DE112021000176T5

DE112021000176T5 - Ladesystem für batteriepacks, ladegerät für batteriepacks und verfahren zum laden eines batteriepacks

Info

Publication number: DE112021000176T5
Application number: DE112021000176.0T
Authority: DE
Inventors: Andreas Johansson; Pär Martinsson; Micael Racov
Original assignee: Husqvarna AB
Current assignee: Husqvarna AB
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-09-15
Also published as: CN114902520A; WO2021150156A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Ladesystem für Batteriepacks, das ein Batterieladegerät (1) und einen Batteriepack (3) umfasst, der in das Batterieladegerät zum Laden des Batteriepacks aufgenommen werden kann. Das Batterieladegerät umfasst eine Ladeelektronik (21) und eine Lüfteranordnung (23) zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom (25), wobei der Luftstrom vom Batterieladegerät zum Batteriepack geleitet wird, um auch das Batteriepack zu kühlen. Es kann ein umgekehrter Luftstrom (25') erzeugt werden, der sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt und damit in erster Linie das Batteriepack (3) kühlt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Ladesystem für Batteriepacks, das ein Batterieladegerät zum Laden des Batteriepacks und einen im Batterieladegerät aufnehmbaren Batteriepack umfasst. Das Batterieladegerät umfasst eine Ladeelektronik und eine Lüfteranordnung zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom, wobei der Luftstrom zur Kühlung des Batteriepacks von dem Batteriepack zu dem Batterieladegerät geleitet wird.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Batterieladegerät und ein Verfahren zur Steuerung eines Batterieladegeräts in einem Batterieladesystem.
Hintergrund
Solche Batterieladesysteme können z. B. zum Laden von Akkumulatoren in Elektrowerkzeugen verwendet werden. Dank der Führung des Luftstroms, der die Temperatur des Batteriepacks während des Ladevorgangs niedrig hält, weg vom Batteriepack (auch: Akkupack), kann der Ladevorgang leistungsfähiger sein, was die Ladezeit verkürzt.
Ein Problem im Zusammenhang mit solchen Ladesystemen ist die Frage, wie man sie noch effizienter machen kann.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es daher, ein effizienteres Batterieladesystem bereitzustellen. Dieser Zweck wird durch ein Batterieladesystem nach Anspruch 1 erreicht. Genauer gesagt ist bei einem Batterieladesystem der eingangs genannten Art das Batterieladegerät so ausgelegt, dass es einen umgekehrten Luftstrom erzeugt, wobei der umgekehrte Luftstrom von dem Batterieladegerät zu dem Batteriepack geleitet wird. Dies kann genutzt werden, wenn der Batteriepack kürzlich entladen wurde und daher zu heiß ist, um geladen zu werden. In diesem Fall dient der umgekehrte Luftstrom dazu, die Temperatur des Batteriepacks schneller abzukühlen, da der Luftstrom, der auf die Batterie zugeleitet wird, nachweislich stärker ist und die Luft in dieser Zeit nicht vorgewärmt wird, da die Ladeelektronik abgeschaltet ist oder zumindest weniger Wärme erzeugt als beim Aufladen. Dadurch kann die Batterie schneller eine zulässige Ladetemperatur erreichen, bei der der Ladevorgang beginnen kann, was den Ladevorgang insgesamt effizienter macht.
Das Batterieladegerät kann eine Kommunikationseinheit umfassen, die in der Lage ist, Daten zur Temperatur vom Batteriepack zu empfangen. Dadurch kann sich das Ladegerät an die Batterietemperatur anpassen, indem es so lange wie nötig in einem Kühlphasenmodus verbleibt und anschließend in einen Ladephasenmodus umschaltet. Wenn also empfangene Daten zur Temperatur, typischerweise ein Übertemperatur-Flag, anzeigen, dass die Batterietemperatur einen Schwellenwert überschreitet, wird der umgekehrte Luftstrom erzeugt.
