Hochspannungs-Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte

Die Erfindung betrifft einen Batteriespeicher, insbesondere zur Pufferung eines elektrischen Versorgungsnetzes, der Klas se größer 1 MWh.

Die Erfindung bezieht sich auf einen wartungsarmen Hochspan nungs-Batteriespeicher mit hoher Leistungsdichte, Druckgasbe trieb und Brandsicherheit. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine besondere Anordnung von elektrischen Betriebsmit teln .

Im Zuge der Integration von erneuerbaren Energien in der Energieversorgung und Mobilität werden Energiespeicher ange strebt, welche eine höhere Leistungsdichte und geringere Ver luste aufweisen, um effizienten und platzsparenden Einsatz an Netz-Knotenpunkten, an Kraftwerksstandorten, in schwimmenden Plattformen, in E-Schiffen und Zügen/Lokomotiven zu finden. Für alle diese Anwendungen ist es wichtig, dass die Anlagen in hohem Maße effizient arbeiten und die unvermeidbare Ver lustwärme abgeführt wird. Zur Brandverhütung und Brandbekämp fung im Umfeld der Batterien sind entsprechende Vorkehrungen zu treffen.

Derzeitige Batteriespeicher am Markt haben eine maximale Spannung von 1200 V. Daraus resultieren hohe Betriebsströme und die Notwendigkeit von groß dimensionierten Leiterquer schnitten, um die Verluste zu begrenzen. Derzeit werden in Batteriespeichern mehrere tausend Primärzellen mit einer Ein zelspannung von circa 3 bis 4 V zu größeren Systemen zusam mengeschaltet. Jede Zelle erfordert eine zyklische oder dau erhafte Zustandsüberwachung. Werden die Eigenschaften der Zelle (Innenwiderstand, Kapazität) bedingt durch unvermeidli che Alterung degradiert, soll die Zelle einzeln oder zusammen mit noch intakten Zellen, mit denen sie zu einer Einheit ver bunden ist, ausgetauscht werden. Die übliche Bauweise der Batteriespeicher ist in geerdeten Batterieeinschüben gegeben. Bei den derzeitigen stationären und auch bei mobilen Batte riespeichern werden die Akku-Zellen mittels typischer Stahl- Schaltschränke mit Einschüben, sogenannten Racks, modular an geordnet und zu größeren Systemen zusammengeschaltet. Zur weiteren Modularisierung werden Schiffscontainer mit 20 oder 40 Fuß Länge mit solchen Schaltschränken bestückt und Batte riespeichersysteme aus mehreren Batterie-Containern sowie ei nem Steuerungs- und Transformatoren-Container aufgebaut.

Bei herkömmlichen Batteriespeichern, bei denen die Batterie zellen in geerdeten Batterieeinschüben anordnet sind, ist die maximale Betriebsspannung aufgrund der erforderlichen Isolie rung der spannungsführenden Leiter gegenüber dem Batterieein schub begrenzt.

Herkömmliche Batteriespeichersysteme haben zumeist eine Luft kühlung, die durch die Lüfter in den Racks und Schränken be werkstelligt wird. Für die globale Kühlung des Containers o- der gezielt für die Schränke ist typisch eine Klimaanlage am Container installiert.

Die Anforderungen an die eingesetzten Schaltschränke - in Hinblick auf Wandstärke, Explosions-, Brand- und Lichtbogen schutz - und deren innere Struktur hängen zum Teil von der Höhe möglicher Betriebsströme, respektive Verlusten und von der Kurzschlussleistung ab.

Sowohl die Schaltschränke, wie auch Racks, weisen zum Teil eigene Kühlsysteme, elektrische und thermische Isoliersysteme sowie Zwischenwände und elektrische Wand-Stromdurchführungen („Steck-Kontakte" ) auf. Ferner wird neben der notwendigen Be schaltung der Komponenten mittels Stromkabeln/-schienen auch diverse Messtechnick zur Zustandsüberwachung verbaut und ver kabelt .

Die elektronischen, elektrischen und elektrochemischen Be standteile (Halbleiter, Batteriezellen, Steuermodule ) , wie auch deren Hilfssysteme (Lüfter, Pumpen, Schläuche) weisen eine unvermeidliche Ausfallrate auf und müssen gegebenenfalls vom Servicepersonal ausgetauscht werden. Folglich sind in Containern Servicegänge und in den Schränken Schienen

und/oder Einschubfächer angeordnet, damit die Racks von den Servicetechnikern herausgezogen und ausgetauscht werden kön nen .

Zur Reduktion der Brandgefahr wird aktuell auch ein Betrieb mit Sauerstoff (O2) -armer Luft geprüft, wobei ein Ch-Gehalt von 13% aus Personensicherheitsgründen nicht unterschritten werden darf (https://www.feuertrutz.de/forschung- brandbekaempfung-von-lithium-ionen-batterien/150/ 60110/) .

Derzeit werden vor Ort keine Einschübe repariert, beim Aus fall einer aus 100 in einem Rack enthaltenen Batteriezellen (Elementen) wird beispielweise der komplette Einschub ausge tauscht. Erst im Werk wird der Einschub gegebenenfalls analy siert und instandgesetzt. Bis zur Ankunft des Technikers bleiben die fehlerhaften Module sowie alle mit ihnen direkt verbundenen intakten Module (zum Beispiel alle Rest- Module/Rest-Einschübe im Strang) ausgeschaltet.

Die herkömmlichen Batteriespeicher zeichnen sich durch Ser vicegänge für Wartungspersonal in den Containern, Rack- und Schaltschrank-Isolation, sowie zusätzliche Anforderungen für Lichtbogen- und Brandschutz aus.

Aus der US2019/0181406A1 ist ein Batteriespeicher bekannt, bei dem in einem elektrisch leitfähigen und geerdeten Contai ner viele Batteriezellen aufnehmende Module, die elektrische Energie speichern, in Trägern angeordnet sind. Die Träger sind mit dem Container elektrisch verbunden und über diesen geerdet. Die Batteriezellen aufnehmenden Module sind gegen über den Trägern elektrisch isoliert und über gesonderte Erd leitungen außerhalb des Containers geerdet. Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Batteriespei cher, insbesondere Hochspannungs-Batteriespeicher, zu schaf fen, der eine signifikant erhöhte Energiedichte aufweist und der geeignet ist, über einen Umrichter und Transformator oder über einen Umrichter ohne Transformator, mit einem Mit- telspannungs-Netz verbunden zu werden. Des Weiteren liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Lösung zu schaffen für die in einem Batteriespeicher mit hoher Energiedichte durch zuführenden Service-Aufgaben.

