DE102022212738B4 - Energiespeichervorrichtung mit Temperaturanpassung - Google Patents

Abstract

Energiespeichervorrichtung (1) zur Energieversorgung von elektronischen Bauteilen (14) innerhalb eines Gerätegehäuses eines Gerätes (10), wobei die Energiespeichervorrichtung (1) mehrere Energiespeicherzellen (3) aufweist, die in dem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordnet sind,wobei das Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen (3) von einem Kühlmedium (KM) durchströmt wird,wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse (2) angeordneten Energiespeicherzellen (3) Strömungsleitobjekte (4) zur Umlenkung des Kühlmediums (KM) vorgesehen sind,wobei die Form der Strömungsleitobjekte (4) und/oder eine Drehstellung der Strömungsleitobjekte (4) bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmediums (KM) eine durch die elektronischen Bauteile (14) des Gerätes (10) während eines Betriebes des Gerätes (10) innerhalb des Gerätegehäuses entstehende Wärmeverteilung zur Bereitstellung einer annäherndgleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses (2) der Energiespeichervorrichtung (1) ausgleichen;wobei die Strömungsleitobjekte (4) einander gegenüberliegende Zellhalter (8), die zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen (3) vorgesehen sind, miteinander mechanisch verbinden;wobei die Zellhalter paarweise über zugehörige Zellverbinder (9) miteinander verbunden sind;wobei die Zellverbinder (9) aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes (10) bestehen; undwobei die Zellverbinder (9) eine Kapsel zur Aufnahme eines Materials aufweisen, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Gerät, insbesondere für ein Schweißgerät mit einer Schweißstromquelle, welche durch die Energiespeichervorrichtung mit Strom versorgt werden kann, sowie eine Regelungsschaltung zur Regelung einer derartigen Energiespeichervorrichtung.
• Schweißgeräte werden zur Durchführung eines Schweißprozesses mit Energie bzw. elektrischem Strom versorgt. Ein Schweißgerät verfügt über eine Schweißstromquelle. Hierzu kann die Schweißstromquelle eine Energiespeichervorrichtung mit mehreren Energiespeicherzellen enthalten. Herkömmliche Schweißstromquellen können über sogenannte Akkupacks mit Energiespeicherzellen verfügen. Energiespeicherzellen umfassen beispielsweise Akkuzellen oder Batterien. Energiespeicherzellen können auch durch Elektrolytkondensatoren (sog. Elkos) oder elektrochemische Kondensatoren (z.B.: Superkondensatoren) gebildet werden. Die Energiespeicherzellen befinden sich dabei in einem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung. Beim Laden und Entladen der Energiespeicherzellen wird Wärme erzeugt. Es ist notwendig, diese erzeugte Wärme abzuführen, um eine lange Lebensdauer und hohe Effizienz der Energiespeicherzellen zu gewährleisten. Hierzu können die Energiespeicherzellen von einem Kühlmedium umströmt werden.
• Die US 10 038 226 B2 beschreibt beispielsweise eine Energiespeichervorrichtung mit Lithium-Ionen-Batterien, die in einem Stack angeordnet sind und mithilfe von Kühlplatten gekühlt werden.
• Die US 7 642 004 B2 und die US 2005/ 0 153 199 A1 beschreiben Energiespeichervorrichtungen mit Energiespeicherzellen, die von einem Luftstrom umströmt werden. Ein Luftstrom strömt in eine Einlassöffnung der Energiespeichervorrichtung ein und strömt an einem Auslass der Energiespeichervorrichtung aus. Bei diesen Energiespeichervorrichtungen sind im Einlass- und Auslassbereich der Energiespeichervorrichtung strömungsregulierende Elemente mit besonderer Form vorgesehen, welche die Strömung des Kühlmediums beeinflussen.
• Die US 7 896 063 B2 beschreibt eine Wärmetauschstruktur für Batteriemodule. Der Wärmetauscher dient zum Kühlen oder Erwärmen der Batteriemodule, indem er Luft mithilfe eines Lüfters einbläst. Eine Halterung für die Energiespeicherzellen ist seitlich mit einer Vielzahl von hervorstehenden Finnen versehen. In Strömungsrichtung nimmt die Höhe der an beiden Seiten der Halterung vorgesehenen Finnen auf der oberen Seite ab, während sie auf der unteren Seite zunimmt. Auf diese Weise kommen die mehr zu der Eingangsöffnung gelegenen Energiespeicherzellen in stärkeren Kontakt mit dem durchströmenden Kühlmedium als die von weiter entfernten Energiespeicherzellen. Allerdings werden die in Strömungsrichtung vorne gelegenen Energiespeicherzellen bei der in der US 7 896 063 B2 beschriebenen Struktur gegenüber dem Strom des Kühlmediums abgeschattet und weitestgehend asymmetrisch angeströmt. Aufgrund der sich verändernden Größe der Finnen verändert sich die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmediums aufgrund des graduell abnehmenden Querschnitts des Strömungskanals.
• Durch die unsymmetrische Anströmung der Energiespeicherzellen kann es allerdings zu einem Temperaturgradienten innerhalb der betreffenden Speicherzellen kommen, welche eine homogene Kühlung der Energiespeicherzellen von allen Seiten ausschließt. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Betriebslebensdauer der in dieser Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzellen bzw. Batterien. Weiterhin ist die Effizienz der Kühlung aufgrund der unsymmetrischen Anströmung der Energiespeicherzellen relativ gering.
• Weiterhin erwärmt sich ein Kühlmedium bei Durchströmen einer Energiespeichervorrichtung selbst, so dass stromabwärts angeordnete Energiespeicherzellen einer Energiespeichervorrichtung weniger Kühlung durch das Kühlmedium erhalten und sich somit ein Temperaturgradient ausbildet, welcher die Betriebslebensdauer der in der Energiespeichervorrichtung enthaltenen Energiespeicherzellen beeinträchtigt.
• Es wurde daher in der JP 2000- 133 225 A ein Batteriepack mit Batteriezellen vorgeschlagen, die sich in einem Gehäuse des Batteriepacks befinden und von kühlender Luft umströmt werden, wobei in dem Gehäuse des Batteriepacks zusätzlich stromregulierende Teile vorgesehen sind, deren Querschnitte sich in Strömungsrichtung stufenweise erhöhen, um die Strömungsgeschwindigkeit der kühlenden Luft zu erhöhen und somit den Wärmetransfer der stromabwärtsgelegenen Batteriezellen in die sie umströmende kühlende Luft zu steigern. Die Querschnitte der strömungsregulierenden Teile innerhalb des Batteriepacks sind dabei allerdings festgelegt und nicht veränderlich. Daher können die strömungsregulierenden Teile innerhalb des Batteriepacks der JP 2000- 133 225 A Schwankungen in der Umgebungstemperatur oder Wärmeeinwirkungen durch externe Bauteile, die sich in der Nähe des Batteriepacks befinden oder mit dem Gehäuse des Batteriepacks thermisch gekoppelt sind, nicht ausgleichen, so dass hierdurch ungewünschte Temperaturgradienten entstehen können.
• WO 2015/ 190 440 A1 beschreibt ein Batteriepack mit Halteeinrichtungen, die Batteriezellen halten, wobei zwischen den Batteriezellen Luftwiderstands-Anpassungselemente angeordnet sind, um den Luftwiderstand kühlender Luft an verschiedenen Stellen des Batteriepacks unterschiedlich zu beeinflussen.
• DE 10 2007 017 980 A1 beschreibt eine Energiespeichereinheit mit einem Gehäuse mit Trägerplatten, zwischen welchen Energiespeicherzellen angeordnet sind.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energiespeichervorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, mit welchen die Kühlung von Energiespeicherzellen in noch effizienterer Weise und mit einer besonders gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung erfolgt.
• Die Erfindung schafft eine Energiespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
• Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung bilden die elektronischen Bauteile des Gerätes jeweils eine Wärmesenke, einen Wärmespeicher oder eine Wärmequelle.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Strömungsleitobjekte aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten, die beim Betrieb des Gerätes entstehen.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung sind die Strömungsleitobjekte stabförmig ausgebildet.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung weisen die Zellhalter elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen auf.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung sind die elektronischen Bauteile des Gerätes auf einer elektronischen Leiterplatte des Gerätes räumlich verteilt angeordnet und bewirken während eines Betriebes des Gerätes eine entsprechende örtliche Wärmverteilung.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung wird die momentane Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung mittels Temperatursensoren erfasst.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung weist das Gerät eine Nutzerschnittstelle mit einer Anzeigeeinheit zur Anzeige der momentanen Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung auf.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung weisen die elektronischen Bauteile des Gerätes zugehörige Kühleinheiten auf.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung und/oder eine räumliche Stellung bzw. Lage der Strömungsleitobjekte in Abhängigkeit der erfassten momentanen Temperaturverteilung der Energiespeichervorrichtung durch eine daran angeschlossene Regelungsschaltung während des Betriebes des Gerätes eingestellt.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung dient die Energiespeichervorrichtung zur Energieversorgung eines Schweißgerätes.
• Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung und der erfindungsgemäßen Regelungsschaltung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine seitlich perspektivische Ansicht zur Darstellung einer möglichen Energiespeichervorrichtung;
• 2 eine Ansicht von oben auf die in 1 dargestellte Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung;
• 3 eine weitere Ansicht von oben auf eine weitere mögliche Energiespeichervorrichtung;
• 4A-4F Ausführungsbeispiele für mögliche Querschnittsformen und Stellungen von Strömungsleitobjekten, welche bei einer Energiespeichervorrichtung eingesetzt werden können;
• 5 eine Ansicht von oben auf eine weitere mögliche Energiespeichervorrichtung;
• 6 eine perspektivische Ansicht von seitlich oben auf eine weitere mögliche Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung;
• 7 ein Blockschaltbild einer möglichen Ausführungsform einer Regelungsschaltung;
• 8 ein weiteres Blockschaltbild einer Regelungsschaltung;
• 9 ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Regelung einer Energiespeichervorrichtung mithilfe der in den 7, 8 dargestellten Regelungsschaltung;
• 10A, 10B Strömungsleitobjekte mit integrierten Zellhaltern einer Energiespeichervorrichtung;
• 11 eine weitere Ansicht auf Strömungsleitobjekte mit integrierten elektrischen Zellverbindern bei einer möglichen Energiespeichervorrichtung;
• 12 eine perspektivische Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 13A-13D Ansichten auf ein Gerät, das Energie aus einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung bezieht;
• 14A, 14B eine schematische Darstellung eines Querschnittes durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 15A, 15B perspektivische Darstellungen von Strömungsleitobjekten bei einem möglichen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 16 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Zellverbinders einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 17A, 17B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 18A, 18B weitere Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 19 ein Ausführungsbeispiel eines Zellverbinders als Wärmespeicher bei einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 20A, 20B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zellverbinders innerhalb einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 22A, 22B Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung;
• 23 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung mit Anzeigeeinheit.
