Energiespeicher aus Doppelschicht-Kondensatoren, Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schienenfahrzeugen und zu- gehöriges Schienenfahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf einen Energiespeicher aus Dop¬ pelschichtkondensatoren. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines solchen Energiespeichers bei Schie- nenfahrzeugen. Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein derartiges Schienenfahrzeug.

Doppelschichtkondensatoren dienen in nahezu idealer Weise zur kurzzeitigen Energieversorgung. Ihre Technik ist ausgereift (so genannte SuperCaps) . Die Doppelschichtkondensatoren wer¬ den zu Modulen von bis zu über 100 einzelnen Kondensatoren zusammengeschaltet. Die Einsatzmöglichkeiten solcher Doppel¬ schichtkondensator-Module hängen von der Leistungsfähigkeit der einzelnen Doppelschichtkondensatoren ab.

Erste Exemplare von Doppelschichtkondensatoren mit Kapazitä¬ ten ≤ IF kamen nach 1970 auf den Markt (GoldCap, Matsushita) . Erst als Einzelzellen mit Kapazitäten > 1000 F verfügbar wa¬ ren, wurde die Zusammenschaltung mehrerer Kondensatoren pra- xisgerecht, um diese zur kurzzeitigen Bereitstellung hoher

Leistungen zu verwenden. Insbesondere für Anwendungen in der Verkehrstechnik, z.B. für die Elektrotraktion, Unterwerke bei Schienenfahrzeugen, wird die Verschaltung zu größeren Modulen erforderlich, um sowohl den gegebenen Leistungs- als auch den Spannungsanforderungen zu genügen.

Insbesondere bei solchen Anwendungen, bei denen hohe Leistun¬ gen zu erwarten sind, wird in erheblichem Maß Verlustwärme anfallen. Zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebes und zur Gewährleistung hoher Lebensdauern muss diese Verlustwärme zuverlässig und effizient abgeführt werden.

In bisherigen Prototypen bzw. Pilotanlagen von Doppelschicht- Kondensator-Modulen wird letzterer Forderung dadurch Rechnung getragen, indem die einzelnen Kondensatoren oder das ganze Modul mit Kühlluft versorgt werden. Der Kühleffekt kann dabei auch durch Anbringen von separaten Kühlkörpern verstärkt wer¬ den.

Eine Luftkühlung bedeutet bei elektrischen Anlagen immer eine Begrenzung des Einbauortes. In Fällen, bei denen hohe Leis- tungen oft oder permanent zu erwarten sind, wird diese Art der Kühlung an Grenzen stoßen, insbesondere dann, wenn sich ändernde bzw. hohe Umgebungstemperaturen herrschen. Die Kon¬ sequenz ist, dass das Leistungsprofil entsprechend reduziert werden muss, um eine Schädigung des Moduls zu verhindern und um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Aus der JP 11-54356 A ist auch bereits ein Energiespeicher aus mehreren Doppelschichtkondensator-Modulen bekannt, die zur Thermostatisierung in einem Flüssigkeitsbad angeordnet sind. Dabei beinhaltet jedes abgeschlossene Modul mehrere

Doppelschicht-Kondensatoren und befinden sich mehrere solche Module im Flüssigkeitsbad innerhalb eines Gehäuses, das auf einer Seite einen Zugang und einen Abgang haben kann.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, verbesserte

Energiespeicher zu schaffen, eine geeignete Anwendung vorzu¬ schlagen und insbesondere derartige Anwendungen bei Schienen¬ fahrzeuge konstruktiv zu realisieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa¬ tentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Anwendung ist im Patentanspruch 20 angegeben. Ein diesbezüglich ausgebildetes Schienenfahrzeug zur praktischen Anwendung der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruches 22. Weiterbildungen des Ener- giespeichers und insbesondere des diesbezüglichen Schienen¬ fahrzeugs sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Erfindung wird also eine geeignete Flüssigkeitsküh¬ lung für Doppelschichtkondensatoren, deren Verwendung bei Schienfahrzeugen sowie ein diesbezüglich ausgestattetes Schienenfahrzeug vorgeschlagen.

