CN111952694A - 用于加热电池组的设备和方法以及电池组管理控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于加热电池组（100）的设备（1）、电池组管理控制设备（10）和用于加热电池组（100）的方法，所述设备（1）包括：开关元件（T1‑T4）、至少一个电容器（C）和用于所述开关元件（T1‑T4）的控制装置（4），其中所述控制装置（4）构造用于，根据电池组温度（T）来操控所述开关元件（T1‑T4），其中，所述设备（1）具有至少四个开关元件（T1‑T4），所述开关元件作为全桥来连接，其中在所述全桥的桥分支（2）中布置至少一个电容器（C），其中所述控制装置（4）构造用于，交替地使所述全桥的对角地相对置的所述开关元件（T1，T2；T3，T4）接通。

Description

用于加热电池组的设备和方法以及电池组管理控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于加热电池组的设备、电池组管理控制设备和用于加热电池组的方法。
背景技术
在下文中，电池组也应该理解为蓄电池。电池组、尤其是锂离子电池组具有突出的温度行为。在低温情况下，电池组的内电阻或内阻抗升高，这减小功率输出。因此已知的是：尤其是在更低的外部温度情况下对电池组加热，以便将电池组温度提高到例如＞0℃的或者甚至＞20℃的期望温度范围内。
因此，已经提议了：针对加热运行来将欧姆电阻并联至电池组，从而在电池组的内电阻上产生损耗热。然而对于该解决方案而言不利的是：损耗热的大部分在该欧姆电阻上释放（abfallen），这减小了加热的效率。
因此已提议了：将电池组周期性地放电并且再次充电，其中在理想情况下在没有开关元件的功率损耗情况下使总功率损耗在电池组的内电阻上释放。这种电路例如从US2011/0294427 A1已知。
发明内容
本发明基于如下技术问题：创建一种用于加热电池组的替代性设备。另一问题是创建适合的电池组管理控制设备以及提供一种用于加热电池组的适合的方法。
该技术问题的解决方案通过具有权利要求1的特征的设备、具有权利要求7的特征的电池组管理控制设备以及具有权利要求9的特征的方法而得出。本发明的其他有利构型方案从从属权利要求中得出。
对此，用于加热电池组的设备具有至少四个开关元件、至少一个电容器和控制装置，其中该控制装置构造用于，根据电池组温度来操控开关元件，其中所述四个开关元件作为全桥来连接（verschalten）并且布置在电容器的桥分支中，其中该控制装置构造用于，交替地使该全桥的对角地（diagonal）相对置的开关元件接通（durchschalten）。由此，交替地对电容器充电和再充电，其中为此所需的电流来自电池组，由此在内电阻上产生损耗热。大的优点是：由此使得没有充电电流回流到电池组中，然而其中在理想情况下使全桥电路几乎无损耗地工作。这引起非常高的效率。在此充分利用：冷电池组允许负载有与充电电流相比而言更高的放电电流。在周期性地放电和充电的情况下，被允许的充电电流因此限制了能产生的损耗热。相反，根据本发明仅有放电电流流动，其中尤其是在电容器的再充电情况下可有非常大的电流流动。
优选地，这些开关元件被构造为MOSFET。
该设备的优选的应用领域是电动车辆或混合动力车辆的牵引电池组的加热。但是，本发明并不限于此，而是可以在电池组遭受（尤其是在0℃以下的）低温的任何地方得以使用。电池组优选构造为锂离子电池组。
在一种实施方式中，该控制装置被构造用于，以1kHz至50kHz之间的开关频率来操控这些开关元件。该开关频率在此优选这样来选择，使得该电容器被几乎完全充电或再充电。优点是：于是在零电流的情况下对这些开关元件进行开关（schalten）。然而为了尽可能快速地执行加热过程，而应在电容器被完全充电之后紧接着进行该切换过程（Umschaltvorgang）。因此该电容器的电容是用于确定开关频率的大小的决定性的参量。