• 1 zeigt eine Ansicht von schräg oben auf ein Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1. Die Energiespeichervorrichtung 1 verfügt über ein Gehäuse 2, das beispielsweise quaderförmig ausgebildet ist, wie in 1 dargestellt. Das Gehäuse 2 weist bei einer möglichen Ausführungsform an einer Stirnseite 2A mindestens eine Eingangsöffnung zum Einströmen eines Kühlmediums KM auf. Das Gehäuse 2 weist an seiner gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 2B mindestens eine Ausgangsöffnung zur Abgabe des Kühlmediums KM auf. Innerhalb des Gehäuses 2 sind mehrere Energiespeicherzellen 3 angeordnet. Die Energiespeicherzellen 3 sind beispielsweise wiederladbare Batteriezellen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 zylinderförmig ausgebildet und besitzen entsprechende Mantelflächen. Die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 werden zur Kühlung von einem Kühlmedium KM umströmt. Bei dem Kühlmedium KM kann es sich beispielsweise um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. Ein Kühlmedium KM ist beispielsweise Umgebungsluft, die von einem Lüfter ausgehend in die Eingangsöffnung des Gehäuses 2 einströmt. Alternativ kann es sich bei dem Kühlmedium KM auch um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, handeln. Je nach Anwendungsfall sind auch andere Kühlmedien KM möglich, beispielsweise Öl und dergleichen. Wie man in 1 erkennen kann, sind in den Zwischenräumen zwischen den Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitobjekte 4 stabförmig ausgebildet. Die Strömungsleitobjekte 4 sind geeignet, eine innerhalb des Gehäuses 2 bestehende Strömung des Kühlmediums KM derart umzulenken, dass ein höherer Flächenanteil der Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 von dem Kühlmedium KM zur Steigerung eines Wärmeübergangs ausgehend von den Mantelflächen der Energiespeicherzellen 3 in das umströmende Kühlmedium KM und zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 umströmt wird. Aufgrund des durch die Strömungsleitobjekte 4 veränderten Strömungsquerschnittes kann eine örtliche Strömungsgeschwindigkeit v, bei der das Kühlmedium KM die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt, entsprechend einer vorgegebenen Kühlanforderung angepasst werden. Die Anpassung der Form der Strömungsleitobjekte und/oder eine Veränderung der Stellung der Strömungsleitobjekte 4 erfolgt vorzugsweise in Echtzeit durch eine Regelungsschaltung 6 in Abhängigkeit von veränderlichen Umgebungsbedingungen, wie in 7 schematisch dargestellt. Diese Umgebungsbedingungen umfassen insbesondere eine Wärmeeinwirkung auf die Energiespeichervorrichtung 1 durch externe elektronische Bauteile 14 eines Gerätes 10, insbesondere eines Schweißgerätes, das durch die Energiespeichervorrichtung 1 mit Energie versorgt wird.
• Die Kühlanforderung kann je nach Anwendungsfall und Betriebszustand des Gerätes 10 und Lastzustand unterschiedlich sein. Die Kühlanforderungen können beispielsweise eine möglichst geringe Maximal-Temperatur der Energiespeichervorrichtung 1, bei gleichzeitig minimaler Spreizung bzw. minimalen Temperaturgradient umfassen. Die Kühlanforderung umfasst beispielsweise eine zweidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y) oder eine dreidimensionale Soll-Temperaturverteilung T(x, y, z) innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1. Bei einer möglichen Ausführungsform kann sich die Kühlanforderung auch dynamisch über die Zeit t verändern ((T(x, y, t); T(x, y, z, t)).
• Die Temperaturverteilung T(x, y , z)innerhalb des Gehäuses 2 kann mittels eines Planungs-Softwaretools und einer gespeicherten Bibliothek möglicher Strömungsleitobjekte 4 und Abschirmobjekte 5 unter Angabe geometrischer Randbedingungen, insbesondere einer Länge L, Höhe H und Breite B des Gehäuses 2 sowie weiterer Parameter, insbesondere Wärmeleitkoeffizienten und Strömungsrate des Kühlmediums KM, Anzahl der Reihen und Spalten an Energiezellen 3 in der x-y Ebene, sowie einer normalen und maximal erlaubten Betriebstemperatur der Energiespeicherzellen 3 berechnet bzw. simuliert werden.
• Insbesondere bei einem Anwendungsfall mit sich dynamisch veränderbarer Kühlanforderung können die Strömungsleitobjekte 4 oder Abschirmobjekte 5, wie sie in 6 dargestellt sind, bei einer möglichen zumindest teilweise mittels Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, bewegbar angeordnet vorgesehen sein. Beispielsweise können Strömungsleitobjekte 4 in der x, y-Ebene drehbar angeordnet sein oder in z-Richtung in den Hohlraum des Gehäuses 2 von oben oder unten einfahrbar sein. Die Soll-Temperaturverteilung T_soll kann geändert werden, um insbesondere einer Schwankung oder einer sensorisch erfassten Änderung der Temperatur T_KM (t) des Kühlmediums KM oder einer sensorisch erfassten Änderung der Strömungsrate des Kühlmediums KM Rechnung zu tragen. Bei einer möglichen Implementierung wird die aktuelle Temperatur T_KM des Kühlmediums KM eingangsseitig mit einem Temperatursensor 11 erfasst. Auch innerhalb des Gehäuses 2 können Temperatursensoren 11 vorgesehen sein. Dies erlaubt es, die aktuell gemessene Temperaturverteilung T_ist mit der Soll-Temperaturverteilung T_soll zu vergleichen und eine Stellung der Strömungsleitobjekte 4 und/oder der Abschirmobjekte 5 mittels einer Regelungseinheit 6 derart zu regeln, dass die in dem Gehäuse 2 gemessene Temperaturverteilung der gewünschten Soll-Temperaturverteilung entspricht. Die Soll-Temperaturverteilung ändert sich bei einer möglichen Ausführungsform in Abhängigkeit der eingesetzten Energiespeicherzellen 3. Eine erste Art von Energiespeicherzellen 3 wird beispielsweise bei einer höheren Betriebstemperatur betrieben als eine zweite Art von Energiespeicherzellen 3 und weist eine entsprechende Soll-Temperaturverteilung mit höherem Temperaturniveau auf, die bei der Anordnung und Form der Strömungsleitobjekte 4 und/oder Abschirmobjekte 5 berücksichtigt wird.
• Durch Variation der Ausführung bzw. Implementierung der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM ist es möglich, eine möglichst homogene Kühlung der Energiespeicherzellen 3 zu erreichen. Hierdurch kann eine Temperaturdifferenz zwischen den Energiespeicherzellen 3 reduziert werden, wodurch die Lebensdauer der Energiespeicherzellen 3 erhöht wird. Durch entsprechende Ausbildung der Form der Strömungsleitobjekte 4 und durch entsprechende Einstellung der momentanen Stellung der Strömungsleitobjekte 4 ist es möglich, eine weitestgehend konstante Anströmung der Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 befindlichen Energiespeicherzellen 3 zu erreichen und somit eine homogene Kühlung zu erzielen. Weiterhin ist es möglich, durch die Ausbildung und Stellung der Strömungsleitobjekte 4 die Temperaturverteilung innerhalb der jeweiligen Energiespeicherzellen 3 zu beeinflussen und damit auch eine konstante homogene Schwellentemperatur der Energiespeicherzellen 3 zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass der Temperaturgradient innerhalb einer Energiespeicherzelle 3 weitestgehend konstant ist. Weiterhin ist es möglich, durch Ausbildung und Stellung der Strömungsleitobjekte 4 einen Druckverlust bei vorgegebenem Bauraum des Gehäuses 2 zu optimieren, wobei sich dies wiederum positiv auf den Volumenstrom des Kühlmediums KM auswirkt. Dies kann beispielsweise im Zusammenspiel mit einer Strömungserzeugungseinheit, beispielsweise einem Lüfter, erfolgen, welcher die Strömung des Kühlmediums KM antreibt.
• Die Strömung des Kühlmediums KM, mit welcher die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt werden, kann durch die Strömungsleitobjekte 4 in Betrag und Richtung derart angepasst werden, dass sich dadurch eine örtlich definierte Kühlwirkung des Kühlmediums KM auf die Mantelflächen der umströmten Energiespeicherzellen 3 und somit eine örtlich definierte Temperatur der Energiespeicherzellen 3 ergibt. Die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 reihenförmig angeordneten Energiespeicherzellen 3 werden vorzugsweise von dem Kühlmedium KM in dessen Strömungsrichtung von einem wellen- oder mäanderförmigen Strömungsprofil umströmt. An der Stirnseite 2A des Gehäuses 2 strömt das Kühlmedium KM zur Kühlung der in dem Gehäuse 2 befindlichen Energiespeicherzellen 3 mit einer Eingangsströmungsgeschwindigkeit v1 ein. An der gegenüberliegenden anderen Stirnseite 2B des Gehäuses 2 strömt das Kühlmedium KM an mindestens einer Ausgangsöffnung mit einer Ausgangsströmungsgeschwindigkeit v2 aus. Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmediums KM durch die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordneten Strömungsleitobjekte 4 gegenüber der Eingangsströmungsgeschwindigkeit und/oder gegenüber der Ausgangsströmungsgeschwindigkeit verändert. Aufgrund des durch die Strömungsleitobjekte 4 veränderten Strömungsquerschnittes kann die örtliche Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher das Kühlmedium KM die Mantelflächen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 jeweils umströmt, höher oder niedriger als die Eingangsströmungsgeschwindigkeit v1 und/oder höher oder niedriger als die Ausgangsströmungsgeschwindigkeit v2 des Kühlmediums KM sein.
• Die Strömungsleitobjekte 4 sind vorzugsweise stabförmig ausgebildet, wie in 1 dargestellt. Sie können dabei je nach Anwendungsfall einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, wie in den 4A, 4B, 4C, 4D dargestellt.
• Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die Strömungsleitobjekte 4 einen halbkreisförmigen Querschnitt wie in 4A dargestellt auf. Weiterhin können die Strömungsleitobjekte 4 auch einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, wie in 4B dargestellt. Die Strömungsleitobjekte 4 können auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wie in 4C dargestellt. Darüber hinaus werden bei einer bevorzugten Ausführungsform auch Strömungsleitobjekte 4 mit einem tropfenförmigen Querschnitt mit besonders geringem Strömungswiderstand verwendet, wie in 4D schematisch dargestellt. Es ist nicht erforderlich, dass die Strömungsleitobjekte 4 alle den gleichen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können unterschiedlich geformte Strömungsleitobjekte 4 mit unterschiedlichem Querschnitt je nach Anwendungsfall innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet werden.
• Die Strömungsleitobjekte 4 umfassen zumindest teilweise auch bewegliche, insbesondere schwenkbare oder drehbar gelagerte Strömungsleitobjekte 4, wie in den 4E, 4F schematisch dargestellt. Die Schwenkung (4E) oder Drehung (4F) eines Strömungsleitobjektes 4 zwischen verschiedenen Stellungen erfolgt mit Hilfe eines zugehörigen Aktuators 12, insbesondere einem Stellmotor 12, der durch die Regelungsschaltung 6 angesteuert wird. Auf diese Weise kann das anströmende Kühlmedium KM innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 durch die Regelungsschaltung 6 je nach Betriebszustand bzw. erfasster Temperaturverteilung nach oben oder unten umgelenkt werden, um beispielsweise das Kühlmedium KM auf Zonen mit hohen Temperaturen umzulenken.
• Bei einer möglichen Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 1 sind die Energiespeicherzellen 3 gleichmäßig beabstandet in dem Gehäuse 2 angeordnet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 gleichmäßig beabstandet in mehreren quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM ausgerichteten Reihen innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet.
• Bei einer möglichen Ausführungsform können für die in der ersten Reihe der in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordneten Energiespeicherzellen 3, welche der mindestens einen Eingangsöffnung des Gehäuses 2 zugewandt sind, zusätzlich jeweils Abschirmobjekte 5 zur teilweisen Abschirmung von Mantelflächen der entsprechenden Energiespeicherzellen 3 vor dem in das Gehäuse 2 einströmenden Kühlmedium vorgesehen sein, wie in 6 dargestellt
• Die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums können über mehrere Reihen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 hinweg konstant sein, wie in 1 und in 2 dargestellt. Alternativ können sich die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums über die verschiedenen Reihen der in dem Gehäuse 2 angeordneten Energiespeicherzellen 3 hinweg auch verändern, wie beispielsweise in 3 dargestellt. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel nimmt der Querschnitt der stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 graduell zu. Darüber hinaus sind in den Zwischenräumen zwischen den Energiespeicherzellen 3 der ersten Reihen keine Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen. Erst ab der fünften Reihe sind Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen, deren runder Querschnitt graduell über die Reihen hinweg in Strömungsrichtung zunimmt. Wie man aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 erkennen kann, ist es nicht erforderlich, dass die Strömungsleitobjekte 4 in allen Zwischenräumen bzw. zwischen allen Reihen von Energiespeicherzellen 3 vorgesehen sind. Durch stufenweise oder graduelle Erhöhung des Querschnittes der Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM kann bei einer möglichen Ausführungsform eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 erzielt werden. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel variieren die Querschnitte der verschiedenen Strömungsleitobjekte 4 in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 sich quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums verändern, wie in 5 dargestellt. Beispielsweise können die am Rand des Kühlstromes vorgesehenen Strömungsleitobjekte 4 einen anderen Querschnitt aufweisen als die in der Mitte der Strömung des Kühlmediums KM vorgesehenen Strömungsleitobjekte 4. Beispielsweise nehmen die Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 quer zur Strömungsrichtung graduell zu, um eine noch gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen den Energiespeicherzellen 3 zu erzielen, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 gezeigt. Auch die Querschnittsformen der Strömungsleitobjekte 4 können sich in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM und/oder auch quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM verändern. Beispielsweise können am Rande des Strömungskanals Strömungsleitobjekte 4 mit einem kreisrunden Querschnitt verwendet werden, während in der Mitte des Strömungskanals vorzugsweise Strömungsleitobjekte 4 mit tropfenförmigem Querschnitt eingesetzt werden. Durch die Verwendung verschiedenartiger Strömungsleitobjekte 4 können die Strömungsprofile zwischen den Energiespeicherzellen 3 individuell für den jeweiligen Anwendungsfall gestaltet werden. Die Energiespeicherzellen 3 können aufladbare Batterien, Elektrolytkondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie aufweisen. Die Verwendung sonstiger Energiespeicherzellen ist möglich.
