DE102015012526A1 - Verfahren zum Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung sowie Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung, wobei die Batterie eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) aufweist und jeder Batteriezelle (12) jeweils ein steuerbarer Schalter (14, 16) der Schaltungsanordnung zum Einkoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) in die Reihenschaltung und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) aus der Reihenschaltung zugeordnet ist, und wobei der Batterie ein aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen (12) resultierender, in der Schaltungsanordnung fließender Strom zum Erwärmen der Batterie bereitgestellt wird, wobei in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße (ZG) der Schaltungsanordnung ein Wert zumindest eines, den resultierenden Strom und eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie beeinflussenden Parameters (P) der Schaltungsanordnung bestimmt wird, bei welchem die Erwärmungsgeschwindigkeit (Emax) der Batterie maximal ist, und der zumindest eine Parameter (P) auf den ermittelten Wert eingestellt wird, sodass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit (Emax) erwärmt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung, wobei die Batterie eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen aufweist und jeder Batteriezelle jeweils zumindest ein steuerbarer Schalter der Schaltungsanordnung zum Einkoppeln der jeweiligen Batteriezelle in die Reihenschaltung und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle aus der Reihenschaltung zugeordnet ist, und wobei der Batterie ein aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen resultierender, in der Schaltungsanordnung fließender Strom zum Erwärmen der Batterie bereitgestellt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung.
• Da Batterien, welche beispielsweise in Kraftfahrzeugen vorgesehen sein können, bei niedrigen Temperaturen sehr alterungsempfindlich sind, richtet sich das Interesse vorliegend auf ein Verfahren zum Heizen beziehungsweise Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung, wie es beispielsweise in der DE 10 2014 012 068 A1 beschrieben ist. Dort ist eine Batterie einer Schaltungsanordnung gezeigt, die eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen aufweist. Dabei ist den Batteriezellen jeweils mindestens ein steuerbarer Schalter derart zugeordnet, dass mittels des mindestens einen jeweiligen Schalters die zugeordnete Batteriezelle aus der Reihenschaltung auskoppelbar ist. Außerdem weist die Reihenschaltung einen Eingang und einen Ausgang auf, welche über einen kapazitiven Speicher gekoppelt sind. Zumindest einer der steuerbaren Schalter wird derart angesteuert, dass zwischen der Reihenschaltung und dem kapazitiven Speicher ein Strom fließt, welcher die Batterie aufheizt. Diese Form des Heizens wird auch als Impedanzheizung bezeichnet, da der zugeführte Strom an Innenwiderständen der Batteriezellen eine Verlustwärme erzeugt.
• Nachteilig an dem Heizverfahren gemäß dem Stand der Technik ist es, dass die dort beschriebene Impedanzheizung lediglich ausgeschaltet oder eingeschaltet werden kann. Eine genaue, bedarfsgerechte und effiziente Regelung ist gemäß dem Stand der Technik nicht möglich.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Batterie besonders effizient, genau und bedarfsgerechte erwärmt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung. Die Batterie weist eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen auf, wobei jeder Batteriezelle jeweils zumindest ein steuerbarer Schalter der Schaltungsanordnung zum Einkoppeln der jeweiligen Batteriezelle in die Reihenschaltung und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle aus der Reihenschaltung zugeordnet ist. Bei dem Verfahren wird der Batterie ein aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen resultierender, in der Schaltungsanordnung fließender Strom zum Erwärmen der Batterie bereitgestellt. Darüber hinaus wird in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße der Schaltungsanordnung ein Wert zumindest eines, den resultierenden Strom und damit eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie beeinflussenden Parameters der Schaltungsanordnung bestimmt, bei welchem die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie maximal ist. Außerdem wird der zumindest eine Parameter auf den ermittelten Wert eingestellt, sodass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit erwärmt.
• Die Schaltungsanordnung mit der Batterie kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, wobei die Batterie einen Zwischenkreis des Kraftfahrzeugs, welcher beispielsweise eine Leistungselektronik oder einen Kältemittelverdichter aufweist, mit elektrischer Energie versorgen kann. Dazu kann der Zwischenkreis an die Batterie angeschlossen werden. Die Batteriezellen der Batterie können mittels des zumindest einen zugeordneten Schalters einzeln aus der Reihenschaltung ausgekoppelt, also in den Bypass geschaltet, und/oder in die Reihenschaltung eingekoppelt, also in den Strompfad geschaltet, werden. Die Schalter können als Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, ausgebildet sein. Durch das Einkoppeln und/oder Auskoppeln kann eine Anzahl der in den Strompfad eingekoppelten Batteriezellen und damit eine an der Batterie abgreifbare Spannung verändert werden. Dadurch kann ein an die Batterie angeschlossener kapazitiver Speicher der Schaltungsanordnung, beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises, geladen und wieder entladen werden. Der daraus resultierende Strom erzeugt an Innenwiderständen der Batteriezellen eine die Batteriezellen erwärmende Verlustleistung.