Wie oben bereits ausgeführt, sind Flüssigkeitskühlungen von Energiespeichergeräten, auch von Geräten mit elektrischen und elektronischen Leistungsbauelementen, zwar bekannt. Solche Kühlungen sind aber ,a priori' nicht für einzelne Doppel- schicht-Kondensatoren geeignet. Speziell bei dem in der

JP 11-54356 A beschriebenen Energiespeicher sind abgeschlos¬ sene Module im Flüssigkeitsbad einer singulären Gehäuseein¬ heit angeordnet, wobei aber insbesondere keine Kopplung meh¬ rerer Gehäuseeinheiten möglich ist. Demgegenüber ist mit der Erfindung ein solcher Energiespeicher geschaffen, bei dem einzelne Gehäuseeinheiten miteinander koppelbar sind.

Mit der Erfindung werden unterschiedliche Maßnahmen zur ef¬ fektiven Abführung von Abwärme aus einem Doppelschichtkonden- sator-Modul bzw. -System, mit denen eine wirksame Verhinde¬ rung von durch Wärme bedingten Schädigungen bei solchen Modu¬ len möglich ist, vorgeschlagen. Eine Überhitzung des Bau¬ teils, d.h. Überschreiten der zulässigen Betriebstemperatur der Doppelschichtkondensatoren, könnte nämlich zur verringer- ten Lebensdauer bzw. zur Schädigung der Kondensatoren selbst, beispielsweise zum Entweichen des Elektrolyten bis hin zum explosiven Abbrand führen. Durch die Erfindung wird insbeson¬ dere bei Schienenfahrzeugen die Beschränkung des Einbauortes aufgehoben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei¬ spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan¬ sprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung die

Figuren 1 bis 5 unterschiedliche Alternativen eines Doppel¬ schichtkondensator-Moduls mit geeigneter Flüssig¬ keitskühlung,

Figuren 6 und 7 alternative Möglichkeiten der Ankopplung ein¬ zelner Doppelschichtkondensator-Module aneinander (LEGO-Prinzip) ,

Figur 8 ein Schienenfahrzeug, bei dem in unterschiedlichen Freiräumen wassergekühlte Module als Energiespei¬ cher angeordnet sind, in Seitenansicht und

Figur 9 eine Schnittdarstellung des Fahrgastraumes in Figur 8 mit Leerräumen zur Aufnahme von Doppelschichtkon¬ densator-Modulen mit Flüssigkeitskühlung.

Von den Figuren 1 bis 5 sind die Figuren 1 bis 3 und 5 in schematischer Schnittdarstellung dargestellt, während spe¬ ziell Figur 4 eine Draufsicht zeigt. Insbesondere die Figuren 1 bis 5 werden bezüglich ihrer gleichen Einheiten nachfolgend gemeinsam beschrieben.

In den Figuren ist 1 bis 5 jeweils ein Modulgehäuse 10 darge¬ stellt, das als Normgehäuse im Wesentlichen gleiche äußere Abmessungen hat. In jedem Modulgehäuse 10 befinden sich eine Reihe von Doppelschichtkondensatoren 1, 1'', 1''' etc. Die

Zahl der einzelnen Doppelschichtkondensatoren 1, 1'', ... in einem Modul ist nicht festgelegt. Vorteilhafterweise sind zwischen 5 und 50 Doppelschichtkondensatoren vorhanden. Dabei sind beispielsweise 13 in einem Raster von 3xr oder 24 Dop- pelschichtkondensatoren in einem Raster von 4x6 angeordnet, und elektrisch in geeigneter Weise seriell und/oder parallel geschaltet. Innerhalb eines Moduls können beliebige Kombina¬ tionen vorgesehen sein.

In der Darstellung der Figuren bis 3 sowie 5 sind die einzel¬ nen Doppelschichtkondensatoren 1, 1', 1'', ... in den Figuren über elektrische Kontaktschienen 2, 2' elektrisch derart ge¬ schaltet, dass aufgrund einer kombinierten Parallel- und Se¬ rienschaltung eine geeignete AusgangsSpannung und -ström des einzelnen Moduls geliefert wird. Eine Mehrzahl von Modulen kann hintereinander geschaltet werden, so dass sich die ge¬ eignete Systemspannungs- und -leistungsebene ergibt. Es sind auch geeignete interne Seriell-/Parallel-Verbinder möglich.

Bei den einzelnen Figuren 1 bis 5 geht es darum, geeignete Anordnungen zur Flüssigkeitskühlung vorzusehen. So wird spe¬ ziell in Figur 1 unter Ausschluss der isolierten elektrischen Leitschienen 2, 2' und zugehöriger Kontakte, die beide in ge¬ eigneter Weise, beispielsweise durch eine Vergussmasse, iso¬ liert sind ein Innenvolumen 11 im Modulgehäuse 10 gebildet, das komplett mit Kühlflüssigkeit 100 durchströmt wird. Es ist ein Einlass 12 und ein Auslass 13 vorhanden.