• Bei einer weiteren möglichen Energiespeichervorrichtung 1 sind die Strömungsleitobjekte 4 Teil eines austauschbaren Aufnahmekäfigs 7 zur Aufnahme von Energiespeicherzellen 3. Dieser Aufnahmekäfig 7 weist bei einer möglichen Ausführungsform zwei zueinander parallel angeordnete Platten auf, die über die stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 miteinander verbunden sind. Diese beiden einander gegenüberliegenden Platten weisen vorzugsweise jeweils ein zweidimensionales Aufnahmeraster mit Aufnahmeöffnungen zur Aufnahme der in Reihen angeordneten Energiespeicherzellen 3 auf. Bei zylinderförmigen Energiespeicherzellen 3, wie sie in 1 dargestellt sind, weisen die Aufnahmeöffnungen einen kreisrunden Querschnitt auf, der es erlaubt, die Energiespeicherzellen 3 von oben durch die Aufnahmeöffnung einer Platte einzusetzen. Hierdurch kann die Montage der Energiespeichervorrichtung 1 erleichtert werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform sind an einer oder an beiden den Energiespeicherzellen 3 zugewandten Oberflächen der Platten des Aufnahmekäfigs zusätzlich noppen- und flossenförmige Strömungsleitobjekte 4 vorgesehen, die Verwirbelungen des durch das Gehäuse 2 hindurchströmenden Kühlmediums KM entlang der Mantelflächen der in dem Aufnahmekäfig 7 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 zur Erhöhung einer örtlichen Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmediums KM entlang der Mantelflächen hervorrufen. Die Energiespeicherzellen 3 können jeweils in zylinderförmigen Speicherpackungen mit einer äußeren Mantelfläche integriert sein, wie in 1 dargestellt.
• Die Form der Strömungsleitobjekte 4 ist vorzugsweise veränderlich und kann an die Umgebungsbedingungen dynamisch angepasst werden. Dies kann bei einer möglichen Ausführungsform durch Drehung der Strömungsleitobjekte 4 relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM geschehen. Bei einer möglichen Implementierung erfolgt dies durch Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, die durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch Strömungsleitobjekte 4, beispielsweise Strömungsfinnen, von außen in das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eingeführt bzw. darin abgesenkt werden. Auch dies kann mit Hilfe von Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, geschehen, die durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden.
• Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Strömungsleitobjekte 4 ein variables Volumen. Dabei können die Strömungsleitobjekte 4 beispielsweise eine Wandung aus elastischem Material haben und bei Bedarf durch Druckluft - gesteuert durch die Regelungsschaltung 6 - aufgeblasen werden, um eine Umlenkung des umströmenden Kühlmediums KM zu erzielen.
• Die in den 1 bis 6 beispielhaft dargestellte Energiespeichervorrichtung 1 kann in einer Schweißstromquelle eines Schweißgerätes integriert werden. Die Einbaurichtung kann dabei je nach Anwendungsfall variieren. Beispielsweise verlaufen die stabförmig ausgebildeten Strömungsleitobjekte 4 je nach Einbaulage der Energiespeichervorrichtung 1 in horizontaler Richtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung 1 in der Schweißstromquelle des Schweißgerätes austauschbar vorgesehen. Die Anzahl der Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann je nach Anwendungsfall variieren. Die Energiespeicherzellen 3 und dazwischen vorgesehenen stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 sind vorzugsweise in Strömungsrichtung des Kühlmediums KM entlang der Strömungsachse symmetrisch angeordnet. Hierdurch kann eine symmetrische Anströmung der Mantelflächen der Energiespeicherzellen 3 erreicht werden. Auf diese Weise werden auch die Temperaturgradienten innerhalb der verschiedenen Energiespeicherzellen 3 verringert und somit deren individuelle Betriebslebensdauer erhöht. Die Energiespeichervorrichtung 1 eignet sich insbesondere für den Einbau in ein tragbares Schweißgerät zu dessen Stromversorgung während des Schweißprozesses.
• Die Energiespeichervorrichtung 1 kann vorzugsweise über eine Schnittstelle an ein Ladegerät zum Aufladen der Energiespeicherzellen 3 angeschlossen werden. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform können auch Stromschienen als Strömungsleitobjekte 4 zur Wärmeabfuhr genutzt werden.
• 7 zeigt ein Blockschaltbild einer Energiespeichervorrichtung 1, die durch eine Regelungsschaltung 6 geregelt wird. Ein Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1 ist in 1 dargestellt. Die durch die Regelungsschaltung 6 geregelte Energiespeichervorrichtung 1 umfasst mehrere Energiespeicherzellen 3, die in einem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind, wie es in 1 dargestellt wird. Das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 ist zur homogenen Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen 3 von einem Kühlmedium KM durchströmbar. Die Energiespeichervorrichtung 1 dient zur Stromversorgung eines Gerätes 10, beispielsweise als Bestandteil einer Stromquelle eines Schweißgerätes, wie in den 13A-13D dargestellt. Bei dem zu versorgenden elektrischen Gerät 10 kann es sich auch um andere tragbare oder nicht tragbare Geräte handeln.
• Die in dem Blockschaltbild gemäß 7 dargestellte Regelungsschaltung 6 umfasst eine Berechnungseinheit 6A und einen Datenspeicher 6B, wie in 8 gezeigt ist. In dem Datenspeicher 6B der Regelungsschaltung 6 ist ein zugehöriger digitaler Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 gespeichert.
• Der gespeicherte digitale Zwilling DT (engl. digital twin) stellt eine digitale Repräsentanz des materiellen realen Objektes, d.h. der Energiespeichervorrichtung 1, dar. Der gespeicherte digitale Zwilling DT kann verschiedene Formen aufweisen. Der digitale Zwilling DT kann bei einer möglichen Implementierung ein Verhaltensmodell der Energiespeichervorrichtung 1 aufweisen. Der digitale Zwilling DT kann auch ein 3D-Modell oder ein Funktionsmodell der Energiespeichervorrichtung 1 aufweisen, das mechanische, elektronische und andere Eigenschaften und Leistungsmerkmale des realen Zwillings bei einer modellbasierten Ausgestaltung der Energiespeichervorrichtung 1 möglichst realistisch und umfassend abbildet. Bei einer möglichen Ausführungsform können unterschiedliche digitale Zwillinge von Komponenten der Energiespeichervorrichtung 1, beispielsweise digitale Zwillinge der Energiespeicherzellen 3, der Strömungsleitobjekte 4, der Zellhalter 8 oder der Zellverbinder 9 miteinander zur Erstellung eines digitalen Zwillings DT der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 verknüpft werden. Die digitalen Zwillinge der Komponenten werden bei einer mögliche Ausführungsform von einer Bibliothek einer Datenbank geladen und mit Hilfe eines Editors logisch und funktional für die Auslegung einer Variante der Energiespeichervorrichtung 1 entsprechend einem Anwendungsfall zur Generierung eines digitalen Zwillings DT der entsprechenden Variante miteinander verknüpft. Mit Hilfe des digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 lässt sich ein Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 berechnen bzw. simulieren.
• Das Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 umfasst einerseits ein elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 und andererseits ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1. Das Betriebsverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 ist auch abhängig vom jeweils zugrundliegenden physikalisch/chemischen Speicherprinzip. Bei Verwendung von Li Ionen Akkus als Energiespeicherzellen 3 gibt es z.B. innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 elektrochemische Reaktionen. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann aber auch z.B. nur kapazitive Speicherelemente (Kondensatoren) beinhalten, so dass keine elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Ein digitaler Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 ist unter Berücksichtigung des zugrundeliegenden Speicherprinzips als Modell hinterlegt. Die Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 berechnet basierend auf dem in dem Datenspeicher 6B gespeicherten digitalen Zwilling DT der betreffenden Energiespeichervorrichtung 1 ein elektrisches und/oder thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1. In Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 wird diese durch einen Regler der Regelungsschaltung 6 geregelt. Bei einer möglichen Ausführungsform der Regelungsschaltung 6 wird durch die Berechnungseinheit 6A das mit Hilfe des digitalen Zwillings DT berechnete thermische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mit einem gemessenen thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung von Abweichungen verglichen. Bei einer möglichen Implementierung können analoge oder digitale Signale, welche das gemessene und berechnete thermische Verhalten widerspiegeln, durch einen Komparator der Regelungsschaltung 6 miteinander verglichen werden. Die Regelungsschaltung 6 kann anhand der ermittelten Abweichungen zwischen dem durch die Berechnungseinheit 6A mithilfe des digitalen Zwillings berechneten elektrischen und/oder thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 und dem mittels Sensoren 11 gemessenen elektrischen und/oder thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mindestens einen Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 regeln.
• Bei dem geregelten Betriebsparameter BP kann es sich bei einer möglichen Ausführungsform um eine elektrische Leistung P handeln, die von der Energiespeichervorrichtung 1 an eine daran angeschlossene elektrische Last abgegeben wird. Diese Last kann eine oder mehrere elektrische Leistungsbauteile 14 innerhalb eines Gerätegehäuses 18 des Gerätes 10 umfassen, die über Stromanschlusskontakte 16 der Energiespeichervorrichtung 1 mit Strom versorgt werden. Weiterhin kann es sich bei dem Betriebsparameter BP um einen elektrischen Strom I handeln, den eine angeschlossene Last von der Energiespeichervorrichtung 1 bezieht. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist der Betriebsparameter BP eine von der Energiespeichervorrichtung 1 bereitgestellte elektrische Ausgangsspannung U für eine daran angeschlossene Last. Weiterhin kann es sich bei dem Betriebsparameter BP um eine Betriebstemperatur T der Energiespeichervorrichtung 1 handeln. Bei einer weiteren möglichen Regelungsschaltung 6 stellt die Regelungsschaltung 6 eine Strömungsrate des Kühlmediums KM als weiteren Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 ein. Hierzu kann die Regelungsschaltung 6 über eine Steuerleitung ein Strömungsventil als Aktuator 12 ansteuern. Die Regelungsschaltung 6 kann einen oder mehrere Betriebsparameter BP in Abhängigkeit der ermittelten Abweichung zwischen dem berechneten thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 mit dem sensorisch gemessenen thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 einstellen. Die Einstellung der Betriebsparameter BP kann durch die Regelungsschaltung 6 in Echtzeit unter Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen in Abhängigkeit eines ermittelten momentanen Betriebszustandes des Gerätes 10 erfolgen.
• Bei einer weiteren möglichen Regelungsschaltung 6 kann die Regelungsschaltung 6 zumindest einen Teil bzw. eine Untergruppe der innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 vorgesehene Strömungsleitobjekte 4 in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 hinsichtlich ihrer momentanen Stellung als Betriebsparameter BP einstellen, beispielsweise quer zu der Strömungsrichtung des Kühlmediums KM drehen. Hierzu kann die Regelungsschaltung Aktuatoren 12, insbesondere Stellmotoren, ansteuern. Hierzu sind die betreffenden Strömungsleitobjekte 4 bei einer möglichen Implementierung drehbar in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 gelagert und können mittels durch die Regelungsschaltung 6 ansteuerbarer Aktuatoren 12 quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM gedreht werden, um das Kühlmedium KM innerhalb des Gehäuses 2 umzulenken, insbesondere auf sensorisch erfasste Hotspots mit stark erhitzten Energiespeicherzellen 3. Die 4A bis 4D zeigen mögliche Querschnittsformen von Strömungsleitobjekten 4. Bei einer möglichen Ausführungsform kann zumindest ein Teil der stabförmigen Strömungsleitobjekte 4 drehbar in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sein. Die Regelungsschaltung 6 kann in Abhängigkeit eines ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 die drehbar gelagerten Strömungsleitobjekte 4 relativ zur Strömungsrichtung des Kühlmediums KM einstellen, wie in den 4E ,4F schematisch dargestellt.
