EP3935676A1 - High-voltage battery store having a high power density - Google Patents

High-voltage battery store having a high power density

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Publication number
EP3935676A1
EP3935676A1 EP20714952.7A EP20714952A EP3935676A1 EP 3935676 A1 EP3935676 A1 EP 3935676A1 EP 20714952 A EP20714952 A EP 20714952A EP 3935676 A1 EP3935676 A1 EP 3935676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
storage device
battery storage
robot
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20714952.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mario Brockschmidt
Andrey Mashkin
Friedhelm Pohlmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3935676A1 publication Critical patent/EP3935676A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/627—Stationary installations, e.g. power plant buffering or backup power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4207—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6561—Gases
    • H01M10/6563—Gases with forced flow, e.g. by blowers
    • H01M10/6564—Gases with forced flow, e.g. by blowers using compressed gas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/258—Modular batteries; Casings provided with means for assembling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/10—Batteries in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a battery storage, in particular for buffering an electrical supply network, the class se greater than 1 MWh.
  • the invention relates to a low-maintenance high-voltage battery storage with high power density, Druckgasbe and fire safety.
  • the invention also relates to a special arrangement of electrical Radio
  • the battery cells are arranged in a modular manner using typical steel control cabinets with inserts, so-called racks, and interconnected to form larger systems.
  • racks For further modularization, shipping containers with a length of 20 or 40 feet are equipped with such control cabinets and battery storage systems are built up from several battery containers as well as a control and transformer container.
  • Conventional battery storage systems mostly have air cooling, which is done by the fans in the racks and cabinets.
  • An air conditioning system is typically installed on the container for global cooling of the container or specifically for the cabinets.
  • control cabinets used - with regard to wall thickness, explosion, fire and arc protection - and their internal structure depend in part on the level of possible operating currents or losses and on the short-circuit power.
  • control cabinets and racks have their own cooling systems, electrical and thermal insulation systems as well as partitions and electrical wall feedthroughs ("plug-in contacts"). Furthermore, in addition to the necessary wiring of the components using power cables / rails, various Measurement technology for condition monitoring installed and wired.
  • the electronic, electrical and electrochemical components such as Their auxiliary systems (fans, pumps, hoses) also show an inevitable failure rate and may have to be replaced by the service staff. As a result, there are service aisles in the containers and rails in the cupboards
  • Conventional battery storage systems are characterized by service corridors for maintenance personnel in the containers, rack and control cabinet insulation, and additional requirements for arc and fire protection.
  • a battery storage device in which in an electrically conductive and grounded Contai ner many battery cells receiving modules that store electrical energy, are arranged in carriers.
  • the carriers are electrically connected to the container and grounded through it.
  • the modules accommodating the battery cells are electrically insulated from the carriers and earthed via separate earth lines outside the container.
  • the invention is based on the problem of creating a battery storage, in particular a high-voltage battery storage, which has a significantly increased energy density and which is suitable for a converter and transformer or a converter without a transformer, with a medium-voltage network to be connected. Furthermore, the invention is based on the problem of creating a solution for the service tasks to be performed in a battery storage device with a high energy density.
  • the invention creates a designed for high voltage Con tainer battery storage system.
  • the battery storage according to the invention has an open construction of the shelf system 6 and the cell holder 2, so that a series connection of the cells 1 installed in the high shelf to form a high-voltage system with the nominal voltage, alias output voltage, alias operating voltage alias system voltage, of higher than 1200 V is possible .
  • the omission of an order level significantly increases the packing density of battery modules and on the other hand overcomes the limitation of the possible operating voltage.
  • a battery storage device is operated under compressed air or compressed gas or under protective gas, such as Corgon, conventionally a reduction of the operating pressure to normal pressure and, if necessary, purging with air would be necessary in the service case.
  • an automated robot for maintenance purposes. This eliminates the need to keep wide maintenance aisles ready in the container and to reduce the ambient temperature in the aisle to a temperature that is permissible for service personnel.
  • the packing density of battery modules is significantly increased by eliminating a level of organization (rack, control cabinet level), by replacing the unused maintenance aisle for service personnel with a maintenance channel 7 for a service robot and by a general cooling concept. This means that more than twice the packing density can be achieved.
  • the high packing density of the cell modules not only enables a higher total capacity of the container, but also the particularly short connection routes and the lack of the grounded partition walls / slide-in / cabinet walls a particularly favorable design of a series connection of the modules can be implemented and thus a significantly higher system voltage of the battery storage.
  • a robot can check the individual modules in a confined space and, if necessary, replace them directly, as well as obtain the replacement modules from a separate container or niche 11 in the container (provision of replacement modules). After changing, he can put the module in a separate area. Old and new module containers can be supplied from the outside, if necessary by means of a lock. The fill level or the occupied spaces for battery cell modules in the container can be displayed at a central point (central point).
  • one or more robots saves having to comply with certain manual maintenance measures, such as minimum distances, installation of doors that would otherwise be arranged, cross paths and additional safety insulation and earthing measures.
  • the container module or group of containers can be monitored and serviced remotely from a central point.
  • the robot is designed so that it can replace the battery module 2, consisting of the battery cell holder 3 and the battery cells 1. There just has to be enough space in the gap 7 to be able to pull out or insert the battery module 2.
  • the proposed segmented cell holder, or the module 2 reduces the required width of the service channel 7.
  • the personnel expenditure for sending fitters for repairs is greatly minimized and thus also the potential risk. Furthermore, this reduces the maintenance effort and improves the overall ecological balance of the storage system by eliminating the need for fitters to travel.
  • the individual containers are constructed in such a modular way that the guide rails 9 for the maintenance robot 20 can be connected to one another if there are several containers that are connected to a group and have a connected interior.
  • the measures according to the invention enable an optimized battery container that is fully digitally controlled and serviced by a robot.
  • the transition from wide service aisles for maintenance personnel to narrow maintenance channels 7 for the robot increases the power density of the battery storage device according to the invention.
  • the invention creates a battery storage system that can be optionally combined with a cooling gas above atmospheric pressure, its cooling media as air and a general cooling concept in which there is a fan for each carrier system or carrier subsystem and with no earthed walls to allow the cooling medium to circulate around the encapsulated , or partially covered with heat sinks or open battery cells in their cell holders.
  • the modules can be replaced by robots under voltage in a confined space without interruption and without the need for fitters with personal protective equipment.
  • the nominal voltage that can be achieved for the container is currently 5 kV; in the long term, voltages of up to 50 kV can be achieved with the inventive concept.
  • the battery storage device can thus allow a direct transmission of energy via converters into the medium-voltage network with 10kV, 20kV, 30kV or 60kV without using a transformer.
  • FIG. 1 shows a container 16 according to the invention with battery cells modules and compressed air, high-bay systems 6 with blinds 5, and spare parts warehouse 11,
  • FIG. 2 shows more details from FIG. 1, narrow robot channels 7 and robot 20,
  • Fig. 5 shows a detailed example of the robot 20 according to the invention
  • Fig. 6 shelf system 6 with cell holders / modules 2 the shelf system includes four strands 13 each with a strand separator 14
  • Fig. 7 shows an example of a module 2 with three cooling openings 4 with cells welded together and mechanically fixed together with two solder contacts 17.
  • a container 16 according to the invention with automated maintenance by robot 20 with the use of high shelves 6 for cell modules 2 is shown in FIG.
  • a spare parts store 11 is arranged directly in the container.
  • the cell modules can contain permanent contact between the cells and a joint, but also a hinge, between the two segments 3.
  • the robot 20 can take over fire-fighting tasks in the container. He can:
  • a battery cell module 2 is formed with a single-digit number, in particular seven, rechargeable, interconnected battery cells in an open, alias bare, alias bare design. This design makes it possible to reduce the number of still intact cells to be replaced in the event of a cell failure and thus to reduce the required size of the spare parts warehouse.
  • a battery cell module according to the invention is therefore free of a grounded casing, alias housing, alias insert, alias rack.
  • the open design improves the cooling, efficiency and reliability insofar as the use of larger fans 12 and a comprehensive, alias integral, alias general cooling air circulation on the shelf is made possible (FIG. 4).
  • a battery cell module can have an additional cooling device in the form of a non-grounded cooling jacket, cooling radiators, cooling elements, cooling elements which conduct the cooling medium or which control the cooling flow, which partially enclose the cell module.
  • these cooling elements are thermally connected directly or indirectly to the cell surface.
  • a battery cell module can therefore have a cooling body in direct or indirect contact with the cells.
  • a structure such as openings, pipes, channels, heat exchangers, for guiding and distributing one or more cooling media, such as gas, water, can be formed.
  • a battery cell module can be an isolated, Have conductive or partially conductive housing which is designed so that part of the surface of the cells is accessible from the outside, in particular from the sides, from above or from below, for the cooling gas.
  • - Construction of an insulated or insulating material consist of the high-bay system 6 in a container 16, one or more narrow maintenance channels 7 being arranged instead of a maintenance aisle with a width of currently at least 90 cm. This at least doubles the power density and creates the conditions for the installation of non-insulated components and electrical conductors with voltages above 1200V. This enables a significant reduction in losses and conductor cross-sections.
  • a 40-foot container could thus already contain 7.5 MWh of battery storage with today's cylindrical, round cells.
  • the segmented cell holder 3 can also be segmented without a joint, for example by using a plug-in system.
  • a plug-in system Open design of the shelf system 6 and the cell holder 2, so that the cells 1 installed in the high shelf can be connected in series to form a high-voltage system with a nominal voltage of over 1200 V and at the same time no earthed walls hinder the circulation of the cooling medium in the shelf system.
  • a general cooling concept with powerful fans 12 can thus be implemented for the container.
  • An isolated high-voltage-resistant robot 20 (see Fig. 5), the maintenance and partially the measurement of the cells (tem perature, resistance, state of charge (SoC), Ka capacity) and cell holder (these would then measuring contacts and lines to the individual Cells if the cells themselves are not directly accessible when installed) and carries out the installation and removal of the cells or the equipped cell holder under voltage.
  • the dimensions and construction of the robot allow the robot to move within the narrow service channels in the container or in the container network.
  • the robot allows the use of particularly narrow service aisles, reduces personnel costs and safety requirements for the cell modules, which means that a highly developed battery storage system is possible.
  • the robot 20 can have an optional combination of gripper, measuring device, in particular for voltage, for temperature, for vibration, for pressure, WLAN or radio data transmission, RFID reading device, light source, camera, laser, radar, ultra-rapid unit, gas analyzer, fire-fighting device exhibit.
  • the robot 20 itself can be constructed to be electrically insulated between the rail module 100 and the gripper module 300.
  • the robot 20 can act remotely, program-controlled or autonomously.
  • the robot 20 can be designed to minimize its construction height and width in height and width compressible. Detail example of a robot
  • Rail module for ceiling rail system 9 (X, Y or XY
  • Z-telescopic rod preferably made of insulating material or constructed in isolation
  • the gripper can be isolated or galvanically connected to the gripper module. With lower operating voltages, almost all parts of the robot (rail module, telescopic arm, gripper module) can be grounded and only the gripper can be isolated.
  • the robot is attached to a rail system 9 at the top and comprises a rail element 100 at the top, an insulated telescopic arm / telescopic rod 200 and a gripper element 300/400 below.
  • the construction of the telescopic arm allows the height of the robot to be compressed so that it can pass from one service channel 7 to another service channel 7 through a particularly low connection channel 8. It can also drive over to another container with the same rail system, for example through a channel not shown in the rear upper area of the service channel, this channel being arranged under the ceiling in a similar way to connecting channel 8.
  • the robot can reach all cell holders on all shelf levels, as well as its storage room 11 with replacement cell holders 2.
  • an additional horizontal anchoring of the robot for example by additional horizontal ones, not shown Telescopic arms may be provided.
  • the rail element 100 of the robot is supplied with power by means of Bürstenkon contacts from the ceiling rail system 9 or draws the energy for moving on the rail from a battery.
  • part of the drive for the telescopic rail In the rail element, part of the drive for the telescopic rail.
  • the gripping element 300/400 is not electrically connected to the rail system (galvanically separated) and is supplied with electrical energy by a battery.
  • the gripping element can also contain part of the drive of the telescopic rail. Due to the described design of the robot, it can work under voltage in an electrical field.
  • any device for remotely controlled action can be used as a robot within the meaning of the invention, for example a movable slide, slide system or movable container, crane or vehicle, a mobile or stationary device for replacing the components that acts pneumatically or magnetically on the cell modules, et cetera.
  • the robot can also take on the following additional tasks:
  • the replacement cell holder in the exemplary embodiment with 7 cells also carry a compensation device in the form of a capacity (for example also with 7 cells) and / or an electronic compensation circuit with compensation capacity, so that with the Maintenance work, its compensation capacity is temporarily commutated parallel to the cell holder, so that no sparks occur when the cell holder is removed and there is temporarily no loss of capacity in the battery storage.
  • the compensation device is connected to the wiring level 15 for the duration of the cell exchange. This can be done by preferably temporary (by robots) Connectable contacts can be realized that connect the wiring level with the robot in the maintenance duct.
  • the robot can be equipped with a surveillance camera and can be controlled remotely if requested by the remote maintenance staff.
  • a container 16 or a container system formed with several containers can be filled with a medium that is not air under normal pressure, but rather compressed air, nitrogen N2, aerosol, or special protective, extinguishing or insulating gas and possibly above atmospheric pressure.
  • a container 16 or a container system can have a general cooling concept 12 with overpressure and underpressure zones that is adapted to the high-bay racking system according to the invention.
  • the robot 20 can work under appropriate ambient conditions and a supply of replacement cell holders or cells is kept in the container. Without a robot, you would have to switch off the entire container and ventilate it before a service technician can enter the container.