• Um nun das Erwärmen der Zellen besonders schonend und effizient zu gestalten, wird eine Betriebsstrategie zum Heizen beziehungsweise Erwärmen der Batterie vorgestellt. Dabei wird die zumindest eine Zustandsgröße der Schaltungsanordnung erfasst beziehungsweise bestimmt. Insbesondere wird zumindest eine der folgenden Großen als die Zustandsgröße bestimmt: ein Innenwiderstand zumindest einer der Batteriezellen in Abhängigkeit von einer Temperatur, einem Ladezustand und einem Alterungszustand der Batteriezelle, eine minimale Schaltfrequenz für zumindest einen der Schalter zum Verhindern einer chemischen Umladung der zugeordneten Batteriezelle, eine maximale Schaltfrequenz für zumindest einen der Schalter, ein maximaler Strom des Schalters, ein maximaler Strom in dem Zwischenkreis, eine Kapazität des Zwischenkreises, ein maximaler Spannungshub des Zwischenkreises. Basierend auf der zumindest einen bestimmten Zustandsgröße wird nun der Wert des zumindest einen Parameters bestimmt, mittels welchem der resultierende Strom und damit die Erwärmungsgeschwindigkeit beeinflusst werden können. Der Wert wird dabei so eingestellt, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit maximal wird und die Batterie mit der maximalen Geschwindigkeit geheizt beziehungsweise erwärmt werden kann. Dabei kann beispielsweise ein Schaltzyklus für die steuerbaren Schalter zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen derart vorgegeben werden, dass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit erwärmt.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine an sich bekannte Impedanzheizung in vorteilhafter Weise dahingehend verbessert, dass die Batterie bedarfsgerecht und höchstens mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit geheizt wird. Dadurch kann die Batterie besonders effizient und schonend geheizt werden. Außerdem werden auch die Schalter beim Heizen in vorteilhafter Weise besonders gering belastet.
• Besonders bevorzugt wird der Batterie der Strom, welcher die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit erwärmt, über eine Regelstrecke zum Nachregeln des Stromes zugeführt, falls die maximale Erwärmungsgeschwindigkeit eine geforderte, vorgegebene Erwärmungsgeschwindigkeit überschreitet. Die geforderte, vorgegebene Erwärmungsgeschwindigkeit kann aus einer vorgegebenen Zieltemperatur, welche beispielsweise in Abhängigkeit von einer Außentemperatur des Kraftfahrzeugs bestimmt wird, und aus einer vorgegebenen Zielzeit, innerhalb welcher die Batterie auf die vorgegebene Zieltemperatur aufgewärmt sein soll, bestimmt werden. Falls die maximale Erwärmungsgeschwindigkeit geringer als die geforderte, vorgegebene Erwärmungsgeschwindigkeit ist, kann die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit geheizt werden. Ist die geforderte, vorgegebene Erwärmungsgeschwindigkeit geringer als die maximale Erwärmungsgeschwindigkeit, so kann aus einer Differenz der Erwärmungsgeschwindigkeiten die Regelstrecke beziehungsweise Regelung der Impedanzheizung die Erwärmungsgeschwindigkeit an die geforderte Erwärmungsgeschwindigkeit anpassen. Somit ist das Verfahren einerseits besonders effizient und andererseits besonders schonend für die Schaltungsanordnung gestaltet.
• Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter ein Wert für eine Schaltfrequenz für die Schalter bestimmt und vorgegeben. Die Schaltfrequenz wird dabei in vorteilhafter Weise so bestimmt, dass sie zwischen der minimalen Schaltfrequenz, durch welche die chemische Umladung der Batteriezellen verhindert wird, und der maximalen Schaltfrequenz, bei welcher die Schalter eine besonders geringe Verlustleistung aufweisen, liegt.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter eine Anzahl von Batteriezellen bestimmt wird, welche mittels der zugeordneten Schalter zu einem Teilstrang zusammengeschaltet und gleichzeitig in die Reihenschaltung eingekoppelt werden. Der Teilstrang wird auch als Batteriepack bezeichnet. Jedes Batteriepack liefert dabei eine Spannung, welche der Summe aus Einzelspannungen der zu dem Batteriepack seriell verschalteten Batteriezellen entspricht.
• Auch kann vorgesehen sein, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter eine Anzahl von Teilsträngen mit einer von der Anzahl von Teilsträngen abhängigen Anzahl von Batteriezellen bestimmt wird, welche mittels der zugeordneten Schalter sequenziell in die Reihenschaltung eingekoppelt werden. Durch das sequenzielle Schalten der Batteriepacks beziehungsweise Teilstränge kann der Wechselstrom zum Laden und Entladen des kapazitiven Speichers erzeugt werden, wobei der aus dem Laden und Entladen resultierende Strom die Verlustleistung an den Batteriezellen erzeugt. Somit kann durch das Vorgeben der Anzahl an Batteriepacks auf einfache Weise der resultierende Strom und damit die Erwärmung beeinflusst werden.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung wird als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter zumindest eine der Batteriezellen nach einem vorbestimmten Kriterium ausgewählt und mittels des zugeordneten Schalters in die Reihenschaltung eingekoppelt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass zumindest eine Zellnummer einer der Batteriezellen innerhalb der Reihenschaltung ausgewählt wird. Dabei wird die zumindest eine Zellnummer beziehungsweise Batteriezelle beispielsweise in Abhängigkeit von ihrer aktuellen Temperatur oder ihrem aktuellen Ladezustand ausgewählt. Somit kann ein aktueller Zustand der Zelle berücksichtigt werden, indem anhand des aktuellen Zustands entschieden wird, ob die Zelle zum Heizen der Batterie in die Reihenschaltung eingekoppelt wird. So kann beispielsweise eine Zelle mit einer besonders geringen aktuellen Temperatur in die Reihenschaltung eingekoppelt und damit in den Strompfad geschaltet werden und damit eine Verlustleistung am Innenwiderstand dieser Zelle erzeugt werden, während eine andere, bereits aufgewärmte Zelle aus der Reihenschaltung ausgekoppelt und damit in den Bypass geschaltet werden. So kann beispielsweise verhindert werden, dass einzelne Zellen überhitzt werden. Das Verfahren ist also besonders lebensdauerschonend für die Batteriezellen.
• Die Erfindung betrifft außerdem eine Schaltungsanordnung mit einer Batterie aufweisend eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen zwischen zwei Anschlüssen, wobei jeder Batteriezelle jeweils ein steuerbarer Schalter zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle aus der Reihenschaltung zugeordnet ist. An die zwei Anschlüsse ist ein kapazitiver Speicher anschließbar, über welchen der Batterie ein aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen resultierender Strom zum Erwärmen der Batterie zuführbar ist. Der kapazitive Speicher kann beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator des Kraftfahrzeugs sein. Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße der Schaltungsanordnung einen Wert zumindest eines, eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie und den resultierenden Strom beeinflussenden Parameters der Schaltungsanordnung zu bestimmen, bei welchem die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie maximal ist, und den zumindest einen Parameter auf den ermittelten Wert einzustellen, sodass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit erwärmt.
• Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle einer Batterie einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
• 2 eine beispielhafte Darstellung von Kennlinien, welche die Temperaturabhängigkeit von Innenwiderständen von Batteriezellen zeigen;
• 3 eine beispielhafte Darstellung von Kennlinien von Impedanzmessungen einer Batteriezelle bei verschiedenen Temperaturen;
• 4 eine beispielhafte Darstellung von Kennlinien von Schaltzeiten von Schaltern der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und
• 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betriebsstrategie.
• 1 zeigt eine Einzellzellschaltung 10 mit einer Batteriezelle 12 und zwei Schaltern 14, 16. Die Einzellzellschaltung 10 kann beispielsweise in einer hier nicht gezeigten Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie, einer hier nicht dargestellten Schaltungsanordnung vorgesehen sein. Zum Ausbilden der Hochvoltbatterie kann die Einzellzellschaltung 10 beziehungsweise die Batteriezelle 12 seriell mit weiteren, gleich ausgestalteten Einzellzellschaltungen 10 beziehungsweise Batteriezellen 12 verschaltet werden. Die Batterie weist also eine Reihenschaltung von einer Mehrzahl von Batteriezellen 12 auf. Die Hochvoltbatterie kann in einem hier nicht gezeigten Kraftfahrzeug vorgesehen sein und beispielsweise als eine Traktionsbatterie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs dienen.
• Die Einzellzellschaltung 10 weist hier die zwei, der Batteriezelle 12 zugeordneten Schalter 14, 16 auf, welche als Leistungshalbleiter, beispielsweise MOSFETs, ausgebildet sein können. Bei geschlossenem ersten Schalter 14, welcher in Reihe mit der Batteriezelle 12 geschaltet ist, und geöffnetem zweiten Schalter 16 kann die Batteriezelle 12 in die Reihenschaltung der Batterie eingekoppelt werden, also in einen Strompfad der Batterie geschaltet werden. Bei geschlossenem zweiten Schalter 16, welcher parallel zu der Batteriezelle 12 geschaltet ist, und geöffnetem ersten Schalter 14 kann die Batteriezelle 12 aus der Reihenschaltung ausgekoppelt werden, also in den Bypass geschaltet werden. Zum Ansteuern der Schalter 14, 16 kann die Einzelzellschaltung 10 beispielsweise ein Steuerelement μC aufweisen.
• Zum Erwärmen der Batterie kann eine sogenannte Impedanzheizung durch geführt werden. Werden nun einige Batteriezellen 12 hintereinander in den Strompfad hinein- und herausgeschalten, können sinusähnliche Wechselspannungen erzeugt werden. Da jedes Kraftfahrzeug eine hier nicht gezeigte Zwischenkreiskapazität besitzt, welche beispielsweise aus einer Leistungselektronik, einem Kältemittelverdichter, einem Onboard-Ladegerät, einem PTC-Heizer und weiteren Komponenten bestehen kann, wird durch die erzeugten Wechselströme die Zwischenkreiskapazität geladen und entladen. Die daraus resultierenden Ströme erzeugen, frequenzabhängig, an Innenwiderständen R_i,Z der Batteriezellen 12 eine Verlustleistung, welche die Batteriezellen 12 erwärmt.
• Allerdings ist der Innenwiderstand R_i,Z einer Batteriezelle 12 stark von einer Zelltemperatur T, einem Zellalter SoH (State of Health) und einem Ladezustand SoC (State of Charge) der Batteriezelle 12 abhängig.
• 2 zeigt den Innenwiderstand R_i,Z zweier Batteriezellen 12 bei einer festen Messfrequenz anhand zweier Kennlinien 18, 20. Dabei ist auf der Abszisse die Temperatur T in Grad Celsius aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Innenwiderstand R_i,Z bei einer Messfrequenz von 5 kHz aufgetragen. Dabei zeigt die Kennlinie 18 den Innenwiderstand R_i,Z in Abhängigkeit von der Temperatur T einer ersten Batteriezelle 12 und die Kennlinie 20 den Innenwiderstand R_i,Z in Abhängigkeit von der Temperatur T einer zweiten Batteriezelle 12.
• Da, wie in 2 gezeigt, der Innenwiderstand R_i,Z der Batteriezelle 12 stark von der Zelltemperatur T, aber auch dem Zellalter SoH und dem Ladezustand SoC der Batteriezelle 12 abhängig ist, soll eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie unter anderem an diese Parameter angepasst werden.
• Dazu kann zunächst der Innenwiderstand R_i,Z der Batteriezellen 12 bestimmt werden. Zum Bestimmen des Innenwiderstands R_i,Z, insbesondere bei verschiedenen Temperaturen T, Ladezuständen SoC und Alterungszuständen SoH der Batteriezellen 12, kann eine Impedanzspektroskopie durchgeführt werden, durch welche es möglich ist, die Realteile und Imaginärteile der Impedanzen Z in Abhängigkeit von der Frequenz, der Temperatur T und des Zellalters SoH zu ermitteln. Die Impedanz Z der Batteriezelle 12 kann in folgender Form dargestellt werden: Z = Re(Z) + jIm(Z).
• Ein Impedanzspektrum einer Batteriezelle 12 ist beispielhaft anhand von Kennlinien 22, 24, 26 in 3 dargestellt. In 3 ist der Realteil Re(Z) der Impedanz Z auf der Abszisse dargestellt und der Imaginärteil Im(Z) der Impedanz Z auf der Ordinate dargestellt. Die Kennlinie 22 zeigt das Impedanzspektrum der Batteriezelle 12 bei einer ersten Temperatur, beispielsweise 25 Grad Celsius, die Kennlinie 24 zeigt das Impedanzspektrum der Batteriezelle 12 bei einer zweiten Temperatur, beispielsweise 0 Grad Celsius, und die Kennlinie 26 zeigt das Impedanzspektrum der Batteriezelle 12 bei einer dritten Temperatur, beispielsweise –25 Grad Celsius.
• Aus dem jeweiligen Zelltyp wird der Realteil Re(Z) der Impedanzen Z bei verschiedenen Temperaturen T, Ladezuständen SoC und Alterungszuständen SoH ermittelt. Der Realteil Re(Z) der Impedanz Z einer Batteriezelle 12 entspricht dem Innenwiderstand R_i,Z der Zelle 12. Dieser ist zusätzlich von einer Frequenz des Messsignals abhängig. Aus den entstehenden Kurvenscharen wird eine Datenbasis D angelegt. Aus dem Innenwiderständen R_i,Z aller Batteriezellen 12 und einer Anzahl n an Batteriezellen 12 in der Batterie ergibt sich der Gesamtwiderstand R_i,Z,ges aller Zellen 12 aus einer Aufsummierung der einzelnen Zellwiderstände R_i,Z:

  
• Für die Impedanzheizung wird nun ein sinusförmiger Strom eingeprägt, welcher an den Innenwiderständen R_i,Z der Zellen 12 zu ohmschen Verlusten und somit zu einer Erwärmung führt. Die Erwärmungsgeschwindigkeit wird dabei insbesondere durch folgende Parameter P beeinflusst: eine Schaltfrequenz f, eine Anzahl n_seq der sequenziell geschalteten beziehungsweise hintereinander geschalteten Zellpakete, eine Anzahl n_zg der zeitgleich geschalteten Zellen 12 und eine Zellnummer N_Z der Zellen 12.
• Um die Alterungseffekte durch den Einsatz einer Impedanzheizung zu minimieren, sollte eine chemische Umladung der Zellen 12 vermieden werden. Daher soll die Impedanzheizung für jeden Zelltyp oberhalb einer Mindestfrequenz f_min betrieben werden. Diese Mindestfrequenz f_min = f(T, SoC, SoH) ist zellspezifisch und abhängig von der Temperatur T, dem Ladezustand SoC und dem Alterungszustand SoH der Batteriezelle 12.
• Gleichzeitig gibt es auch eine maximal mögliche Schaltfrequenz f_max, welche durch die physikalischen Grenzen der Leistungshalbleiter 14, 16 vorgegeben ist. Dies kann über den Zusammenhang

