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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft ein Konditionieren einer Fahrzeugbatterie zum Verbessern der Zufuhr von Batteriestrom bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter Verwendung von Komponenten im Batteriepack.
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HINTERGRUND
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Extrem niedrige Umgebungstemperaturen wie beispielsweise –30 °C (–22 °F) und darunter vermindern die Fähigkeit einer Fahrzeug-Traktionsbatterie, dem Motor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs Strom zuzuführen. Eine thermische Konditionierung der Batterie verbessert eine Leistung bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
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Es wurden verschiedene Strategien angewendet, um für eine thermische Konditionierung der Batterie zu sorgen, von denen viele externe Schnittstellen (elektrisch, Fluid, Luft) zum Erwärmen des Batteriepacks erfordern. Bei einem derartigen Verfahren wird ein Widerstandselement mit einem positiven Wärmekoeffizienten (positive thermal coefficient, PTC) verwendet, das der Außenseite der Batterie benachbart in einer Position zum Erwärmen der Batterie angeordnet ist. Das Verfahren erfordert eine separate Heizvorrichtung, die zum Erwärmen der Batterie positioniert ist, und ein PTC-Widerstandselement für jede Batteriezelle. Bei einer anderen Strategie zum Erwärmen einer Fahrzeugbatterie wird ein sekundäres Batteriemodul verwendet, das ein die Batterie umgebendes Gehäuse aufweist, um zu ermöglichen, dass ein Wärmeübertragungsmedium in das Gehäuse hinein und aus dem Gehäuse heraus strömt. Für diesen Ansatz sind ein sehr großes Batteriemodul und die Verwendung eines Wärmeübertragungsmediums erforderlich. Eine andere Strategie beinhaltet einen Batteriewärmer, bei dem eine Vorrichtung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten an einer Seite der Batterie angebracht ist. Ein noch anderer Ansatz beinhaltet einen internen Batterietemperatursensor, der einen Stromfluss für ein Heizelement steuert, das an einer Kühlplatte im Innern der Batterie befestigt ist.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Fahrzeug-Traktionsbatterie weist eine Vielzahl von Batteriezellen und ein Batterieenergiesteuermodul (battery energy control module, BECM) zum Steuern verschiedener Funktionen der Traktionsbatterie auf. Das BECM ist in der Fahrzeug-Traktionsbatterie angeordnet und weist Schaltungsanordnungen mit mindestens einer Komponente mit positivem Temperaturkoeffizienten wie beispielsweise einem Thermistor oder Silistor auf, der zur thermischen Konditionierung der Vielzahl von Batteriezellen mit mindestens einer aus der Vielzahl von Batteriezellen verbunden ist.
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Bei einer Ausführungsform weist ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug, einen Elektromotor auf, der von einer Fahrzeug-Traktionsbatterie angetrieben wird. Die Fahrzeug-Traktionsbatterie weist eine Vielzahl von Batteriezellen auf, die mit einem in der Traktionsbatterie angeordneten Steuermodul verbunden sind. Das Steuermodul weist der Vielzahl von Batteriezellen zugeordnete Batteriezellen-Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen auf. Die Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen weisen Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten zum Bereitstellen einer thermischen Konditionierung für die Vielzahl von Batteriezellen als Reaktion auf einen an die Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen angelegten Strom auf. Die Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten können zum Beispiel durch auf geeignete Weise ausgewählte Thermistoren oder Silistoren realisiert werden. Das Batteriesteuermodul kann derart konfiguriert sein, dass es die Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen als Reaktion darauf aktiviert, dass eine Umgebungs- oder Batteriezellentemperatur unter einem zugeordneten Schwellenwert liegt, um für eine thermische Konditionierung der Batterie zu sorgen.