Alternativ kann der umgekehrte Luftstrom für einen bestimmten Zeitdauer erzeugt werden, wenn der Batteriepack an das Ladegerät angeschlossen wird. Dies erfordert keine Kommunikation zwischen dem Batteriepack und dem Ladegerät.
In der Regel wird jedoch der umgekehrte Luftstrom so lange erzeugt, bis erkannt wird, dass der Batteriepack eine Schwellentemperatur erreicht hat. Dann beginnt die Ladephase.
Der umgekehrte Luftstrom kann einen Kühlkörper im Batteriepack passieren.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Batterieladegerät für einen Batteriepack, der in dem Batterieladegerät aufgenommen werden kann, wobei das Batterieladegerät eine Ladeelektronik und eine Lüfteranordnung zur Kühlung des Batteriepacks und der Ladeelektronik mit einem Luftstrom umfasst. Das Batterieladegerät ist so ausgelegt, dass es den Luftstrom von einem angeschlossenen Batteriepack zur Kühlung des Batteriepacks ansaugt. Das Batterieladegerät ist ferner so ausgelegt, dass es vorübergehend einen umgekehrten Luftstrom erzeugt, wobei der umgekehrte Luftstrom vom Batterieladegerät in Richtung des Batteriepacks geleitet wird.
Die vorliegende Offenbarung befasst sich ferner mit einem Verfahren zur Steuerung eines Batterieladegeräts in einem Ladesystem für Batteriepacks, wobei das Batterieladegerät zum Laden eines im Batterieladegerät aufnehmbaren Batteriepacks geeignet ist. Das Batterieladegerät umfasst eine Ladeelektronik und eine Lüfteranordnung zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom. Das Batterieladegerät arbeitet in einem Kühlphasenmodus, in dem ein umgekehrter Luftstrom erzeugt wird, wobei der umgekehrte Luftstrom von dem Batterieladegerät zu dem Batteriepack geleitet wird, und in einem Ladephasenmodus, in dem ein Luftstrom erzeugt wird, wobei der Luftstrom von dem Batteriepack zu einem Batterieladegerät geleitet wird.
Figurenliste

1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batterieladegeräts.
1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Batteriepacks.
2A und 2B zeigen ein Batterieladesystem, das in einem Ladephasenmodus und in einem Kühlphasenmodus arbeitet.
3 und 4 sind Flussdiagramme, die verschiedene Beispiele für Verfahren zur Steuerung eines Batterieladegeräts in einem Batterieladesystem zeigen.

Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Batterieladesystem. Das Batterieladesystem umfasst ein Batterieladegerät 1 und einen Batteriepack 3, die in 1A bzw. 1B dargestellt sind. Der Batteriepack 3 kann typischerweise ein 36 V- oder 48 V-Batteriepack sein, obwohl in diesem Zusammenhang natürlich auch andere Spannungen möglich sind, z. B. 18 V, 72 V oder 96 V. Typischerweise wird der Batteriepack in einem Elektrowerkzeug wie einer Kettensäge verwendet, die mit zwei oder mehr Batteriepacks verkauft werden kann, so dass einer einsatzbereit ist, wenn der andere aufgeladen werden muss.
Zu diesem Zweck kann ein aufzuladender Batteriepack 3 in das Batterieladegerät 1 eingesetzt werden. Das Batterieladegerät umfasst daher einen Steckplatz 5 mit einem elektrischen Anschluss 7, wobei der Steckplatz 5 einen Formadapter zum Zusammenpassen mit einem entsprechenden Abschnitt des Batteriepacks 3 aufweist, während der elektrische Anschluss 7 des Batterieladegeräts 1 mit einem entsprechenden Anschluss am Batteriepack 3 zusammenpasst, wie es an sich bekannt ist.
