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Hintergrund der Erfindung
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Fahrzeuge, die mit einer Verbrennungsmaschine ausgerüstet sind, weisen zum Starten der Verbrennungsmaschine einen elektrisch betriebenen Starter auf, der von einer Fahrzeugbatterie versorgt wird.
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Eine Möglichkeit zur Gewährleistung einer hohen Verfügbarkeit ist es, die Fahrzeugbatterie mit einer hohen Kapazität und einem hohen Nenn-Entnahmestrom auszustatten durch entsprechende Dimensionierung, um auch bei für die Batterie nachteiligen Bedingungen den Starter mit ausreichend elektrischer Energie zu versorgen.
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Besonders niedrige Temperaturen schränken den Betrieb der Fahrzeugbatterie ein und können auch zu bleibenden Schäden an der Batterie führen.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 218 069 A1 schlägt vor, ein Heizgerät mit Strom einer zu wärmenden Batterie zu versorgen, wobei das Heizgerät an der Außenseite der Batterie befestigt ist, um die Batterie zu erwärmen. Eine derartige, von außen wirkende Batterieheizung, die von der zu wärmenden Batterie gespeist wird, ist auch in den Druckschriften
DE 40 27 149 A1 und
DE 11 2012 001 516 T5 beschrieben. Die Druckschrift
DE 10 2005 034 148 A1 erwähnt eine derartige (durch die Batterie selbstgespeiste) Eigenerwärmung und die Druckschrift
DE 42 16 020 C2 beschreibt einen Steuerungsprozess einer entsprechenden Batterieheizung.
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Es wurde erkannt, dass das Wärmen der Batterie mittels eines Heizgeräts von außen einen hohen Energiebetrag erfordert, da die gesamte Masse der Batterie erwärmt werden muss, um eine für die Batterie nicht schädliche Temperatur zu erreichen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente Art und Weise der Erwärmung einer Batterie aufzuzeigen.
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Abriss der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch Merkmale, Ausführungsformen und Eigenschaften, wie sie in den abhängigen Ansprüchen und in dieser Beschreibung genannt sind.
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Es wird vorgeschlagen, die Erwärmung in der Batterie in dem elektrochemisch aktiven Bereich der Batterie zu konzentrieren, indem der Batterie Energie entnommen wird. Durch eine Batterieentnahme entsteht bei realen Batterien Wärme in dem elektrochemisch aktiven Bereich, der die Elektroden und das Elektrolyt umfasst, nicht aber das Gehäuse oder andere Bereiche der Batterie. Durch Belasten der Batterie wird die Batterie im elektrochemisch aktiven Bereich, d.h. der Bereich, der den Innenwiderstand maßgeblich beeinflusst, erwärmt. Hierbei entsteht die Wärme nur im elektrochemisch aktiven Bereich. In schaltungstechnischer Sicht entsteht die Wärme am Innenwiderstand der Batterie, der maßgeblich durch das Elektrolyt und die angrenzenden Elektroden definiert ist. Auf diese Weise wird die Batterie an einer Stelle erwärmt (im Sinne einer Wärmeerzeugung), deren Temperatur maßgeblich für die Alterung ist (d.h. die Elektroden und das Elektrolyt und nicht das Gehäuse) , falls der Batterie bei zu geringer Temperatur Strom entnommen wird, etwa durch einen Startvorgang einer Verbrennungsmaschine. Eine Temperaturerhöhung an anderen Stellen der Batterie, die nicht zum aktiven Bereich gehören (etwa Halterung, Gehäuse, ggf. Temperierungsvorrichtungen), findet nicht aktiv statt (d.h. keine Wärmeerzeugung) sondern findet nur durch Wärmeübertragung von dem aktiven Bereich in die genannten Stellen hinein (Halterung, Gehäuse, ...) statt.