  • the shelves 6 and cell holder 2 are modular, where the cell holder have particularly low demands on module housing construction.
  • the cell holder can, for example, contain the individual cells welded together or contacted by means of clamps.
  • the aim is to make the modules / cell holders much smaller than the current insertions / racks, so that when the module is replaced, only the defective individual elements and a few if possible immediate neighbors are exchanged.
  • the small construction (for example 60 mm width of the cell holder) also allows a good integration of a joint in the cell holder.
  • the cell holders can be contacted using conventional technology on the shelves with the wiring device 15 arranged on one or more sides (front, top, side, bottom, but preferably rear): pluggable, screwable, soldered or spot-welded.
  • the wiring level 15 can also have a modular structure so that a change in the wiring can be implemented later in order to adapt the system voltage in the event of a revision or when converting to cells with different properties later.
  • the wiring 15 can also realize galvanic isolation of the modules (without removing them) by means of an isolator.
  • a remote-controlled separation of the cell modules can be implemented at the level of the wiring 15. At the level of the wiring 15, a subsequent modification of the galvanic module connection and thus a change in the system voltage can be made possible.
  • a shelf / carrier system 6 is proposed for the mechanical fixation of cell holders, one layer of cell holder being placed in each level or alternately one cell holder 2 being attached to the lower shelf and the cell holder 2 arranged above it to the upper shelf.
  • the cell holder and the shelves can already contain part of the cooling system, such as pipes, channels, openings, cooling fins, cooling radiators, cooling air guide screens.
  • An arrangement of the cells can, as shown in FIG. 7, be provided with 4 hollow spaces.
  • a cell holder or a cell module can contain a device to be connected to the cooling circuit directly or indirectly, for example by means of a heat exchanger.
  • the robot can carry out the initial loading and re-loading of the container.
  • the rail system can be used by several robots at the same time (for example when first fitting in the factory).
  • -Modules / cell holder 2 are built without electrically insulating housing of the battery cells 1. By eliminating the insulation and a simple module housing construction, the cooling is improved and the accessibility of robots for module measurement (e.g. voltage measurement) is made possible.
  • Partition walls are largely dispensed with (cost reduction, no fire protection requirement, better cooling).
  • -Modules 2 can be equipped with RFID chips to enable their identification and status monitoring.
  • the robot 20 can also move freely or using fixed rails 9 (for example on the container ceiling) in the container volume.
  • the robot 20 has one or more receptacles (arms, storage boxes, magazines) and auxiliary tools (soldering / welding apparatus) in order to be able to exchange battery cell modules.
  • the robot 20 has protective equipment to separate the cells or cell modules in the event of a fire and to house them or to cool them or to embed / cover them, for example foldable or inflatable covers, fire extinguishers, a hose that is compatible with a fire protection agent for piping, etc.
  • the robot 20 regularly controls the battery cell modules 2 and detects their identity ID and status (by means of direct contact measurement / voltage measurement, direct or indirect temperature measurement, vibration measurement), stores the information gained or communicates directly further, for example via a WLAN module to a WLAN transceiver device arranged on the inner wall of the container, which may be connected to a GSM transceiver device arranged on the outer wall of the container.
  • the robot 20 can also perform switching operations in order to reconnect the strand 13 by turning over the strand separator 14 after a module has been replaced.
  • the robot 20 can perform service tasks in an environment hostile to service personnel, such as temperature, electrical voltage, low-oxygen atmosphere, available space, a locomotion module 100 and gripper module 300, which are constructed to be electrically insulated from one another, the robot 20 can perform service tasks .
  • the robot 20 can have an optional combination of gripper, measuring device, in particular for voltage, for temperature, for vibration, for pressure, WLAN or radio data transmission, RFID reading device, light source, camera, laser, radar, ultra-rapid unit, gas analyzer, Have fire fighting equipment.
  • gripper measuring device, in particular for voltage, for temperature, for vibration, for pressure, WLAN or radio data transmission, RFID reading device, light source, camera, laser, radar, ultra-rapid unit, gas analyzer, Have fire fighting equipment.
  • the robot 20 can be compressible in height or width to minimize the height and the construction width.
  • the robot 20 can optionally be equipped for measurement and service tasks, work under voltage and temperature, and the uninterrupted exchange of equipment and elements.
  • the robot 20 can be remote-controlled, program-controlled or self-sufficient to carry out the service tasks.
  • a ceiling rail 9 can be arranged in egg nem service channel 7, on which the robot with its locomotion module 100 is guided.
  • a robot parking position, a storage container for replacement modules and a container for exchanged modules are arranged in the container 16 (replacement parts store 11).
  • the robot parking position and the two containers are accessible for service purposes (openings / sluice in the container wall). With compressed air / oxygen-free gas operation of the interior of the battery storage housing with an optional pressure lock.
  • the robot 20 can have extendable contacts which can be connected to the wiring (15).
  • the robot can have telescopic contacts, which it extends in order to wire itself to the Ver wiring level 15 and after exchanging cells, the telescopic contacts retracts.
  • through bores can be provided within the shelves, the robot introducing its telescopic contacts into the openings on the side of the maintenance channel and reaching the wiring level through these openings. This measure le diglich two telescopic contacts are required on the robot instead of a pair of contacts to be arranged for each battery cell module 2 on the side of the service channel 7.
  • a segmented battery cell module 2 aka cell holder, contains seven battery cells 1, each 60 mm in diameter,
  • the width of the two maintenance channels 7 is 30 cm each.
  • Cylindrical battery cell used as a basis LFP cell, 154 Wh, 60 mm diameter, length 232 mm.
  • Shelving system 6 alias carrier system, is understood to mean a shelf level, an arrangement of several shelf levels at different heights to form a high shelf and also arrangements of several high shelves next to one another. In the housing of the battery storage several rows of carrier systems 6 can be net angeord.
  • Insulated shelf system is understood to mean that the shelf system is at least electrically insulated from the container 16 in which it is arranged, but in particular is potentially free and made of insulating material or covered by insulating material. As far as components of the shelf are electrically conductive, these can be ground-free, in particular special ungrounded, be arranged.
  • a surge arrester such as a varistor, may be arranged between the shelving system and the container.
  • the insulated or made of insulating materials shelf system can also contain electrically conditionally conductive, weakly conductive coatings made of paint, wire or tape in order to ei ne electrical potential control along the Re
  • the electrical conductivity of the coatings can also depend on the temperature or current strength or field strength be linear or non-linear dependent.
  • adjacent (high) shelves can be arranged electrically insulated from one another.
  • shelf levels arranged one above the other can be electrically insulated from one another.
  • a carrier of one level of the carrier system can accommodate a plurality of battery cell modules which have the same electrical potential as one another.
  • the shelf system according to the invention is designed in such a way that a largely unhindered passage of cooling gas is provided.
  • Battery cell module 2 in an open design is understood to mean that a plurality of battery cells 1 are mechanically and electrically connected to form a unit, in particular the battery cells can be connected in parallel.
  • a battery cell module according to the invention has no full-surface housing and no earthed housing components, so that part of the surface of the battery cells appears bare to the outside.
  • a battery cell module according to the invention is designed in such a way that it has guide elements which mechanically cooperate with receiving elements of the carrier system 6.
  • the battery cell module 2 according to the invention even when it is inserted into the carrier system 6, is not grounded, alias unearthed, alias has no ground connection.
  • the battery cell module according to the invention can be designed so constructively that in the inserted state in the Carrier system 6 is given electrical insulation between the battery 1 and the carrier system.
  • a battery cell module inserted into the carrier system 6 is guided in such a way that the insulation distance from an adjacent battery cell module, in particular if this has a different potential, is ensured.
  • the electrical insulation can generally be implemented by ceramic elements.
  • a battery cell module according to the invention can have a cover 5 on the end face which, when installed in the carrier system 6, faces the service channel 7.
  • a battery cell module according to the invention can have measuring connections, for example for voltage, but also temperature, as well as identification features, in particular barcode, QR code, RFID, on the front side, which faces the service channel 7 when installed in the carrier system 6. Chip.
  • the measurement connections, but also the identification features, can be implemented in the cover 5 of the battery cell module.
  • a room in a building or some other room, such as a ship's room, is to be understood for the arrangement of battery cells.
  • the electrical connection 15 of battery cell modules which has the highest potential (plus) of the system voltage, can be electrically connected to the grounded housing.
  • the electrical connection 15 of battery cell modules, the electrical connection 15 of battery cell modules, which has the lowest potential (minus) can be electrically connected to the grounded housing.
  • a battery storage device can be connected to a battery storage device, in which the electrical connection 15 of battery cells modules, which has the highest potential (plus) of the system voltage, is electrically connected to the grounded housing, and a battery storage device in which the electrical Connection 15 of battery cell modules, which has the lowest potential (minus) of the system voltage, is electrically connected to the grounded housing.
  • the battery storage which is connected to negative with the ge earthed housing, with the positive phase of the mains supply, optionally via a converter, sammen mousse to ⁇ and the battery storage, which is connected to positive to the grounded housing of the negative phase supply network, sammen sculpture possibly via an inverter to ⁇ .

Landscapes

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Abstract

The invention provides a battery store designed for high voltage above 1200 V, in the case of which battery store the bare battery cells are arranged in ungrounded battery cell holders, which in turn are arranged in an ungrounded carrier system in an ISO container. The battery store has a high packing density and thus a high power density, while at the same time the output voltage is increased to the level of a medium voltage. Developments of the battery store according to the invention relate to a maintenance-friendly design by virtue of remote maintenance by means of a robot, operation with a cooling gas above atmospheric pressure, operation with an oxygen-free cooling gas or a protective or insulating gas and the implementation of an integral cooling concept.

Description

Beschreibung description
Hochspannungs-Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte High-voltage battery storage with high power density
Die Erfindung betrifft einen Batteriespeicher, insbesondere zur Pufferung eines elektrischen Versorgungsnetzes, der Klas se größer 1 MWh. The invention relates to a battery storage, in particular for buffering an electrical supply network, the class se greater than 1 MWh.
Die Erfindung bezieht sich auf einen wartungsarmen Hochspan nungs-Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte, Druckgasbe trieb und Brandsicherheit. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine besondere Anordnung von elektrischen Betriebsmit teln . The invention relates to a low-maintenance high-voltage battery storage with high power density, Druckgasbe and fire safety. The invention also relates to a special arrangement of electrical Betriebsmit items.
Im Zuge der Integration von erneuerbaren Energien in der Energieversorgung und Mobilität werden Energiespeicher ange strebt, welche eine höhere Leistungsdichte und geringere Ver luste aufweisen, um effizienten und platzsparenden Einsatz an Netz-Knotenpunkten, an Kraftwerksstandorten, in schwimmenden Plattformen, in E-Schiffen und Zügen/Lokomotiven zu finden. Für alle diese Anwendungen ist es wichtig, dass die Anlagen in hohem Maße effizient arbeiten und die unvermeidbare Ver lustwärme abgeführt wird. Zur Brandverhütung und Brandbekämp fung im Umfeld der Batterien sind entsprechende Vorkehrungen zu treffen. In the course of the integration of renewable energies in energy supply and mobility, energy storage systems are sought which have a higher power density and lower losses in order to enable efficient and space-saving use at network nodes, at power plant locations, in floating platforms, in e-ships and trains / Find locomotives. For all of these applications it is important that the systems work efficiently and that the unavoidable heat loss is dissipated. Appropriate precautions must be taken to prevent and fight fires in the vicinity of the batteries.
Derzeitige Batteriespeicher am Markt haben eine maximale Spannung von 1200 V. Daraus resultieren hohe Betriebsströme und die Notwendigkeit von groß dimensionierten Leiterquer schnitten, um die Verluste zu begrenzen. Derzeit werden in Batteriespeichern mehrere tausend Primärzellen mit einer Ein zelspannung von circa 3 bis 4 V zu größeren Systemen zusam mengeschaltet. Jede Zelle erfordert eine zyklische oder dau erhafte Zustandsüberwachung. Werden die Eigenschaften der Zelle (Innenwiderstand, Kapazität) bedingt durch unvermeidli che Alterung degradiert, soll die Zelle einzeln oder zusammen mit noch intakten Zellen, mit denen sie zu einer Einheit ver bunden ist, ausgetauscht werden. Die übliche Bauweise der Batteriespeicher ist in geerdeten Batterieeinschüben gegeben. Bei den derzeitigen stationären und auch bei mobilen Batte riespeichern werden die Akku-Zellen mittels typischer Stahl- Schaltschränke mit Einschüben, sogenannten Racks, modular an geordnet und zu größeren Systemen zusammengeschaltet. Zur weiteren Modularisierung werden Schiffscontainer mit 20 oder 40 Fuß Länge mit solchen Schaltschränken bestückt und Batte riespeichersysteme aus mehreren Batterie-Containern sowie ei nem Steuerungs- und Transformatoren-Container aufgebaut. Current battery storage systems on the market have a maximum voltage of 1200 V. This results in high operating currents and the need for large conductor cross-sections in order to limit losses. At present, several thousand primary cells with an individual voltage of around 3 to 4 V are connected together in battery storage systems to form larger systems. Each cell requires cyclical or permanent condition monitoring. If the properties of the cell (internal resistance, capacity) are degraded due to unavoidable aging, the cell should be replaced individually or together with cells that are still intact and with which it is connected to form a unit. The usual construction of the Battery storage is provided in grounded battery racks. In the current stationary and mobile battery storage systems, the battery cells are arranged in a modular manner using typical steel control cabinets with inserts, so-called racks, and interconnected to form larger systems. For further modularization, shipping containers with a length of 20 or 40 feet are equipped with such control cabinets and battery storage systems are built up from several battery containers as well as a control and transformer container.