Um die von der Batterie 3 und der Ladeelektronik im Batterieladegerät 1 während des Ladevorgangs erzeugte Wärme effizient abzuführen, ist im Batterieladegerät eine Lüfteranordnung vorgesehen, die einen Luftstrom 25 durch das Gehäuse 10 des Batterieladegeräts 1 von den Einlässen 9 zu den in seinem Gehäuse 10 ausgebildeten Auslässen 11 leitet.
Wie in 1A dargestellt, können die Luftstromeinlässe 9 in dem Steckplatz 5 des Batterieladegeräts 1 ausgebildet sein, der den Batteriepack 3 aufnimmt. Wenn ein Batteriepack 3 in den Steckplatz 5 eingesetzt wird, ist es daher möglich, den Luftstrom 25 durch einen Einlass 15 im Batteriepack 3, der sich im gezeigten Beispiel an dessen Oberseite befindet, durch einen Kanal im Batteriepack 3 weiter anzusaugen und den Luftstrom 25 durch einen Auslass 17 am Batteriepack austreten zu lassen, wobei der Auslass 17 mit dem Einlass 9 des Batterieladegeräts 1 fluchtend ist (bzw. übereinstimmt).
Dadurch kann der Luftstrom 25 auch den Batteriepack 3 während des Ladevorgangs abkühlen, was ein schnelleres Aufladen des Batteriepacks 3 ermöglicht. Dies kann noch weiter verbessert werden, indem im Batteriepack 3 Kühlkörper vorgesehen werden, die in den Luftstrom hineinreichen.
Eine Anordnung mit einem Steckplatz 5 im Batterieladegerät 1 ist nicht erforderlich, jedoch sollten die Einlässe 9 des Ladegerätes vorzugsweise zumindest teilweise mit den Auslässen 17 des Batteriepacks 3 übereinstimmen, obwohl grundsätzlich auch andere Wege der Führung des Luftstroms 25 vom Batteriepack 3 zum Batterieladegerät 1 denkbar sind.
Die vorliegende Offenbarung fügt einem solchen Ladesystem 1, 3 ein weiteres Merkmal hinzu: Die Entladung eines Batteriepacks 3 während der Verwendung z. B. eines Elektrowerkzeugs erhöht dessen Innentemperatur sehr stark. Bei einem Hochleistungswerkzeug, bei dem die Entladung schnell erfolgt, kann die Innentemperatur des Batteriepacks einen so hohen Wert erreichen, dass ein Aufladen nicht mehr möglich ist, ohne eine Beschädigung des Batteriepacks 3 zu riskieren oder zumindest seine Lebensdauer zu verkürzen. Daher wurden Lösungen in Betracht gezogen, bei denen der Batteriepack 3 dem Batterieladegerät 1 einen Übertemperaturzustand mitteilt und das Batterieladegerät den Ladevorgang verschiebt bzw. verzögert, bis eine zulässige Temperaturbedingung im Batteriepack 3 erfüllt ist.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Zeit, bis ein Batteriepack 3 mit einem Übertemperaturzustand aufgeladen werden kann, verkürzt, ohne eine Beschädigung des Batteriepacks 3 zu riskieren.
In einem Batterieladesystem 1, 3, wie es in den 1A und 1B dargestellt ist, wird zusätzlich zur Ladephase, in der der Batteriepack 3 geladen wird, eine Kühlmodusphase eingeführt.
Die 2A und 2B zeigen ein Batterieladesystem, das in einem Ladephasenmodus bzw. in einem Kühlphasenmodus arbeitet.
In der Ladephase, die in 2A schematisch dargestellt ist, arbeitet die Lüfteranordnung 23 in normaler Richtung und drückt einen Luftstrom 25, der durch den Batteriepack 3 hindurchgeht und dann durch die Auslässe 17 des Batteriepacks 3 austritt, durch mindestens einen oberen Einlass 15 des Batteriepacks 3 die mit den entsprechenden Einlässen 9 des Batterieladegeräts 1 fluchtend sind. Beim Durchströmen des Batteriepacks 3 kühlt der Luftstrom 25 die darin befindlichen Batteriezellen 29 ab, typischerweise mittels Kühlkörpern 31, die in den Luftstrom 25 hineinreichen.
