DE102013114545A9

DE102013114545A9 - Traktionsbatterie für mobile Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102013114545A9
Application number: DE102013114545.0A
Authority: DE
Inventors: Laurent Delmas; Fernando Espinoza
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-08-13
Also published as: DE102013114545A1

Abstract

Bei einer Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine mit Leistungsanschlüssen (L+, L), von denen von einem Batteriemanagementsystem (6) der Traktionsbatterie (1) mindestens ein Leistungsanschluss (L+) durch eine Schaltvorrichtung (5) spannungsfrei geschaltet werden kann, sowie mit einer Kommunikationsverbindung (7) zur Verbindung mit einer Fahrzeugsteuerung (2) der mobilen Arbeitsmaschine, ist mindestens ein weiterer Spannungsanschluss (8) für die Fahrzeugsteuerung (2) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine mit Leistungsanschlüssen, von denen von einem Batteriemanagementsystem der Traktionsbatterie mindestens ein Leistungsanschluss durch eine Schaltvorrichtung spannungsfrei geschaltet werden kann, sowie mit einer Kommunikationsverbindung zur Verbindung mit einer Fahrzeugsteuerung der mobilen Arbeitsmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine mobile Arbeitsmaschine mit einer solchen Traktionsbatterie.
Für den Betrieb von batterie-elektrisch angetriebenen mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere Flurförderzeugen, wie etwa beispielsweise Gabelstaplern, kommen Traktionsbatterien zum Einsatz, die im Regelfall als austauschbare Batterien in ein Batteriefach eingesetzt werden können und, sobald Sie entladen sind, gegen eine aufgeladene Traktionsbatterie ersetzt werden können. Bisher sind solche Traktionsbatterien im Regelfall Blei-Säureakkumulatoren bzw. Blei-Säurebatterien, bei denen eine chemische Reaktion zwischen Schwefelsäure und Blei zur Speicherung der elektrischen Energie dient. Die Traktionsbatterie wird dabei beim Auswechseln über zumeist genormte Batteriestecker mit dem Flurförderzeug verbunden. Diese Batteriestecker verbinden dabei die Leistungsanschlüsse der Batterie mit einem entsprechenden Gegenstecker des Flurförderzeugs, über die die Spannungsversorgung des gesamten Flurförderzeugs erfolgt. Üblicherweise liegt an dem Batteriestecker bzw. den Leistungsanschlüssen andauernd die Batteriespannung an und lässt sich bei Blei-Säurebatterien im Regelfall auch nicht abschalten.
Durch neuere Technologien können inzwischen Batterien bzw. Akkumulatoren hergestellt werden und auch im industriellen Einsatz verwendet werden, die bessere Leistungsdaten bieten. Solche Batterien kann man als Hochleistungsbatterien bezeichnen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie gegenüber einer Blei-Säurebatterie eine höhere Energiedichte in Bezug auf Gewicht und/oder Volumen aufweisen und eine andere Technik als eine Blei-Säure-Reaktion für die Energiespeicherung nutzen. Hinzu kommt bei vielen Hochleistungsbatterien als Merkmal, dass eine große Leistung beim Entladen abgegeben werden kann und/oder mit großer Leistung geladen werden kann. Die typischen Energiedichten in Bezug auf Gewicht und/oder Volumen liegen bei einer Hochleistungsbatterie dabei mindestens für einen der beiden Werte oberhalb und außerhalb der entsprechenden Kenngrößen für Blei-Säurebatterien.
Bereits Nickel-Cadmium Batterien weisen zwar keinen erheblichen Gewichtsvorteil auf, haben jedoch eine höhere Energiedichte in Bezug auf das Volumen. Weitere bekannte Technologien für Akkumulatoren bzw. wieder aufladbare Batterien unter Einsatz von Nickel sind beispielsweise Nickel-Metallhydrid, Nickel-Eisen, Nickel-Wasserstoff, Nickel-Zink und Silber-Zink. Daneben sind auch Natrium-Nickelchlorid und Natrium-Schwefel Akkumulatoren bekannt.