Bei herkömmlichen Batteriespeichern, bei denen die Batterie zellen in geerdeten Batterieeinschüben anordnet sind, ist die maximale Betriebsspannung aufgrund der erforderlichen Isolie rung der spannungsführenden Leiter gegenüber dem Batterieein schub begrenzt. In conventional battery storage systems in which the battery cells are arranged in grounded battery racks, the maximum operating voltage is limited due to the required isolation of the live conductors compared to the battery insert.
Herkömmliche Batteriespeichersysteme haben zumeist eine Luft kühlung, die durch die Lüfter in den Racks und Schränken be werkstelligt wird. Für die globale Kühlung des Containers o- der gezielt für die Schränke ist typisch eine Klimaanlage am Container installiert. Conventional battery storage systems mostly have air cooling, which is done by the fans in the racks and cabinets. An air conditioning system is typically installed on the container for global cooling of the container or specifically for the cabinets.
Die Anforderungen an die eingesetzten Schaltschränke - in Hinblick auf Wandstärke, Explosions-, Brand- und Lichtbogen schutz - und deren innere Struktur hängen zum Teil von der Höhe möglicher Betriebsströme, respektive Verlusten und von der Kurzschlussleistung ab. The requirements for the control cabinets used - with regard to wall thickness, explosion, fire and arc protection - and their internal structure depend in part on the level of possible operating currents or losses and on the short-circuit power.
Sowohl die Schaltschränke, wie auch Racks, weisen zum Teil eigene Kühlsysteme, elektrische und thermische Isoliersysteme sowie Zwischenwände und elektrische Wand-Stromdurchführungen („Steck-Kontakte" ) auf. Ferner wird neben der notwendigen Be schaltung der Komponenten mittels Stromkabeln/-schienen auch diverse Messtechnick zur Zustandsüberwachung verbaut und ver kabelt . Both the control cabinets and racks have their own cooling systems, electrical and thermal insulation systems as well as partitions and electrical wall feedthroughs ("plug-in contacts"). Furthermore, in addition to the necessary wiring of the components using power cables / rails, various Measurement technology for condition monitoring installed and wired.
Die elektronischen, elektrischen und elektrochemischen Be standteile (Halbleiter, Batteriezellen, Steuermodule ) , wie auch deren Hilfssysteme (Lüfter, Pumpen, Schläuche) weisen eine unvermeidliche Ausfallrate auf und müssen gegebenenfalls vom Servicepersonal ausgetauscht werden. Folglich sind in Containern Servicegänge und in den Schränken Schienen The electronic, electrical and electrochemical components (semiconductors, battery cells, control modules) such as Their auxiliary systems (fans, pumps, hoses) also show an inevitable failure rate and may have to be replaced by the service staff. As a result, there are service aisles in the containers and rails in the cupboards
und/oder Einschubfächer angeordnet, damit die Racks von den Servicetechnikern herausgezogen und ausgetauscht werden kön nen . and / or slots so that the racks can be pulled out and replaced by the service technicians.
Zur Reduktion der Brandgefahr wird aktuell auch ein Betrieb mit Sauerstoff (O2) -armer Luft geprüft, wobei ein Ch-Gehalt von 13% aus Personensicherheitsgründen nicht unterschritten werden darf (https://www.feuertrutz.de/forschung- brandbekaempfung-von-lithium-ionen-batterien/150/ 60110/) . To reduce the risk of fire, operation with low-oxygen (O2) air is currently being tested, whereby a Ch content of 13% must not be undercut for personal safety reasons (https://www.feuertrutz.de/forschung- brandbekaempfung-von- lithium-ion batteries / 150/60110 /).
Derzeit werden vor Ort keine Einschübe repariert, beim Aus fall einer aus 100 in einem Rack enthaltenen Batteriezellen (Elementen) wird beispielweise der komplette Einschub ausge tauscht. Erst im Werk wird der Einschub gegebenenfalls analy siert und instandgesetzt. Bis zur Ankunft des Technikers bleiben die fehlerhaften Module sowie alle mit ihnen direkt verbundenen intakten Module (zum Beispiel alle Rest- Module/Rest-Einschübe im Strang) ausgeschaltet. Currently, no slide-in units are being repaired on site; if one of 100 battery cells (elements) in a rack fails, for example, the entire slide-in unit is replaced. If necessary, the withdrawable unit is only analyzed and repaired at the factory. Until the technician arrives, the faulty modules and all intact modules directly connected to them (for example all remaining modules / remaining racks in the string) remain switched off.
Die herkömmlichen Batteriespeicher zeichnen sich durch Ser vicegänge für Wartungspersonal in den Containern, Rack- und Schaltschrank-Isolation, sowie zusätzliche Anforderungen für Lichtbogen- und Brandschutz aus. Conventional battery storage systems are characterized by service corridors for maintenance personnel in the containers, rack and control cabinet insulation, and additional requirements for arc and fire protection.
Aus der US2019/0181406A1 ist ein Batteriespeicher bekannt, bei dem in einem elektrisch leitfähigen und geerdeten Contai ner viele Batteriezellen aufnehmende Module, die elektrische Energie speichern, in Trägern angeordnet sind. Die Träger sind mit dem Container elektrisch verbunden und über diesen geerdet. Die Batteriezellen aufnehmenden Module sind gegen über den Trägern elektrisch isoliert und über gesonderte Erd leitungen außerhalb des Containers geerdet. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Batteriespei cher, insbesondere Hochspannungs-Batteriespeicher, zu schaf fen, der eine signifikant erhöhte Energiedichte aufweist und der geeignet ist, über einen Umrichter und Transformator oder über einen Umrichter ohne Transformator, mit einem Mit- telspannungs-Netz verbunden zu werden. Des Weiteren liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Lösung zu schaffen für die in einem Batteriespeicher mit hoher Energiedichte durch zuführenden Service-Aufgaben. From US2019 / 0181406A1 a battery storage device is known, in which in an electrically conductive and grounded Contai ner many battery cells receiving modules that store electrical energy, are arranged in carriers. The carriers are electrically connected to the container and grounded through it. The modules accommodating the battery cells are electrically insulated from the carriers and earthed via separate earth lines outside the container. The invention is based on the problem of creating a battery storage, in particular a high-voltage battery storage, which has a significantly increased energy density and which is suitable for a converter and transformer or a converter without a transformer, with a medium-voltage network to be connected. Furthermore, the invention is based on the problem of creating a solution for the service tasks to be performed in a battery storage device with a high energy density.
Das Problem wird durch einen Batteriespeicher nach Anspruch 1 gelöst . The problem is solved by a battery storage device according to claim 1.
Die Erfindung schafft ein für Hochspannung ausgelegtes Con tainer-Batteriespeichersystem. The invention creates a designed for high voltage Con tainer battery storage system.
Der erfindungsgemäße Batteriespeicher weist eine offene Bau weise des Regalsystems 6 und der Zellhalter 2 auf, so dass eine Serienschaltung der im Hochregal installierten Zellen 1 zu einem Hochspannungssystem mit der Nennspannung, alias Aus gangsspannung, alias Betriebsspannung alias Systemspannung, von höher als 1200 V möglich ist. The battery storage according to the invention has an open construction of the shelf system 6 and the cell holder 2, so that a series connection of the cells 1 installed in the high shelf to form a high-voltage system with the nominal voltage, alias output voltage, alias operating voltage alias system voltage, of higher than 1200 V is possible .
Bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeicher sind durch Wegfall einer Ordnungsebene (Batterieeinschub, Rack, Schaltschrank- Ebene) zum Einen die Packungsdichte an Batteriemodulen we sentlich erhöht und zum Anderen die Begrenzung der möglichen Betriebsspannung überwunden. In the case of the battery storage device according to the invention, the omission of an order level (battery drawer, rack, switch cabinet level) on the one hand significantly increases the packing density of battery modules and on the other hand overcomes the limitation of the possible operating voltage.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriespei chers, insbesondere wartungsfreundlichen Hochspannung- Batteriespeichers, mit hoher Packungsdichte, hoher Leistungs dichte und verbesserter Kühlung werden folgende Schritte vor geschlagen . In a further embodiment of the Batteriespei memory according to the invention, especially maintenance-friendly high-voltage battery storage, with high packing density, high power density and improved cooling, the following steps are proposed.
-Übergang zu einem Betrieb bei Druckluft oder mit Druckgas. Durch Übergang von 1 Bara Luft auf 1,3 Bara Luft ergibt sich eine um 30% höhere relative Wärmekapazität des Gases. Ferner wird auch der Wärmeübergang etwas verbessert. Gerade für che mische Energiespeicher ist die Einhaltung der zulässigen Tem peratur besonders wichtig und limitiert die mögliche Leis tung. Anwendungen mit dauerhaftem oder temporärem Betrieb mit Überdruck sind zum Beispiel in der Kraftwerkstechnik (Motoren und Generatoren) bekannt - in Form von Pressurized Air Gene ratoren. Die notwendige Pumpe für Druckluftregelung sowie die Fähigkeit eines Containers einen geringen Luft-Überdruck aus zuhalten sind gegeben. Weitere Gase, wie zum Beispiel Kohlen dioxid CO2 oder Schwefel-Hexafluorid SF6, sind möglich, um zum Beispiel einen Akkubrand einzudämmen oder die elektrische Isolierfähigkeit der Umgebung oder die elektrische Kriech stromfestigkeit der Oberflächen zu erhöhen. - Transition to operation with compressed air or with compressed gas. By changing from 1 bara air to 1.3 bara air, the relative heat capacity of the gas is 30% higher. Further the heat transfer is also improved somewhat. Maintaining the permissible temperature is particularly important for chemical energy storage devices and limits the possible performance. Applications with permanent or temporary operation with overpressure are known, for example, in power plant technology (motors and generators) - in the form of pressurized air generators. The necessary pump for compressed air regulation and the ability of a container to withstand a slight excess air pressure are given. Other gases, such as carbon dioxide CO2 or sulfur hexafluoride SF 6 , are possible, for example, to contain a battery fire or to increase the electrical insulation properties of the environment or the electrical creep resistance of the surfaces.
-Übergang zu einem Betrieb bei Sauerstoff-freier Gasumgebung -zum Beispiel Stickstoff N2 als Druckgas bei 1,3 Bara. Be dingt durch das Fehlen des Sauerstoffes werden Primärbrände an Elektronik und Umgebung der Zellen verhindert, eine Über tragung des Brandes auf die Zellen wird somit weitgehend un terdrückt. Durch Betrieb bei Stickstoff N2 wird (bei gleichem Druck) die Wärmekapazität verglichen mit Luft erhöht und so mit die Kühlung verbessert. -Transition to operation in an oxygen-free gas environment -for example nitrogen N2 as a compressed gas at 1.3 bara. Due to the lack of oxygen, primary fires in the electronics and the area around the cells are prevented, and transmission of the fire to the cells is largely suppressed. Operating with nitrogen N2 (at the same pressure) increases the heat capacity compared to air and thus improves cooling.
Ferner wird durch die Druckgas-Umgebung eine Ausbreitungsge schwindigkeit der etwaigen Explosions-Druckwelle im Vergleich zu Luft stark erhöht. Bei einer Zellenexplosion wird diese daher schneller durch Drucksensoren im Container oder im Ro boter erkannt und Brandbekämpfungsmaßnahmen können früher eingeleitet werden. Furthermore, a propagation speed of any explosion pressure wave is greatly increased compared to air by the pressurized gas environment. In the event of a cell explosion, this is therefore detected more quickly by pressure sensors in the container or in the robot and fire-fighting measures can be initiated earlier.
-Übergang auf eine automatisierte Wartung. - Transition to automated maintenance.
Wird ein Batteriespeicher unter Druckluft oder Druckgas oder unter Schutzgas, wie zum Beispiel Corgon, betrieben, würde herkömmlich im Service-Fall eine Reduktion des Betriebsdrucks auf Normaldruck und gegebenenfalls eine Spülung mit Luft er forderlich werden. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, einen au tomatisierten Roboter für Wartungszwecke einzusetzen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, breite Wartungsgänge im Container bereitzuhalten und die Umgebungstemperatur im Gang auf eine für Servicepersonal zulässige Temperatur herunterzuregeln. If a battery storage device is operated under compressed air or compressed gas or under protective gas, such as Corgon, conventionally a reduction of the operating pressure to normal pressure and, if necessary, purging with air would be necessary in the service case. In a further development of the invention it is proposed to use an automated robot for maintenance purposes. This eliminates the need to keep wide maintenance aisles ready in the container and to reduce the ambient temperature in the aisle to a temperature that is permissible for service personnel.
Der Ansatz des erfindungsgemäßen Roboters, der sich in den erfindungsgemäßen Wartungskanälen zwischen so dicht wie mög lich gepackten Batterieeinheiten bewegt, vermeidet die Nach teile herkömmlicher Batteriespeicher: The approach of the robot according to the invention, which moves in the maintenance channels according to the invention between as closely as possible packed battery units, avoids the disadvantages of conventional battery storage:
• Begrenzte Brandsicherheit, • Limited fire safety,
• Ineffiziente Raumausnutzung, • Inefficient use of space,
• Material und Fertigungskosten, • material and production costs,
• Einsatz von Wartungspersonal inklusive Personenschutz- Maßnahmen wie das Tragen der Gas-, Brand- oder sonstiger Schutzausrüstung oder Verwendung von Ausrüstung zur Arbeit unter Spannung • Use of maintenance personnel, including personal protection measures such as wearing gas, fire or other protective equipment or using equipment for live work
• Geringe Skalierbarkeit, • Low scalability,
• Spannungsbegrenzung. • Voltage limitation.
