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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieheizsystem zur Verwendung mit einem Fahrzeug.
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HINTERGRUND
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Bei Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), Elektrofahrzeugen mit Bereichserweiterung (EREVs), Batterieelektrofahrzeugen (BEVs) und anderen Fahrzeugtypen, die Hochspannungsbatterien zum Fahrzeugvortrieb verwenden, kann der Status oder der Zustand der Batterie für die Leistung des Fahrzeugs wichtig sein. Es gibt eine Anzahl verschiedener Batteriezustände, welche die Batterieleistung beeinträchtigen können, einschließlich der Batterietemperatur. Zum Beispiel können bestimmte Batterietypen - etwa diejenigen, die auf einer Lithium-Ionen-Chemie beruhen - durch extrem kalte Temperaturen negativ beeinflusst werden, da derartige Temperaturen den Innenwiderstand in der Batterie erhöhen können. Wenn die Batterietemperatur kalt genug ist, kann es sein, dass diese Batterietypen nicht in der Lage sind, elektrische Leistung in ausreichendem Maß aufzunehmen oder zu liefern, was wiederum deren Leistung beeinträchtigen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt wird ein Batterieheizsystem zur Verwendung mit einem Fahrzeug bereitgestellt, das einen Schalter, eine Batterieheizung und eine Fahrzeugbatterie umfasst. Die Batterieheizung ist mit der Fahrzeugbatterie temperaturgekoppelt und erwärmt die Fahrzeugbatterie mit elektrischer Leistung von entweder einer externen Leistungsquelle oder einer internen Leistungsquelle in Abhängigkeit vom Status des Schalters. Ferner umfasst das Batterieheizsystem ein Steuermodul zur Steuerung des Schalters. Wenn ein Fahrzeugvortriebssystem aktiv geschaltet ist, steuert das Steuermodul den Schalter derart, dass die Batterieheizung die Fahrzeugbatterie mit elektrischer Leistung von der internen Leistungsquelle erwärmt. Wenn das Fahrzeugvortriebssystem nicht aktiv geschaltet ist, steuert das Steuermodul den Schalter derart, dass die Batterieheizung die Fahrzeugbatterie mit elektrischer Leistung von der externen Leistungsquelle erwärmt.
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Figurenliste
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Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hier nachstehend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zeichnen und in denen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Batterieheizsystems ist; und
- 2 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens ist, das mit dem Batterieheizsystem in 1 verwendet werden kann, um eine Hochspannungs-Fahrzeugbatterie zu erwärmen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Das beispielhafte System und Verfahren, die nachstehend beschrieben sind, können in kalten Umgebungen verwendet werden, um eine Hochspannungs-Fahrzeugbatterie, wie etwa den Typ, der üblicherweise in Hybridfahrzeugen anzutreffen ist, zu erwärmen oder aufzuheizen. Einige Hochspannungs-Fahrzeugbatterien, wie etwa diejenigen, die auf Lithium-Ionen-Chemie beruhen, arbeiten besser, wenn ihre Batterietemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich liegt. In kalten Umgebungen kann es daher wünschenswert sein, die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie mit einer Batterieheizung oder einer anderen Art von Heizelement (z.B. einer Batteriedecke) zu erwärmen oder aufzuheizen. Obwohl das System und das Verfahren nachstehend im Kontext eines beispielhaften Hybridelektrofahrzeugs (HEV), das eine Hochspannungs-Lithium-Ionen-Batterie aufweist, beschrieben sind, ist festzustellen, dass das vorliegende System und Verfahren mit einer beliebigen Anzahl verschiedener Fahrzeug- und/oder Batterietypen verwendet werden können und nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sind, die hier gezeigt und beschrieben sind.
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Bei der Verwendung hierin umfasst ein „Hybridfahrzeug“ in weitem Sinn jedes Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, die zum Fahrzeugvortrieb verwendet werden können. Einige Beispiele geeigneter Hybridfahrzeuge umfassen, sind aber gewiss nicht beschränkt auf Hybridelektrofahrzeuge (HEVs), Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs), Elektrofahrzeuge mit Bereichserweiterung (EREVs), Hybridfahrzeuge mit zwei Modi, Vollhybridfahrzeuge, Hybridfahrzeuge mit Leistungsunterstützung, Mildhybridfahrzeuge, serielle Hybridfahrzeuge, parallele Hybridfahrzeuge, Seriell/Parallel-Hybridfahrzeuge, Hybridfahrzeuge mit Leistungsverzweigung, BAS- oder BAS-Plus-Hybridfahrzeuge, hydraulische Hybridfahrzeuge, pneumatische Hybridfahrzeuge oder einen beliebigen anderen Typ von Hybridfahrzeug. Dies umfasst Personenfahrzeuge, Crossover-Fahrzeuge, Sportnutzfahrzeuge, Freizeitfahrzeuge, Lieferwagen, Busse, Lastkraftwagen, usw. Das vorliegende System und Verfahren können wiederum mit jedem Fahrzeug verwendet werden, das eine Hochspannungs-Fahrzeugbatterie zum Fahrzeugvortrieb verwendet - dies umfasst Hybridfahrzeuge und nicht hybride Fahrzeuge wie Batterieelektrofahrzeuge (BEVs) - und sie sind nicht auf irgendeinen speziellen Typ beschränkt.
