DE102012022553A1

DE102012022553A1 - Verfahren zum Aufheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs und Anordnung zum Aufheizen einer Batterie

Info

Publication number: DE102012022553A1
Application number: DE201210022553
Authority: DE
Inventors: Franziska Beste; Alfred Jeckel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-11-17
Filing date: 2012-11-17
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer ersten Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs, wobei die erste Batterie (12) durch einen Entladestrom, der durch eine Kopplung der ersten Batterie (12) mit mindestens einer elektrischen Stromsenke (26; 28a; 28b; 28c) des Kraftfahrzeugs bewirkt wird, zumindest zum Teil derart entladen wird, dass sich die erste Batterie (12) erwärmt. Dabei verläuft der Entladestrom zeitlich als mindestens ein Entladepuls, wobei der mindestens eine Entladepuls eine Entladepulsdauer und eine Entladepulsamplitude aufweist und wobei die Entladepulsdauer und die Entladepulsamplitude in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der ersten Batterie (12) verschiedenen batteriespezifischen Größe vorgegeben sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Aufheizen einer Batterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Bei tiefen Temperaturen, insbesondere kleiner als 5°C, wird die Ladeleistung eines elektrischen Energiespeichers, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, beschränkt, um das Auftreten eines Lithium-Plating, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, zu verhindern, da dies die Batteriezellen irreversibel in ihren chemischen Eigenschaften beschädigt. Des Weiteren steigt bei tiefen Außentemperaturen der Innenwiderstand der Batterie. Dies führt zu einer Reduzierung der Entladeleistung und einer Erhöhung der Verlustleistung in Form von Abwärme. Aus dem Stand der Technik sind daher Verfahren bekannt, um bei niedrigen Temperaturen die Batterie zu beheizen. Beispielsweise kann die Beheizung in Form einer PTC(Positive Temperature Coefficient)-Heizung erfolgen, also durch ein Kaltleiterelement zur Beheizung der Kühlflüssigkeit der Batterie. Jedoch geht auch hierbei viel Energie in Form von ungenutzter Abwärme und durch den Stromverbrauch des PTC verloren.
Aus der DE 10 2010 032 088 A1 ist ein Verfahren zum Beheizen einer Batterie bekannt, bei dem zwei Batterieabschnitte mit einem phasenverschobenen Wechselstrom beaufschlagt werden. Durch das abwechselnde Laden und Entladen der Batterie kann die Batterie beheizt werden, da durch den Innenwiderstand der Batterie Wärme abgegeben wird.
Weiterhin ist aus der DE 10 2011 016 523 A1 ein gattungsgemäßes Verfahren zum Aufheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem die Batterie durch einen Entladestrom entladen wird, so dass sich die Batterie erwärmt. Dazu werden ein oder mehrere elektrische Verbraucher, die als Stromsenke fungieren, mit der Batterie gekoppelt, welche durch ein Aktivierungsmittel vor dem Anlassen des Fahrzeugs aktiviert werden können. Das Aktivieren eines elektrischen Verbrauchers kann dabei für eine vordefinierbare Zeitspanne erfolgen, wobei die Zeitspanne entsprechend eines Ladezustands der Batterie gewählt werden kann.