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Ausführungsformen kann auch ein Fahrzeug mit einem Elektromotor/elektrischen Generator umfassen, der mit einer Traktionsbatterie in Verbindung steht. Zu der Traktionsbatterie zählen eine Vielzahl von Batteriezellen, eine Vielzahl von in der Traktionsbatterie angeordneten Thermistoren und ein Batteriesteuermodul, das in der Traktionsbatterie angeordnet ist und mit der Vielzahl von Batteriezellen und der Vielzahl von Thermistoren in Verbindung steht. Das Batteriesteuermodul ist derart konfiguriert, dass es der Vielzahl von Thermistoren Strom aus der Vielzahl von Batteriezellen zuführt, um für eine thermische Konditionierung der Batterie zu sorgen. Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Thermistoren durch schaltende Thermistoren realisiert. Die Thermistoren können mit entsprechenden Ladungsausgleichsschaltungen verbunden sein, wobei jede einer entsprechenden aus der Vielzahl von Batteriezellen zugeordnet ist.
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Verschiedene Vorteile sind mit verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung verbunden. Zum Beispiel werden bei Ausführungsformen dieser Offenbarung vorhandene Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen in Verbindung mit Vorrichtungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) in dem Batteriepack verwendet, um eine temperaturabhängige thermische Konditionierung der Traktionsbatterie zu erreichen. Ein Ersetzen einiger oder aller der Widerstände, die für einen Ladungsausgleich in einem Batterieenergiesteuermodul (BECM) verwendet werden, durch PTC-Vorrichtungen wie beispielsweise PTC-Thermistoren oder Siliciumwiderstände (Silistoren) ermöglicht, dass mehr Ladungsausgleichsstrom bei extrem niedrigen Temperaturen fließt, wodurch mehr Wärme über den Leistungsverlust I2R in dem BECM erzeugt wird. Zu verschiedenen Ausführungsformen können PTC-Vorrichtungen zählen, die parallel oder in einer parallelen und Reihenwiderstandsschaltung mit anderen Widerstandsvorrichtungen und/oder Dioden angeordnet sind, um den gewünschten Bereich von Widerständen und Stromstärken für einen Ladungsausgleich und eine thermische Konditionierung zu erreichen. Um das Batteriepack bei extrem niedrigen Temperaturen zu konditionieren, kann das BECM eine oder mehrere der Ladungsausgleichsschaltungen aktivieren. Eine Verwendung von PTC-Vorrichtungen bietet eine Temperaturselbstregelung in Verbindung mit der von dem BECM bereitgestellten Temperatursteuerung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockschaltbild einer repräsentativen Fahrzeuganwendung für Ausführungsformen eines Traktionsbatteriepacks mit PTC-Vorrichtungen zur thermischen Konditionierung einer Batterie gemäß dieser Offenbarung;
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2 ist ein Blockschaltbild eines Traktionsbatteriepacks mit einem BECM mit PTC-Vorrichtungen zur thermischen Konditionierung einer Batterie gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung;
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3 ist ein Kurvenbild, das repräsentative Charakteristiken eines Thermistors und Silistors veranschaulicht, und
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4 ist ein Blockschaltbild eines BECM, das eine Verwendung von jeder Zelle eines Batteriepacks zugeordneten PTC-Vorrichtungen zur thermischen Konditionierung einer Batterie gemäß verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden repräsentative, detaillierte Ausführungsformen beschrieben; es sollte jedoch beachtet werden, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und andere Ausführungsformen in den Schutzbereich der Offenbarung fallen, obwohl sie möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sollen spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend verstanden werden, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage dienen, um Fachleute zu lehren, die Ausführungsformen im Schutzbereich der Offenbarung auf unterschiedliche Weise anzuwenden.