In Figur 2 sind bei prinzipiell gleichem Aufbau des Modulge¬ häuses 10 mit Doppelschichtkondensatoren 1, 1', ... und Leit¬ schienen 2, 2' auf zwei gegenüber liegenden Gehäuseflächen Flüssigkeitskühlkörper 12, 12', die jeweils separat mit Kühl- flüssigkeit 100 durchströmt werden, angeordnet. Durch die An¬ ordnung der Flüssigkeitskühlkörper 12, 12' oberhalb und/oder unterhalb des Moduls ergibt sich durch geeignete Ankopplung eine hinreichende Kühlwirkung. Gegebenenfalls kann ein einzi¬ ger Kühlkörper ausreichend sein.

In Figur 3 ist ein Modulgehäuse gemäß Figur 2 derart abgewan¬ delt, dass sich die Flüssigkeitskühlkörper unmittelbar auf den Parallel- und Seriellverbindern 2, 2' befinden. Damit wird die Wärmeabfuhr verbessert.

Gemäß Figur 4 ist ein Modulgehäuse 10 derart abgewandelt, dass innerhalb des Modulgehäuses und die Doppelschichtkonden¬ satoren herum ein konturfähiger Schlauch 14 angeordnet ist, in dem das Kühlmedium strömt. Durch Anwendung der konturfähi- gen Schläuche werden insbesondere die einzelnen Doppel¬ schichtkondensatoren 1, 1', 1'', ... unmittelbar gekühlt.

Eine Kombination der vorher anhand der einzelnen Beispiele dargestellten Prinzipien ergibt sich Figur 5. Hier sind bei einem Modulgehäuse 10 außen Flüssigkeitskühlkörper 15 bzw. 15' vorhanden, die über Verteilerstrukturen 16, 16' , 16' ' , ... zur gleichmäßigen Umströmung der Kondensatoren miteinan¬ der verbunden sind. Es ergibt sich hier die Möglichkeit, über

einen Einlass an der einen Seite des Modulgehäuses 10 einen Flüssigkeitszustrom zu realisieren, während auf der anderen Seite über einen Auslass der Flüssigkeitsstrom weggeführt wird.

Letztere Realisierung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn genormte Modulgehäuse geschaffen werden und die einzelnen Mo¬ dulgehäuse mit jeweils elektrischen Verbindern und Flüssig¬ keitsverbindern, d.h. einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass, in ansonsten beliebiger Kombination mit¬ einander gekoppelt werden können.

Anhand der Figuren 6 und 7 wird verdeutlicht, dass einzelne Module nach Art des LEGO- Baustein-Prinzips in praktisch be- liebiger Weise miteinander koppelbar sind. Dafür benötigt je¬ des Modulgehäuse 10 an seinen Außenflächen Verbindungsein¬ richtungen für die elektrische Kontaktierung einerseits und für die Fluidverbindung andererseits . Diese Mittel können in geeigneter Weise ausgebildete Steckeinrichtungen sein, die jeweils an definierten Stellen einer Gehäusefläche ein Ste¬ ckerteil und jeweils ein Aufnahmeteil umfassen. Einzelne Mo¬ dule können so hintereinander- oder parallelgeschaltet wer¬ den.

In Figur 6 ist dazu ein abstrahiertes Gehäuseelement 101 mit Verbindungseinrichtungen 110, 110' sowie 120 versehen, von denen 110, 110' weibliche Steckeinrichtungen (Buchse) und 120 männliche Steckeinrichtungen (Stecker) darstellen.

In Figur 6 erfolgt der elektrische Anschluss über Steckertei¬ le 111 und 111' bei der Einrichtung 110 bzw.110', während die Kühlflüssigkeitsverbindung über ein Steckerteil 112 herge¬ stellt wird. In der korrespondierenden Einrichtung 120 sind dazu die zugehörigen Gegenstücke 121, 121' und 122 vorhanden. Speziell für den Flüssigkeitsanschluss ist dabei eine Dich¬ tung 125 notwendig.

