DE102011018531A1

DE102011018531A1 - Traktionsbatterie für Flurförderzeug

Info

Publication number: DE102011018531A1
Application number: DE102011018531A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tödter Joachim; Berthold Häcker
Original assignee: Linde Material Handling GmbH; STILL GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH; STILL GmbH
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-10-31
Also published as: FR2974673A1; CN102760918A; FR2974673B1

Abstract

Bei einer Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug mit einer Mehrzahl von Einzellzellen (3), die jeweils als Lithiumbatterie (2) ausgebildet sind, weist jede Einzelzelle (3) eine Kapazität in Amperestunden zwischen 20 Ah und 70 Ah auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug mit einer Mehrzahl von Einzellzellen, die jeweils als Lithiumbatterie ausgebildet sind.
Batterie-elektrisch betriebene Flurförderzeuge weisen als Speicher für die elektrische Energie, mit der der Fahrantrieb sowie der Antrieb der Arbeitsvorrichtungen, insbesondere einer durch eine Arbeitshydraulik angetriebenen Hubvorrichtung, erfolgt, eine Traktionsbatterie auf. Es ist bekannt und zurzeit weitgehend üblich, für die Traktionsbatterie von Flurförderzeugen Akkumulatoren auf Blei-Schwefelsäure-Basis zu verwenden. Diese Batterien bestehen aus prismatisch, zumeist quaderförmig geformten Einzelzellen mit einer Nennspannung von jeweils 2 V, die dann in einem Batterietrog zusammengestellt sind. Die Anzahl der in Reihe verbundenen Einzelzellen bestimmt die Nennspannung der gesamten Traktionsbatterie. Bleibatterien benötigen dabei keine weiteren Sicherheitsmaßnahmen wie Schütze, Sicherungen, oder Vorladeschaltungen.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass Bleibatterien nur bedingt zwischenladefähig und in Ihrer Energiedichte begrenzt sind. Zusätzlich zur begrenzten Energiedichte besitzen sie auch eine geringe Leistungsdichte, so dass bei hoher Leistungsentnahme die Spannung erheblich einbricht. Weiter sind Bleibatterien nicht servicefrei, sondern benötigen zum Ausgleich des beim Ausgleichsladens umgesetzten Wassers, dass Wasser nachgefüllt wird. Nachteilig ist auch die begrenzte Lebensdauer von nur etwa 1200 Vollentladezyklen. Außerdem führt ein Zwischenladen, z. B. in Arbeitspausen, zu einer Verringerung der Lebensdauer. Ein Zwischenladen ist deshalb regelmäßig nicht vorgesehen.
Von besonderem Interesse sind daher alternative Batterien auf Basis anderer chemischer Reaktionen und unter diesen beispielsweise Lithium-Batterien. Unter diesen sind insbesondere die Li-Ionen-Batterien von Interesse, die die zuvor genannten Nachteile nicht besitzen. In großer Breite kommen derzeit Li-Ionen-Zellen mit einer Kapazität von 2–6 Ah bei Nennspannungen von 3,2–3,8 V zum Einsatz, z. B. in Notebooks.
Nachteilig an diesen Li-Ionen Batterien ist jedoch, dass es bei Fehlern in einer Zelle, etwa einem Kurzschluss durch Dendritbildung, zu einer punktuellen Erwärmung in der betroffenen Zelle kommen kann, die dann den Elektrolyt unter starker Gasbildung zersetzt. Das führt zu einem Aufplatzen der Zelle und Freisetzen des heißen Gases, was ggf. bei danebenliegenden Zellen durch die Einwirkung des heißen Gases zu einer entsprechenden Reaktion führt, so dass diese Kettenreaktion zu einem Ausfall der gesamten Batterie unter Freisetzung starker Hitze und großer Gasmengen führt. Je nach Ablaufgeschwindigkeit und Selbstverstärkung der Reaktion kann der Vorgang auch explosionsartig stattfinden.
Es ist bekannt, um einen solchen Ausfall der Li-Ionen Batterie zu verhindern, Steuerungen zur Überwachungen der jeweiligen Li-Ionen Zellen einzusetzen und die einzelnen Zellen wie auch die gesamte Batterie entsprechend konstruktiv auszulegen. Außerdem wird der Produktionsprozess von Li-Ionen Zellen und Batterien aufwändigst überwacht, um Produktionsfehler, die zu späteren Ausfällen, etwa durch Dendridbildung, führen können, auszuschließen.
