 according to the invention, the control circuit 6 sets a flow rate of the cooling medium KM as a further operating parameter BP of the energy storage device 1. For this purpose, the control circuit 6 can control a flow valve as an actuator 12 via a control line. The control circuit 6 can set one or more operating parameters BP depending on the determined deviation between the calculated thermal behavior of the energy storage device 1 and the sensor-measured thermal behavior of the energy storage device 1 during the ongoing operation of the energy storage device 1. The setting of the operating parameters PB can be carried out by the control circuit 6 in real time, taking environmental conditions into account, depending on a determined current operating state of the device 10.

Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung 6 kann die Regelungsschaltung 6 zumindest einen Teil bzw. eine Untergruppe der innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 vorgesehene Strömungsleitobjekte 4 in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 hinsichtlich ihrer momentanen Stellung als Betriebsparameter BP einstellen, beispielsweise quer zu der Strömungsrichtung des Kühlmediums KM drehen. Hierzu kann die Regelungsschaltung Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, ansteuern. Hierzu sind die betreffenden Strömungsleitobjekte 4 bei einer möglichen Implementierung drehbar in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 gelagert und können mittels durch die Regelungsschaltung 6 ansteuerbarer Aktuatoren 12 quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM gedreht werden, um das Kühlmedium KM innerhalb des Gehäuses 2 umzulenken, insbesondere auf sensorisch erfasste Hotspots mit stark erhitzten Energiespeicherzellen 3. Die 4A bis 4D zeigen mögliche Querschnittsformen von Strömungsleitobjekten 4. Bei einer möglichen Ausführungsform kann zumindest ein Teil der stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 drehbar in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sein. Die Regelungsschaltung 6 kann in Abhängigkeit eines ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 die drehbar gelagerten Strömungsleitobjekte 4 relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM einstellen, wie in den 4E ,4F schematisch dargestellt.In a further possible embodiment of the control circuit 6 according to the invention, the control circuit 6 can control at least a part or a subgroup of the flow guiding objects 4 provided within the housing 2 of the energy storage device 1 depending on the determined instantaneous an operating state of the energy storage device 1 with regard to its current position as an operating parameter BP, for example, rotate transversely to the flow direction of the cooling medium KM. For this purpose, the control circuit can control actuators 12, in particular servomotors. For this purpose, the relevant flow guide objects 4 are rotatably mounted in the housing 2 of the energy storage device 1 in a possible implementation and can be rotated transversely to the flow direction of the cooling medium KM by means of actuators 12 controllable by the control circuit 6 in order to redirect the cooling medium KM within the housing 2, in particular to sensor-detected hotspots with strongly heated energy storage cells 3. The 4A to 4D show possible cross-sectional shapes of flow guiding objects 4. In one possible embodiment, at least a part of the rod-shaped flow guiding objects 4 can be arranged rotatably in the housing 2 of the energy storage device 1. The control circuit 6 can adjust the rotatably mounted flow guiding objects 4 relative to the flow direction of the cooling medium KM depending on a determined current operating state of the energy storage device 1, as shown in the 4E , 4F shown schematically.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung 6 kann die Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 anhand des ermittelten Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 eine verbleibende elektrische Leistung oder verbleibende elektrische Ladung der Energiespeichervorrichtung 1 zur Versorgung eines Gerätes 10, beispielsweise eines Schweißgerätes, berechnen. Bei einer möglichen Ausführungsform berechnet ein Prozessor oder ASIC oder FDPGA der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 in Echtzeit während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1.In one possible embodiment of the control circuit 6 according to the invention, the calculation unit 6A of the control circuit 6 can calculate a remaining electrical power or remaining electrical charge of the energy storage device 1 for supplying a device 10, for example a welding device, based on the determined operating state of the energy storage device 1. In one possible embodiment, a processor or ASIC or FDPGA of the calculation unit 6A of the control circuit 6 calculates a thermal behavior of the energy storage device 1 to determine a current operating state of the energy storage device 1 in real time during the ongoing operation of the energy storage device 1.

Die in der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 weisen bei einer möglichen Ausführungsform aufladbare Batterien, Elektrolytkondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie auf. Bei einer möglichen Ausführungsform bildet die Energiespeichervorrichtung 1 ein Akkupack mit mehreren Akkuzellen, welche beim Laden und Entladen Wärme erzeugen. Mithilfe der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung 6 und dem entsprechenden Regelungsverfahren, wie es im Ablaufdiagramm gemäß 9 dargestellt ist, ist es möglich, gezielt Wärme Q abzuführen, um eine möglichst lange Betriebslebensdauer und eine hohe Effizienz der Energiespeicherzellen 3 zu gewährleisten.In one possible embodiment, the energy storage cells 3 contained in the energy storage device 1 have rechargeable batteries, electrolytic capacitors or electrochemical capacitors for storing electrical energy. In one possible embodiment, the energy storage device 1 forms a battery pack with several battery cells which generate heat when charging and discharging. With the help of the control circuit 6 according to the invention and the corresponding control method, as shown in the flow chart according to 9 As shown, it is possible to specifically dissipate heat Q in order to ensure the longest possible operating life and high efficiency of the energy storage cells 3.

9 zeigt ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln eines Betriebes einer Energiespeichervorrichtung 1, welche mehrere Energiespeicherzellen 3 aufweist, die in einem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind. 9 shows a simple flow chart to illustrate an embodiment of a method according to the invention for controlling an operation of an energy storage device 1, which has a plurality of energy storage cells 3, which are arranged in a housing 2 of the energy storage device 1.

In einem ersten Schritt S1 wird ein thermisches und/oder elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 anhand eines gespeicherten digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 berechnet. Der digitale Zwilling DT kann beispielsweise in dem Datenspeicher 6B der Regelungsschaltung 6 gespeichert sein, wie er in 8 dargestellt ist. Die Berechnung des thermischen und/oder elektrischen Verhaltens der Energiespeichervorrichtung 1 anhand des gespeicherten digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 erfolgt durch einen Prozessor, FPGA, Controller oder ASIC der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6.In a first step S1, a thermal and/or electrical behavior of the energy storage device 1 is calculated using a stored digital twin DT of the energy storage device 1 to determine a current operating state of the energy storage device 1. The digital twin DT can be stored, for example, in the data memory 6B of the control circuit 6, as shown in 8th The calculation of the thermal and/or electrical behavior of the energy storage device 1 based on the stored digital twin DT of the energy storage device 1 is carried out by a processor, FPGA, controller or ASIC of the calculation unit 6A of the control circuit 6.

In einem weiteren Schritt S2 wird mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 dynamisch eingestellt, vorzugsweise in Echtzeit.In a further step S2, at least one operating parameter BP of the energy storage device 1 is set dynamically depending on the determined current operating state of the energy storage device 1, preferably in real time.