Das Problem wird durch einen Batteriespeicher nach Anspruch 1 gelöst .

Die Erfindung schafft ein für Hochspannung ausgelegtes Con tainer-Batteriespeichersystem.

Der erfindungsgemäße Batteriespeicher weist eine offene Bau weise des Regalsystems 6 und der Zellhalter 2 auf, so dass eine Serienschaltung der im Hochregal installierten Zellen 1 zu einem Hochspannungssystem mit der Nennspannung, alias Aus gangsspannung, alias Betriebsspannung alias Systemspannung, von höher als 1200 V möglich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeicher sind durch Wegfall einer Ordnungsebene (Batterieeinschub, Rack, Schaltschrank- Ebene) zum Einen die Packungsdichte an Batteriemodulen we sentlich erhöht und zum Anderen die Begrenzung der möglichen Betriebsspannung überwunden.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriespei chers, insbesondere wartungsfreundlichen Hochspannung- Batteriespeichers, mit hoher Packungsdichte, hoher Leistungs dichte und verbesserter Kühlung werden folgende Schritte vor geschlagen .

-Übergang zu einem Betrieb bei Druckluft oder mit Druckgas. Durch Übergang von 1 Bara Luft auf 1,3 Bara Luft ergibt sich eine um 30% höhere relative Wärmekapazität des Gases. Ferner wird auch der Wärmeübergang etwas verbessert. Gerade für che mische Energiespeicher ist die Einhaltung der zulässigen Tem peratur besonders wichtig und limitiert die mögliche Leis tung. Anwendungen mit dauerhaftem oder temporärem Betrieb mit Überdruck sind zum Beispiel in der Kraftwerkstechnik (Motoren und Generatoren) bekannt - in Form von Pressurized Air Gene ratoren. Die notwendige Pumpe für Druckluftregelung sowie die Fähigkeit eines Containers einen geringen Luft-Überdruck aus zuhalten sind gegeben. Weitere Gase, wie zum Beispiel Kohlen dioxid CO2 oder Schwefel-Hexafluorid SF ₆ , sind möglich, um zum Beispiel einen Akkubrand einzudämmen oder die elektrische Isolierfähigkeit der Umgebung oder die elektrische Kriech stromfestigkeit der Oberflächen zu erhöhen.

-Übergang zu einem Betrieb bei Sauerstoff-freier Gasumgebung -zum Beispiel Stickstoff N2 als Druckgas bei 1,3 Bara. Be dingt durch das Fehlen des Sauerstoffes werden Primärbrände an Elektronik und Umgebung der Zellen verhindert, eine Über tragung des Brandes auf die Zellen wird somit weitgehend un terdrückt. Durch Betrieb bei Stickstoff N2 wird (bei gleichem Druck) die Wärmekapazität verglichen mit Luft erhöht und so mit die Kühlung verbessert.

Ferner wird durch die Druckgas-Umgebung eine Ausbreitungsge schwindigkeit der etwaigen Explosions-Druckwelle im Vergleich zu Luft stark erhöht. Bei einer Zellenexplosion wird diese daher schneller durch Drucksensoren im Container oder im Ro boter erkannt und Brandbekämpfungsmaßnahmen können früher eingeleitet werden.

-Übergang auf eine automatisierte Wartung.

Wird ein Batteriespeicher unter Druckluft oder Druckgas oder unter Schutzgas, wie zum Beispiel Corgon, betrieben, würde herkömmlich im Service-Fall eine Reduktion des Betriebsdrucks auf Normaldruck und gegebenenfalls eine Spülung mit Luft er forderlich werden. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, einen au tomatisierten Roboter für Wartungszwecke einzusetzen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, breite Wartungsgänge im Container bereitzuhalten und die Umgebungstemperatur im Gang auf eine für Servicepersonal zulässige Temperatur herunterzuregeln.

Der Ansatz des erfindungsgemäßen Roboters, der sich in den erfindungsgemäßen Wartungskanälen zwischen so dicht wie mög lich gepackten Batterieeinheiten bewegt, vermeidet die Nach teile herkömmlicher Batteriespeicher:

• Begrenzte Brandsicherheit,

• Ineffiziente Raumausnutzung,

• Material und Fertigungskosten,

• Einsatz von Wartungspersonal inklusive Personenschutz- Maßnahmen wie das Tragen der Gas-, Brand- oder sonstiger Schutzausrüstung oder Verwendung von Ausrüstung zur Arbeit unter Spannung

• Geringe Skalierbarkeit,

• Spannungsbegrenzung.

Die Nutzung der alternativen Gase und Luft/Luftdrücke sowie die beschriebene Handlungen im Brandfall gehen mit dem Ein satz des Roboters einher.

Sowohl können primäre Brände (oder Brandübertrag) von/auf Elektronik und Umgebung vermieden als auch die aktive Lösch arbeiten am brennenden Zellmodul realisiert werden.

Die Packungsdichte an Batteriemodulen wird wesentlich erhöht durch Entfall einer Ordnungsebene (Rack, Schaltschrank- Ebene) , durch Ersatz des nicht genutzten Wartungsganges für Service-Personal gegen einen Wartungskanal 7 für einen Ser vice-Roboter und durch ein generales Kühlkonzept. Damit kann mehr als die doppelte Packungsdichte erreicht werden.

Durch hohe Packungsdichte der Zellmodule ist nicht nur eine höhere Gesamtkapazität des Containers möglich, sondern es kann durch die besonders kurzen Anschlusswege und das Fehlen der geerdeten Trennwände/Einschub-/Schrankwände eine beson ders günstige Gestaltung einer Serienverschaltung der Module realisiert werden und damit eine wesentlich höhere System spannung des Batteriespeichers.