Zunehmend in größerem Umfang eingesetzt werden jedoch Lithium-Ionenbatterien, die eine in Serie anwendbare Zuverlässigkeit erreicht haben, sich durch hohe Energiedichte auszeichnen und nur einem geringen Memoryeffekt unterliegen sowie ein Entladen der Batterie bzw. Aufladen der Batterie mit großer Leistung ermöglichen. Bei der Lithium-Ionenbatterie sind ebenfalls unterschiedliche Technologien bekannt, wie beispielsweise Lithium-Polymer, Lithium-Cobaltdioxid, Lithium-Luft, Lithium-Titanat, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Mangan und Zinn-Schwefel-Lithiumionen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz solcher Hochleistungsbatterien bei Fahrzeugen und beispielsweise Flurförderzeugen, da aufgrund der hohen Energiedichte in Bezug auf das Volumen bei dem vorgegebenen Bauraum für die Batterie eine größere Menge elektrische Energie gespeichert werden kann und somit die Reichweite eines Fahrzeugs bzw. die Einsatzdauer des Flurförderzeugs vergrößert werden kann.
Bei solchen Hochleistungsbatterien sind zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und Maßnahmen zur Regelung im Betrieb erforderlich. Es werden daher Überwachungs- und Steuerungsvorrichtungen vorgesehen, die unter dem Begriff Batteriemanagementsystem zusammengefasst werden. Dieses Batteriemanagementsystem überwacht den Zustand einzelner Batteriezellen bzw. Module, die aus einer oder mehrerer Batteriezellen bestehen, sowie steuert während des Ladens wie auch des Entladens der Hochleistungsbatterie die Funktionen der Batterie. Dabei wird das Batteriemanagementsystem mit der Hochleistungsbatterie zu einer Einheit integriert und in diese fest eingebaut. Bei Hochleistungsbatterien ist ein unbeabsichtigtes Kurzschließen der Leistungsanschlüsse in größerem Ausmaße als bei einer Blei-Säurebatterien schädlich aufgrund der hohen Leistungsdichte wie auch der erhöhten Gefahr einer inneren Beschädigung der Hochleistungsbatterie. Daher ist es aus Sicherheitsgründen wünschenswert und verlängert im Übrigen die Lebensdauer, wenn die Spannung an den Leistungsanschlüssen des Batteriesteckers abgeschaltet werden kann. Daher ist es bekannt, eine Lithium-Ionenbatterie für ein Flurförderzeug so auszuführen, dass bei dieser standardmäßig die Leistungsanschlüsse abgeschaltet bzw. spannungsfrei geschaltet sind und zum Betrieb des Flurförderzeugs über einen Schalter an der Batterie oder eine ähnliche Einrichtung die Traktionsbatterie zunächst eingeschaltet werden muss.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass für das Einschalten der Traktionsbatterie eine separate Bedienung durch den Fahrer erforderlich wird, beispielsweise nach einem Wechsel der Traktionsbatterie, aber auch gegebenenfalls bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs.
Aus der DE 10 2011 100 923 A1 ist eine Lithium-Ionenbatterie mit einer Batteriesteuerung bekannt, die über einen CAN-Bus mit einer Steuerung des Flurförderzeugs verbunden ist. In einer Ausführungsform wird offenbart, dass die Lithium-Ionenbatterie einen Batterieschütz aufweist, der durch die Batteriesteuerung auf ein Kommando einer Fahrzeugsteuerung hin, das über den CAN-Bus übertragen wird, eingeschaltet wird.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Steuerung des Fahrzeuges eine getrennte eigene Stromversorgung benötigt oder eine von der Fahrzeugsteuerung getrennte Möglichkeit zur Aktivierung vorgesehen werden muss, wie sie auch die DE 10 2011 100 923 A1 offenbart. Letzteres bedeutet jedoch wieder das Erfordernis eines separaten Bedienungsschrittes durch den Fahrer, der vermieden werden soll.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende mobile Arbeitsmaschine zur Verfügung zu stellen, die die zuvor genannten Nachteile vermeiden und eine einfache Bedienung ermöglichen
Diese Aufgabe wird durch eine Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine mit Leistungsanschlüssen, von denen von einem Batteriemanagementsystem der Traktionsbatterie mindestens ein Leistungsanschluss durch eine Schaltvorrichtung spannungsfrei geschaltet werden kann, sowie mit einer Kommunikationsverbindung zur Verbindung mit einer Fahrzeugsteuerung der mobilen Arbeitsmaschine, mindestens ein weiterer Spannungsanschluss für die Fahrzeugsteuerung vorgesehen ist.
