DE102014106648A1 - Battery block with cooling element - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batterieblock einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit mehreren, in einem Batterietrog (1) angeordneten Batteriezellen (2), die jeweils an ihrer Oberseite elektrische Anschlüsse (3) aufweisen. Um mit geringem Aufwand bei möglichst hohem Energieumsatz während des Ladens und/oder Entladens eine lange Lebensdauer zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass eine Kühleinrichtung mit einem auf dem Batterietrog (1) angeordneten, mit Kühlfluid gefüllten Kühlelement (4) vorgesehen ist, das mit Flächenkontakt auf der Oberseite der Batteriezellen (2) aufliegt.The invention relates to a battery pack of a mobile working machine, in particular industrial truck, with a plurality of battery cells (2) arranged in a battery tray (1), each of which has electrical connections (3) on its upper side. In order to allow for a long life with little effort at the highest possible energy conversion during charging and / or discharging, it is proposed that a cooling device with a on the battery tray (1) arranged, filled with cooling fluid cooling element (4) is provided, which with surface contact on the top of the battery cells (2) rests.

Description

Die Erfindung betrifft einen Batterieblock einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit mehreren, in einem Batterietrog angeordneten Batteriezellen, die jeweils an ihrer Oberseite elektrische Anschlüsse aufweisen. The invention relates to a battery pack of a mobile work machine, in particular industrial truck, with a plurality of battery cells arranged in a battery cell, each of which has electrical connections on its upper side.

Gattungsgemäße Batterieblöcke, wie sie aus der DE 10 2008 060 709 A1 bekannt sind und z.B. als Traktionsbatterien für elektrische Fahrantriebe aber auch für elektrohydraulische Verbraucher eingesetzt werden, erwärmen sich beim Laden und Entladen durch den dabei stattfindenden Energieumsatz. Hierbei erhöht sich in Abhängigkeit von der Stromstärke beim Laden und Entladen die Temperatur in den Batteriezellen. Bei einem als Blei-Säure-Akkumulator (bzw. umgangssprachlich „Blei-Säure-Batterie“) ausgebildeten Batterieblock erwärmen sich die in den Batteriezellen befindlichen Bleiplatten und das Elektrolyt, aber auch durch Wärmeleitung die elektrischen Anschlüsse. An den elektrischen Anschlüssen, die als Kontaktierung mittels Schraubverbindung ausgeführt sind (auf die als Gewindebolzen ausgebildeten Anschlüsse sind Muttern aufgeschraubt, mit denen Verbindungsleitungen fixiert werden) entsteht ferner aufgrund von elektrischen Übergangswiderständen eine Verlustleistung, die ebenfalls temperaturerhöhend wirkt und somit die Traktionsbatterie zusätzlich aufheizt. Generic battery blocks, as shown in the DE 10 2008 060 709 A1 are known and used eg as traction batteries for electric traction drives but also for electro-hydraulic consumers, heat up during charging and discharging by taking place thereby energy sales. This increases depending on the current during charging and discharging the temperature in the battery cells. When designed as a lead-acid accumulator (or colloquially "lead-acid battery") formed battery block, the lead plates in the battery cells and the electrolyte, but also by heat conduction heat the electrical connections. At the electrical connections, which are designed as a contact by means of screw (nuts are screwed onto the connections formed as threaded bolts with which connecting lines are fixed) is also due to electrical contact resistance a power loss, which also acts to increase temperature and thus the traction battery heats up additionally.

Da die Lebensdauer eines Batterieblocks maßgeblich davon abhängt, dass bestimmte Temperaturen nicht überschritten werden, beschränkt dieser Umstand den Energieumsatz beim Laden und beim Entladen, d.h. den Ladestrom und den Entladestrom. Eine zu starke Erwärmung des Batterieblocks durch zu hohe Lade- bzw. Entladeströme würde die Lebensdauer signifikant reduzieren. In der Praxis führt das zu langen Ladezeiten und zu einer Beschränkung der in einer bestimmten Zeitspanne aus dem Batterieblock entnehmbaren Menge an elektrischer Energie. Since the life of a battery pack depends largely on not exceeding certain temperatures, this fact limits the energy expenditure during charging and discharging, i. the charging current and the discharge current. Excessive heating of the battery pack due to excessive charging or discharging currents would significantly reduce the service life. In practice, this leads to long charging times and a restriction of the amount of electrical energy which can be taken out of the battery block in a certain period of time.

