Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen

Energiespeicherung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, gemäß Patentanspruch 10. Vorrichtungen zur elektrischen Energiespeicherung werden insbesondere zur Traktionsversorgung für Fahrzeuge eingesetzt. Die Speicherzellen werden beispielsweise durch Batterie- oder Kondensatorzellen, wie etwa Doppelschicht- oder Hybridkondensatoren, gebildet. Die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer derartiger Speichervorrichtungen sind im Wesentlichen durch die inneren Verluste und die daraus resultierende Erwärmung der Speicherzellen begrenzt. Um die entstehende Wärme abfüh ^¬ ren zu können, stehen die Speicherzellen mit einem Kühlkörper der Vorrichtung in thermischem Kontakt.

Aus der Patentschrift DE 10 2004 054 060 B4 ist der Einsatz derartiger Energiespeichervorrichtungen für Schienenfahrzeuge bekannt. Die Offenlegungsschrift DE 10 2007 061 562 AI zeigt den Einsatz solcher Speichervorrichtungen für ein Kraftfahr- zeug. Die offenbarten Brückenglieder dienen der elektrischen Kontaktherstellung zwischen den Speicherzellen und sind auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Speicherzellen angeordnet . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrich ^¬ tung der eingangs genannten Art den thermischen Widerstand zwischen Speicherzellen und Kühlkörper zu verringern, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Speichervorrichtung zu erhöhen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1. Demnach kontak- tiert wenigstens ein Teil der Brückenglieder die Speicherzel ^¬ len auf ihrer dem Kühlkörper zugewandten Seite, wodurch diese Brückenglieder eine dem Kühlkörper zugewandte thermische Kontaktfläche bilden, die sich dicht am Kühlkörper und längs dessen Form erstreckt. Die Größe und der geringe Abstand der beiden koextensiven, thermisch wirksamen Flächen verringern den thermischen Widerstand zwischen Speicherzellen und Kühlkörper. Desweiteren weist ein Brückenglied einen Verbindungs ^¬ steg mit zwei Ausnehmungen und zwei in je einer der Ausneh- mungen eingeführte Anschlussteile auf. Jedes Anschlussteil ist dabei mit einem Zellpol einer zu kontaktierenden Spei ^¬ cherzelle verbunden ist. Hierdurch wird Wärme von den Spei ^¬ cherzellen in die Anschlussteile geleitet und von dort teils direkt und teils über den Verbindungssteg an den Kühlkörper abgeführt. Die Anschlussteile sind in den Ausnehmungen des

Verbindungsstegs mittels einer lösbaren Spanneinrichtung verdreh- und verschiebesicher festgesetzt. Durch eine kraftschlüssige Verspannung des Verbindungsstegs mit den An ^¬ schlussstücken wird ein guter Wärmeübergang zwischen diesen Bauteilen begünstigt. Insgesamt wird eine verbesserte thermi ^¬ sche Anbindung der Speicherzellen an den Kühlkörper der Vorrichtung erreicht. Außerdem wird durch die Spanneinrichtung mit Vorteil einerseits der Zusammenhalt eines Brückenglieds sichergestellt und andererseits ein Lösen beispielsweise ei- ner Schraubverbindung zwischen Brückenglied und Speicherzelle wirksam verhindert. Schließlich wird hierdurch ein guter elektrischer Kontakt der Anschlussteile zu den Zellpolen hergestellt, der sonst nur mit geschweißten Brückengliedern möglich ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kontaktiert das Anschlussteil wenigstens teilwei ^¬ se direkt die Zelloberfläche. So kann beispielsweise bei ei ^¬ ner Schraubverbindung zwischen Brückenglied und Speicherzelle auf Sicherungsringe und sonstige den direkten Kontakt eines