Die Luftströme 25 treten durch die Einlässe 9 in das Batterieladegerät ein, durchqueren das Batterieladegerätgehäuse 10 und treten durch die Auslässe 11 aus, und die darin befindliche Elektronik 21 wird durch die Luftströme 25 gekühlt. Die Luftströme 25 werden auf diese Weise durch eine Lüfteranordnung 23, die typischerweise einen Elektromotor umfasst, angetrieben.
Im Kühlmodus, der in 2B dargestellt ist, arbeitet das Ladesystem 1, 3 mit umgekehrtem Lüfter, so dass vorübergehend die Einlässe zu Auslässen werden und umgekehrt.
Es hat sich gezeigt, dass diese Umkehrung des Luftstroms den Durchfluss durch den Batteriepack 3 erhöht, und da der Luftstrom 25 im Kühlmodus nicht stärker von der Ladeelektronik 21 erwärmt wird, die mehr oder weniger abgeschaltet ist, erhöht sich dadurch die Kühlwirkung auf den Batteriepack 3. Dadurch erreicht der Batteriepack 3 schneller eine zulässige Temperatur, bei der mit dem Ladevorgang begonnen werden kann. Dies kann in verschiedene Verfahren zur Steuerung eines Batterieladesystems eingeteilt werden.
3 und 4 sind Flussdiagramme, die verschiedene Beispiele für Verfahren zur Steuerung eines Batterieladegeräts 1 in einem Batterieladesystem zeigen.
In einem ersten Beispiel, das in 3 dargestellt ist, wird davon ausgegangen, dass die in das Batterieladegerät 1 eingelegte Batterie 3 zu heiß ist, so dass das System beim Anschließen der Batterie 41 in einen Kühlphasenmodus 43 übergeht und die Batterie 3 schneller abkühlt, wie in 2B dargestellt. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit wird davon ausgegangen, dass die Batterie ausreichend abgekühlt ist, um mit dem Ladevorgang zu beginnen, und das Batterieladesystem wechselt in den Ladephasenmodus 45, wie in 2A dargestellt. Dies ist eine einfache Lösung, da das Ladegerät die Temperatur des Batteriepacks nicht zu ermitteln braucht.
In einem zweiten Beispiel, das in 4 dargestellt ist, wird zunächst geprüft 47, ob das Ladesystem 1, 3 in den Kühlphasenmodus 43 übergehen muss. Der Batteriepack 3 liefert dann Daten zur Temperatur an das Batterieladegerät 1. Zu diesem Zweck können das Batterieladegerät und der Batteriepack Kommunikationseinheiten 27 umfassen, wie in den 2A und 2B dargestellt. Solche Kommunikationseinheiten können funkbasiert sein, z. B. eine BLUETOOTH-Schnittstelle, oder sie können optisch sein oder einfach über die Ladeanschlüsse des Ladesystems kommunizieren.
Der Batteriepack 3 kann dann entweder seine tatsächliche Temperatur oder eine Übertemperaturmeldung liefern. In jedem Fall wird festgestellt 47, ob die Temperatur des Batteriepacks einen Schwellenwert Tb>Tt überschreitet, was auf einen Übertemperaturzustand hinweist, und wenn dies der Fall ist, kann das System, wie beschrieben, in einen Kühlphasenmodus 43 übergehen. Dann kann in regelmäßigen Abständen geprüft werden 47, ob die Übertemperatur weiterhin besteht oder ob das System in den Ladephasenmodus 45 übergehen kann. Alternativ kann das System für eine vorgegebene oder auf der Grundlage der tatsächlichen Temperatur ermittelte Zeitdauer in dem Kühlphasenmodus verbleiben. Als weitere Alternative können Unterbrechungen die Übergänge zwischen verschiedenen Modi steuern.