Der in dem Datenspeicher 6B gespeicherte digitale Zwilling DT bildet ein Simulationsdatenmodell der zugehörigen Energiespeichervorrichtung 1. Mithilfe des digitalen Zwillings DT ist es möglich, das thermische und/oder elektrische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 entsprechend den Lastfällen zu berechnen. Die Last kann aus einer elektrischen Last des Gerätes 10 bestehen, beispielsweise einem elektrischen Schalter als Leistungsbauteil 14, wobei die Steuereinheit der Last über eine Schnittstelle mit der Berechnungseinheit 6A kommuniziert und mit dieser Daten austauscht. Diese Daten können durch die Berechnungseinheit 6A zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes des Gerätes 10 und der darin enthaltenen Energiespeichervorrichtung 1 ausgewertet werden. Dabei ist es möglich, auch Fehlerfälle zu identifizieren bzw. zu selektieren. Wird durch die Regelungsschaltung 6 aufgrund einer hohen Abweichung zwischen dem berechneten thermischen Verhalten und dem gemessenen thermischen Verhalten ein Fehlerfall detektiert, kann bei einer möglichen Ausführungsform durch die Regelungsschaltung 6 die zugehörige Energiespeichervorrichtung 1 automatisch in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform sind in der Energiespeichervorrichtung 1 Sensoren 11, insbesondere Temperatursensoren und elektrische Sensoren, integriert. Diese Sensoren 11 liefern fortlaufend Messdaten MD an die Regelungsschaltung 6. Das mittels der thermischen Sensoren 11 gemessene thermische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 kann durch einen Komparator innerhalb der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 mit dem anhand des gespeicherten digitalen Zwillings DT berechneten thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 fortlaufend verglichen werden, um Temperatur-Abweichungen festzustellen. Ferner kann optional auch ein mittels der elektrischen Sensoren 11 (Stromsensoren, Spannungssensoren) gemessene elektrische Verhalten durch die Regelungsschaltung 6 mit dem anhand eines weiteren digitalen Zwillings DT berechneten elektrischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 fortlaufend verglichen werden, um elektrische Abweichungen (Stromabweichungen, Spanungsabweichungen) festzustellen. Mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 wird in Abhängigkeit dieser ermittelten Abweichung eingestellt bzw. geregelt.The digital twin DT stored in the data memory 6B forms a simulation data model of the associated energy storage device 1. With the help of the digital twin DT, it is possible to calculate the thermal and/or electrical behavior of the energy storage device 1 according to the load cases. The load can consist of an electrical load of the device 10, for example an electrical switch as a power component 14, wherein the control unit of the load communicates with the calculation unit 6A via an interface and exchanges data with it. This data can be evaluated by the calculation unit 6A to determine the current operating state of the device 10 and the energy storage device 1 contained therein. It is also possible to identify or select error cases. If an error case is detected by the control circuit 6 due to a large deviation between the calculated thermal behavior and the measured thermal behavior, in one possible embodiment the control circuit 6 can automatically put the associated energy storage device 1 into a safe operating state. In the case of a possible In the preferred embodiment, sensors 11, in particular temperature sensors and electrical sensors, are integrated in the energy storage device 1. These sensors 11 continuously supply measurement data MD to the control circuit 6. The thermal behavior of the energy storage device 1 measured by means of the thermal sensors 11 can be continuously compared by a comparator within the calculation unit 6A of the control circuit 6 with the thermal behavior of the energy storage device 1 calculated using the stored digital twin DT in order to determine temperature deviations. Furthermore, an electrical behavior measured by means of the electrical sensors 11 (current sensors, voltage sensors) can optionally also be continuously compared by the control circuit 6 with the electrical behavior of the energy storage device 1 calculated using another digital twin DT in order to determine electrical deviations (current deviations, voltage deviations). At least one operating parameter BP of the energy storage device 1 is set or regulated depending on this determined deviation.

Das in dem Datenspeicher 6B gespeicherte Simulationsmodell bzw. der digitale Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 kann durch die Berechnungseinheit 6A dazu herangezogen werden, eine verbleibende Akkuleistung bzw. elektrische Leistung P der Energiespeichervorrichtung 1 zur Versorgung einer elektrischen Last des Gerätes 10, beispielsweise eines Schweißgerätes, zu berechnen. Über eine Nutzerschnittstelle des Gerätes 10 kann einem Nutzer die verbleibende elektrische Leistung P zum Betreiben des betreffenden Gerätes 10, beispielsweise des Schweißgerätes, angezeigt werden. Dem Nutzer kann über die Nutzerschnittstelle aufgrund einer Schweißnahtplanung verschiedene Parameter angezeigt werden. Diese Parameter umfassen beispielsweise die Anzahl der noch zu verschweißenden Elektroden, die Drahtlänge oder Scheißnahtlänge. Beispielsweise kann bei einem möglichen Anwendungsfalls dem Nutzer auch angezeigt werden, dass noch eine gewisse Anzahl von Werkstücken mit der verbleibenden berechneten Akkuleistung der Energiespeichervorrichtung 1 durch das Schweißgerät verschweißt werden können. Durch Einsatz von Referenzsensoren kann mittels des digitalen Zwillings DT auf das Temperaturverhalten im gesamten Akkupack bzw. in der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 rückgeschlossen werden. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann in einem austauschbaren Gehäuse 2 integriert sein, welches elektrische Anschlusskontakte 16 zum Anschluss an eine elektronische Leiterplatte 13 eines Gerätes 10 aufweist, insbesondere eines Schweißgerätes, wie in den 13A-13D dargestellt.The simulation model or the digital twin DT of the energy storage device 1 stored in the data memory 6B can be used by the calculation unit 6A to calculate a remaining battery power or electrical power P of the energy storage device 1 to supply an electrical load of the device 10, for example a welding device. The remaining electrical power P for operating the device 10 in question, for example the welding device, can be displayed to a user via a user interface of the device 10. Various parameters can be displayed to the user via the user interface based on a weld seam planning. These parameters include, for example, the number of electrodes still to be welded, the wire length or weld seam length. For example, in a possible application, the user can also be shown that a certain number of workpieces can still be welded by the welding device with the remaining calculated battery power of the energy storage device 1. By using reference sensors, the digital twin DT can be used to draw conclusions about the temperature behavior in the entire battery pack or in the entire energy storage device 1. The energy storage device 1 can be integrated in a replaceable housing 2, which has electrical connection contacts 16 for connection to an electronic circuit board 13 of a device 10, in particular a welding device, as in the 13A-13D shown.

Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Regelungsschaltung 6 in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 integriert.In one possible embodiment, the control circuit 6 is integrated in the housing 2 of the energy storage device 1.

10A, 10B zeigen Ausführungsbeispiele von Strömungsleitobjekten 4 mit Zellhaltern 8 eines Aufnahmekäfigs 7 bei einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung. 10A , 10B show embodiments of flow guiding objects 4 with cell holders 8 of a receiving cage 7 in a possible embodiment of an energy storage device 1 according to the invention according to a third aspect of the invention.

Die Erfindung schafft gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung eine Energiespeichervorrichtung 1 mit mehreren Energiespeicherzellen 3, wie auch in 1 dargestellt. Die Strömungsleitobjekte 4 verbinden einander gegenüberliegende Zellhalter 8 und bilden einen Aufnahmekäfig 7, wie in den 10A, 10B dargestellt. Diese Zellhalter 8 sind zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen 3 vorgesehen, wie auch in 10B dargestellt. Die Zellhalter 8 weisen jeweils elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen 3 auf. Wie man in 10A erkennen kann, sind die Strömungsleitobjekte 4 vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Dabei können sie auch unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wie im Zusammenhang mit 4A bis 4D erläutert. Die Strömungsleitobjekte 4 bilden bei einer möglichen Ausführungsform mit zugehörigen Zellhaltern 8 einen Aufnahmekäfig 7 zur Aufnahme einer Gruppe von Energiespeicherzellen 3. Bei dem in den 10A, 10B dargestellten Beispiel wird eine Gruppe von sechs Energiespeicherzellen 3 in einen zugehörigen Aufnahmekäfig 7 eingesetzt. Dieser Aufnahmekäfig 7 kann seinerseits in das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eingesetzt werden. Die Energiespeicherzellen 3 können fest angelötet oder austauschbar in den Zellhaltern 8 des Aufnahmekäfigs 7 angeordnet sein. Die Strömungsleitobjekte 4 des Aufnahmekäfigs 7 dienen zur Einflussnahme auf die erzwungene Konvektion des Kühlmediums KM zur Steuerung des Wärmehaushaltes der Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Die Geometrie der Strömungsleitobjekte 4 wird vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese neben dieser primären Funktion zusätzlich eine mechanische Halterung der jeweiligen Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 bieten. Hierdurch wird ein Zellkäfig 7 gebildet, der sowohl strömungsmechanische als auch einfache mechanische Halterungsfunktionen in Bezug auf die jeweiligen Energiespeicherzellen 3 übernimmt. Bei dem in 10A dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Aufnahmekäfig zwei verbindende Strömungsleitobjekte 4 mit sechs einander gegenüberliegenden Zellhaltern 8 bzw. Halterungen für eine entsprechende Anzahl von Energiespeicherzellen 3. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der in 10A dargestellte Aufnahmekäfig 7 zweiteilig aufgebaut. An den Strömungsleitobjekten 4 können Steckverbindungen vorgesehen sein, die es erlauben, einen oberen Teil des Aufnahmekäfigs 7 mit einem unteren gegenüberliegenden Teil des Aufnahmekäfigs 7 lösbar zusammenzufügen. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch von einzelnen Energiespeicherzellen 3. Die beiden Teile des Aufnahmekäfigs 7 können beispielsweise durch Spritzguss gefertigt werden. Bei speziellen Ausfertigungen können zusätzlich mechanische Verstärkungen mitintegriert werden, beispielsweise ein Zellverbinder 9 mit Kunststoffummantelung oder Faserverstärkung. Das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 kann bei einer möglichen Ausführungsform an einer Oberseite geöffnet werden, so dass Aufnahmekäfige 7 innerhalb des Gehäuses 2 durch eine Nutzer manuell ausgetauscht werden können, um Energiespeicherzellen 3 einzeln oder gruppenweise zu ersetzen.According to the third aspect of the invention, the invention provides an energy storage device 1 with a plurality of energy storage cells 3, as also in 1 The flow guide objects 4 connect opposing cell holders 8 and form a holding cage 7, as shown in the 10A , 10B These cell holders 8 are intended for the mechanical mounting of the energy storage cells 3, as also shown in 10B The cell holders 8 each have electrical contacts for electrically contacting electrical poles of the energy storage cells 3. As can be seen in 10A As can be seen, the flow guiding objects 4 are preferably rod-shaped. They can also have different cross-sectional shapes, as in connection with 4A to 4D The flow guide objects 4 form in one possible embodiment with associated cell holders 8 a receiving cage 7 for receiving a group of energy storage cells 3. In the 10A , 10B In the example shown, a group of six energy storage cells 3 is inserted into an associated receiving cage 7. This receiving cage 7 can in turn be inserted into the housing 2 of the energy storage device 1. The energy storage cells 3 can be soldered on or arranged interchangeably in the cell holders 8 of the receiving cage 7. The flow guide objects 4 of the receiving cage 7 serve to influence the forced convection of the cooling medium KM to control the heat balance of the energy storage cells 3 within the energy storage device 1. The geometry of the flow guide objects 4 is preferably designed in such a way that, in addition to this primary function, they also provide mechanical support for the respective energy storage cells 3 within the energy storage device 1. This forms a cell cage 7 which takes on both fluid mechanics and simple mechanical support functions in relation to the respective energy storage cells 3. In the 10A In the embodiment shown, the receiving cage comprises two connecting flow guide objects 4 with six opposing cell holders 8 or holders for a corresponding number of energy storage cells 3. In one possible embodiment, the in 10A The illustrated receiving cage 7 is in two parts built. Plug connections can be provided on the flow guide objects 4, which allow an upper part of the receiving cage 7 to be detachably joined to a lower, opposite part of the receiving cage 7. This enables easy replacement of individual energy storage cells 3. The two parts of the receiving cage 7 can be manufactured, for example, by injection molding. In special versions, additional mechanical reinforcements can be integrated, for example a cell connector 9 with a plastic coating or fiber reinforcement. In one possible embodiment, the housing 2 of the energy storage device 1 can be opened on an upper side, so that receiving cages 7 within the housing 2 can be manually replaced by a user in order to replace energy storage cells 3 individually or in groups.

