DE102010043953A1 - Hochspannungsbatterie und Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs derselben - Google Patents

Hochspannungsbatterie und Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs derselben Download PDF

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Abstract

Es sind eine Hochspannungsbatterie und ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs derselben bereitgestellt, welche die Temperatur eines Batteriemoduls innerhalb einem normalen Betriebsbereich erhöhen können und die Batterieleistungseigenschaften und die Haltbarkeit ohne Verwenden eines unabhängigen Heizelements durch Abgleichen der Temperatur des Batteriemoduls mit einem Abgleichwiderstand eines Sub-Batterie-Steuerungssystems verbessern können, die zwischen die Batteriemodule eingefügt sind, wenn die Temperatur des Batteriemoduls weniger als eine Referenztemperatur beträgt oder wenn es eine Differenz zwischen der Temperatur einer Mehrzahl von Batteriezellen gibt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochspannungsbatterie und ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs derselben. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Hochspannungsbatterie bereit, die die Temperatur eines Batteriemoduls auf innerhalb einen normalen Betriebsbereich erhöht und die Batterieleistungseigenschaften und die Haltbarkeit ohne eine Verwendung eines unabhängigen Heizelements verbessert. Insbesondere verwendet die Hochspannungsbatterie der vorliegenden Erfindung einen Abgleichwiderstand, der zwischen Batteriemodulen eingefügt ist um die Temperatur eines Batteriemoduls zu erhöhen, wenn die Temperatur weniger als eine Referenztemperatur beträgt oder wenn es eine Differenz zwischen der Temperatur einer Mehrzahl von Batteriezellen gibt.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Im Allgemeinen weisen in Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendete Hochspannungsbatterien unterschiedliche Leistungseigenschaften auf, abhängig von der Temperatur der Hochspannungsbatterien. Je niedriger die Temperatur der Hochspannungsbatterie ist, desto größer ist die Verringerung einer verfügbaren Ausgangsleistung. Zum Beispiel gibt es eine beträchtliche Verringerung in der verfügbaren Ausgangsleistung einer Hochspannungsbatterie in einem Fahrzeug, das für eine längere Zeit in einer Umgebung mit einer niedrigen Temperatur (insbesondere ungefähr –10°C oder weniger) geparkt worden ist, wie zum Beispiel im Winter. Infolge dieser verminderten Ausgangsleistung kann das Fahrzeug rütteln wenn es gefahren wird, was zu einer unangenehmen und unkomfortablen Fahrt führt, und kann ferner eine Beschleunigung des Fahrzeugs sehr erschweren.
  • Demzufolge gibt es eine Notwendigkeit für ein System und ein Verfahren zum Beheizen der Hochspannungsbatterien, bis die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterien einen normalen Bereich erreicht, so dass die Batterieausgangsleistung nicht vermindert wird. Gängige Systeme und Verfahren statten die Hochspannungsbatterien mit einem unabhängigen Heizelement aus, wie zum Beispiel ein PTC-Heizelement, welches elektrische Lasten verwendet um die Hochspannungsbatterien zu beheizen. Jedoch verwenden diese gängigen Systeme eine durch die Hochspannungsbatterie erzeugte Spannung um das Heizelement zu betreiben, was nachteilig ist.