Die Nutzung der alternativen Gase und Luft/Luftdrücke sowie die beschriebene Handlungen im Brandfall gehen mit dem Ein satz des Roboters einher. The use of alternative gases and air / air pressures as well as the actions described in the event of fire go hand in hand with the use of the robot.
Sowohl können primäre Brände (oder Brandübertrag) von/auf Elektronik und Umgebung vermieden als auch die aktive Lösch arbeiten am brennenden Zellmodul realisiert werden. Primary fires (or fire transfer) from / to electronics and the environment can be avoided and active extinguishing work can be carried out on the burning cell module.
Die Packungsdichte an Batteriemodulen wird wesentlich erhöht durch Entfall einer Ordnungsebene (Rack, Schaltschrank- Ebene) , durch Ersatz des nicht genutzten Wartungsganges für Service-Personal gegen einen Wartungskanal 7 für einen Ser vice-Roboter und durch ein generales Kühlkonzept. Damit kann mehr als die doppelte Packungsdichte erreicht werden. The packing density of battery modules is significantly increased by eliminating a level of organization (rack, control cabinet level), by replacing the unused maintenance aisle for service personnel with a maintenance channel 7 for a service robot and by a general cooling concept. This means that more than twice the packing density can be achieved.
Durch hohe Packungsdichte der Zellmodule ist nicht nur eine höhere Gesamtkapazität des Containers möglich, sondern es kann durch die besonders kurzen Anschlusswege und das Fehlen der geerdeten Trennwände/Einschub-/Schrankwände eine beson ders günstige Gestaltung einer Serienverschaltung der Module realisiert werden und damit eine wesentlich höhere System spannung des Batteriespeichers. The high packing density of the cell modules not only enables a higher total capacity of the container, but also the particularly short connection routes and the lack of the grounded partition walls / slide-in / cabinet walls a particularly favorable design of a series connection of the modules can be implemented and thus a significantly higher system voltage of the battery storage.
Ein Roboter kann auf engem Raum programmgemäß die einzelnen Module abprüfen und gegebenenfalls direkt auswechseln sowie die Austauschmodule aus einem separaten Container oder einer Nische 11 im Container beziehen (Vorhaltung von Ersatzmodu len) . Nach dem Wechseln kann er das Modul in einen wiederum separaten Bereich ablegen. Alt- und Neumodulgebinde können von Außen, gegebenenfalls mittels einer Schleuse, versorgt werden. Der Füllstand oder die belegten Plätze für Batterie- zellen-Module im Container können an zentraler Stelle (Zent ralstelle) angezeigt werden. According to the program, a robot can check the individual modules in a confined space and, if necessary, replace them directly, as well as obtain the replacement modules from a separate container or niche 11 in the container (provision of replacement modules). After changing, he can put the module in a separate area. Old and new module containers can be supplied from the outside, if necessary by means of a lock. The fill level or the occupied spaces for battery cell modules in the container can be displayed at a central point (central point).
Die Nutzung eines oder mehrerer Roboter/s erspart die Einhal tung bestimmter Maßnahmen zur manuellen Wartung, wie Wegemin destmaße, Einbau ansonsten anzuordnender Türen, Querwege und zusätzlicher Sicherheitsisolierung und Erdungsmaßnahmen. The use of one or more robots saves having to comply with certain manual maintenance measures, such as minimum distances, installation of doors that would otherwise be arranged, cross paths and additional safety insulation and earthing measures.
Das Containermodul oder die Containergruppe kann von einer Zentralstelle aus der Ferne überwacht und gewartet werden. The container module or group of containers can be monitored and serviced remotely from a central point.
Der Roboter ist so beschaffen, dass er das Batteriemodul 2, bestehend aus dem Batteriezellenhalter 3 und den Batteriezel len 1, austauschen kann. Es muss lediglich genügend Platz im Zwischenraum 7 sein, um das Batteriemodul 2 herausziehen oder einsetzen zu können. Der vorgeschlagene segmentierte Zellhal ter, beziehungsweise das Modul 2 reduziert die benötigte Breite des Servicekanals 7. The robot is designed so that it can replace the battery module 2, consisting of the battery cell holder 3 and the battery cells 1. There just has to be enough space in the gap 7 to be able to pull out or insert the battery module 2. The proposed segmented cell holder, or the module 2, reduces the required width of the service channel 7.
Der Personalaufwand zum Entsenden von Monteuren zur Reparatur wird stark minimiert und damit auch das Gefährdungspotential. Ferner wird dadurch der Wartungsaufwand reduziert und die Ge- samt-Ökobilanz des Speichers durch Eliminierung der Monteur reisen verbessert. Die einzelnen Container sind dabei so modular aufgebaut, dass die Führungsschienen 9 für den Wartungsroboter 20 miteinander verbunden werden können, wenn es mehrere zu einer Gruppe ver bundener Container mit verbundenem Innenraum gibt. The personnel expenditure for sending fitters for repairs is greatly minimized and thus also the potential risk. Furthermore, this reduces the maintenance effort and improves the overall ecological balance of the storage system by eliminating the need for fitters to travel. The individual containers are constructed in such a modular way that the guide rails 9 for the maintenance robot 20 can be connected to one another if there are several containers that are connected to a group and have a connected interior.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen einen optimierten Batterie-Container, der vollständig digital gesteuert und mittels Roboter gewartet wird. The measures according to the invention enable an optimized battery container that is fully digitally controlled and serviced by a robot.
Durch den Übergang von breiten Service-Gängen für Wartungs personal zu schmalen Wartungskanälen 7 für den Roboter wird die Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Batteriespeichers erhöht . The transition from wide service aisles for maintenance personnel to narrow maintenance channels 7 for the robot increases the power density of the battery storage device according to the invention.
Die Erfindung schafft ein Batteriespeichersystem wahlfrei kombinierbar mit einem Kühlgas oberhalb Atmosphärendruck, an deren Kühlmedien als Luft und einem generalen Kühlkonzept, bei dem ein Lüfter je Träger-System oder Träger-Teilsystem gegeben ist und bei dem keine geerdeten Wände die Zirkulation des Kühlmediums um die eingekapselten, oder mit Kühlkörper teilweise bedeckten oder offenen Batteriezellen in ihren Zellhaltern behindern. The invention creates a battery storage system that can be optionally combined with a cooling gas above atmospheric pressure, its cooling media as air and a general cooling concept in which there is a fan for each carrier system or carrier subsystem and with no earthed walls to allow the cooling medium to circulate around the encapsulated , or partially covered with heat sinks or open battery cells in their cell holders.
Bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeichermodul können die Module unterbrechungsfrei und unter Verzicht auf Monteure mit persönlicher Schutzausrüstung im engen Raum durch Roboter un ter Spannung ausgetauscht werden. In the case of the battery storage module according to the invention, the modules can be replaced by robots under voltage in a confined space without interruption and without the need for fitters with personal protective equipment.
Der erfindungsgemäße Batteriespeicher weist gegenüber her kömmlichen Bauarten folgende Vorteile auf: The battery storage according to the invention has the following advantages over conventional designs:
-reduzierte Material- und Fertigungskosten, -reduced material and manufacturing costs,
-effiziente Raumausnutzung in dem Container, -efficient use of space in the container,
-Skalierbarkeit für noch höhere Spannungen, -Scalability for even higher voltages,
-reduzierte Personal- und Betriebskosten, -reduced personnel and operating costs,
-Möglichkeit zur Eindämmung der Brandausbreitung. Die erzielbare Nennspannung des Containers beträgt derzeit 5kV, langfristig können mit dem erfindungsgemäßen Konzept Spannungen bis 50 kV realisiert werden. -Possibility to contain the spread of fire. The nominal voltage that can be achieved for the container is currently 5 kV; in the long term, voltages of up to 50 kV can be achieved with the inventive concept.
Die neueren Entwicklungen auf dem Gebiet der Hochspannungs- Leistungselektronik (Solid State- Transformatoren, Silizi- umcarbid SiC-Hochspannung-Bauelemente mit Spannungen von be reits über 10 kV) zeigen, dass eine Realisierung von Energie wechselrichtern mit Betriebsspannungen von bis zu 5000- 10000V mittelfristig und von 35000V langfristig möglich wird [weitere Infos: The more recent developments in the field of high-voltage power electronics (solid-state transformers, silicon carbide SiC high-voltage components with voltages already above 10 kV) show that energy inverters with operating voltages of up to 5000-10000V can be implemented in the medium term and from 35000V is possible in the long term [further information:
http : //www . esc . ethz . ch/news/archive/2016/10/smart-all-sic- solid-state-transformers.html] . http: // www. esc. ethz. ch / news / archive / 2016/10 / smart-all-sic- solid-state-transformers.html].
Der erfindungsgemäße Batteriespeicher kann damit eine direkte Übertragung von Energie über Umrichter ins Mittelspannungs netz mit lOkV, 20kV 30kV oder 60kV ohne Einsatz eines Trans formators erlauben. The battery storage device according to the invention can thus allow a direct transmission of energy via converters into the medium-voltage network with 10kV, 20kV, 30kV or 60kV without using a transformer.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. Advantageous further developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figu ren näher erläutert. Dabei zeigen: The invention is explained in more detail below as an exemplary embodiment to the extent necessary for understanding with reference to Figures. Show:
Fig 1 einen erfindungsgemäßen Container 16 mit Batteriezel- len-Moduln und Druckluft, Hochregal-Systemen 6 mit Ver blendungen 5, sowie Ersatzteillager 11, 1 shows a container 16 according to the invention with battery cells modules and compressed air, high-bay systems 6 with blinds 5, and spare parts warehouse 11,
Fig 2 nähere Einzelheiten aus Fig 1, schmale Roboter-Kanäle 7 und Roboter 20, FIG. 2 shows more details from FIG. 1, narrow robot channels 7 and robot 20,
Fig 3 Batteriezellen im erfindungsgemäßen Container mit 3 with battery cells in the container according to the invention
Druckluft / N2 mit vier Hochregalen 6 und zwei durchge henden schmalen Roboter-Kanälen 7 und eine vergrößerte Darstellung des Containers mit integralen Lüftern 12 und Verblendungen 5, Fig 4 ein isoliertes Regal 6 mit Schienen für Module 2 ober halb und unterhalb sowie eine exemplarische Darstellung von Zellhalter-Bauweise, Compressed air / N2 with four high shelves 6 and two continuous narrow robot channels 7 and an enlarged view of the container with integral fans 12 and facings 5, 4 shows an insulated shelf 6 with rails for modules 2 above and below and an exemplary representation of cell holder construction,
Fig 5 ein Detail-Beispiel des erfindungsgemäßen Roboters 20, Fig 6 Regalsystem 6 mit Zellhaltern/Modulen 2, das Regalsys tem beinhaltet vier Stränge 13 je ein Strangtrenner 14, Fig 7 Beispiel eines Moduls 2 mit drei Kühlöffnungen 4 mit zusammengeschweißten und mechanisch zusammen fixierten Zellen mit zwei Lötkontakten 17. Fig. 5 shows a detailed example of the robot 20 according to the invention, Fig. 6 shelf system 6 with cell holders / modules 2, the shelf system includes four strands 13 each with a strand separator 14, Fig. 7 shows an example of a module 2 with three cooling openings 4 with cells welded together and mechanically fixed together with two solder contacts 17.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele mente . In the figures, the same designations denote the same elements.
Ein erfindungsgemäßer Container 16 mit automatisierter War tung durch Roboter 20 mit der Nutzung der Hochregale 6 für Zellmodule 2 ist in Fig 1 abgebildet. Durch Wegfall der Gänge für Servicepersonal kann eine mehr als doppelte Packungsdich te erreicht werden. Damit der Roboter seine Ersatzteile ohne Druckabfall im Container beziehen kann, wird ein Ersatzteil lager 11 direkt im Container angeordnet. A container 16 according to the invention with automated maintenance by robot 20 with the use of high shelves 6 for cell modules 2 is shown in FIG. By eliminating the aisles for service personnel, more than twice the packing density can be achieved. So that the robot can obtain its spare parts without a pressure drop in the container, a spare parts store 11 is arranged directly in the container.
Eine Bestückung von entsprechenden Hochregal-Systemen mit länglichen einschiebbaren Zellmodulen 2, die mit einem seg mentierten Zellhalter 3 gebildet sind, ermöglicht das Heraus schieben des Zellhalters aus dem Regalsystem in den Service- Kanal 7, obwohl die Gesamtlänge des Zellhalters größer ist als die Breite des Service-Kanals (Figur 3) . Die Zellmodule können eine dauerhafte Kontaktierung der Zellen zueinander und ein Gelenk, aber auch Scharnier, zwischen den beiden Seg menten 3 enthalten. Equipping corresponding high-bay systems with elongated retractable cell modules 2, which are formed with a segmented cell holder 3, enables the cell holder to be pushed out of the shelf system into the service channel 7, although the total length of the cell holder is greater than the width of the Service channel (Figure 3). The cell modules can contain permanent contact between the cells and a joint, but also a hinge, between the two segments 3.