  

  ermittelt werden. Dabei beschreibt t_on eine Zeitdauer, in welcher der Leistungshalbleiter 14, 16 angeschaltet ist, t_off eine Zeitdauer, in welcher der Leistungshalbleiter 14, 16 ausgeschaltet ist, t_rise eine Zeitdauer zum Anschalten des Leistungshalbleiters 14, 16 und t_fall eine Zeitdauer zum Ausschalten des Leistungshalbleiters 14, 16.
• Schaltzeiten der Leistungsschalter 14, 16 sind in 4 anhand von den Kennlinien 28, 30, 32 dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen und auf der Ordinate die Spannung U(t), der Strom I(t) und die Leistung P(t). Die Kennlinie 28 zeigt die Spannung U(t) am Schalter 14, 16, wobei im ausgeschalteten Zustand die Spannung V_D am Schalter 14, 16 anliegt. Die Kennlinie 30 zeigt den Strom I(t) durch den Schalter 14, 16, wobei im eingeschalteten Zustand der Strom I_D durch den Schalter 14, 16 fließt. Die Kennlinie 32 zeigt die Leistung P(t).
• Die Leistungshalbleiter 14, 16 begrenzen die maximal mögliche Schaltfrequenz f_max, da mit höheren Frequenzen Schaltverluste der Leistungshalbleiter 14, 16 zunehmen. Außerdem dürfen diese aus thermischen Gründen nicht durch zu große Konstantströme I_{konst,max,mosfet} und Spitzenströme beziehungsweise Peakströme I_{peak,max,mosfet} belastet werden. Dies führt zu einer Limitierung der maximal möglichen Ströme.
• Die Schaltfrequenz f ist abhängig von der Anzahl n_seq der sequenziell geschalteten Zellen 12, sowie der Schaltdauer

