DE102010041538A1 - Device for energy storage for e.g. tram, has storage cells designed as cylindrical double-layer capacitors with electrical connection poles, coaxially arranged behind each other and electrically connected with each other in series - Google Patents

Device for energy storage for e.g. tram, has storage cells designed as cylindrical double-layer capacitors with electrical connection poles, coaxially arranged behind each other and electrically connected with each other in series Download PDF

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insulating
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memory
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Sorin-Alexandru Dutulescu
Peter Eckert
Bruno Gebhard
Norbert Huber
Michael Meinert
Armin Rastogi
Karsten Rechenberg
Barbara Schricker
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Abstract

The device has a storage module (11) formed of storage cells (20) for storing electrical energy. The storage cells are designed as cylindrical double-layer capacitors with electrical connection poles. The cells are electrically connected with each other in series and arranged in a tubular module housing (30) that is formed as an extruded aluminum part with a cooling system i.e. cooling ribs (31). The cells are coaxially arranged behind each other. The cooling system is designed as a heat pipe with a capillary recirculation unit for recirculation of cooling fluid i.e. water, to a vaporizer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiespeicherung für ein elektrisches Triebfahrzeug, insbesondere ein Schienen- oder Straßenfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for energy storage for an electric traction vehicle, in particular a rail or road vehicle, according to the preamble of claim 1.

Zur Speicherung von elektrischer Energie werden in immer mehr Anwendungen Doppelschichtkondensatoren eingesetzt. Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch Superkondensatoren genannt und beispielsweise unter den Markennamen Goldcaps, Supercaps, Boostcaps, oder Ultracaps bekannt, zeichnen sich durch vergleichsweise hohe Kapazitäten und Wirkungsgrade, hochdynamische Umladevermögen und sehr hohe Zyklusfestigkeiten sowie Lebensdauern aus. Außerdem sind sie tiefendladungsfest und wartungsfrei. Doppelschichtkondensatoren bestehen aus zwei Elektroden, die mit einer Elektrolytflüssigkeit benetzt sind, welche ein Dielektrikum von wenigen Atomlagen und eine große Elektrodenoberfläche bilden. Eine einzelne als Doppelschichtkondensator ausgebildete Speicherzelle ist häufig zylindrisch ausgebildet und weist Anschlusspole an ihren Stirnflächen auf. Die Kapazität einer Einzelzelle liegt beispielsweise bei 50 F bei einer Spannungsfestigkeit von ca. 2,7 V. Die Kapazität und die Betriebsspannung lassen sich durch Reihen- und Parallelschaltung von mehreren Speicherzellen zu einem Speichermodul vergrößern.For the storage of electrical energy, double layer capacitors are being used in more and more applications. Electrochemical double-layer capacitors, also called supercapacitors and known for example under the brand names gold caps, supercaps, boostcaps, or ultracaps, are characterized by comparatively high capacities and efficiencies, highly dynamic reloading capacity and very high cycle strengths and lifetimes. In addition, they are deep discharge resistant and maintenance-free. Double-layer capacitors consist of two electrodes which are wetted with an electrolyte liquid, which form a dielectric of a few atomic layers and a large electrode surface. A single memory cell designed as a double-layer capacitor is often cylindrical and has connection poles on its end faces. The capacity of a single cell is, for example, at 50 F with a dielectric strength of about 2.7 V. The capacitance and the operating voltage can be increased by series and parallel connection of several memory cells to form a memory module.