10A, 10B zeigen somit den erfindungsgemäßen Aufnahmekäfig 7 für eine Energiespeichervorrichtung 1 mit einander gegenüberliegenden Zellhaltern 8 zur mechanischen Halterung von Energiespeicherzellen 3 und mit stabförmigen Strömungsleitobjekten 4, welche die gegenüberliegenden Zellhalter 8 miteinander verbinden. Bei einer möglichen Ausführungsform können die Strömungsleitobjekte 4 zudem jeweils eine elektrische Isolationsschicht 4A zur elektrischen Isolation von elektrischen Kontakten einander gegenüberliegender Zellhalter 8 aufweisen, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 11 dargestellt. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitobjekte 4 derart ausgestaltet, dass sie zusätzlich eine elektrische Verbindung unter den jeweiligen Energiespeicherzellen 3 der Energiespeichervorrichtung 1 übernehmen. Dabei wird ein Aufnahmekäfig 7 gebildet, bei denen die Strömungsleitobjekte 4 neben der strömungsmechanischen und thermischen Funktion zusätzlich auch noch eine elektrische Funktion in Bezug auf die Energiespeicherzellen 3 der Energiespeichervorrichtung 1 übernehmen. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 über Zellverbinder 9 elektrisch in Reihe verschaltet. Die verschiedenen Strömungsleitobjekte 4 weisen jeweils eine elektrische Isolationsschicht 4A auf. Bei der Ausgestaltung der Zellverbinder 9 können verschiedene Fertigungsmethoden, beispielsweise ein sogenanntes SLM-Verfahren, zur Anwendung kommen. Die Aufnahmekäfige 7 erlauben es bei einer möglichen Ausführungsform, den Verkabelungsaufwand innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 zu reduzieren. 10A , 10B thus show the inventive holding cage 7 for an energy storage device 1 with opposing cell holders 8 for mechanically holding energy storage cells 3 and with rod-shaped flow guide objects 4, which connect the opposing cell holders 8 to one another. In one possible embodiment, the flow guide objects 4 can also each have an electrical insulation layer 4A for electrically insulating electrical contacts of opposing cell holders 8, as in the embodiment according to 11 shown. In the 11 In the embodiment shown, the flow guiding objects 4 are designed in such a way that they additionally provide an electrical connection between the respective energy storage cells 3 of the energy storage device 1. In this case, a receiving cage 7 is formed in which the flow guiding objects 4, in addition to the fluid-mechanical and thermal function, also provide an electrical function in relation to the energy storage cells 3 of the energy storage device 1. In the embodiment shown in 11 In the embodiment shown, the energy storage cells 3 are electrically connected in series via cell connectors 9. The various flow guide objects 4 each have an electrical insulation layer 4A. Various manufacturing methods, for example a so-called SLM process, can be used to design the cell connectors 9. In one possible embodiment, the receiving cages 7 make it possible to reduce the amount of cabling within the energy storage device 1.

