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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Wärmemanagementsystem und insbesondere auf ein Wärmemanagementsystem zur Steuerung der Wärmebelastung von Leistungselektronik in einem Energiespeicherbehälter.
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Hintergrund
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Dieselkraftstoff wird typischerweise für den Antrieb von Bohrinseln an Land verwendet. Erdgas ist aufgrund der geringeren Emissionen, der niedrigeren Kosten und der weit verbreiteten Verfügbarkeit des an den Bohrstellen geförderten Erdgases eine attraktive Alternative. Im Gegensatz zu dieselbetriebenen Stromaggregaten ist das Einschwingverhalten von Erdgasaggregaten jedoch unzureichend, um große Laständerungen auf einer Bohrinsel zu bewältigen, es sei denn, sie werden mit einem Energiespeichersystem kombiniert. Backup-Energiequellen können auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, z. B. in abgelegenen medizinischen Einrichtungen oder in Fahrzeugen. Eine Backup-Energiequelle, z.B. aus Lithium-Ionen-Batterien, wird eingesetzt, um die Energieversorgung der Bohrinsel zu ergänzen, wenn Erdgasmotoren die Last nicht übernehmen können. Die Backup-Energiequelle kann in einem Gehäuse, zum Beispiel einem 20-Fuß-Behälter, untergebracht werden. Auch die Leistungselektronik, wie z.B. ein Wechselrichter, kann in dem Gehäuse untergebracht werden, um zu verhindern, dass die internen Komponenten aufgrund der feuchten Umgebungsbedingungen korrodieren. Die Backup-Energiequelle und die Leistungselektronik benötigen Kühlsysteme, um ein Wärmemanagement zu gewährleisten, z.B. die Kühlung von Luft oder Kühlmittel um die Energiequelle und die Leistungselektronik herum, weil die Energiequelle und/oder die Leistungselektronik außerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs möglicherweise nicht ordnungsgemäß funktionieren, und wie erwähnt bei extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen die Energiequelle und/oder die Leistungselektronik beschädigt werden können. Das heißt, Energiespeichersysteme mit solchen Backup-Energiequellen und Leistungselektronik benötigen ein effizientes Wärmemanagement für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Energiespeichersystems.
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Als Beispiel für ein Kühlsystem für eine Leistungselektronik beschreibt die internationale Patentanmeldung Nr.
WO2018/038662 (die „Veröffentlichung '662“) ein Kühlsystem für ein Hybridfahrzeug, wobei das System einen Hochtemperaturkreislauf zur Kühlung der Leistungselektronik und einen Niedertemperaturkreislauf zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers während des Betriebs des Fahrzeugs aufweist. Während eines Schnellladevorgangs wird im elektrischen Energiespeicher mehr Wärmeenergie erzeugt als beim Betrieb des Fahrzeugs, und der Niedertemperaturkreislauf ist daher meist nicht in der Lage, den elektrischen Energiespeicher während des Schnellladevorgangs ausreichend zu kühlen. Da die Leistungselektronik während des Schnellladevorgangs nicht gekühlt werden muss, kann ein Kühler des Hochtemperaturkreislaufs zusätzlich zu einem Kühler des Niedertemperaturkreislaufs in einem modifizierten Strömungskreislauf verwendet werden, um das Kühlmittel im Niedertemperaturkreislauf auf eine für die Kühlung des elektrischen Energiespeichers notwendige niedrige Temperatur zu kühlen und damit eine Beschädigung des elektrischen Energiespeichers zu verhindern. Dieser modifizierte Strömungskreislauf kühlt also das Kühlmittel über zwei Kühler, um die Kühlleistung des Systems zu erhöhen. Das in der Veröffentlichung '662 beschriebene System sieht somit ein Kühlsystem vor, das während eines Schnellladevorgangs auf einen modifizierten Strömungskreislauf umschalten kann.
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Energiespeicherbehälter können in gewerblichen und industriellen Anwendungen zur Spitzenlastreduzierung, Lastverschiebung, Notstromversorgung und für verschiedene Netzdienstleistungen eingesetzt werden. Solche Energiespeicherbehälter erfordern Kühlsysteme, die in der Lage sind, elektrische Energiespeicher zu kühlen, die größer sind als die elektrischen Energiespeicher eines Hybridfahrzeugs und mehr Energie liefern. Ferner können solche Energiespeicherbehälter in einem weiten Temperaturbereich, z.B. unter extremen Temperaturbedingungen, angeordnet sein und betrieben werden und erfordern daher Kühlsysteme, die unter solchen Bedingungen ein effizientes Wärmemanagement ermöglichen.