• Bei einer möglichen Regelungsschaltung 6 kann die Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 anhand des ermittelten Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 eine verbleibende elektrische Leistung oder verbleibende elektrische Ladung der Energiespeichervorrichtung 1 zur Versorgung eines Gerätes 10, beispielsweise eines Schweißgerätes, berechnen. Bei einer möglichen Ausführungsform berechnet ein Prozessor oder ASIC oder FDPGA der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 ein thermisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 in Echtzeit während des laufenden Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1.
• Die in der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 weisen bei einer möglichen Ausführungsform aufladbare Batterien, Elektrolytkondensatoren oder elektrochemische Kondensatoren zur Speicherung elektrischer Energie auf. Bei einer möglichen Ausführungsform bildet die Energiespeichervorrichtung 1 ein Akkupack mit mehreren Akkuzellen, welche beim Laden und Entladen Wärme erzeugen. Mithilfe der Regelungsschaltung 6 und dem entsprechenden Regelungsverfahren, wie es im Ablaufdiagramm gemäß 9 dargestellt ist, ist es möglich, gezielt Wärme Q abzuführen, um eine möglichst lange Betriebslebensdauer und eine hohe Effizienz der Energiespeicherzellen 3 zu gewährleisten.
• 9 zeigt ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Regeln eines Betriebes einer Energiespeichervorrichtung 1, welche mehrere Energiespeicherzellen 3 aufweist, die in einem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind.
• In einem ersten Schritt S1 wird ein thermisches und/oder elektrisches Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 anhand eines gespeicherten digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 zur Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 berechnet. Der digitale Zwilling DT kann beispielsweise in dem Datenspeicher 6B der Regelungsschaltung 6 gespeichert sein, wie er in 8 dargestellt ist. Die Berechnung des thermischen und/oder elektrischen Verhaltens der Energiespeichervorrichtung 1 anhand des gespeicherten digitalen Zwillings DT der Energiespeichervorrichtung 1 erfolgt durch einen Prozessor, FPGA, Controller oder ASIC der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6.
• In einem weiteren Schritt S2 wird mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Betriebszustandes der Energiespeichervorrichtung 1 dynamisch eingestellt, vorzugsweise in Echtzeit.
• Der in dem Datenspeicher 6B gespeicherte digitale Zwilling DT bildet ein Simulationsdatenmodell der zugehörigen Energiespeichervorrichtung 1. Mithilfe des digitalen Zwillings DT ist es möglich, das thermische und/oder elektrische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 entsprechend den Lastfällen zu berechnen. Die Last kann aus einer elektrischen Last des Gerätes 10 bestehen, beispielsweise einem elektrischen Schalter als Leistungsbauteil 14, wobei die Steuereinheit der Last über eine Schnittstelle mit der Berechnungseinheit 6A kommuniziert und mit dieser Daten austauscht. Diese Daten können durch die Berechnungseinheit 6A zur Ermittlung des momentanen Betriebszustandes des Gerätes 10 und der darin enthaltenen Energiespeichervorrichtung 1 ausgewertet werden. Dabei ist es möglich, auch Fehlerfälle zu identifizieren bzw. zu selektieren. Wird durch die Regelungsschaltung 6 aufgrund einer hohen Abweichung zwischen dem berechneten thermischen Verhalten und dem gemessenen thermischen Verhalten ein Fehlerfall detektiert, kann bei einer möglichen Ausführungsform durch die Regelungsschaltung 6 die zugehörige Energiespeichervorrichtung 1 automatisch in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform sind in der Energiespeichervorrichtung 1 Sensoren 11, insbesondere Temperatursensoren und elektrische Sensoren, integriert. Diese Sensoren 11 liefern fortlaufend Messdaten MD an die Regelungsschaltung 6. Das mittels der thermischen Sensoren 11 gemessene thermische Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 kann durch einen Komparator innerhalb der Berechnungseinheit 6A der Regelungsschaltung 6 mit dem anhand des gespeicherten digitalen Zwillings DT berechneten thermischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 fortlaufend verglichen werden, um Temperatur-Abweichungen festzustellen. Ferner kann optional auch ein mittels der elektrischen Sensoren 11 (Stromsensoren, Spannungssensoren) gemessene elektrische Verhalten durch die Regelungsschaltung 6 mit dem anhand eines weiteren digitalen Zwillings DT berechneten elektrischen Verhalten der Energiespeichervorrichtung 1 fortlaufend verglichen werden, um elektrische Abweichungen (Stromabweichungen, Spanungsabweichungen) festzustellen. Mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 wird in Abhängigkeit dieser ermittelten Abweichung eingestellt bzw. geregelt.
• Das in dem Datenspeicher 6B gespeicherte Simulationsmodell bzw. der digitale Zwilling DT der Energiespeichervorrichtung 1 kann durch die Berechnungseinheit 6A dazu herangezogen werden, eine verbleibende Akkuleistung bzw. elektrische Leistung P der Energiespeichervorrichtung 1 zur Versorgung einer elektrischen Last des Gerätes 10, beispielsweise eines Schweißgerätes, zu berechnen. Über eine Nutzerschnittstelle des Gerätes 10 kann einem Nutzer die verbleibende elektrische Leistung P zum Betreiben des betreffenden Gerätes 10, beispielsweise des Schweißgerätes, angezeigt werden. Dem Nutzer kann über die Nutzerschnittstelle aufgrund einer Schweißnahtplanung verschiedene Parameter angezeigt werden. Diese Parameter umfassen beispielsweise die Anzahl der noch zu verschweißenden Elektroden, die Drahtlänge oder Schweißnahtlänge. Beispielsweise kann bei einem möglichen Anwendungsfall dem Nutzer auch angezeigt werden, dass noch eine gewisse Anzahl von Werkstücken mit der verbleibenden berechneten Akkuleistung der Energiespeichervorrichtung 1 durch das Schweißgerät verschweißt werden können. Durch Einsatz von Referenzsensoren kann mittels des digitalen Zwillings DT auf das Temperaturverhalten im gesamten Akkupack bzw. in der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 rückgeschlossen werden. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann in einem austauschbaren Gehäuse 2 integriert sein, welches elektrische Anschlusskontakte 16 zum Anschluss an eine elektronische Leiterplatte 13 eines Gerätes 10 aufweist, insbesondere eines Schweißgerätes, wie in den 13A-13D dargestellt.
• Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Regelungsschaltung 6 in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 integriert.
• 10A, 10B zeigen Ausführungsbeispiele von Strömungsleitobjekten 4 mit Zellhaltern 8 eines Aufnahmekäfigs 7 bei einer möglichen Energiespeichervorrichtung 1.
• Die Energiespeichervorrichtung 1 ist ausgebildet mit mehreren Energiespeicherzellen 3, wie auch in 1 dargestellt. Die Strömungsleitobjekte 4 verbinden einander gegenüberliegende Zellhalter 8 und bilden einen Aufnahmekäfig 7, wie in den 10A, 10B dargestellt. Diese Zellhalter 8 sind zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen 3 vorgesehen, wie auch in 10B dargestellt. Die Zellhalter 8 weisen jeweils elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen 3 auf. Wie man in 10A erkennen kann, sind die Strömungsleitobjekte 4 vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Dabei können sie auch unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, wie im Zusammenhang mit 4A bis 4D erläutert. Die Strömungsleitobjekte 4 bilden bei einer möglichen Ausführungsform mit zugehörigen Zellhaltern 8 einen Aufnahmekäfig 7 zur Aufnahme einer Gruppe von Energiespeicherzellen 3. Bei dem in den 10A, 10B dargestellten Beispiel wird eine Gruppe von sechs Energiespeicherzellen 3 in einen zugehörigen Aufnahmekäfig 7 eingesetzt. Dieser Aufnahmekäfig 7 kann seinerseits in das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eingesetzt werden. Die Energiespeicherzellen 3 können fest angelötet oder austauschbar in den Zellhaltern 8 des Aufnahmekäfigs 7 angeordnet sein. Die Strömungsleitobjekte 4 des Aufnahmekäfigs 7 dienen zur Einflussnahme auf die erzwungene Konvektion des Kühlmediums KM zur Steuerung des Wärmehaushaltes der Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Die Geometrie der Strömungsleitobjekte 4 wird vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese neben dieser primären Funktion zusätzlich eine mechanische Halterung der jeweiligen Energiespeicherzellen 3 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 bieten. Hierdurch wird ein Aufnahmekäfig 7 gebildet, der sowohl strömungsmechanische als auch einfache mechanische Halterungsfunktionen in Bezug auf die jeweiligen Energiespeicherzellen 3 übernimmt. Bei dem in 10A dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Aufnahmekäfig 7 zwei verbindende Strömungsleitobjekte 4 mit sechs einander gegenüberliegenden Zellhaltern 8 bzw. Halterungen für eine entsprechende Anzahl von Energiespeicherzellen 3. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der in 10A dargestellte Aufnahmekäfig 7 zweiteilig aufgebaut. An den Strömungsleitobjekten 4 können Steckverbindungen vorgesehen sein, die es erlauben, einen oberen Teil des Aufnahmekäfigs 7 mit einem unteren gegenüberliegenden Teil des Aufnahmekäfigs 7 lösbar zusammenzufügen. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch von einzelnen Energiespeicherzellen 3. Die beiden Teile des Aufnahmekäfigs 7 können beispielsweise durch Spritzguss gefertigt werden. Bei speziellen Ausfertigungen können zusätzlich mechanische Verstärkungen mitintegriert werden, beispielsweise ein Zellverbinder 9 mit Kunststoffummantelung oder Faserverstärkung. Das Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 kann bei einer möglichen Ausführungsform an einer Oberseite geöffnet werden, so dass Aufnahmekäfige 7 innerhalb des Gehäuses 2 durch einen Nutzer manuell ausgetauscht werden können, um Energiespeicherzellen 3 einzeln oder gruppenweise zu ersetzen.
• 10A, 10B zeigen somit den Aufnahmekäfig 7 für eine Energiespeichervorrichtung 1 mit einander gegenüberliegenden Zellhaltern 8 zur mechanischen Halterung von Energiespeicherzellen 3 und mit stabförmigen Strömungsleitobjekten 4, welche die gegenüberliegenden Zellhalter 8 miteinander verbinden. Bei einer möglichen Ausführungsform können die Strömungsleitobjekte 4 zudem jeweils eine elektrische Isolationsschicht 4A zur elektrischen Isolation von elektrischen Kontakten einander gegenüberliegender Zellhalter 8 aufweisen, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 11 dargestellt. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitobjekte 4 derart ausgestaltet, dass sie zusätzlich eine elektrische Verbindung unter den jeweiligen Energiespeicherzellen 3 der Energiespeichervorrichtung 1 übernehmen. Dabei wird ein Aufnahmekäfig 7 gebildet, bei dem die Strömungsleitobjekte 4 neben der strömungsmechanischen und thermischen Funktion zusätzlich auch noch eine elektrische Funktion in Bezug auf die Energiespeicherzellen 3 der Energiespeichervorrichtung 1 übernehmen. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Energiespeicherzellen 3 über Zellverbinder 9 elektrisch in Reihe verschaltet. Die verschiedenen Strömungsleitobjekte 4 weisen jeweils eine elektrische Isolationsschicht 4A auf. Bei der Ausgestaltung der Zellverbinder 9 können verschiedene Fertigungsmethoden, beispielsweise ein sogenanntes SLM-Verfahren, zur Anwendung kommen. Die Aufnahmekäfige 7 erlauben es bei einer möglichen Ausführungsform, den Verkabelungsaufwand innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 zu reduzieren.