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Daher kann die verwendete elektrische Energie effizient genutzt werden, da die Wärme in den Stellen entsteht, die für die Entladbarkeit der Zelle bei tiefen Temperaturen kritisch sind. Zudem wird die Wärme dort erzeugt, wo sie erforderlich ist, so dass eine Wärmeübertragung nicht notwendig ist, um die gewünschte Erwärmung zu erreichen. Mit anderen Worten wird der in schaltungstechnischer Sicht nur der Innenwiderstand der Batterie als Spannungsquelle erwärmt; es findet kein Wärmetransfer von einer Wärmequelle zu dem aktiven Bereich statt (der dem Innenwiderstand der Batterie entspricht) . Aus diesem Grund ist die zu erwärmende Masse gering und ist insbesondere geringer als die Gesamtmasse der Batterie.
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Es wird daher ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeugbatterie beschrieben, bei dem ein bevorstehender Fahrzeugstart eines Fahrzeugs ermittelt wird. In diesem Fahrzeug ist die Fahrzeugbatterie untergebracht. Ferner wird die Temperatur der Fahrzeugbatterie erfasst, insbesondere durch Messen der Temperatur oder durch Ableiten der Temperatur aus einer anderen gemessenen Größe.
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Falls die Temperatur unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt wird die Elektrodenzone der Fahrzeugbatterie erwärmt. Die Elektrodenzone umfasst insbesondere die Elektroden, d.h. Anode und Kathode), sowie insbesondere das Elektrolyt. Die Elektrodenzone entspricht vorzugsweise dem aktiven Bereich. Die Erwärmung findet statt durch Belasten der Fahrzeugbatterie mittels einer elektrischen Last. Mit anderen Worten wird ein Stromfluss herbeigeführt um so den Innenwiderstand, d.h. die Elektrodenzone, zu erwärmen. In diesem erwärmtem Zustand ist eine Batterie, deren Elektrolyt nicht an der chemischen Reaktion teilnimmt und dadurch verarmt, wie z.B. die Säuredichte in er Bleibatterie am Reaktionsort, leistungsfähiger und deutlich weniger alterungsanfällig, insbesondere bei Spitzenbelastungen (wie sie beim Start einer Verbrennungsmaschine auftreten).
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Schließlich wird die Verbrennungsmaschine des Fahrzeugs gestartet. Dies wird ausgeführt durch Versorgen eines Starters der Verbrennungsmaschine mit elektrischer Energie der Fahrzeugbatterie. Dieser Startvorgang findet statt, nachdem der Schritt des Erwärmens durchgeführt wurde.
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Der Schritt des Erwärmens kann ausgeführt werden durch Belasten der Fahrzeugbatterie mit einer Last, die nicht in direkter thermischer Verbindung mit der Batterie steht. Dadurch kann die zur Begrenzung bzw. zum Einstellen des Stroms verwendete Last für andere Zwecke verwendet werden, etwa zur Wärmeerzeugung im Innenraum, in der Windschutzscheibe, in einem Kühlkreislauf der Verbrennungsmaschine. Die Wärme kann allgemein dort eingesetzt werden, wo bei niedrigen Temperaturen das Fahrzeug auf eine Mindesttemperatur gebracht werden sollte, etwa aus Komfortgründen oder zur Erhöhung der Effizienz, beispielsweise im Fahrzeuginnenraum oder im Ölkreislauf einer Verbrennungsmaschine. Die von der Last erzeugte Wärme wird insbesondere nicht zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie verwendet. Eine derartige Erwärmung betrifft zunächst das Gehäuse bzw. die Halterung der Batterie und ist daher mit einem notwendigen Wärmeübertragungsprozess verbunden sowie mit der ineffektiven Erwärmung von nicht elektrochemisch aktiven Bereichen der Fahrzeugbatterie. Als „nicht direkte thermischer Verbindung mit der Batterie“ werden nicht auszuschließende Wärmeübertragungswege bezeichnet, etwa Übertragungswege über mehrere Abschnitte des Fahrzeugs, die sich aufgrund der mechanischen Struktur nicht vermeiden lassen (und primär mechanische Zwecke verfolgen) , oder Übertragungswege durch Wärmeabstrahlung. Eine Last, die an einer Oberfläche der Batterie direkt oder mittels einer Wärmebrücke wie ein einzelnes, primär zur Wärmeübetragung vorgesehenes Metallstück oder ein Wärmemediumkreislauf mit der Batterie verbunden ist, wäre eine Last, die in direkter thermischer Verbindung mit der Batterie steht.
