Energiespeicheranordnung

Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranordnung, die beispielsweise auf einem Fahrzeug mit Elektroantrieb montier bar ist, wobei der Energiespeicher die Energie zum Betreiben eines oder mehrerer Elektromotoren des Fahrzeugs bereit stellt. Ferner betrifft die Erfindung einen Container für ei ne solche Energiespeicheranordnung sowie ein Fahrzeug mit ei ner solchen Energiespeicheranordnung oder einen solchen Con tainer .

Elektrofahrzeuge, die ausschließlich mit einem Elektromotor betrieben werden oder so genannte Hybridfahrzeuge, die zu sätzlich zu einem Verbrennungsmotor auch noch einen oder meh rere Elektromotoren aufweisen, benötigen zur Bereitstellung der elektrischen Energie zum Betreiben des Elektromotors bzw. Traktionsmotors einen vergleichsweise großen Bauraum in dem Fahrzeug für die Unterbringung einer Batterie. Eine solche auch als Traktionsbatterie bezeichnete Batterie umfasst übli cherweise mehrere Batteriemodule bzw. Batteriestränge mit je weils einer Mehrzahl Batteriezellen, die untereinander ver schaltet werden. Für spurgebundene Fahrzeuge wie beispiels weise Triebzüge, welche auf elektrifizierten Strecken verkeh ren und über beispielsweise eine Oberleitung mit elektrischer Energie versorgt werden, wird für einen Einsatz auf nicht elektrifizierten Strecken bzw. Streckenabschnitten ebenfalls eine Energieversorgung mittels einer oder mehrerer Traktions batterien angedacht. Ein solcher Triebzug wird nachfolgend als Batteriehybridzug bezeichnet. Die Batteriemodule bzw. Batteriestränge können beispielsweise in einem Container angeordnet werden, der in oder an dem Elektrofahrzeug montiert ist. Bei einem Batteriehybridzug kann ein derartiger Container beispielsweise an einem Wagen kasten, insbesondere auf dem Dach oder im Unterflurbereich des Wagenkastens, angeordnet werden, wobei insbesondere An forderungen bezüglich des Gesamtgewichts und der Abmaße des Containers zu beachten sind.

Um eine Überhitzung der Traktionsbatterie aufgrund einer beim Laden oder Entladen entstehenden hohen Verlustleistung zu verhindern, und damit die Lebensdauer der Batterie zu erhö hen, ist es erforderlich, die Batteriezellen der Batteriemo dule in dem Container mittels einer Kühlvorrichtung zu küh len .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energiespei cheranordnung anzugeben, die eine hohe Leistung bereitstellen kann und dennoch ein verhältnismäßig geringes Gewicht und ei nen kleinen Bauraum aufweist.

Eine Ausführungsform einer Energiespeicheranordnung, die auf einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, insbesondere auf dem Wagenkasten eines Zuges/Batteriehybridzuges, montier bar ist, um die zum Betreiben des Elektromotors notwendige Energie zur Verfügung zu stellen, und eine hohe Batteriekapa zität hat, um eine hohe Leistung bereitstellen zu können, und einen kleinen Bauraum sowie ein verhältnismäßig geringes Ge wicht aufweist, ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Die Energiespeicheranordnung umfasst einen Stapel aus mehre ren Batteriemodulen, die in dem Stapel übereinander angeord net sind. Die Batteriemodule umfassen jeweils eine Vielzahl von Batteriezellen und Kühlplatten zum Kühlen der Batterie zellen. Die Energiespeicheranordnung umfasst darüber hinaus eine erste Seitenplatte und eine zweite Seitenplatte zum Tra gen des Stapels aus den mehreren Batteriemodulen, wobei die Batteriemodule an der ersten und zweiten Seitenplatte befes tigt sind. Weiterhin umfasst die Energiespeicheranordnung mindestens ein Kühlkreislaufsystem zur Kühlung der Batterie zellen mittels einer Kühlflüssigkeit. Das mindestens eine Kühlkreislaufsystem ist an einer der ersten und zweiten Sei tenplatte angeordnet.

Bei dem vorliegenden Konzept einer Energiespeicheranordnung sind verschiedene Funktionalitäten platzsparend realisiert. Dazu weisen die Seitenplatten einerseits eine Tragfunktion zum Tragen der Batteriemodule/Batteriestränge auf. Zusätzlich weist mindestens eine der Seitenplatten eine Tragfunktion zum Tragen eines Kühlkreislaufsystems zur Kühlung der Batterie zellen der Batteriemodule auf. Es sind somit verschiedene Funktionalitäten in die Seitenplatten integriert.