• 12 dient zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. Bei der Energiespeichervorrichtung 1 sind die Strömungsleitobjekte 4 derart vorgeformt und/oder gedreht, dass die durch die externen elektronischen Bauteile 14 eines Gerätes 10 während des Betriebes des Gerätes 10 entstehende Wärmeverteilung bzw. Temperaturverteilung T(x, y, z) eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung T' (x, y, z) innerhalb der betreffenden Energiespeichervorrichtung 1 hervorruft. 12 zeigt perspektivisch eine Ansicht auf eine mögliche Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 1 mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, die in dem Gehäuse 2 der Energiespeichervorrichtung 1 angeordnet sind. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann als austauschbares Akkupack innerhalb eines Gehäuses 18 eines Gerätes 10 vorgesehen sein, beispielsweise innerhalb einer Stromquelle eines Schweißgerätes. Ein derartiges Gerät 10 verfügt über elektronische Bauteile 14, insbesondere Leistungsbauteile, welche jeweils als Wärmesenke, Wärmespeicher oder Wärmequelle wirken. Beispielsweise können derartige elektronische Bauteile 14 des betreffenden Gerätes 10 auf einer elektronischen Leiterplatte 13 des Gerätes 10 räumlich verteilt angeordnet sein. Diese Bauteile 14 befinden sich in räumlicher Nähe zu der Energiespeichervorrichtung 1. Die Verteilung der verschiedenen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 in der Nähe der Energiespeichervorrichtung 1 hat eine Auswirkung auf die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 sind die Strömungsleitobjekte 4 derart vorgeformt bzw. geometrisch ausgelegt oder eingestellt, dass die durch die externen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 hervorgerufene Wärmeverteilung eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 hervorruft. Hierdurch kann die Betriebslebensdauer der innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 enthaltenen Energiespeicherzellen 3 erhöht werden. Befindet sich beispielsweise ein Hochleistungs-Transformator als elektronisches Bauteil 14 über einer ersten Zone der Energiespeichervorrichtung 1, wie in 12 schematisch dargestellt, besteht in diesem Bereich eine hohe Wärmezufuhr, die sich auf das Temperaturverhalten bzw. die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 auswirkt. Da die Anordnung der elektronischen Bauteile 14 innerhalb des Gerätes 10 bekannt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 1 geometrisch derart ausgelegt oder deren Strömungsleitobjekte 4 derart eingestellt werden, dass in der in der Nähe des Hochleistung-Transformators befindlichen ersten Zone bzw. dem ersten Bereich der Energiespeichervorrichtung 1 eine besonders starke Kühlung durch das umgelenkte Kühlmedium KM erfolgt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Strömungsleitobjekte 4 entsprechend geformt und eingestellt sind, sodass das durchströmende Kühlmedium KM in der betreffenden Zone 1 in der Nähe des Hochleistung-Transformators, der eine Wärmequelle bildet, eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt. Weiterhin kann zumindest ein Teil der Strömungsleitobjekte 4 innerhalb des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 drehbar gelagert sein. Durch Drehung der Querschnitte der Strömungsleitobjekte 4 kann das durchströmende Kühlmedium KM in den Bereich bzw. in diejenige Zone der Energiespeichervorrichtung 1 umgeleitet werden, in dem/der eine hohe Wärmezufuhr aufgrund eines räumlich benachbarten elektronischen Bauteils 14 entsteht. Das Vorsehen von drehbar gelagerten Strömungsleitobjekten 4 bietet den Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung 1 für verschiedene Anordnungen von elektronischen Bauteilen 14 innerhalb des Gerätes 10 eingestellt bzw. konfiguriert werden kann. Bei einer möglichen Implementierung wird mindestens ein Teil der Strömungsleitobjekte 4 mit Aktuatoren 12 während des Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 gedreht. Diese Aktuatoren 12 können beispielsweise durch eine Regelungsschaltung 6 angesteuert werden. Wird beispielsweise in einer Zone oder einem Bereich der Energiespeichervorrichtung 1 ein besonders hoher Temperaturanstieg sensorisch erfasst, kann das Kühlmedium KM mithilfe der einstellbaren Strömungsleitobjekte 4 in diesen Bereich bzw. in diese Zone umgelenkt werden, um dort eine höhere Kühlwirkung zu erzielen. Gleichzeitig können weitere Betriebsparameter BP eingestellt werden. Beispielsweise kann die Strömungsrate des Kühlmediums KM entsprechend gesteigert werden, um den erfassten Temperaturanstieg auszugleichen. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Strömungsleitobjekte 4 aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C zum Glätten thermischer Spitzenlasten, die während des Betriebes des Gerätes 10 entstehen, gebildet. Auch die Zellverbinder 9 können aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes bestehen.
• Bei einer möglichen Ausführungsform weisen die Zellverbinder 9 eine Kapsel zur Aufnahme eines spezifischen Materials auf, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft. Beispielsweise kann es sich bei dem Material um Paraffin handeln, das bei Erwärmung schmilzt. Ein derartiges spezifisches Material erlaubt es, eine hohe Wärmemenge Q aufzunehmen, um thermische Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes 10 auszugleichen.
• Die externen elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 können bei einer möglichen Ausführungsform ihrerseits zugehörige Kühleinheiten 15, beispielsweise Kühlkörper oder dergleichen, aufweisen.
• Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung 1 als Akku-Pocket ausgelegt und derart aufgebaut, dass auf einer Seite des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 eine danebenliegende elektronische Leiterplatte 13 mit elektronischen Bauteilen 14 vorgesehen ist. Diese elektronischen Bauteile 14 können beispielsweise Wärmequellen umfassen, beispielsweise einen Transformator, der während des Betriebes Hitze bzw. Wärme Q erzeugt. Weiterhin kann es sich bei den elektronischen Bauteilen 14 auch um Wärmesenken handeln, beispielsweise große Kondensatoren oder dergleichen. Diese verschiedenen elektronischen Bauteile 14 sind auf der Leiterplatte 13 des Gerätes 10 räumlich verteilt angeordnet. Die Strömungsleitobjekte 4 sind aus einem Material hergestellt, das eine bestimmte spezifische Wärmekapazität aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass bei Auftreten thermischer Spitzenlasten die Strömungsleitobjekte 4 zuerst eine gewisse Wärme Q aufnehmen können und gegebenenfalls auch eine gewisse Wärme Q später wieder gezielt abgeben können. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei kurzzeitiger hoher Stromentnahme eines elektrischen Stromes I durch eine an der Energiespeichervorrichtung 1 angeschlossene elektrische Last das Auftreten einer Übertemperatur innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 verhindert werden kann.
• 13A-13D zeigen Ansichten auf ein Gerät 10, das eine Energiespeichervorrichtung 1 zur Energieversorgung aufweist, wobei das Gehäuse des Gerätes 10 entfernt ist.
• 13A zeigt eine Ansicht auf ein Gerät 10, das eine Energiespeichervorrichtung 1 enthält. In 13A ist die Energiespeichervorrichtung 1 ohne das umfassende Gehäuse 2 dargestellt. Die Energiespeichervorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, beispielsweise Akkuzellen. Bei dem in 13A dargestellten Ausführungsbeispiel erkennt man einen Seitendeckel für die Energiespeicherzellen 3, der Teil des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 sein kann. Die Energiespeicherzellen 3 werden durch Zellhalter 8 mechanisch gehalten. Diese Zellhalter 8 umfassen jeweils elektrische Kontakte zum elektrischen Anschluss an die beiden Pole der Energiespeicherzellen 3. Die Energiespeichervorrichtung 1 dient zur Energieversorgung des in 13A dargestellten Gerätes 10. Hierzu weist die Energiespeichervorrichtung 1 Stromanschlüsse 16 auf. In der Energiespeichervorrichtung 1 umfasst das Gerät 10 weitere Komponenten und Bauteile. Bei dem in 13A dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl von elektronischen Komponenten auf einer Leiterplatte 13 räumlich verteilt angeordnet. Einige der elektronischen Bauteile 14 können eigene Kühlkörper 15 aufweisen, wie in 13A dargestellt. Ferner erkennt man in 13A einen Funktionsträger 17.
• 13B zeigt eine weitere perspektivische Ansicht auf das Gerät 10 mit einer Vielzahl von Energiespeicherzellen 3, die in einem Gehäuse 2 einer Energiespeichervorrichtung 1 enthalten sind.
• 13C zeigt eine Schnittansicht durch ein Gerät 10, beispielsweise eine Stromquelle eines Schweißgerätes.
• 13D zeigt eine weitere perspektivische Ansicht auf das Gerät von seitlich oben. Wie man aus den 13A bis 13D erkennen kann, befinden sich die Energiespeicherzellen 3 in räumlicher Nähe einer Leiterplatte 13, auf der sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile 14, insbesondere elektronische Leistungsbauteile, befinden. Diese elektronischen Bauteile 14 des Gerätes 10 bilden Wärmequellen, Wärmesenken oder Wärmespeicher. Bauteile, die während des Betriebes eine hohe Wärmemenge erzeugen, beispielsweise Hochleistungstrafos, können über eigene Kühlkörper 15 verfügen. Die Energiespeichervorrichtung 1 und die Leiterplatte 13 können sich innerhalb des Gehäuses 2 des Gerätes 10 in räumlicher Nähe befinden und zum Teil wärmeleitend miteinander verbunden sein. Demzufolge beeinflusst das Temperaturverhalten der Energiespeichervorrichtung 1 das Temperaturverhalten der Leiterplatte 13 und umgekehrt. Da die zweidimensionale Anordnung der Bauteile 14 auf der Leiterplatte 13 entsprechend dem Bestückungsplan bekannt ist, kann die Energiespeichervorrichtung 1 derart ausgelegt oder geregelt werden, dass sie unter Berücksichtigung der Temperatureinwirkung durch die Leiterplatte 13 eine gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist.
• Wie in 23 schematisch dargestellt, weist das Gehäuse 2 der austauschbaren Energiespeichervorrichtung 1 bei einer möglichen Ausführungsform eine auf einer Gehäuseseite 2C angebrachte optische Anzeigeeinheit 18 mit Display auf. Die Anzeigeeinheit 18 zur Anzeige der momentanen Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann auch an einer Nutzerschnittstelle des Gerätes 10 vorgesehen sein. Hierdurch kann ein erforderlicher Austausch defekter Energiespeicherzellen frühzeitig erkannt werden und in einfacher Weise durch einen Nutzer ausgeführt werden.
• Die 14A, 14B zeigen eine mögliche Variation der Geometrie der Strömungsleitobjekte 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1, um einen Einfluss von externen Wärmequellen bzw. Wärmesenken auszugleichen. 14A zeigt eine achsensymmetrische Verteilung der Querschnitte von Strömungsleitobjekten 4 entlang der Strömungsrichtung des Kühlmediums KM. Demgegenüber zeigt 14B eine unsymmetrische Verteilung der Querschnitte von Strömungsleitobjekten 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1. Wie man in 14B erkennen kann, sind an einer Längsseite des Gehäuses 2 der Energiespeichervorrichtung 1 Strömungsleitobjekte 4 mit einem größeren Querschnitt vorgesehen. Bestehen diese Strömungsleitobjekte 4 aus einem Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C, kann hierdurch in diesem Bereich eine durch eine externe Wärmequelle zugeführte Wärme Q teilweise gespeichert werden und somit ein lokaler Temperaturanstieg in diesem Bereich abgemildert werden. Insgesamt sind die Strömungsleitobjekte 4 derart ausgestaltet, dass während des Betriebes der Energiespeichervorrichtung 1 eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 erzielt wird. Hierdurch kann die Betriebslebensdauer der verschiedenen Energiespeicherzellen 3 sowie der gesamten Energiespeichervorrichtung 1 erheblich gesteigert werden.
• Durch die Wahl eines geeigneten thermisch leitfähigen Materials für die Strömungsleitobjekte 4 ist es möglich, thermische Spitzenlasten zeitlich zu glätten und so mögliche hohe Temperaturen T in der Energiespeichervorrichtung 1 zu verhindern. Beispielsweise können bei einem Schweißgerät während des Schweißvorganges elektrische Ströme I aus der Energiespeichervorrichtung 1 entnommen werden, die kurzzeitig hohe Stromamplituden aufweisen. Die dabei entstehenden thermischen Spitzenlasten werden bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 weitestgehend ausgeglichen.
• 15A zeigt ein Beispiel von thermisch leitfähigen Strömungsleitobjekten 4 innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 einschließlich eines zugehörigen thermischen Ersatzschaltbildes mit thermischen Widerständen R und thermischen Kapazitäten C.
• 15B zeigt eine Abbildung einer Energiespeichervorrichtung 1 ohne leitfähige Strömungsleitobjekte 4 inklusive zugehörigem thermischen Ersatzschaltbild. Durch die zusätzliche thermische Kapazität CLO der Strömungsleitobjekte 4 gemäß 15A ist es möglich, eine kurzzeitige ungewollte starke Erwärmung der Energiespeichervorrichtung 1 zu verzögern bzw. zeitlich zu glätten. Gleichzeitig fungieren die Strömungsleitobjekte 4 zusätzlich als Kühlfinnen, durch die die in der Energiespeichervorrichtung 1 entstehende Wärme Q besser abgeführt werden kann. Zusätzlich können Wärmequellen aus den ohmschen Verlusten R in den Zellverbindern 9 mitberücksichtigt werden. Weiterhin ist es möglich, die zusätzliche Wärmekapazität CLO des Strömungsleitobjektes 4 durch Vorsehen von Phasenwechselspeichern zu optimieren bzw. zu erhöhen.
• 16 zeigt schematisch eine Wärmeabfuhr über eine Energiespeicherzelle 3 mit isolierendem Strömungsleitobjekt 4. In dem dargestellten Beispiel weist die Energiespeicherzelle 3 einen Durchmesser D und eine Höhe h auf. Die Energiespeicherzelle 3 hat somit eine Stirnfläche an beiden Polen sowie eine Mantelfläche, welche von dem Kühlmedium KM umströmt wird. Die Mantelfläche der Energiespeicherzelle 3 ist eine Fläche A, die von der Höhe h und dem Durchmesser D der Energiespeicherzelle 3 abhängt (A = h · D · π).
• Es gilt demgemäß: $$\begin{array}{cc}mC=\frac{d\mathrm{\Delta }T}{dt}=P-\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}& \mathrm{\Delta }T=T_{cell}-T_{fluid}\\ & R_{\lambda }^{-1}=\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}{\lambda }_{cell}\\ \frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}=A\alpha \left(T_s-T_{fluid}\right)& R_{\alpha }^{-1}=A\alpha ,\end{array}$$