Insgesamt ist es wünschenswert, die Erwärmung der Batterie so schnell wie möglich auszugestalten und gleichzeitig Energieverluste so klein wie möglich zu halten.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zum Aufheizen einer Batterie bereitzustellen, welche eine effizientere und energiesparendere Aufheizung einer Fahrzeugbatterie ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch eine Anordnung zum Aufheizen einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufheizen einer ersten Batterie eines Kraftfahrzeugs wird die erste Batterie durch einen Entladestrom, der durch eine Kopplung der ersten Batterie mit mindestens einer elektrischen Stromsenke bewirkt wird, zumindest zum Teil derart entladen, dass sich die erste Batterie erwärmt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Entladestrom zeitlich als mindestens ein Entladepuls verläuft, wobei der mindestens eine Entladepuls eine Entladepulsdauer und eine Entladepulsamplitude aufweist und wobei die Entladepulsdauer und Entladepulsamplitude in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der ersten Batterie verschiedenen batteriespezifischen Größe vorgegeben sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zum einen ein Zusammenhang zwischen Entladepulslänge, also der Entladepulsdauer, der Entladepulsstärke, also der Entladepulsamplitude, und der dabei entstehenden Abwärme besteht und zum anderen der optimale Betriebspunkt für den Entladepuls von batteriespezifischen Größen abhängig ist. Wird also die Entladepulsdauer und -amplitude in Abhängigkeit von diesen Größen vorgegeben, also insbesondere auf die spezifischen Eigenschaften der zu beheizenden Batterie angepasst, so kann durch diesen optimal eingestellten Entladepuls eine besonders effiziente, schnelle und energiesparende Aufheizung der Batterie erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Stromsenke ein elektrischer Verbraucher eines 12 V-Bordnetzes des Fahrzeugs und/oder ein Kaltleiter zur Beheizung eines Heizwasserkreislaufs und/oder eine von der ersten Batterie verschiedene zweite Batterie ist.
Es gibt also eine Vielzahl an Möglichkeiten die der Batterie zur Aufheizung durch den Entladepuls entnommene Energie zu nutzen. Insbesondere können dadurch eine Vielzahl an Verbrauchern des 12 V-Bordnetzes betrieben werden, wie beispielsweise der PTC im Klimagerät, das Gebläse, die beheizbare Frontscheibe, die Lenkradbeheizung, die Sitzheizung, die elektrische Flächenheizung, die heizbare Heckscheibe, usw., wodurch eine sehr energieeffiziente Aufheizung der Batterie bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann durch die Selbsterwärmung der Batterie auf den HV-PCT im Heizwasserkreislauf zur Batterieerwärmung verzichtet werden. Alternativ kann auch der PTC auf der HV-Ebene im Heizwasserkreislauf durch den der Batterie entnommenen Entladestrom betrieben werden, wodurch ein noch schnelleres und effizienteres Erwärmen der Batterie ermöglicht wird. Weiterhin ermöglicht das Verfahren bei Hybridfahrzeugen den Einsatz des elektrischen Boost des Elektromotors als zusätzlichen elektrischen Verbraucher.
Weiterhin kann durch diese Vielzahl an Möglichkeiten, die der Batterie entnommenen Energie zu nutzen, kann die Entladepulsamplitude sehr leicht in Abhängigkeit der Leistung und Anzahl der mit der Batterie gekoppelten Verbraucher eingestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit bietet auch die Speicherung der Pulsenergie des Entladepulses in eine zweite Batterie, wie beispielsweise in eine 12 V-Batterie. Aus der zweiten Batterie kann mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler Energie in die erste Batterie zurückgespeist werden. Damit wird ein Aufheizen der ersten Batterie durch einen Entladestrom auch dann noch ermöglicht, selbst wenn der aktuelle Ladezustand der Batterie niedrig ist. So kann die im Stand der Technik übliche sehr einschränkende Bedingung, nur bei ausreichendem Ladezustand der Batterie ein Aufheizen durch einen Entladestrom zuzulassen, entfallen, und insbesondere auch unabhängig von einem Ladezustand der Batterie ein Aufheizen der Batterie ermöglicht werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine batteriespezifische Größe eine Nennspannung und/oder eine Nennkapazität und/oder ein chemischer Aufbau einer Anode und einer Kathode der ersten Batterie und/oder eine Zellenanzahl der ersten Batterie und/oder eine Zellgröße der ersten Batterie. Durch die Berücksichtigung dieser Größen kann also für jede Batterie ein optimaler Betriebspunkt für den Entladepuls vorgegeben werden, d. h. die Entladepulsdauer und -amplitude sind optimal auf spezifische Eigenschaften der Batterie angepasst, so dass ein möglichst effektives, schnelles und energiesparendes Aufheizen der Batterie ermöglicht wird.