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Mit Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Batterieheizsystem 10 gezeigt, das verwendet werden kann, um die Temperatur einer Hochspannungs-Fahrzeugbatterie zu erwärmen, aufzuheizen oder auf andere Weise zu steuern. Gemäß der hier gezeigten beispielhaften Ausführungsform enthält das Batterieheizsystem 10 eine Leistungsversorgung 12, einen Schalter 14, eine Batterieheizung 16, eine Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18, eine Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20, ein Leistungsmodul 22 und ein Steuermodul 24. Das Batterieheizsystem 10 kann Teil eines Fahrzeugs 30 sein, etwa eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV), und kann an eine externe Leistungsquelle 32 angesteckt sein, wie etwa eine herkömmliche elektrische Steckdose mit 110 VAC oder 220 VAC oder eine Ladestation. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden eine oder mehrere Komponenten des Batterieheizsystems 10 bei einem Fahrzeughändler im Fahrzeug installiert im Gegensatz zur Installation in einer Fahrzeugfabrik. Durch die Bereitstellung des Batterieheizsystems 10 als ein beim Händler installiertes oder Zubehörmarktmerkmal kann eine nicht notwendige Installation des Systems in Fahrzeugen, die für warme Klimazonen gedacht sind, vermieden werden. Dies ist jedoch nicht notwendig, da das Batterieheizsystem 10 genau so gut in der Fabrik oder an einem beliebigen anderen geeigneten Ort installiert werden kann.
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Die Leistungsversorgung 12 verbindet das Batterieheizsystem 10 mit der externen Leistungsquelle 32 und kann eine beliebige Anzahl von Komponenten oder Einrichtungen enthalten, die zum Erhöhen, Verringern, Umsetzen, Invertieren, Aufbereiten oder anderweitigen Umformen von elektrischer Energie benötigt werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird die Leistungsversorgung 12 von einem Fahrzeughändler im Fahrzeug installiert und enthält einen Leistungseingang 40, der in eine elektrische Standardsteckdose mit 110 VAC gesteckt wird, einen Transformator/Gleichrichter 42, der die elektrische Energie in eine Form umformt, die für das Batterieheizsystem besser geeignet ist, und einen Leistungsausgang 44. Der Leistungseingang 40 kann ein elektrisches Standardkabel und einen Standardstecker enthalten, wie etwa des Typs, der häufig bei Haushaltsgeräten anzutreffen ist, und kann sich durch einen Schlitz im Fahrzeugkühlergrill oder durch eine andere Öffnung nach außen erstrecken. Wenn das Fahrzeug in einer Garage oder einem anderen Ort mit elektrischer Dienstleistung geparkt wird und es draußen ziemlich kalt ist, kann ein Fahrzeuganwender einfach den Leistungseingang 40 in eine elektrische Steckdose stecken, sodass das Batterieheizsystem 10 mit elektrischer Energie von der externen Leistungsquelle 32 versorgt wird. Der Transformator/ Gleichrichter 42 kann eine beliebige Kombination von Komponenten und Einrichtungen enthalten, die beispielsweise benötigt werden, um die Spannung von 110 V auf 12 V nieder zu transformieren und um den Strom von AC in DC umzusetzen, sodass die elektrische Energie von der externen Leistungsquelle 32 zur Verwendung durch das Batterieheizsystem 10 besser geeignet ist. Diese können beispielsweise Transformatorelemente, Gleichrichterelemente, Filterelemente, Kühlelemente, Sensoren, elektronische Steuereinheiten oder beliebige andere geeignete Komponenten enthalten, die in der Technik bekannt sind. Selbstverständlich können Modifikationen am Transformator/ Gleichrichter 42 durchgeführt werden, sodass er mit externen Leistungsquellen verwendet werden kann, die elektrische Energie in einer anderen Form als 110 VAC liefern. Der Leistungsausgang 44 liefert den Niederspannungsausgang vom Transformator/Gleichrichter 42 (z.B. Leistung mit 12 VDC) an das Batterieheizsystem 10 und kann an seinem Ende ein bewegliches Anschlusskabel, einen Kabelstrang und/oder einen anderen Verbindungstyp zur physikalischen und elektrischen Kopplung mit einem Eingang des Schalters 14 enthalten.
