Batterieschrank Die Erfindung betrifft einen Batterieschank .

Batteriespeicher, d.h. Systeme mit wiederaufladbaren Spei ^¬ cherzellen, kommen häufig in Form von modular aufgebauten Batterieschränken für die Energieversorgung von Industriebe- trieben zum Einsatz. Ein derartiger Batteriespeicher ist z.B. in der DE 10 2014 208 316 AI beschrieben.

Die dabei verwendeten Batterieschränke herkömmlicher Bauart sind im Wesentlichen aus Metall gefertigt, haben somit berührbare, leitfähige Teile und müssen deshalb geerdet be ^¬ trieben werden. Durch die innere Struktur der Batterieschrän ^¬ ke ergibt sich mit dem umgebenden, geerdeten Metall eine nicht unerhebliche parasitäre Ableitkapazität zu dem übli ^¬ cherweise mit PE bezeichneten Erd- bzw. Schutzleiter. Diese kann zu Störungen der Elektronik führen.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein neues Konzept für Batte ^¬ rieschränke anzugeben, das Nachteile herkömmlicher Batterie ^¬ schränke vermeidet.

Erfindungsgemäß wird ein Batterieschrankkonzept vorgeschla ^¬ gen, bei dem stromführende Komponenten des Batterieschanks im Batterieschrank bei bestimmungsgemäßer Nutzung des (zusammen ^¬ gebauten) Batterieschranks bzw. bestimmungsgemäßen Umgang mit dem zusammengebauten Batterieschrank (z.B. Transport des Bat ^¬ terieschanks) unberührbar angeordnet sind. Unter „stromfüh ^¬ renden Komponenten" sind dabei Komponenten zu verstehen, die entweder im Betrieb Strom führen oder im Störfall Strom füh ^¬ ren können. Im Regelfall sind diese Komponenten die leitenden Bestandteile des Schranks. Hier und im Folgenden ist dabei der Begriff „Batterieschank" als ein für die Aufnahme von Batterien bzw. Energiespeicherelementen ausgestalteter Ein ^¬ zelschrank oder ein entsprechend ausgestaltetes Schranksystem zu verstehen, d.h. die Batterien bzw. Speicherelemente sind nicht umfasst. Gemäß einer Ausgestaltung sind allerdings im Batterieschrank eingesetzte metallische Batterien oder Batte ^¬ riemodule durch die Ausgestaltung des Schranks ebenfalls nicht berührbar. Die Anordnung der stromführenden Komponenten des Batterieschanks kann zumindest teilweise durch eine dafür angepasste Ausgestaltung der von außerhalb des Batterie ^¬ schanks berührbaren Bestandteile des Batterieschanks reali ^¬ siert werden. Gemäß dieser Realisierung sind die von außen berührbaren Bestandteile des Batterieschanks derart mit zu ^¬ mindest einem isolierenden Material gebildet, dass nur eine Berührung des zumindest einem isolierenden Materials möglich ist .

Vorzugsweise entspricht dabei die Anordnung der stromführen ^¬ den Komponenten der Schutzart IP 2X, d.h. es besteht Schutz gegen Berühren durch Finger. (Die Schutzarten sind z.B. in der DIN 40050 zu EN 60529/VDE 0470 Teil 1 festgelegt.) Gemäß einer Ausgestaltung kann zusätzlich bzw. alternativ ein

Schutz gemäß einer strengeren Schutzbestimmung (z.B. einer höheren Schutzart) bestehen. Der Batterieschank ist vorzugs ^¬ weise gemäß Schutzklasse 2 ausgeführt. (Schutzklassen sind z.B. in der Norm EN 61140 bzw. VDE 0140-1 für Deutschland festgelegt.) Damit kann der Batterieschrank ohne Schutzleiter (PE-Leiter) ausgeführt sein.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batterie ^¬ schanks ist dieser mit elektrisch nicht-leitenden, für die jeweilige mechanische Funktion hinreichend stabilen Träger- elementen (der Begriff „Trägerelement" wird dabei breit ver ^¬ standen und umfasst insbesondere auch Stützelemente) gebil ^¬ det. Die Trägerelemente können mit GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) oder kunststoffbeschichteten Metallelementen ge ^¬ bildet sein. Beispiele für mögliche Trägerelemente sind Wand- elemente, wie z.B. Seitenwände, Rückwände, Vorderabdeckungen (eine Vorderabdeckung kann sich z.B. darin von einer Rückwand unterscheiden, dass die Vorderabdeckung einen erforderlichen Zugang zu Bedienelementen des Batterieschanks gewährt) und Trennwände, sowie Batterieträgerelemente (d.h. Trägerelemen ^¬ te, die für die Aufnahme und mechanische Unterstützung von Batterien ausgestaltet sind) . Gemäß einer Weiterbildung umfasst zumindest ein Trägerelement metallische Befestigungspunkte, und die metallischen Befesti ^¬ gungspunkte sind nicht berührbar angeordnet oder/und mit KunstStoffabdeckungen versehen. Eine weitere Ausgestaltung von Trägerelementen betrifft Aussparungen bzw. Öffnungen. Da- durch wird Material bzw. Gewicht gespart. Bei dieser Ausge ^¬ staltung ist dabei darauf zu achten, dass etwaige Abdeckfunk ^¬ tionen (keine Berührung stromführender Teile) oder mechani ^¬ sche Funktionen (z.B. Trag- und Stützfunktionen) nicht beein ^¬ trächtigt werden. Im Hinblick darauf können z.B. Trägerele- mente (evtl. abschnittsweise) mit einer Kreuz-, Waben- oder Gitterstruktur ausgeformt sein. Alternativ können Trägerele ^¬ mente auch hohl ausgestaltet sein.

Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungs- beispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Bestandteile eines erfindungsgemäßen Batterieschanks ,

Fig. 2: eine Modulbefestigung in einem erfindungsgemäßen Bat- terieschank,

Fig. 3: Bestandteile eines erfindungsgemäßen Batterieschanks (mit Lagerung von zwei Batteriemodulen nebeneinander) , Fig. 4: eine Wandausgestaltung für einen erfindungsgemäßen Batterieschank,

Fig. 5: eine Wandausgestaltung für einen erfindungsgemäßen Batterieschank,

Fig. 6: ein als Batterieschanksystem ausgestalteter erfin ^¬ dungsgemäßer Batterieschrank, und Fig. 7: verschiedene Wandausgestaltungsvarianten.

Eine Erkenntnis, auf welcher die Erfindung basiert, ist, dass die Metallteile des „klassischen" Batterie ( schalt ) schranks im Wesentlichen nur mechanische Aufgaben haben. Es kann daher darauf verzichtet werden, diese Teile aus Metall anzuferti ^¬ gen. Wenn zudem konsequent darauf geachtet wird, dass strom ^¬ führende Komponenten ausschließlich im Inneren der Module und des Schrankes unberührbar eingebaut werden, kann komplett auf eine Erdung verzichtet werden. „Unberührbar" sollte dabei zu ^¬ mindest im Sinne der Schutzart IP 2X erfüllt werden, d.h. ei ^¬ ne Berührung von stromführenden Komponenten mit dem Finger wird ausgeschlossen. Das Ziel eines Batterieschrankes der Schutzklasse II, d.h. eines Batterieschranks , der ohne Erdung auskommt, wird defi ^¬ nitionsgemäß erreicht, wenn alle elektrisch leitenden Teile im Batterieschrank nicht berührt werden können. Erfindungsgemäß besteht ein erfindungsgemäßer Batterieschrank der Schutzklasse II aus elektrisch nicht-leitenden, mecha ^¬ nisch hinreichend stabilen Elementen. Diese Elemente können für eine modulare Zusammensetzung bzw. einen Zusammenbau des Schanks aus ihnen, z.B. in einer Art IKEA-Einzelschrank- oder einem Schrankwand-Prinzip, ausgestaltet sein.

In den Fig. 1 - 5 sind skizzenhaft Beispiele für ein Einzel- schrank-Design dargestellt. In Fig. 1 ist ein Batteriemodul 1 zwischen zwei Seitenwänden 2 und 3 aus GFK angeordnet. An den Seitenwänden sind mittels Schrauben 21 und 31 und Einpressmuttern 22 und 32 Tragschie ^¬ nen 4 und 5 aus GFK befestigt, von denen das Modul 1 unter ^¬ stützt wird. Ebenfalls eingezeichnet sind Kontaktierungen 24 und 25 zur Ladung/Entladung des Moduls 1.

