-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen einer Hochvolt-Batterie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines derartigen Verfahrens.
-
Hochvolt-Batterien, welche gelegentlich auch als Hochleistungsbatterien bezeichnet werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen typischerweise eine Vielzahl von Batterieeinzelzellen auf, welche beispielsweise in Lithium-Ionen-Technologie ausgeführt sein können. Der Begriff Hochspannungs- bzw. Hochvolt-Batterie geht dabei auf die ECE R100 zurück, welche definiert, dass ”Hochspannung” die Spannung ist, für die ein elektrisches Bauteil oder ein Stromkreis ausgelegt ist, dessen Effektivwert der Betriebsspannung von mehr als 60 V und weniger als maximal 1500 V (Gleichstrom) oder mehr als 30 V und weniger oder maximal 1000 V (Wechselstrom) ist.
-
Batteriesysteme aus einer oder mehreren Batterien beziehungsweise einem oder mehreren Batterieabschnitten beziehungsweise Batteriemodulen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese Batterien umfassen dabei typischerweise in jeder der Batterien beziehungsweise deren Batterieabschnitten eine oder mehrere Batterieeinzelzellen, welche zu der Batterie oder dem Batterieabschnitt typischerweise in Reihe verschaltet sind. Batterien haben dabei den aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Nachteil, dass diese, und zwar weitgehend unabhängig von der Technologie, in welcher sie ausgeführt sind, bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt, eine sehr eingeschränkte Leistungsfähigkeit aufweisen. Um dieser Problematik zu begegnen ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass Batterien beheizt werden können, um auch bei niedrigen und sehr niedrigen Umgebungstemperaturen eine ausreichende Leistungsfähigkeit aufzuweisen.
-
Aus dem Bereich von Hochspannungsbatterien, wie sie insbesondere für zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden, ist es außerdem bekannt, dass derartige Batteriesysteme während des regulären Betriebs vergleichsweise viel Abwärme erzeugen und dementsprechend gekühlt werden müssen. Beispiele sind hier insbesondere Nickel-Metall-Hydrid- oder Lithium-Ionen-Batterien, welche über eigene Kühlsysteme mit einem gasförmigen oder insbesondere einem flüssigen Kühlmittel zur Temperierung der Batterieeinzelzellen verfügen.
-
Beim Start von Batterien unter sehr kalten Umgebungsbedingungen, also beispielsweise Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, ist es nun sinnvoll, die Batterie zu beheizen, um schnellstmöglich ihre vollständige Leistungsfähigkeit bereitstellen zu können. Bei Batterien, welche ein Kühlsystem aufweisen, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, das zur Kühlung genutztes Medium in diesen Situationen zum Aufheizen der Batterie zu verwenden. Hierfür wird in dem Kühlmedium typischerweise über einen Heizwiderstand oder eine andersartige Beheizung Wärme eingetragen, welche dann, umgekehrt zum Wärmetransport bei der Kühlung, zur Beheizung der Batterie verwendet werden kann.
-
Nachteilig bei diesen Aufbauten ist es, dass die Wärme aus dem Bereich des Kühlkörpers typischerweise Isolationsstrecken, Teile des Batterie- oder des Einzelzellgehäuses und ähnliche Bereiche passieren muss, bevor die Erwärmung in dem für die Leistungsabgabe relevanten Inneren der Batterieeinzelzellen erfolgt. Aus dieser Problematik ergibt sich der Nachteil einer vergleichsweise schlechten Energieeffizienz, aufgrund der hohen Wärmekapazitäten in einem derartigen Kühlsystem und der besondere Nachteil einer vergleichsweise großen Zeitkonstante, da die Wärme erst über mehrere Schnittstellen hinweg in den Bereich transportiert werden muss, in dem sie letztlich benötigt wird.
-
Aus den beiden
US-Patenten US 6,882,061 B1 und
US 6,072,301 A sind alternative Verfahren bekannt, bei denen die Beheizung der Batterie beziehungsweise der Batterieabschnitte durch eine Belastung der Batterie erfolgt. Durch eine solche Belastung der Batterie durch Laden und/oder Entladen wird direkt am Innenwiderstand der einzelnen Batteriezellen eine gewisse Verlustleistung in Form von Wärme frei. Die Wärme entsteht also genau dort wo sie benötigt wird. Die Problematik bei diesen Lösungen besteht nun darin, dass die Batterie durch das Laden und Entladen entsprechend belastet wird und es dadurch zu Schwankungen in der Batteriespannung kommt. Wenn die Batterie während des Beheizens bereits in den regulären Betrieb geht, also eine Nutzleistungsentnahme einem Wechselstrom zum Beheizen der Batterie überlagert ist, dann kann dies zu massiven Nachteilen führen, da Batteriemanagement- und Verbrauchersysteme häufig anhand der Batteriespannung geschaltet beziehungsweise gesteuert sind und so vergleichsweise aufwändige Steuerungen für die Phase der Beheizung eingeplant werden müssen.