Speichermodule mit Doppelschichtkondensatoren als Speicherzellen finden insbesondere bei elektrischen Triebfahrzeugen Anwendung. So ist aus der Offenlegungsschrift DE 198 48 646 A1 die Verwendung eines aus elektrochemischen Energiespeichern aufgebauten Speichermoduls als Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 063 986 A1 hingegen zeigt eine Anordnung eines Speichermoduls aus Doppelschichtkondensatoren bei Schienenfahrzeugen, insbesondere Straßenbahnen. Bei diesen bekannten Anwendungen sind die zylindrischen Doppelschichtkondensatoren aufrecht stehend nebeneinander in einem Modulgehäuse derart angeordnet, dass die Anschlusspole der Speicherzellen auf beiden Seiten in je einer Ebene angeordnet sind. In diesen Ebenen sind sogenannte Zellverbinder angeordnet, die Anschlusspole von benachbarten Speicherzellen derart elektrisch miteinander verbinden, dass die zur Erzielung einer gewünschten Gesamtspannung des Speichermoduls erforderliche Reihen- bzw. Parallelschaltung verwirklicht wird. Diese Nebeneinanderanordnung bedingt aber einen hohen Aufwand an Verbindungstechnik. Auch die Bauform der Speichermodule ist damit weitgehend als Quader vorgegeben, was nicht für alle Anwendungen zweckmäßig ist.Memory modules with double-layer capacitors as memory cells are used in particular in electric traction vehicles. So is from the disclosure DE 198 48 646 A1 the use of a constructed from electrochemical energy storage memory module known as a traction battery for a motor vehicle. The publication DE 10 2004 063 986 A1 In contrast, shows an arrangement of a memory module of double-layer capacitors in rail vehicles, especially trams. In these known applications, the cylindrical double-layer capacitors are arranged upright side by side in a module housing such that the terminal poles of the memory cells are arranged on both sides in one plane. In these levels, so-called cell connectors are arranged which electrically connect terminal poles of adjacent memory cells with each other in such a manner that the series connection or parallel connection required to achieve a desired total voltage of the memory module is realized. However, this juxtaposition requires a high amount of connection technology. The design of the memory modules is thus largely given as a cuboid, which is not appropriate for all applications.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Energiespeichervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einen verminderten Aufwand für die Verbindungstechnik der Speicherzellen sowie alternative Gehäuseformen des Speichermoduls ermöglicht.The invention is therefore based on the object to provide an energy storage device of the type mentioned, which allows a reduced cost of the connection technology of the memory cells and alternative housing forms of the memory module.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Energiespeichervorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Indem das Speichermodul mehrere koaxial hintereinander angeordnete und elektrisch in Reihe geschaltete Speicherzellen aufweist, wird eine effektivere Volumenausnutzung als bei einer entsprechenden Anzahl an nebeneinander angeordneten zylindrischen Speicherzellen erreicht. Der Aufwand für die Verbindungstechnik benachbarter Speicherzellen ist ebenfalls geringer als bei nebeneinander angeordneten Speicherzellen, da die Anschlusspole zu kontaktierender Speicherzellen bei einer koaxialen Hintereinanderanordnung unmittelbar gegenüber stehen. Schließlich sind gegenüber der quaderförmigen Grundform von in einer Packung nebeneinander angeordneter Speicherzellen bei erfindungsgemäßer Anordnung der Speicherzellen Speichermodule mit säulenförmigen oder flach ausgebildeten Gehäuseformen möglich.The object is achieved by a generic energy storage device with the features specified in the characterizing part of claim 1. By virtue of the memory module having a plurality of memory cells arranged coaxially behind one another and connected in series electrically, a more effective utilization of volume is achieved than with a corresponding number of cylindrical memory cells arranged next to one another. The effort for the connection technology of adjacent memory cells is also lower than in the case of memory cells arranged next to one another, since the connection poles are directly opposite memory cells to be contacted in the case of a coaxial series arrangement. Finally, memory modules with columnar or flat housing shapes are possible with respect to the cuboid basic shape of memory cells arranged side by side in a pack in the arrangement of the memory cells according to the invention.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Modulgehäuse als Strangpressteil mit integriertem Kühlsystem ausgebildet. Strangpressen ist ein Umformverfahren, welches mit Vorteil besonders zur Herstellung von Rohren mit komplizierten Profilen und aus schwer umformbaren Werkstoffen geeignet ist. So können beispielsweise rohrförmige Modulgehäuse mit außen angeformten Kühlrippen, die eine oder mehrere Reihen hintereinander angeordneter Speicherzellen aufnehmen können, in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt werden. Neben dem hohen Umformungsgrad zeichnet sich das Strangpressen vor allem durch geringe Werkzeugkosten aus, was vor allem für die Fertigung relativ geringer Lose interessant ist. Bei diesem Verfahren wird ein auf Umformtemperatur erwärmter Pressling mit einem Stempel durch eine Matrize gedrückt. Dabei wird der Block durch einen Rezipienten – ein sehr dickwandiges Rohr – umschlossen. Die äußere Form des Pressstrangs wird durch die Matrize bestimmt. Durch verschieden geformte Dorne können Hohlräume erzeugt werden. Es ist ebenso möglich, zwei Hälften eines Modulgehäuses Strang zu pressen und die Gehäusehälften nach Bestückung mit Speicherzellen anschließend zu verbinden. Neben den auf eine Luftkühlung ausgerichteten Kühlrippen können in den Strangpressteilen auch Kühlwasserkanäle für eine Wasserkühlung vorgesehen werden. Eine Kombination von Luft- und Wasserkühlung resultiert in einer effektiveren Abführung der beim Betrieb der Speicherzellen erzeugten Wärme.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the module housing is formed as an extruded part with integrated cooling system. Extrusion is a forming process, which is particularly suitable for the production of pipes with complicated profiles and difficult-to-form materials. Thus, for example tubular module housing with externally molded cooling fins, which can accommodate one or more rows of memory cells arranged one behind the other, are produced in a single process step. In addition to the high degree of deformation, extrusion is characterized above all by low tool costs, which is of particular interest for the production of relatively small lots. In this process, a heated to forming temperature compact is pressed with a punch through a die. The block is enclosed by a recipient - a very thick-walled tube. The outer shape of the pressed strand is determined by the die. Through differently shaped mandrels cavities can be generated. It is also possible to press two halves of a module housing strand and then connect the housing halves after being equipped with memory cells. In addition to the cooling fins which are oriented toward air cooling, cooling water channels for water cooling can also be provided in the extruded parts. A combination of air and water cooling results in a more efficient dissipation of heat generated during operation of the storage cells.