12 dient zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 gemäß einem weiteren vierten Aspekt der Erfindung. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß dem vierten Aspekt sind die Strömungsleitobjekte 4 derart vorgeformt und/oder gedreht, dass die durch die externen elektronischen Bauteile 14 eines Gerätes 10 während des Betriebes des Gerätes 10 entstehende Wärmeverteilung bzw. Temperaturverteilung T(x, y, z) eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung T' (x, y, z) innerhalb der betreffenden Energiespeichervorrichtung 1 hervorruft. 12 zeigt perspektivisch eine Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann als austauschbares Akkupack innerhalb eines Gehäuses 18 eines Gerätes 10 vorgesehen sein, beispielsweise innerhalb einer Stromquelle eines Schweißgerätes. Ein derartiges Gerät 10 verfügt über elektronische Bauteile 14, insbesondere Leistungsbauteile, welche jeweils als Wärmesenke, Wärmespeicher oder Wärmequelle wirken. Beispielsweise können derartige elektronische Bauteile14 des betreffenden Gerätes 10 auf einer elektronischen Leiterplatte 13 des Gerätes 10 räumlich verteilt angeordnet sein. Diese Bauteile 14 befinden sich in räumlicher Nähe zu der Energiespeichervorrichtung 1. Die Verteilung der verschiedenen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 in der Nähe der Energiespeichervorrichtung 1 hat eine Auswirkung auf die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung sind die Strömungsleitobjekte 3 derart vorgeformt bzw. geometrisch ausgelegt oder eingestellt, dass die durch die externen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 hervorgerufene Wärmeverteilung eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 hervorruft. Hierdurch kann die Betriebslebensdauer der innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 erhöht werden. Befindet sich beispielsweise ein Hochleistungs-Transformator als elektronisches Bauteil 14 über einer ersten Zone der Energiespeichervorrichtung 1, wie in 12 schematisch dargestellt, besteht in diesem Bereich eine hohe Wärmezufuhr, die sich auf das Temperaturverhalten bzw. die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 auswirkt. Da die Anordnung der elektronischen Bauteile 14 innerhalb des Gerätes 10 bekannt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 1 geometrisch derart ausgelegt oder deren Strömungsleitobjekte 4 derart eingestellt werden, dass in dem in der Nähe des Hochleistung-Transformators befindlichen ersten Zone bzw. ersten Bereich der Energiespeichervorrichtung 1 eine besonders starke Kühlung durch das umgelenkte Kühlmedium KM erfolgt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Strömungsleitobjekte 4 entsprechend geformt und eingestellt sind, sodass das durchströmende Kühlmedium KM in der betreffenden Zone 1 in der Nähe des Hochleistung-Transformators, der Wärmequelle bildet, eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt. Weiterhin kann zumindest ein Teil der Strömungsleitobjekte 4 innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 drehbar gelagert sein. Durch Drehung der Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 kann das durchströmende Kühlmedium KM in dem Bereich bzw. in diejenige Zone der Energiespeichervorrichtung 1 umgeleitet werden, in dem eine hohe Wärmezufuhr aufgrund eines räumlich benachbarten elektronischen Bauteils 14 entsteht. Das Vorsehen von drehbar gelagerten Strömungsleitobjekte 4 bietet den Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung 1 für verschiedene Anordnungen von elektronischen Bauteilen 14 innerhalb des Gerätes 10 eingestellt bzw. konfiguriert werden kann. Bei einer möglichen Implementierung wird mindestens ein Teil der Strömungsleitobjekte 4 mit Aktuatoren 12 während des Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 gedreht. Diese Aktuatoren 12 können beispielsweise durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden. Wird beispielsweise in einer Zone oder einem Bereich der Energiespeichervorrichtung 1 ein besonders hoher Temperaturanstieg sensorisch erfasst, kann das Kühlmedium KM mithilfe der einstellbaren Strömungsleitobjekte 4 in diesen Bereich bzw. in diese Zone umgelenkt werden, um dort eine höhere Kühlwirkung zu erzielen. Gleichzeitig können weitere Betriebsparameter BP eingestellt werden. Beispielsweise kann die Strömungsrate des Kühlmediums KM entsprechend gesteigert werden, um den erfassten Temperaturanstieg auszugleichen. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Strömungsleitobjekte 4 aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C zum Glätten thermischer Spitzenlasten, die während des Betriebes des Gerätes 10 entstehen, gebildet. Auch die Zellverbinder 9 können aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes bestehen. 12 serves to illustrate the functioning of an energy storage device 1 according to the invention according to a further fourth aspect of the invention. In the energy storage device 1 according to the fourth aspect, the flow guide objects 4 are preformed and/or rotated in such a way that the heat distribution or temperature distribution T(x, y, z) created by the external electronic components 14 of a device 10 during operation of the device 10 causes an approximately uniform temperature distribution T' (x, y, z) within the energy storage device 1 in question. 12 shows a perspective view of a possible embodiment of the energy storage device 1 with a plurality of energy storage cells 3, which are arranged in the housing 2 of the energy storage device 1. The energy storage device 1 can be provided as a replaceable battery pack within a housing 18 of a device 10, for example within a power source of a welding device. Such a device 10 has electronic components 14, in particular power components, which each act as a heat sink, heat storage or heat source. For example, such electronic components 14 of the device 10 in question can be arranged spatially distributed on an electronic circuit board 13 of the device 10. These components 14 are located in spatial proximity to the energy storage device 1. The distribution of the various electronic components 14 of the device 10 in the vicinity of the energy storage device 1 has an effect on the temperature distribution within the energy storage device 1. In the energy storage device 1 according to the fourth aspect of the invention, the flow guide objects 3 are preformed or geometrically designed or adjusted in such a way that the heat distribution caused by the external electronic components 14 of the device 10 causes an approximately uniform temperature distribution within the energy storage device 1. This can increase the service life of the energy storage cells 3 contained within the energy storage device 1. For example, if a high-performance transformer is located as an electronic component 14 above a first zone of the energy storage device 1, as in 12 shown schematically, there is a high heat supply in this area, which affects the temperature behavior or the temperature distribution within the energy storage device 1. Since the arrangement of the electronic components 14 within the device 10 is known, the energy storage device 1 can be geometrically designed or its flow guide objects 4 can be adjusted in such a way that in the first zone or first area of the energy storage device 1 located near the high-performance transformer, a particularly strong cooling by the deflected cooling medium KM takes place. This is preferably achieved by the flow guide objects 4 being shaped and adjusted accordingly so that the flowing cooling medium KM achieves a particularly high cooling effect in the relevant zone 1 near the high-performance transformer, which forms the heat source. Furthermore, at least some of the flow guide objects 4 can be rotatably mounted within the housing 2 of the energy storage device 1. By rotating the cross sections the flow guide objects 4, the cooling medium KM flowing through can be diverted in the area or into the zone of the energy storage device 1 in which a high heat supply occurs due to a spatially adjacent electronic component 14. The provision of rotatably mounted flow guide objects 4 offers the advantage that the energy storage device 1 can be adjusted or configured for different arrangements of electronic components 14 within the device 10. In one possible implementation, at least some of the flow guide objects 4 are rotated with actuators 12 during operation of the energy storage device 1. These actuators 12 can be controlled, for example, by a control circuit 6. If, for example, a particularly high temperature increase is detected by sensors in a zone or area of the energy storage device 1, the cooling medium KM can be diverted into this area or zone using the adjustable flow guide objects 4 in order to achieve a higher cooling effect there. At the same time, other operating parameters BP can be set. For example, the flow rate of the cooling medium KM can be increased accordingly in order to compensate for the detected temperature increase. In one possible embodiment, the flow guide objects 4 are made of a thermally conductive material with a high specific heat capacity C for smoothing thermal peak loads that arise during operation of the device 10. The cell connectors 9 can also consist of a thermally and electrically conductive material with a high specific heat capacity C for smoothing thermal peak loads during operation of the device.

Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die Zellverbinder 9 eine Kapsel zur Aufnahme eines spezifischen Materials auf, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft. Beispielsweise kann es sich bei dem Material um Paraffin handeln, das bei Erwärmung schmilzt. Ein derartiges spezifisches Material erlaubt es, eine hohe Wärmemenge Q aufzunehmen, um thermische Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes 10 auszugleichen.In one possible embodiment, the cell connectors 9 have a capsule for accommodating a specific material that undergoes a phase change when heated. For example, the material can be paraffin, which melts when heated. Such a specific material allows a high amount of heat Q to be absorbed in order to compensate for thermal peak loads during operation of the device 10.

Die externen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 können bei einer möglichen Ausführungsform ihrerseits zugehörige Kühleinheiten 15, beispielsweise Kühlkörper oder dergleichen, aufweisen.In one possible embodiment, the external electronic components 14 of the device 10 may in turn have associated cooling units 15, for example heat sinks or the like.

Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung 1 als Akku-Pocket ausgelegt und derart aufgebaut, dass auf einer Seite des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eine danebenliegende elektronische Leiterplatte 13 mit elektronischen Bauteilen 14 vorgesehen ist. Diese elektronischen Bauteile 14 können beispielsweise Wärmequellen umfassen, beispielsweise einen Transformator, der während des Betriebes Hitze bzw. Wärme Q erzeugt. Weiterhin kann es sich bei den elektronischen Bauteilen 14 auch um Wärmesenken handeln, beispielsweise große Kondensatoren oder dergleichen. Diese verschiedenen elektronischen Bauteile 14 sind auf der Leiterplatte 13 des Gerätes 10 räumlich verteilt angeordnet. Die Strömungsleitobjekte 4 sind aus einem Material hergestellt, das eine bestimmte spezifische Wärmekapazität aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass sie bei Auftreten thermischer Spitzenlasten die Strömungsleitobjekte 4 zuerst eine gewisse Wärme Q aufnehmen können und gegebenenfalls auch eine gewisse Wärme Q später wieder gezielt abgeben können. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei kurzzeitiger hoher Stromentnahme eines elektrischen Stromes I durch eine an der Energiespeichervorrichtung 1 angeschlossene elektrische Last das Auftreten einer Übertemperatur innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 verhindert werden kann.In one possible embodiment, the energy storage device 1 is designed as a battery pocket and constructed in such a way that an adjacent electronic circuit board 13 with electronic components 14 is provided on one side of the housing 2 of the energy storage device 1. These electronic components 14 can, for example, comprise heat sources, for example a transformer that generates heat or heat Q during operation. Furthermore, the electronic components 14 can also be heat sinks, for example large capacitors or the like. These various electronic components 14 are spatially distributed on the circuit board 13 of the device 10. The flow guide objects 4 are made of a material that has a certain specific heat capacity. This offers the advantage that when thermal peak loads occur, the flow guide objects 4 can first absorb a certain amount of heat Q and, if necessary, can also release a certain amount of heat Q again later in a targeted manner. This makes it possible to prevent the occurrence of an overtemperature within the energy storage device 1 in the event of a short-term high current draw of an electrical current I by an electrical load connected to the energy storage device 1.