Für Traktionsbatterien von Flurförderzeug sind erheblich höhere Energiemengen zu speichern als für viele bereits weithin übliche Anwendungen von Li-Ionen Batterien wie in Mobiltelefonen und Notebooks oder auch Elektrowerkzeugen. Um diese hohe Energiespeicherkapazität zu erreichen, ist es möglich, viele kleine Li-Ionen Einzelzellen zu verwenden. Beispielsweise müssen bei einer Nennspannung von 3,2 V je Einzelzelle 15 Zellen in Reihe geschaltet werden, um auf die bei Flurförderzeugen bekannte und für Traktionsbatterien eingesetzten 48 V Nennspannung zu kommen. Um weiterhin eine Kapazität von 400 Ah zu erreichen, wie sie bei Traktionsbatterien von Flurförderzeugen erforderliche und benutzte Größe darstellt, müssen von den in Reihe geschalteten Zellenpaketen aus je 15 Zellen insgesamt 100 Stück bei einer Kapazität der Einzellzelle von 4 Ah jeweils parallel geschaltet werden. Als Ergebnis sind 1500 einzelne Li-Ionen Zellen miteinander zu verbinden und jeweils einzeln zu überwachen.
Dies ist produktionstechnisch nur mit extremem Aufwand mit der nötigen Fertigungsgenauigkeit und Fehlerfreiheit umzusetzen. Es müssten 1500 Zellen sicher mechanisch befestigt werden und elektrisch miteinander verbunden werden sowie mit der Überwachungselektronik verbunden werden. Dabei müssen die mechanische Befestigung der Zellen, die elektrischen Verbindungen wie auch die Überwachungselektronik auf die hohen mechanischen Beanspruchungen in einem Flurförderzeug, etwa einem Gabelstapler, ausgelegt werden.
Vorteil dieses Aufbaus wäre allerdings, dass bei einem Fehler in einer Zelle dieser Fehler beherrschbar wäre und nicht zu einer Kettenreaktion führen würde. Somit bliebe die Batterie funktionsfähig und sicher betreibbar.
Alternativ könnten Li-Ionen Einzelzellen für eine Li-Ionen Batterie als Traktionsbatterie eines Flurförderzeugs gewählt werden, die die gewünschte Kapazität bereits in einer einzelnen Zelle aufweisen und somit keine Parallelschaltung von Zellen erfordern, sondern lediglich eine Reihenschaltung, um die gewünschte Spannung zur Verfügung zu stellen, wie dies bei Blei-Säure-Batterien zumeist möglich ist. Jedoch stehen Zellen mit einer Kapazität von 400 Ah, wie in dem hier angeführten Beispielfall erforderlich, zurzeit bereits schon nicht zur Verfügung. Auch der Verwendung von derzeit verfügbaren Zellen mit Kapazitäten von 100–120 Ah je Zelle, so dass im betrachteten Beispielsfall noch 4 Zellen parallel zu schalten wären und etwa 60 Zellen zum Einsatz kämen, ist jedoch problematisch. Der Montageaufwand hinsichtlich mechanischer Befestigung und elektrischer Verbindung sinkt zwar auf ein geringes Maß, jedoch sind die Auswirkungen eines Fehlers in einer Zelle nur schwer zu beherrschen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lithiumbatterie als Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug zur Verfügung zu stellen, die die zuvor genannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System aus einer Mehrzahl von Traktionsbatterien nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug mit einer Mehrzahl von Einzellzellen, die jeweils als Lithiumbatterie ausgebildet sind, jede Einzelzelle eine Kapazität in Amperestunden im Bereich zwischen 20 Ah und 70 Ah aufweist.
Vorteilhaft kann in diesem Größenbereich in Amperestunden der Nennkapazität der Li-Ionen Einzellzellen ein Fehler noch sicher beherrscht werden und eine sich fortsetzende Zerstörung von Nachbarzellen wie auch größere Schäden aufgrund der freiwerdenden Energiemenge können vermieden werden. Andererseits ist auch der Montage-, Verbindungs- und Überwachungsaufwand in einem vorteilhaft günstigen Bereich für eine kostengünstige und effiziente Fertigung der Traktionsbatterie. Für das bereits genannte Beispiel einer 400 Ah Traktionsbatterie von 48 V wären bei Verwendung von 45 Ah-Zellen mindestens 9 Zellen parallel und 15 in Reihe erforderlich, also in Summe 135 Zellen, die eine Gesamtkapazität von 405 Ah ergäben. Vor allem für die im Bereich von Flurförderzeugen eingesetzten Traktionsbatterien, die Spannungsbereiche von 24 V bis 96 V und bei herkömmlichen Bleibatterien Kapazitäten zwischen 150 Ah bei kleineren Gabelhubwagen bis zu 1240 Ah bei Gegengewichtsgabelstaplern oder Regalstaplern aufweisen, erweist sich dieser Bereich an Kapazitäten für die Li-Ionen Einzelzellen als besonders vorteilhaft. Durch die Verwendung von Lithiumbatterien als Einzelzellen ist es möglich, die Kapazität der Traktionsbatterie gegenüber einer Bleibatterie mit gleichen Abmessungen eines die Einzelzellen aufnehmenden Batterietroges noch nach oben zu verschieben.