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In den folgenden Absätzen (a) - (f) sind mehrere Varianten zum Erfassen des bevorstehenden Fahrzeugstarts erwähnt. Hierbei werden vorzugsweise Signale von Sensoren und Systemen, die ohnehin im Fahrzeug vorgesehen sind bzw. die bereits einer anderen Funktion zugeordnet sind. Derartige Signale werden in den folgenden Punkten (a) - (d) erwähnt. Ferner werden bereits verarbeite Signale innerhalb des Fahrzeugs betrachtet, die zu einem anderen Zweck abgegeben werden, jedoch auch für den hier genannten Zweck als Auslöser des Schritts des Erwärmens verwendet werden.
- (a) Erfassen eines Annäherungssignals eines drahtlosen Zugangssystems des Fahrzeugs. Ein derartige Annäherungssignals wird etwa von einem Empfänger eines drahtlosen Zugangssystems empfangen oder zur Weiterverarbeitung abgegeben. Drahtlose Zugangssysteme werden auch als „keyless entry“-Systeme bezeichnet.
- (b) Erfassen eines Annährungssignals eines Berührungssensors an einem Türgriff des Fahrzeugs. Ein derartige Berührungssensor als kapazitiver Sensor ausgestaltet sein. Berührungssensoren am Türgriff dieser Art werden auch verwendet, um eine Elektronik im Fahrzeug aufzuwecken.
- (c) Erfassen eines Präsenzsignals eines Fahrzeuginsassen-Präsenzsensors. Ein derartiger Sensor wird verwendet, um zu erfassen, ob sich auf einem betreffenden Sitz (insbesondere auf dem Fahrersitz) eine Person befindet.
- (d) Erfassen eines Öffnungssignals eines Türöffnungssensors des Fahrzeugs. Hierbei wird der Schließzustand der Tür erfasst, beispielsweise um die Innenraumbeleuchtung zu aktivieren. Ein derartiger Türöffnungssensor kann im Türrahmen vorgesehen sein und als Taster ausgebildet sein.
- (e) Erfassen eines Vorglühsignals einer Vorglühanlage des Antriebsstrangs des Fahrzeugs. Etwa bei Dieselfahrzeugen wird eine Vorglühanlage verwendet, um den vorausliegenden Startvorgang zu unterstützten.
- (f) Erfassen eines Zündschlüsselsignals eines Zündschlosses, welches einen eingesteckten Zündschlüssel im Zündschloss wiedergibt. Hierbei kann der Zeitpunkt erfasst werden, an dem der Fahrer den Zündschlüssel oder eine Berechtigungskarte in das betreffende Schloss bzw. in einen betreffenden Schlitz einsteckt oder auf eine zugeordnete Fläche ablegt.
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Die Temperatur und somit die Notwendigkeit, die Batterie bzw. deren aktiven Bereich zu erwärmen, kann mittels eines Temperatursensors am Fahrzeug erfasst werden. Dieser Temperatursensor kann sich an der Batterie, jedoch auch an anderen Stellen des Fahrzeugs befinden, da davon auszugehen ist, dass nach einer Standphase die Batterie im Wesentlichen die Temperatur des Fahrzeugs bzw. der Umgebung hat. Es kann für die Ermittlung der die Notwendigkeit, die Batterie bzw. deren aktiven Bereich zu erwärmen, daher auch ein Umgebungstemperatursensor verwendet werden. Diese Temperaturerfassung entspricht der Erfassung einer Ausgangstemperatur (bezogen auch der Schritt des Erwärmens).