  • Die in diesem Hintergrundabschnitt der Erfindung offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des allgemeinen Hintergrunds der Erfindung und sollte nicht als Kenntnis oder jegliche Form eines Vorschlags verstanden werden, dass diese Information den Stand der Technik bildet, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Hochspannungsbatterie und ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs der Hochspannungsbatterie bereit. Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Hochspannungsbatterie und ein Verfahren bereit, wobei die Temperatur eines Batteriemoduls auf innerhalb einen normalen Betriebsbereich erhöht wird, um dadurch die Batterieleistungseigenschaften und die Haltbarkeit zu verbessern. Im Gegensatz zu früheren Verfahren benötigt die vorliegende Erfindung nicht die Verwendung eines unabhängigen Heizelements um die Temperatur des Batteriemoduls zu erhöhen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Abgleichwiderstände verwendet um die Temperatur des Batteriemoduls zu erhöhen. Insbesondere wird ein Sub-Batterie-Steuerungssystem, welches Abgleichwiderstände umfasst, zwischen den Batteriemodulen eingefügt. Wenn die Temperatur eines Batteriemoduls weniger als eine Referenztemperatur beträgt, oder wenn es eine Differenz zwischen der Temperatur einer Mehrzahl von Batteriezellen gibt, erhöht die Hitze von den Abgleichwiderständen des Sub-Batterie-Steuerungssystems die Temperatur des Batteriemoduls.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Hochspannungsbatterie bereit, die umfasst: eine Mehrzahl von Batteriemodulen, jedes umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen; Sub-Batterie-Steuerungssysteme, die zwischen den Batteriemodulen eingefügt sind, wobei die Sub-Batterie-Steuerungssysteme mit Abgleichwiderständen ausgestattet sind; und ein Haupt-Batterie-Steuerungssystem in Verbindung mit, vorzugsweise in elektrischer Verbindung mit den Sub-Batterie-Steuerungssystemen. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erhöhen der Temperatur eines Batteriemoduls bereitgestellt, welches aufweist ein Bestimmen dass die Temperatur des Batteriemoduls niedriger als ein Level ist, an welchem die Batteriemodule normale Spannungen abgeben, und Erhöhen der Temperatur der Batteriemodule durch Verwenden der Abgleichwiderstände der Sub-Batterie-Steuerungssysteme.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erhöhen die Sub-Batterie-Steuerungssysteme die Temperatur der Batteriemodule unter Verwendung der Abgleichwiderstände, wenn die Temperaturunterschiede zwischen den Batteriezellen der Batteriemodule höher als ein Referenztemperaturunterschied sind.
  • Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs einer Hochspannungsbatterie bereit, welches die Schritte umfasst: Messen der Temperatur von jeder Batterie unter Verwendung der Sub-Batterie-Steuerungssysteme, die zwischen den Batteriemodulen eingefügt sind; Vergleichen der gemessenen Temperatur von jeder Batterie, um zu bestimmen ob die gemessene Temperatur höher als eine Referenztemperatur ist; und Abgleichen der Batteriezellen, um die Temperatur der Batteriemodule zu erhöhen wenn es bestimmt wird, dass die gemessene Temperatur gleich oder weniger als die Referenztemperatur ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Überprüfen der gemessenen Zelldifferenz, und Vergleichen der gemessenen Differenz mit einer Referenzdifferenz, um zu bestimmen ob die Differenz der gemessenen Temperatur gleich oder größer als die Referenzdifferenz ist.
  • Falls die gemessene Zelldifferenz bestimmt wird, dass sie gleich oder mehr als die Referenzdifferenz ist, dann kann ein Zellabgleich durchgeführt werden, um die Temperatur der Batteriemodule durch Verwenden der Sub-Batterie-Steuerungssysteme abzugleichen.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Hochspannungsbatterie und ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs der Hochspannungsbatterie bereitgestellt, wobei die Temperatur eines Batteriemoduls auf innerhalb einen normalen Betriebsbereich erhöht wird, und wobei die Batterieleistungseigenschaften und die Haltbarkeit ohne Verwenden eines unabhängigen Heizelements verbessert werden. Insbesondere wenn die Temperatur des Batteriemoduls weniger als eine Referenztemperatur beträgt oder wenn es eine Differenz zwischen den Temperaturen einer Mehrzahl von Batteriezellen gibt, wird die Temperatur des Batteriemoduls abgeglichen und unter Verwendung eines Abgleichwiderstands von einem Sub-Batterie-Steuerungssystem steuerbar erhöht, das zwischen die Batteriemodule eingefügt ist.
  • Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung weisen weitere Eigenschaften und Vorteile auf, welche aus den beigefügten Zeichnungen, welche hierin enthalten sind, und der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich oder ausführlich dargelegt sind, welche zusammen dazu dienen, bestimmte Grundsätze der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Ansicht, die eine Hochspannungsbatterie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Steuern eines Temperaturanstiegs der in 1 gezeigten Hochspannungsbatterie darstellt.
  • Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung(en) Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung(en) in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung(en) auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist/sind die Erfindung(en) dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
  • Eine Ausführungsform einer Hochspannungsbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Steuern eines Temperaturanstiegs einer Hochspannungsbatterie, wie zum Beispiel die in 1 gezeigte Hochspannungsbatterie 1, ist ferner beispielhaft in Verbindung mit dem in 2 vorgesehenen Flussdiagramm beschrieben.
  • Wie im Allgemeinen in 1 gezeigt, ist eine Hochspannungsbatterie 100 mit Batteriemodulen 110, Sub-Batterie-Steuerungssystemen 120, und einem Haupt-Batterie-Steuerungssystem 130 ausgestattet, welche eingerichtet und angeordnet sind, um den Temperaturanstieg der Hochspannungsbatterie 100 zu steuern.
  • Insbesondere gemäß dieser Ausführungsform ist die Hochspannungsbatterie 100 aus einer Mehrzahl von Batteriemodulen 110 gebildet. Die Batteriemodule 110 weisen wiederum eine Mehrzahl von Batteriezellen auf, welche in Reihe geschaltet werden können.
  • Wie gezeigt sind die Sub-Batterie-Steuerungssysteme 120 zwischen den Batteriemodulen 110 eingefügt. Die Sub-Batterie-Steuerungssysteme 120 sind eingerichtet und angeordnet um die Temperatur von jedem Batteriemodul 110 zu messen, und um die Temperatur von jedem Batteriemodul zu steuern.
  • Jedes Sub-Batterie-Steuerungssystem 120 umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Abgleichwiderstände zum Messen der Temperatur von jedem Batteriemodul 110, und zum Steuern der Temperatur der Batteriemodule 110 basierend auf der gemessenen Temperatur der Batteriemodule 110. Die Temperatur der Batteriemodule 110 wird insbesondere durch das Sub-Batterie-Steuerungssystem 120 erhöht, welches durch die Abgleichwiderstände erhitzt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Sub-Batterie-Steuerungssystem 120 eine Abtasteinheit (nicht gezeigt), die die Temperatur der Batteriemodule 110 misst, und eine Abgleicheinheit (nicht gezeigt), welche Abgleichwiderstände umfasst, die die Temperatur des Batteriemoduls 110 basierend auf der abgetasteten Temperatur steuern.
  • In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Sub-Batterie-Steuerungssystem 120 in der Nähe einer Einlaufstrecke zum Kühlen des Batteriemoduls montiert, so dass eine Kühlluft zu dem Batteriemodul 110 durch das Sub-Batterie-Steuerungssystem 120 zugeführt wird, zum Beispiel durch einen Lüfter. Somit kann, da die Luft zum Beispiel durch Betreiben des Lüfters zugeführt wird, das Batteriemodul 110 durch die Luft erhitzt werden, welche zuerst durch den Abgleichwiderstand des Sub-Batterie-Steuerungssystems 120 erhitzt werden kann.
  • Wie ferner in der beispielhaften Ausführungsform in 1 gezeigt ist, kann ein Haupt-Batterie-Steuerungssystem 130 in elektrischer Verbindung mit dem Sub-Batterie-Steuerungssystem stehen, um die Temperatur des Batteriemoduls 110 unter Verwendung des Abgleichwiderstands zu steuern. Wenn die Temperatur des Batteriemoduls 110 niedriger als ein für eine normale Ausgangsspannung erforderlicher Level ist, erhöht das Haupt-Batterie-Steuerungssystem 130 die Temperatur der Batteriemodule 110 auf einen Level für einen Fahrbetrieb durch Verwenden des Abgleichwiderstands des Sub-Batterie-Steuerungssystems 120.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform misst eine Hochspannungsbatterie mit diesem Aufbau und ein Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs der Hochspannungsbatterie zuerst die Temperatur von jedem Batteriemodul 110 unter Verwendung der eingefügten Sub-Batterie-Steuerungssysteme 120, um zu bestimmen, ob die Temperatur der Batteriemodule 110 auf einem Level ist, der für einen normalen Fahrbetrieb erforderlich ist, wenn die Zündung in dem Fahrzeug eingeschaltet wird. Demzufolge tasten die Sub-Batterie-Steuerungssysteme 120 die Temperatur von jedem Batteriemodul 110 in dem in 2 gezeigten Schritt zum Messen der Temperatur (S1) ab.