Bei Batterieblöcken, die als Hochleistungsbatterien ausgebildet und nur in einem beschränkten Temperaturbereich einsetzbar sind, beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien, sind zahlreiche Lösungen bekannt, bei denen durch geeignete Temperiereinrichtungen die Traktionsbatterie beheizt und/oder gekühlt wird. Eine dieser Lösungen ist in der DE 10 2007 045 183 A1 beschrieben. Hierbei ist die Batterie in einer mit flüssigem Heiz- und/oder Kühlmedium gefüllten Einhausung angeordnet. In battery blocks, which are designed as high-performance batteries and can be used only in a limited temperature range, such as lithium-ion batteries, numerous solutions are known in which by suitable tempering the traction battery is heated and / or cooled. One of these solutions is in the DE 10 2007 045 183 A1 described. In this case, the battery is arranged in a housing filled with liquid heating and / or cooling medium.

Eine derartige Lösung erfordert einen speziell angepassten Batterieblock und ist daher aufwändig. Herkömmliche, als Blei-Säure-Akkumulatoren ausgebildete Batterieblöcke, wie sie beispielsweise in Flurförderzeugen eingesetzt werden, sind bisher ungekühlt. Mit dem Wunsch nach höherer Leistungsfähigkeit mobiler Arbeitsmaschinen (z.B. bei Flurförderzeugen große zu bewegende Lasten) und dem damit einhergehenden, größer werdenden Energieinhalt von Batterieblöcken tritt die geschilderte Problematik zunehmend in Erscheinung. Such a solution requires a specially adapted battery pack and is therefore expensive. Conventional, designed as lead-acid batteries battery blocks, as used for example in industrial trucks, are so far uncooled. With the desire for higher performance of mobile machines (for example, in industrial trucks large loads to be moved) and the associated, increasing energy content of battery blocks, the problem described becomes increasingly apparent.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Batterieblock der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die mit geringem Aufwand bei möglichst hohem Energieumsatz während des Ladens und/oder Entladens eine lange Lebensdauer ermöglicht. The present invention is based on the object to provide a battery pack of the type mentioned above, which enables a long life with little effort at the highest possible energy conversion during charging and / or discharging.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Kühleinrichtung mit einem auf dem Batterietrog angeordneten, mit Kühlfluid gefüllten Kühlelement vorgesehen ist, das mit Flächenkontakt auf der Oberseite der Batteriezellen aufliegt. This object is achieved in that a cooling device is arranged with a arranged on the battery tray, filled with cooling fluid cooling element, which rests with surface contact on top of the battery cells.

Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, den Bereich des Batterieblocks, der sich am stärksten und am schnellsten erwärmt, also den Bereich der Zellendeckel der Batteriezellen gezielt zu kühlen. Durch die somit erreichbaren hohen Stromstärken beim Laden und Entladen wird einerseits die Ladezeit kurz gehalten und es ist andererseits im Betrieb der Arbeitsmaschine eine hohe Leistungsabgabe möglich. Die erfindungsgemäße Kühlung begrenzt den Temperaturanstieg des Batterieblocks und erzielt damit trotz hohen Energieumsatzes eine lange Lebensdauer. Da die Traktionsbatterie länger funktionsfähig ist, ergibt sich auch eine Kostenersparnis. The idea essential to the invention therefore consists of specifically cooling the area of the battery block which heats up the fastest and fastest, ie, the area of the cell cover of the battery cells. By thus achievable high currents during charging and discharging the charging time is kept short on the one hand and on the other hand, a high power output is possible in the operation of the machine. The cooling according to the invention limits the temperature rise of the battery pack and thus achieves a long service life despite high energy conversion. Since the traction battery is longer functional, there is also a cost savings.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