  

  und der Zeitverzögerung t_schalt zwischen den Schaltvorgängen und kann über den Zusammenhang

  

  beschrieben werden.
• Darüber hinaus besitzt der Fahrzeugzwischenkreis fahrzeugabhängig eine Zwischenkreiskapazität c_parallel. Die Zwischenkreiskapazität c_parallel setzt sich aus verschiedenen Komponentenn c₁, c₂, ..., c_n des Zwischenkreises zusammen, welche parallel verschaltet sind. Die Gesamtkapazität c_parallel kann über folgende Formeln bestimmt werden: c_parallel = c₁ + c₂ + ... + c_n.
• Ein Bordnetz des Fahrzeugs gibt ein Betriebsfenster mit minimaler und maximaler Spannung vor. Dabei bezeichnet U_aktuell eine aktuell anliegende Spannung und U_min ein unteres Spannungslevel der Batterie, welches nicht unterschritten werden darf, da es ansonsten zu Problemen beim Betrieb des Fahrzeugs kommen kann. Ein maximal möglicher Spannungshub U_hub,max berechnet sich aus der Differenz der gesamten Spannung aller Zellen U_aktuell abzüglich des unteren Spannungslevels U_min: U_hub,max = U_aktuell – U_min.
• Ein Spannungshub U_hub, welcher sich beim Betrieb einer Impedanzheizung einstellt, ist dabei abhängig von der Anzahl n_seq der sequenziell geschalteten Zellen 12, der Anzahl n_zg der zeitgleich geschalteten Zellen 12, sowie der Zellspannungen U_Zelle, welche vereinfachend für alle Zellen 12 als gleich angenommen werden können: U_hub = n_seq × n_zg × U_Zelle.
• Die Anzahl n_schalt der schaltenden Zellen 12 kann über den Zusammenhang n_schalt = n_seq × n_zg bestimmt werden. Daraus lässt sich die maximal mögliche Anzahl der zu schaltenden Zellen über die Formel

  

  berechnen.
• Zusätzlich zu den Spannungsgrenzen sollen auch ein dauerhaft fließender Strom sowie Spitzenströme beziehungsweise Peakströme unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes bleiben. Ein maximal zulässiger Peakstrom I_peak,max ist dabei bauteilabhängig. Sowohl maximale Peakströme I_peak,max, als auch Dauerströme I_peak,konst werden aus dem Minimum der zulässigen Ströme I_peak,max,zk, I_konst,max,zk der Zwischenkreiskapazität und der Ströme I_{peak,max,mosfet}, I_{konst,max,mosfet} der Leistungshalbleiter 14, 16 bestimmt: I_peak,max = min(I_{peak,max,mosfet}; I_peak,max,zk) I_peak,konst. = min(I_{konst,max,mosfet}; I_konst,max,zk).
• Der fließende Strom I_peak kann in Abhängigkeit von dem Innenwiderstand der Zellen 12 und dem Spannungshub dU bei einem Schaltvorgang über den Zusammenhang

  

  mit dU = U_Zelle × n_zg bestimmt werden. Der gesamte Widerstand R_ges setzt sich dabei zusammen aus dem Widerstand R_batt der Batterie und dem Widerstand R_zk des Fahrzeugzwischenkreises.
• Die in den Zellen 12 erzeugte Verlustleistung P_{verlust,Zelle}(t) hängt vom Innenwiderstand R_i,Z der Zelle 12 sowie vom zeitlich veränderlichen Strom i(t) ab. Die Verlustleistung P_{verlust,Zelle}(t) innerhalb einer Zelle 12 kann somit über den Zusammenhang P_{verlust,Zelle}(t) = R_i,Z × i(t)² berechnet werden. Die gesamte Verlustleistung P_verlust,ges.(t) aller Zellen 12 kann durch ein Aufsummieren der einzelnen Verlustleistungen P_{verlust,Zelle}(t) berechnet werden:

  