Dadurch bleibt auch bei spannungsfrei geschalteten Leistungsanschlüssen, beispielsweise durch einen Schütz, der in die Traktionsbatterie integriert ist, die Fahrzeugsteuerung mit Spannung versorgt, ohne dass die mobile Arbeitsmaschine eine weitere Batterie benötigen würde. Beispielsweise bei einer Inbetriebnahme des Fahrzeuges kann die Fahrzeugsteuerung dann über die Kommunikationsverbindung ein Signal senden oder alternativ kann das Batteriemanagementsystem über die Kommunikationsverbindung ein aktiv werden der Fahrzeugsteuerung überwachen und daraufhin kann die Schaltvorrichtung durch das Batteriemanagementsystem betätigt werden, so dass die Leistungsanschlüsse eingeschaltet werden. Die Traktionsbatterie kann folglich im Grundzustand ausgeschaltet bleiben und an den Leistungsanschlüssen liegt keine Spannung an. Das Risiko eines Kurzschlusses wird vermieden. Bei einem Wechsel der Traktionsbatterie und dem Stecken und Lösen einer Verbindung, beispielsweise eines Batteriesteckers, entsteht kein Trennfunken, der den Batteriesteckverbinder belastet und zu Verschleiß führt. Da die Fahrzeugsteuerung die Traktionsbatterie abschalten kann, ohne sich dadurch selbst abzuschalten und auch bereits funktionsfähig ist, während die Traktionsbatterie noch abgeschaltet ist, etwa bei der Inbetriebnahme des Fahrzeugs, ergibt sich ein Betriebsverhalten der mobilen Arbeitsmaschine unabhängig von einer Technologie einer Batterie. Auch eine Hochleistungsbatterie, die im Grundzustand abgeschaltet ist führt zu einem Betriebsverhalten bei der Inbetriebnahme des Fahrzeuges, wie eine herkömmliche Blei-Säurebatterien, an deren Leistungsanschlüssen stets Spannung anliegt.
Vorteilhaft wird der weitere Spannungsanschluss über eine Schutzschaltung geführt, die unzulässig hohe Ströme verhindert.
Dies verhindert, dass über den weiteren Spannungsanschluss es zu einem Kurzschluss kommen kann. Da über diesen weiteren Spannungsanschluss nur eine sehr begrenzte Strommenge fließen darf, kann durch eine geeignete Überwachungsschaltung auf den zulässigen Strom eine solche Schutzschaltung verwirklicht werden.
In einer günstigen Ausgestaltung kann auf einen über die Kommunikationsverbindung übertragenen Steuerbefehl der Fahrzeugsteuerung hin das Batteriemanagementsystem die Schaltvorrichtung schalten.
Dies ermöglicht, wie bereits zuvor beschrieben, eine Inbetriebnahme des Fahrzeugs bzw. auch einen Wechsel der Traktionsbatterie, ohne dass durch den Fahrer oder eine bedienende Person der zusätzliche Bedienungsschritt des Einschaltens der Traktionsbatterie vorgenommen werden muss.
Eine Steckverbindung für den weiteren Spannungsanschluss kann in einem Batteriestecker integriert sein.
Eine Steckverbindung für die Kommunikationsverbindung kann in einem Batteriestecker integriert sein.
Durch die Integration der zusätzlichen Leitungen für den Spannungsanschluss und/oder die Kommunikationsverbindung kann eine leichte Handhabung und ein Schutz gegen ein versehentliches nicht Verbinden dieser Leitungen erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden beide Leistungsanschlüsse durch Schaltvorrichtungen geschaltet und sind zwei Spannungsanschlüsse für die Fahrzeugsteuerung vorgesehen.
Bei einer Traktionsbatterie mit ihrem Leistungsanschlüssen für Pluspol und Minuspol ist es im Regelfall ausreichend nur einen Pol, insbesondere den Pluspol durch die Schaltvorrichtung zu schalten. Wenn der Minuspol als Masse verwendet wird ist dann auch nur ein Spannungsanschluss ausreichend. Alternativ können auch beide Leistungsanschlüsse geschaltet werden, jedoch muss dann auch ein zweiter Spannungsanschluss für die Masse der Fahrzeugsteuerung vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist die Traktionsbatterie eine Hochleistungsbatterie, insbesondere eine Lithium-Ionenbatterie.
Gerade bei Hochleistungsbatterie verwirklichen sich die geschilderten Vorteile in besonderem Maße, da diese Batterien im Grundzustand möglichst ausgeschaltet und mit spannungsfrei geschalteten Leistungsanschlüssen sich befinden. Dies gilt insbesondere für die in zunehmendem Maße üblichen Lithium-Ionenbatterien.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine mobile Arbeitsmaschine, die batterie-elektrisch betrieben wird und durch eine auswechselbare Traktionsbatterie, wie sie zuvor beschrieben wurde, mit Energie versorgt wird sowie mit einer Fahrzeugsteuerung, wobei eine Kommunikationsverbindung zu dem Batteriemanagementsystem sowie ein separater Spannungsanschluss für die Fahrzeugsteuerung vorgesehen sind.