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Das Wärmemanagementsystem der vorliegenden Offenbarung kann eines oder mehrere der oben genannten Probleme und/oder andere Probleme im Fachgebiet lösen. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird jedoch durch die beigefügten Ansprüche definiert, und nicht durch die Fähigkeit, ein bestimmtes Problem zu lösen.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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In einem Aspekt umfasst ein Wärmemanagementsystem für einen Energiespeicherbehälter Folgendes: ein umschlossenes Fach, das eine Energiespeichereinheit enthält, eine Lufttemperatursteuereinheit, die dafür konfiguriert ist, das Innere des umschlossenen Fachs zu kühlen, und mindestens einen Wechselrichter, der mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, der von der Lufttemperatursteuereinheit getrennt ist, und der dafür konfiguriert ist, durch ein Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf gekühlt zu werden. Das Wärmemanagementsystem umfasst außerdem Folgendes: einen Kühler, der sich außerhalb des umschlossenen Fachs befindet, wobei der Kühler mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist und das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf durch den Kühler strömt, und mindestens ein Gebläse, das neben dem Kühler außerhalb des umschlossenen Fachs angeordnet ist, wobei das mindestens eine Gebläse dafür konfiguriert ist, Luft über den Kühler zu blasen, um das durch den Kühler strömende Kühlmittel zu kühlen.
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In einem anderen Aspekt enthält ein Wärmemanagementsystem Folgendes: ein Gehäuse mit einem isolierten Fach, das eine Energiespeichereinheit umfasst, eine Lufttemperatursteuereinheit, die dafür konfiguriert ist, einen Innenraum des isolierten Fachs zu kühlen, und einen Leistungselektronikschrank, der mindestens einen Wechselrichter umfasst. Der Leistungselektronikschrank ist an einen von der Lufttemperatursteuereinheit getrennten Kühlmittelkreislauf angeschlossen, der den Leistungselektronikschrank kühlt. Das Wärmemanagementsystem enthält ferner Folgendes: ein Seitenfach, das sich neben dem Isolierfach befindet, wobei das Seitenfach einen Kühler umfasst, der in einer Kühleröffnung in dem Seitenfach angeordnet ist, und mindestens ein Gebläse, das neben dem Kühler angeordnet ist, wobei das mindestens eine Gebläse dafür konfiguriert ist, Luft über das Seitenfach zu blasen.
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In einem weiteren Aspekt umfasst ein Wärmemanagementsystem zum Wärmemanagement einer Leistungselektronik-Speichereinheit Folgendes: ein umschlossenes Fach, das die Leistungselektronik-Speichereinheit enthält, die mindestens einen Wechselrichter enthält, einen Kühler, der sich außerhalb des umschlossenen Fachs befindet, mindestens ein Gebläse, das neben dem Kühler außerhalb des umschlossenen Fachs angeordnet ist, wobei das mindestens eine Gebläse so gebildet ist, dass es Luft über den Kühler bläst, und einen Kühlmittelkreislauf, der sich durch die Leistungselektronik-Speichereinheit erstreckt und mit dem Kühler verbunden ist, wobei ein Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf durch den Kühler fließt und durch die von dem mindestens einen Gebläse über den Kühler geblasene Luft gekühlt wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Wärmemanagementsystems mit einem Speicherbehälter, der ein Backup-Energiesystem und Leistungselektronik gemäß der vorliegenden Offenbarung unterbringt;
- 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht des in 1 dargestellten Wärmemanagementsystems; und
- 3 zeigt ein schematisches Diagramm des in 1 und 2 dargestellten Wärmemanagementsystems.