So ist in Weiterbildung der Erfindung das Kühlelement als flexibles, den Batterietrog abdeckendes Kissen ausgebildet. Durch die Nachgiebigkeit des Kissens ergibt sich ein guter Flächenkontakt zur Oberseite der Batteriezellen und dadurch ein guter Wärmeübergang von den Batteriezellen auf das in dem Kissen befindlichen Kühlfluid. Thus, in a further development of the invention, the cooling element is designed as a flexible, the battery tray covering pillow. The resilience of the pad results in good surface contact with the top of the battery cells and thereby good heat transfer from the battery cells to the cooling fluid in the pad.

In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn das Kühlelement mit Flächenkontakt auf den elektrischen Anschlüssen aufliegt. Es kann dann die durch elektrische Verluste in diesem Bereich entstehende Wärme abgeführt werden. In this context, it is also advantageous if the cooling element rests with surface contact on the electrical connections. It can then be dissipated by electrical losses in this area resulting heat.

Besonders günstig ist eine Weiterbildung der Erfindung gemäß der das Kühlelement mindestens eine Fluideintrittsöffnung und mindestens eine Fluidaustrittsöffnung aufweist und an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist. Particularly favorable is a development of the invention according to which the cooling element has at least one fluid inlet opening and at least one fluid outlet opening and is connected to a cooling circuit.

Die Kühleinrichtung ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil der Arbeitsmaschine. Hierbei kann der Batterieblock beim Entladen gekühlt werden, also während des Betriebs der damit ausgerüsteten Arbeitsmaschine. Es ist dabei möglich, größere Energiemengen aus dem Batterieblock zu entnehmen, ohne dabei eine die Lebensdauer herabsetzende Aufheizung befürchten zu müssen. Sofern der Batterieblock im eingebauten Zustand, also innerhalb des Fahrzeugs, geladen wird, beispielsweise durch ein in die mobile Arbeitsmaschine integriertes Ladegerät, kann zusätzlich oder alternativ während des Ladevorgangs gekühlt werden. The cooling device is part of the invention in an advantageous embodiment of the invention Working machine. In this case, the battery pack can be cooled during unloading, ie during operation of the machine equipped therewith. It is possible to remove larger amounts of energy from the battery pack, without having to fear a life-reducing heating. If the battery pack in the installed state, ie inside the vehicle, is charged, for example by a charger integrated in the mobile work machine, it is additionally or alternatively possible to cool during the charging process.

Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die Kühleinrichtung Bestandteil einer Ladestation ist. Hierbei findet der Ladevorgang im ausgebauten Zustand des Batterieblocks statt, wobei durch die erfindungsgemäße Kühleinrichtung Wärme abgeführt wird. Dadurch ist es möglich, den Ladevorgang mit größeren Ladeströmen durchzuführen und die Ladezeit zu verkürzen. Of course, it is also possible that the cooling device is part of a charging station. In this case, the charging process takes place in the expanded state of the battery block, wherein heat is dissipated by the cooling device according to the invention. This makes it possible to carry out the charging process with larger charging currents and to shorten the charging time.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt Further advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the schematic figures. It shows

1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Batterieblock und 1 a cross section through a battery block according to the invention and

2 eine Seitenansicht einer Batteriezelle des Batterieblocks. 2 a side view of a battery cell of the battery pack.