Vorzugsweise ist das Kühlsystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Wärmerohr mit Kapillarrückführung von Kühlflüssigkeit zu einem Verdampfer ausgebildet. Ein Wärmerohr weist ein hermetisch gekapseltes Volumen auf, welches mit einem fluiden Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, zu einem kleinen Teil in flüssigem Zustand und zum größeren Teil in dampfförmigem Zustand gefüllt ist. Im Modulgehäuse befinden sich je eine Wärmeübertragungsfläche für einen als Wärmequelle wirkenden Verdampfer und für einen als Wärmesenke wirkenden Kondensator. Bei Wärmeeintrag beginnt das Arbeitsmedium zu verdampfen, wodurch über dem Fluidspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht wird, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensator, wo er wegen der niedrigeren Temperatur kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium kehrt durch Kapillare wieder zurück zum Verdampfer. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator besitzt ein Wärmerohr einen sehr geringen Wärmewiderstand.Preferably, the cooling system of the device according to the invention as a heat pipe with Capillary return of coolant formed to an evaporator. A heat pipe has a hermetically sealed volume, which is filled with a fluid working medium, for example water, to a small extent in the liquid state and for the most part in the vapor state. In the module housing are each a heat transfer surface for acting as a heat source evaporator and acting as a heat sink capacitor. Upon introduction of heat, the working medium begins to evaporate, whereby the pressure in the vapor space is locally increased above the fluid level, which leads to a low pressure gradient within the heat pipe. The resulting vapor flows in the direction of the condenser, where it condenses because of the lower temperature. The previously recorded latent heat is released again. The now liquid working medium returns through capillary back to the evaporator. Due to the low temperature difference between evaporator and condenser, a heat pipe has a very low thermal resistance.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einem hohlzylindrischen Spalt zwischen Speicherzellen und Modulgehäuse ein elektrischer Isolierstoff angeordnet, der als Isolierfolie und/oder Isolierbeschichtung und/oder Isolierkissen und/oder Isoliermatte und/oder Isoliergel und/oder Isolierflüssigkeit und/oder Isoliergas ausgebildet ist. Neben der elektrischen Isolierung zwischen den Speicherzellen und der Wand des Modulgehäuses muss der Isolierstoff dennoch eine gute thermische Anbindung der Speicherzellen an das Modulgehäuse ermöglichen, damit die beim Betrieb in den Speicherzellen entstehende Wärmeenergie abgeführt werden kann, um einen ausreichenden Wirkungsgrad der Energiespeichervorrichtung gewährleisten zu können. So kann in den zylindrischen Spalt eine Isolierfolie eingelegt werden oder aber auf die Innenwand des Modulgehäuses eine Isolierbeschichtung aufgetragen werden. Alternativ kann in den Spalt eine Isoliermatte ein sogenanntes Gap-pad eingelegt werden, welches elektrisch gut isoliert aber einen geringen Wärmewiderstand aufweist. Die genannten Isolierstoffe können vorzugsweise in Halbschalen des Modulgehäuses angeordnet werden, worauf die Speicherzellen eingelegt werden. Schließlich werden die Halbschalen zusammengelegt und durch Schrauben oder durch Haltevorrichtungen beim Schweißen oder durch Spannringe verpresst. Der hohlzylindrische Spalt zwischen Speicherzellen und Modulgehäuse kann auch mit einer Isolierflüssigkeit oder einem Isoliergel befüllt werden, was ebenfalls eine gute Wärmeanbindung der Speicherzellen zum Modulgehäuse realisiert. Als Isolierflüssigkeit eignet sich besonders MIDEL, eine Isolier- und Kühlflüssigkeit auf Estherbasis mit hoher Brandsicherheit, hoher Umweltfreundlichkeit und geringem Wartungsaufwand. Des Weiteren kann der hohlzylindrische Spalt durch Abstandshalter zwischen Speicherzellen und Modulgehäusewand in Form von Kunststoffstegen erzeugt werden, der dann mit einem Isoliergas, etwa mit Luft, befüllt wird.In a preferred embodiment of the device according to the invention an electrical insulating material is arranged in a hollow cylindrical gap between memory cells and module housing, which is formed as an insulating film and / or insulating coating and / or insulating pad and / or insulating mat and / or Isoliergel and / or insulating liquid and / or insulating gas , In addition to the electrical insulation between the memory cells and the wall of the module housing, the insulating material must nevertheless allow a good thermal connection of the memory cells to the module housing so that the heat energy generated during operation in the memory cells can be dissipated in order to be able to ensure a sufficient efficiency of the energy storage device. Thus, an insulating film can be inserted into the cylindrical gap or an insulating coating can be applied to the inner wall of the module housing. Alternatively, a so-called Gap-pad can be inserted into the gap, which has good electrical insulation but low thermal resistance. The mentioned insulating materials can preferably be arranged in half-shells of the module housing, whereupon the memory cells are inserted. Finally, the half-shells are folded together and pressed by screws or by holding devices during welding or by clamping rings. The hollow cylindrical gap between memory cells and module housing can also be filled with an insulating liquid or an insulating gel, which also realizes a good heat connection of the memory cells to the module housing. Particularly suitable as insulating liquid MIDEL, an insulating and cooling liquid based on ester with high fire safety, high environmental friendliness and low maintenance. Furthermore, the hollow cylindrical gap can be generated by spacers between memory cells and module housing wall in the form of plastic webs, which is then filled with an insulating gas, such as air.