Gemäß Figur 7 kann der Flüssigkeitseintritt über Innenlumina der elektrischen Anschlüsse erfolgen. Dafür sind die Medien¬ schnittstellen 110, 120 mit Steckerteilen 113, 113' versehen, die Anschlüsse 114, 114' für die Schienenverteiler der Dop- pelschichtkondensatoren haben. Im Innenlumen 114, 114' der

Steckteile 113, 113' wird das Kühlmedium geführt. Bei den zu¬ gehörigen Gegenstücken 123 bzw. 123' sind hier Dichtungen 125 bzw. 125' zur Verhinderung von Flüssigkeitsverlust vorhanden.

Bei Ausbildung von zwei Steckverbindungen an gegenüberliegen¬ den Seiten der Modulgehäuse ist eine Hintereinanderschaltung möglich. Durch die dritte Steckverbindung entsprechend den Figuren 6 und 7 können Module auch parallel geschaltet wer¬ den, wobei aber nur ein flächenhafter Aufbau erfolgen kann.

Durch eine Anordnung mit sechs Steckverbindungen, d.h. eine Steckverbindung an jeder Fläche des quaderförmigen Modulge¬ häuses 10, wird ein beliebiger dreidimensionaler Aufbau des Energiespeichers möglich, so dass vorhandene Leerräume opti- mal genutzt werden können.

In Figur 8 ist ein Straßenbahnzug 70 angedeutet, wie er vom Stand der Technik der Schienfahrzeuge bekannt ist. Er besteht aus einem Chassis 71 mit einem Fahrwerk 72 mit Lauf- und An- triebsachsen, einem Karosserieaufbau 73, einem Dachaufbau 74 und einem inneren Fahrgastraum 75 mit Fahrgastsitzen 76, 76', .... Weiterhin sind die bei Straßenbahnen notwendigerweise vor¬ handenen Mittel zur elektrischen Energieversorgung vorhanden. Insbesondere sind dafür Stromabnehmer zur Stromabnahme aus Oberleitungen und elektrische Stromrichtereinheiten zur An¬ steuerung der Fahrmotoren sowie Hilfsbetriebseinrichtungen vorhanden. Derartige Einrichtungen sind üblicherweise auf dem Dachaufbau des Schienenfahrzeuges in einem nach außen abge¬ schlossenen Container angeordnet.

Bisher werden auch zusätzliche Einheiten zur Energieversor¬ gung, wie insbesondere auch Module mit durch Doppelschicht¬ kondensatoren, im Container auf dem Dachaufbau des Straßen-

bahnzuges angeordnet. Durch einen Wärmeaustausch mit der Um¬ gebungsluft kann insbesondere im Fahrbetrieb gleichermaßen die Kühlwirkung des Fahrtwindes ausgenutzt werden.

Im vorliegenden Fall ergibt sich nunmehr die Möglichkeit, in vorhandenen Leerräumen innerhalb der Straßenbahn, insbesonde¬ re unter den Fahrgastsitzen o. dgl. , die Modulgehäuse mit Energiespeichern anzuordnen. Durch das Zusammenfügen der Mo¬ dulgehäuse nach dem LEGO-Prinzip ist es dabei möglich, die vorhandenen Leer- und Freiräume jeweils in optimaler Weise komplett auszunutzen.

In Figur 9 ist dazu gezeigt, dass der Einbauort im Fahr¬ gastraum 75 des Schienenfahrzeuges 70 so gestaltet ist, dass die einschlägigen Sicherheitsbestimmungen erfüllt sind. Dafür wird die Außenwand 79 des Karosserieaufbaus 73 unterhalb der Fahrgastsitze 76, 76', 76'', ... nach innen gestülpt, wodurch der somit von der Fahrgastzelle 75 abgetrennte Raum nutzbar gemacht werden kann.

Durch letztere Anordnung ist den Sicherheitsbestimmungen, die eine Anordnung des Energiespeichers, insbesondere von mit flüssigen Elektrolyten versehenen Kondensatoren, im Fahr¬ gastraum ausschließen, Rechnung getragen.

Insgesamt löst die Erfindung das Problem einer effizienten Wärmeausbringung, in dem einerseits in den einzelnen Modulen Hohlräume geschaffen oder vorhandene Hohlräume genutzt wer¬ den, um diese mit einem geeigneten flüssigen Kühlmedium zu durchströmen, welche die Abwärme als Zwischenmedium aufnimmt und diese aus dem Modul entfernt. Diese flüssigkeitsdurch- strömten Module können darüber hinaus an jeweils geeigneten Orten im Schienenfahrzeug angeordnet werden. Ein Kontakt zur Umgebungsluft, insbesondere zum Fahrtwind, ist unnötig.