DE102015011179A1 - Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching - Google Patents

Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching Download PDF

Info

Publication number
DE102015011179A1
DE102015011179A1 DE102015011179.5A DE102015011179A DE102015011179A1 DE 102015011179 A1 DE102015011179 A1 DE 102015011179A1 DE 102015011179 A DE102015011179 A DE 102015011179A DE 102015011179 A1 DE102015011179 A1 DE 102015011179A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
cell
heating
inductance
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015011179.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Hannes Walz
Marcus Zacher
Steffen Zawierucha
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102015011179.5A priority Critical patent/DE102015011179A1/en
Publication of DE102015011179A1 publication Critical patent/DE102015011179A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/637—Control systems characterised by the use of reversible temperature-sensitive devices, e.g. NTC, PTC or bimetal devices; characterised by control of the internal current flowing through the cells, e.g. by switching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4264—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing with capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Um die Impedanzheizung effizienter zu gestalten, wird eine Schaltungsanordnung zum Beheizen einer Batterie mit der Batterie, die einen ersten Batterieanschluss (5), einen zweiten Batterieanschluss (6) und schaltbare Zelleinrichtungen (Zelle 1 ... Zelle n) aufweist, vorgeschlagen. Die Schaltungsanordnung besitzt eine Kapazität (CZusatz), die zwischen den ersten und zweiten Batterieanschluss (5, 6) geschaltet und in die Batterie integriert ist. Außerdem ist in eine Induktivität (L) zwischen dem ersten Batterieanschluss (5) und einem ersten Ausgangsanschluss (7) zum Anschluss eines Verbrauchers geschaltet. Der zweite Batterieanschluss ist mit einem zweiten Ausgangsanschluss (8) zum Anschluss des Verbrauchers gekoppelt.In order to make the impedance heating more efficient, a circuit arrangement for heating a battery with the battery having a first battery terminal (5), a second battery terminal (6) and switchable cell devices (cell 1 ... cell n) is proposed. The circuit has a capacitance (CZuse) connected between the first and second battery terminals (5, 6) and integrated into the battery. In addition, an inductor (L) is connected between the first battery terminal (5) and a first output terminal (7) for connecting a load. The second battery terminal is coupled to a second output terminal (8) for connection of the load.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Beheizen einer Batterie mit der Batterie, die einen ersten Batterieanschluss, einen zweiten Batterieanschluss und schaltbare Zelleinrichtungen aufweist, sowie eine Kapazität, die zwischen den ersten und zweiten Batterieanschluss geschaltet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Beheizen einer Batterie mittels Erzeugen eines Wechselstroms durch Schalten von Zelleinrichtungen der Batterie sowie Speichern von Energie aus dem Wechselstrom in einer Kapazität.The invention relates to a circuit arrangement for heating a battery with the battery, which has a first battery connection, a second battery connection and switchable cell devices, and a capacitor which is connected between the first and second battery connection. Moreover, the present invention relates to a corresponding method for heating a battery by generating an alternating current by switching cell devices of the battery and storing energy from the alternating current in a capacitor.

Da Batterien, wie beispielsweise Hochvoltbatterien mit Lithium-Ionen-Zellen für Kraftfahrzeuge, bei niedrigen Temperaturen eine verringerte Leistungsabgabe aufweisen, gibt es verschiedene Methoden und Systeme, um die Batterie zu beheizen. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik Impedanzheizungssysteme bekannt, die einen Wechselstrom in die Batteriezellen einprägen, dessen Frequenz so abgestimmt ist, dass der Strom im Wesentlichen nur die physikalischen Kapazitäten umlädt und keinerlei chemische Umladung verursacht. Dieser Strom erzeugt in den zellinternen ohmschen Widerständen Verlustwärme, die eine Zelle auf ein gewünschtes Wärmeniveau bringen kann. Der Vorteil dieser Methode ist, dass der Strom nicht auf chemischen Reaktionen basiert und somit keinen Einfluss auf die Alterung hat. Die Zellen werden somit ohne signifikanten Alterungseinfluss aus eigener Kraft geheizt, wobei die elektrische Leistung zum größten Teil direkt am Zielort in Wärme umgesetzt wird. Konzepte, die zum Beispiel über Heizspulen einen Wasserkreislauf heizen, erfordern wesentlich aufwendigere Geräte mit mehr Verlusten.Since batteries, such as lithium ion cell high voltage batteries for automobiles, have reduced power output at low temperatures, there are various methods and systems for heating the battery. For example, from the prior art impedance heating systems are known which impress an alternating current in the battery cells, whose frequency is tuned so that the current substantially only recharges the physical capacity and does not cause any chemical transhipment. This current generates loss heat in the cell-internal ohmic resistances, which can bring a cell to a desired heat level. The advantage of this method is that the current is not based on chemical reactions and thus has no influence on the aging. The cells are thus heated without significant aging influence from their own power, with the electrical power is largely converted directly into heat at the destination. Concepts that heat a water cycle, for example via heating coils, require considerably more expensive devices with more losses.

