Energiespeichermodul Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiespeichermodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Energiespeichermodule sind zur Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie für den Betrieb unterschiedlichster Fahrzeuge, wie zum Beispiel Schienenfahrzeuge, Trucks, Busse, Schiffe, Kräne und andere Spezialfahrzeuge mit Dieselmotoren, aber auch in stationären Energiespeichern einsetzbar. Unterschiedliche Betriebsarten, wie Energie sparen durch Nutzung von Bremsenergie, Spannung stabilisieren, als Kurzzeitspei- eher oder zum oberleitungslosen Fahren, sowie unterschiedliche Kühlungsarten als auch die Anpassung von Strom und Spannung an den Einsatzfall, ergeben flexible Einsatzmöglichkei ^¬ ten . Aus der DE-Produktinformation „Sitras ESM 125: Energiespei ^¬ chermodul für mobile und stationäre Anwendungen", herausgege ^¬ ben 2010 von Siemens AG unter der Nr. A6Z00023425080, ist ein solches Energiespeichermodul bekannt, welches als Speicher ^¬ zellen nebeneinander angeordnete elektrische Doppelschicht- Kondensatoren mit zylindrischer Bauform verwendet, die in ein gekapseltes Modulgehäuse aus Aluminium eingebaut und in Reihe verschaltet sind. Eine interne Überwachungseinrichtung ermit ^¬ telt den Betriebszustand des Energiespeichermoduls, indem die Zellentemperatur und die Zellenspannung der Speicherzellen sowie die Modultemperatur gemessen werden. Übersteigt die

Kondensatorspannung 2,7 V oder die Kondensatortemperatur 65 °C wird ein Fehler-Signal ausgesandt, andernfalls ein Fehler- frei-Signal. Die Überwachungseinrichtung weist auch eine Sym- metrierschaltung auf, die zur Vermeidung einer Spannungsüber- lastung einzelner Doppelschicht-Kondensatoren für eine gleichmäßige Spannungsverteilung über den Kondensatoren ab einer Spannung von 1,1 V sorgt. Aufgrund der zylindrischen Bauform der Speicherzellen führt dies zu Problemen bei der mechanischen Anbindung der Kondensatoren zum Modulgehäuse, vor allem in Hinblick darauf, dass die Energiespeichermodule entsprechenden Schwingungs- und Schockbelastungen standhalten müssen. Außerdem erfordert die Verkabelung der Speicherzellen mit der Überwachungseinrichtung einen hohen Verdrahtungsaufwand bei der Montage mit teu ^¬ eren kurzschlussfesten Kabeln. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Energie ^¬ speichermodul der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen geringeren Montageaufwand erfordert und siche ^¬ rer im Fahrzeugbetrieb ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein gattungsge ^¬ mäßes Energiespeichermodul mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Durch wenigs ^¬ tens eine im Modulgehäuse angeordnete Halteplatte, die Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen aufweisen und auf der dünnschichtige Leiterbahnen zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen mit der Überwachungseinrichtung verlaufen, können mit demselben Einbauten sowohl die mechanische Stabi ^¬ lität der Speicherzellenanordnung im Modulgehäuse als auch die elektrische Anbindung der Speicherzellen an die Überwachungseinrichtung verwirklicht werden. Dies verkürzt die Montagezeiten für erfindungsgemäße Energiespeichermodule und vermindert den erforderlichen Bauteilaufwand. Vor allem wird der hohe Verkabelungsaufwand unter Verwendung kurzschlussfes ^¬ ter Kabel im Energiespeichermodul deutlich verringert. Als Halteplatte lassen sich beispielsweise bekannte Leiterplatten aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, wie zum Beispiel faserverstärkter Kunststoff, einsetzen, auf der die Leiterbahnen aus einer dünnen Kupferschicht geätzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die Festsetzungsmittel durch Aus ^¬ nehmungen in der wenigstens einen Halteplatte gebildet, in welchen die Speicherzellen formschlüssig festgesetzt sind. Durch diese einfach und genau herstellbaren Festsetzungsmit ^¬ tel kann die Einbaulage der Speicherzellen im Modulgehäuse sicher fixiert werden, insbesondere gegen seitliche Verschie ^¬ bungen in Richtung der Ebene der Halteplatte.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls sind die Speicherzellen zylindrisch ausgebildet und weisen zwei gegenüberliegende stirnseitig an ^¬ geordnete Zellpole auf, an welchen je zwei benachbarte Spei- cherzellen elektrisch miteinander verbindende Brückenglieder befestigt sind, und wobei die Speicherzellen über die Brü ^¬ ckenglieder in Ausnehmungen einer oberen Halteplatte und einer zu dieser parallel angeordneten, unteren Halteplatte beidseitig formschlüssig festgesetzt sind. Eine Fixierung durch zwei Halteplatten, die in zwei die Zellpole enthaltenden Polebenen angeordnet sind, wird die Stabilität der Spei ^¬ cherzellenanordnung noch weiter erhöht. Dabei sind die Speicherzellen über eine mechanisch feste Verbindung zu ihren Brückengliedern in den Ausnehmungen der Halteplatten fixiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls endet eine Leiterbahn zellenseitig in einem federelastischen Freischnitt der wenigstens einen Halteplatte und kontaktiert einen Spannungsabgriff an einem Brü- ckenglied. Ein Freischnitt kann bogenförmig ausgeführt sein, so dass eine längliche federelastische Anschlusszunge gebil ^¬ det wird, auf der eine Leiterbahn endet. An ihrem freien Ende wird die Anschlusszunge von einer Schraube durchdrungen, die eine elektrische Verbindung zwischen Leiterbahn und Brücken- glied und damit zwischen Leiterbahn und Speicherzelle her ^¬ stellt. Durch die elastische Anbindung der Spannungsabgriffe können temperaturbedingte Längenänderungen sowie dynamische Belastungen im Fahrbetrieb eines mit dem Energiespeichermodul ausgerüsteten Fahrzeugs abgefedert und damit Brüche der Hal- teplatten und Leiterbahnunterbrechungen vermieden werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls . In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist die Halteplatte mit mindestens ei ^¬ nem Temperatursensor bestückt, der mit der Überwachungseinrichtung über Leiterbahnen elektrisch verbunden ist. Zur Mes- sung der Zellentemperatur oder einer Modultemperatur vorgesehene Temperatursensoren lassen sich auf der Halteplatte einfach integrieren und über eine elektrisch isolierende aber thermisch leitende Verbindung an die einzelnen Brückenglieder anbinden .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ist die Überwachungseinrichtung auf der wenigstens einen Halteplatte integriert angeordnet. Die Leiterplatte kann mit den elektronischen Bauteilen und Leitungsverbindungen der Überwachungs- und der Symmetrier- schaltung einfach vor Montage bestückt werden, was den Montage- und den Verkabelungsaufwand weiter reduziert.

Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiespeichermoduls ergeben sich aus nachfolgender Be ^¬ schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren

FIG 1 ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul von oben, FIG 2 das Energiespeichermodul gemäß FIG 1 von unten,

FIG 3 das Energiespeichermodul gemäß FIG 1 im Querschnitt längs der Linie III - III und

FIG 4 ein vergrößerter Teilschnitt im Anbindungsbereich

einer Speicherzelle des Energiespeichermoduls gemäß FIG 3 schematisch veranschaulicht sind.

Ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul 1 weist gemäß FIG 1 bis FIG 4 mehrere Speicherzellen 2 für elektrische Energie auf, vorzugsweise 48 in Reihe geschaltete elektrische Doppel ^¬ schicht-Kondensatoren mit einer Zellenkapazität von 3000 F bei einer Zellenspannung von 2,7 V. Doppelschicht-Kondensa- toren zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hochdynamisches Umladevermögen und eine sehr hohe Zyklusfes ^¬ tigkeit sowie Lebensdauer aus. Außerdem sind sie tiefentla ^¬ dungsfest und wartungsfrei. Die Speicherzellen 2 sind bei- spielsweise zylindrisch ausgebildet und weisen zwei stirnsei ^¬ tig gegenüber liegende Zellpole 3 auf. Die Speicherzellen 2 sind derart achsparallel in einem kastenförmigen Modulgehäuse 4 angeordnet, dass die Zellpole 3 der einen Stirnseite in ei ^¬ ner oberen Polebene 5 und die Zellpole 3 der gegenüber lie- genden Stirnseite in einer unteren Polebene 6 angeordnet sind. Das Modulgehäuse 4 ist vorzugsweise aus Aluminium ge ^¬ fertigt und gemäß Schutzklasse IP 65 gekapselt. Das Energie ^¬ speichermodul 1 kann an seinen großflächigen, die Polebenen 5 und 6 abdeckenden Gehäusewänden eine nicht dargestellte Luft- oder Wasserkühlung aufweisen.