Ein Roboter kann auf engem Raum programmgemäß die einzelnen Module abprüfen und gegebenenfalls direkt auswechseln sowie die Austauschmodule aus einem separaten Container oder einer Nische 11 im Container beziehen (Vorhaltung von Ersatzmodu len) . Nach dem Wechseln kann er das Modul in einen wiederum separaten Bereich ablegen. Alt- und Neumodulgebinde können von Außen, gegebenenfalls mittels einer Schleuse, versorgt werden. Der Füllstand oder die belegten Plätze für Batterie- zellen-Module im Container können an zentraler Stelle (Zent ralstelle) angezeigt werden.

Die Nutzung eines oder mehrerer Roboter/s erspart die Einhal tung bestimmter Maßnahmen zur manuellen Wartung, wie Wegemin destmaße, Einbau ansonsten anzuordnender Türen, Querwege und zusätzlicher Sicherheitsisolierung und Erdungsmaßnahmen.

Das Containermodul oder die Containergruppe kann von einer Zentralstelle aus der Ferne überwacht und gewartet werden.

Der Roboter ist so beschaffen, dass er das Batteriemodul 2, bestehend aus dem Batteriezellenhalter 3 und den Batteriezel len 1, austauschen kann. Es muss lediglich genügend Platz im Zwischenraum 7 sein, um das Batteriemodul 2 herausziehen oder einsetzen zu können. Der vorgeschlagene segmentierte Zellhal ter, beziehungsweise das Modul 2 reduziert die benötigte Breite des Servicekanals 7.

Der Personalaufwand zum Entsenden von Monteuren zur Reparatur wird stark minimiert und damit auch das Gefährdungspotential. Ferner wird dadurch der Wartungsaufwand reduziert und die Ge- samt-Ökobilanz des Speichers durch Eliminierung der Monteur reisen verbessert. Die einzelnen Container sind dabei so modular aufgebaut, dass die Führungsschienen 9 für den Wartungsroboter 20 miteinander verbunden werden können, wenn es mehrere zu einer Gruppe ver bundener Container mit verbundenem Innenraum gibt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen einen optimierten Batterie-Container, der vollständig digital gesteuert und mittels Roboter gewartet wird.

Durch den Übergang von breiten Service-Gängen für Wartungs personal zu schmalen Wartungskanälen 7 für den Roboter wird die Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Batteriespeichers erhöht .

Die Erfindung schafft ein Batteriespeichersystem wahlfrei kombinierbar mit einem Kühlgas oberhalb Atmosphärendruck, an deren Kühlmedien als Luft und einem generalen Kühlkonzept, bei dem ein Lüfter je Träger-System oder Träger-Teilsystem gegeben ist und bei dem keine geerdeten Wände die Zirkulation des Kühlmediums um die eingekapselten, oder mit Kühlkörper teilweise bedeckten oder offenen Batteriezellen in ihren Zellhaltern behindern.

Bei dem erfindungsgemäßen Batteriespeichermodul können die Module unterbrechungsfrei und unter Verzicht auf Monteure mit persönlicher Schutzausrüstung im engen Raum durch Roboter un ter Spannung ausgetauscht werden.

Der erfindungsgemäße Batteriespeicher weist gegenüber her kömmlichen Bauarten folgende Vorteile auf:

-reduzierte Material- und Fertigungskosten,

-effiziente Raumausnutzung in dem Container,

-Skalierbarkeit für noch höhere Spannungen,

-reduzierte Personal- und Betriebskosten,

-Möglichkeit zur Eindämmung der Brandausbreitung. Die erzielbare Nennspannung des Containers beträgt derzeit 5kV, langfristig können mit dem erfindungsgemäßen Konzept Spannungen bis 50 kV realisiert werden.

Die neueren Entwicklungen auf dem Gebiet der Hochspannungs- Leistungselektronik (Solid State- Transformatoren, Silizi- umcarbid SiC-Hochspannung-Bauelemente mit Spannungen von be reits über 10 kV) zeigen, dass eine Realisierung von Energie wechselrichtern mit Betriebsspannungen von bis zu 5000- 10000V mittelfristig und von 35000V langfristig möglich wird [weitere Infos:

http : //www . esc . ethz . ch/news/archive/2016/10/smart-all-sic- solid-state-transformers.html] .

Der erfindungsgemäße Batteriespeicher kann damit eine direkte Übertragung von Energie über Umrichter ins Mittelspannungs netz mit lOkV, 20kV 30kV oder 60kV ohne Einsatz eines Trans formators erlauben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figu ren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig 1 einen erfindungsgemäßen Container 16 mit Batteriezel- len-Moduln und Druckluft, Hochregal-Systemen 6 mit Ver blendungen 5, sowie Ersatzteillager 11,

Fig 2 nähere Einzelheiten aus Fig 1, schmale Roboter-Kanäle 7 und Roboter 20,

Fig 3 Batteriezellen im erfindungsgemäßen Container mit

Druckluft / N2 mit vier Hochregalen 6 und zwei durchge henden schmalen Roboter-Kanälen 7 und eine vergrößerte Darstellung des Containers mit integralen Lüftern 12 und Verblendungen 5, Fig 4 ein isoliertes Regal 6 mit Schienen für Module 2 ober halb und unterhalb sowie eine exemplarische Darstellung von Zellhalter-Bauweise,

Fig 5 ein Detail-Beispiel des erfindungsgemäßen Roboters 20, Fig 6 Regalsystem 6 mit Zellhaltern/Modulen 2, das Regalsys tem beinhaltet vier Stränge 13 je ein Strangtrenner 14, Fig 7 Beispiel eines Moduls 2 mit drei Kühlöffnungen 4 mit zusammengeschweißten und mechanisch zusammen fixierten Zellen mit zwei Lötkontakten 17.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele mente .

Ein erfindungsgemäßer Container 16 mit automatisierter War tung durch Roboter 20 mit der Nutzung der Hochregale 6 für Zellmodule 2 ist in Fig 1 abgebildet. Durch Wegfall der Gänge für Servicepersonal kann eine mehr als doppelte Packungsdich te erreicht werden. Damit der Roboter seine Ersatzteile ohne Druckabfall im Container beziehen kann, wird ein Ersatzteil lager 11 direkt im Container angeordnet.