Anschlussteils mit der Zelloberfläche verhindernde Schrauben ^¬ sicherungen verzichtet werden. Durch den direkten Kontakt des Brückenglieds mit der Zelloberfläche über die Anschlussteile wird der thermische Kontakt zwischen den Speicherzellen und den Brückengliedern noch verbessert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung wird die Spanneinrichtung durch einen die Ausnehmungen verbindenden Schlitz im Verbindungssteg und eine diesen derart durchsetzende Schraube gebildet, dass die Ausnehmungen durch Drehen der Schraube zwischen einer die Anschlussteile festsetzenden Klemmstellung und einer freigebenden Verschie- bestellung verformbar sind. Hierdurch kann mit Hilfe einfacher Werkzeuge, wie beispielsweise einem Schraubendreher oder einem Innensechskantschlüssel , ein Schließen oder Lösen der Klemmverbindung zwischen Anschlussteil und Verbindungssteg bewerkstelligt werden. Nach Lösen der Klemmverbindung kann ein Anschlussteil am Zellpol befestigt oder davon gelöst wer ^¬ den oder aber die Lage des Verbindungsstegs verändert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Ausnehmungen und/oder die Anschluss- teile an ihrer Klemmfläche eine Verzahnung auf. Hierdurch kann die Kontaktfläche zwischen Anschlussteil und Verbin ^¬ dungssteg vergrößert und damit der Reibschluss der Klemmver ^¬ bindung sowie die thermische Anbindung verbessert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das Brückenglied und der Kühlkörper durch ein elektrisches Isolierstück, welches mittig auf dem Verbin ^¬ dungssteg sitzt, auf einen definierten Mindestabstand gehal ^¬ ten. Neben seiner Abstandsfunktion definiert die Form des Isolierstücks die Kriechstrecke und damit seine elektrische Isolationsfestigkeit, welche die dauerhafte Spannungsfestig ^¬ keit der Anordnung sicherstellt.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung ist der Abstand zwischen Brückenglied und Kühlkörper durch Veränderung der Einführtiefe der Anschlussteile in die Ausnehmungen des Verbindungsstegs ein ^¬ stellbar. Durch die Einstellbarkeit des Abstandes eines Brü- ckengliedes vom Kühlkörper können mit Vorteil fertigungs- und montagebedingten Toleranzen, die zu unterschiedlichen Abständen der Zellpole zu einem plattenförmig ausgeführten Kühlkörper geführt haben, ausgeglichen werden. Hierzu muss lediglich vor Schließen der Klemmverbindung der Verbindungssteg mehr oder weniger weit über die Anschlussteile geschoben werden, so dass der erforderliche Abstand zum Kühlkörper hergestellt wird. Durch den Ausgleich der Höhentoleranzen kann die durch die Brückenglieder gebildete thermische Kontaktfläche dicht an den Kühlkörper geführt werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr der Speicherzellen führt.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zwischen Brückengliedern und Kühlkör- per eine komprimierbar und wärmeleitfähig ausgebildete, elektrische Isolierfolie verlegt. Gegebenenfalls noch beste ^¬ hende Spalte zwischen Brückengliedern und dem Kühlkörper werden durch eine Folie aus beispielsweise thermisch leitfähigem Kunststoff überbrückt. Aufgrund der durch entsprechende Posi- tionierung der Verbindungsstege relativ zu den Anschlusstei ^¬ len weitestgehend ausgeglichenen Toleranzen kann diese elektrische Isolierfolie sehr dünn ausgeführt werden, wodurch auch ihr thermischer Widerstand gering ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Brückenglieder, welche Speicherzellen auf ihrer dem Kühlkörper zugewandten Seite kontaktieren, derart geformt und in einem regelmäßigen Muster angeordnet, dass sie eine möglichst große thermische Kontaktfläche zum Kühlkörper ausbilden. Zum einen bilden die Anschlussteile zusammen mit dem Verbindungssteg vorzugsweise eine geschlossene thermische Kontaktfläche, die dem Kühlkörper zugewandt ist. Durch die Anordnung der mehreren Speicherzellen zu einem Gesamtverbund der Vorrichtung entsteht ein regelmäßig verteil- tes Muster an Brückengliedern. Durch entsprechende Formgebung der Brückenglieder, insbesondere der Verbindungsstege, bilden diese eine thermische Gesamtfläche mit nur geringen Lücken. Dies kann beispielsweise durch brillenförmige Verbindungsste- ge mit symmetrischer oder asymmetrischer Knochenform in Verbindung mit eckigen oder ausgebuchteten äußeren Konturen erreicht werden. Dadurch wird die thermische Kontaktfläche zum Kühlkörper und damit die Entwärmungsmöglichkeit der Speicher- zellen weiter maximiert.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Anschlussteile und die Ausnehmun ^¬ gen zylindrisch ausgebildet und die Anschlussteile weisen stirnseitig Bohrungen zum Ansetzen eines Drehmomentwerkzeugs auf. Ein Anschlussteil kann beispielsweise als Rundmutter in Form einer zylindrischen Scheibe ausgebildet sein, welche in die hohlzylindrische Ausnehmung des Verbindungsstegs passt. Zum Festziehen der Schraubverbindung mit dem Zellpol sind in die Deckfläche der Scheibe zwei Sacklöcher gebohrt, die zum Ansetzen eines Drehmomentwerkzeuges mit zwei Zapfen vorgese ^¬ hen sind.

Mit Vorteil wird eine Vorrichtung zur elektrischen Energie- speicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, zu dessen Traktionsversorgung eingesetzt .