Das Funktionsprinzip einer Impedanzheizung für eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriezellen basiert beispielsweise auf einem induktiven Energiespeicher. Zwei Schalter schalten wechselseitig den Stromfluss durch jeweils eine von zwei Halbbatterien, so dass der Strom in der Spule einen Wechselstrom bildet.The operating principle of an impedance heater for a battery having a plurality of battery cells is based, for example, on an inductive energy store. Two switches alternately switch the current flow through one of two half-batteries, so that the current in the coil forms an alternating current.

Eine konkrete Realisierung ist aus der Druckschrift EP 2 413 455 A1 bekannt. Dabei wird ein kapazitiver Energiespeicher verwendet und in Reihe zu einer jeweiligen Halbbatterie wird ein induktiver Energiespeicher eingesetzt. Auch hierbei kann durch alternierendes Schalten der beiden Schalter ein Wechselstrom erzeugt werden, durch den die Batterie beheizt werden kann.A concrete realization is from the publication EP 2 413 455 A1 known. In this case, a capacitive energy storage is used and in series with a respective half-battery, an inductive energy storage is used. Here, too, an alternating current can be generated by alternately switching the two switches, through which the battery can be heated.

Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 2014 012 068 A1 ein gattungsgemäßes Verfahren zum Beheizen einer Batterie. Dieses Verfahren findet Anwendung bei einer Batterie einer Schaltungsanordnung, die eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen und einer Mehrzahl an steuerbaren Schaltern aufweist. Dabei ist den Batteriezellen jeweils mindestens einer der steuerbaren Schalter derart zugeordnet, dass mittels des jeweiligen Schalters die zugeordnete Batteriezelle aus der Reihenschaltung auskoppelbar ist. Dabei weist die Reihenschaltung weiterhin einen Eingang und einen Ausgang auf, wobei zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Batteriespannung abgreifbar ist. Der Eingang und der Ausgang der Reihenschaltung wird über einen kapazitiven Speicher gekoppelt und einer der steuerbaren Schalter wird derart angesteuert, dass zwischen der Reihenschaltung und dem kapazitiven Speicher ein Strom fließt.Furthermore, the document discloses DE 2014 012 068 A1 a generic method for heating a battery. This method finds application in a battery of a circuit arrangement comprising a series connection of a plurality of battery cells and a plurality of controllable switches. In each case, at least one of the controllable switches is assigned to the battery cells such that the associated battery cell can be coupled out of the series connection by means of the respective switch. In this case, the series circuit further comprises an input and an output, wherein between the input and the output of a battery voltage can be tapped. The input and the output of the series circuit is coupled via a capacitive memory and one of the controllable switches is controlled such that a current flows between the series circuit and the capacitive memory.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst effiziente Impedanzheizung gegebenenfalls auch bei geöffneten Schützen realisieren zu können.The object of the present invention is to be able to realize as efficient an impedance heater as possible, even with open contactors.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren nach Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a circuit arrangement according to claim 1. In addition, the invention provides a method according to claim 6. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