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Der Schalter 14 bestimmt die elektrische Energiequelle, die zum Versorgen oder Betreiben bestimmter Komponenten des Batterieheizsystems 10 verwendet wird. In einem ersten Status verbindet der Schalter 14 die Batterieheizung 16 mit der Leistungsversorgung 12, sodass elektrische Energie von der externen Leistungsquelle 32 verwendet wird, um die Batterieheizung mit Leistung zu versorgen; in einem zweiten Status verbindet der Schalter 14 die Batterieheizung 16 mit der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20, sodass elektrische Energie vom Fahrzeug 30 verwendet wird, um die Batterieheizung mit Leistung zu versorgen. Fachleute werden feststellen, dass der Schalter 14 gemäß einer Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein kann. Dies umfasst, dass der Schalter 14 als ein Relaisschalter bereitgestellt ist, der vom Steuermodul 24 gesteuert oder verwaltet wird. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform enthält der Relaisschalter 14 Leistungseingänge 50 und 52, einen Leistungsausgang 54, eine Spule 56 und ein Schaltelement 58. Durch ein Steuern des Stromflusses durch die Spule 56 ist das Steuermodul 24 in der Lage, den Betriebsstatus des Schaltelements 58 zu verwalten oder anderweitig zu steuern. Der Leistungsausgang 54 versorgt die Batterieheizung 16 vorzugsweise mit elektrischer Niederspannungsenergie (z.B. 12 VDC) und kann daher unter Verwendung einer Standard-Niederspannungs-Fahrzeugverdrahtung implementiert sein. Dies vermeidet die Verwendung einer kostspieligeren Hochspannungsverdrahtung (z.B. einer Verdrahtung mit 110 VAC), die ziemlich kostspielig sein kann, speziell wenn die Hochspannungsverdrahtung innerhalb der Fahrgastzelle vom Kühlergrill- oder Motorhaubenbereich zu der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 verlaufen muss. Zusätzlich zu den potentiellen Kostenersparnissen, die mit der Niederspannungsverdrahtung verbunden sind, ermöglicht es die in 1 gezeigte Schaltanordnung dem Batterieheizsystem 10, aus zwei verschiedenen Leistungsquellen auszuwählen (d.h. einer externen Leistungsquelle und einer internen Leistungsquelle), aber nur einen einzigen Leistungsausgang zur Verbindung mit der Batterieheizung 16 zu verwenden. Der Schalter 14 ist selbstverständlich nicht auf Relaisschalter oder diese spezielle Anordnung beschränkt, da jede geeignete Schaltanordnung stattdessen verwendet werden kann.
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Die Batterieheizung 16 kann die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 erwärmen oder aufheizen, wenn es draußen kalt ist, um die Batterietemperatur anzuheben und die Leistung der Batterie potentiell zu verbessern. Eine Vielfalt verschiedener Batterieheizungen kann verwendet werden, einschließlich so genannter „Batteriedecken“, die ein oder mehrere Heizelemente 60 aufweisen, die nahe bei oder in der Nähe bestimmter Sektionen der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 angeordnet sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Batterieheizung 16 ein paar 12 VDC Widerstandsheizelemente 60 mit 40 W, die sich um einen Teil des Batteriestapels herum erstrecken und in der Batteriestapelisolierung positioniert sind, sodass sie die Batterietemperatur erhöhen oder anheben können. Selbstverständlich können andere Typen von Batterieheizungen und/oder Heizelementen anstelle der beispielhaften verwendet werden, die hier gezeigt und beschrieben sind. Da die beispielhafte Batterieheizung 16 so beschaffen ist, dass sie mit Leistung bei 12 VDC läuft, kann das Batterieheizsystem 10 mit dem Arbeiten fortfahren, nachdem die Leistungsversorgung 12 von der externen Leistungsquelle 32 abgesteckt wurde und das Fahrzeug weggefahren wird. Dieses Merkmal wird nachstehend genauer erläutert.
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Die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 versorgt das Fahrzeug mit elektrischer Energie und kann in Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform die primäre Fahrzeugleistungsquelle sein, die zum Fahrzeugvortrieb verwendet wird, oder sie kann in Verbindung mit einer anderen Leistungsquelle zu Leistungsergänzungszwecken verwendet werden, um zwei Beispiele anzuführen. Viele verschiedene Batterietypen und Anordnungen können verwendet werden, einschließlich der beispielhaften, die hier gezeigt ist, welche einen Batteriestapel 70, einen oder mehrere Batteriesensoren 72 und eine Steuereinheit 74 enthält. Der Batteriestapel 70 kann eine Sammlung identischer oder individueller Batteriezellen enthalten, die in Reihe, parallel oder einer Kombination von beiden verbunden sind, um eine gewünschte Spannung, Stromstärke, Kapazität, Leistungsdichte und/oder andere Leistungscharakteristika zu liefern. Es ist allgemein wünschenswert, hohe Leistungs- und Energiedichten bereitzustellen, was zur Entwicklung und Verwendung vieler Batterietypen geführt hat, welche chemische, nicht chemische und andere umfassen. Einige Beispiele chemischer Batterien, die verwendet werden können, umfassen Lithium-Ionen, Bleisäure, fortschrittliche Bleisäure, Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickel-Kadmium (NiCd), Zinkbrom, Lithiumpolymer, Natriumnickelchlorid (NaNiCl), Zinkluft, Vanadiumredox und andere. Andere chemische Batterietypen umfassen Aluminiumluft, Eisenluft, Lithiumeisensulfid, Nickeleisen, Nickelzink, Silberzink, Natriumsulfat, Zinkchlor, Zinkmangan und mehr. Gemäß einer Ausführungsform enthält der Batteriestapel 70 eine große Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen, von denen jede zwischen 2 VDC und 4VDC zeigt, wenn sie geladen ist, und in einer seriellen und/oder parallelen Konfiguration mit ihren benachbarten Zellen verbunden ist, sodass der Gesamtbatteriestapel zwischen 300 VDC und 400 VDC Leistung liefert. Fachleute werden feststellen, dass das System und das Verfahren, die hier beschrieben sind, nicht auf irgendeinen beliebigen speziellen Batterietyp, eine spezielle Chemie und/oder Anordnung beschränkt sind, da eine Anzahl verschiedener Batterien verwendet werden kann.