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Alternativ kann die Temperatur der Batterie abgeleitet werden etwa aus dem Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie. Insbesondere im Temperaturbereich unterhalb von 10°C oder 0°C ergeben sich signifikante Unterschiede für den Innenwiderstand, der auf die Temperatur zurückzuführen ist. Es wird daher der Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie erfasst, insbesondere durch eine aktive (d.h. gezielte Strom- oder Spannungsänderung zu Messzwecken) oder passive Widerstandsmessung (d.h. Überwachung von Strom und Spannung, um bei einer Änderung auf den Widerstand zu schließen) . Die Temperatur ergibt sich aus einer monoton fallenden Funktion des Innenwiderstands. Diese monoton fallende Funktion ist vorgegeben. Es kann eine Funktionsschar verwendet werden, bei der Funktionen für unterschiedliche Ladezustände und Alterungszustände gegeben sind. Daher kann der Einfluss des Ladezustands (SOC) und/oder des Alterungszustands (SOH) bei der Ableitung der Temperatur aus dem Innenwiderstand zumindest teilweise kompensiert werden. Hierzu kann der SOC und/oder der SOH bestimmt werden oder erfasst und zwischengespeichert werden, um bei der Ableitung der Temperatur (des aktiven Bereichs der Batterie) aus dem Innenwiderstand berücksichtigt zu werden.
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Das Erwärmen sieht vor, dass eine Energiemenge aus der Fahrzeugbatterie entnommen wird. Die Energiemenge beträgt mindestens 0,1%, 0,5%, 1%, 2% oder 5% der Nennkapazität der Fahrzeugbatterie.
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Ferner kann die Energiemenge innerhalb eines Zeitfensters von nicht mehr als 5 s, 10 s, 15 s, 30 s oder 60 s entnommen werden. Dadurch reduziert sich die Wartezeit.
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Ferner kann die Energiemenge mit einer Entnahmeleistung entnommen werden, die nicht mehr als 20%, 10%, 5% oder 2% der Leistung, die ein Startvorgang mittels des Starters erfordert. Insbesondere ist während der Energieentnahme im Rahmen des Schrittes des Erwärmens der Stromfluss begrenzt auf 20%, 10%, 5% oder 2% des nominalen Maximal-Entladestroms der Fahrzeugbatterie.
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Zudem kann die aus der Fahrzeugbatterie entnommene Energiemenge umso größer sein, je größer die Differenz einer vorgegebenen Temperaturuntergrenze und der Temperatur ist. Zwischen der Energiemenge und der Differenz besteht damit eine zumindest abschnittsweise monoton steigende Funktion. Bei einer ersten Differenz, die größer als eine zweite Differenz wird, ist die Energiemenge größer als bei der zweiten Differenz. Die Differenz ergibt sich aus der Temperaturuntergrenze und der (tatsächlichen) Temperatur. Der Schritt des Erwärmens wird nur ausgeführt, wenn die Temperatur unter der Temperaturuntergrenze liegt. Die Temperaturuntergrenze kann beispielsweise 5°C, 0°C oder -2°C betragen. Ferner kann (während der Entnahme der Energiemenge) die Entnahmeleistung (oder der Entladestrom) umso größer sein, je größer die Differenz ist. Alternativ oder zusätzlich kann daher die Entnahmeleistung von der Differenz abhängen, wie die Energiemenge von der Differenz abhängt.
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In dem Schritt des Erwärmens kann die Batterie durch Energieabgabe an eine Frontscheibenheizung oder an ein Heizelement innerhalb des Antriebsstrangs belastet werden. Mit anderen Worten bildet die Frontscheibenheizung oder das Heizelement die Last. Ein derartiges Heizelement ist insbesondere ein Heizelement einer Innenraum-Klimatisierungsvorrichtung, eines Kühlkreislaufs der Verbrennungsmaschine oder einer Abgasreinigungsvorrichtung. Dieses Heizelement ist nicht an der Oberfläche der Batterie angeordnet noch mit der Oberfläche wärmeleitend verbunden, etwa über eine Wärmebrücke oder einen Temperierungskreislauf. Daher wird während des Erwärmens nur Wärme in dem aktiven Bereich der Batterie erzeugt bzw. es wird nur der aktive Bereich erwärmt. Mindestens 90%, 95% oder 99% der Wärme, die von der Last erzeugt wird, wird nicht der Batterie zugeführt. Dadurch wird die von der Last erzeugte Wärme effektiv verwendet, wobei Wärme abgegeben an das Äußere der Batterie zunächst nur das Äußere der Batterie erwärmen würde und somit inaktive bzw. für den Innenwiderstand irrevelante Bereiche der Batterie. Wärme, die an das Äußere der Batterie abgegeben wird, muss zunächst zum elektrochemisch aktiven Bereich übertragen werden, so dass dies zudem eine Verzögerung bedeuten würde. Daher wird im Wesentlichen keine Wärme von der Last an die Batterie übertragen.