Fig. 2 zeigt Details einer Batteriemodulanbringung für ein metallisches Modul. Das Modul 1 ist über Abstandshalterele- mente 12 und 13 mit Schrauben 15 und 16 verbunden, die eine Befestigung ermöglichen. Zu Absicherung sind die Schrauben 15 und 16 mit einer KunstStoffabdeckung 14 versehen. In Fig. 3 ist eine Halterung für zwei nebeneinander angeord ^¬ nete Batteriemodule 1 und 10 gezeigt. Die Module 1 und 10 sind auf einer Bodenplatte 6 aus GFK angeordnet, welche im unbelasteten Zustand konvex ist und für eine geradlinige Form im mit zwei Modulen belasteten Zustand ausgebildet ist. Die Bodenplatte 6 ist mittels Schrauben 21 und 31 an den Seiten ^¬ wänden 2 und 3 befestigt. Es ist zudem eine als Andreaskreuz ausgestaltete Rückwand 7 gezeigt, welche sich aus den ge ^¬ kreuzten Elementen 71 und 72 zusammensetzt. Eine derartige Rückwand 7 ist in Fig. 4 für eine Anbringung eines Moduls 1 entsprechend Fig. 1 gezeigt. Fig. 5 zeigt eine Wandstruktur, die für die Seitenwände oder (alternativ zu dem Kreuz aus Fig. 3 und Fig. 4) für die Rückwand 7 zum Einsatz kommen kann. Diese besteht aus einem Rahmen 8 und einer Waben- bzw. Gitterstruktur 9.

In Fig. 6 ist ein Schrankwand-Design für einen als Batterie ^¬ schranksystem ausgeführten erfindungsgemäßen Batterieschrank dargestellt. Dabei unterteilen zwei Seitenwänden 2, 3 und ei ^¬ ne Trennwand 40 den Schrank in zwei Teilschränke, die jeweils ein Batteriemodul 1 bzw. 10 aufnehmen. Die Seitenwände 2, 3 und die Trennwand 40 sind mit Einpressmuttern 22, 221, 32, 401 und 402 versehen, mit deren Hilfe durch Schrauben 21, 31, 411 und 412 Trägerschienen 4, 5, 422 und 423 zur Halterung der Module 1 und 10 befestigt sind. Die Rückwand ist mit Querstreben 50 und 51 gebildet. Dieses Beispiel ist insofern nur exemplarisch, als dass erfindungsgemäße Batterieschränke mit gewünschter Anzahl von Teilschänken bzw. Unterteilungen vom Fachmann routinemäßig aus der in dieser Anmeldung enthal ^¬ tenen Offenbarung konzipiert werden können. Z.B. könnte das Schranksystem aus Fig. 6 seitlich um weitere Teilschränke er ^¬ weitert werden, was in der Figur seinen Ausdruck in der Ein ^¬ pressmutter 22 findet. Die Seitenwand 2 kann somit durch An- bringung einer weiteren Trägerschiene zur Trennwand ausge ^¬ staltet werden.

In Fig. 7 sind drei verschiedene Wandausgestaltungen darge- stellt, die z.B. für Seiten-, Trenn- und Rückwände des

Schranksystems aus Fig. 6 zum Einsatz kommen können. Bei dem Beispiel oben ist die Wand massiv ausgeführt, bei dem mittle ^¬ ren mit Gitter- bzw. Wabenstruktur und unten in Form eines Andreaskreuzes. Dabei ist jeweils eine Schiene 4 zur Unter- Stützung eines Moduls angedeutet.

Bevorzugt sind die mechanisch tragenden Elemente aus GFK ge ^¬ fertigt oder als kunststoffbeschichtete Metallelemente ausge ^¬ staltet (z.B. auf Basis von Stahl oder Aluminium) . Das

Schrankwand-Design besteht bevorzugt aus tragenden, flachen und glatten Seitenwänden, in die schraubbare Befestigungs ^¬ punkte eingelassen sind.

Die Seitenwände müssen nicht massiv ausgeführt sein, d.h. sie können innen hohl sein, oder es können Öffnungen („Waben") oder Aussparungen zur Material- und Gewichtsreduktion einge ^¬ lassen sein. Die Befestigungspunkte (Schraubfassungen) dürfen metallisch ausgeführt sein (z.B. Edelstahl), sind aber bevor ^¬ zugt so im Batterieschrank angeordnet, dass sie von außen (bei geschlossenem Batterieschrank) nicht berührbar sind, oder sie sind mit KunstStoffabdeckungen („Plastikkappen") versehen .