-
In der Praxis sind bei den hohen Spannungen der Hochvolt-Batterien die Schaltvorgänge typischerweise nur über IGBTs zu erreichen.
-
Dennoch sind in beiden genannten US-Patenten als Halbleiterschaltelemente MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor–Field Effect Transistor) erwähnt. Dabei sind in der
US 6,072,301 A Schaltfrequenzen von 25 kHz angegeben.
-
Um der beschriebenen Problematik der Spannungsschwankungen, welche ein mit der Hochvolt-Batterie verbundenes System ”sieht” entgegenzuwirken, ist es nun ferner aus der
DE 10 2011 032 088 A1 bekannt, dass zwei Batterien oder Batterieabschnitte phasenversetzt und im Wechsel angesteuert werden, sodass auch während einer Beheizung der Batterie eine zumindest annähernd konstante Spannung der Batterie bereitgestellt werden kann, da die Lade- und Entladevorgänge zur Beheizung sich durch das phasenversetzte Ansteuern paarweiser Batterien oder Batterieabschnitte im Gesamtsystem aufhebt.
-
Problematisch ist nun wie bereits erwähnt, die Notwendigkeit bei Hochvolt-Batterien die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) einzusetzen, welche nur entsprechende niedrige Frequenzen im Bereich bis maximal ca. 40 kHz ermöglichen. Dementsprechend müssen die beispielsweise als induktive Zwischenspeicher eingesetzten Drosseln entsprechend groß ausgebildet werden.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Beheizen einer Hochvolt-Batterie anzugeben, welches insbesondere die genannten Nachteile vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens ist im Anspruch 10 angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass als Halbleiterschaltelemente MOS-FETs eingesetzt werden. Die MOS-FETs werden dabei mit einer Frequenz von mehr als 40 kHz betrieben, sodass ein außerordentlich effizientes System entsteht.
-
In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass jedem der Batterieabschnitte ein MOS-FET zugeordnet ist, wobei die Anzahl der Batterieeinzelzellen je Batterieabschnitt so gewählt wird, dass die maximale Spannung des Batterieabschnitts kleiner ist als die Spannungsfestigkeit des MOS-FETs. Durch diese Anordnung eines MOS-FETs je Batterieabschnitt und die Unterteilung der Batterie in so viele Abschnitte, dass jeder der Abschnitte eine maximale Spannung des Batterieabschnitts aufweist, welcher kleiner als die Spannungsfestigkeit des MOS-FETs ist, erlaubt es außerordentlich kostengünstige MOS-FETs einzusetzen, welche mit entsprechend niedrigen Spannungsfestigkeiten realisiert werden. Hierdurch wird der Vorteil des kostengünstigen und schnellen Ansprechens des MOS-FETs aufgrund der Aufteilung der Batterie in mehrere Batterieabschnitte möglich, und die Ansteuerung kann mit einer sehr hohen Frequenz erfolgen, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere mehr als 1 MHz betragen kann.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die kürzeren Schaltzeiten und die Aufteilung der Batterie in eine Vielzahl von Batterieabschnitten sehr viel kleinere Zwischenspeicher benötigt werden, als bei dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vorgesehen sein, dass als Zwischenspeicher Induktivitäten genutzt werden, wobei diese gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die Eigeninduktivitäten der Batterieeinzelzellen sind. Durch diese kleinen Schaltzeiten und die entsprechend hohen Frequenzen sowie die relativ kleine Anzahl von Batterieeinzelzellen in jedem Batterieabschnitt kann bei einer entsprechenden Unterteilung der Batterie in eine Vielzahl von Batterieabschnitten also auf eine explizite Speicherdrossel als Induktivität verzichtet werden, weil bei ausreichend hoher Eigeninduktivität der Batterieeinzelzellen diese für das erfindungsgemäße Verfahren bereits ausreicht.
-
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien als Hochvolt-Batterien ist eine auf Zellebene realisierte elektronische Schaltung ohnehin notwendig, um einen Ladungsausgleich zwischen den Batterieeinzelzellen, das so genannte ”balancing” zu realisieren. Wird nun gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeder der Batterieabschnitte so klein gewählt, dass er jeweils nur eine der Batterieeinzelzellen umfasst, dann kann insbesondere eine Kombination dieser elektronischen Schaltung zum Ladungsausgleich zwischen den Batterieeinzelzellen und der Heizfunktion auf Ebene der Batterieeinzelzelle realisiert werden. Da die maximale Spannungsfestigkeit des MOS-FETs dann nur noch in der Größenordnung der maximalen Spannung jeder der Batterieeinzelzellen liegen muss, können entsprechend einfache und günstige Bauteile eingesetzt werden, sodass trotz der Verwendung einer sehr viel höheren Zahl an Halbleiterschaltelementen als beim Stand der Technik insgesamt ein sehr viel einfacheres, kostengünstigeres und durch die Verwendung der höheren Frequenz sehr viel effizienteres Verfahren möglich wird.