Eine Bestückung von entsprechenden Hochregal-Systemen mit länglichen einschiebbaren Zellmodulen 2, die mit einem seg mentierten Zellhalter 3 gebildet sind, ermöglicht das Heraus schieben des Zellhalters aus dem Regalsystem in den Service- Kanal 7, obwohl die Gesamtlänge des Zellhalters größer ist als die Breite des Service-Kanals (Figur 3) . Die Zellmodule können eine dauerhafte Kontaktierung der Zellen zueinander und ein Gelenk, aber auch Scharnier, zwischen den beiden Seg menten 3 enthalten.

Der Roboter 20 kann Brandbekämpfungs-Aufgaben im Container übernehmen. Er kann:

-Sich autonom (auch bei Strom- und Signalunterbrechung) durch eigene Akku-Versorgung, Programm-gesteuert oder anhand der eingebauten Brand-, Temperatur- oder Drucksensoren oder Ex plosionserkennungssensoren zu der Brandstelle bewegen, -Die Trennung und Abschottung der brennenden Zellmodule vor nehmen (Installation einer Löscheinhausung oder durch Heraus schieben aus dem Regal in den Gang oder durch Herausschieben in eine Zone mit besserer Gas oder ^-Strömung (zur besseren Kühlung der brennenden Zelle) ,

-Die Kühlung/Löschung einer überhitzten Zelle mit Gas, Flüs sigkeit, Schaum oder Gel vornehmen, wobei der Roboter gegen über den entstehenden Gasen und Temperaturen eine hohe Be ständigkeit aufweist.

-Übergang auf eine kompakte, ungeerdete Bauweise der Zellmo dule 2. Ein Batteriezellen-Modul 2 ist mit einer einstelligen Anzahl, insbesondere sieben, wiederaufladbarer, zusammenge schalteter Batteriezellen in offener, alias bloßer, alias blanker Bauform gebildet. Diese Bauweise ermöglicht es, die Anzahl auszutauschender noch intakter Zellen bei Ausfall ei ner Zelle und damit die erforderliche Größe des Ersatzteilla gers zu reduzieren. Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen- Modul ist also frei von einer geerdeten Ummantelung, alias Einhausung, alias Einschub, alias Rack. Die offene Bauweise verbessert die Kühlung, Effizienz und Zuverlässigkeit inso weit, als ein Einsatz von größeren Lüftern 12 und einer um fassenden, alias integralen, alias generalen KühlluftZirkula tion im Regal ermöglicht wird (Figur 4) . Zur weiteren Verbes serung der Kühlung kann ein Batteriezellenmodul eine zusätz liche Kühlvorrichtung in Form einer nicht geerdeten Kühlum mantelung, von Kühlradiatoren, Kühlkörpern, das Kühlmedium leitenden oder die Kühlströmung steuernden Kühlelementen auf weisen, welche das Zellmodul teilweise umschließen. In einer besonderen Ausgestaltung sind diese Kühlelemente thermisch direkt oder indirekt an die Zellenoberfläche angebunden. Ein Batteriezellen-Modul kann also einen in einem direkten oder indirekten Kontakt mit den Zellen stehenden Kühlkörper auf weisen. In einem Batteriezellen-Modul 2 oder einem Träger- System 6 kann eine Struktur, wie zum Beispiel Öffnungen, Roh re, Kanäle, Wärmetauscher, zur Führung und Verteilung eines oder mehrerer Kühlmedien, wie zum Beispiel Gas, Wasser, aus gebildet sein. Ein Batteriezellen-Modul kann eine isolierte, leitfähige oder partiell leitfähige Umhausung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass ein Teil der Oberfläche der Zellen von Außen, insbesondere von den Seiten, von oben oder von un ten, für das Kühlgas zugänglich ist.

Es ist vorteilhaft, die Wartungskanäle 7, alias Service- Kanäle alias Roboter-Kanäle von der Kühlluft-Zirkulation zu trennen dadurch, dass die Hochregale oder die äußeren Stirn seiten der Zellhalter 2 eine strömungstechnische Verblendung, zum Beispiel in Form von abgedichteten Blechen oder Kunst stoff-Blenden 5 aufweisen.

- Aufbau eines isolierten oder aus Isoliermaterial bestehen den Hochregal-Systems 6 in einem Container 16, wobei anstelle eines Wartungsganges mit einer Breite von derzeit mindestens 90 cm ein oder mehrere schmale Wartungskanäle 7 angeordnet sind. Dadurch wird die Leistungsdichte mindestens verdoppelt und die Voraussetzung geschaffen für Einbau der nicht iso lierten Bauteile und elektrischen Leiter mit denen Spannungen oberhalb von 1200V. Damit kann eine signifikante Reduktion der Verluste und Leiterquerschnitte realisiert werden. Ein 40 Fuß-Container könnte somit bereits mit heutigen zylindri schen, runden Zellen 7,5 MWh Akku-Speicher beinhalten.

- Bestückung von entsprechendem Hochregal-System 6 mit läng lichen einschiebbaren Zellmodulen 2, die mit einem segmen tierten Zellhalter 3 (siehe Fig 4) gebildet sind, wobei der Zellhalter eine dauerhafte Kontaktierung der Zellen zueinan der und ein Gelenk zwischen den Segmenten aufweist, so dass das Herausschieben des Zellhalters aus dem Regalsystem in den Service-Kanal 7 möglich ist, obwohl die Gesamtlänge des Zell moduls größer ist als die Breite des Service-Kanals.

Auch kann eine Segmentierung des segmentierten Zellhalters 3 ohne Gelenk, beispielweise durch Nutzung eines Stecksystems realisiert werden. - Offene Bauweise des Regalsystems 6 und des Zellhalters 2, so dass eine Serienschaltung der im Hochregal installierten Zellen 1 zu einem Hochspannungssystem mit der Nennspannung von über 1200 V möglich ist und gleichzeitig keine geerdeten Wände die Zirkulation des Kühlmediums im Regalsystem behin dern. Damit kann für den Container ein generales Kühlkonzept mit leistungsfähigen Lüftern 12 realisiert werden.