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Die Batteriesensoren 72 können eine beliebige Kombination aus Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten, die in der Lage sind, Batteriezustände wie etwa die Batterietemperatur, die Batteriespannung, den Batteriestrom, den Batterieladezustand (SOC), den Batteriegesundheitszustand (SOH) usw. zu überwachen. Diese Sensoren können in die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 integriert sein (z.B. eine intelligente oder smarte Batterie), sie können externe Sensoren sein, die außerhalb der Batterie angeordnet sind, oder sie können gemäß einer anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sein. Die Batteriesensoren können die Batterietemperatur auf der Basis von Zelle zu Zelle, als die durchschnittliche oder kollektive Temperatur eines Blocks von Zellen oder einer Region der Batterie, als die durchschnittliche oder kollektive Temperatur der gesamten Batterie oder gemäß eines anderen in dem Gebiet bekannten Temperaturermittlungsverfahrens überwachen und ermitteln. Das Messen der Batterietemperatur auf der Basis individueller Zellen kann nützlich sein, wenn beispielsweise die mittleren Zellen andere Temperaturen zeigen als die Rand- oder Grenzzellen des Batteriestapels 70. Das gleiche Prinzip zur Ermittlung der Batterietemperatur auf der Basis von Zelle zu Zelle, gemeinsam oder anderweitig trifft auch für die Batteriespannung, den Batteriestrom, den Batterie-SOC, den Batterie-SOH usw. zu. Eine Ausgabe von den Batteriesensoren 72 kann an die Steuereinheit 74, das Steuermodul 24 oder eine andere bzw. ein anderes Komponente, Einrichtung, Modul und/oder System im Fahrzeug geliefert werden.
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Die Steuereinheit 74 kann eine beliebige Vielfalt von elektronischen Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (E/A-Einrichtungen) und anderen bekannten Komponenten enthalten und kann verschiedene steuerungs- und/oder kommunikationsbezogene Funktionen durchführen. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 74 Sensorsignale von den verschiedenen Batteriesensoren 72 empfangen, die Sensorsignale in eine geeignete Sensormeldung packen und die Sensormeldung über eine Fahrzeugverbindung, wie etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SMBus), eine proprietäre Kommunikationsverbindung oder ein beliebiges weiteres Kommunikationsmittel, das Fachleuten bekannt ist, an das Steuermodul 24 senden. Es ist möglich, dass die Steuereinheit 74 Batteriesensorlesewerte sammelt und sie in einem lokalen Speicher speichert, sodass eine umfassende Sensormeldung zu einem späteren Zeitpunkt an das Steuermodul 24 geliefert werden kann, oder die Sensorlesewerte können an das Steuermodul oder ein anderes Ziel weitergeleitet werden, sobald sie bei der Steuereinheit 74 eintreffen, um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. In einer anderen Eigenschaft kann die Steuereinheit 74 sachdienliche Batteriekennlinien und Hintergrundinformationen speichern, welche die Chemie der Batteriezellen, die Zellenkapazität, obere und untere Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen, Batterietemperaturgrenzen, Temperaturprofile, die Batterieimpedanz, die Anzahl oder den Verlauf von Auflade/Entlade-Ereignissen usw. betreffen.
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Die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 speichert Energie, die verwendet werden kann, um sekundäre oder Hilfsfunktionen im Fahrzeug auszuführen, wie etwa das Starten einer Brennkraftmaschine oder das Versorgen bestimmter Niederspannungs-Fahrzeugzubehöreinrichtungen mit Leistung. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 eine herkömmliche Bleisäurebatterie mit 12 V oder 42 V. Bei einer Anwendung erregt die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 ein Solenoid und/oder einen Startermotor (nicht gezeigt), der eine Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine dreht; das heißt, dass die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie die Energie zum Starten oder Ankurbeln der Maschine liefert. Bei einer anderen Anwendung versorgt die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 eine oder mehrere Fahrzeugzubehöreinrichtungen mit Leistung. Beispiele potentieller Niederspannungszubehöreinrichtungen umfassen die Batterieheizung 16, einen Radioempfänger, einen DVD-Player, Fernsehen, eine Telematikeinheit und/oder andere Infotainmenteinrichtungen sowie eine Fahrzeuginnen- oder Außenbeleuchtung, Hilfsleistungsstecker usw. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Fahrzeugzubehöreinrichtungen, die durch die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie mit Leistung versorgt werden können. Obwohl eine beispielhafte Niederspannungs-Batterieeinheit erörtert wurde, können andere Batterien, Materialien, Konstruktionen, Ausführungsformen usw. mit gleichem Erfolg verwendet werden.