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Ausführliche Beschreibung
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Sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung sind nur beispielhaft und erläuternd und schränken die beanspruchten Merkmale nicht ein. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „mit“, „einschließlich“ oder andere Variationen davon dazu bestimmt, eine nicht ausschließliche Einbeziehung zu umfassen, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Gegenstand oder eine Vorrichtung, der/die/das eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente umfasst, sondern auch andere Elemente umfassen kann, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder zu einem solchen Prozess, Verfahren, Gegenstand oder einer solchen Vorrichtung gehören. Darüber hinaus werden in dieser Offenbarung relative Begriffe wie z. B. „etwa“, „im Allgemeinen“, „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ verwendet, um eine mögliche Abweichung von ± 10 % des angegebenen Wertes anzuzeigen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Wärmemanagementsystems 100 der vorliegenden Offenbarung. Das Wärmemanagementsystem 100 umfasst einen Energiespeicherbehälter 102 (im Folgenden Speicherbehälter 102), der eine Energiespeichereinheit 104 und einen Leistungselektronikschrank 106 in einem Hauptfach 108 aufnimmt. Das Hauptfach 108 weist außerdem eine Lufttemperatursteuereinheit, wie z.B. eine Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlageneinheit (HVA001C) 110 auf, die Luft erwärmt oder abkühlt und die erwärmte oder abgekühlte Luft im Hauptfach 108 zirkulieren lässt. Der Speicherbehälter 102 weist außerdem ein an das Hauptfach 108 angrenzendes Seitenfach 112 auf, das einen Transformatorschacht 114 umfasst. Das Hauptfach 108 und das Seitenfach 112 sind durch eine Wand 116 getrennt.
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2 zeigt eine weitere schematische Ansicht des Wärmemanagementsystems 100. Insbesondere zeigt 2 einen Innenraum des Seitenfachs 112, einschließlich des Transformatorschachts 114, in dem ein oder mehrere Transformatoren 118 (dargestellt in 3) installiert sind, und einen Kühler 120. Die Transformatoren 118 können z.B. einen Abspanntransformator, der eine Spannung von 600 V auf 480 V reduziert, und einen Landstromtransformator, der 208 V ausgibt, umfassen. Die Transformatoren 118 sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern können auch andere Arten von Transformatoren sein, wie z.B. ein Aufwärtstransformator. Der Speicherbehälter 102 kann auch eine oder mehrere Türen 122 für den Zugang zu dem Hauptfach 108 und/oder dem Seitenfach 112 zu Wartungs- und Betriebszwecken aufweisen.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm des in den 1 und 2 dargestellten Wärmemanagementsystems 100. Das Hauptfach 108 kann an seinem äußeren Umfang mit einer Isolierschicht 124 versehen sein. Die Isolierschicht 124 reduziert eine Belastung der HLK-Einheit 110 in Bezug auf den Verbrauch während eines Kühlvorgangs, wie im Folgenden näher erläutert wird. Das Seitenfach 112 kann an einer Seite des Behälters 102 eine Kühleröffnung 126 und an einer gegenüberliegenden Seite des Behälters 102 eine ebenfalls in 2 dargestellte Lamellenöffnung 128 aufweisen, wie in 3 gezeigt. Die Lamellenöffnung 128 kann Lamellen und Filter enthalten, durch die Luft strömen kann.
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Das Wärmemanagementsystem 100 umfasst auch ein Kühlsystem 130 mit einer Leitung 132. Durch die Leitung 132 fließt ein Kühlmittel, das beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch im Verhältis 50:50 sein kann, wobei auch andere Arten von Kühlmitteln verwendet werden können. Das Kühlsystem 130 umfasst auch eine Pumpe 134, den Kühler 120 und ein oder mehrere Gebläse 136, die alle in dem Seitenfach 112 angeordnet sind. Das Kühlsystem 130 ist mit dem Leistungselektronikschrank 106 verbunden, der einen oder mehrere Wechselrichter 138 aufnehmen kann, die Gleichstrom (DC) von den Batterien 140 als Backup-Energiequelle in Wechselstrom (AC) umwandeln, der an andere Leistungselektronikeinheiten (nicht dargestellt) geliefert wird, die mit dem Wärmemanagementsystem des Energiespeicherbehälters 100 verbunden ist.
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Unter Bezugnahme auf 3 nimmt die Energiespeichereinheit 104 die Batterien 140 als eine Vielzahl von Backupenergiequellen auf. Die Batterien 140 können in Reihe und/oder parallel angeordnet und geschaltet sein. Bei den Batterien 140 kann es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Batterien handeln, die für einen Betrieb in einem Temperaturbereich von beispielsweise 10 °C bis 30 °C bei einem Druck von 120 kPa ausgelegt sein können. Die Batterien 140 können flüssigkeitsgekühlt oder luftgekühlt sein. Insbesondere können die Batterien 140 beispielsweise durch Luft innerhalb des Speicherbehälters 102 gekühlt werden, die von der HLK-Einheit 110 gekühlt wird. Neben der Versorgung der Leistungselektronik über den Wechselrichter 138 versorgen die Batterien 140 über eine Stromversorgungsleitung (nicht dargestellt) eine Maschine mit Strom.