Vorteilhaft weist jede Einzelzelle eine Kapazität in Amperestunden zwischen 30 Ah und 60 Ah, bevorzugt von 45 Ah, auf.
In günstiger Ausführungsform sind Module aus Einzellzellen gebildet, wobei die Einzellzellen in dem jeweiligen Modul parallel geschaltet sind, um eine gewünschte Gesamtkapazität oder einen Teil hiervon zu erreichen, und mehrere Module in Reihe geschaltet sind.
In günstiger Ausführungsform sind Module aus Einzellzellen gebildet, wobei die Einzellzellen in dem jeweiligen Modul in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Spannung oder einen Teil hiervon zu erreichen, und mehrere Module parallel geschaltet sind.
Vorteilhaft weisen die Module jeweils gemeinsam Überwachungsvorrichtungen auf, insbesondere Controller und/oder Temperatursensoren und/oder Spannungssensoren.
Dies ermöglicht eine erhebliche Reduzierung des Montage und Verdrahtungsaufwandes. Insbesondere können die Module getrennt, eventuell hochgradig automatisiert, vorgefertigt werden und dadurch kann eine erhöhte Fertigungsqualität sicher gestellt werden.
Die Module können jeweils ein Gehäuse aufweisen.
Durch entsprechende Auslegung des Gehäuses kann ein sicherer Einschluss der enthaltenen Zellen auch im Versagensfall erreicht werden. Die Aufteilung in Module ermöglicht es, die enthaltene maximale Energie so zu beschränken, dass Gewicht und Kostenaufwand für solche Gehäuse vertretbar bleiben.
Die Lithiumbatterien können Li-Ionen-Akkumulatoren oder Li-Polymer-Akkumulatoren oder Lithium-Titanat-Akkumulatoren oder Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren oder Lithium-Luft-Akkumulatoren sein.
Die Aufgabe wird auch durch ein System aus einer Mehrzahl von Traktionsbatterien – wie diese zuvor beschrieben wurden – gelöst, wobei die Traktionsbatterien unterschiedliche Spannungen und/oder Kapazitäten aufweisen und die Traktionsbatterien identische Einzellzellen aufweisen und/oder Traktionsbatterien mit Modulen, wie sie zuvor beschrieben wurden, identische Module enthalten.
Indem für eine Mehrzahl von Traktionsbatterien die gleichen Einzellzellen verwendet werden, können auf einfache und kostengünstige Art und Weise Traktionsbatterien mit den verschiedenen erforderlichen Spannungen und Kapazitäten gebildet werden. Insbesondere bei Lithiumbatterien ist dies vorteilhaft, da die notwendigen Steuerungs- und Überwachungsvorrichtungen dann standardisiert pro Einzellzelle bzw. für jeweils mehrere Einzelzellen eingesetzt werden können. Es kann auch etwa eine Steuerungs- und Überwachungsvorrichtung so ausgelegt sein, dass eine unterschiedliche Anzahl von Einzelzellen an diese angeschlossen werden kann. Dies ist erheblich einfacher oder erst möglich, wenn sich stets um gleiche Einzelzellen handelt. Ebenso können Traktionsbatterien aus stets gleichen Modulen aufgebaut sein. Dabei kann auch eine Kombination aus Modulen und Einzelzellen vorgesehen sein.
Vorteilhaft umfasst das System Traktionsbatterien mit mindestens zwei Spannungen aus den Spannungen 24 V, 36 V, 48 V, 80 V und 96 V.
Diese Spannungen entsprechen den üblicherweise bei Flurförderzeugen benutzten Werten. Dadurch kann die erfindungsgemäße Traktionsbatterie zusammen mit bekannten Flurförderzeugen eingesetzt werden und eventuell auch als Nachrüstbatterie.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Figur erläutert. Hierbei zeigt die Figur in Perspektivansicht eine Traktionsbatterie 1, die aus einzelnen Lithiumbatterien 2 als Einzelzellen 3 aufgebaut ist, in dem vorliegenden Beispiel aus Li-Ionen-Einzelzellen mit einer Kapazität von 45 Ah bestehen. Die Einzelzellen 3 sind in einem Batterietrog als Gehäuse aufgenommen und eingebaut