Weitere Ausführungbeispiele und Details:

Ein isolierter hochspannungsfester Roboter 20 (siehe Fig 5), der die Wartung und teilweise die Vermessung der Zellen (Tem peratur, Widerstand, Ladezustand (State of Charge, SoC) , Ka pazität) und Zellhalter (diese würden dann Messkontakte und Leitungen zu den einzelnen Zellen haben, wenn die Zellen in eingebautem Zustand selbst nicht direkt zugänglich sind) übernimmt sowie Einbau und Ausbau der Zellen beziehungsweise der bestückten Zellhalter unter Spannung durchführt. Die Maße und die Bauweise des Roboters erlauben eine Fortbewegung des Roboters innerhalb der schmalen Service-Kanäle im Container oder im Container-Verbund. Der Roboter erlaubt die Nutzung von besonders schmalen Servicegängen, reduziert Personalauf wand und Sicherheits-Anforderungen für die Zellmodule, womit die Realisierung eines hoch entwickelten Batteriespeichers gegeben ist.

Der Roboter 20 kann eine wahlfreie Kombination von Greifer, Messeinrichtung, insbesondere für Spannung, für Temperatur, für Vibration, für Druck, WLAN- oder Funk-Datenübertragung, RFID-Leseeinrichtung, Lichtquelle, Kamera, Laser, Radar, Ult raschalleinheit, Gasanalysator, Brandbekämpfungseinrichtung aufweisen. Der Roboter 20 selbst kann zwischen Schienenmodul 100 und Greifermodul 300 elektrisch isoliert aufgebaut sein. Der Roboter 20 kann ferngesteuert, programmgesteuert oder au tark agieren. Der Roboter 20 kann zur Minimierung seiner Bau höhe und Baubreite in der Höhe und Breite komprimierbar aus gestaltet sein. Detail-Beispiel eines Roboters

100: Schienenmodul für Deckenschienensystem 9 (X, Y oder XY

Bewegung) ,

200: Z-Teleskopstange, vorzugsweise aus Isoliermaterial oder isoliert aufgebaut,

300: Greifermodul galvanisch getrennt von dem Schienenmodul 1, Akku-betrieben,

400: Greifer am Greifermodul 300, der Greifer kann isoliert sein oder mit dem Greifermodul galvanisch verbunden sein. Bei geringeren Betriebsspannungen können auch fast alle Teile des Roboters (Schienenmodul, Teleskoparm, Greifermodul) geerdet sein und lediglich der Greifer isoliert sein.

Der Roboter ist oben an einem Schienensystem 9 befestigt und umfasst ein Schienenelement 100 oben, einen isolierten Tele skoparm/Teleskopstange 200 und ein Greiferelement 300 / 400 unten. Die Bauweise des Teleskoparms erlaubt eine Komprimie rung der Höhe des Roboters, so dass er von einem Service- Kanal 7 zu einem anderen Service-Kanal 7 durch einen beson ders niedrigen Verbindungs-Kanal 8 durchfahren kann. Er kann auch zu einem anderen Container mit dem gleichen Schienensys tem überfahren, zum Beispiel durch einen nicht abgebildeten Kanal im hinteren oberen Bereich des Service-Kanals, wobei dieser Kanal ähnlich unter der Decke angeordnet ist wie Ver bindungs-Kanal 8.

Mittels des Teleskoparms kann der Roboter alle Zellhalter in allen Regalebenen erreichen, sowie seinen Lagerraum 11 mit Ersatz-Zellhaltern 2. Zur Befestigung des Roboters in der Ar beitsposition und -höhe kann eine zusätzliche horizontale Verankerung des Roboters, zum Beispiel durch zusätzliche, nicht abgebildete horizontale Teleskoparme vorgesehen sein.

Das Schienenelement 100 des Roboters wird mittels Bürstenkon takten von dem Decken-Schienensystem 9 mit Strom versorgt o- der bezieht von einem Akku die Energie zur Fortbewegung auf der Schiene. In dem Schienenelement kann ein Teil des An- triebs für die Teleskopschiene platziert werden. Das Greife relement 300/400 ist mit dem Schienensystem elektrisch nicht verbunden (galvanisch getrennt) und wird durch Akku mit elektrischer Energie versorgt. Das Greifelement kann ferner einen Teil des Antriebs der Teleskopschiene enthalten. Durch die beschriebene Bauweise des Roboters kann er Arbeiten unter Spannung im elektrischen Feld durchführen.

Anstelle der hier dargestellten Robotergestaltung kann als Roboter im Sinne der Erfindung jegliche Vorrichtung zur fern gesteuerten Aktion zum Einsatz kommen, beispielweise ein be weglicher Schlitten, Schlittensystem oder beweglicher Behäl ter, Kran oder Fahrzeug, eine mobil oder stationär befestigte Vorrichtung zum Tausch der Komponenten, die pneumatisch oder magnetisch auf die Zellmodule einwirkt et cetera.

Folgende weitere Aufgaben kann der Roboter darüber hinaus übernehmen :

-in der Parkposition oder bei seinen Wartungsarbeiten direkt an der Arbeitsstelle seinen Akku laden (zum Beispiel von dem Zellhalter) und auch seinen Akku bei Bedarf selbst tauschen.

-Neben dem Ersatz-Zellhalter (im Ausführungsbeispiel mit 7 Zellen) zusätzlich eine Kompensations-Vorrichtung im Form ei ner Kapazität (zum Beispiel ebenfalls mit 7 Zellen) und/oder eine elektronische Kompensations-Schaltung mit Kompensations- Kapazität stets mittragen, so dass bei den Wartungsarbeiten seine Kompensations-Kapazität temporär parallel zu dem Zell halter kommutiert wird, damit beim Ausbau der Zellhalter kei ne Funken entstehen und bei dem Batteriespeicher temporär kein Verlust der Kapazität entsteht. (Vorteil: Sanf- ter/schonender/unterbrechungsfreier Zellentausch im laufenden Betrieb) . Um diese Parallelschaltung zu realisieren, erfolgt eine für die Dauer des Zelltausches bestehende Kontaktierung der Kompensations-Vorrichtung zu der Verdrahtungsebene 15. Diese kann durch vorzugsweise temporär (durch Roboter) in- stallierbare Kontakte realisiert werden, die die Verdrah tungsebene mit dem Roboter im Wartungskanal verbinden.