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Die Fahrzeugbatterie kann ein Akkumulator, insbesondere ein Lithiumionenakkumulator sein. Vorzugsweise umfasst das Kathodenmaterial der Fahrzeugbatterie eine Lithium-Eisen-Verbindung. Alternativ kann es sich bei der Fahrzeugbatterie um einen Lithium-Polymer-Akkumulator handeln oder um einen anderen Akkumulatortyp, der eine Erhöhung des Innenwiderstandes aufweist, der stark mit abfallender Temperatur steigt, etwa ab 10°C, 5°C, 0°C oder -10 °C abwärts.
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Zudem kann das Erwärmen anhand der Temperatur oder des Innenwiderstands geregelt oder zumindest begrenzt sein. Das Erwärmen kann vorgesehen werden durch Belasten der Fahrzeugbatterie, bis der erfasste Innenwiderstand unter einer Obergrenze liegt. Alternativ kann das Erwärmen durchgeführt werden, bis eine Elektroden- oder Elektrolyttemperatur, die mittels eines Temperaturmodells anhand des Verlaufs des Belastens ermittelt wird, über der Temperaturuntergrenze liegt. Das Temperaturmodell gibt den Temperaturanstieg abhängig von der zugeführten Energiemenge und dem zeitlichen Verlauf der entnommenen Leistung an und hängt insbesondere von Wärmewiderständen in dem aktiven Bereich sowie von Wärmekapazitäten in dem aktiven Bereich ab. Das Modell kann empirisch ermittelt werden. Ferner kann die Temperatur oder die entnommene Leistung geregelt werden, wobei der Entnahmestrom als Stellgröße verändert wird und der Innenwiderstand oder eine Temperatur des aktiven Bereichs die Ist-Größe bildet, welche gemäß der Regelung oder der Begrenzung möglichst genau der Soll-Größe (d.h. Ist-Größe - Sollgröße --> 0) entspricht. Somit kann das Belasten der Fahrzeugbatterie gekennzeichnet sein durch eine Entnahmeleistung, einen Entnahmestrom, eine Energiemenge oder durch ein Zeitfenster, die bzw. der bzw. das konstant ist oder von der Differenz zwischen der vorgegebenen Temperaturgrenze und der Ausgangstemperatur (des Erwärmungsprozesses) abhängt, oder kann gekennzeichnet sein durch die Differenz zwischen einer (wiederholt) ermittelten Temperatur des aktiven Bereichs (=Ist-Temperatur) und einer Zieltemperatur, oder kann gekennzeichnet sein durch einen (wiederholt) ermittelten Innenwiderstand (=Soll-Widerstand) der Batterie und einer Obergrenze für den Innenwiderstand.
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Die 1 ist eine symbolhafte Darstellung, die zur näheren Erläuterung von Merkmalen und Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens dient.
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Zunächst wird mit dem Bezugszeichen 10 der 1 ein bevorstehender Fahrzeugstart eines Fahrzeugs erfasst, etwa durch Erfassen der Annäherung eines Funkschlüssels des Zugangssystems des Fahrzeugs. Der mit dem Bezugszeichen 10 dargestellte Pfeil gibt dem Empfang eines entsprechenden Signals wider. Es wird ferner die Temperatur einer Fahrzeugbatterie B erfasst, wobei dies mit dem Bezugszeichen 20 dargestellt ist. Der Pfeil gibt die Erfassung der Batterietemperatur wider, wobei hierbei zumindest zum Anfang auch die Umgebungstemperatur erfasst werden kann, da diese üblicherweise mit der Batterietemperatur übereinstimmt.
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Daraufhin wird die Elektrodenzone E der Batterie B, die nur schematisch dargestellt ist, erwärmt, indem ein Strom I1 erzeugt wird, sofern die im Schritt 20 erfasste Temperatur zu niedrig ist.