Claims

Traktionsbatterie für ein Flurförderzeug mit einer Mehrzahl von Einzellzellen (3), die jeweils als Lithiumbatterie (2) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzelle (3) eine Kapazität in Amperestunden zwischen 20 Ah und 70 Ah aufweist.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelzelle (3) eine Kapazität in Amperestunden zwischen 30 Ah und 60 Ah, bevorzugt von 45 Ah, aufweist.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Module aus Einzellzellen gebildet sind, wobei die Einzellzellen in dem jeweiligen Modul parallel geschaltet sind, um eine gewünschte Gesamtkapazität oder einen Teil hiervon zu erreichen, und mehrere Module in Reihe geschaltet sind.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Module aus Einzellzellen gebildet sind, wobei die Einzellzellen in dem jeweiligen Modul in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Spannung oder einen Teil hiervon zu erreichen, und mehrere Module parallel geschaltet sind.
Traktionsbatterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module jeweils gemeinsam Überwachungsvorrichtungen aufweisen, insbesondere Controller und/oder Temperatursensoren und/oder Spannungssensoren.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Module jeweils ein Gehäuse aufweisen.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumbatterien Li-Ionen-Akkumulatoren oder Li-Polymer-Akkumulatoren oder Lithium-Titanat-Akkumulatoren oder Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren oder Lithium-Luft-Akkumulatoren sind.
System aus einer Mehrzahl von Traktionsbatterien (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Traktionsbatterien (1) unterschiedliche Spannungen und/oder Kapazitäten aufweisen und die Traktionsbatterien (1) identische Einzellzellen (3) aufweisen und/oder Traktionsbatterien nach einem Ansprüche 3 bis 6 identische Module enthalten.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System Traktionsbatterien (1) mit mindestens zwei Spannungen aus den Spannungen 24 V, 36 V, 48 V, 80 V und 96 V umfasst.