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Es ist festzustellen, dass die Begriffe „Hochspannungs-Fahrzeugbatterie“ und „Niederspannungs-Fahrzeugbatterie“ nicht auf irgendeine spezielle numerische Spannung oder irgendeinen speziellen Bereich begrenzt sind. Stattdessen sind diese Begriffe insofern relativ, als die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 allgemein eine höhere Spannung bereitstellt als die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20; folglich kann die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie verwendet werden, um einen oder mehrere Elektromotoren zum Fahrzeugvortrieb anzutreiben. Obwohl einige bevorzugte Spannungswerte und Bereiche zur Veranschaulichung vorstehend bereitgestellt sind, sind daher das Verfahren und System, die hier beschrieben sind, nicht auf derartige Ausführungsformen begrenzt.
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Das Leistungsmodul 22 koppelt die Hoch- und Niederspannungssysteme oder -schaltungen im Fahrzeug zusammen und kann eine Anzahl verschiedener Funktionen in dieser Eigenschaft ausführen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Leistungsmodul 22 ein Zubehörleistungsmodul (APM), das sowohl mit der Hochspannungs- als auch der Niederspannugs-Fahrzeugbatterie 18, 20 elektrisch gekoppelt ist und zu Kommunikationszwecken mit dem Steuermodul 24 elektronisch gekoppelt ist. Das Leistungsmodul 22 kann eine beliebige Kombination von Verarbeitungs- und Speicherressourcen sowie Transformatoren und/oder andere elektrische Komponenten enthalten, die zum Übertragen oder Austauschen elektrischer Energie zwischen den verschiedenen Komponenten, Einrichtungen, Modulen usw. der Hoch- und Niederspannungssysteme verwendet werden. Einige Beispiele möglicher Leistungsmodulfunktionen umfassen das Niedertransformieren der DC-Leistung von der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 und deren Verwendung zum Aufladen der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20, und das Versorgen einer oder mehrerer Niederspannungs-Fahrzeugzubehöreinrichtungen mit Leistung. Es ist möglich, dass das Leistungsmodul 22 mit anderen Einrichtungen im Fahrzeug kombiniert oder anderweitig integriert ist.
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Das Steuermodul 24 kann verschiedene Zustände im gesamten Fahrzeug überwachen, einschließlich derjenigen, welche die Leistungsversorgung 12, den Schalter 14, die Batterieheizung 16, die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18, die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20, das Leistungsmodul 22, und/oder andere Zustände oder Parameter im gesamten Fahrzeug betreffen, und es kann die erfassten Zustände verwenden, um das nachstehend beschriebene Batterieheizverfahren zu steuern. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform kann das Steuermodul 24 ein eigenständiges elektronisches Fahrzeugmodul sein, es kann in ein anderes elektronisches Fahrzeugmodul eingebaut oder darin enthalten sein (wie etwa einem Antriebsstrangsteuermodul), oder es kann Teil eines größeren Netzes oder Systems sein (wie etwa eines Batteriemanagementsystems (BMS), eines Fahrzeugenergiemanagementsystems usw.), um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Das Steuermodul 24 kann eine Anzahl von Funktionen durchführen, welche beispielsweise das Batterieheizsystem 10 betreffen, sowie welche, die das Aufladen der Batterie betreffen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das Steuermodul 24 ein integriertes Fahrzeugsteuermodul (VICM) und ist für zahlreiche batterie- und leistungsbezogene Aufgaben verantwortlich, wie etwa das hier beschriebene Batterieheizverfahren.
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Das Steuermodul 24 kann eine beliebige Vielfalt elektronischer Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (E/A-Einrichtungen) und anderer bekannter Komponenten enthalten und kann verschiedene steuerungs- und/oder kommunikationsbezogene Funktionen ausführen. Das Steuermodul kann mit anderen Fahrzeugeinrichtungen und Modulen über ein geeignetes Fahrzeugkommunikationsnetz elektronisch verbunden sein und kann bei Bedarf mit diesen interagieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Steuermodul 24 eine elektronische Verarbeitungseinrichtung, die Anweisungen für Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripte usw. ausführt, die in Speichereinrichtungen des Moduls 24 gespeichert sind und den Batterieheizprozess und die Verfahren, die hier beschrieben sind, lenken. Das Steuermodul 24 kann auch Nachschlagetabellen (z.B. Leistungsreaktionskurven, welche eine Zellentladungs-/Aufladungsleistung als Funktion der Temperatur darstellen usw.), verschiedene Sensorlesewerte (z.B. Sensorlesewerte, welche die Batterietemperaturen betreffen, usw.), und vorbestimmte Werte, die beispielsweise von einem oder mehreren Algorithmen verwendet werden (z.B. vorbestimmte Zustandswerte, Zustandskalibrierungswerte, Zieltemperaturen usw.) speichern oder mitführen. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Funktionen und Fähigkeiten des Steuermoduls 24, da auch andere Ausführungsformen verwendet werden können.