13A-13D zeigen Ansichten auf ein Gerät 10, das eine Energiespeichervorrichtung 1 zur Energieversorgung aufweist, wobei das Gehäuse des Gerätes 10 entfernt ist. 13A-13D show views of a device 10 having an energy storage device 1 for supplying energy, wherein the housing of the device 10 is removed.

13A zeigt eine Ansicht auf ein Gerät 10, das eine Energiespeichervorrichtung 1 enthält. In 13A ist die Energiespeichervorrichtung 1 ohne das umfassende Gehäuse 2 dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, beispielsweise Akkuzellen. Bei dem in 13A dargestellten Ausführungsbeispiel erkennt man einen Seitendeckel für die Energiespeicherzellen 3, der Teil des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 bilden kann. Die Energiespeicherzellen 3 werden durch Zellhalter 8 mechanisch gehalten. Diese Zellhalter 8 umfassen jeweils elektrische Kontakte zum elektrischen Anschluss an die beiden Pole der Energiespeicherzellen 3. Die Energiespeichervorrichtung 1 dient zur Energieversorgung des in 13A dargestellten Gerätes 10. Hierzu weist die Energiespeichervorrichtung 1 Stromanschlüsse 16 auf. In der Energiespeichervorrichtung 1 umfasst das Gerät 10 weitere Komponenten und Bauteile. Bei dem in 13A dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte 13 räumlich verteilt angeordnet. Einige der elektronischen Bauteile 14 können eigene Kühlkörper 15 aufweisen, wie in 13A dargestellt. Ferner erkennt man in 13A einen Funktionsträger 17. 13A shows a view of a device 10 containing an energy storage device 1. In 13A the energy storage device 1 is shown without the surrounding housing 2. The energy storage device 1 comprises a plurality of energy storage cells 3, for example battery cells. 13A In the embodiment shown, a side cover for the energy storage cells 3 can be seen, which can form part of the housing 2 of the energy storage device 1. The energy storage cells 3 are mechanically held by cell holders 8. These cell holders 8 each comprise electrical contacts for electrical connection to the two poles of the energy storage cells 3. The energy storage device 1 serves to supply energy to the 13A The energy storage device 1 has power connections 16 for this purpose. In the energy storage device 1, the device 10 comprises further components and parts. In the 13A In the embodiment shown, a large number of electronic components are spatially distributed on a circuit board 13. Some of the electronic components 14 can have their own heat sinks 15, as in 13A Furthermore, one can see in 13A an official 17.

13B zeigt eine weitere perspektivische Ansicht auf das Gerät 10 mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, die in einem Gehäuse 2 einer Energiespeichervorrichtung 1 enthalten sind. 13B shows a further perspective view of the device 10 with a plurality of energy storage cells 3 contained in a housing 2 of an energy storage device 1.

13C zeigt eine Schnittansicht durch ein Gerät 10, beispielsweise eine Stromquelle eines Schweißgerätes. 13C shows a sectional view through a device 10, for example a power source of a welding device.

13D zeigt eine weitere perspektivische Ansicht auf das Gerät von seitlich oben. Wie man aus den 13A bis 13D erkennen kann, befinden sich die Energiespeicherzellen 3 in räumlicher Nähe einer Leiterplatte 13, auf der sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile 14, insbesondere elektronische Leistungsbauteile, befinden. Diese elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 bilden Wärmequellen, Wärmesenken oder Wärmespeicher. Bauteile, die während des Betriebes eine hohe Wärmemenge erzeugen, beispielsweise Hochleistungstrafos, können über eigene Kühlkörper 15 verfügen. Die Energiespeichervorrichtung 1 und die Leiterplatte 13 können sich innerhalb des Gehäuses 2 des Gerätes 10 in räumlicher Nähe befinden und zum Teil wärmeleitend miteinander verbunden sein. Demzufolge beeinflusst das Temperaturverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 das Temperaturverhalten der Leiterplatte 13 und umgekehrt. Da die zweidimensionale Anordnung der Bauteile 14 auf der Leiterplatte 13 entsprechend dem Bestückungsplan bekannt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 1 derart ausgelegt oder geregelt werden, dass sie unter Berücksichtigung der Temperatureinwirkung durch die Leiterplatte 14 eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist. 13D shows another perspective view of the device from the side above. As you can see from the 13A to 13D can be seen, the energy storage cells 3 are located in spatial proximity to a circuit board 13 on which a large number of different components 14, in particular electronic power components, are located. These electronic components 14 of the device 10 form heat sources, heat sinks or heat storage devices. Components that generate a large amount of heat during operation, for example high-performance transformers, can have their own heat sinks 15. The energy storage device 1 and the circuit board 13 can be located in spatial proximity within the housing 2 of the device 10 and can partly be connected to one another in a heat-conducting manner. Consequently, the temperature behavior of the energy storage device 1 influences the temperature behavior of the circuit board 13 and vice versa. Since the two-dimensional arrangement of the components 14 on the circuit board 13 is known according to the assembly plan, the energy storage device 1 can be designed or controlled in such a way that it has a uniform temperature distribution, taking into account the temperature influence of the circuit board 14.

Wie in 23 schematisch weist das Gehäuse 2 des austauschbaren Energiespeichervorrichtung 1 bei einer möglichen Ausführungsform eine auf einer Gehäuseseite 2C angebrachte optische Anzeigeeinheit 18 mit Display auf. Die Anzeigeeinheit 18 zur Anzeige der momentanen Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann auch an einer Nutzerschnittstelle des Gerätes 10 vorgesehen sein. Hierdurch kann ein erforderlicher Austausch defekter Energiespeicherzellen frühzeitig erkannt werden und in einfacher Weise durch einen Nutzer ausgeführt werden.As in 23 In one possible embodiment, the housing 2 of the exchangeable energy storage device 1 schematically has an optical display unit 18 with a display mounted on a housing side 2C. The display unit 18 for displaying the current temperature distribution within the energy storage device 1 can also be provided on a user interface of the device 10. This allows a required replacement of defective energy storage cells to be detected early and carried out easily by a user.

Die 14A, 14B zeigen eine mögliche Variation der Geometrie der Strömungsleitobjekte 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung, um einen Einfluss von externen Wärmequellen bzw. Wärmesenken auszugleichen. 14A zeigt eine achsensymmetrische Verteilung der Querschnitte von Strömungsleitobjekten 4 entlang der Strömungsrichtung des Kühlmediums KM. Demgegenüber zeigt 14B eine unsymmetrische Verteilung der Querschnitte von Strömungsleitobjekten 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Wie man in 14B erkennen kann, sind an einer Längsseite des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 Strömungsleitobjekte 4 mit einem größeren Querschnitt vorgesehen. Bestehen diese Strömungsleitobjekte 4 aus einem Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C, kann hierdurch in diesem Bereich eine durch eine externe Wärmequelle zugeführte Wärme Q teilweise gespeichert werden und somit ein lokaler Temperaturanstieg in diesem Bereich abgemildert werden. Insgesamt sind die Strömungsleitobjekte 4 derart ausgestaltet, dass während des Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 erzielt wird. Hierdurch kann die Betriebslebensdauer der verschiedenen Energiespeicherzellen 3 sowie der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 erheblich gesteigert werden.The 14A , 14B show a possible variation of the geometry of the flow guiding objects 4 within the energy storage device 1 according to the fourth aspect of the invention in order to compensate for an influence of external heat sources or heat sinks. 14A shows an axially symmetric distribution of the cross sections of flow control objects 4 along the flow direction of the cooling medium KM. In contrast, 14B an asymmetrical distribution of the cross sections of flow guiding objects 4 within the energy storage device 1. How to 14B can be seen, flow guide objects 4 with a larger cross-section are provided on a long side of the housing 2 of the energy storage device 1. If these flow guide objects 4 are made of a material with a high specific heat capacity C, heat Q supplied by an external heat source can be partially stored in this area and thus a local temperature increase in this area can be mitigated. Overall, the flow guide objects 4 are designed in such a way that an approximately uniform temperature distribution is achieved within the energy storage device 1 during operation of the energy storage device 1. This can significantly increase the operating life of the various energy storage cells 3 and of the entire energy storage device 1.

