EP2201293A2 - Vorrichtung zum kühlen eines energiespeichers - Google Patents

Vorrichtung zum kühlen eines energiespeichers

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EP2201293A2
EP2201293A2 EP08803528A EP08803528A EP2201293A2 EP 2201293 A2 EP2201293 A2 EP 2201293A2 EP 08803528 A EP08803528 A EP 08803528A EP 08803528 A EP08803528 A EP 08803528A EP 2201293 A2 EP2201293 A2 EP 2201293A2
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EP
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evaporator
rail vehicle
energy storage
condenser
thermally
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EP08803528A
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Peter Eckert
Michael Meinert
Karsten Rechenberg
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a device for cooling an energy store in a rail vehicle.
  • Energy storage can be present in rail vehicles for different purposes.
  • powerful energy storage devices are necessary in order to be able to operate a rail vehicle, for example a tram, at least in sections without external energy supply.
  • Track sections without catenary or track are desired when a tram is to be passed through a narrow street or through a pedestrian zone.
  • the invention has for its object to provide a device for cooling an energy storage in a rail vehicle, which allows more effective cooling than before.
  • the object is achieved according to the invention in that the energy storage is thermally directly connected to an evaporator and that the evaporator and a capacitor are components of a circuit of a refrigerator.
  • the chiller With the chiller, the advantage is achieved that the heat generated in the energy storage is dissipated quickly and reliably. Due to the cycle of the chiller is always sufficient coolant available. It is therefore possible to reliably cool even electrically and thermally heavily loaded energy storage devices. There is also the advantage that several energy storage with much less distance than was previously possible, can be set up and that there is still a good cooling possibility.
  • An additional advantage is the fact that such a refrigerator operates quietly, so that less disturbing noises than z. B. arise in a coolant fan.
  • the evaporator is part of a compression refrigerating machine via a compressor with the condenser and the condenser is connected via a throttle to the evaporator.
  • the evaporator is part of an absorption chiller via a compressor with the condenser and the condenser is connected via a thermal compressor with the evaporator.
  • the compression refrigeration machine and the absorption refrigeration machine are known as such. While in the compression refrigeration machine, the condensed refrigerant is only compressed by a throttle and then supplied to the evaporator, the absorption chiller provides a thermal compressor which is a solution cycle. There, the coolant is first dissolved in a liquid, whereby heat is released. Thereafter, the dissolved refrigerant is expelled from the solution by supplying external heat.
  • the coolant has a higher density after this process than before. For the removal of heat energy from the thermal compressor this is thermally, for example, with a heating circuit for the passenger compartment heating of the rail vehicle in conjunction. The resulting heat is thus used to advantage.
  • the energy storage is, for example, an electrical energy storage such. As an UltraCap or a double-layer capacitor.
  • the energy storage is a e- lektrochemischer energy storage, such. B. a battery.
  • a battery can, for. B. be a nickel-cadmium battery.
  • the condenser is thermally in communication with a heating circuit for the passenger compartment heating of the rail vehicle. This heat is used advantageously in the condenser of the refrigerator.
  • a control unit For controlling / regulating the cooling process in the rail vehicle, for example, a control unit is present. This will be the Advantage that the cooling process can be adapted to the requirements.
  • control unit consists of several units, which may optionally be distributed in the rail vehicle.
  • the energy storage devices to be cooled can be located in the rail vehicle in the vehicle head, at another point within the vehicle, on the roof or under the corridor.
  • the rail vehicle may be in addition to a tram and a light rail or a long-distance train.
  • the device for cooling the energy storage can also in a locomotive, z. As a shunting locomotive, or in a track-guided rubber-tired vehicle use.
  • the advantage is achieved that even electrically and thermally highly loaded energy storage and correspondingly a number of closely juxtaposed energy storage can be cooled reliably and quietly. As a result, the life of the energy storage is significantly increased.
  • the device is to be arranged particularly well in a tram train, which should at least partially drive without energy from the outside.
  • FIG. 1 shows a device with a compression refrigeration machine
  • Figure 2 shows an apparatus with an absorption chiller.
  • an energy storage device 1 which is located in a rail vehicle and may be a battery or an electrical capacitor, directly with a thermally Evaporator 2 a compression refrigeration machine 3 connected.
  • the evaporator 2 is connected via a compressor 4 to a condenser 5, which is connected to the evaporator 2 via a throttle 6 forming a circuit. While the evaporator 2 from
  • Energy storage 1 absorbs heat, the capacitor 5, the heat from the environment.
  • the coolant flows in gaseous form from the evaporator 2 to the condenser 5 and liquid from the condenser 5 to the evaporator 2.
  • the energy storage 1 is also thermally connected directly to the evaporator 2.