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1 zeigt eine repräsentative Anwendung, in die eine thermische Konditionierung einer Traktionsbatterie unter Verwendung von PTC-Vorrichtungen in einem Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid-electric vehicle, HEV) einbezogen ist. Fachleute werden erkennen, dass eine thermische Konditionierung einer Batterie unter Verwendung von PTC-Vorrichtungen in dem Batteriepack in verschiedenen Elektro-, Hybrid- und Plug-in-Hybridfahrzeugen angewendet werden kann, die in Umgebungen mit einer niedrigen Umgebungstemperatur betrieben werden können. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können in der Lage sein, als ein Motor oder ein Generator zu funktionieren. Bei Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 16 mechanisch mit einer Brennkraftmaschine 18 verbunden. Das Getriebe 16 ist außerdem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Durch die elektrischen Maschinen 14 können eine Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bereitgestellt werden, wenn die Kraftmaschine 18 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können für Vorteile im Hinblick auf Kraftstoffsparsamkeit sorgen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise in dem Reibungsbremssystem als Wärme verloren ginge. Durch die elektrischen Maschinen 14 können außerdem Fahrzeugemissionen verringert werden, indem ermöglicht wird, dass die Kraftmaschine 18 mit effizienteren Drehzahlen arbeitet, und ermöglicht wird, dass das Hybridelektrofahrzeug 12 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus mit ausgeschalteter Kraftmaschine 18 betrieben wird. Ähnliche Vorteile können mit einem Elektrofahrzeug erlangt werden, das keine Brennkraftmaschine 18 aufweist.
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Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Ein Fahrzeug-Batteriepack 24 liefert typischerweise eine Hochvolt-DC-Ausgangsspannung. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Schaltschütze (nicht gezeigt) können die Traktionsbatterie 24 im geöffneten Zustand gegenüber anderen Komponenten isolieren und können im geschlossenen Zustand die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 26 ist außerdem elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden und bietet die Fähigkeit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine DC-Spannung liefern, während die elektrischen Maschinen 14 zum Funktionieren möglicherweise einen Drei-Phasen-AC-Strom benötigen. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die DC-Spannung in einen Drei-Phasen-AC-Strom umwandeln, wie er von den elektrischen Maschinen 14 benötigt wird. In einem generatorischen Modus kann das Leistungselektronikmodul 26 den Drei-Phasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die von der Traktionsbatterie 24 benötigte DC-Spannung umwandeln. Die Beschreibung in diesem Dokument ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann es sich bei dem Hybridgetriebe 16 um ein mit einer elektrischen Maschine 14 verbundenes Getriebe handeln, und die Kraftmaschine 18 kann entfallen, wie bereits beschrieben.
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Neben einem Bereitstellen von Energie für einen Antrieb kann die Traktionsbatterie 24 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme liefern. Zu einem typischen System kann ein DC/DC-Wandlermodul 28 zählen, dass die Hochvolt-DC-Ausgangsspannung der Traktionsbatterie 24 in eine Niedervolt-DC-Versorgungsspannung umwandelt, die mit anderen Fahrzeugverbrauchern kompatibel ist. Andere Hochvolt-Verbraucher wie beispielsweise Kompressoren und elektrische Kabinen- oder Komponenten-Heizvorrichtungen können ohne die Verwendung eines DC/DC-Wandlermoduls 28 direkt an die Hochspannung angeschlossen sein. Die Niedervoltsysteme können elektrisch an eine Zusatzbatterie 30 (z.B. eine 12-V- oder 24-V-Batterie) angeschlossen sein.
