DE102014105764A1

DE102014105764A1 - Batterie mit mindestens einem Widerstand

Info

Publication number: DE102014105764A1
Application number: DE102014105764.3A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Vahldiek; Hans-Georg Brauer; Lothar LASZIG
Original assignee: Jungheinrich AG
Current assignee: Jungheinrich AG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29

Abstract

Batterie mit einem oder mehreren Stacks von in Serie geschalteten Batteriezellen, mit mindestens einem Widerstand und einer Steuerung, die den Widerstand wahlweise parallel oder in Serie zu dem Stack schaltet, wobei der Widerstand in thermischem Kontakt zu den Batteriezellen des Stacks in der Batterie angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie mit einem Widerstand.
Für den Einsatz von Batterien in Flurförderzeugen ist häufig ein generatorischer Betrieb der elektrischen Maschinen vorgesehen, so beispielsweise beim Senken einer Last oder beim Abbremsen des Fahrzeugs. Die bei dem generatorischen Betrieb auftretenden Leistungen und Ströme werden für das Wiederaufladen der Batterie eingesetzt, jedoch müssen diese, gerade bei Lithium-Ionen-Batterien, überwacht werden, um eine Überlastung der Batteriezellen in den Batterien zu verhindern. Hierzu können beispielsweise Bremschopper und/oder Bremswiderstände eingesetzt werden, die die an den Batteriezellen anliegende Leistung begrenzen. Ferner ist bekannt, insbesondere bei Einsätzen des Flurförderzeugs in kalter Umgebung, die Batterie auf eine günstige Betriebstemperatur zu heizen. Hierzu wird häufig eine batterieinterne Heizung an die Fahrzeugheizung angeschlossen. Weiterhin ist es insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien erforderlich, zwischen den einzelnen Batteriezellen und zwischen den einzelnen Batteriestacks für einen Spannungsausgleich zu sorgen. Ein solcher Spannungsausgleich kann über einen Ladungsausgleich mit Hilfe eines Widerstandes erfolgen. Auch ist es bekannt, über die Verwendung eines Vorladerelais in Zusammenhang mit einem Vorladewiderstand, die Batterie vor überhöhten Einschaltströmen an einem Batteriehauptrelais zu schützen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, bereitzustellen, die mit möglichst geringem Aufwand und wenig Teilen eine Umsetzung möglichst vieler Funktionen und insbesondere vieler Schutzfunktionen gestattet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Batterie mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Batterie weist einen oder mehrere Stacks von in Serie geschalteten Batteriezellen auf. Ferner ist die Batterie mit mindestens einem Widerstand und einer Steuerung versehen, wobei die Steuerung den Widerstand wahlweise parallel oder in Serie zu dem Stack schalten kann. Erfindungsgemäß ist der Widerstand derart in der Batterie und ihrem Gehäuse angeordnet, dass er in einem thermischen Kontakt zu den Batteriezellen seines Stacks steht. Über die in der Batterie vorgesehene Steuerung ist es möglich, den oder die Widerstände parallel oder in Serie zu den Batteriezellen eines Stacks zu schalten. Weiterhin steht eine von dem Widerstand erzeugte Wärmemenge über dem thermischen Kontakt den Batteriezellen zur Verfügung. Durch die unterschiedliche Schaltbarkeit des Widerstands und seinem engen thermischen Kontakt mit den Batteriezellen ist es möglich, bei der erfindungsgemäßen Batterie den Widerstand für eine Reihe von unterschiedlichen Aufgaben einzusetzen, bei denen in der Vergangenheit mehrere voneinander verschiedene Widerstände eingesetzt wurden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung vorgesehen, den Widerstand parallel zu dem Stack zu schalten, um den Stack zu erwärmen. Hierdurch kann die gesamte Batterie aufgeheizt oder eine gleichmäßige Temperatur innerhalb der Batterie durch gezieltes Beheizen eines oder mehrerer kühler Stacks hergestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung vorgesehen, um den Widerstand in Serie zu dem Stack zu schalten, damit dieser als Vorladewiderstand Strom- und Spannungsspitzen glättet. Zwischen Batterie und Leistungsteil ist häufig ein Zwischenkreiskondensator geschaltet, der mit einem in die Leitung seriell geschalteten Widerstand als Vorladewiderstand auftretende Spitzen dämpft.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Temperatursensor vorgesehen, dessen Messsignal an der Steuerung anliegt. Über den Temperatursensor kann die aktuelle Temperatur innerhalb der Batterie überwacht werden. Bei der Überwachung kann vorgegeben werden, dass die Temperatur in der Batterie nicht zu stark absinkt und/oder ein gleichmäßiges Temperaturprofil in der Batterie herrscht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Stacks in der Batterie vorgesehen und die Steuerung schaltet den Widerstand in Serie zu dem Stack, um einen Ladungsausgleich mit anderen Stacks zu erzielen. Durch den in Serie geschalteten Widerstand ändert sich der Gesamtwiderstand des Stacks auch relativ zu den anderen Stacks in der Batterie, so dass hier über den Widerstand ein Ladungsausgleich erfolgt.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuerung, ansprechend auf ein Signal für einen generatorischen Betrieb, den Widerstand parallel zu dem korrespondierenden Stack schaltet. Im generatorischen Betrieb wird der Stack mit den Batteriezellen durch den generatorisch erzeugten Strom wieder aufgeladen. Um hier Überspannungen für die Batteriezellen zu vermeiden, ist es hilfreich, den Widerstand parallel zu dem korrespondierenden Stack zu schalten. Bevorzugt weist die Steuerung einen Spannungssensor auf, der bei Überspannung den Stack und/oder den Widerstand von der Batterieleitung trennt. Wenn die im generatorischen Betrieb erzeugte Spannung zu groß für die Batteriezellen ist und durch den parallel geschalteten Widerstand nicht ausreichend reduziert werden kann, werden die Batteriezellen und gegebenenfalls der Widerstand vom Netz getrennt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Steuerung eine Taktung auf, über die eine von dem Widerstand aufgenommene Leistung einstellbar ist. Durch die Taktung kann festgelegt werden, welche Leistung über den Stack mit seinen Batteriezellen fließt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Widerstand als ein Folienwiderstand ausgebildet, der durch Klebung oder Pressung auf die Batteriezellen appliziert ist. Die Verwendung eines Folienwiderstandes erlaubt einen engen thermischen Kontakt und eine homogene Erwärmung der Batteriezellen.