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Wiederum unter Bezugnahme auf 3 werden die Komponenten des Kühlsystems 130 im Detail beschrieben. Die Pumpe 134 kann sich im Seitenfach 112 befinden und kann eine Kreiselpumpe sein, es können aber auch andere Pumpentypen verwendet werden. Die Pumpe 134 hält den Druck des Kühlmittels im Kühlsystem 130 auf beispielsweise 190 kPa. Der Leistungselektronikschrank 106 befindet sich stromabwärts der Pumpe 134 und innerhalb des Hauptfachs 108. Und, wie oben erwähnt, umfasst der Leistungselektronikschrank 106 beispielsweise einen oder mehrere Wechselrichter 138, die Gleichstrom aus den Batterien 140 in Wechselstrom umwandeln. Der eine oder die mehreren Wechselrichter 138 sind jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt, sondern können auch Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
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Der Kühler 120 ist dem Leistungselektronikschrank 106 nachgeschaltet und befindet sich im Seitenfach 112 und außerhalb des Hauptfachs 108 des Speicherbehälters 102. Der Kühler 120 kann eine oder mehrere Rippen 142 aufweisen, die Wärme (d.h. thermische Energie) aus dem durch den Kühler 120 fließenden Kühlmittel aufnehmen. Die Gebläse 136, die neben dem Kühler 120 angeordnet sind, drücken Luft von außerhalb (Umgebungsluft) des Seitenfachs 112 durch den Kühler 120 und über den Transformatorschacht 114, um die Transformatoren 118 zu kühlen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das Wärmemanagementsystem 100 der vorliegenden Offenbarung sorgt für eine effiziente Kühlung eines Speicherbehälters 102 und insbesondere eines Leistungselektronikschranks 106 innerhalb des Speicherbehälters 102, um den Leistungselektronikschrank 106 und dessen Inhalt unter einer maximalen Temperaturschwelle von z.B. 80 °C zu halten, wenn er einem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist. Durch die HLK-Einheit 110, die den Speicherbehälter 102 einschließlich der Energiespeichereinheit 104 kühlt, und durch das Kühlsystem 130, einschließlich des Kühlers 120, das den Leistungselektronikschrank 106 und dessen Inhalt kühlt, reduziert das Wärmemanagementsystem 100 der vorliegenden Offenbarung insbesondere die Belastung der HLK-Einheit 110 im Hinblick auf die Nutzung während eines Kühlvorgangs. Durch die Verringerung der Belastung der HLK-Einheit 110 wird die Gesamtleistungsaufnahme des Wärmemanagementsystems 100 verringert und dessen Effizienz erhöht. Durch die Positionierung des Kühlers 120 außerhalb des Hauptfachs 108 des Speicherbehälters 102 wird zudem eine Größe des Kühlers 120 nicht durch eine Größe des Speicherbehälters 102 eingeschränkt. Diese Anordnung ermöglicht somit eine Vergrößerung des Kühlers 120, wodurch relativ mehr Wärme aus dem Leistungselektronikschrank 106 abgeführt werden kann, was wiederum zu einem verbesserten Wirkungsgrad des einen oder der mehreren Wechselrichter 138 und anderer im Leistungselektronikschrank 106 untergebrachter Leistungselektronik führt.
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Wenn das Wärmemanagementsystem 100 in Betrieb ist, zirkuliert die Pumpe 134 das Kühlmittel in der Leitung 132 des Kühlsystems 130. Die Kühlflüssigkeit fließt von der Pumpe 134 in das Hauptfach 108 zum Leistungselektronikschrank 106 und absorbiert Wärme aus der Luft innerhalb des Leistungselektronikschranks 106 und kühlt dadurch den Wechselrichter 138 und andere darin enthaltene Leistungselektronik. Das erwärmte Kühlmittel fließt dann aus dem Leistungselektronikschrank 106 aus dem Hauptfach 108 heraus, zum Seitenfach 112 und in den Kühler 120. Das Kühlmittel, das durch den Kühler 120 fließt, wird durch die Rippen 142 des Kühlers 120, die die Wärme des Kühlmittels aufnehmen, und die Luft, die über die Rippen 142 strömt, gekühlt. Die Luft wird durch die Gebläse 136 von außerhalb des Seitenfachs 112 über die Lamellen 142 gepresst. Das Kühlmittel fließt dann zurück zur Pumpe 134. Da sich der Kühler 120 im Seitenfach 112 befindet, kann, wie oben erwähnt, eine Größe des Kühlers 120 vergrößert werden, was wiederum eine Vergrößerung des Kühlers und damit eine Erhöhung der Kühlleistung des Kühlers 120 ermöglicht.