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Das Erwärmen wird ausgeführt durch den Schritt des Belastens 30 der Batterie B. Der Strom I1 wird zur Last 32 geführt, wobei der betreffende Doppelpfeil, der zum Bezugszeichen 32 führt, den Energiefluss wiedergibt. Es sei nochmals bemerkt, dass die 1 lediglich schematische Darstellungen enthält und somit keinen Stromlaufplan wiedergibt. Vielmehr gibt das Bezugszeichen 30 in schematischer Weise den Strom bzw. die Leistung oder den Energiefluss wieder, die mit dem Schritt des Belastens der Fahrzeugbatterie B verbunden ist.
Nachdem die Elektrodenzone E durch den Schritt des Belastens 30 mittels der elektrischen Last 32 erwärmt ist, steht die Batterie für stärkere Impulslasten bereit, wie sie etwa beim Starten einer Verbrennungsmaschine des Fahrzeugs entstehen können. Im erwärmten Zustand, das heißt wenn die Elektrodenzone (auch als aktiver Bereich B bezeichnet) erwärmt ist, können große Ströme von der Batterie abgeführt werden (oder auch zugeführt werden) . Das Bezugszeichen 40 gibt den Stromfluss, Leistungsfluss oder auch Energiefluss wieder, der während des Startens herrscht. Hierbei wird etwa ein Strom 12, der größer ist als der Strom I1 (d.h. Der Strom während des Erwärmens) durch den Starter 42 geführt, um die Verbrennungsmaschine zu starten. Der zum Starten 40 zugehörige Stromfluss ist deutlich größer als der Stromfluss während des Erwärmens 30, wobei dies durch den größeren Pfeil des Bezugszeichens 40 im Vergleich zum Bezugszeichen 30 wiedergegeben ist. Der Strom 12 bzw. der zum Starten zugehörige Leistungsfluss kann mindestens 5, 10 oder 20 mal so groß sein wie der Strom bzw. Leistungsfluss, der beim Erwärmen 30 fließt.
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In der 1 ist ferner dargestellt, dass die Elektrodenzone E nur das Innere der Batterie B betrifft und somit beim Erwärmen 30 die Elektroden und/oder das dazwischen befindliche Elektrolyt durch Wärmeerzeugung direkt vor Ort erwärmt werden. Ein umgebendes Gehäuse G, als schraffierter Kasten dargestellt, wird nur indirekt von der Elektrodenzone erwärmt. Insbesondere wird keine Wärme an oder in der Struktur des Gehäuses G selbst erzeugt. Vielmehr wird Wärme nur in dem Innenraum des Gehäuses erzeugt, nämlich in der Elektrodenzone E (das heißt im aktiven Bereich) . Dadurch kann mit relativ geringem Energieaufwand und in relativ kurzer Zeit die Batterie hinsichtlich ihrer Temperatur vorbereitet werden auf eine große Stromentnahme mit dem Start 40, während etwa Verfahren, bei denen eine externe Spannungsquelle an dem Gehäuse vorgesehen ist, durch Wärmeübertragungsprozesse und aufgrund der großen Gesamtmasse und der Masse des Gehäuses im Vergleich hierzu mehr Energie erfordern und zudem mit einer Verzögerung verknüpft sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Erfassen eines bevorstehenden Fahrzeugstarts
- 20
- Erfassen einer Temperatur
- 30
- Erwärmen durch Belasten der Fahrzeugbatterie mit Strom I1
- 32
- Last, mit der die Fahrzeugbatterie im Schritt des Erwärmens 30 belastet wird
- 40
- Starten einer Verbrennungsmaschine
- 42
- Starter der Verbrennungsmaschine, der in Schritt 40 von der Fahrzeugbatterie B mit Strom I2 versorgt wird
- B
- Batterie
- E
- Elektrodenzone
- G
- Gehäuse
- I1
- Stromfluss / Leistungsfluss / Energiefluss während Erwärmen
- I2
- Stromfluss / Leistungsfluss / Energiefluss während Start