  • the evaporator 2 is part of an absorption refrigeration machine 7, in which, as in the case of the compression refrigeration machine 3 (FIG. 1), the evaporator 2 is connected to a condenser 5 via a compressor 4.
  • the condenser 5 is in the absorption chiller 7 but via a thermal compressor 8 forming a circuit back to the evaporator 2 in connection.
  • This thermal compressor 8 is a solution cycle.
  • the expeller 10 must be supplied with heat energy while the absorber 9 gives off heat energy.
  • the expeller 10 is thermally in communication with a waste heat pipe 11 of the rail vehicle.
  • the absorber 9 is to use the heat given off by him thermally connected to a heating circuit 12, the z. B. the passenger compartment heating of the rail vehicle supplies.
  • the solution passes through a first line 13, in which a solution pump 14 and the secondary side (cold side) of a heat exchanger 15 is integrated, from the absorber 9 to the expeller 10.
  • the freed of the coolant liquid passes through a second line 16, in which the primary side (warm side) of the heat exchanger 15 is integrated, from the expeller 10 back to the absorber 9.
  • the condenser 5 is thermally connected with the heating circuit 12 for use of the heat emitted by it, for example supplying the passenger compartment heating of the rail vehicle.
  • a large energy storage device 1 or more energy storage devices can be cooled simultaneously, so that a large storage capacity for electrical energy is possible in a rail vehicle.
  • Powerful rail vehicles with such energy storage devices 1 can be operated over long distances without external power supply.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers (1) in einem Schienenfahrzeug. Es ist vorge- sehen, dass der Energiespeicher (1) thermisch direkt mit ei- nem Verdampfer (2) in Verbindung steht und dass der Verdampfer (2) und ein Kondensator (5) Bestandteile eines Kreislaufes einer Kältemaschine sind.

Description

Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers in einem Schienenfahrzeug.
Energiespeicher können in Schienenfahrzeugen für unterschiedliche Zwecke vorhanden sein. Insbesondere sind leistungsfähige Energiespeicher notwendig, um ein Schienenfahrzeug, beispielsweise eine Straßenbahn, zumindest abschnittsweise ohne Energiezufuhr von außen betreiben zu können. Streckenabschnitte ohne Oberleitung oder Stromschiene werden gewünscht, wenn eine Straßenbahn durch eine enge Straße oder durch eine Fußgängerzone geführt werden soll.
Bei einem Energiespeicher, besonders bei einem solchen leistungsfähigen Energiespeicher, wie er für das Betreiben einer Straßenbahn notwendig ist, kommt es durch innere Leistungsverluste zu einer Erwärmung des Energiespeichers. Dieser Wärmeeintrag führt zu einer Verkürzung der Lebenszeit des Energiespeichers .
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Kühlung eines Energiespeichers eine Luftkühlung oder eine Wasserkühlung vorzusehen. Eine solche Kühlung ist für elektrisch und thermisch stark belastete Energiespeicher nicht effektiv genug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers in einem Schienenfahrzeug anzugeben, die eine effektivere Kühlung als bisher ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Energiespeicher thermisch direkt mit einem Verdampfer in Verbindung steht und dass der Verdampfer und ein Kondensator Bestandteile eines Kreislaufes einer Kältemaschine sind. Mit der Kältemaschine wird der Vorteil erzielt, dass die im Energiespeicher entstehende Wärme schnell und zuverlässig abgeführt wird. Durch den Kreisprozess der Kältemaschine steht stets ausreichend Kühlmittel zur Verfügung. Es ist daher mög- lieh, auch elektrisch und thermisch stark belastete Energiespeicher zuverlässig zu kühlen. Es wird außerdem der Vorteil erzielt, dass mehrere Energiespeicher mit deutlich geringerem Abstand als es bisher möglich war, aufgestellt werden können und dass trotzdem eine gute Kühlmöglichkeit besteht. Ein zu- sätzlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass eine solche Kältemaschine geräuscharm arbeitet, so dass weniger störende Geräusche als z. B. bei einem Kühlmittelgebläse entstehen.
Beispielsweise ist der Verdampfer als Bestandteil einer Kom- pressionskältemaschine über einen Kompressor mit dem Kondensator und der Kondensator ist über eine Drossel mit dem Verdampfer verbunden.
Nach einem anderen Beispiel ist der Verdampfer als Bestand- teil einer Absorptionskältemaschine über einen Kompressor mit dem Kondensator und der Kondensator ist über einen thermischen Verdichter mit dem Verdampfer verbunden.
Sowohl mit einer Kompressionskältemaschine als auch mit einer Absorptionskältemaschine wird der Vorteil erzielt, dass selbst elektrisch und thermisch stark belastete Energiespeicher zuverlässig gekühlt werden können.