  • Nach dem Schritt zum Messen der Temperatur (S1) wird das Verfahren zu einem Schritt zum Vergleichen der Temperatur (S2) weitergeführt, wobei es bestimmt wird, ob die Temperaturen der in dem Schritt zum Messen der Temperatur (S1) abgetasteten Batteriemodule 110 höher als eine Batteriereferenztemperatur für einen normalen Fahrbetrieb sind. Die Referenztemperatur ist insbesondere auf –10°C eingestellt, welches die minimale Temperatur für eine normale Ausgangsleistung der Batteriemodule 110 ist. Demzufolge wird es in dem Schritt zum Vergleichen der Temperatur (S2) bestimmt, ob die Temperatur der Batteriemodule 110, die durch Sub-Batterie-Steuerungssysteme 120 gemessen wird, –10°C oder mehr beträgt, welches die Temperatur ist, die für die Hochspannungsbatterie 100 erforderlich ist um normale Spannungen abzugeben.
  • Falls es in dem Schritt zum Vergleichen der Temperatur (S2) bestimmt wird, dass die Temperatur der Batteriemodule 110 höher als die Referenztemperatur ist, wird das Verfahren zu einem Schritt zum Überprüfen der Zelldifferenz (S3) weitergeführt. In diesem Schritt wird es bestimmt, ob die Temperaturunterschiede der Batteriezellen von jedem Batteriemodul 110 höher sind als eine Referenzdifferenz.
  • In dem Schritt zum Überprüfen der Zelldifferenz (S3), falls die Zelldifferenz größer als 4% ist, welches die Ausgangsleistung der Batterie beeinflusst, führt das Verfahren dann einen Schritt zum Zellabgleich (S4) durch, der die Zellen der Batteriemodule 110 durch Verwenden der Abgleichwiderstände des Sub-Batterie-Steuerungssystems 120 abgleicht. Die Abgleichwiderstände gleichen insbesondere die Temperaturen der Batteriemodule 110 derart ab, so dass sie gleich sind.
  • In dem Schritt zum Zellabgleich (S4) werden die Zellen der Batteriemodule 110 durch Verwenden der Abgleichwiderstände abgeglichen, um die Temperatur der Batteriemodule 110 zu erhöhen, so dass die Hochspannungsbatterie 100 eine normale Ausgangsleistung bereitstellt.
  • Wie bereits erläutert, wird das Haupt-Batterie-Steuerungssystem 130 durch die Abgleichwiderstände des Sub-Batterie-Steuerungssystems 120 erhitzt, um die Temperatur der Batteriemodule 110 zu erhöhen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird in dem Schritt zum Zellabgleich (S4) die Temperatur des Batteriemoduls 110 durch Luft von einem Lüfter erhöht, welche durch die Abgleichwiderstände erhitzt wird, so dass die Batteriemodule 110 normale Spannungen abgeben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur der Batteriemodule 110 unter Verwendung der Abgleichwiderstände des Sub-Batterie-Steuerungssystems 120 abgeglichen werden, die zwischen die Batteriemodule 110 eingefügt sind. Als solches ist es unter Verwendung der vorliegenden Hochspannungsbatterie und dem vorliegenden Verfahren möglich, wenn die Temperatur der Batteriemodule 110 die Referenztemperatur ist oder weniger beträgt oder wenn es einen Temperaturunterschied in den Batteriezellen gibt, durch Erhöhen der Temperatur der Batteriemodule 110 innerhalb einem normalen Betriebsbereich ohne Verwenden eines unabhängigen Heizelements die Batterieleistungseigenschaften zu verbessern und die Haltbarkeit zu erhöhen.