-
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun vor, dass die Beaufschlagung der Batterieabschnitte mit Wechselstrom phasenweise und paarweise versetzt erfolgt, sodass die Hochvolt-Batterie auch während der Beheizung ihrer Batterieeinzelzellen eine zumindest annähernd konstante Spannung bereitstellt. Das im zuletzt genannten Stand der Technik beschriebene Verfahren lässt sich also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinieren, sodass die im Stand der Technik beschriebenen Vorteile zusammen mit den hier beschriebenen Vorteilen zu einem idealen Verfahren zum Beheizen einer Hochvolt-Batterie führen.
-
Das Verfahren zum Beheizen einer Hochvolt-Batterie eignet sich nun insbesondere dann, wenn die Hochvolt-Batterie beispielsweise bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen in Betrieb genommen werden muss und schnellstmöglich ihre maximale Leistungsfähigkeit entfalten soll. Gleichzeitig soll während des Beheizens bereits ein Strom bei einer konstante Spannung von der Batterie geliefert werden. All dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich. Diese Eigenschaften spielen insbesondere bei Traktionsbatterien in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, also Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder Ähnlichem eine entscheidende Rolle. Die besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens zum Beheizen einer Hochvolt-Batterie gemäß der Erfindung liegt deshalb in der Verwendung zum Beheizen einer Traktionsbatterie in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine mögliche Ausführungsform einer zweigeteilten Hochvolt-Batterie zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
-
2 eine mögliche Ausführungsform einer viergeteilten Hochvolt-Batterie zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
-
3 eine mögliche Ausführungsform einer n-geteilten Hochvolt-Batterie zur Nutzung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
-
In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen liegt diesen immer eine Batterie
1 zugrunde, welche gemäß der
DE 10 2010 032 088 A1 so aufgebaut ist, dass sie durch eine zweifache Ausführung der eingesetzten elektronischen Schaltung und durch den Betrieb im Gegentakt Spannungsschwankungen an den äußeren Batteriepolen
3 nahezu kompensieren kann. Die hier als reine Schalter gezeigten Halbleiterschaltelemente
4 sollen dabei immer als MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor–Field Effect Transistor) ausgebildet sein, welche mit hohen Frequenzen von in jedem Fall mehr als 40 kHz insbesondere mit Frequenzen im Bereich von MHz angesteuert werden. Diese Möglichkeit ergibt sich dadurch, dass eine Verteilung der elektronischen Schaltungen auf einzelne Batterieabschnitte, beispielsweise in der Darstellung der
1 zwei Batterieabschnitte
1.1 und
1.2 erfolgt. Hierdurch sinkt der Anspruch an die Spannungsfestigkeit des Halbleiterschaltelements
4, sodass MOS-FETs eingesetzt werden können, welche eine sehr viel kleinere Spannungsfestigkeit aufweisen als beispielsweise IGBTs. Die MOS-FETs bieten dann gegenüber den IGBTs nicht nur einen erheblichen Kostenvorteil, sondern ermöglichen auch die hohen Schaltfrequenzen, welche mit IGBTs so nicht möglich wären.
-
In der Darstellung der 1 ist wie bereits erwähnt eine Batterie 1 zu erkennen, welche in zwei Batterieabschnitte 1.1 und 1.2 aufgeteilt worden ist. Die so zwei-geteilte Batterie benötigt zwei Zwischenspeicher 2, welche in Form von Induktivitäten (L) in der Darstellung der 1 angedeutet sind. Die beiden Induktivitäten L sind dabei als Zwischenspeicher 2 notwendig, um die beschriebene Verschaltung so zu realisieren, dass an den äußeren Batteriepolen 3 der Batterie 1 auch dann, wenn die Batterie 1 entsprechend beheizt wird, eine nahezu unveränderte Spannung anliegt. Ansonsten umfasst jeder der Batterieabschnitte in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Anzahl von vier beispielhaften Batterieeinzelzellen und weist jeweils zwei Halbleiterschaltelemente 4 auf. Hierdurch lässt sich die beschriebene Funktionalität, analog zum Stand der Technik erreichen, wobei durch die relativ geringe Anzahl der Batterieeinzelzellen in jeden der Batterieabschnitte 1.1, 1.2 Halbleiterschaltelemente 4 mit vergleichsweise kleiner Spannungsfestigkeit eingesetzt werden können. Außerdem werden bei dem Aufbau typischerweise kleinere Induktivitäten als Zwischenspeicher 2 benötigt als bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik. Die erforderliche Größe der Induktivität berechnet sich dabei L ≥ n/2·R0·τ mit
- n:
- Anzahl der Batterieeinzelzellen,
- R0:
- Innenwiderstand je Batterieeinzelzelle,
- τ:
- Zeitkonstante.