Die Seitenplatten sind einerseits als Trägerplatten zum Tra gen der einzelnen Batteriestränge/Batteriemodule ausgebildet, wobei eine Traktionsbatterie mit einem Gesamtgewicht von bei spielsweise 800 kg von den Seitenplatten gehalten werden kann. Durch das auf mindestens einer der Seitenplatten mon tierte Kühlkreislaufsystem ist mindestens eine der Seiten platten zusätzlich als eine Kühlmittelverteilerplatte ausge bildet. Durch die einfache Montage eines Kühlkreislaufsystems aus Rohren und Einschraubwinkeln, Schnellkupplungen oder Schlauchtüllen als Verbindungselemente zwischen den Rohren ermöglicht die mindestens eine der Seitenplatten in ihrer Funktion als Kühlmittelverteilerplatte die Montage eines schnell austauschbare Kühlkreislaufsystems zur Kühlmittelver teilung .

Des Weiteren ermöglicht die Energiespeicheranordnung eine ak tive Containerkühlung durch eine Oberflächenkühlung. Die Energiespeicheranordnung weist zusätzlich eine schlanke Bau weise auf und ermöglicht somit die Realisierung einer kurzen Containerlänge unter Einhaltung von Gewichtsanforderungen, wie sie beispielsweise für die Montage einer Traktionsbatte rie auf einem Fahrzeug, insbesondere einem Zug/Batterie hybridzug, gelten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Aus führungsbeispiele der Energiespeicheranordnung zeigen, näher erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform einer Energiespeicheranordnung mit einem Stapel aus mehreren Batteriemodulen in einem Con tainer,

Figur 2 eine Ausführungsform einer Energiespeicheranordnung mit einem Stapel aus mehreren Batteriemodulen in einem Con tainer mit einer Bodenplatte zur Realisierung eines Schubfel des,

Figur 3 eine vergrößerte Ansicht einer Befestigungsplatte zur Montage der Energiespeicheranordnung auf einem Fahrzeug,

Figur 4 eine Ausführungsform einer Seitenplatte einer Ener- giespeicheranordnung, die als eine adaptive Kühlmittelvertei lerplatte mit einem Kühlkreislaufsystem ausgebildet ist, Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Kühlmittel kreislaufsystems auf einer als adaptive Kühlmittelverteiler platte ausgebildeten Seitenplatte einer Energiespeicheranord nung,

Figur 6 eine als adaptive Kühlmittelverteilerplatte ausge bildete Seitenplatte einer Energiespeicheranordnung mit einem Kühlkreislaufsystem mit geringer Bauhöhe.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Ener giespeicheranordnung 1 mit einer Batterie, die aus einem Sta pel 10 aus mehreren Batteriemodulen/Batteriesträngen 11, 12,

13 und 14 gebildet wird. Die Batteriemodule sind in dem Sta pel 10 übereinander angeordnet. Die Batteriemodule sind durch Distanzelemente 17 beabstandet zueinander angeordnet. Jedes Batteriemodul 11, 12, 13, 14 bildet eine Batterieebene bezie hungsweise einen Batteriestrang der Gesamtbatterie. Die ein zelnen Batteriemodule sind untereinander derart verschaltet, dass eine Traktionsbatterie aus mehreren Batteriesträn gen/Batterieebenen gebildet wird. Im dargestellten Ausfüh rungsbespiel umfasst die Traktionsbatterie die vier Batterie stränge beziehungsweise Batteriemodule 11, 12, 13 und 14.

Jedes Batteriemodul 11, 12, 13 und 14 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 15 auf, welche in den Figuren nicht näher dar gestellt sind. Beim Laden und Entladen der Batteriezellen 15 erwärmen sich die Zellen. Um eine Überhitzung zu vermeiden, ist zumindest eine Kühlplatte 16 zum Kühlen der Batteriezel len 15 in jedem der Batteriemodule angeordnet.

Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst eine erste Seitenplat te 30 und eine zweite Seitenplatte 40 zum Tragen des Stapels 10 aus den mehreren Batteriemodulen 11, 12, 13 und 14. Die Batteriemodule 11, 12, 13 und 14 sind jeweils an der ersten Seitenplatte 30 und der zweiten Seitenplatte 40 befestigt.

Die erste Seitenplatte 30 und die zweite Seitenplatte 40 sind somit an gegenüberliegenden Seiten des Stapels 10 aus den mehreren Batteriemodulen 11, 12, 13 und 14 angeordnet. Die Batteriemodule/Batteriestränge können beispielsweise an die erste Seitenplatte 30 und die zweite Seitenplatte 40 ange schraubt sein. Bei der Energiespeicheranordnung 1 übernehmen die Seitenplatten 30 und 40 somit eine Tragfunktion für jedes Batteriemodul beziehungsweise jeden Traktionsbatteriestrang 11, 12, 13, 14. Die erste und die zweite Seitenplatte 30, 40 sind daher als Tragplatten zum Tragen der Batteriemodu le/Batteriestränge 11, 12, 13 und 14 ausgebildet.