  • Die obige Beschreibung stellt eine beispielhafte Ausführungsform zum Implementieren einer Hochspannungsbatterie und eines Verfahrens zum Steuern eines Temperaturanstiegs der Hochspannungsbatterie der vorliegenden Erfindung dar und die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weisen durch einen Fachmann verändert werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, welcher in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist, und die Abänderungen sollten derart ausgelegt werden, dass sie in der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
  • Die vorhergehenden Beschreibungen der bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt. Sie sind nicht erschöpfend und dazu vorgesehen, die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen zu beschränken oder vollständig abzudecken, und offensichtlich sind viele Änderungen und Varianten im Lichte der obigen Lehren möglich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben um bestimme Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dadurch dem Fachmann zu ermöglichen, verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ebenso wie verschiedenste Alternativen und deren Änderungen zu bilden und zu verwenden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die hierzu beigefügten Ansprüche und ihren Äquivalenten bestimmt wird.

Claims (5)

  1. Hochspannungsbatterie, aufweisend: eine Mehrzahl von Batteriemodulen, jedes Batteriemodul umfassend eine Mehrzahl von Batteriezellen; Sub-Batterie-Steuerungssysteme, die zwischen die Batteriemodule eingefügt sind, die Sub-Batterie-Steuerungssysteme ferner aufweisend Abgleichwiderstände; und ein Haupt-Batterie-Steuerungssystem, das elektrisch mit den Sub-Batterie-Steuerungssystemen verbunden ist, wobei das Sub-Batterie-Steuerungssystem eingerichtet und angeordnet ist, zu bestimmen, ob die Temperaturen der Batteriemodule niedriger als ein benötigter Level sind um eine normale Ausgangsspannung bereitzustellen, und wobei die Abgleichwiderstände eingerichtet und angeordnet sind, um die Batteriezellen der Batteriemodule zu erhitzen, um dadurch die Temperatur der Batteriemodule zu erhöhen, wenn die Temperaturen der Batteriemodule niedriger als der benötigte Level sind.
  2. Hochspannungsbatterie nach Anspruch 1, wobei die Sub-Batterie-Steuerungssysteme eingerichtet und angeordnet sind, um die Temperatur der Batteriemodule unter Verwendung der Abgleichwiderstände zu erhöhen, wenn die Temperaturunterschiede der Batteriezellen der Batteriemodule höher als eine Referenzdifferenz sind.
  3. Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs einer Hochspannungsbatterie, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Messen der Temperatur von jedem Batteriemodul unter Verwendung der Sub-Batterie-Steuerungssysteme, die zwischen den Batteriemodulen eingefügt sind; Vergleichen der gemessenen Temperaturen mit einer Referenztemperatur; und Abgleichen der Batteriezellen durch Erhöhen der Temperatur der Batteriemodule, wenn die gemessene Temperatur gleich oder weniger als die Referenztemperatur ist.
  4. Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs einer Hochspannungsbatterie nach Anspruch 3, ferner aufweisend, wenn die gemessene Temperatur höher als die Referenztemperatur ist, Überprüfen der Batteriezelldifferenz durch Vergleichen der Differenz zwischen den gemessenen Zelltemperaturen mit einer Referenzdifferenz.
  5. Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs einer Hochspannungsbatterie nach Anspruch 4, ferner aufweisend, wenn die Differenz der gemessenen Temperaturen gleich oder größer als die Referenzdifferenz ist, Abgleichen der Zellen durch Abgleichen der Temperatur der Batteriemodule unter Verwendung der Sub-Batterie-Steuerungssysteme.
DE201010043953 2010-06-23 2010-11-16 Hochspannungsbatterie und Verfahren zum Steuern eines Temperaturanstiegs derselben Withdrawn DE102010043953A1 (de)

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