Vorzugsweise ist die Isolierflüssigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als abbindender Verguss ausgebildet. Mit Vorteil können hier ein Gel-, Silikon-, Polyurethan- oder Harzverguss vorgesehen sein, der gleichzeitig eine gute Wärmeanbindung zum Modulgehäuse und damit die Kühlung der Speicherzellen realisiert. Der abbindende Isolierstoff wird bei Fertigung der Energiespeichervorrichtung bei Unterdruck in das Modulgehäuse eingebracht, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung zu erreichen.Preferably, the insulating liquid of the device according to the invention is designed as a setting potting. Advantageously, a gel, silicone, polyurethane or Harzverguss be provided here, which also realizes a good heat connection to the module housing and thus the cooling of the memory cells. The bonding insulating material is introduced at production of the energy storage device at reduced pressure in the module housing in order to achieve the most uniform distribution possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen je zwei benachbarten Speicherzellen ein zylindrisches Verbindungsstück angeordnet, über welches die Speicherzellen miteinander verbunden sind. Über diese ringförmigen Verbindungsstücke können je zwei benachbarte Speicherzellen miteinander verschweißt sein. Durch die Verbindungsstücke erhält die Säule bzw. die Säulen an hintereinander angeordneten Speicherzellen eine mechanische Stabilität, die dann nicht mehr vollständig vom Modulgehäuse zu erbringen ist. Die Verbindungsstücke gewährleisten außerdem eine sichere elektrische Kontaktierung zweier benachbarter Speicherzellen über ihre Anschlusspole. Werden beispielsweise die Verbindungsstücke von einem Kühlmedium durchströmt, so können diese zusätzlich zur Wärmeabfuhr von den Speicherzellen dienen.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, a cylindrical connecting piece is arranged between each two adjacent memory cells, via which the memory cells are connected to one another. By way of these annular connecting pieces, two adjacent memory cells can each be welded together. Through the connecting pieces, the column or columns on mechanical storage cells arranged one behind the other receives a mechanical stability, which is then no longer to be provided completely by the module housing. The connectors also ensure a secure electrical contact between two adjacent memory cells via their terminal poles. If, for example, the connecting pieces flow through a cooling medium, they can additionally serve for the heat dissipation of the storage cells.