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Die Gebläse 136 drücken Luft von außerhalb des Seitenfachs 112 über den Kühler 120 und über den Transformatorschacht 114. Die durch den Transformatorschacht 114 gepresste Luft kühlt die Transformatoren 118 sowie die zugehörigen Hochspannungskabel und - verdrahtungssysteme (nicht dargestellt). Die Luft strömt dann durch die Lamellenöffnung 128 nach außen aus dem Seitenfach 112. Mit dieser Anordnung kann eine Temperatur des Kühlmittels im Kühlsystem 130, das zum Leistungselektronikschrank 106 strömt, auf 30 °C oder weniger gehalten werden, um eine ausreichende Kühlung des Wechselrichters 138 und anderer im Leistungselektronikschrank 106 enthaltener Leistungselektronik sicherzustellen. Eine Temperatur der in den Kühler 120 einströmenden Luft kann etwa 25 °C betragen, und die aus dem Kühler 120 ausströmende Luft kann etwa 35 °C betragen. Für die Kühlung der Transformatoren 118 ist Luft mit einer Temperatur von etwa 35 °C ausreichend. Auch Luft mit noch höheren Temperaturen kann zur Kühlung der Transformatoren ausreichen, da z.B. in Nordamerika die Umgebungstemperaturen in der Regel nicht über 50 °C liegen.
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Das Wärmemanagementsystem 100 der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine relativ effiziente Kühlung von Komponenten innerhalb eines Speicherbehälters 102, insbesondere eines Leistungselektronikschranks 106, in einem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen. Da der eine oder die mehreren Wechselrichter 138 und die sonstige Leistungselektronik in dem Leistungselektronikschrank 106, der sich innerhalb des Speicherbehälters 102 befindet, untergebracht sind, sind sie vor Schäden durch Verschmutzung und/oder Witterungseinflüsse, z.B. Korrosion durch Feuchtigkeit, geschützt. Und weil das Kühlsystem 130 den Leistungselektronikschrank 106 kühlt, können hohe Temperaturen innerhalb des Leistungselektronikschranks 106 vermieden werden. Dadurch kann die Leistung des einen oder der mehreren Wechselrichter 138 und der sonstigen Leistungselektronik optimiert werden. Darüber hinaus kühlt Luft über den Kühler 120 und die Gebläse 136 das Kühlmittel im Kühlsystem 130 sowie den einen oder die mehreren Transformatoren 118 im Transformatorschacht 114. Da Luft zur Kühlung des einen oder der mehreren Transformatoren 118 verwendet wird (d.h. eine forcierte Luftkühlung der Transformatoren 118 wird ermöglicht), ist die Größe der Transformatoren 118 nicht begrenzt und kann erhöht werden, ohne dass zusätzliche Kühlkomponenten erforderlich sind, die höhere Kosten verursachen und die Gesamteffizienz des Wärmemanagementsystems 100 verringern würden. Da die Transformatoren 118 mit Luft gekühlt werden, kann der Gesamtplatzbedarf eines Transformators einer bestimmten Leistung reduziert werden. Dadurch, dass sich der Kühler 120 außerhalb des isolierten Hauptfachs 108 befindet und zur Kühlung des Leistungselektronikschranks 106 verwendet wird, kann eine Belastung der HLK-Anlage 110 reduziert werden, da die warme Luft im Leistungselektronikschrank 106 nicht durch die HLK-Anlage 110 gekühlt werden muss. Infolgedessen kann eine Größe der HLK-Einheit 110 reduziert werden, wodurch der Gesamtstromverbrauch des Wärmemanagementsystems 100 reduziert, die mit dessen Verwendung verbundenen Kosten reduziert und dessen Effizienz erhöht werden.
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Es ist Fachleuten ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Energiespeicher- und Wärmemanagementsystem vorgenommen werden können, ohne von dem Anwendungsbereich der Offenbarung abzuweichen. Weitere Ausführungsformen des Energiespeicher- und Wärmemanagementsystems werden Fachleuten aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren ersichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Spezifikation und insbesondere die hierin enthaltenen Beispiele nur als beispielhaft betrachtet werden, wobei der wahre Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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