Durch die Wahl eines geeigneten thermisch leitfähigen Materials für die Strömungsleitobjekte 4 ist es möglich, thermische Spitzenlasten zeitlich zu glätten und so mögliche hohe Temperaturen T in der Energiespeichervorrichtung 1 zu verhindern. Beispielsweise können bei einem Schweißgerät während des Schweißvorganges elektrische Ströme I aus der Energiespeichervorrichtung 1 entnommen werden, die kurzzeitig hohe Stromamplituden aufweisen. Die dabei entstehenden thermischen Spitzenlasten werden bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 weitestgehend ausgeglichen.By selecting a suitable thermally conductive material for the flow guide objects 4, it is possible to smooth thermal peak loads over time and thus prevent possible high temperatures T in the energy storage device 1. For example, in a welding device, electrical currents I can be taken from the energy storage device 1 during the welding process, which have high current amplitudes for a short time. The thermal peak loads that arise in this case are largely compensated for in the energy storage device 1 according to the invention.

15A zeigt ein Beispiel von thermisch leitfähigen Strömungsleitobjekten 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 einschließlich eines zugehörigen thermischen Ersatzschaltbildes mit thermischen Widerständen R und thermischen Kapazitäten C. 15A shows an example of thermally conductive flow guiding objects 4 within the energy storage device 1 including an associated thermal equivalent circuit with thermal resistances R and thermal capacitances C.

15B zeigt eine Abbildung einer Energiespeichervorrichtung 1 ohne leitfähige Strömungsleitobjekte 4 inklusive zugehörigem thermischen Ersatzschaltbild. Durch die zusätzliche thermische Kapazität CLO der Strömungsleitobjekte 4 gemäß 15A ist es möglich, eine kurzzeitige ungewollte starke Erwärmung der Energiespeichervorrichtung 1 zu verzögern bzw. zeitlich zu glätten. Gleichzeitig fungieren die Strömungsleitobjekte 4 zusätzlich als Kühlfinnen, durch die die in der Energiespeichervorrichtung 1 entstehende Wärme Q besser abgeführt werden kann. Zusätzlich können Wärmequellen aus den ohmschen Verlusten R in den Zellverbindern 9 mitberücksichtigt werden. Weiterhin ist es möglich, die zusätzliche Wärmekapazität CLo des Strömungsleitobjektes 4 durch Vorsehen von Phasenwechselspeichern zu optimieren bzw. zu erhöhen. 15B shows an illustration of an energy storage device 1 without conductive flow guide objects 4 including the associated thermal equivalent circuit. Due to the additional thermal capacity CLO of the flow guide objects 4 according to 15A it is possible to delay or smooth out a short-term, unwanted, strong heating of the energy storage device 1. At the same time, the flow guide objects 4 also function as cooling fins, through which the heat Q generated in the energy storage device 1 can be better dissipated. In addition, heat sources from the ohmic losses R in the cell connectors 9 can be taken into account. Furthermore, it is possible to optimize or increase the additional heat capacity CLo of the flow guide object 4 by providing phase change storage.

16 zeigt schematisch eine Wärmeabfuhr über eine Energiespeicherzelle 3 mit isolierendem Strömungsleitobjekt 4. In dem dargestellten Beispiel weist die Energiespeicherzelle 3 einen Durchmesser D und eine Höhe h auf. Die Energiespeicherzelle 3 hat somit eine Stirnfläche an beiden Polen sowie eine Mantelfläche, welche von dem Kühlmedium KM umströmt wird. Die Mantelfläche der Energiespeicherzelle 3 ist eine Fläche A, die von der Höhe h und dem Durchmesser D der Energiespeicherzelle 3 abhängt (A = h · D · π). 16 shows a schematic of heat dissipation via an energy storage cell 3 with an insulating flow guide object 4. In the example shown, the energy storage cell 3 has a diameter D and a height h. The energy storage cell 3 thus has an end face at both poles and a lateral surface around which the cooling medium KM flows. The lateral surface of the energy storage cell 3 is an area A that depends on the height h and the diameter D of the energy storage cell 3 (A = h · D · π).

Es gilt demgemäß: m C d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l Δ T = T c e l l − T f l u i d R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T f l u i d ) R α − 1 = A α ,

Figure DE102022212736A1_0001
wobei λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit,
Ts die Temperatur auf der Manteloberfläche der Energiespeicherzelle 3,
Tcell die Innentemperatur der Energiespeicherzelle 3,
fcell ein Formfaktor der Energiespeicherzelle 3,
ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Energiespeicherzelle 3 und der Temperatur des Kühlmediums KM (Fluid),
C die spezifische Wärmekapazität des Materials der Strömungsleitobjekte 4,
L der halbe Durchmesser D der Energiespeicherzelle 3,
A die Mantelfläche der Energiespeicherzelle 3,
R der thermische Widerstand,
m die Masse der Strömungsleitobjekte 4 ist.The following applies: m C d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l Δ T = T c e l l − T e l u i d R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T e l u i d ) R α − 1 = A α ,
Figure DE102022212736A1_0001
 where λ is the specific thermal conductivity,
T s is the temperature on the jacket surface of the energy storage cell 3,
Tcell is the internal temperature of the energy storage cell 3,
f cell is a form factor of the energy storage cell 3,
ΔT is the temperature difference between the temperature of the energy storage cell 3 and the temperature of the cooling medium KM (fluid),
C is the specific heat capacity of the material of the flow guiding objects 4,
L is half the diameter D of the energy storage cell 3,
A is the surface area of the energy storage cell 3,
R is the thermal resistance,
m is the mass of the flow guiding objects 4.

Die 17A, 17B zeigen Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. 17A, 17B verdeutlichen den Einfluss der spezifischen Wärmekapazität C auf das Temperaturverhalten der Energiespeichervorrichtung 1. In y-Richtung des Zeitdiagramms ist die Oberflächentemperatur Ts der Energiespeicherzelle 3 im Vergleich zur Innentemperatur Tcell der Energiespeicherzelle 3 genormt dargestellt. Das Verhältnis der Oberflächentemperatur Ts zur Innentemperatur Tcell darf einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Man erkennt in den 17A, 17B eine Energiespeichervorrichtung 1, die 40 % der Zeit, beispielsweise vier Minuten lang, in einem Lastbetrieb arbeitet und anschließend, beispielsweise sechs Minuten lang in einem Leerlauf bzw. während einer Pause keinen elektrischen Strom I an eine Last liefern muss. Man erkennt in den 17A, 17B drei Zeitzyklen mit einer Zeitperiode von beispielsweise jeweils zehn Minuten, wobei die Temperatur an der Oberfläche der Energiespeicherzelle 3 während des Betriebes, d.h. während der ersten vier Minuten, ansteigt und anschließend während der Pause abfällt. 17B zeigt einen Fall, bei der sich die Spitzentemperatur an der Oberfläche der Energiespeicherzellen 3 einer kritischen Grenztemperatur annähert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Strömungsleitobjekte 4 eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Sind die Strömungsleitobjekte 4 aus einem Material hergestellt, das eine hohe spezifische Wärmekapazität C aufweist, wird in den Strömungsleitobjekten 4 überschüssige Wärme Q gespeichert bzw. aufgenommen, sodass sich die Spitzen des Temperaturverlaufs gemäß 17A von der kritischen Grenztemperatur entfernen. Bei einer möglichen Implementierung werden die Strömungsleitobjekte 4 aus einem Metall mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C hergestellt. Weiterhin können die Strömungsleitobjekte 4 auch Kapseln aufweisen, in denen sich ein Material befindet, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft, beispielsweise von einem festen Aggregatszustand in einen flüssigen Aggregatszustand übergeht, d.h. schmilzt. Beispielsweise kann es sich hierbei um Paraffin oder dergleichen handeln.The 17A , 17B show timing diagrams to explain the operation of the energy storage device 1 according to the invention. 17A , 17B illustrate the influence of the specific heat capacity C on the temperature behavior of the energy storage device 1. In the y-direction of the time diagram, the surface temperature Ts of the energy storage cell 3 is shown in comparison to the internal temperature Tcell of the energy storage cell 3. The ratio of the surface temperature Ts to the internal temperature Tcell must not exceed a certain limit. One can see in the 17A , 17B an energy storage device 1 which operates for 40% of the time, for example for four minutes, in a load mode and then, for example for six minutes in an idle mode or during a break, does not have to supply any electrical current I to a load. It can be seen in the 17A , 17B three time cycles with a time period of, for example, ten minutes each, wherein the temperature on the surface of the energy storage cell 3 increases during operation, ie during the first four minutes, and then decreases during the break. 17B shows a case in which the peak temperature on the surface of the energy storage cells 3 approaches a critical limit temperature. This is the case, for example, if the flow-guiding objects 4 have a low heat capacity. If the flow-guiding objects 4 are made of a material that has a high specific heat capacity C, excess heat Q is stored or absorbed in the flow-guiding objects 4, so that the peaks of the temperature curve according to 17A from the critical limit temperature. In one possible implementation, the flow-guiding objects 4 are made of a metal with a high specific heat capacity C. Furthermore, the flow-guiding objects 4 can also have capsules in which there is a material that undergoes a phase change when heated, for example changes from a solid state to a liquid state, ie melts. For example, this can be paraffin or the like.