Vorzugsweise schließt ein zylindrisches Verbindungsstück einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den beiden verbundenen Speicherzellen einen Hohlraum ein, der mit einem Druckausgleichsreservoir in Verbindung steht. Als Druckausgleichsreservoir kann beispielsweise der hohlzylindrische Spalt zwischen Speicherzellen und Modulgehäuse oder aber ein separater Hohlraum dienen. Das Druckausgleichsreservoir kann über eine Membran oder über ein Überdruckventil mit dem Hohlraum verbunden sein. Das Druckausgleichsreservoir kann auch als elastisch komprimierbares und mit Luft oder speziellem Gas befülltes Kissen ausgebildet sein.Preferably, a cylindrical connecting piece of a device according to the invention with the two connected memory cells encloses a cavity, which communicates with a pressure compensation reservoir. As a pressure compensation reservoir, for example, the hollow cylindrical gap between memory cells and module housing or a separate cavity can serve. The pressure compensation reservoir can be connected to the cavity via a membrane or via a pressure relief valve. The pressure compensation reservoir can also be designed as elastically compressible and filled with air or special gas pad.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht das Druckausgleichsreservoir mit dem hohlzylindrischen Spalt in Verbindung und ist zur Aufnahme von fluidem Isolierstoff ausgebildet. Ein Überdruckventil ist dabei so eingestellt, dass es beim Entstehen eines Überdruckes im Modulgehäuse – beispielsweise durch Austreten von Elektrolytflüssigkeit aus einem defekten Doppelschichtkondensator – öffnet, damit zur Druckentlastung innerhalb des Speichermoduls Isolierstoff vom hohlzylindrischen Spalt in das Druckausgleichsreservoir eindringen kann. Es kann auch eine eigene Überwachungsschaltung zum Auslösen des Überdruckventils direkt mit Verguss des Isolierstoffes in die Energiespeichervorrichtung eingebracht werden.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the pressure compensation reservoir communicates with the hollow cylindrical gap and is designed to receive fluid insulating material. A pressure relief valve is adjusted so that it opens when creating an overpressure in the module housing - for example, by leakage of electrolyte liquid from a defective double-layer capacitor, thus insulating the pressure in the memory module insulating material from the hollow cylindrical gap in the Pressure compensation reservoir can penetrate. It can also be introduced a separate monitoring circuit for triggering the pressure relief valve directly with potting of the insulating material in the energy storage device.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aus einer Speicherzelle austretende Elektrolytflüssigkeit mit dem Isolierstoff mischbar und durch diesen abbindbar. Hierdurch kann im Fehlerfall aus dem Doppelschichtkondensator austretende Elektrolytflüssigkeit durch den Isolierstoff im hohlzylindrischen Spalt gebunden werden. Bei dem Isolierstoff kann es sich aber auch um ein Phasenwechselmaterial handeln. Es könnte auch vorgesehen sein, dass dieses Gemisch die Isolierfähigkeit des Isolierstoffes herabsetzt, was dann zur Fehlerdetektion benutzt werden kann.In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the electrolyte liquid emerging from a storage cell is miscible with the insulating material and can be set by it. In this way, in the event of a fault, electrolyte liquid emerging from the double-layer capacitor can be bound by the insulating material in the hollow-cylindrical gap. The insulating material may also be a phase change material. It could also be provided that this mixture reduces the insulating ability of the insulating material, which can then be used for fault detection.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung, welches nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben wird, in derenFurther advantages and properties will become apparent from an embodiment of the energy storage device according to the invention, which will be described below with reference to the drawings, in whose

1 ein Längsschnitt durch ein einreihiges erfindungsgemäßes Speichermodul, 1 a longitudinal section through a single-row memory module according to the invention,

2 ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Speichermodul aus 1 längs der Schnittlinie II-II, 2 a cross section through the memory module of the invention 1 along the section line II-II,

3 ein Längsschnitt durch ein zweireihiges erfindungsgemäßes Speichermodul und 3 a longitudinal section through a double-row memory module according to the invention and

4 ein Querschnitt durch das erfindungsgemäße Speichermodul aus 3 längs der Schnittlinie IV-IV
schematisch veranschaulicht sind. 4 a cross section through the memory module of the invention 3 along the section line IV-IV
are illustrated schematically.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energiespeicherung für ein elektrisches Triebfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, weist gemäß 1 ein einreihiges Speichermodul 11 und alternativ gemäß 3 ein zweireihiges Speichermodul 12 auf, welches eine bzw. zwei Reihen von koaxial hintereinander angeordneten und elektrisch in Serie geschalteten Speicherzellen 20 aufweist. Jede Speicherzelle 20 ist dabei als zylindrischer Doppelschichtkondensator mit stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusspolen 21 ausgebildet. Die Reihe bzw. Reihen von Speicherzellen 20 werden von einem rohrförmigen Modulgehäuse 30 umschlossen, welches als Strangpressteil, vorzugsweise aus Aluminium, ausgebildet ist. Das Strangpressteil weist auch im Modulgehäuse 30 integrierte Kühlrippen 31 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel radial von der zylindrischen bzw. doppelzylindrischen Gehäusewand abstehen und sich als flächige Anformung zwischen stirnseitigen Enden des Modulgehäuses 30 erstrecken. Durch unterschiedliche Höhen der Kühlrippen entlang des Umfangs des Modulgehäuses 30 können diesem unterschiedliche äußere Abmessungen verliehen werden, um an unterschiedliche vorgegebene Einbauverhältnisse der Energiespeichervorrichtung angepasst zu werden.An inventive device for storing energy for an electric traction vehicle, in particular a rail vehicle, according to 1 a single-row memory module 11 and alternatively according to 3 a double-row memory module 12 on, which one or two rows of coaxially arranged one behind the other and electrically connected in series memory cells 20 having. Every memory cell 20 is doing as a cylindrical double-layer capacitor with frontally arranged electrical connection poles 21 educated. The row or rows of memory cells 20 be from a tubular module housing 30 enclosed, which is formed as extruded part, preferably made of aluminum. The extruded part also has in the module housing 30 integrated cooling ribs 31 on, which protrude radially from the cylindrical or double cylindrical housing wall in the present embodiment and as a flat Anformung between the front ends of the module housing 30 extend. By different heights of the cooling fins along the circumference of the module housing 30 this different external dimensions can be imparted to be adapted to different predetermined installation conditions of the energy storage device.