In vorteilhafter Weise wird also eine Schaltungsanordnung zum Beheizen einer Batterie bereitgestellt, die einen ersten Batterieanschluss und einen zweiten Batterieanschluss sowie schaltbare Zelleinrichtungen aufweist. Bei den Batterieanschlüssen handelt es sich typischerweise um die Batteriepole, zwischen denen schaltbare Zelleinrichtungen in der Regel in Reihe geschaltet sind. Die schaltbaren Zelleinrichtungen werden in der Regel von einer Steuereinrichtung je nach Bedarf zugeschaltet oder abgeschaltet. Eine Kapazität befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Batterieanschluss. Diese Kapazität ist in die Batterie integriert. Außerdem ist eine Induktivität zwischen dem ersten Batterieanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss zum Anschließen eines Verbrauchers geschaltet. Der zweite Batterieanschluss ist mit einem zweiten Ausgangsanschluss zum Anschließen des Verbrauchers gekoppelt. Dadurch, dass die Kapazität und die Induktivität in die Batterie integriert sind, können etwaige Verluste in diesen Bauteilen unmittelbar zum Heizen der Batterie verwendet werden.Advantageously, therefore, a circuit arrangement for heating a battery is provided which has a first battery connection and a second battery connection as well as switchable cell devices. The battery terminals are typically the battery poles between which switchable cell devices are typically connected in series. The switchable cell devices are usually switched on or off as required by a control device. A capacitor is located between the first and second battery terminals. This capacity is integrated in the battery. In addition, an inductance is connected between the first battery terminal and a first output terminal for connecting a load. The second battery terminal is coupled to a second output terminal for connecting the load. The fact that the capacitance and the inductance are integrated into the battery, any losses in these components can be used directly for heating the battery.

Ein erster Schalter kann in Reihe mit der Kapazität geschaltet sein. Dies bedeutet, dass die Kapazität beispielsweise für den Heizvorgang parallel zu der Batterie beziehungsweise parallel zu den Batteriezelleinrichtungen geschaltet werden kann. Im Nichtheizbetrieb kann die Kapazität von den Batteriezellen entkoppelt werden.A first switch may be connected in series with the capacitance. This means that the capacity can be switched, for example, for the heating process parallel to the battery or parallel to the battery cell devices. In non-heating operation, the capacity of the battery cells can be decoupled.

Vorteilhafterweise ist ein zweiter Schalter als Wechselschalter ausgebildet und schaltet in einer ersten Schaltstellung die Induktivität zwischen den ersten Batterieanschluss und den ersten Ausgangsanschluss und koppelt in einer zweiten Schaltstellung den ersten Batterieanschluss direkt mit dem ersten Ausgangsanschluss. Auf diese Weise kann die Induktivität, die in Reihe mit einem etwaigen Verbraucher liegt, aus dem Leistungspfad mittels eines Schalters ausgekoppelt werden. Im Nichtheizbetrieb wird dies der Fall sein, so dass in der Induktivität dann keine elektrischen Verluste entstehen. Advantageously, a second switch is designed as a changeover switch and switches in a first switching position, the inductance between the first battery terminal and the first output terminal and coupled in a second switching position the first battery terminal directly to the first output terminal. In this way, the inductance, which is in series with any consumer, can be coupled out of the power path by means of a switch. In non-heating this will be the case, so that then no electrical losses in the inductance.

Bei der Schaltungsanordnung kann ein gemeinsames Gehäuse um die Batterie, die Induktivität und die Kapazität gebildet sein. Auf diese Weise fließt der für die Heizung erzeugte Wechselstrom ausschließlich oder jedenfalls größtenteils innerhalb des Gehäuses beziehungsweise Batteriegehäuses. Damit kann die Impedanzheizung auch ohne andere Verbraucher, wie etwa das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, betrieben werden. Insbesondere kann die Impedanzheizung auch bei geöffneten Schützen genutzt werden.In the circuit arrangement, a common housing may be formed around the battery, the inductance and the capacitance. In this way, the alternating current generated for the heating flows exclusively or at least largely within the housing or battery case. Thus, the impedance heating without other consumers, such as the electrical system of a motor vehicle, operated. In particular, the impedance heating can also be used with open contactors.

Die Batterie besitzt vorzugsweise eine Reihenschaltung von Zelleinrichtungen, wobei jede Zelleinrichtung ein Batteriezellelement in Reihe mit einem ersten Schaltelement und parallel zu dieser Reihe ein zweites Schaltelement aufweist. Mit diesen Schaltelementen lassen sich die jeweiligen Zellelemente in den Zellstrang schalten oder das jeweilige Zellelement überbrücken.The battery preferably has a series connection of cell devices, each cell device having a battery cell element in series with a first switching element and a second switching element parallel to this row. With these switching elements, the respective cell elements can be switched into the cell string or bridge the respective cell element.