Die Speicherzellen 2 sind einerseits durch in der oberen Polebene 5 angeordnete obere Brückenglieder 7 und andererseits durch in der unteren Polebene 6 angeordnete untere Brücken- glieder 8 elektrisch zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Die Brückenglieder 7 und 8 dienen daneben auch der mechanischen Verbindung zwischen den Speicherzellen 2 durch eine Schraubverbindung mit den Zellpolen 3 sowie der thermischen Anbindung der Speicherzellen 2 an die Kühlung. Die Brü- ckenglieder 7 und 8 sind brillenförmig ausgebildet und weisen je zwei Innengewinde zur Aufnahme der Zellpole 3 auf. Während die unteren Brückenglieder 8 einteilig ausgebildet sind, um ^¬ fassen die oberen Brückenglieder 7 kreisrunde Ausnehmungen, in die Anschlussstücke 9 mit Innengewinden für die Zellpole 3 eingesetzt und darin über eine lösbare Spanneinrichtung be ^¬ festigt werden. Die Spanneinrichtung ist durch einen die Ausnehmungen verbindenden Schlitz 10 und eine diesen quer durchsetzende Schraube 11 gebildet. Schließlich umfassen die Brü ^¬ ckenglieder 7 und 8 elektrische Isolierstücke 12, mittels de- rer ein definierter Abstand zu den Wänden des Modulgehäuses 4 eingestellt und gehalten werden kann. Erfindungsgemäß umfasst das Energiespeichermodul 1 eine obere Halteplatte 13 und eine zu dieser parallel angeordnete, unte ^¬ re Halteplatte 14, die jeweils Mittel zur Festsetzung der Speicherzellen 2 im Modulgehäuse 4 aufweisen. Die Festset- zungsmittel können durch zu den Brückengliedern 7 und 8 kongruente Ausnehmungen 15, beispielsweise in Form von Durchbrü ^¬ chen, gebildet werden, in welche die Bückenglieder 7 und 8 passgenau eingesetzt sind. Hierdurch werden die Speicherzel ^¬ len 2 auf zwei Ebenen mechanisch fixiert, so dass das erfin- dungsgemäße Energiespeichermodul 1 den Vibrations- und

Schockanforderungen im Fahrzeugbetrieb, etwa bei Verwendung des Energiespeichermoduls 1 in einem Schienen- oder Straßenfahrzeug, standhalten können. Die Halteplatten 13 und 14 sind von Stehbolzen 16 durchsetzt, die sich achsparallel zu den Speicherzellen 2 zwischen gegenüber liegenden Wänden des Modulgehäuses 4 erstrecken und in diesen mittels Schrauben 17 festgesetzt sind. Die Stehbolzen 16 dienen der zusätzlichen mechanischen Stabilisierung des Energiespeichermoduls 1, ins ^¬ besondere auch bei wärmebedingten Längenänderungen der Modul- teile. Die Stehbolzen 16 verhindern außerdem, dass sich Kühlkörper wölben, und gewährleisten damit eine gleichmäßige An- pressung eines Kühlkörpers an einen zwischen den Halteplatten 13 und 14 und den kühlungsseitigen Wänden des Modulgehäuses 4 angeordneten elektrischen Isolierstoff, der gleichzeitig eine gute Wärmeanbindung zum Modulgehäuse 4 und damit den Wärme ^¬ transport von den Speicherzellen 2 zur Kühlung realisiert. Damit wird eine gute und gleichmäßige Abführung von Verlust ^¬ wärme über den Isolierstoff zur Kühlung gewährleistet. Erfindungsgemäß verlaufen auf den Halteplatten 13 und 14 dünnschichtige Leiterbahnen 18 zur elektrischen Verbindung der Speicherzellen 2 mit einer Überwachungseinrichtung 19, im dargestellten Ausführungsbeispiel nur in FIG 2 auf der unte ^¬ ren Halteplatte 14 eingezeichnet und in FIG 1 auf der oberen Halteplatte 13 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Die Überwachungseinrichtung 19 dient der Ermittlung des Betriebszustandes der Speicherzellen 2, insbesondere der Überwachung einer Zellentemperatur und/oder einer Zellenspannung. Hierzu sind Temperatursensoren 20 zur Messung von Zellentemperaturen auf den Halteplatten 13 und 14 integriert und mit der Überwa ^¬ chungseinrichtung 19 über Leiterbahnen 18 verbunden. Die Überwachungseinrichtung 19 weist auch eine Symmetrierschal- tung zum Ausgleichen von Unterschieden zwischen den Zellenspannungen auf. Hierzu werden Zellenspannungen an Spannungsabgriffen 21 in Form von Leiterbahnen 18 mit Brückengliedern 7 bzw. 8 leitend verbindenden Schrauben abgegriffen und in der Überwachungseinrichtung 19 mit einem Schwellenwert ver- glichen. Zur Vermeidung einer Überlastung einzelner Speicherzellen 2 wird ab einer Zellenspannung von beispielsweise 1,1 V symmetriert. Zur Vermeidung eines Bruches in den Halteplat ^¬ ten 13 und 14 endet eine Leiterbahn 18 zellenseitig in einem Freischnitt 22 der Halteplatte 13 bzw. 14, der eine feder- elastische längliche Anschlusszunge 23 bildet, deren Ende die Spannungsabgriffsschraube 21 durchdringt. Die Überwachungs ^¬ einrichtung 19 kann auf einer der Halteplatten 13 bzw. 14 oder auf einer eigenen Leiterplatte integriert sein.