Der Roboter 20 kann Brandbekämpfungs-Aufgaben im Container übernehmen. Er kann: The robot 20 can take over fire-fighting tasks in the container. He can:
-Sich autonom (auch bei Strom- und Signalunterbrechung) durch eigene Akku-Versorgung, Programm-gesteuert oder anhand der eingebauten Brand-, Temperatur- oder Drucksensoren oder Ex plosionserkennungssensoren zu der Brandstelle bewegen, -Die Trennung und Abschottung der brennenden Zellmodule vor nehmen (Installation einer Löscheinhausung oder durch Heraus schieben aus dem Regal in den Gang oder durch Herausschieben in eine Zone mit besserer Gas oder ^-Strömung (zur besseren Kühlung der brennenden Zelle) , - Move autonomously (even in the event of a power or signal interruption) through your own battery supply, program-controlled or using the built-in fire, temperature or pressure sensors or explosion detection sensors to the scene of the fire, - Separate and seal off the burning cell modules (installation of an extinguishing housing or by pushing it out of the shelf into the aisle or by pushing it out into a zone with better gas or ^ flow (for better cooling of the burning cell),
-Die Kühlung/Löschung einer überhitzten Zelle mit Gas, Flüs sigkeit, Schaum oder Gel vornehmen, wobei der Roboter gegen über den entstehenden Gasen und Temperaturen eine hohe Be ständigkeit aufweist. -Cool / extinguish an overheated cell with gas, liquid, foam or gel, whereby the robot is highly resistant to the gases and temperatures that arise.
-Übergang auf eine kompakte, ungeerdete Bauweise der Zellmo dule 2. Ein Batteriezellen-Modul 2 ist mit einer einstelligen Anzahl, insbesondere sieben, wiederaufladbarer, zusammenge schalteter Batteriezellen in offener, alias bloßer, alias blanker Bauform gebildet. Diese Bauweise ermöglicht es, die Anzahl auszutauschender noch intakter Zellen bei Ausfall ei ner Zelle und damit die erforderliche Größe des Ersatzteilla gers zu reduzieren. Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen- Modul ist also frei von einer geerdeten Ummantelung, alias Einhausung, alias Einschub, alias Rack. Die offene Bauweise verbessert die Kühlung, Effizienz und Zuverlässigkeit inso weit, als ein Einsatz von größeren Lüftern 12 und einer um fassenden, alias integralen, alias generalen KühlluftZirkula tion im Regal ermöglicht wird (Figur 4) . Zur weiteren Verbes serung der Kühlung kann ein Batteriezellenmodul eine zusätz liche Kühlvorrichtung in Form einer nicht geerdeten Kühlum mantelung, von Kühlradiatoren, Kühlkörpern, das Kühlmedium leitenden oder die Kühlströmung steuernden Kühlelementen auf weisen, welche das Zellmodul teilweise umschließen. In einer besonderen Ausgestaltung sind diese Kühlelemente thermisch direkt oder indirekt an die Zellenoberfläche angebunden. Ein Batteriezellen-Modul kann also einen in einem direkten oder indirekten Kontakt mit den Zellen stehenden Kühlkörper auf weisen. In einem Batteriezellen-Modul 2 oder einem Träger- System 6 kann eine Struktur, wie zum Beispiel Öffnungen, Roh re, Kanäle, Wärmetauscher, zur Führung und Verteilung eines oder mehrerer Kühlmedien, wie zum Beispiel Gas, Wasser, aus gebildet sein. Ein Batteriezellen-Modul kann eine isolierte, leitfähige oder partiell leitfähige Umhausung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass ein Teil der Oberfläche der Zellen von Außen, insbesondere von den Seiten, von oben oder von un ten, für das Kühlgas zugänglich ist. Transition to a compact, ungrounded design of the Zellmo modules 2. A battery cell module 2 is formed with a single-digit number, in particular seven, rechargeable, interconnected battery cells in an open, alias bare, alias bare design. This design makes it possible to reduce the number of still intact cells to be replaced in the event of a cell failure and thus to reduce the required size of the spare parts warehouse. A battery cell module according to the invention is therefore free of a grounded casing, alias housing, alias insert, alias rack. The open design improves the cooling, efficiency and reliability insofar as the use of larger fans 12 and a comprehensive, alias integral, alias general cooling air circulation on the shelf is made possible (FIG. 4). To further improve cooling, a battery cell module can have an additional cooling device in the form of a non-grounded cooling jacket, cooling radiators, cooling elements, cooling elements which conduct the cooling medium or which control the cooling flow, which partially enclose the cell module. In a special embodiment, these cooling elements are thermally connected directly or indirectly to the cell surface. A battery cell module can therefore have a cooling body in direct or indirect contact with the cells. In a battery cell module 2 or a carrier system 6, a structure, such as openings, pipes, channels, heat exchangers, for guiding and distributing one or more cooling media, such as gas, water, can be formed. A battery cell module can be an isolated, Have conductive or partially conductive housing which is designed so that part of the surface of the cells is accessible from the outside, in particular from the sides, from above or from below, for the cooling gas.
Es ist vorteilhaft, die Wartungskanäle 7, alias Service- Kanäle alias Roboter-Kanäle von der Kühlluft-Zirkulation zu trennen dadurch, dass die Hochregale oder die äußeren Stirn seiten der Zellhalter 2 eine strömungstechnische Verblendung, zum Beispiel in Form von abgedichteten Blechen oder Kunst stoff-Blenden 5 aufweisen. It is advantageous to separate the maintenance ducts 7, alias service ducts alias robot ducts, from the cooling air circulation in that the high shelves or the outer end faces of the cell holder 2 have a fluidic veneer, for example in the form of sealed metal sheets or plastic - Apertures 5 have.
- Aufbau eines isolierten oder aus Isoliermaterial bestehen den Hochregal-Systems 6 in einem Container 16, wobei anstelle eines Wartungsganges mit einer Breite von derzeit mindestens 90 cm ein oder mehrere schmale Wartungskanäle 7 angeordnet sind. Dadurch wird die Leistungsdichte mindestens verdoppelt und die Voraussetzung geschaffen für Einbau der nicht iso lierten Bauteile und elektrischen Leiter mit denen Spannungen oberhalb von 1200V. Damit kann eine signifikante Reduktion der Verluste und Leiterquerschnitte realisiert werden. Ein 40 Fuß-Container könnte somit bereits mit heutigen zylindri schen, runden Zellen 7,5 MWh Akku-Speicher beinhalten. - Construction of an insulated or insulating material consist of the high-bay system 6 in a container 16, one or more narrow maintenance channels 7 being arranged instead of a maintenance aisle with a width of currently at least 90 cm. This at least doubles the power density and creates the conditions for the installation of non-insulated components and electrical conductors with voltages above 1200V. This enables a significant reduction in losses and conductor cross-sections. A 40-foot container could thus already contain 7.5 MWh of battery storage with today's cylindrical, round cells.
- Bestückung von entsprechendem Hochregal-System 6 mit läng lichen einschiebbaren Zellmodulen 2, die mit einem segmen tierten Zellhalter 3 (siehe Fig 4) gebildet sind, wobei der Zellhalter eine dauerhafte Kontaktierung der Zellen zueinan der und ein Gelenk zwischen den Segmenten aufweist, so dass das Herausschieben des Zellhalters aus dem Regalsystem in den Service-Kanal 7 möglich ist, obwohl die Gesamtlänge des Zell moduls größer ist als die Breite des Service-Kanals. - Equipping of corresponding high-bay system 6 with elongated retractable cell modules 2, which are formed with a segmented cell holder 3 (see Fig. 4), the cell holder having a permanent contact of the cells zueinan and a joint between the segments, so that it is possible to push the cell holder out of the shelf system into the service channel 7, although the total length of the cell module is greater than the width of the service channel.
Auch kann eine Segmentierung des segmentierten Zellhalters 3 ohne Gelenk, beispielweise durch Nutzung eines Stecksystems realisiert werden. - Offene Bauweise des Regalsystems 6 und des Zellhalters 2, so dass eine Serienschaltung der im Hochregal installierten Zellen 1 zu einem Hochspannungssystem mit der Nennspannung von über 1200 V möglich ist und gleichzeitig keine geerdeten Wände die Zirkulation des Kühlmediums im Regalsystem behin dern. Damit kann für den Container ein generales Kühlkonzept mit leistungsfähigen Lüftern 12 realisiert werden. The segmented cell holder 3 can also be segmented without a joint, for example by using a plug-in system. - Open design of the shelf system 6 and the cell holder 2, so that the cells 1 installed in the high shelf can be connected in series to form a high-voltage system with a nominal voltage of over 1200 V and at the same time no earthed walls hinder the circulation of the cooling medium in the shelf system. A general cooling concept with powerful fans 12 can thus be implemented for the container.
Weitere Ausführungbeispiele und Details: Further design examples and details:
Ein isolierter hochspannungsfester Roboter 20 (siehe Fig 5), der die Wartung und teilweise die Vermessung der Zellen (Tem peratur, Widerstand, Ladezustand (State of Charge, SoC) , Ka pazität) und Zellhalter (diese würden dann Messkontakte und Leitungen zu den einzelnen Zellen haben, wenn die Zellen in eingebautem Zustand selbst nicht direkt zugänglich sind) übernimmt sowie Einbau und Ausbau der Zellen beziehungsweise der bestückten Zellhalter unter Spannung durchführt. Die Maße und die Bauweise des Roboters erlauben eine Fortbewegung des Roboters innerhalb der schmalen Service-Kanäle im Container oder im Container-Verbund. Der Roboter erlaubt die Nutzung von besonders schmalen Servicegängen, reduziert Personalauf wand und Sicherheits-Anforderungen für die Zellmodule, womit die Realisierung eines hoch entwickelten Batteriespeichers gegeben ist. An isolated high-voltage-resistant robot 20 (see Fig. 5), the maintenance and partially the measurement of the cells (tem perature, resistance, state of charge (SoC), Ka capacity) and cell holder (these would then measuring contacts and lines to the individual Cells if the cells themselves are not directly accessible when installed) and carries out the installation and removal of the cells or the equipped cell holder under voltage. The dimensions and construction of the robot allow the robot to move within the narrow service channels in the container or in the container network. The robot allows the use of particularly narrow service aisles, reduces personnel costs and safety requirements for the cell modules, which means that a highly developed battery storage system is possible.
Der Roboter 20 kann eine wahlfreie Kombination von Greifer, Messeinrichtung, insbesondere für Spannung, für Temperatur, für Vibration, für Druck, WLAN- oder Funk-Datenübertragung, RFID-Leseeinrichtung, Lichtquelle, Kamera, Laser, Radar, Ult raschalleinheit, Gasanalysator, Brandbekämpfungseinrichtung aufweisen. Der Roboter 20 selbst kann zwischen Schienenmodul 100 und Greifermodul 300 elektrisch isoliert aufgebaut sein. Der Roboter 20 kann ferngesteuert, programmgesteuert oder au tark agieren. Der Roboter 20 kann zur Minimierung seiner Bau höhe und Baubreite in der Höhe und Breite komprimierbar aus gestaltet sein. Detail-Beispiel eines Roboters The robot 20 can have an optional combination of gripper, measuring device, in particular for voltage, for temperature, for vibration, for pressure, WLAN or radio data transmission, RFID reading device, light source, camera, laser, radar, ultra-rapid unit, gas analyzer, fire-fighting device exhibit. The robot 20 itself can be constructed to be electrically insulated between the rail module 100 and the gripper module 300. The robot 20 can act remotely, program-controlled or autonomously. The robot 20 can be designed to minimize its construction height and width in height and width compressible. Detail example of a robot
100: Schienenmodul für Deckenschienensystem 9 (X, Y oder XY 100: Rail module for ceiling rail system 9 (X, Y or XY
Bewegung) , Move) ,
200: Z-Teleskopstange, vorzugsweise aus Isoliermaterial oder isoliert aufgebaut, 200: Z-telescopic rod, preferably made of insulating material or constructed in isolation,
300: Greifermodul galvanisch getrennt von dem Schienenmodul 1, Akku-betrieben, 300: gripper module galvanically isolated from rail module 1, battery-operated,
400: Greifer am Greifermodul 300, der Greifer kann isoliert sein oder mit dem Greifermodul galvanisch verbunden sein. Bei geringeren Betriebsspannungen können auch fast alle Teile des Roboters (Schienenmodul, Teleskoparm, Greifermodul) geerdet sein und lediglich der Greifer isoliert sein. 400: Gripper on the gripper module 300, the gripper can be isolated or galvanically connected to the gripper module. With lower operating voltages, almost all parts of the robot (rail module, telescopic arm, gripper module) can be grounded and only the gripper can be isolated.
Der Roboter ist oben an einem Schienensystem 9 befestigt und umfasst ein Schienenelement 100 oben, einen isolierten Tele skoparm/Teleskopstange 200 und ein Greiferelement 300 / 400 unten. Die Bauweise des Teleskoparms erlaubt eine Komprimie rung der Höhe des Roboters, so dass er von einem Service- Kanal 7 zu einem anderen Service-Kanal 7 durch einen beson ders niedrigen Verbindungs-Kanal 8 durchfahren kann. Er kann auch zu einem anderen Container mit dem gleichen Schienensys tem überfahren, zum Beispiel durch einen nicht abgebildeten Kanal im hinteren oberen Bereich des Service-Kanals, wobei dieser Kanal ähnlich unter der Decke angeordnet ist wie Ver bindungs-Kanal 8. The robot is attached to a rail system 9 at the top and comprises a rail element 100 at the top, an insulated telescopic arm / telescopic rod 200 and a gripper element 300/400 below. The construction of the telescopic arm allows the height of the robot to be compressed so that it can pass from one service channel 7 to another service channel 7 through a particularly low connection channel 8. It can also drive over to another container with the same rail system, for example through a channel not shown in the rear upper area of the service channel, this channel being arranged under the ceiling in a similar way to connecting channel 8.