Der in 1 dargestellte Batterieblock weist einen Batterietrog 1 auf, in dem mehrere Batteriezellen 2 angeordnet sind. Jede Batteriezelle 2 ist an der Oberseite mit zwei elektrischen Anschlüssen 3 versehen, von denen einer als Pluspol und der andere als Minuspol dient. Die Batteriezellen 2 verfügen über eine bestimmte Zellenspannung und eine bestimmte Zellenkapazität. Durch Serienschaltung von Batteriezellen 2 zu Zellengruppen und Parallelschaltung der Zellengruppen ergibt sich für den dadurch gebildeten Batterieblock ein bestimmtes Spannungsniveau bei einer zugehörigen Speicherkapazität. Zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 3 jeweils einer Batteriezelle 2 ist ein Nachfüllstutzen S angeordnet (siehe 2), über den Elektrolyt nachfüllbar ist und Batteriegas entweichen kann. The in 1 shown battery block has a battery tray 1 on, in which several battery cells 2 are arranged. Every battery cell 2 is at the top with two electrical connections 3 provided, one of which serves as a positive pole and the other as a negative pole. The battery cells 2 have a certain cell voltage and cell capacity. By series connection of battery cells 2 To cell groups and parallel connection of the cell groups results for the battery block thus formed a certain voltage level at an associated storage capacity. Between the two electrical connections 3 each of a battery cell 2 is arranged a refill S (see 2 ), over which electrolyte is refillable and battery gas can escape.

Auf dem Batterietrog 1 befindet sich ein Kühlelement 4, das als flexibles Kissen ausgebildet ist, in dem sich ein Kühlfluid befindet. Das Kühlelement 4 ist mit einer Fluideintrittsöffnung 4a und einer Fluidaustrittsöffnung 4b versehen und an einen Kühlkreislauf angeschlossen, in dem sich eine Umwälzpumpe, ein Wärmetauscher und ggf. ein Ausgleichsbehälter befinden. Das Kühlelement 4 ist Bestandteil einer Kühleinrichtung des Batterieblocks und bildet ein Mittel zur Wärmeabfuhr vom Batterieblock. Hierbei kann durch Flächenkontakt des Kühlelements 4 Wärme von den oberen Zellenwänden und den elektrischen Anschlüssen 3 der Batteriezellen 2 an das zirkulierende Kühlfluid des Kühlelements 4 abgegeben werden. Das erwärmte Kühlfluid wird durch die Fluidaustrittsöffnung 4b abgeführt, im Wärmetauscher abgekühlt – ggf. mit Unterstützung eines Lüfters – und strömt als kaltes Kühlfluid durch die Fluideintrittsöffnung 4a wieder in das Kühlelement 4 zurück (in der 1 durch Pfeile dargestellt). On the battery tray 1 there is a cooling element 4 , which is formed as a flexible cushion in which a cooling fluid is located. The cooling element 4 is with a fluid inlet opening 4a and a fluid outlet opening 4b provided and connected to a cooling circuit in which there are a circulation pump, a heat exchanger and possibly a surge tank. The cooling element 4 is part of a cooling device of the battery pack and forms a means for heat dissipation from the battery pack. This can be achieved by surface contact of the cooling element 4 Heat from the upper cell walls and the electrical connections 3 the battery cells 2 to the circulating cooling fluid of the cooling element 4 be delivered. The heated cooling fluid is through the fluid outlet opening 4b discharged, cooled in the heat exchanger - possibly with the assistance of a fan - and flows as a cold cooling fluid through the fluid inlet opening 4a back into the cooling element 4 back (in the 1 represented by arrows).

Das Kühlelement 4 besteht aus einem nachgiebigem Material, das elektrisch nicht leitend und ausreichend flexibel ist, um sich mit guten Flächenkontakt an die Oberseite der Batteriezellen 2 und der elektrischen Anschlüsse 3 anzuschmiegen, also gewissermaßen formschlüssig. Auf die an sich üblichen Kunststoffisolierung der als Schraubenkopf ausgebildeten elektrischen Anschlüsse 3 kann daher verzichtet werden. Dadurch wird der Wärmeübergang von den elektrischen Anschlüssen 3 zum Kühlelement 4 verbessert. The cooling element 4 consists of a resilient material that is electrically non-conductive and sufficiently flexible to provide good surface contact to the top of the battery cells 2 and the electrical connections 3 to cling, so to speak positively. On the usual plastic insulation of the screw head designed as electrical connections 3 can therefore be waived. This will cause the heat transfer from the electrical connections 3 to the cooling element 4 improved.