Die obige Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Beheizen einer Batterie gelöst. Hierbei wird ein Wechselstrom durch Schalten von Zelleinrichtungen der Batterie erzeugt. In einer Kapazität wird die Energie von dem Wechselstrom gespeichert. Die Kapazität ist innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses der Batterie angeordnet, so dass ihre Verlustwärme innerhalb des Gehäuses zum Heizen genutzt werden kann. Eine Induktivität filtert den Wechselstrom, so dass er im Wesentlichen das Gehäuse nicht verlässt und jedenfalls größtenteils im Gehäuse genutzt werden kann.The above object is also achieved by a method for heating a battery. In this case, an alternating current is generated by switching cell devices of the battery. In a capacity, the energy is stored by the alternating current. The capacitance is arranged within a common housing of the battery, so that its heat loss within the housing can be used for heating. An inductor filters the alternating current so that it does not substantially leave the housing and, in any case, can be largely used in the housing.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:

1 ein Prinzipbild einer Einzelzellschaltung; und 1 a schematic diagram of a single cell circuit; and

2 eine Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Impedanzheizung mit zusätzlicher Kapazität und Filter. 2 a circuit arrangement for an inventive impedance heating with additional capacity and filter.

Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen verwendet werden können.The embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the present invention. It should be noted that the individual features can be used not only in the described combinations, but also in isolation or in other technically meaningful combinations.

Eine Batterie und insbesondere eine Hochvoltbatterie für Kraftfahrzeuge besitzt in der Regel eine Vielzahl von Einzelzellen beziehungsweise Zellelementen. Das Konzept einer Impedanzheizung bei Einzelzellschaltung kann auf der Möglichkeit basieren, alle Zellen beziehungsweise Zellelemente der Batterie über Schaltelemente, insbesondere Leistungshalbleiter (MOSFETs) zu schalten. Jedem Zellelement 1 ist gemäß 1 dabei beispielsweise ein erstes Schaltelement 2 und ein zweites Schaltelement 3 zugeordnet. Bei beiden Schaltelementen kann es sich, wie erwähnt, um Leistungshalbleiter handeln.A battery and in particular a high-voltage battery for motor vehicles usually has a plurality of individual cells or cell elements. The concept of impedance heating in single cell switching can be based on the possibility of switching all cells or cell elements of the battery via switching elements, in particular power semiconductors (MOSFETs). Each cell element 1 is according to 1 while, for example, a first switching element 2 and a second switching element 3 assigned. As mentioned, both switching elements may be power semiconductors.

Das erste Schaltelement 2 ist beispielsweise mit seiner Drain-Source-Strecke in Reihe mit dem Zellelement 1 geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung aus dem ersten Schaltelement 2 und dem Zellelement 1 befindet sich ein Überbrückungspfad, in dem die Drain-Source-Strecke des zweiten Schaltelements 3 angeordnet ist. Gesteuert werden die beiden Schaltelemente 2 und 3 durch einen Prozessor beziehungsweise Mikrocontroller 4. Dieser nutzt für seine Steueraufgaben eine konkrete Spannungsdifferenz an dem Zellelement 1, die sich aus der Differenz der beiden Potenziale U1 und U2 ergibt. Diese in 1 dargestellte Zelleinrichtung ermöglicht es, das Zellelement 1 entweder in den Strompfad oder in einen Bypass zu schalten.The first switching element 2 is, for example, in series with the cell element with its drain-source path 1 connected. Parallel to this series connection of the first switching element 2 and the cell element 1 there is a bypass path in which the drain-source path of the second switching element 3 is arranged. The two switching elements are controlled 2 and 3 by a processor or microcontroller 4 , This uses a concrete voltage difference on the cell element for its control tasks 1 , which results from the difference between the two potentials U 1 and U 2 . This in 1 shown cell device allows the cell element 1 either to switch into the current path or into a bypass.

Werden nun einige Zellen hintereinander in den Strompfad hinein- und herausgeschaltet, können sinusähnliche Wechselspannungen erzeugt werden. Bei jedem Schaltvorgang ergeben sich jedenfalls Spektralanteile eines Wechselstroms beziehungsweise einer Wechselspannung.If now several cells in succession in the current path in and out, sinusoidal AC voltages can be generated. In any case, each switching operation results in spectral components of an alternating current or an alternating voltage.

Bei bekannten Anwendungen einer Impedanzheizung wird häufig eine Zwischenkreiskapazität genutzt. Jedes Fahrzeug besitzt nämlich üblicherweise eine Zwischenkreiskapazität, welche aus der Leistungselektronik, dem Kältemittelverdichter, dem Onboard-Ladegerät, dem PTC-Heizer und weiteren Komponenten bestehen kann.In known applications of impedance heating, a DC link capacity is often used. Each vehicle usually has a DC link capacity, which may consist of the power electronics, the refrigerant compressor, the onboard charger, the PTC heater and other components.