在另一实施方式中，该控制装置被构造用于，跟踪（nachführen）该开关频率。因此，可以例如对该设备的经改变的行为作出反应，从而例如保证：这些开关元件总是在无电流的状态下被开关。跟踪在此意味着对开关频率进行提高或降低。
在另一实施方式中，在桥分支中与所述至少一个电容器串联地布置电感，以便因此基于该电池组和电线路的内部电感来影响分别形成的串联谐振电路的谐振行为。
在另一实施方式中，该设备具有电流探测器。该电流探测器例如被构造为分流器电阻。因此，可以非常简单地确定正确的开关时间点并因此确定开关频率。
在另一实施方式中，至少给所述电容器分配冷却装置，以便防止电容器过热。在此，该冷却装置可以是被动式冷却装置（例如冷却片）或者可以是主动式冷却装置（例如空气或液体冷却装置）。
该电池组管理控制设备优选地包括用于加热电池组的设备，其中进一步优选地使该电池组管理控制设备具有冷却装置，其中通过该冷却装置来至少冷却该设备的电容器。
鉴于按照本方法的构型方案方面，全面地参考上述实施方案。
附图说明
本发明在下文中根据优选实施例进一步予以阐述。唯一的图图1示出用于加热电池组的设备的示意图。
具体实施方式
在图1中示出用于加热电池组100的设备1，其中该设备1被集成在电池组管理控制设备10中。该设备1具有四个开关元件T1-T4，这些开关元件作为全桥来连接。在该全桥的桥分支2中布置电容器C和电感L。
在电池组100的负极和全桥的下方部分之间布置电流探测器3。
所述四个开关元件T1-T4由控制装置4来操控，该控制装置针对所述四个开关元件T1-T4来产生相应的控制信号S1-S4。这些开关元件T1-T4优选构造为MOSFET。该控制装置4与电流探测器3和电池组100以数据技术的方式连接并且从该电池组获得电池组温度T的测量值。该控制装置4在此可以是该设备1的分开的控制装置4或者集成到该电池组管理控制设备10的上级控制装置中。替代性地，该电池组温度也可以借助外部温度以及电池组电池温度模型来确定。在此，优选地也将服务持续时间（Standdauer）包括到电池组电池温度模型中，以便对电池组电池的正确初始温度进行估计。在此，简化地适用：服务持续时间已经越长，电池组电池温度就越接近外部温度或者与所述外部温度相同。
电池组100例如包括多个电池组电池101，这些电池组电池可以以不同方式（串联和/或并联地）连接并且必要时还要再一次地被分成（aufteilen）电池组模块。该电池组100具有内电阻Ri和内电感Li。该电池组100的正极与全桥的上方部分连接并且该电池组100的负极与该全桥的下方部分连接。
该电池组管理控制设备10具有开关元件11，这些开关元件例如被构造为接触器以及必要时是未示出的预充电电路（Vorladeschaltungen）、保险装置和电流传感器。此外，该电池组管理控制设备10具有冷却装置12，该冷却装置对设备1以及开关元件11进行冷却。该冷却装置12可以附加地也冷却控制装置4。
该设备1的工作方式现在在下文中予以阐述。如果该控制装置现在检测到：电池组温度T低于阈值Tg，则在其他情况下被阻断（sperren）的开关元件T1-T4分别对角地以开关频率来接通，使得分别接通开关元件T1、T4并阻断开关元件T2、T3，并且反之亦然。现在因此将开关元件T1、T4接通，因此将桥分支2中的电容器C充电到电池组100的电压，其中（在忽略这些开关元件T1、T4和电流探测器3的可能的电阻的情况下）通过电容器C的内电阻Ri和电容来确定时间常数。根据该电流探测器3可以在此探测充电过程的结束。如果电流为零或者几乎为零，则这两个开关元件T1、T4被阻断并且使开关元件T2、T3接通。由此，现在使该电容器C“反极性地（verpolt）”施加（anliegen）在电池组100上。如果电池组100的电压例如为500V，则因此通过T3、C和T2来施加-500V的电压。相应地，现在有电流从电池组100流出，以便对电容器C再充电，也即再充电到500V的电池组100的电压。如果再充电过程结束，则可以阻断这些开关元件T2、T3并且再次使开关元件T1、T4接通。