-Funktionierende Zellhalter zwischen verschiedenen Positionen (zum Beispiel obere Regale zu den unteren Regalen) turnusmä ßig tauschen, damit die langfristigen temperaturbedingten Al terungsprozesse kompensiert werden können.

-Der Roboter kann mit einer Überwachungskamera ausgestattet sein und auf Wunsch des Fernwartungspersonals im Remote- Betrieb gesteuert werden.

- Ein Container 16 oder ein mit mehreren Containern gebilde tes Containersystem kann mit einem Medium gefüllt sein, das keine Luft unter Normaldruck, vielmehr Druckluft, Stickstoff N2, Aerosol, oder besonderes Schutz-, Lösch- oder Isoliergas und gegebenenfalls oberhalb Atmosphärendruck, ist.

Ein Container 16 oder ein Containersystem kann ein auf das erfindungsgemäße Hochregalsystem angepasstes generelles Kühl konzept 12 mit Überdruck und Unterdruckzonen aufweisen. In diesem Fall ist vorteilhaft, dass der Roboter 20 unter ent sprechenden Umgebungsbedingungen arbeiten kann und im Contai ner ein Vorrat an Ersatz-Zellhalter respektive Zellen vorge halten wird. Ohne Roboter würde man den kompletten Container ausschalten und lüften müssen, bevor ein Service-Techniker den Container betreten darf.

Anmerkung zu der Verschaltung und dem Zellhalter

-Die Regale 6 und Zellhalter 2 werden modular aufgebaut, wo bei die Zellhalter besonders geringe Anforderungen an Modul gehäusekonstruktion haben. Die Zellhalter können beispielwei se die zusammengeschweißten oder mittels Klemmen kontaktier ten Einzel-Zellen enthalten. Generell wird angestrebt, die Module/Zellhalter wesentlich kleiner zu gestalten als die derzeitigen Einschübe/Racks, damit beim Austausch des Moduls nach Möglichkeit nur die defekten Einzelelemente und wenige unmittelbare Nachbarn ausgetauscht werden. Auch erlaubt die kleine Bauweise (zum Beispiel 60 mm Breite des Zellhalters) eine gute Integration eines Gelenkes in den Zellhalter.

Die Zellhalter sind mittels gängiger Technik in den Regalen mit der an einer oder mehreren Seiten (vorne, oben, seitlich, unten, vorzugsweise aber rückseitig, ) angeordneten Verdrah tung 15 kontaktierbar: steckbar, zusammenschraubbar, verlötet oder punktgeschweißt. Die Verdrahtungsebene 15 kann ferner so modular aufgebaut sein, dass eine Veränderung der Verdrahtung nachträglich realisiert werden kann, um im Revisionsfall oder beim späteren Umbau auf Zellen mit anderen Eigenschaften die Systemspannung anzupassen. Die Verdrahtung 15 kann auch eine galvanische Trennung der Module (ohne deren Ausbau) mittels eines Trenners realisieren. Auf Ebene der Verdrahtung 15 kann eine ferngesteuerte Trennung der Zellmodule realisiert sein. Auf Ebene der Verdrahtung 15 kann eine nachträgliche Modifi kation der galvanischen Modulverschaltung und damit eine Ver änderung der Systemspannung ermöglicht sein.

Zur mechanischen Fixierung von Zellhaltern wird ein Re- gal/Träger-system 6 vorgeschlagen, wobei in jeder Ebene eine Lage Zellhalter platziert ist oder abwechselnd ein Zellhalter 2 am unteren Regal und der darüber angeordnete Zellhalter 2 an dem oberen Regal befestigt sind.

Die Zellhalter sowie die Regale können bereits einen Teilauf bau des Kühlsystems beinhalten, wie Rohre, Kanäle, Öffnungen, Kühlrippen, Kühlradiatoren, Kühlluft-Leitschirme . Eine Anord nung der Zellen kann, wie in Fig 7 dargestellt, mit Hohlräu men 4 versehen sein.

Wie aus dem Stand der Technik bekannt, können auch Wasser oder Fluid-Kühlsysteme zur Kühlung der Zellen eingesetzt wer den. In diesem Fall kann ein Zellhalter oder ein Zellmodul eine Vorrichtung enthalten, um direkt oder indirekt, bei spielweise mittels Wärmetauschers, an den Kühlkreislauf ange schlossen zu werden. Weitere Ausführungsformen :

-Alle Module werden im Werk im Container eingebaut. Dabei werden bereits bestückte Regale installiert. Der Roboter übernimmt nur die Wartung.

-Der Roboter kann die Erst- und Neubestückung des Containers durchführen. Ferner kann das Schienensystem von mehreren Ro botern (zum Beispiel bei Erstbestückung im Werk) gleichzeitig genutzt werden.

-Module/Zellhalter 2 werden ohne elektrisch isolierende Ein hausung der Batteriezellen 1 aufgebaut. Durch Entfall der Isolierung und einfache Modulgehäusekonstruktion wird die Kühlung verbessert und die Zugänglichkeit von Robotern für Modulvermessung (zum Beispiel Spannungsmessung) ermöglicht.

-Auf Zwischenwände wird weitgehend verzichtet (Kostenredukti on, keine Brandschutzanforderung, bessere Kühlung) .

-Module 2 können mit RFID-Chip ausgestattet werden, um deren Identifizierung und Zustandsüberwachung zu ermöglichen.

-Der Roboter 20 kann sich auch frei oder anhand von fest in stallieren Schienen 9 (zum Beispiel an der Containerdecke) im Containervolumen bewegen.

-Der Roboter 20 verfügt über eine oder mehrere Aufnahmen (Ar me, Aufbewahrungsboxen, Magazine) und Hilfswerkzeuge (Löt- /Schweißapparat ) , um Batteriezell-Module austauschen zu kön nen .