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Mit Bezug nun auf 2 ist ein beispielhaftes Verfahren 100 gezeigt, das mit dem Batterieheizsystem 10 verwendet werden kann, um die Temperatur der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 zu erwärmen, aufzuheizen oder anderweitig zu steuern. Das beispielhafte Verfahren 100 erwärmt die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 vorzugsweise mit elektrischer Energie von der externen Leistungsquelle 32, wenn dies möglich ist, um Energie im Fahrzeug zu bewahren und die billigste Quelle verfügbarer elektrischer Energie zu verwenden (Elektrizität aus dem öffentlichen Netz ist typischerweise weniger kostspielig als diejenige, die durch das Fahrzeug erzeugt wird), aber es ermöglicht auch ein fortgesetztes Erwärmen der Batterie, nachdem das Batterieheizsystem 10 ausgesteckt worden ist und das Fahrzeug gefahren wird. Obwohl es in 1 nicht speziell dargestellt ist, ist es möglich, dass das Batterieheizsystem 10 in einem Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) verwendet wird, bei dem das System elektrische Leistung von einer externen Leistungsquelle durch die gleiche Aufladungskopplung empfängt, die das Fahrzeug auflädt; das heißt, anstelle elektrische Leistung durch einen separaten Leistungseingang zu empfangen, die nur die Batterie erwärmt. Das vorliegende System und Verfahren können mit jeder Anordnung verwendet werden.
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Fachleute werden feststellen, dass sich einige Batterietypen, wie etwa diejenigen, die auf Lithium-Ionen-Chemie beruhen, in einem bestimmten Temperaturbereich befinden müssen, um elektrische Energie auf optimale Weise zu empfangen und/oder zu liefern. Es wird das Beispiel eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) betrachtet, das eine Hochspannungs-Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterie zum Vortrieb verwendet und über Nacht in einer extrem kalten Umgebung (z.B. minus 20°C oder kälter) geparkt worden ist. Wenn ein Fahrzeuganwender versucht, das HEV zu starten, ohne zuerst die Batterie zu erwärmen, kann es sein, dass das Fahrzeug nicht startet. Wenn der Fahrzeuganwender außerdem das Batterieheizsystem 10 einsteckt, dies aber nur eine kurze Zeitspanne lang tut, kann die Batterietemperatur ausreichend erhöht sein, um das Fahrzeug zu starten, aber nicht ausreichend, damit die Hochspannungs-Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterie in ausreichendem Maß elektrische Energie empfangen kann. Ein derartiges Szenario kann Probleme aufwerfen, speziell wenn das HEV zusätzliche elektrische Energie übermäßig erzeugt oder anderweitig produziert (z.B. durch ein regeneratives Bremsen oder als eine transiente Energie durch den Betrieb des Hybridgetriebes), da es für derartige Energie keinen Platz gibt. In den meisten Fällen würde beliebige zusätzliche oder überflüssige Energie einfach in der Batterie gespeichert werden, wenn die Hochspannungs-Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterie jedoch zu kalt ist, wird sie nicht in der Lage sein, die Ladung aufzunehmen. Folglich verwendet das nachstehend beschriebene Verfahren diese zusätzliche Energie, um das Batterieheizsystem 10 mit Leistung zu versorgen, sodass die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie fortgesetzt erwärmt oder aufgeheizt werden kann und ihren Normalbetrieb sobald wie möglich aufnehmen kann.
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Mit Schritt 102 beginnend ermittelt das Verfahren, ob das Batterieheizsystem 10 an eine externe Leistungsquelle 32 angesteckt oder mit dieser verbunden ist. Dieser Schritt kann eine beliebige Anzahl verschiedener Verfahren oder Techniken verwenden, um eine derartige Ermittlung durchzuführen, einschließlich der Verwendung des Steuermoduls 24, um den Status der elektrischen Verbindung zwischen dem Leistungseingang 40 der Leistungsversorgung 12 und der elektrischen Steckdose der elektrischen Leistungsquelle 32 zu überwachen. Die Überwachung, die bei diesem Schritt auftritt, kann aktiv (z.B. kann das Steuermodul 24 die Leistungsversorgung 12 periodisch abfragen oder periodisch eine Statusabfrage dahin senden, um zu ermitteln, ob die Leistungsversorgung Leistung von der externen Leistungsquelle 32 empfängt) oder passiv sein (z.B. kann das Steuermodul 24 einfach zuhören und auf eine Meldung oder ein anderes Signal von der Leistungsversorgung 12 warten, die bzw. das anzeigt, dass die Leistungsversorgung angesteckt wurde). Schritt 102 ist nicht auf eine beliebige Überwachungstechnik beschränkt, da eine Anzahl geeigneter Techniken verwendet werden kann. Wenn Schritt 102 ermittelt, dass das Batterieheizsystem 10 nicht angesteckt ist, dann kann er für eine weitere Überwachung zurückspringen; wenn Schritt 102 ermittelt, dass das Batterieheizsystem 10 angesteckt ist, dann kann das Verfahren zu Schritt 106 weitergehen. Wenn bei einer anderen Ausführungsform, die hier nicht dargestellt ist, Schritt 102 ermittelt, dass das Batterieheizsystem nicht angesteckt ist, kann sie mit dem Erwärmen der Batterie mit elektrischer Leistung von der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie an Bord des Fahrzeugs beginnen.