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Zu Ausführungsformen dieser Offenbarung können Fahrzeuge wie beispielsweise das Fahrzeug 12 zählen, bei dem es sich um ein Hybrid- oder Range-Extender-Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug handeln kann, in dem die Traktionsbatterie 24 mithilfe einer externen Energiequelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Bei der externen Energiequelle 36 kann es sich um eine Verbindung mit einer Steckdose handeln. Die externe Energiequelle 36 kann elektrisch mit einer Elektrofahrzeug-Versorgungsausrüstung (electric vehicle supply equipment, EVSE) 38 verbunden sein. Durch die EVSE 38 können Schaltungen und Bedienelemente zum Regeln und Handhaben der Übertragung von Energie zwischen der Energiequelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitgestellt werden. Die externe Energiequelle 36 kann die EVSE 38 mit elektrischer DC- oder AC-Energie versorgen. Die EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Bei dem Ladenanschluss 34 kann es sich um einen beliebigen Anschlusstyp handeln, der derart konfiguriert ist, dass er Energie von der EVSE 38 zu dem Fahrzeug 12 überträgt. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder bordseitigen Energiewandlermodul 32 verbunden sein. Das Energiewandlermodul 32 kann die von der EVSE 38 zugeführte Energie konditionieren, um der Traktionsbatterie 24 die angemessenen Spannungs- und Strompegel zuzuführen. Das Energiewandlermodul 32 kann mit der EVSE 38 eine Verbindung eingehen, um die Energiezufuhr zu dem Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeanschlusses 34 ineinandergreifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben werden, Energie mithilfe einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
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Die verschiedenen in 1 veranschaulichten Komponenten können ein oder mehrere zugeordnete Steuergeräte zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuergeräte können über einen seriellen Bus (z.B. controller area network (CAN)) oder über diskrete Leiter Daten austauschen. Ein oder mehrere Steuergeräte können auch auf eine eigenständige Weise ohne einen Datenaustausch mit einem oder mehreren anderen Steuergeräten arbeiten. Wie mit Bezug auf 2 und 3 ausführlicher beschrieben, kann eines der Steuergeräte mithilfe eines Batterieenergiesteuermoduls (BECM) 46 realisiert werden, um zum Beispiel verschiedene Lade- und Entladefunktionen sowie einen Batteriezellen-Ladungsausgleich zu steuern. Das BECM kann in dem Traktionsbatteriepack 24 positioniert sein und eine oder mehrere PTC-Komponenten in einer Ladungsausgleichsschaltung aufweisen, um für eine thermische Konditionierung einer Batterie während eines Ladungsausgleichs zu sorgen. Zu den PTC-Komponenten können PTC-Thermistoren zählen, die beispielsweise manchmal als Posistoren und/oder Silistoren bezeichnet werden. PTC-Komponenten oder -Vorrichtungen weisen einen zunehmenden Widerstand als eine Funktion zunehmender Temperatur auf. Wenn ein Strom durch eine PTC-Vorrichtung fließt, wird durch die ohmschen Verluste Wärme erzeugt, durch die die Temperatur der Vorrichtung und benachbarter Komponenten ansteigen kann, was einen erhöhten Widerstand und einen damit zuammenhängenden geringeren Stromfluss zur Folge hat, sodass die Vorrichtungen eine Selbstregeleigenschaft aufweisen. Die meisten PTC-Thermistoren zählen zum „schaltenden“ Typ, was bedeutet, dass ihr Widerstand bei einer bestimmten kritischen Temperatur plötzlich zunimmt. Silistoren sind auf ähnliche Weise aufgebaut und arbeiten auf Grundlage derselben Prinzipien wie andere Thermistoren, aber bei ihnen wird Silicium als das Material der Halbleiterkomponente verwendet.
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Fahrzeug-Traktionsbatteriepacks können aus verschiedenen chemischen Formulierungen aufgebaut sein. Zu typischen Batteriepackchemien zählen Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithium-Ionen. 2 zeigt ein typisches Batteriepack 24 in einer einfachen Reihenkonfiguration aus N Batteriezellen 42. Andere Batteriepacks können jedoch aus einer beliebigen Anzahl einzelner Batteriezellen bestehen, die in Reihe, parallel oder einer Kombination davon geschaltet sind. Wie zuvor beschrieben, kann ein typisches System ein oder mehrere Steuergeräte aufweisen, wie beispielsweise ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 46, die die Leistung des Batteriepacks 24 überwachen und steuern. Das BECM 46 kann mehrere allgemeine Eigenschaften des Batteriepacks wie beispielsweise Pack-Stromstärke 48, Pack-Spannung 52 und Pack-Temperatur 54 überwachen. Das BECM 46 kann nichtflüchtigen Speicher aufweisen, sodass Daten möglicherweise erhalten werden, wenn sich das BECM in einem ausgeschalteten Zustand befindet.