Um ein Entgasen der Batteriezellen 2 zu ermöglichen kann das Kühlelement 4 mit dafür vorgesehen Entgasungsöffnungen am oberen Ende der Nachfüllstutzen S versehen sein. Bei dieser Ausführung kann das Kühlelement den Batterietrog 1 im Wesentlichen vollständig bedecken. Es ist aber auch möglich – wie in 2 dargestellt – im Kühlelement 4 Aussparungen für die Nachfüllstutzen S vorzusehen, so dass das Kühlelement 4 von den Nachfüllstutzen S durchsetzt ist. Diese Alternative hat den Vorteil, dass ein Nachfüllen von Elektrolyt ohne vorheriges Entfernen des Kühlelements 4 vom Batterietrog möglich ist. To degas the battery cells 2 to allow the cooling element 4 be provided with dedicated vent openings at the upper end of the refill S In this embodiment, the cooling element, the battery tray 1 essentially completely cover. But it is also possible - as in 2 shown - in the cooling element 4 To provide recesses for the refill S, so that the cooling element 4 from the refill S is interspersed. This alternative has the advantage of refilling electrolyte without first removing the cooling element 4 from the battery tray is possible.

Die Kühleinrichtung kann Bestandteil der Arbeitsmaschine sein, um den Batterieblock beim Entladen zu kühlen, also während des Betriebs der damit ausgerüsteten Arbeitsmaschine. Wird der Batterieblock im eingebauten Zustand, also innerhalb des Fahrzeugs, geladen, beispielsweise durch ein integriertes Ladegerät, dann kann während des Ladevorgangs gekühlt werden. Bei dieser Bauweise ist die Kühleinrichtung an eine fahrzeugseitige Kühlung angeschlossen, die ggf. bereits vorhanden ist. The cooling device may be part of the working machine to cool the battery pack during unloading, ie during operation of the machine equipped therewith. If the battery pack in the installed state, ie inside the vehicle, charged, for example by an integrated charger, then it can be cooled during the charging process. In this construction, the cooling device is connected to a vehicle-side cooling, which may already be present.

Die Kühleinrichtung kann auch Bestandteil einer externen Ladestation sein. Hierbei findet der Ladevorgang im ausgebauten Zustand des Batterieblocks statt. The cooling device can also be part of an external charging station. In this case, the charging process takes place in the expanded state of the battery pack.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008060709 A1 [0002] DE 102008060709 A1 [0002]
  • DE 102007045183 A1 [0004] DE 102007045183 A1 [0004]

Claims (6)

Batterieblock einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit mehreren, in einem Batterietrog angeordneten Batteriezellen, die jeweils an ihrer Oberseite elektrische Anschlüsse aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung mit einem auf dem Batterietrog (1) angeordneten, mit Kühlfluid gefüllten Kühlelement (4) vorgesehen ist, das mit Flächenkontakt auf der Oberseite der Batteriezellen (2) aufliegt. Battery block of a mobile work machine, in particular industrial truck, with a plurality of battery cells arranged in a battery cell, each having at its top electrical connections, characterized in that a cooling device with a on the battery tray ( 1 ), filled with cooling fluid cooling element ( 4 ) provided with surface contact on the top of the battery cells ( 2 ) rests. Batterieblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (4) als flexibles, den Batterietrog (1) abdeckendes Kissen ausgebildet ist. Battery block according to claim 1, characterized in that the cooling element ( 4 ) as flexible, the battery tray ( 1 ) Covering cushion is formed. Batterieblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (4) mit Flächenkontakt auf den elektrischen Anschlüssen (3) aufliegt. Battery block according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling element ( 4 ) with surface contact on the electrical connections ( 3 ) rests. Batterieblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (4) eine Fluideintrittsöffnung (4a) und eine Fluidaustrittsöffnung (4b) aufweist und an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist. Battery block according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling element ( 4 ) a fluid inlet opening ( 4a ) and a fluid outlet opening ( 4b ) and is connected to a cooling circuit. Batterieblockbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung Bestandteil der Arbeitsmaschine ist. Battery block battery according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling device is part of the working machine. Batterieblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung Bestandteil einer Ladestation ist. Battery block according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling device is part of a charging station.
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