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Als nächstes ermittelt Schritt 106, ob das Fahrzeug „eingeschaltet“ ist. Nun werden Fachleute feststellen, dass eine beliebige Anzahl verschiedener Kriterien oder Parameter verwendet werden kann, um zu ermitteln, wenn ein Hybridfahrzeug „eingeschaltet“ ist, und beliebige derartiger Kriterien oder Parameter können hier verwendet werden. Bei einem Beispiel prüft Schritt 106, ob die elektrischen Hauptschütze im Fahrzeug (in 1 nicht gezeigt) geschlossen worden sind oder ob das Fahrzeugvortriebssystem „aktiv“ ist. Ein aktives Fahrzeugvortriebssystem wird manchmal durch einen Merker oder eine andere elektronische Anzeige angezeigt, der bzw. die gesetzt wird, wenn ein derartiger Zustand auftritt. Diese zwei Ereignisse treten oft zusammen oder in Reaktion aufeinander auf und zeigen typischerweise an, dass der Fahrzeuganwender wünscht, das Fahrzeug zu fahren oder anderweitig zu betreiben. Wenn ein Fahrzeuganwender das Fahrzeug aus der Ferne oder manuell startet ist es typisch, dass sich die elektrischen Hauptschütze schließen und/oder das Fahrzeugvortriebssystem in einen „aktiven“ Status übergeht. In einem derartigen Fall kann das Steuermodul 24 alarmiert werden, dass das Fahrzeug nun „eingeschaltet“ ist und mit der Ausführung des beispielhaften Verfahrens 100 fortfahren. Wiederum können andere Kriterien, Parameter, Faktoren usw. verwendet werden, um zu ermitteln, ob das Fahrzeug „eingeschaltet“ ist, da Schritt 106 nicht auf die hier gegebenen Beispiele begrenzt ist.
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Wenn das Batterieheizsystem 10 angesteckt ist (wie in Schritt 102 ermittelt wurde), aber das Fahrzeug nicht „eingeschaltet“ worden ist (wie bei Schritt 106 ermittelt wurde), dann kann Schritt 108 den Schalter 14 so steuern, dass er elektrische Energie von der externen Leistungsquelle 32 empfängt. Wenn der Leistungseingag 40 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform in eine Steckdose oder eine andere externe Leistungsquelle 32 eingesteckt ist und der Fahrzeuganwender nicht versucht hat, das Fahrzeug zu starten, dann verändert Schritt 108 entweder den Status des Schalters 14 oder stellt sicher, dass er sich bereits in der korrekten Position befindet, sodass er die Batterieheizung 16 mit Niederspannungsleistung von der Leistungsversorgung 12 versorgen kann. Da elektrische Energie aus dem öffentlichen Elektrizitätsnetz gewöhnlich weniger kostspielig als diejenige ist, die vom Fahrzeug erzeugt wird, und da es typischerweise wünschenswert ist, die interne Leistungsquelle des Fahrzeugs zu bewahren, wenn es möglich ist, kann der Schalter 14 auf die in 1 gezeigte Position als Standardposition gesetzt sein (d.h. so eingestellt, dass er die externe Leistungsquelle 32 standardmäßig wählt). Schritt 108 kann überprüfen, um sicherzustellen, dass der Schalter 14 mit der externen Leistungsquelle 32 über die Leistungsversorgung 12 verbunden ist und den Status des Schalters entsprechend verändern, wenn dies aus irgendeinem Grund nicht der Fall ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der Status des Schalters 14 vom Steuermodul 24 sowohl überwacht als auch gesteuert, jedoch können stattdessen andere Komponenten, Einrichtungen, Module usw. verwendet werden. Es ist festzustellen, dass die Leistungsversorgung 12, der Schalter 14, die Batterieheizung 16, die Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 und/oder die externe Leistungsquelle 32 direkt miteinander gekoppelt sein können oder durch eine oder mehrere dazwischen kommende Komponenten, Einrichtungen usw. indirekt miteinander gekoppelt sein können.
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Schritt 110 versorgt dann die Batterieheizung 16 mit Leistung, sodass die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 mit elektrischer Energie von der externen Leistungsquelle 32 erwärmt wird. Schritt 130 kann dort umfasst sein, wo er in 2 dargestellt ist, und/oder er kann in einem anderen Teil des beispielhaften Verfahrens 100 enthalten sein, um zu ermitteln, ob die Batterietemperatur der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 gleich einer Ziel- oder Minimaltemperatur ist. Fachleute werden feststellen, dass es eine Anzahl verschiedener Wege für ein System wie dieses gibt, um die Batterietemperatur zu überwachen und/oder aufrechtzuerhalten, sodass sie innerhalb eines gewünschten oder Zielbereichs bleibt, wobei ein beliebiger von diesen hier verwendet werden kann. Wenn die Batterietemperatur zu irgendeinem Zeitpunkt die Ziel- oder Minimaltemperatur erreicht, dann kann das beispielhafte Verfahren 100 stoppen.