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Zu dem BECM 46 können Hardware und/oder Software zum Steuern verschiedener Batteriefunktionen zählen, wie beispielsweise eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen und einer thermischen Konditionierung der Batterie. Wie allgemein von Fachleuten verstanden wird, kann ein Ladungsausgleich bei einigen Batteriechemien wichtiger sein als bei anderen, aber er wird ausgeführt, um die einzelnen Ladungen jeder Batteriezelle durch Entladen von Zellen, die über ein gewünschtes Schwellenniveau hinaus geladen sind, und Laden von Zellen, die eine Ladung unterhalb des gewünschten Schwellenniveaus aufweisen, auszugleichen. Wie nachfolgend mit Bezug auf 3 und 4 ausführlicher beschrieben, kann das BECM 46 PTC-Komponenten aufweisen, um für eine thermische Konditionierung einer Batterie während eines Ladungsausgleichs der Batteriezellen oder während anderer von dem BECM 46 gesteuerter Funktionen zu sorgen.
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Neben einem Überwachen der allgemeinen Eigenschaften des Batteriepacks kann das BECM 46 auch Eigenschaften auf Zellenebene überwachen und/oder steuern, wie zum Beispiel Spannungen einzelner oder gruppierter Zellen, die während eines Ladungsausgleichs verwendet werden können. Zum Beispiel können die Anschlussspannung, Stromstärke und Temperatur jeder Zelle gemessen werden. Ein Batteriesteuergerät 46 kann Spannungsüberwachungsschaltungen oder Sensormodule 44 zum Messen der Spannung über den Anschlüssen von jeder der N Zellen 42 des Batteriepacks 24 aufweisen. Die Spannungsüberwachungsschaltungen 44 können mithilfe eines Netzwerks aus Widerständen und Kondensatoren realisiert werden, die derart konfiguriert sind, dass sie eine angemessene Skalierung und Filterung der Spannungssignale der Zellen bieten. Eine oder mehrere der Spannungsüberwachungsschaltungen 44 können bei verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung PTC-Komponenten zur thermischen Konditionierung einer Batterie aufweisen. Durch die Spannungsüberwachungsschaltungen 44 kann auch eine Isolierung bereitgestellt werden, sodass Hochspannungen andere Schaltungen in dem BECM 46 nicht beschädigen.
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3 veranschaulicht Betriebscharakteristiken repräsentativer PTC-Vorrichtungen zur Verwendung bei einer thermischen Konditionierung einer Batterie bei verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung. 3 veranschaulicht Widerstandscharakteristiken als eine Funktion der Temperatur für einen im Wesentlichen linearen Silistor, wie er durch die Linie 60 dargestellt wird, und einen PTC-Thermistor des schaltenden Typs, wie er durch die Linie 62 dargestellt wird. Der Widerstand (R) ist in einem logarithmischen Maßstab als eine Funktion der Temperatur (T) aufgetragen, die in einem linearen Maßstab aufgetragen ist. Wie gezeigt, steigt die Silistor-Charakteristik 60 bei steigender Temperatur im Wesentlichen linear an, obwohl sie oberhalb eines Temperaturschwellenwerts (zum Beispiel 150 °C) beginnen kann, einen abnehmenden Widerstand zu zeigen. Eine Charakteristik 62 einer PTC-Vorrichtung des schaltenden Typs kann einen geringfügig abnehmenden Widerstand zeigen, bis sie eine minimale Widerstandstemperatur 64 erreicht, die einem minimalen Widerstand 66 zugehörig ist, wobei an diesem Punkt der PTC-Thermistor beginnt, einen geringfügig positiven Temperaturkoeffizienten bis hinauf zu der kritischen Temperatur (Tc) 68 (mit einem als 70 gezeigten zugehörigen Widerstand) zu zeigen, wo der positive Temperaturkoeffizient beträchtlich zunimmt. Oberhalb der kritischen Temperatur Tc kann der Widerstand (R) bei geringen Steigerungen der Temperatur (T) um Größenordnungen zunehmen. Durch den erhöhten Widerstand wird ein Stromfluss derart verringert, dass die Vorrichtung eine Selbstregeleigenschaft zeigt. Die PTC-Vorrichtungen können mithilfe ihres Widerstands 74 bei einer bestimmten Temperatur 72 (typischerweise 25 °C) näher beschrieben werden. Die elektrische Eingangsleistung der PTC-Vorrichtung kann dargestellt werden als: PE = IV = I2RFn(T) wobei I für die Stromstärke steht, V für den Spannungsabfall über die Vorrichtung steht und R den Widerstand darstellt, der als eine Funktion der Temperatur T variiert. Der Leistungsverlust wird in Wärme umgewandelt, von der ein Teil zu den Batteriezellen übertragen wird, wie mit Bezug auf 4 beschrieben.