Wie anhand von Figur 1 deutlich wird, sind die Batteriesträn- ge/Batteriemodule 11, 12, 13 und 14 zwischen der ersten und der zweiten Seitenplatte 30 und 40 pyramidenförmig gestapelt. Die Seitenplatten 30, 40 weisen insbesondere zur Einhaltung eines vorgegebenen Lichtraumprofils ein abgeflachtes dreieck förmiges Profil auf. Durch eine derartige Ausgestaltung weist die Energiespeicheranordnung 1 bei geringem Bauraum eine hohe Batteriekapazität auf, so dass eine hohe Leistung zur Verfü gung gestellt werden kann.

Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst des Weiteren eine Bo denplatte 20, auf der der Stapel 10 aus den mehreren Batte riemodulen 11, 12, 13 und 14 angeordnet ist. Die Seitenplat ten 30 und 40 als auch die Bodenplatte 20 bilden eine Trag struktur zum Tragen der Batteriemodule. Wie in Figur 2 zu er kennen ist, kann die Bodenplatte 20 eine Fachwerkstruktur aufweisen. Dadurch wird ein Schubfeld 21 realisiert, das Kräfte in der dargestellten X- und Y-Richtung in einen Wagen- kästen eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs übertragen kann, auf dem die Energiespei cheranordnung 1 angeordnet wird.

Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst des Weiteren eine Be festigungsplatte 50 zum Befestigen der Energiespeicheranord nung auf einem Untergrund, beispielsweise auf einem Hybrid oder Elektrofahrzeugs, und insbesondere auf einem Wagenkasten eines Zuges/Hybridbatteriezuges. Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ist die Befestigungsplatte 50 an beiden Sei ten der Batteriemodule/Batteriestränge 11, 12, 13 und 14 an geordnet. Die Bodenplatte 20, die beiden Seitenplatten 30 und 40 und die Befestigungsplatte 50 bilden eine Tragstruktur in Form eines Container 80 zur Aufnahme der Batteriemodule .

Wie in Figur 3 dargestellt ist, sind die erste und die zweite Seitenplatte 30 und 40 über Befestigungsmittel 90 mit der Be festigungsplatte 50 verbunden. Im dargestellten Ausführungs beispiel erfolgt die Anbindung der Seitenplatten 30 und 40 an die Befestigungsplatte 50 an vier Stellen über die Befesti gungsmittel 90. Die Befestigungsmittel 90 können beispiels weise Schrauben sein, durch die die erste und zweite Seiten platte 30 und 40 an der Befestigungsplatte 50 fixiert sind. Durch die Anbindung der Seitenplatten 30 und 40 an die Befes tigungsplatte 50 kann eine Anbindung der ersten und zweite Seitenplatte an ein Objekt, beispielsweise einen Wagenkasten eines Zuges, auf dem die Befestigungsplatte montiert ist, er folgen. Insbesondere erfolgt somit eine direkte Krafteinlei tung der Gewichtskräfte der Batteriemodule/Batteriestränge über die Seitenplatten 30 und 40 in den Wagenkasten.

Die Bodenplatte 20 ist über ein Blechteil 70 mit der Befesti gungsplatte 50 verbunden. Zur Übertragung von Kräften in der X- und Y-Richtung können Scherbolzen 60 vorgesehen sein. Die Befestigungsplatte 50 weist darüber hinaus Bohrungen 51 zur Aufnahme von Befestigungsmitteln, beispielsweise von Schrau ben, zum Befestigen der Befestigungsplatte 50 und somit der gesamten Energiespeicheranordnung 1 auf dem Wagenkasten eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs auf. Darüber hinaus können Dehnhülsen und gegebenenfalls Scherbolzen für die Kraftein leitung in den Wagenkasten vorgesehen sein.

Das Gewicht der Batteriemodule beziehungsweise Batteriesträn ge 11, 12, 13 und 14 wird von den Seitenplatten 30 und 40 di rekt auf die Befestigungsplatte 50 und von der Befestigungs platte 50 direkt in den Wagenkasten eines Elektro- oder Hyb ridfahrzeugs, beispielsweise eines Zuges/Batteriehybridzuges, eingeleitet. Daraus resultiert eine hohe Platzersparnis.