-Der Roboter 20 verfügt über Schutzausrüstung, um im Brand fall die Zellen oder Zellmodule zu trennen und einzuhausen oder zu kühlen oder einzubetten/zu bedecken, beispielweise klappbare oder aufblasbare Hüllen, Feuerlöscher, einen zur Verrohrung mit einem Brandschutzmittel kompatiblen Schlauch et cetera. -Der Roboter 20 steuert regelmäßig die Batteriezell-Module 2 an und erfasst deren Identität ID und Zustand (mittels direk ter Kontaktmessung/Spannungsmessung, direkter oder indirekter Temperaturmessung, Vibrationsmessung) , speichert die gewonne ne Information zwischen oder kommuniziert direkt weiter, bei spielsweise über ein WLAN-Modul zu einer an der Innenwand des Containers angeordneten WLAN-Sende-Empfangseinrichtung, die mit einer an der Außenwand des Containers angeordneten GSM- Sende-Empfangseinrichtung verbunden sein mag.

-Der Roboter 20 kann auch Schalthandlungen durchführen, um nach dem Austausch eines Moduls den Strang 13 durch Umlegen des Strangtrenners 14 wieder anzuschließen.

-Der Roboter 20 kann zur Erledigung von Service-Aufgaben in einer für Servicepersonal feindlichen Umgebung, wie zum Bei spiel Temperatur, elektrische Spannung, Sauerstoff-arme Atmo sphäre, verfügbares Raumvolumen, ein Fortbewegungsmodul 100 und Greifermodul 300 aufweisen, die gegeneinander elektrisch isoliert aufgebaut sind.

-Der Roboter 20 kann eine wahlfreie Kombination von Greifer, Messeinrichtung, insbesondere für Spannung, für Temperatur, für Vibration, für Druck, WLAN- oder Funk-Datenübertragung, RFID-Leseeinrichtung, Lichtquelle, Kamera, Laser, Radar, Ult raschalleinheit, Gasanalysator, Brandbekämpfungseinrichtung aufweisen .

-Der Roboter 20 kann zur Minimierung der Bauhöhe und der Bau breite in seiner Höhe beziehungsweise Breite komprimierbar sein .

-Der Roboter 20 kann wahlweise für Mess- und Service- Aufgaben, Arbeiten unter Spannung und Temperatur, den unter brechungsfreien Austausch von Betriebsmitteln und Elementen, ausgestattet sein. -Der Roboter 20 kann zur Erledigung der Service-Aufgaben ferngesteuert, Programm-gesteuert oder autark agierend sein.

-In einem Gehäuse 16 für einen Batteriespeicher, kann in ei nem Service-Kanal 7 eine Deckenschiene 9 angeordnet sein, an der der Roboter mit seinem Fortbewegungsmodul 100 geführt ist .

-Im Container 16 ist eine Roboterparkposition, ein Vorrats- Behälter für Ersatz-Module und ein Behälter für ausgetauschte Module angeordnet (Ersatzteillager 11) . Die Roboter- Parkposition sowie die beiden Behälter sind für Servicezwecke zugänglich (Öffnungen / Schleuse in der Containerwand) . Bei Druckluftbetrieb / Sauerstoff-freiem Gas-Betrieb des Innen raums des Batteriespeiche-Gehäuse mit optionaler Druckschleu se .

-Durch den Einsatz der Robotertechnik entsteht die Möglich keit, wesentlich höhere oder niedrigere Temperaturen in dem Container zuzulassen und/oder ein Betrieb mit anderem Umge bungsmedium und Umgebungsdruck als herkömmlich mit Luft unter Normaldruck .

-Der Roboter 20 kann ausfahrbare Kontakte aufweisen, die mit der Verdrahtung (15) verbindbar sind. Der Roboter kann Tele skopkontakte aufweisen, die er ausfährt, um sich mit der Ver drahtungsebene 15 zu verdrahten und nach dem Zelltausch die Teleskopkontakte wieder einfährt. Hierzu können innerhalb der Regale durchgehende Bohrungen vorgesehen sein, wobei der Ro boter seine Teleskopkontakte in die Öffnungen auf der Seite des Wartungskanals hineinführt und durch diese Öffnungen die Verdrahtungsebene erreicht. Durch diese Maßnahme werden le diglich zwei Teleskopkontakte am Roboter benötigt an Stelle eines für jedes Batteriezell-Modul 2 auf der Seite des War tungskanals 7 anzuordnenden Paar von Kontakten.

Unter Annahme

- eines gängigen 20 Fuß-ISO-Containers, - ein segmentiertes Batteriezellen-Modul 2, alias Zellhal ter, sieben Batteriezellen 1 mit jeweils 60 mm Durchmes ser enthält,

- vier Reihen von Trägersystemen, alias Regale 6, mit ei ner Regaltiefe von 43 cm,

beträgt die Breite der beiden Wartungskanäle 7 jeweils 30 cm.

Zu Grunde gelegte zylindrische Batteriezelle: LFP Zelle, 154 Wh, 60 mm Durchmesser, Länge 232 mm.

Unter Zugrundelegung des vorgenannten Batteriezellen-Typs ergibt sich für einen 20 Fuß-ISO-Container eine Anzahl von 22280 Zellen mit einer Gesamt-Speicherkapazität von 3,43 MWh.

Unter Regalsystem 6, alias Träger-System wird eine Regalebe ne, eine Anordnung mehrerer Regalebenen in unterschiedlichen Höhen zu einem Hochregal und auch Anordnungen mehrerer Hoch regale nebeneinander verstanden. In dem Gehäuse des Batterie speicher können mehrere Reihen von Träger-Systemen 6 angeord net sein.

Unter isoliertem Regalsystem wird verstanden, dass das Regal system zumindest gegenüber dem Container 16, in dem es ange ordnet ist, elektrisch isoliert, insbesondere jedoch potenti alfrei und aus Isoliermaterial aufgebaut oder durch Isolier material bedeckt, angeordnet ist. Soweit Bestandteile des Re gals elektrisch leitend sind, können diese Masse-frei, insbe sondere ungeerdet, angeordnet sein. Zwischen dem Regalsystem und dem Container mag ein Überspannungs-Ableiter, wie zum Beispiel ein Varistor, angeordnet sein.