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Wenn das Batterieheizsystem 10 angesteckt ist (wie in Schritt 102 ermittelt wurde) und das Fahrzeug „eingeschaltet“ ist (wie in Schritt 106 ermittelt wurde), dann geht das Verfahren zu Schritt 118 weiter, welcher den Schalter 14 so steuert, dass er elektrische Energie von einer oder mehreren internen Leistungsquellen empfängt, wie etwa der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 und/oder dem Leistungsmodul 22. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann dieser Schritt ein aktives Verändern des Betriebsstatus des Schalters 14 umfassen oder, wenn sich der Schalter bereits im gewünschten Status befindet, kann er einfach eine Bestätigung umfassen, dass der Schalterstatus korrekt ist. Ein möglicher Grund zur Ausführung dieses Schritts und zum Übergang auf eine interne Fahrzeugleistung besteht darin, dass das Verfahren annimmt, dass das Fahrzeug demnächst weggefahren wird, da das Fahrzeug „eingeschaltet“ worden ist; somit ist es nicht wahrscheinlich, dass elektrische Energie von der externen Leistungsquelle 32 noch viel länger zur Verfügung steht. Wie vorstehend erläutert wurde, kann es dann wünschenswert sein, mit dem Erwärmen der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 fortzufahren, obwohl das Batterieheizsystem 10 ausgesteckt wurde, wenn die Batterietemperatur immer noch unter einer Ziel- oder Minimaltemperatur liegt.
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Schritt 120 kann dann die Batterieheizung 16 mit Leistung versorgen, sodass die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 mit elektrischer Energie von einer internen Leistungsquelle erwärmt wird, wie etwa der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 und/oder dem Leistungsmodul 22. Dies ermöglicht, dass der Batterieaufheizprozess über den Zeitpunkt hinaus verlängert wird, an dem das System ausgesteckt wird, und mit dem Erwärmen der Batterie fortfährt, selbst wenn das Fahrzeug weggefahren wird. Zusätzlich zur Beschleunigung des Prozesses der Batterieerwärmung, der wiederum die Zeitspanne verringert, die benötigt wird, bis die Batterie vollständig betriebsfähig ist, stellt dies ein Ziel für jede transiente oder andere Energie bereit, die im Fahrzeug erzeugt werden kann, aber in einer kalten Batterie nicht gespeichert werden kann. Eine Eigenschaft des beispielhaften Systems 10, die zur Ermöglichung dieses Merkmals beitragen kann, besteht darin, dass die niedertransformierte und gleichgerichtete elektrische Leistung, die von der Leistungsversorgung 12 bereitgestellt wird, allgemein gleich derjenigen ist, die von der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 geliefert wird (z.B. 12 VDC, 42 VDC usw.). Folglich kann das System leicht wechseln und von einer elektrischen Leistungsquelle zur anderen umschalten.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das System dann immer noch wertvoll sein, wenn ein Fahrzeuganwender vergisst, das Batterieheizsystem 10 anzustecken. Wenn der Fahrzeuganwender beispielsweise den Leistungseingang 40 nicht einsteckt und die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 zu kalt zum Starten ist, dann kann das Steuermodul 24 den Schalter 14 zur Verbindung der Batterieheizung 16 mit der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 und/oder dem Leistungsmodul 22 lenken, sodass das System eine interne Leistungsquelle zum Erwärmen der Hochspannungs-Fahrzeugbatterie verwendet. Nach ein paar Minuten kann die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie warm genug zum Starten des Fahrzeugs sein und damit ein „Heimlaufen“-Szenario vermeiden, das andernfalls erfordern würde, dass das Fahrzeug abgeschleppt wird oder eine andere elektrische Energiequelle gefunden wird. Es wird das gleiche Szenario betrachtet, wobei die Hochspannungs-Fahrzeugbatterie 18 nur warm genug ist, sodass das Fahrzeug starten kann, aber noch zu kalt ist, um elektrische Energie, die im Betrieb erzeugt wird, in ausreichender Weise aufzunehmen. Das Batterieheizsystem 10 kann den Batterieerwärmungsprozess beschleunigen, sobald das Fahrzeug in der vorstehend beschriebenen Weise gefahren wird.
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Es ist auch möglich, dass ein Fahrzeuganwender das Fahrzeug „fremd startet“, indem er das Batterieheizsystem 10 mit der Niederspannungsbatterie eines anderen Autos (z.B. einer 12 VDC-Batterie) oder einer tragbaren Niederspannungs-Leistungsquelle verbindet. In dieser Situation kann ein Fahrzeuganwender Fremdstartkabel verwenden, um die Niederspannungsbatterie eines zweiten Fahrzeugs mit der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie 20 zu verbinden und das Steuermodul 24 kann den Schalter 14 zum Empfang der 12 VDC-Leistung von der neuen Quelle und zum entsprechenden Versorgen der Batterieheizung 16 mit Leistung lenken.