Durch die erzeugten Wechselströme wird die Zwischenkreiskapazität ge- und entladen. Die daraus resultierenden Ströme erzeugen, abhängig von der Frequenz, an den Innenwiderständen der Zellen eine Verlustleistung, welche die Zelle erwärmt.Due to the generated alternating currents, the DC link capacitance is charged and discharged. The resulting currents produce, depending on the frequency, a power dissipation at the internal resistances of the cells which heats the cell.

In 2 ist eine Schaltungsanordnung schematisch wiedergegeben, die für eine erfindungsgemäße Impedanzheizung verwendet werden kann. Die Batterie besitzt hier eine Reihenschaltung von n-Zellen beziehungsweise Zelleinrichtungen. Jede dieser Zellen besitzt den in 1 dargestellten Aufbau. Die Zellen sind in Reihe geschaltet, und die Reihenschaltung befindet sich zwischen einem ersten Batterieanschluss 5 und einem zweiten Batterieanschluss 6. Parallel zu der Reihenschaltung der Zellen ist zwischen den ersten Batterieanschluss 5 und den zweiten Batterieanschluss 6 eine Reihenschaltung aus einem ersten Schalter S1 und einer Zusatzkapazität CZusatz geschaltet. Bei Bedarf kann damit die Zusatzkapazität CZusatz durch Schließen des Schalters S1 parallel zu der Reihenschaltung der Batteriezellen geschaltet werden.In 2 a circuit arrangement is shown schematically, which can be used for an impedance heating according to the invention. The battery here has a series circuit of n- Cells or cell devices. Each of these cells has the in 1 shown construction. The cells are connected in series and the series connection is between a first battery terminal 5 and a second battery terminal 6 , Parallel to the series connection of the cells is between the first battery connection 5 and the second battery connector 6 a series circuit of a first switch S1 and an additional capacitance C additional connected. If required, it is thus possible to switch the additional capacitance C addition by closing the switch S1 in parallel with the series connection of the battery cells.

Darüber hinaus ist an den ersten Batterieanschluss 5 ein zweiter Schalter S2 angeschlossen, der als Wechselschalter ausgebildet ist. Er stellt zwei Strompfade zur Auswahl, von denen einer kein Bauelement enthält und der zweite eine Induktivität L. Die beiden Strompfade vereinen sich in einem Knoten, der als erster Ausgangsanschluss 7 bezeichnet werden kann. In einer ersten Schaltstellung des Schalters S2 befindet sich die Spule beziehungsweise Induktivität L zwischen dem ersten Batterieanschluss 5 und dem ersten Ausgangsanschluss 7 und in einer zweiten Schaltstellung ist der erste Batterieanschluss 5 mit dem ersten Ausgangsanschluss 7 direkt gekoppelt.In addition, to the first battery connection 5 a second switch S2 connected, which is designed as a changeover switch. It selects two current paths, one of which contains no component and the second one an inductance L. The two current paths are combined in a node, which is the first output terminal 7 can be designated. In a first switching position of the switch S2, the coil or inductance L is located between the first battery terminal 5 and the first output terminal 7 and in a second switching position is the first battery terminal 5 with the first output terminal 7 directly coupled.

Die Schaltungsanordnung einschließlich der Batterie besitzt einen zweiten Ausgangsanschluss 8. Dieser ist unmittelbar mit dem zweiten Batterieanschluss 6 gekoppelt. Die Schaltungsanordnung einschließlich der Batterie beziehungsweise den Batteriezellen, der Zusatzkapazität CZusatz, der Induktivität L und der Schalter S1 und S2 befindet sich innerhalb eines Batteriegehäuses 9 oder jedenfalls unmittelbar an dem Batteriegehäuse 9.The circuit arrangement including the battery has a second output terminal 8th , This is directly connected to the second battery connection 6 coupled. The circuit arrangement including the battery or the battery cells, the additional capacitance C addition , the inductance L and the switches S1 and S2 is located within a battery housing 9 or at least directly to the battery case 9 ,

Die Batterie beziehungsweise das Batteriegehäuse 9 ist zum Beispiel mit einem Fahrzeug 10 gekoppelt. Insbesondere sind die Ausgangsanschlüsse 7 und 8 der Schaltungsanordnung der Batterie mit einem Zwischenkreis 11 des Fahrzeugs 10 beziehungsweise des Bordnetzes gekoppelt. Der Zwischenkreis 11 besitzt eine Zwischenkreiskapazität CZK.The battery or the battery case 9 is for example with a vehicle 10 coupled. In particular, the output terminals 7 and 8th the circuit arrangement of the battery with a DC link 11 of the vehicle 10 or the electrical system coupled. The DC link 11 has a DC link capacitance C ZK .