  

  
  wobei λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit,
  T_s die Temperatur auf der Manteloberfläche der Energiespeicherzelle 3,
  Tcell die Innentemperatur der Energiespeicherzelle 3,
  f_cell ein Formfaktor der Energiespeicherzelle 3,
  ΔT die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Energiespeicherzelle 3 und der Temperatur des Kühlmediums KM (Fluid),
  C die spezifische Wärmekapazität des Materials der Strömungsleitobjekte 4,
  L der halbe Durchmesser D der Energiespeicherzelle 3,
  A die Mantelfläche der Energiespeicherzelle 3,
  R der thermische Widerstand,
  m die Masse der Strömungsleitobjekte 4 ist.
• Die 17A, 17B zeigen Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. 17A, 17B verdeutlichen den Einfluss der spezifischen Wärmekapazität C auf das Temperaturverhalten der Energiespeichervorrichtung 1. In y-Richtung des Zeitdiagramms ist die Oberflächentemperatur Ts der Energiespeicherzelle 3 im Vergleich zur Innentemperatur Tcell der Energiespeicherzelle 3 genormt dargestellt. Das Verhältnis der Oberflächentemperatur Ts zur Innentemperatur Tcell darf einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten. Man erkennt in den 17A, 17B eine Energiespeichervorrichtung 1, die 40 % der Zeit, beispielsweise vier Minuten lang, in einem Lastbetrieb arbeitet und anschließend, beispielsweise sechs Minuten lang, in einem Leerlauf bzw. während einer Pause keinen elektrischen Strom I an eine Last liefern muss. Man erkennt in den 17A, 17B drei Zeitzyklen mit einer Zeitperiode von beispielsweise jeweils zehn Minuten, wobei die Temperatur an der Oberfläche der Energiespeicherzelle 3 während des Betriebes, d.h. während der ersten vier Minuten, ansteigt und anschließend während der Pause abfällt. 17B zeigt einen Fall, bei dem sich die Spitzentemperatur an der Oberfläche der Energiespeicherzellen 3 einer kritischen Grenztemperatur annähert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Strömungsleitobjekte 4 eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Sind die Strömungsleitobjekte 4 aus einem Material hergestellt, das eine hohe spezifische Wärmekapazität C aufweist, wird in den Strömungsleitobjekten 4 überschüssige Wärme Q gespeichert bzw. aufgenommen, sodass sich die Spitzen des Temperaturverlaufs gemäß 17A von der kritischen Grenztemperatur entfernen. Bei einer möglichen Implementierung werden die Strömungsleitobjekte 4 aus einem Metall mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität C hergestellt. Weiterhin können die Strömungsleitobjekte 4 auch Kapseln aufweisen, in denen sich ein Material befindet, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft, beispielsweise von einem festen Aggregatszustand in einen flüssigen Aggregatszustand übergeht, d.h. schmilzt. Beispielsweise kann es sich hierbei um Paraffin oder dergleichen handeln.
• 18A, 18B zeigen weitere Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1. 18A zeigt ein stufenweises Erhitzen der Energiespeichervorrichtung 1 über drei zehnminütige Zyklen T in einer Energiespeichervorrichtung 1, die Strömungsleitobjekte 4 mit geringen Wärmeübergangskoeffizienten enthält.
• 18B zeigt ein gemessenes Temperaturverhalten einer Energiespeichervorrichtung 1 (Kurve I) im Vergleich zu einem simulierten bzw. berechneten Temperaturverhalten (Kurve II) einer Energiespeichervorrichtung 1. Bei diesem Beispiel entspricht das gemessene Temperaturverhalten weitestgehend dem simulierten bzw. berechneten Temperaturverhalten. Das gemessene und das simulierte Temperaturverhalten kann bei einer möglichen Ausführungsform durch eine Berechnungseinheit 6A einer Regelungsschaltung 6 miteinander verglichen werden, um gegebenenfalls Abweichungen festzustellen. In Abhängigkeit einer festgestellten Abweichung (beispielsweise Fehlfunktion bzw. Übertemperatur von einer oder mehrerer Energiespeicherzellen 3) kann mindestens ein Betriebsparameter BP der Energiespeichervorrichtung 1 durch die Regelungsschaltung so lange geregelt werden, bis das gemessene Ist-Temperaturverhalten möglichst dem berechneten Soll-Temperaturverhalten entspricht. Dies geschieht durch Einstellung der Betriebsparameter BP, insbesondere durch Einstellung der Strömungsrate SR des Kühlmediums KM und/oder durch Schwenken/Drehen von Strömungsleitobjekten 4 und/oder durch Aufblasen/Entleeren von Strömungsleitobjekten 4.
• 19 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Energiespeichervorrichtung 1, bei der ein Zellverbinder 9 eine zusätzliche Wärmekapazität bereitstellt. Die Energiespeicherzelle 3 kann einerseits über ihre Mantelfläche radial Wärme Q abführen und andererseits über ihre Stirnfläche axial Wärme Q an den Zellverbinder abgeben. $$\begin{array}{cc}m{C}_p\frac{d\mathrm{\Delta }T}{dt}=P-\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}-\frac{A_2}{\mathrm{\Delta }{L}_2}{\lambda }_2\left(T_{cell}-T_c\right){ƒ}_2& \mathrm{\Delta }T=T_{cell}-T_{fluid}\\ \frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}=A\alpha \left(T_s-T_{fluid}\right)& R_{\lambda }^{-1}=\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda {ƒ}_{cell}\\ & R_{\alpha }^{-1}=A\alpha \\ \frac{A_2}{\mathrm{\Delta }{L}_2}{\lambda }_2\left(T_{cell}-T_c\right){ƒ}_2=\frac{A_{Cu}}{\mathrm{\Delta }{L}_{Cu}}{\lambda }_{Cu}\left(T_c-T_{Cu}\right){ƒ}_{Cu}& \mathrm{\Delta }{T}_{Cu}=T_{Cu}-T_{fluid}\\ m_{Cu}{C}_{p,Cu}\frac{d\mathrm{\Delta }{T}_{Cu}}{dt}=\frac{A_{Cu}}{\mathrm{\Delta }{L}_{Cu}}\left(T_c-T_{Cu}\right){ƒ}_{Cu}& R_2^{-1}=\frac{A_2}{\mathrm{\Delta }{L}_2}{\lambda }_2{ƒ}_2\\ & R_{Cu}^{-1}=\frac{A_{Cu}}{\mathrm{\Delta }{L}_{Cu}}{\lambda }_{Cu}{ƒ}_{Cu}\end{array}$$