18A, 18B zeigen weitere Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. 18A zeigt ein stufenweises Erhitzen der Energiespeichervorrichtung 1 über drei zehnminütige Zyklen T in einer Energiespeichervorrichtung 1, die Strömungsleitobjekte 4 mit geringen Wärmeübergangskoeffizienten enthält. 18A , 18B show further timing diagrams to explain the functioning of a possible embodiment of the energy storage device 1 according to the invention. 18A shows a step-by-step heating of the energy storage device 1 over three ten-minute cycles T in an energy storage device 1 containing flow guiding objects 4 with low heat transfer coefficients.

18B zeigt ein gemessenes Temperaturverhalten einer Energiespeichervorrichtung 1 (Kurve I) im Vergleich zu einem simulierten bzw. berechneten Temperaturverhalten (Kurve II) einer Energiespeichervorrichtung 1. Bei diesem Beispiel entspricht das gemessene Temperaturverhalten weitestgehend dem simulierten bzw. berechneten Temperaturverhalten. Das gemessene und das simulierte Temperaturverhalten kann bei einer möglichen Ausführungsform durch eine Berechnungseinheit 6A einer Regelungsschaltung 6 miteinander verglichen werden, um gegebenenfalls Abweichungen festzustellen. In Abhängigkeit einer festgestellten Abweichung (beispielsweise Fehlfunktion bzw. Übertemperatur von einer oder mehrerer Energiespeicherzellen 3) kann mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 durch die Regelungsschaltung solange geregelt werden bis das gemessene Ist-Temperaturverhalten möglichst dem berechneten Soll-Temperaturverhalten entspricht. Dies geschieht durch Einstellung der Betriebsparameter BP, insbesondere durch Einstellung der Strömungsrate SR des Kühlmediums KM und/oder durch Schwenken/Drehen von Strömungsleitobjekten 4 und/oder durch Aufblasen/Entleeren von Strömungsleitobjekten 4. 18B shows a measured temperature behavior of an energy storage device 1 (curve I) in comparison to a simulated or calculated temperature behavior (curve II) of an energy storage device 1. In this example, the measured temperature behavior largely corresponds to the simulated or calculated temperature behavior. In one possible embodiment, the measured and simulated temperature behavior can be calculated by a calculation unit 6A of a control circuit 6. are compared with each other in order to determine any deviations. Depending on a detected deviation (for example malfunction or overtemperature of one or more energy storage cells 3), at least one operating parameter BP of the energy storage device 1 can be regulated by the control circuit until the measured actual temperature behavior corresponds as closely as possible to the calculated target temperature behavior. This is done by setting the operating parameters BP, in particular by setting the flow rate SR of the cooling medium KM and/or by pivoting/rotating flow guide objects 4 and/or by inflating/deflating flow guide objects 4.

19 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1, bei der ein Zellverbinder 9 eine zusätzliche Wärmekapazität bereitstellt. Die Energiespeicherzelle 3 kann einerseits über ihre Mantelfläche radial Wärme Q abführen und andererseits über ihre Stirnfläche axial Wärme Q an den Zellverbinder abgeben. m C p d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l − A 2 Δ L 2 λ 2 ( T c e l l − T c ) ƒ 2 Δ T = T c e l l − T ƒ l u i d   A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T f l u i d ) R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l   A 2 Δ L 2 λ 2 ( T c e l l − T c ) ƒ 2 = A C u Δ L C u λ C u ( T c − T C u ) ƒ C u R α − 1 = A α

Figure DE102022212736A1_0002
Δ T C u = T C u − T f l u i d m C u C p , C u d Δ T C u d t = A C u Δ L C u λ C u ( T c − T C u ) ƒ C u R 2 − 1 = A 2 Δ L 2 λ 2 ƒ 2 R C u − 1 = A C u Δ L C u λ C u ƒ C u
Figure DE102022212736A1_0003
 19 shows schematically a further embodiment of the energy storage device 1, in which a cell connector 9 provides an additional heat capacity. The energy storage cell 3 can, on the one hand, dissipate heat Q radially via its outer surface and, on the other hand, release heat Q axially to the cell connector via its end face. m C p d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l − A 2 Δ L 2 λ 2 ( T c e l l − T c ) ƒ 2 Δ T = T c e l l − T ƒ l u i d A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T e l u i d ) R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l A 2 Δ L 2 λ 2 ( T c e l l − T c ) ƒ 2 = A C u Δ L C u λ C u ( T c − T C u ) ƒ C u R α − 1 = A α
Figure DE102022212736A1_0002
 Δ T C u = T C u − T e l u i d m C u C p , C u d Δ T C u d t = A C u Δ L C u λ C u ( T c − T C u ) ƒ C u R 2 − 1 = A 2 Δ L 2 λ 2 ƒ 2 R C u − 1 = A C u Δ L C u λ C u ƒ C u
Figure DE102022212736A1_0003

Beispielsweise kann der Zellverbinder als Wärmespeicher aus einem Material mit hoher spezifischer Wärmekapazität C hergestellt werden. Bei dem in 19 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Zellverbinder 9 Kupfer als wärmespeicherndes Material auf. Der zusätzliche Wärmespeicher glättet die Temperaturspitzen und Temperaturhügel, dies führt insgesamt dazu, dass geringere Temperaturmaxima innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 entstehen. Die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann somit geglättet werden, wodurch die Betriebslebensdauer des Systems bzw. der Energiespeichervorrichtung 1 signifikant erhöht wird.For example, the cell connector can be made as a heat storage device from a material with a high specific heat capacity C. In the 19 In the embodiment shown, the cell connector 9 has copper as a heat-storing material. The additional heat storage smooths out the temperature peaks and temperature hills, which overall leads to lower temperature maxima within the energy storage device 1. The temperature distribution within the energy storage device 1 can thus be smoothed out, which significantly increases the service life of the system or the energy storage device 1.

20A, 20B zeigen das entsprechende Temperaturverhalten. 20A zeigt einen Vergleich der Temperaturverläufe (Energiespeicherzelle 3 und Wärmespeicher) einmal mit und einmal ohne Vorsehen eines Wärmespeichers. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann über Kalibrierkoeffizienten, beispielsweise mittels FE-Detailsimulation oder Messungen kalibriert werden, wie in 20B dargestellt. 20A , 20B show the corresponding temperature behavior. 20A shows a comparison of the temperature profiles (energy storage cell 3 and heat storage) once with and once without the provision of a heat storage device. The energy storage device 1 can be calibrated using calibration coefficients, for example by means of FE detailed simulation or measurements, as in 20B shown.