Weitere Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung der Zeichnungen, in deren

FIG 1 eine erfindungsgemäße Speichervorrichtung in Sei- tenansicht ,

FIG 2 ein teilweise geschnittenes Brückenglied in Drauf ^¬ sicht,

FIG 3 ein Anschlussstück in quer geschnittener Seitenansicht,

FIG 4 ein Anschlussstück in Draufsicht,

FIG 5 ein Brückenglied mit Isolierstück in Draufsicht,

FIG 6 ein Verbindungssteg mit Isolierstück in quer ge ^¬ schnittener Seitenansicht,

FIG 7 ein Verbindungssteg mit Verzahnung in Draufsicht, FIG 8 ein alternativ geformter Verbindungssteg in Drauf ^¬ sicht, schematisch veranschaulicht sind.

Gemäß FIG 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Energiespeicherung einen Verbund aus zylindrischen Speicherzellen 10 auf, die als Doppelschicht- oder Hyb ^¬ ridkondensatoren und damit zur bedarfsweisen Aufnahme, Spei- cherung und Abgabe von elektrischer Energie ausgebildet sind. Die elektrische Spannung einer Speicherzelle 10 wird über Zellpole 12 abgegriffen, die von der Zelloberfläche 11 an ge ^¬ genüberliegenden Stirnseiten einer Speicherzelle 10 hervorstehen. Zur Abführung der im Betrieb der Speicherzellen 10 entstehende Wärme ist wenigstens auf einer Seite des Zellver ^¬ bands ein plattenförmiger Kühlkörper 20 angeordnet, der beispielsweise in an sich bekannter Weise von einem Kühlmedium durchströmt wird. Je nach zu erzeugender Gesamtspannung sind die Speicherzellen 10 elektrisch in Reihe und zum Teil paral- lel verschaltet. Hierzu stehen die Zellpole 12 von zwei zu verschaltenden Speicherzellen 10 über ein Brückenglied 30 in elektrischem Kontakt. Es können Brückenglieder 30 auf der dem Kühlkörper 20 abgewandten Seite der Speicherzellen 10 angeordnet sein. Erfindungsgemäß sind aber Brückenglieder 30 vor allem auf der dem Kühlkörper 20 zugewandten Seite der Speicherzellen 10 angeordnet, da über diese nicht nur der elekt ^¬ rische Kontakt zwischen den Speicherzellen 10 hergestellt sondern auch die abzuführende Wärme von den Speicherzellen 10 an den Kühlkörper 20 weitergeleitet wird. Zur elektrischen Isolierung der Brückenglieder 30 gegenüber dem Kühlkörper 20 ist zwischen diesen eine komprimierbare Isolierfolie 40 ver ^¬ legt, die aus einem Kunststoff mit geringem thermischen Widerstand besteht. Gemäß FIG 2 und FIG 5 bis FIG 8 umfasst ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Brückenglied 30 einen länglichen, wenigstens den Abstand der Zellpole 12 zweier benachbarter Speicherzel ^¬ len 10 überbrückenden Verbindungssteg 31. Symmetrisch zu ei- ner Mittelebene des Verbindungsstegs 31 weist dieser zwei hohlzylindrische Ausnehmungen 32 in Form von Durchgangslö ^¬ chern auf. In jede der Ausnehmungen 32 ist ein Anschlussteil 33 gemäß

FIG 2 bis FIG 5 in Form einer zylindrischen Scheibe passgenau eingeführt. Das Anschlussteil 33 weist ein zentrisches Gewin ^¬ deloch 34 auf, das zur form- und kraftschlüssigen Schraubverbindung mit einem Zellpol 12 vorgesehen ist. Der Zellpol 12 ist als Gewindebolzen mit entsprechendem Außengewinde ausge ^¬ bildet. Die stirnseitige Oberfläche des Anschlussteils 33 weist zwei als Sacklöcher ausgebildete Bohrungen 35 auf, die als Ansatzpunkte für ein Schraubwerkzeug zum Befestigen des Anschlussteils 33 am Zellpol 12 dienen. Erfindungsgemäß wer- den die Anschlussteile 33 bis zum direkten Kontakt des An ^¬ schlussteils 33 mit der Zelloberfläche 11 festgeschraubt. Hierdurch wird ein verbesserter Wärmeübergang von der Speicherzelle 10 auf das Brückenglied 30 erzielt, der nicht nur auf dem Gewindekontakt sondern auf einem flächigen Kontakt zwischen Anschlussteil 33 und stirnseitiger Zelloberfläche 11 beruht .