  
• Beispielsweise kann der Zellverbinder als Wärmespeicher aus einem Material mit hoher spezifischer Wärmekapazität C hergestellt werden. Bei dem in 19 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Zellverbinder 9 Kupfer als wärmespeicherndes Material auf. Der zusätzliche Wärmespeicher glättet die Temperaturspitzen und Temperaturhügel, dies führt insgesamt dazu, dass geringere Temperaturmaxima innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 entstehen. Die Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung 1 kann somit geglättet werden, wodurch die Betriebslebensdauer des Systems bzw. der Energiespeichervorrichtung 1 signifikant erhöht wird.
• 20A, 20B zeigen das entsprechende Temperaturverhalten. 20A zeigt einen Vergleich der Temperaturverläufe (Energiespeicherzelle 3 und Wärmespeicher) einmal mit und einmal ohne Vorsehen eines Wärmespeichers. Die Energiespeichervorrichtung 1 kann über Kalibrierkoeffizienten, beispielsweise mittels FE-Detailsimulation oder Messungen kalibriert werden, wie in 20B dargestellt.
• 21 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Energiespeichervorrichtung 1 mit einem thermisch leitenden Strömungsleitobjekt 4 und zusätzlich einem Zellverbinder 9, der eine weitere Wärmekapazität bereitstellt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt Wärmeabfuhr von der Energiespeicherzelle 3 radial über die Mantelflächen des Kühlmediums KM und axial in den Zellverbinder 9. Die zusätzliche Wärmeabfuhr über die Strömungsleitobjekte 4 glättet die Temperaturspitzen und führt zu geringeren Temperaturgradienten innerhalb der Energiespeicherzelle 1. $$\begin{array}{l}m{C}_p\frac{d\mathrm{\Delta }T}{dt}=P-\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}-\frac{A_{CV}}{\mathrm{\Delta }{L}_{CV}}{\lambda }_{CV}\left(T_{cell}-T_{LO}\right){ƒ}_{CV}\\ m_{LO}{C}_{pLO}\frac{d\mathrm{\Delta }{T}_{LO}}{dt}=\frac{A_{CV}}{\mathrm{\Delta }{L}_{CV}}{\lambda }_{CV}\left(T_{cell}-T_{LO}\right){ƒ}_{CV}-\frac{A_{LO}}{\mathrm{\Delta }{L}_{LO}}\left(T_{LO}-T_{LOs}\right){ƒ}_{LO}\\ \begin{array}{cc}\mathrm{\Delta }T=T_{cell}-T_{fluid}& \mathrm{\Delta }{T}_{LO}=T_{LO}-T_{fluid}\end{array}\\ \begin{array}{cccc}\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda \left(T_{cell}-T_s\right){ƒ}_{cell}=A\alpha \left(T_s-T_{fluid}\right)& R_{\lambda }^{-1}=\frac{A}{\mathrm{\Delta }L}\lambda {ƒ}_{cell}& R_{\alpha }^{-1}=A\alpha & R_{\lambda CV}{}^{-1}=\frac{A_{CV}}{\mathrm{\Delta }{L}_{CV}}{\lambda }_{CV{ƒ}_{CV}}\end{array}\\ \begin{array}{ccc}\frac{A_{LO}}{\mathrm{\Delta }{L}_{LO}}{\lambda }_{LO}\left(T_{LO}-T_{LOs}\right){ƒ}_{LO}=A_{LO}{\alpha }_{LO}\left(T_{Los}-T_{fluid}\right)& R_{\lambda LO}{}^{-1}=\frac{A_{LO}}{\mathrm{\Delta }{L}_{LO}}{\lambda }_{LO}{ƒ}_{LO}& R_{\alpha LO}{}^{-1}=A_{LO}{\alpha }_{LO}\end{array}\end{array}$$