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4 zeigt ein Blockschaltbild eines repräsentativen Batteriepacks 24 mit PTC-Komponenten oder -Vorrichtungen für eine thermische Konditionierung einer Batterie gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung. Das Batteriepack 24 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 42 auf. Obwohl nur drei Zellen gezeigt werden, werden Fachleute erkennen, dass Traktionsbatteriepacks häufig Dutzende oder Hunderte von Zellen aufweisen. In ähnlicher Weise können in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung und Realisierung andere Anordnungen bereitgestellt werden, obwohl die Zellen 42 als einzelne Zellen 82 veranschaulicht sind, die in Reihe geschaltet sind und Spannungsfühlerleitungen 84, 86 sowie einen Ladungsausgleichs-Schaltanschluss 88 aufweisen. Daher kann eine thermische Konditionierung einer Batterie gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung auf verschiedene andere Typen von Anordnungen oder Gruppierungen einzelner Batteriezellen 82 angewendet werden.
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Das BECM 46 oder ein oder mehrere ähnliche Steuergeräte kann sich in dem Batteriepack 24 befinden. Alternativ kann sich das BECM 46 außerhalb des Batteriepacks 24 befinden, aber eine oder mehrere PTC-Vorrichtungen 90 steuern, die in dem Batteriepack 24 angeordnet sind. Ein Ersetzen eines oder mehrerer in dem Batteriepack 24 angeordneter Ladungsausgleichswiderstände durch PTC-Vorrichtungen 90 kann im Hinblick auf eine Verringerung der Gesamtzahl von Komponenten, des Gewichts usw. verschiedene Vorteile bieten, während gleichzeitig die Funktionalität von PTC-Vorrichtungen genutzt wird, zusätzlich zu einem Ladungsausgleich der Zellen für eine thermische Konditionierung zu sorgen. Jede Zelle 82 kann eine zugeordnete Spannungsprüfvorrichtung 86 und einen Ladungsausgleichsschalter 88 aufweisen, realisiert mithilfe eines Transistors oder einer ähnlichen Vorrichtung, die durch Hardware- und/oder Software-Steuerlogik in einem integrierten Schaltkreis (IC) 96 zur Zellenüberwachung aktiviert wird. Der Zellenüberwachungs-IC 96 misst Spannungen einzelner Zellen, meldet Zellenspannungen an eine Steuerlogik in dem BECM 46 und führt periodisch einen Zellenausgleich und/oder eine thermische Konditionierung aus. Wie zuvor beschrieben, kann ein Zellen-Ladungsausgleich durch Ableiten von Zellenergie (über einen Strom ICB) durch einen ohmschen Verbraucher ausgeführt werden, der mithilfe einer zugeordneten PTC-Vorrichtung wie beispielsweise der PTC-Vorrichtung 90 bereitgestellt wird. Eine geeignete Auswahl der Charakteristiken der PTC-Vorrichtung, wie mit Bezug auf 3 beschrieben, kann verwendet werden, um für eine gewünschte Erwärmung zugeordneter Zellen 82 in dem Batteriepack 24 zu sorgen. Mithilfe der BECM-Strategie können die normalen Ladungsausgleichs-Algorithmen durch Kompensieren der Temperatur, wobei die Widerstands-Temperatur-Charakteristiken der PTC-Vorrichtungen bekannt sind, angepasst werden, da die tatsächliche Menge an Ladungsausgleichsstrom mit der Temperatur variiert.