  Die Erwärmungsenergie E_Erwärmung der Batterie wird über den Zusammenhang E_Erwärmung = ∫P_verlust,ges.(t)dt bestimmt.
• Basierend auf den ermittelten Größen wird eine Betriebsstrategie entwickelt, welche in 5 dargestellt ist. Dafür werden für verschiedene Eingangsgrößen E1 bis E4 zunächst die Zustandsgrößen ZG ermittelt. Für den Zelltyp als die erste Eingangsgröße E1 werden beispielsweise der Innenwiderstand R_i,Z der Zellen 12 und die minimale Schaltfrequenz f_min als die Zustandsgrößen ZG bestimmt. Für die Zelle als die zweite Eingangsgröße E2 wird die Zellspannung U_Zelle als die Zustandsgröße ZG bestimmt. Für die Leistungshalbleiter beziehungsweise Schalter 14, 16 als die dritte Eingangsgröße E3 werden die maximale Schaltfrequenz f_max sowie der maximale Konstantstrom I_{konst,max,mosfet} und Spitzenstrom I_{peak,max,mosfet} als die Zustandsgrößen ZG bestimmt. Für den Zwischenkreis als die vierte Eingangsgröße E4 werden der maximale Konstantstrom I_konst,max,zk, der maximale Spitzenstrom I_peak,max,zk sowie der Spannungshub dU als die Zustandsgrößen ZG bestimmt.
• Auf Basis der Zustandsgrößen ZG werden die Parameter P bestimmt, welche den resultierenden Strom und damit die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batteriezellen 12 beeinflussen. Als die Parameter P werden dabei die Schaltfrequenz f, die Anzahl n_seq der sequenziell geschalteten beziehungsweise hintereinander geschalteten Zellpakete, die Anzahl n_zg der zeitgleich geschalteten Zellen 12 und die Zellnummer N_Z der Zellen 12 bestimmt. Die Werte werden dabei so bestimmt, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit E_max maximal wird. Anders ausgedrückt wird bestimmt, wie viele und welche Zellen 12 sequenziell und zeitgleich bei einer bestimmten Frequenz f geschaltet werden können, um die maximale Erwärmungsgeschwindigkeit E_max, insbesondere innerhalb von vorgegebenen Grenzen E_soll, zu erreichen.
• Diese Berechnung ist ein Optimierungsproblem von den mehreren voneinander unabhängigen Parametern P. Die Optimierung kann auf Basis verschiedener generischer Algorithmen durchgeführt werden. Die Berechnung der maximal möglichen Erwärmung E_max kann mittels eines thermischen Modells erfolgen, welches aus der generierten Verlustleistung P_{verlust,Zelle}(t) innerhalb jeder Zelle 12 deren Erwärmung berechnet.
• Die maximal mögliche Erwärmungsgeschwindigkeit E_max wird daraufhin mit einer vorgegebenen, geforderten Erwärmungsgeschwindigkeit E_soll verglichen. Ist die geforderte Erwärmungsgeschwindigkeit E_soll größer als die maximal mögliche Erwärmungsgeschwindigkeit E_max, so wird die Batterie mit der maximal möglichen Erwärmungsgeschwindigkeit E_max erwärmt. Ist die geforderte Erwärmungsgeschwindigkeit E_soll geringer als die maximal mögliche Erwärmungsgeschwindigkeit E_max, so erfolgt aus der Differenz der Erwärmungsgeschwindigkeiten E_max, E_soll eine Regelung der Impedanzheizung, um die Erwärmungsgeschwindigkeit der geforderten Erwärmungsgeschwindigkeit E_soll anzupassen. Während der Erwärmung E der Zellen wird die aktuelle Zelltemperatur T rückgeführt, um eine Anpassung der Innenwiderstände R_i,Z der Zellen 12 im Algorithmus vorzunehmen, da diese mit steigender Zelltemperatur T (siehe 2) abnehmen.
• Diese Betriebsstrategie kann bei allen Batterien mit Impedanzheizung eingesetzt werden. Die hier dargestellte Strategie ist universell, hardwareunabhängig und kann mit verschiedensten Ansteuerungsarten der einzelnen Zellen 12 umgesetzt werden. Wird eine Impedanzheizung ohne Einzelzellschaltung 10 realisiert, vereinfacht sich die Betriebsstrategie entsprechend.
• Bezugszeichenliste

10

Einzellzellschaltung

12

Batteriezelle

14, 16

Schalter

18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32

Kennlinien

μC

Steuerelement

E1, E2, E3, E4, E5

Eingangsgrößen

ZG

Zustandsgrößen

P

Parameter

E

Erwärmung

E_max

maximale Erwärmungsgeschwindigkeit

E_soll

geforderte Erwärmungsgeschwindigkeit

SoC

Ladezustand

SoH

Alterungszustand

U_Zelle

Zellspannung

T

Temperatur

D

Datenbasis

f, f_min, f_min

Schaltfrequenzen

R_i,Z, R_i,Z,ges

Innenwiderstände

c_parallel

Zeischenkreiskapazität

n, n_zg n_seq,

Anzahl an Zellen

I_{konst,max,mosfet}, I_{peak,max,mosfet}, I_konst,max,zk, I_peak,max,zk, I_konst,max, I_peak,max

maximale Ströme

N_Z

Zellnummer

T

Zeit

U(t), V_D

Spannungen

I(t), I_D

Ströme

P(t)