In einer alternativen oder auch zusätzlichen Ausgestaltung ist der Widerstand als ein Leistungswiderstand ausgebildet, der über einen flächigen, wärmeleitenden Träger in thermischen Kontakt mit den Batteriezellen steht. Da, je nach Ausgestaltung der Batterie, es durchaus möglich ist, mehrere Stacks von Batteriezellen in der Batterie zu verwenden, ist es auch möglich, sowohl einen Folienwiderstand als auch einen Leistungswiderstand in der Batterie vorzusehen.
Je nach Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, den Widerstand über elektromechanische Schalter, wie beispielsweise Relais und/oder über elektronische Schalter, wie beispielsweise Transistoren, zu schalten.
Anhand einer erfindungsgemäß ausgelegten Batterie wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Batterie 10 mit ihren Batteriekontakten 12 und 14, über die Leistung aus der Batterie entnommen werden kann. Zudem kann über die Kontakte 12 und 14 auch die Batterie wieder aufgeladen werden, sei es im generatorischen Betrieb eines elektrischen Antriebs oder über ein Ladegerät.
Die dargestellte Batterie 10 besitzt zwei Batteriemodule 16, 18, die jeweils einen Satz von in Serie geschalteten Batteriezellen 20 besitzen. Die in Serie geschalteten Batteriezellen 20 bilden einen Stack 26. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt jedes Batteriemodul genau einen Stack von Batteriezellen.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Batterie wird nachfolgend anhand des Batteriemoduls 16 näher beschrieben. Das Batteriemodul 18 ist entsprechend gleich aufgebaut. Das Batteriemodul 16 besitzt zusätzlich zu dem Stack 26 einen Widerstand 25, der über vier Schalter 22, 23, 24, 21 mit den Kontakten 28 und 30 des Batteriestacks 26 verbunden ist.
In dem dargestellten Beispiel weist jedes Batteriemodul 16, 18 in einer mit dem Pluspol der Batterie verbundenen Leitung 28 zwei Schalter 24 und 21 auf. Die Schalter 21 und 24 sind in Serie geschaltet, wobei eine erste Verbindungsleitung 32 zwischen dem Stack 26 und den Schaltern 24 und 21 mit der zum Pluspol führenden Leitung 28 verbunden ist. Eine zweite Verbindungsleitung 34 ist zwischen den Schaltern 21 und 24 mit der zum Pluspol führenden Leitung 28 verbunden. Die Verbindungsleitungen 32 und 34 sind mit je einem Ende des Widerstands 25 verbunden, so dass der Widerstand 25 parallel zu dem Schalter 24 schaltbar ist. Die erste Verbindungsleitung 32 ist zudem über einen ersten Verbindungsschalter 22 mit der zum Pluspol führenden Leitung 28 und mit einem zweiten Verbindungsschalter 23 mit der zum Minuspol führenden Leitung 30 verbunden.
Bei der erfindungsgemäßen Batterie ist der Schalter 21 ein Batterieschalter, über den das gesamte Batteriemodul von der Batterie getrennt werden kann. Ist der Batterieschalter 21 geschlossen, so ist stets die stromführende Leitung 28 über die Leitung 34 mit dem Widerstand 25 verbunden. Wird nun der zweite Verbindungsschalter 23 geschlossen, während der erste Verbindungsschalter 22 geöffnet und der Schalter 24 geschlossen ist, so ist der Widerstand 25 parallel zu dem Stack 26 geschaltet. Sind die Schalter 23 und 24 geöffnet und der erste Verbindungsschalter 22 sowie der Schalter 21 geschlossen, so ist der Widerstand 25 in die Leitung 28 geschaltet und damit seriell zu dem Stack 26.
Durch das gestrichelte Oval 36 angedeutet befindet sich der Widerstand 25 in thermischem Kontakt zu den Batteriezellen 20 des Stacks 26. Mithilfe dieses thermischen Kontakts 36 ist es möglich, das Modul der Batterie zu heizen, beispielsweise, um eine zum Laden oder Fahren erforderliche Minimaltemperatur zu erreichen oder um Temperaturdifferenzen zwischen den Modulen auszugleichen.
Ferner kann durch den Widerstand 25 in Modul 16 und dem entsprechenden Widerstand in Modul 18 ein Ladungsausgleich zwischen den Modulen 16 und 18 herbeigeführt werden. Der Ladungsausgleich erlaubt es, ungleiche Ausgangsspannungen zwischen den Modulen 16 und 18 zu vermeiden. Weiterhin kann der Widerstand 25 als Bremswiderstand genutzt werden, falls keine oder nicht genügend Brems- bzw. Rückspeiseenergie in die Batterie geladen werden kann. Hierdurch können Überspannungen beim Bremsen verhindert werden. Weiterhin kann der Widerstand 25 als Vorladewiderstand zum Aufladen von Eingangs- und Zwischenkreiskondensatoren eingesetzt werden.
Der Widerstand 25 kann in verschiedenen Bauformen ausgeführt sein. Eine gute thermische Anbindung an die Batteriezellen 20 ist insbesondere für die Heizfunktion wichtig. Dies kann durch einen Folienwiderstand erfolgen, der durch Klebung oder Pressung auf die Batteriezellen appliziert ist. Ebenfalls ist es möglich, Leistungswiderstände, beispielsweise Draht-, Kohlenstoff- oder Keramikbauweise auf einem flächigen, wärmeleitenden Träger aufzubringen, der durch Klebung oder Pressung auf die Batteriezellen appliziert ist. Ebenfalls ist es möglich, Leistungswiderstände auf Bauteilen der Batterie zu montieren, um einen guten thermischen Kontakt mit den Batteriezellen zu haben.
Die Schalter können als elektromechanische Schalter, beispielsweise in Form von Relais oder elektrische Schalter, beispielsweise als IGBT, Transistor oder dergleichen, ausgebildet sein. Durch eine Taktung der Schalter kann die in den Widerstand eingebrachte Leistung verändert werden. Die Betätigung der Schalter erfolgt bevorzugt über ein Batteriemanagementsystem (BMS), das regelmäßig bei Lithium-Ionen-Batterien vorgesehen ist. Auch eine Fahrzeugsteuerung oder diskrete elektromechanische oder elektronische Schalter können den Widerstand entsprechend zuschalten. Als elektromechanische Schalter sind beispielsweise für die Temperaturüberwachung auch Bimetall-Temperatur-Schalter möglich. Für elektronische Schalter können Schwellwertschalter verwendet werden. Die Nutzung der Schutzfunktionen für die Batterie kann durch entsprechendes Schalten gesteuert werden.