Im Folgenden wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung zum Beheizen der Batterie näher erläutert. Im Normalbetrieb der Batterie, d. h. ohne Impedanzheizung ist der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 befindet sich in der zweiten Schaltstellung, in der die Induktivität L abgekoppelt ist. Es entstehen durch die zusätzlichen Komponenten CZusatz und L keine Verluste.In the following, the operation of the circuit arrangement for heating the battery will be explained in more detail. During normal operation of the battery, ie without impedance heating, the first switch S1 is open and the second switch S2 is in the second switching position, in which the inductance L is decoupled. It caused by the additional components C addition and L no losses.

Für die Impedanzheizung wird der erste Schalter S1 geschlossen und mittels des zweiten Schalters S2 wird die Induktivität L in den Strompfad eingekoppelt. Bei den beiden Schaltern S1 und S2 kann es sich ebenfalls um Leistungshalbleiter handeln.For the impedance heating of the first switch S1 is closed and by means of the second switch S2, the inductance L is coupled into the current path. The two switches S1 and S2 may likewise be power semiconductors.

Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente jeder Zelle beziehungsweise Zelleinrichtung der Batterie entstehen Wechselstromkomponenten, die durch den Tiefpass, bestehend aus der Zusatzkapazität CZusatz und der Induktivität L zurückgehalten werden. Nur tieffrequente Anteile, insbesondere Gleichstrom erreicht den Zwischenkreis 11 des Fahrzeugs 10.By appropriate control of the switching elements of each cell or cell device of the battery arise AC components that are retained by the low-pass filter, consisting of the additional capacitance C addition and the inductance L. Only low-frequency components, in particular direct current, reaches the DC link 11 of the vehicle 10 ,

Im Rahmen der Impedanzheizung findet also nur eine Belastung der Zusatzkapazität CZusatz statt. Die Induktivität L filtert die störenden Anteile heraus, welche den Zwischenkreis beziehungsweise die Zwischenkreiskapazität CZK belasten würden.In the context of impedance heating so only a burden of additional capacity C additive takes place. The inductance L filters out the disturbing components which would load the intermediate circuit or the DC link capacitance C ZK .

Somit ist es möglich, eine Impedanzheizung auch bei geöffneten Schützen, die in 2 an der Schnittstelle zwischen Batterie und Fahrzeug nicht eingezeichnet sind, zu betreiben. Die Energie für die Impedanzheizung wird in der zusätzlichen Kapazität CZusatz gespeichert. Durch diese Betriebsweise fallen somit sämtliche Verluste innerhalb der Batterie beziehungsweise des Batteriegehäuses 9 an. Dadurch ergibt sich ein beschleunigter Erwärmungsvorgang für die Batterie beziehungsweise die Batteriezellen.Thus, it is possible to have an impedance heating even with open contactors in 2 at the interface between battery and vehicle are not shown operate. The energy for the impedance heating is stored in the additional capacity C additive . By this mode of operation thus all losses within the battery or the battery case fall 9 at. This results in an accelerated heating process for the battery or the battery cells.

Die Dimensionierung der Induktivität L und der Zusatzkapazität CZusatz sollte abhängig von der Anzahl der Zellen, der verwendeten Frequenzen, der Bauteilparameter aller Bauteile der Batterie und des Zwischenkreises erfolgen. Zusätzlich relevant sind die Zelleigenschaften (Innenwiderstand Ri, Zelltemperatur T, SOC, SOH), die verwendeten Schaltfrequenzen und die auftretenden Ströme.The dimensioning of the inductance L and the additional capacitance C addition should be dependent on the number of cells, the frequencies used, the component parameters of all components of the battery and the DC link. Additionally relevant are the cell characteristics (internal resistance R i , cell temperature T, SOC, SOH), the switching frequencies used and the occurring currents.