Leistung

Z

Impedanz

Re(Z)

Realteil

• 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 102014012068 A1 [0002]

Claims (8)

1. Verfahren zum Erwärmen einer Batterie einer Schaltungsanordnung, wobei die Batterie eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) aufweist und jeder Batteriezelle (12) jeweils zumindest ein steuerbarer Schalter (14, 16) der Schaltungsanordnung zum Einkoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) in die Reihenschaltung und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) aus der Reihenschaltung zugeordnet ist, und wobei der Batterie ein aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen (12) resultierender, in der Schaltungsanordnung fließender Strom zum Erwärmen der Batterie bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße (ZG) der Schaltungsanordnung ein Wert zumindest eines, den resultierenden Strom und eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie beeinflussenden Parameters (P) der Schaltungsanordnung bestimmt wird, bei welchem die Erwärmungsgeschwindigkeit (E) der Batterie maximal ist, und der zumindest eine Parameter (P) auf den ermittelten Wert eingestellt wird, sodass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit (E_max) erwärmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie der die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit (E_max) erwärmende Strom über eine Regelstrecke zum Nachregeln des Stromes zugeführt wird, falls die maximale Erwärmungsgeschwindigkeit (E_max) eine geforderte, vorgegebene Erwärmungsgeschwindigkeit (E_soll) überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter (P) ein Wert für eine Schaltfrequenz (f) für die Schalter 14, 16 bestimmt und vorgegeben wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter (P) eine Anzahl (n_zg) von Batteriezellen (12) bestimmt wird, welche mittels der zugeordneten Schalter (14, 16) zu einem Teilstrang zusammengeschaltet und gleichzeitig in die Reihenschaltung eingekoppelt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter (P) eine Anzahl (n_seq) von Teilsträngen mit einer von der Anzahl (n_seq) von Teilsträngen abhängigen Anzahl von Batteriezellen (12) bestimmt wird, wobei die Teilstränge mittels der zugeordneten Schalter (14, 16) sequenziell in die Reihenschaltung eingekoppelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine, die Erwärmungsgeschwindigkeit und den resultierenden Strom beeinflussende Parameter (P) zumindest eine (N_Z) der Batteriezellen (12) nach einem vorbestimmten Kriterium ausgewählt und mittels des zugeordneten Schalters (14, 16) in die Reihenschaltung eingekoppelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die zumindest eine Zustandsgröße (ZG) zumindest eine der Folgenden bestimmt wird: ein Innenwiderstand (R_i,Z) zumindest einer der Batteriezellen (12) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T), einem Ladezustand (SoC) und einem Alterungszustand (SoH) der Batteriezelle (12), eine minimale Schaltfrequenz (f_min) für zumindest einen der Schalter (14, 16) zum Verhindern einer chemischen Umladung der zugeordneten Batteriezelle (12), eine maximale Schaltfrequenz (f_max) für zumindest einen der Schalter (14, 16), ein maximaler Strom des Schalters (I_{konst,max,mosfet}, I_{peak,max,mosfet}), ein maximaler Strom (I_konst,max,zk, I_peak,max,zk) in einem Zwischenkreis der Schaltungsanordnung, eine Kapazität (c_parallel) des Zwischenkreises, ein maximaler Spannungshub (dU) des Zwischenkreises.
8. Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie aufweisend eine Reihenschaltung aus einer Mehrzahl von Batteriezellen (12) zwischen zwei Anschlüssen, wobei jeder Batteriezelle (12) jeweils zumindest ein steuerbarer Schalter (14, 16) zum Einkoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) in die Reihenschaltung und/oder Auskoppeln der jeweiligen Batteriezelle (12) aus der Reihenschaltung zugeordnet ist, und an die zwei Anschlüsse ein kapazitiver Speicher anschließbar ist, über welchen der Batterie einen aus dem Einkoppeln und/oder Auskoppeln zumindest einer der Batteriezellen (12) resultierender Strom zum Erwärmen der Batterie zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsgröße (ZG) der Schaltungsanordnung einen Wert zumindest eines, den resultierenden Strom und eine Erwärmungsgeschwindigkeit der Batterie beeinflussenden Parameters (P) der Schaltungsanordnung zu bestimmen, bei welchem die Erwärmungsgeschwindigkeit (E_max) der Batterie maximal ist, und den zumindest einen Parameter (P) auf den ermittelten Wert einzustellen, sodass der resultierende Strom die Batterie mit der maximalen Erwärmungsgeschwindigkeit (E_max) erwärmt.

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