  
• Die 22A, 22B zeigen entsprechende Temperaturverläufe bei einer Simulation eines Temperaturverhaltens einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1 mit Vorsehen eines Wärmespeichers und ohne Vorsehen eines Wärmespeichers. Durch das Vorsehen von Wärmespeichern in den Zellverbindern 9 sowie das Vorsehen von Strömungsleitobjekten 4 mit hoher spezifischer Wärmekapazität C kann insgesamt erreicht werden, dass die Temperaturverläufe insgesamt zunehmend geglättet werden und weiterhin sich die Spitzen der Temperaturverläufe von der zulässigen Grenzlinie entfernen. 22A zeigt die Glättung durch Vorsehen von Wärmespeichern und wärmespeichernden Strömungsleitobjekten 4 und 22B zeigt das Absenken des Temperaturniveaus insgesamt bzw. eine Entfernung von der zulässigen Grenztemperaturlinie.
• Die verschiedenen Aspekte der beispielhaften und erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 1, wie sie in den 1 bis 22 dargestellt sind, können für verschiedene Anwendungsfälle miteinander kombiniert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Energiespeichervorrichtung

2

Gehäuse der Energiespeichervorrichtung

2A

Eingangsseite

2B

Ausgangsseite

2C

Oberseite

3

Energiespeicherzelle

4

Strömungsleitobjekte

4A

Isolationsschicht

5

Abschirmobjekte

6

Regelung

6A

Berechnungseinheit

6B

Datenspeicher

7

Aufnahmekäfig

8

Zellhalter

9

Zellverbinder

10

Gerät

11

Sensoren

12

Aktuatoren

13

Leiterplatte

14

Bauteil

15

Kühlkörper

16

Anschlüsse

17

Funktionsbauteil

18

Anzeigeeinheit

19

Anzeigeelement

20

Anzeigeelement

Claims (10)

1. Energiespeichervorrichtung (1) zur Energieversorgung von elektronischen Bauteilen (14) innerhalb eines Gerätegehäuses eines Gerätes (10), wobei die Energiespeichervorrichtung (1) mehrere Energiespeicherzellen (3) aufweist, die in dem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen (3) von einem Kühlmedium (KM) durchströmt wird, wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse (2) angeordneten Energiespeicherzellen (3) Strömungsleitobjekte (4) zur Umlenkung des Kühlmediums (KM) vorgesehen sind, wobei die Form der Strömungsleitobjekte (4) und/oder eine Drehstellung der Strömungsleitobjekte (4) bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmediums (KM) eine durch die elektronischen Bauteile (14) des Gerätes (10) während eines Betriebes des Gerätes (10) innerhalb des Gerätegehäuses entstehende Wärmeverteilung zur Bereitstellung einer annähernd gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses (2) der Energiespeichervorrichtung (1) ausgleichen; wobei die Strömungsleitobjekte (4) einander gegenüberliegende Zellhalter (8), die zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen (3) vorgesehen sind, miteinander mechanisch verbinden; wobei die Zellhalter paarweise über zugehörige Zellverbinder (9) miteinander verbunden sind; wobei die Zellverbinder (9) aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes (10) bestehen; und wobei die Zellverbinder (9) eine Kapsel zur Aufnahme eines Materials aufweisen, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft.
2. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die elektronischen Bauteile (14) des Gerätes (10) jeweils eine Wärmesenke, einen Wärmespeicher oder eine Wärmequelle bilden.
3. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strömungsleitobjekte (4) aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität bestehen, zum Glätten thermischer Spitzenlasten, die beim Betrieb des Gerätes (10) entstehen.
4. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Strömungsleitobjekte (4) stabförmig ausgebildet sind.
5. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zellhalter (8) elektrische Kontakte zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Polen der Energiespeicherzellen (3) aufweisen.
6. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektronischen Bauteile (14) des Gerätes (10) auf einer elektronischen Leiterplatte (13) des Gerätes (10) räumlich verteilt angeordnet sind und während eines Betriebes des Gerätes (10) eine entsprechende örtliche Wärmverteilung innerhalb des Gerätegehäuses des Gerätes (10) hervorrufen
7. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die momentane Temperaturverteilung innerhalb der Energiespeichervorrichtung (1) mittels Temperatursensoren (11) erfasst wird.
8. Energiespeichervorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei mindestens ein Betriebsparameter (BP) der Energiespeichervorrichtung (1) und/oder eine Stellung der Strömungsleitobjekte (4) in Abhängigkeit der erfassten momentanen Temperaturverteilung der Energiespeichervorrichtung (1) durch eine daran angeschlossene Regelungsschaltung (6) während des Betriebes des Gerätes (10) eingestellt wird.
9. Energiespeichervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gerät (10) ein Schweißgerät ist.
10. Verfahren zum Bereitstellen einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb einer Energiespeichervorrichtung (1), die in einem Gerätegehäuse eines elektrischen Gerätes (10), insbesondere eines Schweißgerätes, vorgesehen ist und elektronische Bauteile (14) des Gerätes (10) mit elektrischer Energie versorgt, wobei die Energiespeichervorrichtung (1) mehrere Energiespeicherzellen (3) aufweist, die in einem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) zur Kühlung der darin enthaltenen Energiespeicherzellen (3) von einem Kühlmedium (KM) durchströmt wird, wobei in Zwischenräumen zwischen Mantelflächen der in dem Gehäuse (2) der Energiespeichervorrichtung (1) angeordneten Energiespeicherzellen (3) Strömungsleitobjekte (4) vorgesehen sind, wobei durch die Form der Strömungsleitobjekte (4) und/oder durch eine Drehstellung der Strömungsleitobjekte (4) bezüglich einer Strömungsrichtung des Kühlmediums (KM) eine durch die elektronischen Bauteile (14) des Gerätes (10) während eines Betriebes des Gerätes (10) innerhalb des Gerätegehäuses entstehende Wärmeverteilung zur Bereitstellung einer annähernd gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses (2) der Energiespeichervorrichtung (1) ausgeglichen wird; wobei die Strömungsleitobjekte (4) einander gegenüberliegende Zellhalter (8), die zur mechanischen Halterung der Energiespeicherzellen (3) vorgesehen sind, miteinander mechanisch verbinden; wobei die Zellhalter (8) paarweise über zugehörige Zellverbinder (9) miteinander verbunden sind; wobei die Zellverbinder (9) aus einem thermisch und elektrisch leitfähigen Material mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität zum Glätten thermischer Spitzenlasten beim Betrieb des Gerätes (10) bestehen; und wobei die Zellverbinder (9) eine Kapsel zur Aufnahme eines Materials aufweisen, das bei Erwärmung einen Phasenwechsel durchläuft.

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