Claims

Batterie mit einem oder mehreren Stacks von in Serie geschalteten Batteriezellen, mit mindestens einem Widerstand und einer Steuerung, die den Widerstand wahlweise parallel oder in Serie zu dem Stack schaltet, wobei der Widerstand in thermischem Kontakt zu den Batteriezellen des Stacks in der Batterie angeordnet ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den mindestens einen Widerstand parallel zu dem Stack schaltet, um den Stack zu erwärmen.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung den mindestens einen Widerstand in Serie zu dem Stack schaltet, um als Vorladewiderstand den Strom beim Ein- und/oder Ausschalten zu glätten.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, dessen Messsignal an der Steuerung anliegt.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stacks in der Batterie vorgesehen sind und die Steuerung den mindestens einen Widerstand in Serie zu dem Stack schaltet, um einen Ladungsausgleich mit anderen Stacks zu bewirken.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung, ansprechend auf ein Signal für einen generatorischen Betrieb, den Widerstand parallel zu dem Stack schaltet.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Spannungssensor aufweist und bei Überspannung den Stack und/oder den Widerstand von der Batterieleitung trennt.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eine Taktung vorsieht, über die eine von dem Widerstand aufgenommene Leistung einstellbar ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Widerstand als ein Folienwiderstand ausgebildet ist, der durch Klebung oder Pressung auf die Batteriezellen appliziert ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand als ein Leistungswiderstand ausgebildet ist, der über einen flächigen, wärmeleitenden Träger in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen steht.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand über elektromechanische Schalter und/oder über elektrische Schalter geschaltet wird.