Mittels des Teleskoparms kann der Roboter alle Zellhalter in allen Regalebenen erreichen, sowie seinen Lagerraum 11 mit Ersatz-Zellhaltern 2. Zur Befestigung des Roboters in der Ar beitsposition und -höhe kann eine zusätzliche horizontale Verankerung des Roboters, zum Beispiel durch zusätzliche, nicht abgebildete horizontale Teleskoparme vorgesehen sein. By means of the telescopic arm, the robot can reach all cell holders on all shelf levels, as well as its storage room 11 with replacement cell holders 2. To fix the robot in the working position and height, an additional horizontal anchoring of the robot, for example by additional horizontal ones, not shown Telescopic arms may be provided.
Das Schienenelement 100 des Roboters wird mittels Bürstenkon takten von dem Decken-Schienensystem 9 mit Strom versorgt o- der bezieht von einem Akku die Energie zur Fortbewegung auf der Schiene. In dem Schienenelement kann ein Teil des An- triebs für die Teleskopschiene platziert werden. Das Greife relement 300/400 ist mit dem Schienensystem elektrisch nicht verbunden (galvanisch getrennt) und wird durch Akku mit elektrischer Energie versorgt. Das Greifelement kann ferner einen Teil des Antriebs der Teleskopschiene enthalten. Durch die beschriebene Bauweise des Roboters kann er Arbeiten unter Spannung im elektrischen Feld durchführen. The rail element 100 of the robot is supplied with power by means of Bürstenkon contacts from the ceiling rail system 9 or draws the energy for moving on the rail from a battery. In the rail element, part of the drive for the telescopic rail. The gripping element 300/400 is not electrically connected to the rail system (galvanically separated) and is supplied with electrical energy by a battery. The gripping element can also contain part of the drive of the telescopic rail. Due to the described design of the robot, it can work under voltage in an electrical field.
Anstelle der hier dargestellten Robotergestaltung kann als Roboter im Sinne der Erfindung jegliche Vorrichtung zur fern gesteuerten Aktion zum Einsatz kommen, beispielweise ein be weglicher Schlitten, Schlittensystem oder beweglicher Behäl ter, Kran oder Fahrzeug, eine mobil oder stationär befestigte Vorrichtung zum Tausch der Komponenten, die pneumatisch oder magnetisch auf die Zellmodule einwirkt et cetera. Instead of the robot design shown here, any device for remotely controlled action can be used as a robot within the meaning of the invention, for example a movable slide, slide system or movable container, crane or vehicle, a mobile or stationary device for replacing the components that acts pneumatically or magnetically on the cell modules, et cetera.
Folgende weitere Aufgaben kann der Roboter darüber hinaus übernehmen : The robot can also take on the following additional tasks:
-in der Parkposition oder bei seinen Wartungsarbeiten direkt an der Arbeitsstelle seinen Akku laden (zum Beispiel von dem Zellhalter) und auch seinen Akku bei Bedarf selbst tauschen. -in the parked position or during maintenance work directly at the work site, charge your battery (for example from the cell holder) and also replace your battery yourself if necessary.
-Neben dem Ersatz-Zellhalter (im Ausführungsbeispiel mit 7 Zellen) zusätzlich eine Kompensations-Vorrichtung im Form ei ner Kapazität (zum Beispiel ebenfalls mit 7 Zellen) und/oder eine elektronische Kompensations-Schaltung mit Kompensations- Kapazität stets mittragen, so dass bei den Wartungsarbeiten seine Kompensations-Kapazität temporär parallel zu dem Zell halter kommutiert wird, damit beim Ausbau der Zellhalter kei ne Funken entstehen und bei dem Batteriespeicher temporär kein Verlust der Kapazität entsteht. (Vorteil: Sanf- ter/schonender/unterbrechungsfreier Zellentausch im laufenden Betrieb) . Um diese Parallelschaltung zu realisieren, erfolgt eine für die Dauer des Zelltausches bestehende Kontaktierung der Kompensations-Vorrichtung zu der Verdrahtungsebene 15. Diese kann durch vorzugsweise temporär (durch Roboter) in- stallierbare Kontakte realisiert werden, die die Verdrah tungsebene mit dem Roboter im Wartungskanal verbinden. In addition to the replacement cell holder (in the exemplary embodiment with 7 cells) also carry a compensation device in the form of a capacity (for example also with 7 cells) and / or an electronic compensation circuit with compensation capacity, so that with the Maintenance work, its compensation capacity is temporarily commutated parallel to the cell holder, so that no sparks occur when the cell holder is removed and there is temporarily no loss of capacity in the battery storage. (Advantage: gentle / gentle / uninterrupted cell replacement during operation). In order to realize this parallel connection, the compensation device is connected to the wiring level 15 for the duration of the cell exchange. This can be done by preferably temporary (by robots) Connectable contacts can be realized that connect the wiring level with the robot in the maintenance duct.
-Funktionierende Zellhalter zwischen verschiedenen Positionen (zum Beispiel obere Regale zu den unteren Regalen) turnusmä ßig tauschen, damit die langfristigen temperaturbedingten Al terungsprozesse kompensiert werden können. - Swap functioning cell holders between different positions (for example upper shelves to lower shelves) at regular intervals so that long-term temperature-related aging processes can be compensated for.
-Der Roboter kann mit einer Überwachungskamera ausgestattet sein und auf Wunsch des Fernwartungspersonals im Remote- Betrieb gesteuert werden. -The robot can be equipped with a surveillance camera and can be controlled remotely if requested by the remote maintenance staff.
- Ein Container 16 oder ein mit mehreren Containern gebilde tes Containersystem kann mit einem Medium gefüllt sein, das keine Luft unter Normaldruck, vielmehr Druckluft, Stickstoff N2, Aerosol, oder besonderes Schutz-, Lösch- oder Isoliergas und gegebenenfalls oberhalb Atmosphärendruck, ist. A container 16 or a container system formed with several containers can be filled with a medium that is not air under normal pressure, but rather compressed air, nitrogen N2, aerosol, or special protective, extinguishing or insulating gas and possibly above atmospheric pressure.
Ein Container 16 oder ein Containersystem kann ein auf das erfindungsgemäße Hochregalsystem angepasstes generelles Kühl konzept 12 mit Überdruck und Unterdruckzonen aufweisen. In diesem Fall ist vorteilhaft, dass der Roboter 20 unter ent sprechenden Umgebungsbedingungen arbeiten kann und im Contai ner ein Vorrat an Ersatz-Zellhalter respektive Zellen vorge halten wird. Ohne Roboter würde man den kompletten Container ausschalten und lüften müssen, bevor ein Service-Techniker den Container betreten darf. A container 16 or a container system can have a general cooling concept 12 with overpressure and underpressure zones that is adapted to the high-bay racking system according to the invention. In this case, it is advantageous that the robot 20 can work under appropriate ambient conditions and a supply of replacement cell holders or cells is kept in the container. Without a robot, you would have to switch off the entire container and ventilate it before a service technician can enter the container.
Anmerkung zu der Verschaltung und dem Zellhalter Comment on the interconnection and the cell holder
-Die Regale 6 und Zellhalter 2 werden modular aufgebaut, wo bei die Zellhalter besonders geringe Anforderungen an Modul gehäusekonstruktion haben. Die Zellhalter können beispielwei se die zusammengeschweißten oder mittels Klemmen kontaktier ten Einzel-Zellen enthalten. Generell wird angestrebt, die Module/Zellhalter wesentlich kleiner zu gestalten als die derzeitigen Einschübe/Racks, damit beim Austausch des Moduls nach Möglichkeit nur die defekten Einzelelemente und wenige unmittelbare Nachbarn ausgetauscht werden. Auch erlaubt die kleine Bauweise (zum Beispiel 60 mm Breite des Zellhalters) eine gute Integration eines Gelenkes in den Zellhalter. -The shelves 6 and cell holder 2 are modular, where the cell holder have particularly low demands on module housing construction. The cell holder can, for example, contain the individual cells welded together or contacted by means of clamps. In general, the aim is to make the modules / cell holders much smaller than the current insertions / racks, so that when the module is replaced, only the defective individual elements and a few if possible immediate neighbors are exchanged. The small construction (for example 60 mm width of the cell holder) also allows a good integration of a joint in the cell holder.
Die Zellhalter sind mittels gängiger Technik in den Regalen mit der an einer oder mehreren Seiten (vorne, oben, seitlich, unten, vorzugsweise aber rückseitig, ) angeordneten Verdrah tung 15 kontaktierbar: steckbar, zusammenschraubbar, verlötet oder punktgeschweißt. Die Verdrahtungsebene 15 kann ferner so modular aufgebaut sein, dass eine Veränderung der Verdrahtung nachträglich realisiert werden kann, um im Revisionsfall oder beim späteren Umbau auf Zellen mit anderen Eigenschaften die Systemspannung anzupassen. Die Verdrahtung 15 kann auch eine galvanische Trennung der Module (ohne deren Ausbau) mittels eines Trenners realisieren. Auf Ebene der Verdrahtung 15 kann eine ferngesteuerte Trennung der Zellmodule realisiert sein. Auf Ebene der Verdrahtung 15 kann eine nachträgliche Modifi kation der galvanischen Modulverschaltung und damit eine Ver änderung der Systemspannung ermöglicht sein. The cell holders can be contacted using conventional technology on the shelves with the wiring device 15 arranged on one or more sides (front, top, side, bottom, but preferably rear): pluggable, screwable, soldered or spot-welded. The wiring level 15 can also have a modular structure so that a change in the wiring can be implemented later in order to adapt the system voltage in the event of a revision or when converting to cells with different properties later. The wiring 15 can also realize galvanic isolation of the modules (without removing them) by means of an isolator. A remote-controlled separation of the cell modules can be implemented at the level of the wiring 15. At the level of the wiring 15, a subsequent modification of the galvanic module connection and thus a change in the system voltage can be made possible.
Zur mechanischen Fixierung von Zellhaltern wird ein Re- gal/Träger-system 6 vorgeschlagen, wobei in jeder Ebene eine Lage Zellhalter platziert ist oder abwechselnd ein Zellhalter 2 am unteren Regal und der darüber angeordnete Zellhalter 2 an dem oberen Regal befestigt sind. A shelf / carrier system 6 is proposed for the mechanical fixation of cell holders, one layer of cell holder being placed in each level or alternately one cell holder 2 being attached to the lower shelf and the cell holder 2 arranged above it to the upper shelf.
Die Zellhalter sowie die Regale können bereits einen Teilauf bau des Kühlsystems beinhalten, wie Rohre, Kanäle, Öffnungen, Kühlrippen, Kühlradiatoren, Kühlluft-Leitschirme . Eine Anord nung der Zellen kann, wie in Fig 7 dargestellt, mit Hohlräu men 4 versehen sein. The cell holder and the shelves can already contain part of the cooling system, such as pipes, channels, openings, cooling fins, cooling radiators, cooling air guide screens. An arrangement of the cells can, as shown in FIG. 7, be provided with 4 hollow spaces.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, können auch Wasser oder Fluid-Kühlsysteme zur Kühlung der Zellen eingesetzt wer den. In diesem Fall kann ein Zellhalter oder ein Zellmodul eine Vorrichtung enthalten, um direkt oder indirekt, bei spielweise mittels Wärmetauschers, an den Kühlkreislauf ange schlossen zu werden. Weitere Ausführungsformen : As is known from the prior art, water or fluid cooling systems can also be used to cool the cells. In this case, a cell holder or a cell module can contain a device to be connected to the cooling circuit directly or indirectly, for example by means of a heat exchanger. Other designs:
-Alle Module werden im Werk im Container eingebaut. Dabei werden bereits bestückte Regale installiert. Der Roboter übernimmt nur die Wartung. -All modules are installed in the container at the factory. Already stocked shelves are installed. The robot only does the maintenance.
-Der Roboter kann die Erst- und Neubestückung des Containers durchführen. Ferner kann das Schienensystem von mehreren Ro botern (zum Beispiel bei Erstbestückung im Werk) gleichzeitig genutzt werden. -The robot can carry out the initial loading and re-loading of the container. In addition, the rail system can be used by several robots at the same time (for example when first fitting in the factory).
-Module/Zellhalter 2 werden ohne elektrisch isolierende Ein hausung der Batteriezellen 1 aufgebaut. Durch Entfall der Isolierung und einfache Modulgehäusekonstruktion wird die Kühlung verbessert und die Zugänglichkeit von Robotern für Modulvermessung (zum Beispiel Spannungsmessung) ermöglicht. -Modules / cell holder 2 are built without electrically insulating housing of the battery cells 1. By eliminating the insulation and a simple module housing construction, the cooling is improved and the accessibility of robots for module measurement (e.g. voltage measurement) is made possible.
-Auf Zwischenwände wird weitgehend verzichtet (Kostenredukti on, keine Brandschutzanforderung, bessere Kühlung) . - Partition walls are largely dispensed with (cost reduction, no fire protection requirement, better cooling).
-Module 2 können mit RFID-Chip ausgestattet werden, um deren Identifizierung und Zustandsüberwachung zu ermöglichen. -Modules 2 can be equipped with RFID chips to enable their identification and status monitoring.
-Der Roboter 20 kann sich auch frei oder anhand von fest in stallieren Schienen 9 (zum Beispiel an der Containerdecke) im Containervolumen bewegen. The robot 20 can also move freely or using fixed rails 9 (for example on the container ceiling) in the container volume.
-Der Roboter 20 verfügt über eine oder mehrere Aufnahmen (Ar me, Aufbewahrungsboxen, Magazine) und Hilfswerkzeuge (Löt- /Schweißapparat ) , um Batteriezell-Module austauschen zu kön nen . The robot 20 has one or more receptacles (arms, storage boxes, magazines) and auxiliary tools (soldering / welding apparatus) in order to be able to exchange battery cell modules.