21 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 mit einem thermisch leitenden Strömungsleitobjekt 4 und zusätzlich einem Zellverbinder 9, der eine weitere Wärmekapazität bereitstellt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt Wärmeabfuhr von der Energiespeicherzelle 3 radial über die Mantelflächen des Kühlmediums KM und axial in den Zellverbinder 9. Die zusätzliche Wärmeabfuhr über die Strömungsleitobjekte 4 glättet die Temperaturspitzen und führt zu geringeren Temperaturgradienten innerhalb der Energiespeicherzelle 1. m C p d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l − A C V Δ L C V λ C V ( T c e l l − T L O ) ƒ C V

Figure DE102022212736A1_0004
m L O C p L O d Δ T L O d t = A C V Δ L C V λ C V ( T c e l l − T L O ) ƒ C V − A L O Δ L L O λ L O ( T L O − T L O s ) ƒ L O Δ T = T c e l l − T f l u i d Δ T L O = T L O − T f l u i d A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T f l u i d ) R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l R α − 1 = A α R λ C V − 1 = A C V Δ L C V λ C V ƒ C V A L O Δ L L O λ L O ( T L O − T L O s ) ƒ L O = A L O α L O ( T L o s − T f l u i d ) R α L O − 1 = A L O Δ L L O λ L O ƒ L O R α L O − 1 = A L O α L O
Figure DE102022212736A1_0005
 21 shows a further embodiment of an energy storage device 1 with a thermally conductive flow guide object 4 and additionally a cell connector 9, which provides an additional heat capacity. In this embodiment, heat is dissipated from the energy storage cell 3 radially via the lateral surfaces of the cooling medium KM and axially into the cell connector 9. The additional heat dissipation via the flow guide objects 4 smooths out the temperature peaks and leads to lower temperature gradients within the energy storage cell 1. m C p d Δ T d t = P − A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l − A C V Δ L C V λ C V ( T c e l l − T L O ) ƒ C V
Figure DE102022212736A1_0004
 m L O C p L O d Δ T L O d t = A C V Δ L C V λ C V ( T c e l l − T L O ) ƒ C V − A L O Δ L L O λ L O ( T L O − T L O s ) ƒ L O Δ T = T c e l l − T e l u i d Δ T L O = T L O − T e l u i d A Δ L λ ( T c e l l − T s ) ƒ c e l l = A α ( T s − T e l u i d ) R λ − 1 = A Δ L λ ƒ c e l l R α − 1 = A α R λ C V − 1 = A C V Δ L C V λ C V ƒ C V A L O Δ L L O λ L O ( T L O − T L O s ) ƒ L O = A L O α L O ( T L O s − T e l u i d ) R α L O − 1 = A L O Δ L L O λ L O ƒ L O R α L O − 1 = A L O α L O
Figure DE102022212736A1_0005

Die 22A, 22B zeigen entsprechende Temperaturverläufe bei einer Simulation eines Temperaturverhaltens einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 mit Vorsehen eines Wärmespeichers und ohne Vorsehen eines Wärmespeichers. Durch das Vorsehen von Wärmespeichern in den Zellverbindern 9 sowie das Vorsehen von Strömungsleitobjekten 4 mit hoher spezifischer Wärmekapazität C kann insgesamt erreicht werden, dass die Temperaturverläufe insgesamt zunehmend geglättet werden und weiterhin sich die Spitzen der Temperaturverläufe von der zulässigen Grenzlinie entfernen. 22A zeigt die Glättung durch Vorsehen von Wärmespeichern und wärmespeichernden Strömungsleitobjekten 4 und 22B zeigt das Absenken des Temperaturniveaus insgesamt bzw. eine Entfernung von der zulässigen Grenztemperaturlinie.The 22A , 22B show corresponding temperature profiles in a simulation of a temperature behavior of an energy storage device 1 according to the invention with the provision of a heat accumulator and without the provision of a heat accumulator. By providing heat accumulators in the cell connectors 9 and providing flow guide objects 4 with a high specific heat capacity C, it can be achieved overall that the temperature profiles are increasingly smoothed and the peaks of the temperature profiles move away from the permissible limit line. 22A shows the smoothing by providing heat storage and heat-storing flow control objects 4 and 22B shows the overall reduction of the temperature level or a distance from the permissible limit temperature line.

Die verschiedenen Aspekte der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1, wie sie in den 1 bis 22 dargestellt sind, können für verschiedene Anwendungsfälle miteinander kombiniert werden.The various aspects of the energy storage device 1 according to the invention, as shown in the 1 to 22 can be combined for different applications.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
EnergiespeichervorrichtungEnergy storage device
22
Gehäuse der EnergiespeichervorrichtungHousing of the energy storage device
2A2A
EingangsseiteHome page
2B2 B
AusgangsseiteHome Page
2C2C
OberseiteTop
33
EnergiespeicherzelleEnergy storage cell
44
StrömungsleitobjekteFlow control objects
4A4A
IsolationsschichtInsulation layer
55
AbschirmobjekteShielding objects
66
Regelungregulation
6A6A
BerechnungseinheitCalculation unit
6B6B
DatenspeicherData storage
77
AufnahmekäfigRecording cage
88th
ZellhalterCell holder
99
ZellverbinderCell connectors
1010
GerätDevice
1111
Sensoren XSensors X
1212
AktuatorenActuators
1313
LeiterplatteCircuit board
1414
BauteilComponent
1515
KühlkörperHeatsink
1616
Anschlüsseconnections
1717
FunktionsbauteilFunctional component
1818
AnzeigeeinheitDisplay unit
1919
AnzeigeelementDisplay element
2020
AnzeigeelementDisplay element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 7896063 B2 [0006]US 7896063 B2 [0006]
  • JP 2000133225 A [0009]JP 2000133225 A [0009]
  • JP 200033225 A [0009]JP 200033225 A [0009]

Claims (7)

Energiespeichervorrichtung (1) mit mehreren Energiespeicherzellen (3), die in einem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen (3) von einem Kühlmedium (KM) durchströmbar ist, wobei Gruppen von Energiespeicherzellen (3) jeweils in Aufnahmekäfigen (7) angeordnet sind, die mehrere Strömungsleitobjekte (4) aufweisen, welche einander gegenüberliegende Zellhalter (8) des Aufnahmekäfigs (7) verbinden, die zur mechanischen Halterung der in dem Aufnahmekäfig (7) aufgenommenen Energiespeicherzellen (3) vorgesehen sind.Energy storage device (1) with a plurality of energy storage cells (3) which are arranged in a housing (2) of the energy storage device (1), wherein the housing (2) of the energy storage device (1) can be flowed through by a cooling medium (KM) for cooling the energy storage cells (3) contained therein, wherein groups of energy storage cells (3) are each arranged in receiving cages (7) which have a plurality of flow guide objects (4) which connect mutually opposite cell holders (8) of the receiving cage (7), which are provided for the mechanical holding of the energy storage cells (3) received in the receiving cage (7). Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zellhalter (8) des Aufnahmekäfigs (7) elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der von den beiden einander gegenüberliegenden Zellhalter (8) mechanisch gehaltenen Energiespeicherzelle (3) aufweisen.Energy storage device according to Claim 1 , wherein the cell holders (8) of the receiving cage (7) have electrical contacts for electrically contacting electrical poles of the energy storage cell (3) mechanically held by the two opposing cell holders (8). Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Strömungsleitobjekte (4) des Aufnahmekäfigs (7) jeweils stabförmig ausgebildet sind.Energy storage device according to Claim 1 or 2 , wherein flow guiding objects (4) of the receiving cage (7) are each rod-shaped. Energiespeichervorrichtung nach einen der vorangehenden Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Strömungsleitobjekte (4) des Aufnahmekäfigs (7) jeweils ein elektrisches Isolationselement (4A) zur elektrischen Isolation von elektrischen Kontakten einander gegenüberliegender Zellhalter (8) des Aufnahmekäfigs (7) aufweisen.Energy storage device according to one of the preceding Claims 1 until 3 , wherein the flow guiding objects (4) of the receiving cage (7) each have an electrical insulation element (4A) for the electrical insulation of electrical contacts of opposing cell holders (8) of the receiving cage (7). Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4 , wobei der Aufnahmekäfig (7) in dem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) manuell austauschbar angeordnet ist.Energy storage device according to one of the preceding Claims 1 until 4 , wherein the receiving cage (7) is arranged in the housing (2) of the energy storage device (1) in a manually replaceable manner. Energiespeichervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Aufnahmekäfig (7) aus mehreren Teilen durch Steckverbindungen gebildet ist.Energy storage device according to one of the preceding Claims 1 until 5 , wherein the receiving cage (7) is formed from several parts by plug connections. Aufnahmekäfig (7) für eine Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüchen 1 bis 6, mit einander gegenüberliegenden Zellhaltern (8) zur mechanischen Halterung von Energiespeicherzellen (3) und mit Strömungsleitobjekten (4), welche die gegenüberliegenden Zellhalter (8) miteinander verbinden.Receiving cage (7) for an energy storage device (1) according to one of the preceding Claims 1 until 6 , with opposing cell holders (8) for the mechanical holding of energy storage cells (3) and with flow guiding objects (4) which connect the opposing cell holders (8) to one another.
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