Die Kompressionskältemaschine und die Absorptionskältemaschi- ne sind als solche bekannt. Während bei der Kompressionskältemaschine das kondensierte Kühlmittel nur durch eine Drossel verdichtet und dann dem Verdampfer zugeführt wird, sieht die Absorptionskältemaschine einen thermischen Verdichter vor, der ein Lösungskreislauf ist. Dort wird das Kühlmittel zu- nächst in einer Flüssigkeit gelöst, wobei Wärme abgegeben wird. Danach wird das gelöste Kühlmittel durch Zufuhr von externer Wärme aus der Lösung ausgetrieben. Das Kühlmittel hat nach diesem Vorgang eine höhere Dichte als vorher. Für die Abfuhr von Wärmeenergie aus dem thermischen Verdichter steht dieser thermisch beispielsweise mit einem Heizkreislauf für die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges in Verbindung. Die entstehende Wärme wird also vorteilhaft genutzt .
Für die Zufuhr von Wärmeenergie zum thermischen Verdichter steht dieser thermisch beispielsweise mit einer Abwärmelei- tung des Schienenfahrzeuges in Verbindung. Für das Austreiben des Kühlmittels aus der Lösung ist nämlich die externe Zufuhr von Wärmeenergie notwendig. Durch Nutzung der Abwärmeleitung des Schienenfahrzeuges braucht diese Wärmeenergie vorteilhaft nicht separat erzeugt zu werden.
Der Energiespeicher ist beispielsweise ein elektrischer Energiespeicher, wie z. B. ein UltraCap oder ein Doppelschichtkondensator .
Nach einem anderen Beispiel ist der Energiespeicher ein e- lektrochemischer Energiespeicher, wie z. B. eine Batterie. Eine solche Batterie kann z. B. eine Nickel-Cadmium-Batterie sein .
Beispielsweise stehen mehrere Energiespeicher mit nur einem Verdampfer in Verbindung. Da die Leistung nur einer Kältemaschine zum Abführen der entstehenden Wärme aus mehreren Energiespeichern ausreicht, wird vorteilhaft eine Kühlung von mehreren Energiespeichern auf kleinem Raum ermöglicht.
Beispielsweise steht der Kondensator thermisch mit einem Heizkreislauf für die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges in Verbindung. Damit wird im Kondensator der Kältemaschine entstehende Wärme vorteilhaft genutzt.
Zum Steuern/Regeln des Kühlvorganges im Schienenfahrzeug ist beispielsweise eine Steuereinheit vorhanden. Damit wird der Vorteil erzielt, dass der Kühlvorgang den Erfordernissen an- gepasst werden kann.
Beispielsweise besteht die Steuereinheit aus mehreren Einhei- ten, die gegebenenfalls im Schienenfahrzeug verteilt angeordnet sein können.
Die zu kühlenden Energiespeicher können sich im Schienenfahrzeug im Fahrzeugkopf, an einer anderen Stelle innerhalb des Fahrzeuges, auf dem Dach oder unter dem Flur befinden. Das Schienenfahrzeug kann außer einer Straßenbahn auch eine Stadtbahn oder ein Fernzug sein. Die Vorrichtung zum Kühlen des Energiespeichers kann aber auch in einer Lokomotive, z. B. einer Rangierlokomotive, oder in einem spurgeführten gum- mibereiften Fahrzeug Verwendung finden.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass selbst elektrisch und thermisch sehr stark belastete Energiespeicher und entsprechend eine Reihe von dicht nebeneinander angeordneten Energiespeicher zuverlässig und geräuscharm gekühlt werden können. Dadurch wird die Lebensdauer der Energiespeicher deutlich vergrößert. Die Vorrichtung ist besonders gut in einem Straßenbahnzug anzuordnen, der zumindest streckenweise ohne Energiezufuhr von außen fahren soll.
Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers in einem Schienenfahrzeug werden anhand der Zeichnung näher erläutert:
Figur 1 zeigt eine Vorrichtung mit einer Kompressionskältemaschine,
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung mit einer Absorptionskältemaschine .
Nach Figur 1 ist ein Energiespeicher 1, der sich in einem Schienenfahrzeug befindet und eine Batterie oder ein elektrischer Kondensator sein kann, thermisch direkt mit einem Verdampfer 2 einer Kompressionskältemaschine 3 verbunden. In der Kompressionskältemaschine 3 steht der Verdampfer 2 über einen Kompressor 4 mit einem Kondensator 5 in Verbindung, der über eine Drossel 6 einen Kreislauf bildend wieder mit dem Verdampfer 2 verbunden ist. Während der Verdampfer 2 vom
Energiespeicher 1 Wärme aufnimmt, gibt der Kondensator 5 die Wärme an die Umgebung ab. Das Kühlmittel strömt gasförmig vom Verdampfer 2 zum Kondensator 5 und flüssig vom Kondensator 5 zum Verdampfer 2.