-Der Roboter 20 verfügt über Schutzausrüstung, um im Brand fall die Zellen oder Zellmodule zu trennen und einzuhausen oder zu kühlen oder einzubetten/zu bedecken, beispielweise klappbare oder aufblasbare Hüllen, Feuerlöscher, einen zur Verrohrung mit einem Brandschutzmittel kompatiblen Schlauch et cetera. -Der Roboter 20 steuert regelmäßig die Batteriezell-Module 2 an und erfasst deren Identität ID und Zustand (mittels direk ter Kontaktmessung/Spannungsmessung, direkter oder indirekter Temperaturmessung, Vibrationsmessung) , speichert die gewonne ne Information zwischen oder kommuniziert direkt weiter, bei spielsweise über ein WLAN-Modul zu einer an der Innenwand des Containers angeordneten WLAN-Sende-Empfangseinrichtung, die mit einer an der Außenwand des Containers angeordneten GSM- Sende-Empfangseinrichtung verbunden sein mag. The robot 20 has protective equipment to separate the cells or cell modules in the event of a fire and to house them or to cool them or to embed / cover them, for example foldable or inflatable covers, fire extinguishers, a hose that is compatible with a fire protection agent for piping, etc. The robot 20 regularly controls the battery cell modules 2 and detects their identity ID and status (by means of direct contact measurement / voltage measurement, direct or indirect temperature measurement, vibration measurement), stores the information gained or communicates directly further, for example via a WLAN module to a WLAN transceiver device arranged on the inner wall of the container, which may be connected to a GSM transceiver device arranged on the outer wall of the container.
-Der Roboter 20 kann auch Schalthandlungen durchführen, um nach dem Austausch eines Moduls den Strang 13 durch Umlegen des Strangtrenners 14 wieder anzuschließen. The robot 20 can also perform switching operations in order to reconnect the strand 13 by turning over the strand separator 14 after a module has been replaced.
-Der Roboter 20 kann zur Erledigung von Service-Aufgaben in einer für Servicepersonal feindlichen Umgebung, wie zum Bei spiel Temperatur, elektrische Spannung, Sauerstoff-arme Atmo sphäre, verfügbares Raumvolumen, ein Fortbewegungsmodul 100 und Greifermodul 300 aufweisen, die gegeneinander elektrisch isoliert aufgebaut sind. To carry out service tasks in an environment hostile to service personnel, such as temperature, electrical voltage, low-oxygen atmosphere, available space, a locomotion module 100 and gripper module 300, which are constructed to be electrically insulated from one another, the robot 20 can perform service tasks .
-Der Roboter 20 kann eine wahlfreie Kombination von Greifer, Messeinrichtung, insbesondere für Spannung, für Temperatur, für Vibration, für Druck, WLAN- oder Funk-Datenübertragung, RFID-Leseeinrichtung, Lichtquelle, Kamera, Laser, Radar, Ult raschalleinheit, Gasanalysator, Brandbekämpfungseinrichtung aufweisen . -The robot 20 can have an optional combination of gripper, measuring device, in particular for voltage, for temperature, for vibration, for pressure, WLAN or radio data transmission, RFID reading device, light source, camera, laser, radar, ultra-rapid unit, gas analyzer, Have fire fighting equipment.
-Der Roboter 20 kann zur Minimierung der Bauhöhe und der Bau breite in seiner Höhe beziehungsweise Breite komprimierbar sein . The robot 20 can be compressible in height or width to minimize the height and the construction width.
-Der Roboter 20 kann wahlweise für Mess- und Service- Aufgaben, Arbeiten unter Spannung und Temperatur, den unter brechungsfreien Austausch von Betriebsmitteln und Elementen, ausgestattet sein. -Der Roboter 20 kann zur Erledigung der Service-Aufgaben ferngesteuert, Programm-gesteuert oder autark agierend sein. The robot 20 can optionally be equipped for measurement and service tasks, work under voltage and temperature, and the uninterrupted exchange of equipment and elements. The robot 20 can be remote-controlled, program-controlled or self-sufficient to carry out the service tasks.
-In einem Gehäuse 16 für einen Batteriespeicher, kann in ei nem Service-Kanal 7 eine Deckenschiene 9 angeordnet sein, an der der Roboter mit seinem Fortbewegungsmodul 100 geführt ist . In a housing 16 for a battery storage unit, a ceiling rail 9 can be arranged in egg nem service channel 7, on which the robot with its locomotion module 100 is guided.
-Im Container 16 ist eine Roboterparkposition, ein Vorrats- Behälter für Ersatz-Module und ein Behälter für ausgetauschte Module angeordnet (Ersatzteillager 11) . Die Roboter- Parkposition sowie die beiden Behälter sind für Servicezwecke zugänglich (Öffnungen / Schleuse in der Containerwand) . Bei Druckluftbetrieb / Sauerstoff-freiem Gas-Betrieb des Innen raums des Batteriespeiche-Gehäuse mit optionaler Druckschleu se . A robot parking position, a storage container for replacement modules and a container for exchanged modules are arranged in the container 16 (replacement parts store 11). The robot parking position and the two containers are accessible for service purposes (openings / sluice in the container wall). With compressed air / oxygen-free gas operation of the interior of the battery storage housing with an optional pressure lock.
-Durch den Einsatz der Robotertechnik entsteht die Möglich keit, wesentlich höhere oder niedrigere Temperaturen in dem Container zuzulassen und/oder ein Betrieb mit anderem Umge bungsmedium und Umgebungsdruck als herkömmlich mit Luft unter Normaldruck . -The use of robotics makes it possible to allow significantly higher or lower temperatures in the container and / or to operate with a different ambient medium and ambient pressure than conventionally with air under normal pressure.
-Der Roboter 20 kann ausfahrbare Kontakte aufweisen, die mit der Verdrahtung (15) verbindbar sind. Der Roboter kann Tele skopkontakte aufweisen, die er ausfährt, um sich mit der Ver drahtungsebene 15 zu verdrahten und nach dem Zelltausch die Teleskopkontakte wieder einfährt. Hierzu können innerhalb der Regale durchgehende Bohrungen vorgesehen sein, wobei der Ro boter seine Teleskopkontakte in die Öffnungen auf der Seite des Wartungskanals hineinführt und durch diese Öffnungen die Verdrahtungsebene erreicht. Durch diese Maßnahme werden le diglich zwei Teleskopkontakte am Roboter benötigt an Stelle eines für jedes Batteriezell-Modul 2 auf der Seite des War tungskanals 7 anzuordnenden Paar von Kontakten. The robot 20 can have extendable contacts which can be connected to the wiring (15). The robot can have telescopic contacts, which it extends in order to wire itself to the Ver wiring level 15 and after exchanging cells, the telescopic contacts retracts. For this purpose, through bores can be provided within the shelves, the robot introducing its telescopic contacts into the openings on the side of the maintenance channel and reaching the wiring level through these openings. This measure le diglich two telescopic contacts are required on the robot instead of a pair of contacts to be arranged for each battery cell module 2 on the side of the service channel 7.
Unter Annahme Assuming
- eines gängigen 20 Fuß-ISO-Containers, - ein segmentiertes Batteriezellen-Modul 2, alias Zellhal ter, sieben Batteriezellen 1 mit jeweils 60 mm Durchmes ser enthält, - a common 20 foot ISO container, - A segmented battery cell module 2, aka cell holder, contains seven battery cells 1, each 60 mm in diameter,
- vier Reihen von Trägersystemen, alias Regale 6, mit ei ner Regaltiefe von 43 cm, - four rows of support systems, alias shelves 6, with a shelf depth of 43 cm,
beträgt die Breite der beiden Wartungskanäle 7 jeweils 30 cm. the width of the two maintenance channels 7 is 30 cm each.
Zu Grunde gelegte zylindrische Batteriezelle: LFP Zelle, 154 Wh, 60 mm Durchmesser, Länge 232 mm. Cylindrical battery cell used as a basis: LFP cell, 154 Wh, 60 mm diameter, length 232 mm.
Unter Zugrundelegung des vorgenannten Batteriezellen-Typs ergibt sich für einen 20 Fuß-ISO-Container eine Anzahl von 22280 Zellen mit einer Gesamt-Speicherkapazität von 3,43 MWh. Taking the aforementioned battery cell type as a basis, there is a number of 22,280 cells with a total storage capacity of 3.43 MWh for a 20-foot ISO container.
Unter Regalsystem 6, alias Träger-System wird eine Regalebe ne, eine Anordnung mehrerer Regalebenen in unterschiedlichen Höhen zu einem Hochregal und auch Anordnungen mehrerer Hoch regale nebeneinander verstanden. In dem Gehäuse des Batterie speicher können mehrere Reihen von Träger-Systemen 6 angeord net sein. Shelving system 6, alias carrier system, is understood to mean a shelf level, an arrangement of several shelf levels at different heights to form a high shelf and also arrangements of several high shelves next to one another. In the housing of the battery storage several rows of carrier systems 6 can be net angeord.
Unter isoliertem Regalsystem wird verstanden, dass das Regal system zumindest gegenüber dem Container 16, in dem es ange ordnet ist, elektrisch isoliert, insbesondere jedoch potenti alfrei und aus Isoliermaterial aufgebaut oder durch Isolier material bedeckt, angeordnet ist. Soweit Bestandteile des Re gals elektrisch leitend sind, können diese Masse-frei, insbe sondere ungeerdet, angeordnet sein. Zwischen dem Regalsystem und dem Container mag ein Überspannungs-Ableiter, wie zum Beispiel ein Varistor, angeordnet sein. Insulated shelf system is understood to mean that the shelf system is at least electrically insulated from the container 16 in which it is arranged, but in particular is potentially free and made of insulating material or covered by insulating material. As far as components of the shelf are electrically conductive, these can be ground-free, in particular special ungrounded, be arranged. A surge arrester, such as a varistor, may be arranged between the shelving system and the container.
Das isolierte oder aus Isoliermaterialien aufgebaute Regal system kann auch elektrisch bedingt-leitfähige, schwach leitfähige Beläge aus Lack, Draht oder Band enthalten, um ei ne elektrische Potentialsteuerung entlang der Re The insulated or made of insulating materials shelf system can also contain electrically conditionally conductive, weakly conductive coatings made of paint, wire or tape in order to ei ne electrical potential control along the Re
gal (ober) fläche oder zwischen den übereinander platzierten Regalen zu realisieren. Die Beläge können ferner in ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur, oder Strom- stärke- oder Feldstärke linear oder nichtlinear abhängig sein . gal (surface) or between the shelves placed one above the other. The electrical conductivity of the coatings can also depend on the temperature or current strength or field strength be linear or non-linear dependent.
Gegebenenfalls können benachbarte (Hoch- ) Regale gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein. If necessary, adjacent (high) shelves can be arranged electrically insulated from one another.
Gegebenenfalls können übereinander angeordnete Regalebenen gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein. If necessary, shelf levels arranged one above the other can be electrically insulated from one another.
Gegebenenfalls kann ein Träger einer Ebene des Träger-Systems mehrere Batteriezellen-Module aufnehmen, die untereinander das gleiche elektrische Potential aufweisen. If necessary, a carrier of one level of the carrier system can accommodate a plurality of battery cell modules which have the same electrical potential as one another.
Das erfindungsgemäße Regalsystem ist derart konstruktiv aus gestaltet, dass ein weitgehend ungehinderter Durchzug von Kühlgas gegeben ist. The shelf system according to the invention is designed in such a way that a largely unhindered passage of cooling gas is provided.
Unter Batteriezellen-Modul 2 in offener Bauform wird verstan den, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 mechanisch und elektrisch zu einer Einheit verbunden ist, insbesondere kön nen die Batteriezellen parallel geschaltet sein. Ein erfin dungsgemäßes Batteriezellen-Modul weist keine vollflächige Einhausung auf und keine geerdeten Einhausungbestandteile, so dass ein Teil der Oberfläche der Batteriezellen nach Außen blank in Erscheinung tritt. Battery cell module 2 in an open design is understood to mean that a plurality of battery cells 1 are mechanically and electrically connected to form a unit, in particular the battery cells can be connected in parallel. A battery cell module according to the invention has no full-surface housing and no earthed housing components, so that part of the surface of the battery cells appears bare to the outside.
Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul ist derart kon struktiv gestaltet, dass es Führungselemente aufweist, die mit Aufnahmeelementen des Trägersystems 6 mechanisch Zusam menwirken . A battery cell module according to the invention is designed in such a way that it has guide elements which mechanically cooperate with receiving elements of the carrier system 6.
Das erfindungsgemäße Batteriezellen-Modul 2 ist, auch wenn es in das Trägersystem 6 eingesetzt ist, nicht geerdet, alias ungeerdet, alias weist keine Masse-Verbindung auf. The battery cell module 2 according to the invention, even when it is inserted into the carrier system 6, is not grounded, alias unearthed, alias has no ground connection.
Das erfindungsgemäße Batteriezellen-Modul kann derart kon struktiv gestaltet sein, dass im eingesetzten Zustand in das Trägersystem 6 eine elektrische Isolation zwischen den Batte riezellen 1 und dem Trägersystem gegeben ist. The battery cell module according to the invention can be designed so constructively that in the inserted state in the Carrier system 6 is given electrical insulation between the battery 1 and the carrier system.
Ein in das Trägersystem 6 eingesetztes Batteriezellen-Modul ist derart geführt, dass der Isolationsabstand zu einem be nachbarten Batteriezellen-Modul, insbesondere wenn dieses ein unterschiedliches Potential aufweist, sichergestellt ist. A battery cell module inserted into the carrier system 6 is guided in such a way that the insulation distance from an adjacent battery cell module, in particular if this has a different potential, is ensured.