Weiterhin sind auch die Umgebungstemperatur der Batterie sowie die Batterietemperatur selbst wesentliche Einflussgrößen für die Wahl eines optimalen Betriebspunktes des Entladepulses. Daher ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Entladepulsdauer und die Entladepulsamplitude weiterhin in Abhängigkeit einer Temperatur der ersten Batterie und/oder einer Umgebungstemperatur der ersten Batterie vorgegeben. Dadurch kann das Aufheizen der Batterie noch weiter in seiner Effektivität gesteigert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Kopplung der ersten Batterie mit der mindestens einen Stromsenke zum Aufheizen der ersten Batterie während einer Zeitspanne initiiert, während welcher ein Motor des Kraftfahrzeugs inaktiv ist. Beispielsweise kann die Kopplung der ersten Batterie mit der mindestens einen Stromsenke bei einer Betätigung einer Zündung (Klemme 30) des Kraftfahrzeugs erfolgen, d. h. zeitgleich mit der Aktivierung des Bordnetzes, noch vor dem Starten des Motors, so dass sich die Batterie bis zum Starten des Motors erwärmt hat. Weiterhin kann die Kopplung bei einem Fahrzeugstopp erfolgen, wie beispielsweise bei einem Abschalten des Motors eines Fahrzeugs mit Start-Stopp-Automatik. So kann auch diese zeit der Inaktivität des Motors genutzt werden, um die Batterie zu Erwärmen, z. B. falls die optimale Betriebstemperatur der Batterie vor dem ersten Start des Motors noch nicht erreicht wurde.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Aufheizen einer Batterie umfasst eine Batterie, eine Steuereinrichtung und mindestens ein Kopplungsmittel zum Koppeln der Batterie mit einer Stromsenke. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das Kopplungsmittel anzusteuern, wobei durch die Ansteuerung des Kopplungsmittels durch die Steuereinrichtung eine Kopplung herstellbar und lösbar ist und wobei durch eine hergestellte Kopplung der Batterie ein Entladestrom entnehmbar ist. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das Kopplungsmittel in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der Batterie verschiedenen batteriespezifischen Größe derart anzusteuern, dass eine Entladepulsdauer und eine Entladepulsamplitude eines als Entladepuls ausgebildeten Entladestroms abhängig von der mindestens einen batteriespezifischen Größe vorgegeben ist. Diese Anordnung ist insbesondere dazu ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beheizen einer Batterie und/oder dessen Ausgestaltungsvarianten durchzuführen. Alle beschriebenen Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausgestaltungsvarianten gelten auch, soweit anwendbar, für die erfindungsgemäße Anordnung zum Aufheizen einer Batterie.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der folgenden Zeichnung.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 10 zum Aufheizen einer Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist eine erste Batterie, insbesondere eine HV-Batterie 12, die als Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein kann, einerseits über eine Leistungselektronik 14 mit einer elektrischen Maschine 16 gekoppelt, wie beispielsweise einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridelektrofahrzeugs, das zusätzlich einen mit dem Elektromotor gekoppelten Verbrennungsmotor (ICE) 18 aufweist. Weiterhin sind ein HV-PTC (Positive Temperature Coefficient) 20, also ein Kaltleiterelement zur Beheizung des HV-Kühlmittelkreislaufs der HV-Batterie 12, und ein elektrischer Kältemittelverdichter 22 über die Leistungselektronik 14 mit der HV-Batterie 12 gekoppelt. Auf der anderen Seite ist die HV-Batterie 12 über einen DC/DC-Wandler 24 mit einer zweiten Batterie 26, insbesondere einer NV- bzw. 12 V-Batterie zur Versorgung eines Bordnetzes und mit weiteren elektrischen Verbrauchern 28a, 28b und 28c gekoppelt bzw. koppelbar. Exemplarisch sind in der Figur drei elektrische Verbraucher 28a, 28b und 28c dargestellt, die Anzahl der elektrischen Verbraucher kann jedoch im Allgemeinen beliebig sein, d. h. es können auch mehr oder weniger als drei elektrische Verbraucher 28a, 28b und 28c vorgesehen sein. Insbesondere kann das Koppeln und Entkoppeln hierbei durch eine entsprechende Ansteuerung mit einer Steuereinrichtung erfolgen. Die mit der HV-Batterie 12 über den DC/DC-Wandler 24 gekoppelten elektrischen Verbraucher 28a, 28b und 28c sind dabei bevorzugt beheizbare Verbraucher, wie beispielsweise ein PTC im Klimagerät, ein Gebläse, eine heizbare Front- und/oder Heckscheibe, eine Lenkradbeheizung, eine Sitzheizung, eine elektrische Flächenheizung, usw..