Nach Figur 2 ist der Energiespeicher 1 ebenfalls thermisch direkt mit dem Verdampfer 2 verbunden. Der Verdampfer 2 ist Bestandteil einer Absorptionskältemaschine 7, bei der, wie bei der Kompressionskältemaschine 3 (Fig. 1) der Verdampfer 2 über einen Kompressor 4 mit einem Kondensator 5 in Verbindung steht. Der Kondensator 5 steht in der Absorptionskältemaschine 7 jedoch über einen thermischen Verdichter 8 einen Kreislauf bildend wieder mit dem Verdampfer 2 in Verbindung. Dieser thermische Verdichter 8 ist ein Lösungskreislauf. Dort wird das Kühlmittel innerhalb eines Absorbers 9 in einer
Flüssigkeit gelöst und dann innerhalb eines Austreibers 10 wieder aus der Flüssigkeit ausgetrieben. Dadurch wird das Kühlmittel verdichtet. Dem Austreiber 10 muss Wärmeenergie zugeführt werden, während der Absorber 9 Wärmeenergie abgibt. Zur Zufuhr von Wärme steht der Austreiber 10 thermisch mit einer Abwärmeleitung 11 des Schienenfahrzeuges in Verbindung. Der Absorber 9 steht zur Nutzung der von ihm abgegebenen Wärme thermisch mit einem Heizkreislauf 12 in Verbindung, der z. B. die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges ver- sorgt. Die Lösung gelangt durch eine erste Leitung 13, in die eine Lösungspumpe 14 und die Sekundärseite (kalte Seite) eines Wärmetauschers 15 eingebunden ist, vom Absorber 9 zum Austreiber 10. Die vom Kühlmittel befreite Flüssigkeit gelangt durch eine zweite Leitung 16, in die die Primärseite (warme Seite) des Wärmetauschers 15 eingebunden ist, vom Austreiber 10 zum Absorber 9 zurück. Sowohl bei der Ausführungsform nach Figur 1 als auch bei der Ausführungsform nach Figur 2 steht der Kondensator 5 zur Nutzung der von ihm abgegebenen Wärme thermisch mit dem Heizkreislauf 12 in Verbindung, der z.B. die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges versorgt.
Mit der Vorrichtung zum Kühlen des Energiespeichers 1 können ein großer Energiespeicher 1 oder mehrere Energiespeicher gleichzeitig gekühlt werden, so dass in einem Schienenfahr- zeug eine große Speicherkapazität für elektrische Energie möglich ist. Es können leistungsstarke Schienenfahrzeuge mit derartigen Energiespeichern 1 über größere Entfernungen hinweg ohne externe Energiezufuhr betrieben werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichers (1) in einem Schienenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Energie- Speicher (1) thermisch direkt mit einem Verdampfer (2) in
Verbindung steht und dass der Verdampfer (2) und ein Kondensator (5) Bestandteile eines Kreislaufes einer Kältemaschine sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (2) als Bestandteil einer Kompressionskältemaschine (3) über einen Kompressor (4) mit dem Kondensator (5) und der Kondensator (5) über eine Drossel (6) mit dem Verdampfer (2) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (2) als Bestandteil einer Absorptionskältemaschine (7) über einen Kompressor (4) mit dem Kondensator (5) und der Kondensator (5) über einen thermischen Verdichter (8) mit dem Verdampfer (2) verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abfuhr von Wärmeenergie aus dem thermischen Verdichter (8) dieser thermisch mit einem Heizkreislauf (12) für die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges in Verbindung steht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zufuhr von Wärmeenergie zum ther- mischen Verdichter (8) dieser thermisch mit einer Abwärmeleitung (11) des Schienenfahrzeuges in Verbindung steht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) ein elektrischer Energiespeicher ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (1) ein elektrochemischer Energiespeicher ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Energiespeicher (1) mit nur einem Verdampfer (2) in Verbindung stehen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kondensator (5) thermisch mit einem
Heizkreislauf (12) für die Fahrgastraumheizung des Schienenfahrzeuges in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass zum Steuern/Regeln des Kühlvorganges im
Schienenfahrzeug eine Steuereinheit vorhanden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit aus mehreren Einheiten besteht.
EP08803528A 2007-09-27 2008-09-02 Vorrichtung zum kühlen eines energiespeichers Withdrawn EP2201293A2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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US (1) US20100205982A1 (de)
EP (1) EP2201293A2 (de)
CN (1) CN101878394A (de)
DE (1) DE102007046369A1 (de)
WO (1) WO2009043669A2 (de)

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