Die mobile Arbeitsmaschine weist die bereits zuvor geschilderten Vorteile auf.
Vorteilhaft sendet bei der Inbetriebnahme der mobilen Arbeitsmaschine die Fahrzeugsteuerung ein Signal über die Kommunikationsvorrichtung an das Batteriemanagementsystem zum Einschalten der Leistungsanschlüsse.
In einer günstigen Ausgestaltung ist die mobile Arbeitsmaschine ein Flurförderzeug, insbesondere ein Gegengewichtsgabelstapler.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die Figur in einem schematischen Schaltbild die Verbindungen zwischen einer Traktionsbatterie 1 sowie einer Fahrzeugsteuerung 2. Die Traktionsbatterie 1 ist mit einem Flurförderzeug als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine über Leistungsanschlüsse L– und L+ verbunden, die über interne Leitungen 3 auch mit der Fahrzeugsteuerung 2 in Verbindung stehen. Der Pluspol des Leistungsanschlusses L+ ist über einen Schütz 4 als Schaltvorrichtung 5 schaltbar. Ein Batteriemanagementsystem 6 ist über eine Kommunikationsverbindung 7 mit der Fahrzeugsteuerung verbunden und kann die Schaltvorrichtung 5 schalten. Die Fahrzeugsteuerung wird durch einen weiteren Spannungsanschluss 8 mit Strom auch dann versorgt, wenn der Pluspol des Leistungsanschlusses L+, wie dargestellt, spannungslos ist und über die internen Leitungen 3 die Fahrzeugsteuerung keine Spannung erhält. Der weitere Spannungsanschluss 8 ist dabei über eine Schutzschaltung 9 in dem Batteriemanagementsystem 6 geführt, das einen unzulässig hohen Strom verhindert und somit einen Kurzschlussschutz darstellt.
Bei einer Inbetriebnahme des Flurförderzeugs sendet die Fahrzeugsteuerung 2 über die Kommunikationsverbindung 7 ein Signal an das Batteriemanagementsystem 6, das die Schaltvorrichtung 5 schließt. Dadurch ist kein zusätzlicher Bedienschritt eines Fahrers des Flurförderzeugs erforderlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011100923 A1 [0009, 0010]

Claims

Traktionsbatterie für eine mobile Arbeitsmaschine mit Leistungsanschlüssen (L+, L–), von denen von einem Batteriemanagementsystem (6) der Traktionsbatterie (1) mindestens ein Leistungsanschluss (L+) durch eine Schaltvorrichtung (5) spannungsfrei geschaltet werden kann, sowie mit einer Kommunikationsverbindung (7) zur Verbindung mit einer Fahrzeugsteuerung (2) der mobilen Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Spannungsanschluss (8) für die Fahrzeugsteuerung (2) vorgesehen ist.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Spannungsanschluss (8) über eine Schutzschaltung (9) geführt wird, die unzulässig hohe Ströme verhindert.
Traktionsbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen über die Kommunikationsverbindung (7) übertragenen Steuerbefehl der Fahrzeugsteuerung (2) hin das Batteriemanagementsystem (6) die Schaltvorrichtung (5) schalten kann.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steckverbindung für den weiteren Spannungsanschluss (8) in einem Batteriestecker integriert ist.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steckverbindung für die Kommunikationsverbindung (7) in einem Batteriestecker integriert ist.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leistungsanschlüsse (L+, L–) durch Schaltvorrichtungen geschaltet werden und zwei Spannungsanschlüsse für die Fahrzeugsteuerung (2) vorgesehen sind.
Traktionsbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsbatterie (1) eine Hochleistungsbatterie ist, insbesondere eine Lithium-Ionenbatterie.
Mobile Arbeitsmaschine, die batterie-elektrisch betrieben wird und durch eine auswechselbare Traktionsbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Energie versorgt wird sowie mit einer Fahrzeugsteuerung (2), wobei eine Kommunikationsverbindung (7) zu dem Batteriemanagementsystem (6) sowie ein separater Spannungsanschluss (8) für die Fahrzeugsteuerung (2) vorgesehen sind.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme der mobilen Arbeitsmaschine die Fahrzeugsteuerung (2) ein Signal über die Kommunikationsvorrichtung (7) an das Batteriemanagementsystem (6) zum Einschalten der Leistungsanschlüsse (L+, L) sendet.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine ein Flurförderzeug ist, insbesondere ein Gegengewichtsgabelstapler.