Um nun die Eigentemperatur der Batterie, insbesondere der HV-Batterie 12, anzuheben, wird mit Hilfe eines Entladepulses eine nutzbare Energie entnommen. Diese kann die elektrischen Verbraucher 28a, 28b und 28c, insbesondere die 12 V-Verbraucher, über den DC/DC-Wandler versorgen. Die entnommene Energie kann aber auch alternativ oder zusätzlich anderweitig genutzt werden. Beispielsweise kann die Pulsenergie zumindest zum Teil auch der zweiten Batterie 26, also der 12 V-Batterie, zugeführt und in dieser gespeichert werden. Aus der zweiten Batterie 26 kann mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler 24 Energie in die erste Batterie, also die HV-Batterie 12, zurückgespeist werden. Dies ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise, dass die HV-Batterie 12 auch durch einen Entladestrom erwärmt werden kann, wenn der Ladezustand der HV-Batterie 12 niedrig ist, da so der Großteil der durch den Entladestrom der HV-Batterie 12 entnommenen Energie der HV-Batterie 12 wieder zugeführt werden kann. Diese Vielzahl an Möglichkeiten der Nutzung der aus der HV-Batterie 12 entnommenen Energie ermöglicht eine sehr energieeffiziente Aufheizung der HV-Batterie 12.
Um die Effizienz der Aufheizung der ersten Batterie zu optimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Entladepulsdauer und -amplitude des Entladepulses in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der ersten Batterie verschiedenen batteriespezifischen Größe vorgegeben sind. Durch die Berücksichtigung dieser Größen, wie beispielsweise der chemische Aufbau der Anode und der Kathode, die Zellenzahl, die Zellgröße, die Nennspannung und Nennkapazität, wird eine optimale Wahl des Betriebspunkts des Entladepulses, also seiner Dauer und Amplitude, ermöglicht, so dass ein schnelleres und effektiveres Aufheizen der Batterie erreicht werden kann. Natürlich können auch andere Faktoren oder Größen wie die Batterietemperatur und/oder die Umgebungstemperatur, welche ebenfalls wesentliche Einflussgrößen darstellten, bei dieser Wahl berücksichtigt werden.
Die Entladepulse können sofort bei Zündung an (Klemme 30) durchgeführt werden. Auch bei Fahrzeugstopp kann die Erwärmung durch Strompulse durchgeführt werden. Weitere Möglichkeiten sind der Einsatz während des Ladevorgangs und beim Preconditioning (Heizen). Die hier beschriebene Lösung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen können bei Range Extender und Elektrofahrzeugen durchgeführt werden. Bei Hybridfahrzeugen kann der elektrische Boost des E-Motors zusätzlich als elektrischer Verbraucher eingesetzt werden.