Die elektrische Isolation kann generell durch Keramik- Elemente realisiert sein. The electrical insulation can generally be implemented by ceramic elements.
Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul kann an der Stirn seite, die im eingebauten Zustand im Trägersystem 6 dem Ser vice-Kanal 7 zugewandt ist, eine Verblendung 5 aufweisen. Die Verblendung eines Batteriezellen-Moduls bildet zusammen mit den Verblendungen benachbarter Batteriezellen-Module eine ge schlossene Wand derart, dass ein direkter Weg für das die Batteriezellen 1 umstreichende Kühlgas in den Service-Kanal 7 versperrt ist. A battery cell module according to the invention can have a cover 5 on the end face which, when installed in the carrier system 6, faces the service channel 7. The facing of a battery cell module, together with the facing of adjacent battery cell modules, forms a closed wall in such a way that a direct path into the service channel 7 is blocked for the cooling gas that sweeps around the battery cells 1.
Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul kann an der Stirn seite, die im eingebauten Zustand im Trägersystem 6 dem Ser vice-Kanal 7 zugewandt ist, Messanschlüsse, beispielsweise für Spannung, aber auch Temperatur, sowie Identifikations merkmale, insbesondere Barcode, QR-Code, RFID-Chip, aufwei sen. Die Messanschlüsse, aber auch die Identifikationsmerkma le können in die Verblendung 5 des Batteriezellen-Moduls im plementiert sein. A battery cell module according to the invention can have measuring connections, for example for voltage, but also temperature, as well as identification features, in particular barcode, QR code, RFID, on the front side, which faces the service channel 7 when installed in the carrier system 6. Chip. The measurement connections, but also the identification features, can be implemented in the cover 5 of the battery cell module.
Unter dem Gehäuse 16, das gegebenenfalls metallisch ist, ge mäß der Erfindung ist auch ein Raum in einem Gebäude oder ein sonstiger Raum, wie zum Beispiel ein Schiffsraum, zur Anord nung von Batteriezellen zu verstehen. Under the housing 16, which is optionally metallic, according to the invention, a room in a building or some other room, such as a ship's room, is to be understood for the arrangement of battery cells.
Bei einem erfindungsgemäßen Batteriespeicher kann die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das höchste Potential (Plus) der Systemspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden sein. Bei einem erfindungsgemäßen Batteriespeicher kann die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die elektri sche Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das nied- rigste Potential (Minus) der aufweist, mit dem geerdeten Ge häuse elektrisch verbunden sein. In a battery storage device according to the invention, the electrical connection 15 of battery cell modules, which has the highest potential (plus) of the system voltage, can be electrically connected to the grounded housing. In a battery storage device according to the invention, the electrical connection 15 of battery cell modules, the electrical connection 15 of battery cell modules, which has the lowest potential (minus), can be electrically connected to the grounded housing.
Einem erfindungsgemäßer Batteriespeicher kann mit einem Bat teriespeicher, bei dem die elektrische Verbindung 15 von Bat- teriezellen-Moduln, die das höchste Potential (Plus) der Sys temspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden ist und einem Batteriespeicher, bei dem die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das nied rigste Potential (Minus) der Systemspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden ist gebildet sein.A battery storage device according to the invention can be connected to a battery storage device, in which the electrical connection 15 of battery cells modules, which has the highest potential (plus) of the system voltage, is electrically connected to the grounded housing, and a battery storage device in which the electrical Connection 15 of battery cell modules, which has the lowest potential (minus) of the system voltage, is electrically connected to the grounded housing.
Hierbei kann der Batteriespeicher, der mit Minus mit dem ge erdeten Gehäuse verbunden ist, mit der positiven Phase des Versorgungsnetzes, gegebenenfalls über einen Umrichter, Zu¬ sammenwirken und der Batteriespeicher, der mit Plus mit dem geerdeten Gehäuse verbunden ist, mit der negativen Phase des Versorgungsnetzes, gegebenenfalls über einen Umrichter, Zu¬ sammenwirken . Here, the battery storage, which is connected to negative with the ge earthed housing, with the positive phase of the mains supply, optionally via a converter, sammenwirken to ¬ and the battery storage, which is connected to positive to the grounded housing of the negative phase supply network, sammenwirken possibly via an inverter to ¬.
Bezugs zeichenliste Reference character list
1 - Zelle, Batteriezelle 1 - cell, battery cell
2 - Zellmodul, Batterie-Zellenmodul, Zellhalter, Modul 2 - cell module, battery cell module, cell holder, module
3 - Segment eines Zellhalters 2 3 - segment of a cell holder 2
4 - Öffnung, Hohlraum in Zellmodul 2 4 - opening, cavity in cell module 2
5 - Verblendung eines Zellhalters 2 5 - Facing a cell holder 2
6 - Regalsystem, Träger-System, Hochregal, isoliert 6 - shelving system, carrier system, high shelf, insulated
7 - Service-Kanal 7 - service channel
8 - Verbindungs-Kanal zwischen Service-Kanälen 7 8 - connection channel between service channels 7
9 - Deckenschiene 9 - ceiling rail
11 - Ersatzteillager 11 - Spare parts store
12 - Integraler Lüfter, Kühlsystem, generaler Lüfter 12 - Integral fan, cooling system, general fan
13 - Strang 13 - strand
14 - Strangtrenner 14 - strand separator
15 - Verdrahtung, Verdrahtungsebene 15 - wiring, wiring level
16 - Container 16 - container
17 - Lötanschlüsse 17 - solder terminals
20 - Roboter 20 - robots
100 - Fortbewegungsmodul, Schienenmodul für Deckenschienen system 9 100 - locomotion module, rail module for ceiling rail system 9
200 - Teleskopstange 200 - telescopic pole
300 - Greifermodul 300 - gripper module
400 - Greifer am Greifermodul 300 400 - gripper on gripper module 300

Claims

Patentansprüche Claims
1. Batteriespeicher, insbesondere zur Pufferung eines 1. Battery storage, especially for buffering a
elektrischen Versorgungsnetzes, vorzugsweise der Klasse größer 100 kWh, insbesondere der Klasse größer lMWh, aufweisend electrical supply network, preferably of the class greater than 100 kWh, in particular the class greater than 1MWh, having
- ein Gehäuse (16), insbesondere ISO-Container, - a housing (16), in particular an ISO container,
- ein in dem Gehäuse angeordnetes Träger-System (6), das gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert oder aus Isoliermaterial bestehend ist, - A carrier system (6) arranged in the housing, which is electrically insulated from the housing or consists of insulating material,
- das Träger-System mit ungeerdeten Batteriezellen- Modulen (2) bestückt ist, - the carrier system is equipped with ungrounded battery cell modules (2),
- die Batteriezellen-Modulen zu einer Systemspannung größer 500V, insbesondere größer lkV, verschaltet sind . - The battery cell modules are connected to a system voltage greater than 500V, in particular greater than 1kV.
2. Batteriespeicher nach Anspruch 1 2. Battery storage device according to claim 1
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
ein Batteriezellen-Modul mittels einer Führung in das Träger- System (6) aufnehmbar ist a battery cell module can be accommodated in the carrier system (6) by means of a guide
3. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 3. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Träger des Träger-Systems auf seiner Oberseite mindestens eine Führung zur Aufnahme eines Batteriezellen-Moduls und auf seiner Unterseite mindestens eine Führung zur Aufnahme eines Batteriezellen-Moduls aufweist. a carrier of the carrier system has at least one guide on its upper side for receiving a battery cell module and on its lower side at least one guide for receiving a battery cell module.
4. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 4. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
die Stützkonstruktion für die Träger des Träger-Systems oder das Träger-System selbst leitfähige Schichten in Form von La cken, Bändern, Drahten aufweisen, die zur Steuerung und Defi nition der unterschiedlichen elektrischen Potentiale der Trä ger oder der Zellmodule oder der Zellen ausgebildet sind. the support structure for the carrier of the carrier system or the carrier system itself have conductive layers in the form of lacquers, tapes, wires, which are designed to control and define the different electrical potentials of the carriers or the cell modules or the cells.
5. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Träger-System auf seiner Rückseite eine Verdrahtungsebene (15) aufweist und auf seiner Frontseite einem Wartungskanal (7) zugewandt ist. 5. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier system has a wiring level (15) on its rear side and faces a maintenance duct (7) on its front side.
6. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 6. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Batteriezellen-Modul mit einer solchen Anzahl Batterie zellen bestückt ist, dass es länger ist als die lichte Weite des Wartungskanals. a battery cell module is equipped with such a number of battery cells that it is longer than the clear width of the maintenance duct.
7. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 7. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Batteriezellen-Modul (2) in abknickbare oder abtrennbare oder steckbare Segmente (3) unterteilt ist. the battery cell module (2) is divided into segments (3) that can be bent or separated or plugged in.
8. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 8. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Batteriezellen-Modul auf der Seite, die der Frontseite des Träger-Systems zugewandt ist, eine Verblendung (5) auf weist. a battery cell module on the side facing the front of the carrier system has a facing (5).
9. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 9. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Batteriezellen-Modul ein individuelles Identifikations merkmal, insbesondere aus der Gruppe RFID-Chip, Barcode, QR- Code, aufweist. a battery cell module has an individual identification feature, in particular from the group of RFID chips, barcodes, QR codes.
10. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 10. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Träger-System (6) mit elektrisch isolierenden Kunststof felementen, aufweisend Glasfasern oder Carbonfasern, oder mit Keramik-Elementen gebildet ist. the carrier system (6) is formed with electrically insulating plastic elements, comprising glass fibers or carbon fibers, or with ceramic elements.
11. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 11. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Batteriezellen-Modul auf der dem Wartungskanal zugewand ten Seite Messkontakte aufweist, die mit den Batteriezellen (1) verbunden sind a battery cell module on the side facing the maintenance channel has measuring contacts which are connected to the battery cells (1)
12. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 12. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Trägersystem (6) auf der der dem Wartungskanal zugewand ten Seite elektrische Kontakte aufweist, die mit der rücksei tig platzierten Verdrahtung (15) galvanisch verbunden sind. the support system (6) on the side facing the maintenance duct has electrical contacts which are galvanically connected to the wiring (15) placed on the backside.
13. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 13. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
in dem Gehäuse ein Lager (11) für eine Anzahl von Reserve- Batteriezellen-Moduln (2) angeordnet ist. a bearing (11) for a number of reserve battery cell modules (2) is arranged in the housing.
14. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 14. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
in dem Gehäuse eine Schleuse angeordnet ist, insbesondere das Lager (11) als Schleuse ausgebildet ist. a lock is arranged in the housing, in particular the bearing (11) is designed as a lock.
15. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 15. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Gehäuse (16) gasdicht ist und mit einem Sauertoff-freien Gas aus der Gruppe Stickstoff N2, Isoliergas, Löschgas, the housing (16) is gas-tight and with an oxygen-free gas from the group nitrogen N 2 , insulating gas, extinguishing gas,
Schutzgas gefüllt ist. Shielding gas is filled.
16. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 16. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
das Gas in dem Gehäuse einen Überdruck gegenüber dem (Umge bungsluftdruck) Atmosphärendruck außerhalb des Gehäuses auf weist. the gas in the housing has an overpressure compared to the (ambient air pressure) atmospheric pressure outside the housing.
17. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 17. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
in dem Wartungskanal (7) ein Roboter (20), insbesondere wahl weise für Mess- und Wartungsaufgaben, für Arbeiten unter Spannung und Temperatur, zum unterbrechungsfreien Austausch der Zellmodule, deren Bestandteile oder weiteren Betriebsmit teln und Elementen, angeordnet ist. In the maintenance channel (7) a robot (20), in particular optionally for measurement and maintenance tasks, for work under voltage and temperature, for the uninterrupted exchange of the cell modules, their components or other operating means and elements, is arranged.
18. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 18. Battery storage device according to one of the preceding claims characterized in that
der Roboter (20) an einer, insbesondere an der Decke des Ge häuses befestigten, Laufschiene (9) geführt ist. the robot (20) on a, in particular attached to the ceiling of the Ge housing, running rail (9) is guided.
19. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 19. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
in dem Gehäuse mehrere Wartungskanäle (7) angeordnet sind, die über einen, insbesondere an die minimale Höhe des Robo ters angepassten, Verbindungskanal (8) zum Wechsel des Robo ters zwischen den Wartungskanälen verbunden sind. A plurality of maintenance channels (7) are arranged in the housing and are connected between the maintenance channels via a connection channel (8), which is adapted in particular to the minimum height of the robot, for changing the robot.
20. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 20. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
mehrere Gehäuse (16) miteinander verbunden sind und der Robo ter den Gehäusen gemein ist. several housings (16) are connected to one another and the robot is common to the housings.
21. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 21. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
dem Träger-System (6) genau ein Kühlgebläse (12) eines Kühl systems zugeordnet ist oder das Träger-System in Teilsysteme mit eigenen Kühlgebläsen unterteilt ist. the carrier system (6) is assigned exactly one cooling fan (12) of a cooling system or the carrier system is divided into subsystems with their own cooling fans.
22. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 22. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
ein Wartungskanal (7) eine geringere lichte Weite aufweist, als sie für Servicepersonal notwendig ist. a maintenance channel (7) has a smaller clear width than is necessary for service personnel.
23. Batteriespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass 23. Battery storage device according to one of the preceding claims, characterized in that
die elektrische Verbindung (15) von Batteriezellen-Moduln, die die halbe Systemspannung aufweist, mit dem geerdeten Ge häuse (16) elektrisch verbunden ist. the electrical connection (15) of battery cell modules, which has half the system voltage, is electrically connected to the grounded Ge housing (16).
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