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Obwohl herkömmliche Batteriepacks möglicherweise Widerstände aufweisen, die für einen Ladungsausgleich verwendet werden, ist jeder damit verbundene, als Wärme abgeleitete Energieverlust im Allgemeinen mit Absicht minimiert. Daher leiten diese Gestaltungen weniger Wärme ab, und eine Erwärmung erfolgt viel langsamer, als die Wärme, die von PTC-Vorrichtungen gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung abgeleitet wird.
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Wie allgemein in 1 bis 4 veranschaulicht, wird ein System oder Verfahren zur thermischen Konditionierung einer Batterie unter Verwendung von in einer Fahrzeug-Traktionsbatterie positionierten PTC-Komponenten gezeigt. Wie zuvor beschrieben, können die PTC-Komponenten in Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen in einem Batteriesteuergerät positioniert sein, das in dem Batteriepack des Fahrzeugs angeordnet ist. Alternativ können sich die PTC-Thermistoren oder Silistoren außerhalb des Batteriesteuergeräts befinden, aber derart positioniert sein, dass sie Wärme zu in der Nähe liegenden Batteriezellen in dem Batteriepack übertragen. Beim Betrieb können ein oder mehrere Steuergeräte einen Befehl zur thermischen Konditionierung als Reaktion auf eine Umgebungstemperatur verarbeiten, die unterhalb eines zugeordneten Schwellenwerts liegt. Das Steuergerät bzw. die Steuergeräte liefern ein Signal an einen oder mehrere Schalter, um zu ermöglichen, dass ein Strom von einer zugeordneten Batteriezelle durch eine PTC-Vorrichtung fließt, um die zugeordnete Batteriezelle zu erwärmen. Das Steuergerät kann bestimmte Zellen auf Grundlage von Zellentemperatur, Zellenladung oder anderen Betriebsparametern für eine thermische Konditionierung auswählen.
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Wie Fachleute erkennen werden, sind mit verschiedenen Ausführungsformen dieser Offenbarung Vorteile verbunden. Zum Beispiel erleichtert eine thermische Konditionierung einer Batterie unter Verwendung von PTC-Vorrichtungen in der Traktionsbatterie im Vergleich zu einer von herkömmlichen Ladungsausgleichs-Schaltungsanordnungen gebotenen Erwärmung eine schnellere Erwärmung von Batteriezellen, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen. Bei einer Verwendung interner oder integrierter PTC-Komponenten besteht keine Abhängigkeit von einer externen thermischen Konditionierung (elektrisch, Fluid, Luft) zum Konditionieren des Batteriepacks. Des Weiteren bieten die PTC-Vorrichtungen einen selbstregelnden thermischen Schutz für die Batteriezellen, während eine Temperatur irgendeiner bestimmten Zelle oder Gruppe von Zellen die Schalt- oder kritische Temperatur zugeordneter PTC-Vorrichtungen überschreitet. Eine thermische Konditionierung des Traktionsbatteriepacks unter Verwendung eingebetteter PTC-Vorrichtungen bietet eine Selbsterwärmung des Packs (Zellen und Komponenten) bei niedrigen Temperaturen und eine verbesserte temperaturkompensierte Leistung im Hinblick auf einen Ladungsausgleich der Zellen. Für Ausführungsformen, bei denen herkömmliche Widerstände durch PTC-Komponenten ersetzt werden, sind für eine thermische Konditionierung keine zusätzlichen Schaltungen oder Komponenten erforderlich, wodurch möglicherweise Kosten und Komplexität verringert werden.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Ausführungsformen in dem Schutzbereich der Offenbarung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter dienen vielmehr eher zur Beschreibung als zur Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesensgehalt und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, auch wenn bestimmte Kombinationen möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen möglicherweise als vorteilhaft oder als im Hinblick auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften gegenüber anderen Ausführungsformen oder Realisierungen nach dem Stand der Technik bevorzugt beschrieben werden, können, wie Fachleuten bewusst ist, ein oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt sein, um erwünschte Attribute für ein gesamtes System zu erzielen, die von der speziellen Anwendung und Realisierung abhängen. Zu diesen Eigenschaften zählen, aber ohne eine Einschränkung darzustellen: Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Realisierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und sind möglicherweise für bestimmte Anwendungen wünschenswert.