-
Die rechte Seite der in 1 dargestellten Schaltung arbeitet dabei mit einer Phasenverschiebung von 180° versetzt zu der auf der linken Seite. Durch diese versetzte Ansteuerung werden Belastungen an den äußeren Batteriepolen 3 reduziert, sodass keine oder nur minimale Spannungsschwankungen an den äußeren Batteriepolen 3 auftreten. Die in diesem Aufbau benötigte Spannungsfestigkeit UCE,max des MOS-FET liegt in diesem Fall bei ca. UCE,max ≈ n/2·Ucell,max mit
- CE
- = Kollektor-Emitter.
-
In der Darstellung der 2 ist eine weitere Batterie 1 zu erkennen, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als viergeteilte Batterie ausgebildet ist. Die Batterieabschnitte sind entsprechend mit 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 bezeichnet. Auch hier gilt im Wesentlichen dasselbe, wobei durch eine Verteilung der elektronischen Schaltung auf vier Batterieabschnitte 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 die benötigte Induktivität um 50% kleiner ist als in der Ausführungsform gemäß 1. Es gilt hier analog zur oben beschriebenen Formel die Formel. L ≥ n/4·R0·τ wobei in dieser Ausführungsform die Spannungsfestigkeit, welche für den MOS-FET gefordert werden muss, nur noch halb so groß ist wie bei der zuvor genannten Ausführungsform. Sie berechnet sich nach: UCE,max ≈ n/4·Ucell,max
-
In der Darstellung der 3 ist letztlich eine n-geteilte Batterie 1 dargestellt, bei welcher die Aufteilung so weit durchgeführt ist, dass diese konsequent bis auf die Ebene jeder einzelnen Batterieeinzelzelle realisiert ist. Der Aufbau setzt dabei eine gerade Anzahl an Batterieeinzelzellen auf. Er benötigt je Batterieeinzelzelle ein Halbleiterschaltelement 4 allerdings mit dem Vorteil, dass dieses Halbleiterschaltelement 4 nur noch eine Spannungsfestigkeit in der Höhe der maximalen Zellspannung benötigt. UCE,max ≈ Ucell,max
-
Entsprechend den obigen Überlegungen verringert sich die hierfür notwendige Induktivität L weiter und zwar auf: L ≥ R0·τ
-
In dieser Konfiguration ist gleichzeitig eine gezielte Ladungsverteilung zwischen den einzelnen Batterieeinzelzellen möglich, welche bei einer Asymmetrie der Ladezustände der Batterieeinzelzellen erforderlich sein kann. Diese Funktionalität ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird typischerweise als ”balancing” oder ”cell balancing” bezeichnet. Wie bereits erwähnt funktioniert der Aufbau insbesondere dann, wenn eine gerade Anzahl n von Batterieeinzelzellen vorhanden ist. Da diese gerade Anzahl n von Batterieeinzelzellen dann wieder so aufgeteilt werden muss, dass den Spannungsschwankungen an den Batteriepolen 3 effizient entgegengewirkt werden kann, wäre eine Anzahl n von Batterieeinzelzellen ideal, welche einem ganzzahligen Vielfachen von 4 entspricht. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu geringfügigen Einschränkungen bei der Kompensationsfähigkeit der Spannungsschwankungen an den Batteriepolen 3, da bei einer solchen von einem ganzzahligen Vielfachen der Zahl 4 oder insbesondere auch bei einer ungeraden Zellenanzahl einer der Batterieabschnitte 1.1, 1.2 ... 1.n asymmetrisch ausgeführt werden muss.
-
Die 1 bis 3 zeigen drei mögliche Ausführungsbeispiele einer Batterie 1, wobei eine optimale Konfiguration je nach Anzahl der Batterieeinzelzellen in unterschiedlichen Varianten zu erwarten ist. Die optimale Konfiguration ergibt sich dabei insbesondere aus einer Abwägung der folgenden Aspekte:
- – Aufwand hinsichtlich der Induktivitäten L als Zwischenspeicher und der Größe von parasitären Induktivitäten;
- – Aufwand hinsichtlich der Halbleiter-Schalter (Siliziumfläche) und Ausnutzung der Spannungsfestigkeit, welche beim jeweiligen MOS-FET gegeben ist;
- – Anforderungen an eine Ladungsausgleichsfunktion unter den Batterieeinzelzellen;
- – mechanische Integrationsfähigkeit in die Konstruktion der Batterie 1; und
- – Synchronisierung.
-
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
-
- US 6882061 B1 [0007]
- US 6072301 A [0007, 0009]
- DE 102011032088 A1 [0010]
- DE 102010032088 A1 [0025]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