Die Energiespeicheranordnung 1 umfasst mindestens ein Kühl kreislaufsystem 100 zur Kühlung der Batteriesträn- ge/Batteriemodule 11, 12, 13 und 14 mittels einer Kühlflüs sigkeit. Mindestens eine der ersten und der zweiten Seiten platte 30, 40 ist derart ausgebildet, dass das mindestens ei ne Kühlkreislaufsystem 100 auf der einen der ersten und zwei ten Seitenplatte 30 und 40 befestigt werden kann. Das mindes tens eine Kühlkreislaufsystem kann auf der Seitenplatte 30 und/oder der Seitenplatte 40 angeordnet sein.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Seitenplatte 30 mit dem darauf befestigten mindestens einen Kühlkreislaufsystem 100. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind zwei Kühlkreis laufsysteme 100 auf der Seitenplatte 30 befestigt. Die Figu ren 5 und 6 zeigen jeweils Queransichten der Seitenplatte 30 mit dem darauf befestigten mindestens einen Kühlkreislaufsys tem 100. Das mindestens eine Kühlkreislaufsystem 100 umfasst einen Kühlverteiler 110 zum Verteilen der Kühlflüssigkeit auf die mehreren Batteriemodule/Batteriestränge 11, 12, 13 und 14.

Der Kühlverteiler 110 ist auf der Seitenplatte 30 angeordnet. Er umfasst ein Vorlaufrohr 111 und ein Rücklaufrohr 112 zum Transport der Kühlflüssigkeit von einem Klimagerät zu den Kühlplatten beziehungsweise zum Abtransport der Kühlflüssig keit von den Kühlplatten zu dem Klimagerät. Das Vorlaufrohr 111 und das Rücklaufrohr 112 sind auf einer der ersten und der zweiten Seitenplatte angeordnet. Im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ist der Kühlverteiler 100 mit dem Vorlaufrohr 111 und dem Rücklaufrohr 112 auf der Seitenplatte 30 angeord net. Beispielhaft sind zwei Kühlverteiler 110 mit ihren je weiligen Vorlauf- und Rücklaufrohren auf der Seitenplatte 30 angeordnet .

Der Kühlverteiler 110 kann mittels der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Einschraubverschraubungen 170 an das Klimagerät angeschlossen werden. Statt den dargestellten vier Ein schraubverschraubungen 170 für die beiden Kühlkreislaufsyste me können nur zwei Einschraubverschraubungen verwendet wer den, wenn die Kühlverteiler 100 der beiden Kühlkreislaufsys teme verbunden werden. Statt den Einschraubverschraubungen können Schnellkupplungen verwendet werden.

Das mindestens eine Kühlkreislaufsystem 100 weist mehrere Vorlaufleitungen 120 zum Transport der Kühlflüssigkeit von dem Vorlaufrohr 111 zu jeweils einer der Kühlplatten 16 auf. Des Weiteren weist das mindestens eine Kühlkreislaufsystem 100 mehrere Rücklaufleitungen 130 zum Abtransport der Kühl flüssigkeit von den Kühlplatten 16 zu dem Rücklaufrohr 112 auf . Die Vorlaufleitungen 120 sind jeweils mittels eines Ein schraubwinkels 140 an das Vorlaufrohr 111 angeschlossen.

Ebenso ist die Rücklaufleitung 130 jeweils mittels eines Ein schraubwinkels 140 an das Rücklaufrohr 112 angeschlossen. An stelle eines Einschraubwinkels können die Vorlaufleitungen 120 beziehungsweise die Rücklaufleitungen 130 jeweils mittels einer Schnellkupplung 150 oder einer Schlauchtülle 160 an das Vorlaufrohr 111 beziehungsweise an das Rücklaufrohr 112 ange schlossen sein.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform können statt den Win kelverschraubungen auf dem Profil des Vorlauf- beziehungswei se Rücklaufrohres gerade Verschraubungen oder alternativ dazu gerade Rohre oder Schlauchtüllen seitlich am Profil angeord net sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform können anstelle von Winkelverschraubungen gebogene Rohre oder Schlauchtüllen oben am Profil des Vorlauf- beziehungsweise Rücklaufrohres angeordnet sein.