Zur verdreh- und verschiebesicheren Festsetzung der Anschlussteile 33 in den Ausnehmungen 32 des Verbindungssteges 31 ist erfindungsgemäß eine Spanneinrichtung gemäß FIG 2 vor ^¬ gesehen. Diese wird durch einen die Ausnehmungen 32 verbindenden Schlitz 38 im Verbindungssteg 31 und durch eine diesen quer durchsetzende Schraubverbindung gebildet. Die Schraub ^¬ verbindung umfasst ein Durchgangsloch mit Innengewinde 37, welches sich mittig zwischen den beiden Ausnehmungen 32 und im Wesentlichen senkrecht zum Schlitz 38 erstreckt.

Durch Eindrehen einer Schraube 36 in das Innengewinde 37 wird die Breite des Schlitzes 38 verringert, wodurch die Ausneh- mungen 32 - mit Vorteil gleichzeitig - im Durchmesser verengt werden, bis die Anschlussteile 33 in ihren Ausnehmungen 32 festgeklemmt sind. In dieser Klemmstellung kann sich einerseits das Anschlussteil 33 nicht drehen, so dass die Verbin- dung mit dem Zellpol 12 gesichert ist. Andererseits kann das Anschlussteil 33 in der Ausnehmung 32 nicht axial verschoben werden, so dass der Verbindungssteg 31 gegen Lösen gesichert ist. Der Klemmsitz der Anschlussteile 33 in den Ausnehmungen 32 sorgt auch für einen guten Wärmeübergang zwischen Anschlussteil 33 und Verbindungssteg 31, was den thermischen Widerstand des Brückengliedes 30 insgesamt senkt.

Durch Ausdrehen der Schraube 36 wird die Verformung der Aus- nehmungen 32 wieder zurückgenommen und die Klemmstellung der Ausnehmungen 32 in eine freigebende Verschiebestellung überführt. In dieser kann der Abstand eines Verbindungsstegs 31 vom Kühlkörper 20 eingestellt werden. Dies ermöglicht einen Ausgleich von fertigungs- und montagebedingten Toleranzen im Abstand zwischen den Zellpolen 12 und dem Kühlkörper 20, so dass eine niveaugleiche thermische Kontaktfläche aus Brücken ^¬ gliedern 30 mit einem definierten Abstand zum Kühlkörper 20 bereitgestellt werden kann. Damit dieser Abstand ein vorgebbares Mindestmaß nicht unter ^¬ schreitet, ist gemäß FIG 5 und FIG 6 auf der dem Kühlkörper 20 zugewandten Seite des Brückenglieds 30 mittig auf dem Ver ^¬ bindungssteg 31 ein Isolierstück 41 aufgesetzt. Das Isolier ^¬ stück 41 ist aus elektrisch nichtleitendem Material und als flache Scheibe mit einem zentrischen Ansatz gefertigt. Das Isolierstück 41 lagert in einer zylindrischen Ausfräsung im Verbindungssteg 31. Der die Höhe des Ansatzes bestimmt den Mindestabstand zum Kühlkörper 20. Durch den definiert ein ^¬ stellbaren Abstand der Brückenglieder 30 zum Kühlkörper 20 kann die Dicke der komprimierbaren Isolierfolie 40 und da ^¬ durch ihr thermischer Widerstand verringert werden.

In der in FIG 7 dargestellten Ausführungsform weist der Verbindungssteg 31 an den Klemmflächen der Ausnehmungen 32 eine Verzahnung 39 auf, die den Reibschluss und damit den Wärme ^¬ kontakt zwischen Anschlussteile 33 und Verbindungssteg 31 er ^¬ höht. Alternativ oder gleichzeitig können die Anschlussteile 33 an ihren Klemmflächen ebenfalls eine Verzahnung aufweisen. Die Ausführungsform des Verbindungsstegs 31 nach FIG 8 unter ^¬ scheidet sich von den vorangegangenen durch die asymmetrische Form, der die Ausnehmungen 32 umgebende Teil des Verbindungs ^¬ stegs 31 ist hier elliptisch oder eiförmig ausgebildet, wobei die großen Halbachsen der Ellipsen um 90° zueinander verdreht sind. Zwischen den Ellipsen im Bereich des Schlitzes 38 sind Einbuchtungen angeformt. Durch entsprechende Verlegeart der Brückenglieder 30, wobei beispielsweise elliptische Ausbuch ^¬ tungen eines Brückenglieds 30 in Einbuchtungen benachbarter Brückenglieder 30 eingreifen können, werden große Lücken zwischen benachbarten Brückengliedern 30 vermieden und dadurch insgesamt eine große thermisch Kontaktfläche zum Kühlkörper 20 mit geringem thermischen Widerstand bereitgestellt.