Das isolierte oder aus Isoliermaterialien aufgebaute Regal system kann auch elektrisch bedingt-leitfähige, schwach leitfähige Beläge aus Lack, Draht oder Band enthalten, um ei ne elektrische Potentialsteuerung entlang der Re

gal (ober) fläche oder zwischen den übereinander platzierten Regalen zu realisieren. Die Beläge können ferner in ihrer elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur, oder Strom- stärke- oder Feldstärke linear oder nichtlinear abhängig sein .

Gegebenenfalls können benachbarte (Hoch- ) Regale gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein.

Gegebenenfalls können übereinander angeordnete Regalebenen gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein.

Gegebenenfalls kann ein Träger einer Ebene des Träger-Systems mehrere Batteriezellen-Module aufnehmen, die untereinander das gleiche elektrische Potential aufweisen.

Das erfindungsgemäße Regalsystem ist derart konstruktiv aus gestaltet, dass ein weitgehend ungehinderter Durchzug von Kühlgas gegeben ist.

Unter Batteriezellen-Modul 2 in offener Bauform wird verstan den, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen 1 mechanisch und elektrisch zu einer Einheit verbunden ist, insbesondere kön nen die Batteriezellen parallel geschaltet sein. Ein erfin dungsgemäßes Batteriezellen-Modul weist keine vollflächige Einhausung auf und keine geerdeten Einhausungbestandteile, so dass ein Teil der Oberfläche der Batteriezellen nach Außen blank in Erscheinung tritt.

Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul ist derart kon struktiv gestaltet, dass es Führungselemente aufweist, die mit Aufnahmeelementen des Trägersystems 6 mechanisch Zusam menwirken .

Das erfindungsgemäße Batteriezellen-Modul 2 ist, auch wenn es in das Trägersystem 6 eingesetzt ist, nicht geerdet, alias ungeerdet, alias weist keine Masse-Verbindung auf.

Das erfindungsgemäße Batteriezellen-Modul kann derart kon struktiv gestaltet sein, dass im eingesetzten Zustand in das Trägersystem 6 eine elektrische Isolation zwischen den Batte riezellen 1 und dem Trägersystem gegeben ist.

Ein in das Trägersystem 6 eingesetztes Batteriezellen-Modul ist derart geführt, dass der Isolationsabstand zu einem be nachbarten Batteriezellen-Modul, insbesondere wenn dieses ein unterschiedliches Potential aufweist, sichergestellt ist.

Die elektrische Isolation kann generell durch Keramik- Elemente realisiert sein.

Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul kann an der Stirn seite, die im eingebauten Zustand im Trägersystem 6 dem Ser vice-Kanal 7 zugewandt ist, eine Verblendung 5 aufweisen. Die Verblendung eines Batteriezellen-Moduls bildet zusammen mit den Verblendungen benachbarter Batteriezellen-Module eine ge schlossene Wand derart, dass ein direkter Weg für das die Batteriezellen 1 umstreichende Kühlgas in den Service-Kanal 7 versperrt ist.

Ein erfindungsgemäßes Batteriezellen-Modul kann an der Stirn seite, die im eingebauten Zustand im Trägersystem 6 dem Ser vice-Kanal 7 zugewandt ist, Messanschlüsse, beispielsweise für Spannung, aber auch Temperatur, sowie Identifikations merkmale, insbesondere Barcode, QR-Code, RFID-Chip, aufwei sen. Die Messanschlüsse, aber auch die Identifikationsmerkma le können in die Verblendung 5 des Batteriezellen-Moduls im plementiert sein.

Unter dem Gehäuse 16, das gegebenenfalls metallisch ist, ge mäß der Erfindung ist auch ein Raum in einem Gebäude oder ein sonstiger Raum, wie zum Beispiel ein Schiffsraum, zur Anord nung von Batteriezellen zu verstehen.

Bei einem erfindungsgemäßen Batteriespeicher kann die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das höchste Potential (Plus) der Systemspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden sein. Bei einem erfindungsgemäßen Batteriespeicher kann die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die elektri sche Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das nied- rigste Potential (Minus) der aufweist, mit dem geerdeten Ge häuse elektrisch verbunden sein.

Einem erfindungsgemäßer Batteriespeicher kann mit einem Bat teriespeicher, bei dem die elektrische Verbindung 15 von Bat- teriezellen-Moduln, die das höchste Potential (Plus) der Sys temspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden ist und einem Batteriespeicher, bei dem die elekt rische Verbindung 15 von Batteriezellen-Moduln, die das nied rigste Potential (Minus) der Systemspannung aufweist, mit dem geerdeten Gehäuse elektrisch verbunden ist gebildet sein.

Hierbei kann der Batteriespeicher, der mit Minus mit dem ge erdeten Gehäuse verbunden ist, mit der positiven Phase des Versorgungsnetzes, gegebenenfalls über einen Umrichter, Zu ^¬ sammenwirken und der Batteriespeicher, der mit Plus mit dem geerdeten Gehäuse verbunden ist, mit der negativen Phase des Versorgungsnetzes, gegebenenfalls über einen Umrichter, Zu ^¬ sammenwirken .

Bezugs zeichenliste

1 - Zelle, Batteriezelle

2 - Zellmodul, Batterie-Zellenmodul, Zellhalter, Modul

3 - Segment eines Zellhalters 2

4 - Öffnung, Hohlraum in Zellmodul 2

5 - Verblendung eines Zellhalters 2

6 - Regalsystem, Träger-System, Hochregal, isoliert

7 - Service-Kanal

8 - Verbindungs-Kanal zwischen Service-Kanälen 7

9 - Deckenschiene

11 - Ersatzteillager

12 - Integraler Lüfter, Kühlsystem, generaler Lüfter

13 - Strang

14 - Strangtrenner

15 - Verdrahtung, Verdrahtungsebene

16 - Container

17 - Lötanschlüsse

20 - Roboter

100 - Fortbewegungsmodul, Schienenmodul für Deckenschienen system 9

200 - Teleskopstange

300 - Greifermodul

400 - Greifer am Greifermodul 300