Bei der in den Figuren 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsform der Energiespeicheranordnung 1 sind die Einschraubwinkel 140 in Bohrungen 180 des Vorlaufrohrs 111 und des Rücklaufrohrs 112 eingeschraubt. Anstelle der Bohrungen für die Verschrau bungen können alternativ kleine Rohre als Zwischenstücke zwi schen dem Vorlauf-/Rücklaufrohr und einer der Vorlauf- /Rücklaufleitungen in das Vorlauf- beziehungsweise Rücklauf rohr eingelötet, verschweißt oder verklebt werden. Wie be reits oben erwähnt, können derartige Rohre nicht nur auf dem Profil des Vorlauf- beziehungsweise Rücklaufrohres angeordnet sein, sondern auch seitlich im Profil des Vorlauf- bezie hungsweise Rücklaufrohres vorgesehen sein. Dadurch ergibt sich insbesondere eine hohe Platzersparnis. Die Vorlaufleitungen 120 können ebenfalls jeweils mittels ei nes Einschraubwinkels 140 an eine der Kühlplatten 16 ange schlossen sein. Ebenso können die Rücklaufleitungen 130 je weils mittels eines Einschraubwinkels 140 an eine der Kühl platten 16 angeschlossen sein. Alternativ zur Verwendung ei nes Einschraubwinkels kann die Verbindung zwischen den Vor lauf- beziehungsweise Rücklaufleitungen 120, 130 und einer der Kühlplatten 16 jeweils mittels einer Schnellkupplung 150 oder einer Schlauchtülle 160 erfolgen. Die Vorlauf- und Rück laufleitungen sind so miteinander verbunden, dass das Kühl kreislaufsystem 100 einen hydraulischen Abgleich aufweist.

Die Vorlaufleitungen 120 als auch die Rücklaufleitungen 130 können jeweils als ein Edelstahlrohr oder als ein Aluminium rohr oder beispielsweise als ein Kunststoffschlauch ausgebil det sein.

Wie anhand der Figuren 5 und 6 zu erkennen ist, kann das Vor laufrohr 111 und das Rücklaufrohr 112 jedes Kühlkreislaufsys temsystems 100 jeweils als ein Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein. Alternativ dazu können das Vor laufrohr 111 und das Rücklaufrohr 112 jedes Kühlkreislaufsys tems 100 jeweils einen quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen. Das Vorlaufrohr 111 und das Rücklaufrohr 112 jedes Kühlkreislaufsystems 100 können beispielsweise als ein Alumi niumrohr oder als ein Kunststoffrohr ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Vorlaufrohr 111 und das Rücklaufrohr 112 jedes Kühlkreislaufsystems 100 je weils als ein Einkammer-Rohrprofil ausgebildet sein. Gemäß einer Weiterbildung kann das Vorlaufrohr 111 und das Rück- laufrohr 112 jedes Kühlkreislaufsystems 100 jeweils als ein Mehrkammer-Rohrprofil ausgebildet sein.

Neben ihrer Funktion als Tragplatten übernimmt mindestens ei ne der Seitenplatten 30, 40 zusätzlich die Funktion ein Kühl kreislaufsystem zur Kühlmittelverteilung zu tragen. Die min destens eine Seitenplatte ist daher als eine adaptive Kühl mittelverteilerplatte ausgebildet. Die Seitenplatten 30 und 40 werden adaptiv auf die Befestigungsplatte 50 montiert. Die Kühlrohre, das heißt die Vorlauf-/Rücklaufleitungen 120, 130, müssen nur noch mit den dahinterliegenden Kühlplatten 16 ver bunden werden. Dazu können beispielsweise die oben beschrie benen Einschraubwinkel, Schnellkupplungen oder Schlauchtüllen verwendet werden. Das Kühlmittelverteilersystem ist dadurch schnell austauschbar. Wie anhand von Figur 6 erkennbar ist, weist das Kühlmittelverteilersystem eine geringe Bauhöhe H auf der Seitenplatte auf, so dass die gesamte Anordnung einen geringen Bauraum aufweist. Im Wartungs- und Montagefall sind die adaptiven Seitenplatten 30 und 40 ebenfalls schnell aus tauschbar. Weitere Vorzüge sind die einfache Fertigung als auch das geringe Eigengewicht der Energiespeicheranordnung.

Bezugs zeichenliste

1 Energiespeicheranordnung

10 Stapel aus Batteriemodulen

11, 12, 13, 14 Batteriestränge, Batteriemodule

15 Batteriezellen

16 Kühlplatten

17 Distanzelement

20 Bodenplatte

21 Schubfeld

30 Seitenplatte

40 Seitenplatte

50 Befestigungsplatte

51 Bohrung in der Befestigungsplatte

60 Scherbolzen

70 Stahlblech

80 Container

90 Befestigungsmittel

100 Kühlkreislaufsystemsystem

110 Kühlverteiler

111 Vorlaufrohr

112 Rücklaufrohr

120 Vorlaufleitung

130 Rücklaufleitung

140 Einschraubwinkel

150 Schnellkupplung

160 Schlauchtülle