Insgesamt wird so ein Verfahren und einen Anordnung zum Aufheizen einer Batterie bereitgestellt, welche durch die Berücksichtigung von batteriespezifischen Größen bei einem Vorgeben einer Dauer und Amplitude eines Entladepulses, eine wesentliche Steigerung in der Effektivität, Energieeffizienz und Geschwindigkeit bei der Erwärmung der Batterie ermöglichen. Dadurch kann auf zusätzliche Bauteile und Vorrichtungen zur Erwärmung der Batterie, wie beispielsweise den HV-PTC zur Batterieerwärmung verzichtet werden und durch den Einsatz der elektrischen Energie zur Aufwärmung von Flächen, Wasser und Luft im Fahrzeug kann auch die Reichweitenreduzierung im Winter verbessert werden.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung
12: HV-Batterie
14: Leistungselektronik
16: Elektrische Maschine
18: Verbrennungsmotor
20: HV-PTC
22: Elektrischer Kältemittelverdichter
24: DC/DC-Wandler
26: Zweite Batterie
28a: Elektrischer Verbraucher
28b: Elektrischer Verbraucher
28c: Elektrischer Verbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010032088 A1 [0003]
DE 102011016523 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Aufheizen einer ersten Batterie (12) eines Kraftfahrzeugs, wobei die erste Batterie (12) durch einen Entladestrom, der durch eine Kopplung der ersten Batterie (12) mit mindestens einer elektrischen Stromsenke (26; 28a; 28b; 28c) des Kraftfahrzeugs bewirkt wird, zumindest zum Teil derart entladen wird, dass sich die erste Batterie (12) erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom zeitlich als mindestens ein Entladepuls verläuft, wobei der mindestens eine Entladepuls eine Entladepulsdauer und eine Entladepulsamplitude aufweist und wobei die Entladepulsdauer und die Entladepulsamplitude in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der ersten Batterie (12) verschiedenen batteriespezifischen Größe vorgegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsenke (26; 28a; 28b; 28c) ein elektrischer Verbraucher (28a, 28b, 28c) eines 12 V-Bordnetzes des Fahrzeugs und/oder ein Kaltleiter (20) zur Beheizung eines Heizwasserkreislaufs und/oder eine von der ersten Batterie verschiedene zweite Batterie (26) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine batteriespezifische Größe eine Nennspannung und/oder eine Nennkapazität und/oder ein chemischer Aufbau einer Anode und einer Kathode der ersten Batterie (12) und/oder eine Zellenanzahl der ersten Batterie (12) und/oder eine Zellgröße der ersten Batterie (12) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladepulsdauer und die Entladepulsamplitude weiterhin in Abhängigkeit einer Temperatur der ersten Batterie (12) und/oder einer Umgebungstemperatur der ersten Batterie (12) vorgegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der ersten Batterie (12) mit der mindestens einen Stromsenke (26; 28a; 28b; 28c) zum Aufheizen der ersten Batterie (12) während einer Zeitspanne initiiert wird, während welcher ein Motor des Kraftfahrzeugs inaktiv ist.
Anordnung zum Aufheizen einer Batterie (12), aufweisend eine Batterie (12), eine Steuereinrichtung und mindestens ein Kopplungsmittel zum Koppeln der Batterie (12) mit einer Stromsenke (26; 28a; 28b; 28c), wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, das Kopplungsmittel anzusteuern, wobei durch die Ansteuerung des Kopplungsmittels durch die Steuereinrichtung eine Kopplung herstellbar und lösbar ist, wobei durch eine hergestellte Kopplung der Batterie (12) ein Entladestrom entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, das Kopplungsmittel in Abhängigkeit von mindestens einer von einem Ladezustand der Batterie (12) verschiedenen batteriespezifischen Größe derart anzusteuern, dass eine Entladepulsdauer und eine Entladepulsamplitude eines als Entladepuls ausgebildeten Entladestroms abhängig von der mindestens einen batteriespezifischen Größe vorgegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (12) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5 aufheizbar ist.