在忽略这些开关元件T1-T4和电容器C的电阻情况下，在此使总的损耗功率在电池组100的内电阻Ri上释放，使得该电池组被加热。于是，如果经测量的或者借助该电池组电池温度模型所确定的电池组温度达到预先确定的温度（电池组额定温度）或者如果根据该外部温度和服务持续时间所确定的加热持续时间被超出，则可以结束该加热过程。在此，通过在桥分支2中的附加的电感L，可以使由Ri、Li和C组成的串联谐振电路如此失谐（verstimmen），使得并不发生谐振。理论上，可以免除电流探测器3并且以固定预给定的开关频率来工作，其中该开关频率于是优选地选择得足够小，使得这开关元件T1-T4分别无电流地开关。
该设备1的优点是：总是仅提取电池组100的电流用于加热，从而并没有充电电流反馈到该冷的电池组100中，其可能负面地影响所述电池组的SOH（state of health（健康状态）），因为对冷的电池组的电流提取是与充电电流相比明显更不紧要的。
通过在电池组100的负极以及全桥的下方部分之间布置电流探测器3，可以不仅在加热运行中也在正常运行中使用该电流探测器。在此，该电流探测器3可以具有电子滤波器，其中优选能够切换滤波器特性（Filtercharakteristik）。例如滤波器特性在加热运行中是这样的：使得在kHz范围内的高频份额通过，相反，在行驶运行中则将这些份额过滤出，以便因此例如能够更好地计算例如SOC（健康状态）。

Claims (10)

1.一种用于加热电池组（100）的设备（1），所述设备包括：开关元件（T1-T4）、至少一个电容器（C）和用于所述开关元件（T1-T4）的控制装置（4），其中所述控制装置（4）构造用于，根据电池组温度（T）来操控所述开关元件（T1-T4），其特征在于，
所述设备（1）具有至少四个开关元件（T1-T4），所述至少四个开关元件作为全桥来连接，其中在所述全桥的桥分支（2）中布置所述至少一个电容器（C），其中所述控制装置（4）构造用于，交替地使所述全桥的对角地相对置的所述开关元件（T1，T2；T3，T4）接通。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置（4）被构造用于，以1kHz至50kHz之间的开关频率来操控所述开关元件（T1-T4）。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制装置（4）被构造用于，跟踪所述开关频率。
4.根据上述权利要求其中任一项所述的设备，其特征在于，在所述桥分支（2）中与所述至少一个电容器（C）串联地布置电感（L）。
5.根据上述权利要求其中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备（1）具有电流探测器（3）。
6.根据上述权利要求其中任一项所述的设备，其特征在于，至少给所述电容器（C）分配冷却装置（12）。
7.一种电池组管理控制设备（10），其特征在于，根据权利要求1至6其中任一项所述的用于加热电池组（100）的设备（1）被集成到所述电池组管理控制设备（10）中。
8.根据权利要求7所述的电池组管理控制设备，其特征在于，所述电池组管理控制设备（10）具有冷却装置（12），其中至少所述用于加热电池组（100）的设备（1）的电容器（C）这样布置，使得通过所述冷却装置（12）来冷却所述电容器。
9.一种用于借助开关元件（T1-T4）的全桥来加热电池组（100）的方法，其中在所述全桥的桥分支（2）中布置至少一个电容器（C），所述方法包括以下方法步骤：
a）检测或确定电池组温度（T）；
b）当所述电池组温度（T）低于阈值（Tg）时，利用开关频率来交替地使对角地相对置的所述开关元件（T1-T4）接通；其中
c）一直重复方法步骤b）直至满足预给定的条件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预给定的条件是额定电池组温度。
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