Alternativ zur Kommunikation mit dem Batteriepack 3 kann das Batterieladegerät 1 auch Mittel zur Messung der Temperatur des Batteriepacks enthalten, z. B. mit einem Pyrometer.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt und kann im Rahmen der beigefügten Ansprüche auf verschiedene Weise variiert und verändert werden.

Claims

Ladesystem für Batteriepacks umfassend - ein Batterieladegerät (1) und einen Batteriepack (3), der in dem Batterieladegerät zum Laden des Batteriepacks aufgenommen werden kann, - wobei das Batterieladegerät (1) eine Ladeelektronik (21) und eine Lüfteranordnung (23) zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom (25) umfasst, und wobei der Luftstrom zur Kühlung des Batteriepacks von dem Batteriepack (3) zu dem Batterieladegerät (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieladegerät (1) so ausgelegt ist, dass es vorübergehend einen umgekehrten Luftstrom (25') erzeugt, wobei der umgekehrte Luftstrom von dem Batterieladegerät (1) zu dem Batteriepack (3) geleitet wird.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 1, wobei das Batterieladegerät (1) eine Kommunikationseinheit (27) umfasst, die Daten zur Temperatur vom Batteriepack (3) empfangen kann.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 2, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') erzeugt wird, wenn die empfangene Daten zur Temperatur anzeigen, dass die Batterietemperatur einen Schwellenwert überschreitet.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 3, wobei die Daten zur Temperatur ein Übertemperatur-Flag sind.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 3 oder 4, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') vor Beginn des Ladens des Batteriepacks (3) erzeugt wird.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 1, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') für eine vorbestimmte Zeitdauer erzeugt wird, wenn der Batteriepack (3) an das Batterieladegerät (1) angeschlossen ist.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 1, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') so lange erzeugt wird, bis erkannt wird, dass der Batteriepack (3) eine Schwellentemperatur erreicht hat.
Ladesystem für Batteriepacks nach Anspruch 6 oder 7, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') vor Beginn des Ladens des Batteriepacks (3) erzeugt wird.
Ladesystem für Batteriepacks nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der umgekehrte Luftstrom (25') einen Kühlkörper (31) im Batteriepack (3) passiert.
Batterieladegerät (1) für einen in dem Batterieladegerät aufnehmbaren Batteriepack (3), wobei das Batterieladegerät eine Ladeelektronik (21) und eine Lüfteranordnung (23) zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom (25) umfasst, und wobei das Batterieladegerät dazu ausgelegt ist, den Luftstrom von einem angeschlossenen Batteriepack (3) zur Kühlung des Batteriepacks zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieladegerät (1) so ausgelegt ist, dass es vorübergehend einen umgekehrten Luftstrom (25') erzeugt, wobei der umgekehrte Luftstrom von dem Batterieladegerät (1) zu dem Batteriepack (3) geleitet wird.
Verfahren zur Steuerung eines Batterieladegeräts in einem Ladesystem für Batteriepacks, wobei das Batterieladegerät (1) zum Laden eines im Batterieladegerät aufnehmbaren Batteriepacks (3) geeignet ist, wobei das Batterieladegerät (1) eine Ladeelektronik (21) und eine Lüfteranordnung (23) zur Kühlung der Ladeelektronik mit einem Luftstrom (25) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieladegerät (1) - in einem Kühlphasenmodus (43) arbeitet und einen umgekehrten Luftstrom (25') erzeugt, wobei der umgekehrte Luftstrom von dem Batterieladegerät (1) zu dem Batteriepack (3) geleitet wird, und - Betrieb in einem Ladephasenmodus (45), der einen Luftstrom (25) erzeugt, wobei der Luftstrom von dem Batteriepack (3) zu einem Batterieladegerät (1) geleitet wird.