Die Zusatzkapazität CZusatz muss außerdem den maximal auftretenden Spannungen und Strömen standhalten. Außerdem sollte sie eine ausreichende Größe aufweisen, um einen Impedanzheizungsbetrieb zu ermöglichen.The additional capacity C additive must also withstand the maximum occurring voltages and currents. In addition, it should be of sufficient size to allow for impedance heating operation.

Durch die Verlustleistung, welche an der Zusatzkapazität CZusatz anfällt, wird die Batterie zusätzlich erwärmt, da diese vorzugsweise innerhalb des Batteriegehäuses angebracht wird.Due to the power loss, which is due to the additional capacity C additive , the battery is additionally heated, since it is preferably mounted within the battery case.

Aufgrund der Energiespeicherung für die Impedanzheizung innerhalb der Batterie können außerdem in vorteilhafter Weise Störeinflüsse auf den Zwischenkreis des Fahrzeugs vermieden werden.Due to the energy storage for the impedance heating within the battery also disturbing influences on the DC bus of the vehicle can be avoided in an advantageous manner.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Zellelementcell element
22
Schaltelementswitching element
33
Schaltelementswitching element
44
Überbrückungspfad/MikBypass path / Mik
55
Batterieanschlussbattery terminal
66
Batterieanschlussbattery terminal
77
Ausgangsanschlussoutput port
88th
Ausgangsanschlussoutput port
99
Batteriegehäusebattery case
1010
Fahrzeugvehicle
1111
ZwischenkreisDC
CZusatz C addition
Zusatzkapazitätadditional capacity
CZK C ZK
ZwischenkreiskapazitätDC link capacity
LL
Induktivitätinductance
Ri R i
Innenwiderstandinternal resistance
S1S1
Schalterswitch
S2S2
Schalterswitch
TT
Zelltemperaturcell temperature
U1 U 1
Potenzialpotential
U2 U 2
Potenzialpotential

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2413455 A1 [0004] EP 2413455 A1 [0004]
  • DE 2014012068 A1 [0005] DE 2014012068 A1 [0005]

Claims (6)

Schaltungsanordnung zum Beheizen einer Batterie mit – der Batterie, die einen ersten Batterieanschluss (5), einen zweiten Batterieanschluss (6) und schaltbare Zelleinrichtungen (Zelle 1, ..., Zelle n) aufweist, sowie – einer Kapazität, (CZusatz) die zwischen den ersten und zweiten Batterieanschluss geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kapazität (CZusatz) in die Batterie integriert ist, – eine Induktivität (L) zwischen den ersten Batterieanschluss (5) und einen ersten Ausgangsanschluss (7) zum Anschließen eines Verbrauchers (11) geschaltet ist und – der zweite Batterieanschluss (6) mit einem zweiten Ausgangsanschluss (8) zum Anschließen des Verbrauchers (11) gekoppelt ist.Circuit for heating a battery with - the battery having a first battery connection ( 5 ), a second battery connection ( 6 ) and switchable cell devices (cell 1, ..., cell n), and - a capacitor (C additive ) connected between the first and second battery terminals, characterized in that - the capacity (C additive ) in the battery integrated - an inductance (L) between the first battery connection ( 5 ) and a first output terminal ( 7 ) for connecting a consumer ( 11 ) and - the second battery connection ( 6 ) with a second output terminal ( 8th ) for connecting the consumer ( 11 ) is coupled. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schalter (S1) in Reihe mit der Kapazität (CZusatz) geschaltet ist.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that a first switch (S1) is connected in series with the capacitor (C supplement ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schalter (S2) als Wechselschalter ausgebildet ist und in einer ersten Schaltstellung die Induktivität (L) zwischen den ersten Batterieanschluss (5) und den ersten Ausgangsanschluss (7) schaltet sowie in einer zweiten Schaltstellung den ersten Batterieanschluss (5) direkt mit dem ersten Ausgangsanschluss (7) koppelt.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a second switch (S2) is designed as a changeover switch and in a first switching position, the inductance (L) between the first battery terminal ( 5 ) and the first output terminal ( 7 ) and in a second switching position the first battery connection ( 5 ) directly to the first output terminal ( 7 ) couples. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Gehäuse (9) um die Batterie, die Induktivität (L) und die Kapazität (CZusatz) gebildet ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a common housing ( 9 ) around the battery, the inductance (L) and the capacitance (C addition ) is formed. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Reihenschaltung der Zelleinrichtungen (Zelle 1, ..., Zelle n) aufweist, wobei jede Zelleinrichtung ein Batteriezellelement (1) in Reihe mit einem ersten Schaltelement (2) und parallel zu dieser Reihe ein zweites Schaltelement (3) aufweist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the battery comprises a series circuit of the cell devices (cell 1, ..., cell n), each cell device comprising a battery cell element ( 1 ) in series with a first switching element ( 2 ) and parallel to this row a second switching element ( 3 ) having. Verfahren zum Beheizen einer Batterie durch – Erzeugen eines Wechselstroms durch Schalten von Zelleinrichtungen (Zelle 1, ..., Zelle n) der Batterie, sowie – Speichern von Energie aus dem Wechselstrom in einer Kapazität (CZusatz), dadurch gekennzeichnet, dass – die Kapazität (CZusatz) innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (9) der Batterie angeordnet ist, – eine Induktivität (L) den Wechselstrom filtert.Method for heating a battery by - generating an alternating current by switching cell devices (cell 1, ..., cell n) of the battery, and - storing energy from the alternating current in a capacitor (C supplement ), characterized in that - Capacity (C additive ) within a common housing ( 9 ) of the battery is arranged, - an inductance (L) filters the alternating current.
DE102015011179.5A 2015-08-27 2015-08-27 Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching Withdrawn DE102015011179A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015011179.5A DE102015011179A1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015011179.5A DE102015011179A1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015011179A1 true DE102015011179A1 (en) 2016-03-03