Die Kühlrippen dienen zur Abführung von thermischer Energie über Luftkühlung, die im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Speicherzellen 20 erzeugt wird. Zur Unterstützung ist eine Flüssigkühlung in Form eines Wärmerohrs vorgesehen. Hierbei wird der hohlzylindrische Spalt 32 zwischen Speicherzellen 20 und Modulgehäuse 30, der gemäß 1 bzw. 2 ringförmig und gemäß 3 bzw. 4 doppelringförmig ausgebildet ist, teilweise mit kapillarwirksamem Material und zusätzlich mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt. Die Kapillaren dienen der Rückführung von Kühlflüssigkeit zu den als Verdampfer wirkenden Speicherzellen 20. Die Kühlflüssigkeit liegt dabei teils flüssig und größten Teils dampfförmig vor. Die von den Speicherzellen 20 im Betrieb abgegebene Wärme bringt die Kühlflüssigkeit zum Verdampfen, wodurch über dem Flüssigkeitsspiegel der Dampfdruck lokal erhöht wird, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung einer kühleren Modulgehäusewand, wo er kondensiert und die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgibt. Die nun flüssige Kühlflüssigkeit kehrt durch den Spalt 32 wieder zu der als Verdampfer wirkenden Speicherzellenoberfläche zurück.The cooling fins are used to dissipate thermal energy via air cooling, during operation of the device according to the invention in the memory cells 20 is produced. To support a liquid cooling is provided in the form of a heat pipe. Here, the hollow cylindrical gap 32 between memory cells 20 and module housing 30 which according to 1 respectively. 2 ring-shaped and according to 3 respectively. 4 is formed double-ring, partially filled with capillary material and additionally filled with a cooling liquid. The capillaries serve to return coolant to the storage cells acting as evaporators 20 , The cooling liquid is partly liquid and most of it in vapor form. The of the memory cells 20 Heat emitted during operation causes the cooling liquid to evaporate, which locally increases the vapor pressure above the liquid level, resulting in a small pressure gradient within the heat pipe. The resulting vapor therefore flows in the direction of a cooler module housing wall, where it condenses and releases the previously recorded latent heat. The now liquid coolant returns through the gap 32 back to the memory cell surface acting as an evaporator.

Zur elektrischen Isolierung zwischen den Speicherzellen 20 und dem Modulgehäuse 30 ist in dem hohlzylindrischen Spalt 32 ein elektrischer Isolierstoff 40 angeordnet. Der Isolierstoff 40 kann beispielsweise als Folie, Kissen oder Matte in den Spalt 32 eingelegt sein. Alternativ kann auch die Innenwand des Modulgehäuses 30 mit einem Isolierstoff 40 beschichtet sein. Vorzugsweise ist aber der Spalt 32 mit einer Isolierflüssigkeit befüllt, beispielsweise mit Midel, einer aus dem Transformatorenbau bekannten wartungsarmen und umweltfreundlichen Isolierflüssigkeit. Die Isolierflüssigkeit kann jedoch auch als abbindender Verguss ausgebildet sein, der zur gleichmäßigen Verteilung in den mit Unterdruck beaufschlagten hohlzylindrischen Spalt 32 befüllt wird. Der Isolierstoff 40 weist jedenfalls einen geringen Wärmewiderstand auf, um den Wärmeübergang von den Speicherzellen 20 zur Gehäusewand des Modulgehäuses 30 zu fördern. Der Isolierstoff 40 kann mit Vorteil mit aus einer Speicherzelle 20 austretender Elektrolytflüssigkeit mischbar sein und diese binden.For electrical isolation between the memory cells 20 and the module housing 30 is in the hollow cylindrical gap 32 an electrical insulating material 40 arranged. The insulating material 40 For example, as a foil, pillow or mat in the gap 32 be inserted. Alternatively, the inner wall of the module housing 30 with an insulating material 40 be coated. Preferably, however, the gap 32 filled with an insulating liquid, for example with Midel, known from the Transformatorenbau low-maintenance and environmentally friendly insulating fluid. However, the insulating liquid may also be formed as a setting potting, the uniform distribution in the acted upon by vacuum hollow cylindrical gap 32 is filled. The insulating material 40 In any case, has a low thermal resistance to the heat transfer from the memory cells 20 to the housing wall of the module housing 30 to promote. The insulating material 40 can advantageously with out of a memory cell 20 be leaking electrolyte fluid and bind this.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität sowie zu einer sichereren elektrischen Kontaktierung sind benachbarte Speicherzellen 20 einer Reihe bzw. Säule über ein zylindrisches Verbindungsstück 50 miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Dabei schließen das Verbindungsstück 50 und die beiden verbundenen Speicherzellen 20 einen Hohlraum ein, der mit einem nicht dargestellten Druckausgleichsreservoir in Verbindung steht. So kann im Falle eines Defekts einer Speicherzelle 20 in dem Hohlraum entstehender Überdruck beispielsweise über ein Überdruckventil in das Druckausgleichsreservoir abgebaut werden. Im einfachsten Fall dient der hohlzylindrische Spalt 32 als Druckausgleichsreservoir. Es kann jedoch auch ein separates Druckausgleichsreservoir vorgesehen sein, welches mit dem hohlzylindrischen Spalt 32 in Verbindung steht, um fluiden Isolierstoff 40 aufzunehmen, der durch aus einer Speicherzelle 20 austretende Elektrolytflüssigkeit zum Druckabbau in dieses Druckausgleichsreservoir gedrängt wird.To increase the mechanical stability as well as a safer electrical contacting are adjacent memory cells 20 a row or column via a cylindrical connector 50 connected together, for example by welding. This will close the connector 50 and the two connected memory cells 20 a cavity communicating with a pressure compensation reservoir, not shown. Thus, in the case of a defect of a memory cell 20 in the cavity resulting overpressure be reduced, for example via a pressure relief valve in the pressure compensation reservoir. In the simplest case, the hollow cylindrical gap is used 32 as a pressure compensation reservoir. However, it can also be provided a separate pressure compensation reservoir, which with the hollow cylindrical gap 32 communicates to fluid insulating material 40 to be absorbed by a memory cell 20 leaking electrolyte fluid is urged to reduce pressure in this pressure compensation reservoir.

Zur Kontaktierung der Schaltkreise eines elektrischen Triebfahrzeugs ragt ein Anschlusspol 21 der obersten und untersten Speicherzelle 20 einer Reihe durch eine stirnseitige Endplatte des Modulgehäuses 30. Bei dem zweireihigen Speichermodul 12 sind die obersten Speicherzellen 20 jeder Reihe über einen Zellverbinder 51 elektrisch miteinander verbunden, während die Anschlusspole 21 der beiden untersten Speicherzellen 20 die Abdeckplatte des Modulgehäuses 30 durchdringen.To contact the circuits of an electric traction unit protrudes a terminal pole 21 the top and bottom memory cell 20 a row through a front end plate of the module housing 30 , In the double-row memory module 12 are the top memory cells 20 each row via a cell connector 51 electrically connected together while the terminal poles 21 the two lowest memory cells 20 the cover plate of the module housing 30 penetrate.

Insgesamt lassen sich in einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung Doppelschichtkondensatoren axial hintereinander in einem Speichermodul 11 bzw. 12 anordnen. Die mechanische Steifigkeit wird durch das als Strangpressprofil ausgebildete Modulgehäuse 30 mit integrierter Luft- bzw. Flüssigkühlung gewährleistet. Das Problem eines auftretenden Überdrucks im Modulgehäuse 30 bei fehlerhafter Öffnung eines Doppelschichtkondensators wird durch das Einbringen eines Druckausgleichsreservoirs mit integriertem Überdruckventil realisiert. Die thermische Anbindung der Speicherzellen 20 nach außen und die elektrische Isolation können durch eine Flüssigkeit oder einen abbindenden Verguss allein oder in Kombination mit einer Innenbeschichtung des Modulgehäuses 30 realisiert werden.Overall, in an energy storage device according to the invention, double-layer capacitors can be arranged axially one behind the other in a storage module 11 respectively. 12 Arrange. The mechanical rigidity is determined by the module housing designed as an extruded profile 30 guaranteed with integrated air or liquid cooling. The problem of overpressure occurring in the module housing 30 in case of incorrect opening of a double-layer capacitor is realized by introducing a pressure compensation reservoir with integrated pressure relief valve. The thermal connection of the storage cells 20 to the outside and the electrical insulation can by a liquid or a bonding potting alone or in combination with an inner coating of the module housing 30 will be realized.

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Claims (9)

Vorrichtung zur Energiespeicherung für ein elektrisches Triebfahrzeug, insbesondere ein Schienen- oder Straßenfahrzeug, mit mehreren ein Speichermodul (11, 12) bildenden Speicherzellen (20) für elektrischer Energie, welche als zylindrische Doppelschichtkondensatoren mit stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusspolen (21) ausgebildet sind, wobei die Speicherzellen (20) des Speichermoduls (11, 12) elektrisch miteinander verbunden und in einem Modulgehäuse (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermodul (11, 12) mehrere koaxial hintereinander angeordnete und elektrisch in Reihe geschaltete Speicherzellen (20) aufweist.Device for energy storage for an electric traction vehicle, in particular a rail or road vehicle, with a plurality of a memory module ( 11 . 12 ) forming memory cells ( 20 ) for electrical energy, which as cylindrical double-layer capacitors with frontally arranged electrical connection poles ( 21 ), wherein the memory cells ( 20 ) of the memory module ( 11 . 12 ) electrically connected and in a module housing ( 30 ), characterized in that the memory module ( 11 . 12 ) a plurality of memory cells arranged coaxially behind one another and electrically connected in series ( 20 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Modulgehäuse (30) als Strangpressteil mit integriertem Kühlsystem (31) ausgebildet ist.Device according to claim 1, wherein the module housing ( 30 ) as extruded part with integrated cooling system ( 31 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Kühlsystem als Wärmerohr mit Kapillarrückführung von Kühlflüssigkeit zu einem Verdampfer ausgebildet ist.Apparatus according to claim 2, wherein the cooling system is designed as a heat pipe with capillary return of cooling liquid to an evaporator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in einen hohlzylindrischen Spalt (32) zwischen Speicherzellen (20) und Modulgehäuse (30) ein elektrischer Isolierstoff (40) angeordnet ist, der als Isolierfolie und/oder Isolierbeschichtung und/oder Isolierkissen und/oder Isoliermatte und/oder Isoliergel und/oder Islolierflüssigkeit und/oder Isoliergas ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 3, wherein in a hollow cylindrical gap ( 32 ) between memory cells ( 20 ) and module housing ( 30 ) an electrical insulating material ( 40 ) is arranged, which is formed as an insulating film and / or insulating coating and / or insulating pad and / or insulating mat and / or Isoliergel and / or Islolierflüssigkeit and / or insulating gas. Vorrichtung nach einem Anspruch 4, wobei die Isolierflüssigkeit als abbindender Verguss ausgebildet ist.Apparatus according to claim 4, wherein the insulating liquid is formed as a setting potting. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen je zwei benachbarten Speicherzellen (20) ein zylindrisches Verbindungsstück (50) angeordnet ist, über welches die Speicherzellen (20) miteinander verbunden sind.Device according to one of claims 1 to 5, wherein between each two adjacent memory cells ( 20 ) a cylindrical connector ( 50 ) is arranged, over which the memory cells ( 20 ) are interconnected. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein zylindrisches Verbindungsstück (50) mit den beiden verbundenen Speicherzellen (20) einen Hohlraum einschließt, der mit einem Druckausgleichsreservoir in Verbindung steht.Apparatus according to claim 6, wherein a cylindrical connecting piece ( 50 ) with the two connected memory cells ( 20 ) includes a cavity communicating with a pressure compensation reservoir. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Druckausgleichsreservoir mit dem hohlzylindrischen Spalt (32) in Verbindung steht und zur Aufnahme von fluidem Isolierstoff (40) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 7, wherein the pressure compensation reservoir with the hollow cylindrical gap ( 32 ) and for receiving fluid insulating material ( 40 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine aus einer Speicherzelle (20) austretende Elektrolytflüssigkeit mit dem Isolierstoff (40) mischbar und durch diesen abbindbar ist.Apparatus according to claim 8, wherein one of a memory cell ( 20 ) leaking electrolyte fluid with the insulating material ( 40 ) is miscible and abbindbar by this.
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