Der Batterieaufbau hat typischerweise eine Spannung über 570V DG und unter 1500V DG. Bei der Konstruktion sollten die Nor ^¬ men VDE 0110 und VDE 0140 Beachtung finden, um je nach Aus ^¬ führung und Material der Isolierung die erforderlichen Mate ^¬ rialstärken zu ermitteln. Als Grundlage zur Auslegung der Isolationskoordination kann davon ausgegangen werden, dass eine staubarme, klimatisierte Umgebung vorliegt, weil Li-

Ionen-Batterien nur in einer Umgebung mit einem engen Tempe ^¬ raturbereich (z.B. 23 'G +1- 5'G) betrieben werden können. An horizontal an den Wänden befindlichen Reihen von Befesti ^¬ gungspunkte können Wannen oder Trägerplatten angebracht wer ^¬ den, die direkt oder auf Schienen in Tiefenrichtung einge ^¬ schraubt werden. In bzw. auf die Wannen oder Trägerplatten werden die Batteriemodule ein- oder aufgelegt. In bzw. auf eine Wanne oder Trägerplatte können ein oder mehrere Batte ^¬ riemodule nebeneinander gelegt werden (siehe Fig. 1 und Fig. 3) Die Wannen oder Trägerplatten werden ebenfalls bevorzugt aus GFK oder kunstStoffüberzogenem Metall (Stahl, Aluminium) gefertigt und können flüssigkeitsdicht oder auch gitterförmig offen sein. Da die Wannen oder Trägerplatten mechanisch elas ^¬ tisch sind, werden sie bevorzugt konvex ausgeführt, so dass sie zusammen mit dem mechanischen Gewicht der aufgelegten Batteriemodule eine horizontal plane Form annehmen.

Alternativ, wenn die Batteriemodule ausreichend mechanisch stabil sind und in horizontaler Richtung nur ein Batteriemo ^¬ dul zwischen zwei Seitenstollen platziert werden soll, genügt es, dass an den Wänden Führungsschienen in Tiefenrichtung an ^¬ gebracht sind, auf denen die Batteriemodule aufliegen (siehe Fig. 1) .

Die Gehäuse der Batteriemodule dürfen aus Plastik oder metal ^¬ lisch sein. Wenn die Batteriemodule ein Plastikgehäuse haben und alle elektrischen Anschlüsse abgedeckt sind, dann genügt es, wenn die „Rückwand" (zwischen zwei Seitenwänden) aus ei ^¬ nem nicht leitenden „Andreaskreuz" besteht (siehe Fig. 3 und Fig. 4) .

Bei Batteriemodulen mit metallischem Gehäuse sollte die Rück ^¬ wand gem. Schutzart IP 20 ausgestaltet sein, z.B. als GFK- Platte mit Waben- oder Gitterstruktur.

Auf der Vorderseite ist bei metallischen Batteriemodulen ebenfalls eine Abdeckung erforderlich. Diese Abdeckung wird bevorzugt als Fliegengitter aus nicht-leitendem Material auf die Stirnflächen der Seitenwände aufgeschraubt. Das Fliegen ^¬ gitter kann über die Schrankhöhe segmentiert sein und darf bedienbare Teile (z.B. an der Battery Protection Unit, die typischerweise unten im Batterieschrank eingebaut ist) nicht abdecken .

Das erfindungsgemäße Batterieschrank-Konzept ist weitestge ^¬ hend unabhängig vom Design der (eingelegten) Batteriemodule. Zudem hat das Design weitere Vorteile. Die Kommunikationsan ^¬ bindung des Batteriemanagementsystems kann erheblich einfa ^¬ cher, störsicherer und kostengünstiger realisiert werden. Der Gesamtaufbau kann leichter realisiert werden, wodurch u. a. auch Energieinhalt und Leistungsvermögen pro Gewicht verbes ^¬ sert werden. IBS-, Transport- und Serviceaufwand wird verrin ^¬ gert, da konzeptbedingt spannungsführende Teile nicht berührt werden können, was auch die Personensicherheit erhöht. Die Batteriezellen werden beim Betrieb direkt am DC-Zwischenkreis von Leistungselektronik wie z.B. einem Zweipunktumrichter mit erheblich geringeren Ableitströmen belastet, was die Be ^¬ triebssicherheit und Lebensdauer erhöht.

Bezugszeichenliste :

1 Batteriemodul

2 Seitenwand

3 Seitenwand

4 Tragschiene

5 Tragschiene

6 Bodenplatte

7 Rückwand

8 Rahmen

9 Waben- bzw. Gitterstruktur

10 Batteriemodul

12 Abstandshalterelement

13 Abstandshalterelement

15 Schraube

16 Schraube

21 Schraube

22 Einpressmutter

24 Kontakt ierung

25 Kontaktierung

31 Schraube

32 Einpressmutter

40 Trennwand

50 Querschiene

51 Querschiene

71 gekreuztes Element

72 gekreuztes Element

221 Einpressmutter

401 Einpressmutter

402 Einpressmutter

411 Schraube

412 Schraube

422 Tragschiene

423 Tragschiene