Family

ID=55312244

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015011179.5A Withdrawn DE102015011179A1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015011179A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2413455A1 (en) 2010-07-30 2012-02-01 Byd Company Limited Battery heating circuit
DE102014012068A1 (en) 2014-08-13 2015-03-12 Daimler Ag A method of heating a battery and circuitry for heating a battery

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2413455A1 (en) 2010-07-30 2012-02-01 Byd Company Limited Battery heating circuit
DE102014012068A1 (en) 2014-08-13 2015-03-12 Daimler Ag A method of heating a battery and circuitry for heating a battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009002468A1 (en) Determining the internal resistance of a battery cell of a traction battery when using inductive cell balancing
DE102016223470A1 (en) Charging circuit and charging method for an electrical energy storage system
DE102009002465A1 (en) Determining the internal resistance of a battery cell of a traction battery when using resistive cell balancing
EP3334022B1 (en) Converter for a motor vehicle and motor vehicle
EP2985189B1 (en) Electrical power network for a vehicle, in particular an industrial vehicle
DE102018008603A1 (en) Circuit arrangement and method for charging a battery arrangement with a plurality of battery modules
DE102011089606A1 (en) Method for operating an electrical circuit
DE102016212557A1 (en) Battery system for supplying a voltage network with electrical energy
DE102019212475A1 (en) Battery system for a motor vehicle, method for operating a battery system and motor vehicle
DE102015015007A1 (en) Battery device for a motor vehicle
DE102014012068A1 (en) A method of heating a battery and circuitry for heating a battery
DE102014006746A1 (en) battery system
DE102011079365A1 (en) Method for charging a battery and battery for carrying out the method
EP3257145A1 (en) Dc/dc converter with a flying capacitor
DE102018007919A1 (en) Modular energy storage with parallel sounded battery strings
DE102015011179A1 (en) Additional capacity with filter function of an impedance heating with single cell switching
DE102018206058A1 (en) Motor vehicle and method for operating a motor vehicle
EP2391900B1 (en) Method of determining a characteristic status parameter of a battery
DE102016007935A1 (en) Circuit arrangement and method for voltage compensation between a first and a second cell string of a battery
DE102020004578A1 (en) Voltage converter and method for charging an electrical energy storage device of an electrically operated vehicle
DE102012203073A1 (en) Device for discharging intermediate circuit capacitor at high volt supply to supply electrical power to e.g. battery, has control unit for opening and closing switch while capacitor pole terminal is decoupled from load terminals
DE102020109426A1 (en) Charging device for charging an electrical energy store of an electrically operated vehicle with a DC voltage converter
DE102015011284A1 (en) Circuit arrangement for a motor vehicle
DE102014019500A1 (en) Method for controlling an electric battery, battery and battery control device
DE102018009485A1 (en) Vehicle battery and DC electrical system of a motor vehicle with a vehicle battery

Legal Events

Date Code Title Description
R230 Request for early publication
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee