DE102018208358A1 - Elektrisches Bordnetz, Fortbewegungsmittel und elektrische Schaltung zum Heizen einer Batterie - Google Patents

Abstract

Es werden ein elektrisches Bordnetz, ein Fortbewegungsmittel sowie eine elektrische Schaltung vorgeschlagen. Die elektrische Schaltung umfasst:eine Eingangsklemme für eine Batterie (2) mit einem Innenwiderstand (R) und einer Induktivität (L),- eine mit ihrem ersten Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossene Kapazität (C), welche mit ihrem zweiten Anschluss an eine elektrischen Masse angeschlossen ist,- einen mit seinem ersten Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossenen ersten Schalter (S1), welcher mit seinem zweiten Anschluss an die elektrische Masse angeschlossen ist, und- eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf einen Bedarf zum Heizen der Batterie (2)- den ersten Schalter (S1) zu schließen, so dass ein Stromfluss durch die Induktivität (L) Energie in der Induktivität (L) speichert und anschließend- den ersten Schalter (S1) zu öffnen, so dass- die Energie einen Stromfluss in die Kapazität (C) verursacht, und anschließend- die sich über der Kapazität (C) einstellende Spannung einen Stromfluss zurück in die Batterie (2) verursacht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz, ein Fortbewegungsmittel sowie eine elektrische Schaltung zum Heizen einer Batterie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine energieeffiziente und homogene Erwärmung einer Batterie, deren Temperatur sich außerhalb eines Betriebsbereiches befindet.
• Batteriezellen haben bei niedriger Temperatur des internen Aktivmaterials eine stark eingeschränkte Entlade- und Ladeleistung. Dementsprechend ist die Fahr- und Ladeleistung von Elektrofahrzeugen sehr niedrig, wenn die Hochvoltbatterie beispielsweise nach langer Standzeit durchgekühlt ist.
• Extern angebrachte Heizelemente können zwar Abhilfe schaffen, erwärmen jedoch zunächst nur das Batterie- bzw. Zellgehäuse. Die Temperatur des internen Aktivmaterials der Zellen beginnt nur zeitverzögert nach Erwärmung des Batterie- und Zellengehäuses zuzunehmen. Die Temperaturzunahme erfolgt darüber hinaus aufgrund der Wärmeverluste bei der Erwärmung des Zellgehäuses nur wenig ausgeprägt, so dass sich insgesamt eine nicht ausreichende Heizwirkung ergibt.
• DE 10 2011 085 631 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Batterie, bei welcher in einem Serienschwingkreis ein Schalter in Reihe zu einer Kapazität gelegen ist.
• DE 199 04 181 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Reaktivieren einer elektrischen Batterie, bei welcher ein Serienschwingkreis bestehend aus einer Induktivität und einer Kapazität durch vier Schalter mit einer Batterie verbunden und durch Ansteuerung der Schalter in umgepolter Richtung mit der Batterie verbunden werden kann.
• US 6,078,163 offenbart eine Vorrichtung zum Erhöhen einer Batterietemperatur, bei welcher einem Serienschwingkreis ein Oszillator in Reihe geschaltet ist, um einen alternierenden Stromfluss durch die Batterie zu erzeugen.
• Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, welche mit geringem Hardware-Mehraufwand bzw. gänzlich Hardware-neutral ausgestaltet werden kann.
• Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung gelöst. Diese Schaltung kann als Bestandteil eines elektrischen Bordnetzes (Fortbewegungsmittelbordnetz, Inselnetz) ausgestaltet sein. Sie umfasst eine Eingangsklemme, an welche eine Batterie zur Energieversorgung des Bordnetzes angeschlossen werden kann. Die Batterie kann beispielsweise eine Traktionsbatterie zum Antrieb eines Fortbewegungsmittels sein. Naturgemäß weist die Batterie einen Innenwiderstand und eine Induktivität auf, von welchen der Innenwiderstand erfindungsgemäß zur Erwärmung der Batterie verwendet wird, indem ein Strom durch die Batterie geleitet wird. An die Eingangsklemme kann schaltungsseitig eine Induktivität als separates Bauteil mit ihrem ersten Anschluss angeschlossen sein. In diesem Fall ist der zweite Anschluss an die Eingangsklemme der Batterie angeschlossen. Elektrisch ist jedoch auch eine erfindungsgemäße Verwendung der inhärenten Induktivität der Batterie (also in der Batterie jenseits der Eingangsklemme der erfindungsgemäßen Schaltung befindlich) alternativ ausschließlich oder zusätzlich möglich. Im Folgenden wird zur Veranschaulichung auf die Induktivität häufig als separates Bauteil Bezug genommen, auch wenn für den Fachmann ersichtlich ist, dass die oder eine inhärente Induktivität oder mehrere inhärente Induktivitäten dieselbe Funktion erfüllen und erfindungsgemäß verwendet werden können. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von „angeschlossen“ die Rede ist, so bedeutet dies, dass eine elektrische Verbindung hergestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist der erste Anschluss der als separates Bauteil vorgesehenen Induktivität elektrisch der Eingangsklemme zugewandt angeordnet. Mit anderen Worten ist der erste Anschluss der Induktivität der Eingangsklemme näher gelegen als ein zweiter Anschluss der Induktivität. Mit noch anderen Worten ist der an der Eingangsklemme angeschlossene erste Anschluss dem elektrischen Potenzial der Eingangsklemme ähnlicher als das elektrische Potenzial des zweiten Anschlusses. Mit anderen Worten kann daher ein mittelbarer elektrischer Anschluss des ersten Anschlusses über ein weiteres elektrisches Bauteil an die Eingangsklemme im Rahmen der vorliegenden Erfindung als elektrisch an die Eingangsklemme angeschlossen gelten. Entsprechendes gilt für die nachfolgende Bezeichnung der elektrischen Anschlüsse zwischen den elektrischen Elementen/Bauteilen der elektrischen Schaltung. Die Eingangsklemme bzw. der zweite Anschluss der Induktivität ist mit einem ersten Anschluss einer Kapazität elektrisch verbunden. Der zweite Anschluss der Kapazität ist mit der elektrischen Masse verbunden. Mit „Masse“ ist bei konventionellen Fahrzeugen üblicherweise die Fahrzeugkarosserie gemeint. Bei Fahrzeugen mit Hochvolt-Batterien stellt die Fahrzeugkarosserie den Bezugspunkt für das 12V-Bordnetz dar. Der Bezugspunkt für das Hochvolt-Bordnetz ist davon galvanisch getrennt und wird durch den Minuspol der Hochvolt-Batterie dargestellt. Daher kann statt „Masse“ auch der Begriff „Hochvolt-Bezugspotential“ oder „Hochvolt-Masse“ verwendet werden. Auf diese Weise bilden die erste Induktivität und die Kapazität einen Serienschwingkreis. Ein erster Schalter ist mit seinem ersten Anschluss an den zweiten Anschluss der Induktivität bzw. die Eingangsklemme angeschlossen. Auf diese Weise ist der erste Schalter zwischen der Eingangsklemme bzw. der ersten Induktivität und der Kapazität angeschlossen. Sein zweiter Anschluss liegt auf der elektrischen Masse. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, den ersten elektrischen Schalter anzusteuern. Sofern der Auswerteeinheit ein Bedarf zum Heizen der Batterie mitgeteilt wird oder die Auswerteeinheit den Bedarf selbst ermittelt, kann sie den ersten Schalter schließen, so dass ein Strom durch die Induktivität in Richtung elektrischer Masse fließt. Anschließend kann die Auswerteeinheit den ersten Schalter öffnen, so dass die im Magnetfeld der ersten Induktivität gespeicherte Energie einen Stromfluss in die Kapazität verursacht. Die Induktionsspannung bzw. die über der Kapazität resultierende Spannung kann hierbei deutlich größer sein, als die Nennspannung/Klemmenspannung der Batterie. Sofern die elektrische Verbindung zwischen der Kapazität und der Batterie dies zulässt, ergibt sich nun ein Ladestrom in die Batterie, welcher auch die Induktivität (nun in umgekehrter Richtung) durchfließt. Sofern die Batterie einen entsprechend hohen Ladestrom verträgt, kann die Induktivität beispielsweise mit einer Diode überbrückt werden, welche für den BatterieLadestrom in Flussrichtung durchflossen wird. Sofern dies nicht der Fall ist, wirkt die Induktivität als Drossel und senkt die Stromstärke des Ladestroms. Dies kann insbesondere bei niedrigen Temperaturen von Vorteil sein. Indem die der Batterie entnommene Energie nicht nur während der Entnahme zu einem Stromfluss durch den Innenwiderstand der Batterie führt, sondern auch beim anteiligen Rückspeisen der auf der Kapazität gespeicherten Energie zu einem Stromfluss durch den Innenwiderstand (in umgekehrter Richtung) führt, wird ein Großteil der elektrochemischen Energie der Batterie innerhalb der Batterie in Wärme umgewandelt, wodurch ein effizienter Heizvorgang eine homogene Erwärmung der Batterie bewirkt und somit eine schnelle und schonsame Inbetriebnahme der Batterie ermöglicht.
• Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
• Um zu vermeiden, dass die Batterie mit einem zu hohen Ladestrom belastet bzw. beschädigt bzw. zerstört wird, kann zwischen der Induktivität bzw. der Eingangsklemme und der Kapazität und/oder zwischen dem Schalter und der Kapazität eine Diode angeordnet sein, welche in Flussrichtung zur Kapazität orientiert ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass unkontrolliert auf der Kapazität gespeicherte Ladung zurück in die Batterie gespeist wird, wobei unzulässig oder ungünstig hohe Ströme entstehen können. Mit anderen Worten liegt die Diode mit einem ersten Anschluss am zweiten Anschluss der Induktivität bzw. an der Eingangsklemme bzw. am ersten Anschluss des Schalters und der zweite Anschluss der Diode am ersten Anschluss der Kapazität. Dies schließt nicht aus, dass ein Stromfluss aus der Kapazität zurück in die Batterie über anderweitige elektrische Verbindungen (z.B. gedrosselt) zugelassen werden können.
• Bevorzugt kann die elektrische Schaltung einen zweiten Schalter umfassen, welcher mit seinem ersten Anschluss an die Eingangsklemme und mit seinem zweiten Anschluss an den ersten Anschluss der Induktivität angeschlossen ist. Alternativ kann der zweite Schalter mit seinem ersten Anschluss an den zweiten Anschluss der Induktivität bzw. an die Eingangsklemme und mit seinem zweiten Anschluss an den ersten Anschluss der Kapazität angeschlossen sein. In jedem Fall kann der zweite Schalter der Diode parallel geschaltet sein. Der zweite Schalter kann auf diese Weise zur Einflussnahme auf den Ladestrom sowie zum Schutz der Auswerteeinheit sowohl vor Überspannungen als auch vor Überströmen verwendet werden
• Die Einflussnahme der Auswerteeinheit auf den Schaltzustand des ersten Schalters kann derart ausgestaltet sein, dass die zuvor beschriebenen Vorgänge erneut bzw. wiederholt ausgeführt werden. Insbesondere kann der erste Schalter intermittierend geöffnet und geschlossen werden, sofern der Bedarf zum Heizen der Batterie nicht bereits gestillt worden ist. Auch die Einflussnahme auf den zweiten Schalter durch die Auswerteeinheit kann in entsprechender Weise wiederholt bzw. intermittierend erfolgen. Hierdurch ergibt sich eine Betriebsweise, welche einem Tiefsetzsteller bzw. einem Hochsetzsteller ähnlich ist. Insbesondere für den Heizvorgang ist jedoch eine externe Last nicht vorgesehen, sondern die Batterie fungiert selbst als Energieversorgung (bei geschlossenem Schalter) bzw. als Last (bei geöffnetem Schalter). Mit anderen Worten wird die Batterie in ihrer Funktion als elektrische Last mit elektrischer Energie versorgt/geladen.
• Der erste Schalter kann eingerichtet sein, den Stromfluss zurück in die Batterie auf einen in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur der Batterie vordefinierten Wert zu beschränken. Dies hat den Vorteil, dass die Asymmetrie der Strombegrenzung zwischen Lade- und Entladestrom gewahrt werden kann und somit die schädigende Wirkung hoher Ladeströme bei niedrigen Zelltemperaturen vermieden werden kann. Beispielsweise kann der erste Schalter eingerichtet sein, die aus der Kapazität stammenden Ströme in die elektrische Masse abzuleiten. Zumindest kann dies anteilig bzw. im Falle zu hoher Ladeströme erfolgen. Bevorzugt kann ein weiterer Schalter in Reihe zur Kapazität angeordnet sein, welcher geöffnet werden kann, sobald der Ladestrom in Richtung Batterie einem vordefinierten Wert entspricht. Hierbei wird die auf der Kapazität gespeicherte Energie sozusagen „konserviert“, bis der zusätzliche Schalter erneut geschlossen wird und sich erneut ein (durch die Induktivität gedrosselter) Ladestrom ergibt.
• Eine Hardware-neutrale bzw. wenig Hardware-aufwendige Lösung ergibt sich in dem Fall, dass als Induktivität eine der Batterie und/oder einem Kabelbaum inhärente Induktivität verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Induktivität als elektrisches Bauteil einer Leistungselektronik (z.B. zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere einer Traktionsmaschine oder eines Klimakompressors) ausgestaltet sein. Insbesondere Traktionsmaschinen bzw. elektromotorische Rotationsmaschinen weisen Induktivitäten auf, welche insbesondere im Stillstand als Induktivitäten im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
• Die Kapazität kann eine Zwischenkreiskapazität sein, welche in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels für die Vermittlung zwischen zwei Bornetzbereichen vorgesehen ist. Beispielweise können unterschiedliche Spannungslagen in zwei unterschiedlichen Bornetzbereichen durch die Zwischenkreiskapazität vermittelt oder auf dem Bordnetz auftretende Spannungsrippel geglättet werden. Auf diese Weise können im Bordnetz enthaltene Bauteile bzw. Impedanzen zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung verwendet werden. Die vor der Inbetriebnahme ohnehin nicht zu ihrem Primärzweck verwendeten Bauelemente kommen so bereits vor der Inbetriebnahme erfindungsgemäß der Funktionalität des Bordnetzes zugute.
• Die vorgenannten Überlegungen schließen nicht aus, dass eine zusätzliche Induktivität in Form eines separaten Bauteils vorgesehen werden kann, um die ohnehin vorhandene (inhärente) Induktivität zu ergänzen. Die zusätzliche Induktivität kann mit ihrem ersten Anschluss an den zweiten Anschluss der oben genannten (inhärenten) Induktivität angeschlossen sein, wobei ihr zweiter Anschluss an den ersten Anschluss des ersten Schalters angeschlossen ist. Allgemein gesprochen kann die zusätzliche Induktivität in derjenigen Masche angeordnet sein, welche sich durch Schließen des ersten Schalters unter Einbeziehung der Batterie ergibt. Die Gesamtinduktivität kann durch die zusätzliche Induktivität bestmöglich für den erfindungsgemäßen Einsatz dimensioniert werden.
• Die oben genannten Schalter können einzeln oder sämtlich als Halbleiterschalter ausgestaltet sein. Insbesondere Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) eignen sich für eine effiziente und spannungsbeständige Schalteinrichtung. Mitunter können die den Feldeffekttransistoren inhärenten Dioden verwendet werden, um unabhängig vom Schaltzustand des Transistors eine Freilaufdiode zu implementieren.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Bordnetz für ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine elektrische Schaltung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist.
• Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches ein elektrisches Bordnetz gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt und alternativ oder zusätzlich eine elektrische Schaltung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Fortbewegungsmittel kann beispielsweise ein PKW, Transporter, LKW, Luft- und/oder Wasserfahrzeug sein. Auch zweirädrige elektrisch antreibbare Fortbewegungsmittel können ein erfindungsgemäßes Bordnetz aufweisen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen derart ersichtlich denjenigen der oben genannten Erfindungsaspekte, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
• Figurenliste
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Traktionsbordnetzes eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels;
• 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
• 3 eine schematische Darstellung von Schalt- und Betriebszuständen der in 2 gezeigten Schaltung;
• 4 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in drei unterschiedlichen Schalt-/Betriebszuständen;
• 5 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in zwei unterschiedlichen Schalt-/Betriebszuständen;
• 6 Schaltbilder zweier weiterer Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in jeweils zwei unterschiedlichen Schalt-/Betriebszuständen;
• 7 Schaltbilder zweier weiterer unterschiedlicher Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in jeweils zwei unterschiedlichen Schalt-/Betriebszuständen;
• 8 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in zwei unterschiedlichen Schalt-/Betriebszuständen;
• 9 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung; und
• 10 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzes für ein Fortbewegungsmittel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fortbewegungsmittels 10 in Form eines PKWs, in welchem ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß verwendbaren elektrischen Bordnetzes mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung dargestellt ist. Die Zellen einer Batterie 2 weisen einen schematisch als ohmscher Widerstand R zusammengefassten Innenwiderstand auf und liefern eine Klemmenspannung U_B ab. Eine Induktivität L ist dem Innenwiderstand R in Reihe geschaltet. Sofern also die Induktivität L als separates Bauteil realisiert ist, befindet sich die oben genannte Eingangsklemme zwischen dem Innenwiderstand R der Batterie 2 und der Induktivität L. Sofern als Induktivität L die der Batterie 2 inhärente Induktivität verwendet wird, befindet sich die oben genannte Eingangsklemme entsprechend zwischen der Batterie 2 und dem Schalter S1 bzw. zwischen der Batterie 2 und der Heizung 1. Am zweiten Anschluss der Induktivität L sind ein erster Anschluss eines ersten Schalters S1 und ein erster Anschluss der Heizung 1 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss der Heizung 1 ist über eine Sicherung Si mit der elektrischen Masse bzw. dem Minuspol der Batterie 2 verbunden. In Reihe zum ersten Schalter S1 ist weiter eine als L_Harness bezeichnete Induktivität des Kabelbaums dargestellt, welche zur erfindungsgemäß verwendbaren (Gesamt-)Induktivität beitragen kann und an deren zweitem Anschluss die Leistungselektronik zum Betrieb der Traktionsmaschine (dreiphasig) und eine Zwischenkreiskapazität C_ZK angeschlossen ist. Eine Steuereinheit ECU ist eingerichtet, den ersten Schalter S₁ , einen zweiten Schalter S₂ sowie die Heizung 1 anzusteuern.
• 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung, in welcher der Kapazität C ein erster Schalter S₁ in Form eines Transistors parallel geschaltet ist, welcher durch eine Steuereinheit (ECU) zyklisch angesteuert wird. Zudem ist eine weitere Steuereinheit (ECU) dargestellt, welche die Schütze HS₁ /HS₂ ansteuert. Die Schütze HS₁ /HS₂ und die ECU sind als Schützbaugruppe 3 zusammengefasst. Schließt die ECU der Heizung 1 den ersten Schalter S1, ergibt sich ein Stromfluss über die Induktivität L und den ersten Schalter S1, der entsprechend einem System erster Ordnung mit der Zeitkonstanten T=L/R ansteigt. Wird anschließend der erste Schalter S1 geöffnet, induziert die Induktivität L einen Strom in die Kapazität C, welcher entsprechend der Dimensionierung des Serienschwingkreises RLC hin- und herschwingt und hierbei elektrische Energie am Innenwiderstand R der Batterie 2 in Wärme umwandelt und somit die Batterie 2 homogen und effizient heizt.
• Der Ladezustand wird dadurch hauptsächlich um die am Batterie-Innenwiderstand R_i (siehe 2) für die Aufheizung der Batterie umgesetzte Verlustleistung bzw. -energie reduziert. Die Verluste in der in 2 grün dargestellten „Heizung“ sind im Vergleich dazu vernachlässigbar, sodass es sich um ein energieeffizientes Heizverfahren mit minimaler Reduzierung des Batterie-Ladezustands handelt. Für die Zwischenspeicherung der Energie wird der Kondensator C zwischen Plus- und Minuspol der Hochvolt-Batterie geschaltet.
• Die Funktionsweise der Heizung mit Energierückgewinnung basiert auf dem Prinzip des Step-Up-Converters (siehe 3a und 3b), mit dem das Niveau einer Batterie-Gleichspannung U_B auf einen höheren Pegel angehoben werden kann. Dazu wird in der sog. „ON-Phase“ zunächst der zwischen Plus- und Minuspfad implementierte Schalter S₁ geschlossen, so dass sich der Strom I durch die Induktivität L aufbaut. Der Stromanstieg erfolgt entsprechend einem System erster Ordnung mit der Zeitkonstanten T = L/R und damit nach dem Schließen des Schalters S₁ in erster Näherung linear. Dementsprechend wird in diesem Zustand mit zunehmender Zeit Energie in Form des elektromagnetischen Feldes in der Induktivität L gespeichert.
• Nach dem Öffnen des Schalters S₁ (siehe 3c) hält die Induktivität in der sog. „Off-Phase“ den Strom solange aufrecht, bis ihr Feld und damit die in ihr gespeicherte Energie abgebaut ist. Die dabei in der Induktivität induzierte Spannung liegt in Reihe zur Eingangsspannung und hat eine Querspannung $${\text{U}}_{\text{q}}={\text{U}}_{\text{B}}-{\text{U}}_{\text{R}}-{\text{U}}_{\text{i}}={\text{U}}_{\text{B}}-{\text{U}}_{\text{R}}+\text{L dl}/\text{dt}$$

  

  über Diode und Kondensator zur Folge. Obwohl $${\text{U}}_{\text{a}}={\text{U}}_{\text{q}}-{\text{U}}_{\text{Diode}}={\text{U}}_{\text{B}}-{\text{U}}_{\text{R}}+\text{L dl}/\text{dt}-{\text{U}}_{\text{Diode}}$$

  

  gilt, kann durch wiederholtes Schließen und Öffnen des Schalters S₁ mit einer an die Bauteilgrößen angepassten Schaltfrequenz erreicht werden, dass $$\left|\text{L dl}/\text{dt}\right|>\left|{\text{U}}_{\text{R}}+{\text{U}}_{\text{Diode}}\right|$$

  

  wird, sodass auch bei einem Laststrom I_a am Ausgang des Step-Up-Converters eine erhöhte Spannung $${\text{U}}_{\text{a}}>{\text{U}}_{\text{B}}$$

  

  entsteht. Auf Grund dieser Lage der Spannungen zueinander wird es möglich, das o. g. Prinzip des Hochsetzstellers für eine interne Aufheizung der Hochvoltbatterie durch zyklisches Entladen und Laden mit Energierückgewinnung zu nutzen. Dafür ist es erforderlich, die in der Querkapazität gespeicherte Energie wieder in die Batteriezellen zurück zu transferieren. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, einen zweiten Schalter S₂ parallel zur Diode D zu implementieren und antizyklisch zum Schalter S₁ anzusteuern (siehe 4). Die Ansteuerung der Schalter S₁ und S₂ erfolgt dabei zusätzlich mit einer an die Größe der Querkapazität C_q angepassten Verzögerung. So wird der Schalter S₂ nach dem Öffnen des Schalters S₁ wie in 4c gezeigt zunächst noch solange offengehalten, bis die in der Induktivität gespeicherte Energie in der Off-Phase komplett abgebaut und in die Querkapazität C_q transferiert worden ist. Die Spannung der Querkapazität C_q erreicht in diesem Moment ihr Maximum, so dass sich nach Schließen des Schalters S₂ (siehe 4a) der für die gegebenen Bauteilgrößen max. Ladestrom in die Batterie ergibt. Nach dem kompletten Entladen der Querkapazität beginnt der beschriebene Zyklus durch Schließen des Schalters S₁ nach Öffnen des Schalters S₂ erneut (siehe 4b), wobei sowohl der Batterie-Entladestrom als auch der Batterieladestrom über die Batterieinduktivität L und den Batterie-Innenwiderstand R fließt.
• Um ein Überschreiten der maximal zulässigen Stromgrenzen der Li-Ion-Batterie zu verhindern und eine überproportional starke Schädigung zu vermeiden wird vorgeschlagen, die Halbleiterschalter zwar wie oben beschrieben zeitlich synchronisiert anzusteuern, ggfs. jedoch nicht komplett durchzusteuern und die Höhe des Batterie-Stroms in der Entlade- und Ladephase damit wie erforderlich zu begrenzen.
• Da die Halbleiterschalter bei dieser Teildurchsteuerung u. U. Gefahr laufen zu überhitzen wird vorgeschlagen, den Strom in der Entlade- und Ladephase alternativ durch hochfrequentes Ein- und Ausschalten zu begrenzen. Auf Grund der stromdämpfenden Wirkung der Batterie-Induktivität und des Batterie-Innenwiderstands hat eine genügend hochfrequente Ansteuerung der Halbleiterschalter in der Entlade- bzw. Ladephase einen um einen Mittelwert mäandernden Stromverlauf zur Folge. Der Mittelwert hängt dabei für eine gegebene Batterie-Induktivität und einen Batterie-Innenwiderstand von der Ansteuerfrequenz sowie dem Tastverhältnis des Ansteuersignals ab und kann darüber so eingestellt werden, dass kein Überschreiten der Stromgrenzen erfolgt.
• Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass sich die Entlade- und Ladestromgrenzen von Li-Ion-Batterien bei tiefen Temperaturen merklich voneinander unterscheiden. So liegt die Ladestromgrenze z.B. im Bereich <10A und damit sehr niedrig, während die Entladestromgrenze Werte z.B. bis zu 80A annimmt. Um eine minimale Aufheizdauer mit den zulässigen Strömen realisieren zu können, müssen die o.g. Stromgrenzen maximal ausgenutzt werden. Dabei ist jedoch eine möglichst ausgeglichene Entlade-Lade-Bilanz anzustreben, um den Batterie-Ladezustand während der Aufheizphase möglichst minimal zu reduzieren. Die Entladezeit muss daher entsprechend kürzer als die Ladezeit realisiert werden. Dies stellt jedoch erhöhte steuerungs- und regelungstechnische Anforderungen dar, da sich sowohl die Entlade- und Ladedauer als auch die Entlade- und Ladeströme bzw. ihre Amplituden voneinander unterscheiden.
• Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, für die Halbleiterschalter Halbleiter mit unterschiedlicher Stromtragfähigkeit und/oder unterschiedlicher Technologie einzusetzen und diese so zu wählen, dass die Durchlasswiderstände in einem ähnlichen Verhältnis, wie die o.g. Ladestromgrenze und Entladestromgrenze stehen. Da der Strom in der Entladephase über den ersten Halbleiterschalter, in der Ladephase jedoch über den zweiten Halbleiterschalter fließt, kann der steuerungs- und regelungstechnische Aufwand für die Einhaltung der Stromgrenzen reduziert werden, wenn der erste Halbleiterschalter so gewählt wird, das der Durchlasswiderstand nur ca. 12,5% des Durchlasswiderstands des zweiten Halbleiterschalters beträgt. Alternativ kann der erste und zweite Halbleiterschalter so aus mehreren parallel geschalteten Transistoren der gleichen Technologie zusammengesetzt werden, so dass sich für die Parallelschaltungen im durchgeschalteten Zustand resultierende Widerstände im o.g. Verhältnis, also 100% zu 12,5%, ergeben. Bei Verwendung identischer Transistoren für die Realisierung der Halbleiterschalter S1 und S2 ist eine mögliche Ausführung demnach eine Parallelschaltung aus acht Transistoren für die Realisierung des Halbleiterschalters S1 und Verwendung nur eines (identischen) Transistors für die Realisierung des Halbleiterschalters S2. Darüber hinaus möglich ist die Kombinationen 16 parallel geschalteter Transistoren für die Realisierung des Halbleiterschalters S1 und zwei identische Transistoren für die Realisierung des Halbleiterschalters S2. Weitere Kombinationen entsprechend dem o.g. Verhältnis parallel geschalteter Transistoren sind ebenso möglich. In diesen Fällen beschränkt sich der steuerungs- und regelungstechnische Aufwand auf das Ansteuern der Halbleiterschalter wie oben beschrieben. Eine Teildurchsteuerung oder hochfrequente Ansteuerung der Halbleiterschalter zur gezielten Begrenzung des Batterielade- und -entladestroms ist nicht mehr erforderlich.
• Um Kosten und Komplexität der in 4 dargestellten Schaltung zu minimieren und die Steuerung einfach zu halten wird vorgeschlagen, sowohl den zweiten Schalter S₂ als auch die Diode D entfallen zu lassen. Die Ansteuerung der resultierenden, in 5 dargestellten Schaltung beschränkt sich damit auf das zyklische Schließen (5a) und Öffnen (5b) des ersten Schalters S₁ mit einer von Batterie-Innenwiderstand R, -Induktivität L und externem Kondensator C abhängigen Frequenz.
• Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Kondensator C in der „On“-Phase (5a) über den geschlossenen ersten Schalter S₁ nahezu kurzgeschlossen wird. Der einzig begrenzende Parameter für den Kondensatorstrom stellen in dieser Phase der Schalter-Durchlasswiderstand und der Kondensatorinnenwiderstand dar. Da diese Parameter in der Regel klein sind, besteht bei der in 5 dargestellten Schaltungsvariante in der „On“-Phase die Gefahr eines sehr hohen Kondensatorstroms verbunden mit einer potenziellen Kondensatorüberhitzung. Um dieser zu begegnen wird vorgeschlagen, einen zusätzlichen Widerstand und/oder eine zusätzliche Induktivität, wie in den 6a-d dargestellt, vorzusehen. Hierbei zeigen die 6a, 6b die Schaltzustände einer Schaltung beim Entladen der Batterie mit einem zusätzlichen ohmschen Widerstand R_z und die 6c, 6d die Schaltzustände einer Schaltung beim Entladen der Batterie mit einer zusätzlichen Induktivität L_z
• Alternativ zu den in 6a-d gezeigten Ausführungsbeispielen können Zusatzwiderstand R und/oder Zusatzinduktivität L_z auch an einer anderen geeigneten Position, wie in 7 a) & b) bzw. c) & d) dargestellt, implementiert werden. Zusatzwiderstand R und/oder Zusatzinduktivität L_z sind in dieser Ausführungsform unmittelbar an den Minuspol der Batterie angeschlossen. In diesem Fall wirken die beiden Zusatzkomponenten sowohl in der „On“- als auch in der „Off“-Phase strombegrenzend und ermöglichen damit eine niederfrequentere Ansteuerung des Schalters S₁ .
• Analog können Zusatzwiderstand R_z und Zusatzinduktivität L_z auch als strombegrenzende Komponenten im erweiterten Step-Up-Wandler (4) implementiert werden.
• Wie bei der Implementierung einer Zusatzinduktivität L_z für den Heizungs-Ansatz durch hochfrequentes Kurzschließen der Batterie 2 und der entsprechenden Verschaltung von BMCe und Heizung-Control-Unit ist es auch beim Heizen der Batterie 2 durch zyklisches Laden und Entladen mit Energierückgewinnung möglich, zur Spannungsbegrenzung für das BMCe und die Heizungssteuerung eine Zusatzinduktivität L_z wie in 8 dargestellt zu implementieren.
• Der in 8 für den vereinfachten Step-up-Wandler dargestellte Ansatz kann analog auch für den in 4 erweiterten Step-up-Wandler verwendet werden. Entsprechendes gilt für den 9 dargestellten Hoch-/Tiefsetzsteller-Ansatz.
• Die Schaltungstopologie ermöglicht es, durch Taktung des zweiten Schalters S₂ bei geöffnetem ersten Schalter S₁ am Ausgangskondensator C_a eine dem Tastverhältnis des S₂ -Taktsignals proportionale Spannung zu erzeugen. Da das Tastverhältnis nur Werte innerhalb des Intervalls zwischen 0 und 1 annehmen kann, arbeitet die Schaltung bei dieser Art der Schalteransteuerung als Tiefsetzsteller und erzeugt damit am Ausgangskondensator C_a eine Spannung, die kleiner ist als die Batteriespannung U_B , so dass die Batterie entladen wird.
• Alternativ ermöglicht es die Schaltungstopologie, durch Taktung des ersten Schalters S₁ bei geöffnetem zweiten Schalter S₂ einen Hochsetzstellerbetrieb darzustellen. Bei dieser Art der Schaltungsansteuerung erfolgt ein Stromfluss aus dem vorher durch Tiefsetzstellerbetrieb mit einer Spannung U_Ca < U_B aufgeladenen Kondensator in die Batterie.
• Durch periodisches Umschalten zwischen Tief- und Hochsetzstellerbetrieb wird es möglich, die Batterie zyklisch zu entladen und unter Energierückgewinnung wieder zu laden. Dabei kann sowohl im Tief- als auch im Hochsetzstellerbetrieb durch geeignete Wahl des Tastverhältnisses der Schaltertaktungen der Strom eingestellt und die jeweilige Entlade- und Lade-Stromgrenze eingehalten werden.
• Eine kostenminimale Lösung ergibt sich, wenn keine zusätzlichen Bauteile in Form von Halbleiterschaltern, Kondensator und Zusatzwiderstand/-induktivität implementiert werden, sondern die Zwischenspeicherung der Energie im Schwingkreis, bestehend aus Batterie-/Leitungsinduktivität und Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters für den Elektroantrieb und Hochvoltklimakompressor, sowie der Eingangskapazitäten anderer Hochvoltverbraucher (DC/DC-Wandler, HV-Zuheizer), erfolgt (10). Zur Schwingungsanregung werden die Halbleiterschalter im Wechselrichter des Elektro-Antriebs genutzt, so dass auch die Induktivität des Elektro-Antriebs als Teil der Gesamtinduktivität bzw. Induktivität des Schwingkreises genutzt werden kann. Alternativ ist es möglich, auch die Halbleiterschalter im Hochvoltklimakompressor oder anderer Hochvoltverbraucher sowie deren Eingangs-Induktivitäten zu nutzen.
• Der Energietransfer zwischen Batterie und Kapazitäten/Induktivitäten kann prinzipiell in Form sinus- oder sägezahnförmiger Ströme erfolgen. Auch gepulste Ströme sind denkbar, um beispielsweise mehrere Eigenfrequenzen anzuregen und damit ggfs. einen intensiveren Energietransfer zu generieren.
• Das oben beschriebene Verfahren kann vorteilhaft angewendet werden, wenn die Abfahrtzeit des Elektro- oder Elektro-Hybrid-Fahrzeugs informationstechnisch bekannt ist. In diesem Fall ist es möglich, automatisch so rechtzeitig mit der Batterieerwärmung zu beginnen, dass moderate Schwingungsamplituden des Stroms ausreichend sind. Hohe mechanische Spannungen innerhalb der Batterie und der Zellen auf Grund schneller und damit unterschiedlicher Ausdehnung von Materialien können damit vermieden werden.
• Ist die Abfahrtszeit nicht bekannt, so besteht die Möglichkeit, entweder auf die Annäherung eines Funkfahrzeugschlüssels an das Fahrzeug oder die Betätigung des Türkontaktschalters zu reagieren. Auf Grund der nur kurzen Zeit, die für die Erwärmung der Batterie bleibt, muss das oben beschriebene Verfahren mit höheren Stromamplituden umgesetzt werden. Dabei empfiehlt es sich jedoch, eine obere Grenze nicht zu überschreiten, um die mechanischen Spannungen in den Bauteilen innerhalb des erlaubten Bereichs zu halten.
• Bezugszeichenliste

1

Heizung

2

Zellen

3

Schützbaugruppe

4

HV-Batterie

5

Leistungselektronik

6

Traktionsmaschine

7

Leistungselektronik

8

Klimakompressor

9

HV-Zuheizer

10

DC/DC-Wandler

C

Kapazität

C_ZK

Zwischenkreiskapazität

C_a

Ausgangskapazität

C_e

Eingangskapazität

D

Diode

ECU

Steuereinheit

i

Strom

L

(inhärente oder als Bauteil realisierte) Induktivität

L_z

Zusatzinduktivität

L_Hamess

Induktivität des Kabelbaums (inhärent)

R

Innenwiderstand

R_z

Zusatzwiderstand

S

Sicherung

S₁

erster Schalter

S₂

zweiter Schalter

U

Spannung

U_B

Klemmenspannung der Batterie

U_R

Spannung am Widerstand R

U_i

induzierte Spannung

U_Q

Querspannung

• 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 102011085631 A1 [0004]
• DE 19904181 A1 [0005]
• US 6078163 [0006]

Claims (10)

1. Elektrische Schaltung umfassend - eine Eingangsklemme für eine Batterie (2) mit einem Innenwiderstand (R), - eine Induktivität (L), - eine mit ihrem ersten Anschluss an der Eingangsklemme angeschlossene Kapazität (C), welche mit ihrem zweiten Anschluss an eine elektrischen Masse angeschlossen ist, - einen mit seinem ersten Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossenen ersten Schalter (S1), welcher mit seinem zweiten Anschluss an die elektrische Masse angeschlossen ist, und - eine Auswerteeinheit (ECU), welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf einen Bedarf zum Heizen der Batterie (2) - den ersten Schalter (S1) zu schließen, so dass ein Stromfluss durch die Induktivität (L) Energie in der Induktivität (L) speichert und anschließend - den ersten Schalter (S1) zu öffnen, so dass - die Energie einen Stromfluss in die Kapazität (C) verursacht, und anschließend - die sich über der Kapazität (C) einstellende Spannung einen Stromfluss zurück in die Batterie (2) verursacht.
2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 weiter umfassend - eine mit ihrem ersten Anschluss die Eingangsklemme angeschlossene Diode (D), deren zweiter Anschluss an dem ersten Anschluss der Kapazität (C) angeschlossen ist.
3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2 weiter umfassend einen zweiten Schalter (S2), welcher mit seinem ersten Anschluss an die Eingangsklemme und mit seinem zweiten Anschluss an den ersten Anschluss der Kapazität (C) angeschlossen ist und welcher insbesondere der Diode (D) parallel geschaltet ist.
4. Elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (ECU) eingerichtet ist, den ersten Schalter (S1) erneut zu schließen und erneut zu öffnen, sofern der Bedarf zum Heizen der Batterie (2) noch nicht gestillt ist.
5. Elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Schalter (S2) eingerichtet ist, den Stromfluss zurück in die Batterie (2) auf einen in Abhängigkeit einer aktuellen Temperatur der Batterie (2) vordefinierten Wert zu beschränken und/oder bei Erreichen des vordefinierten Wertes den Stromfluss zu unterbrechen.
6. Elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - die Induktivität (L) eine der Batterie (2) und/oder einem Kabelbaum inhärente Induktivität ist und/oder als elektrisches Bauteil einer Leistungselektronik (5, 7), insbesondere einer Traktionsmaschine (6) und/oder eines Klimakompressors (8), ausgestaltet ist und/oder - wobei die Kapazität (C) eine Zwischenkreiskapazität (Czk) ist, welche insbesondere in einem Bordnetz (11) eines Fortbewegungsmittels (10) angeordnet ist.
7. Elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend eine zusätzliche Induktivität (Lz), - deren erster Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossen ist und - deren zweiter Anschluss an den ersten Anschluss des ersten Schalters (S1) angeschlossen ist.
8. Elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schalter (S1, S2) als Halbleiterschalter ausgestaltet ist.
9. Elektrisches Bordnetz für ein Fortbewegungsmittel (10) umfassend eine elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
10. Fortbewegungsmittel umfassend ein elektrisches Bordnetz nach Anspruch 9 und/oder umfassend eine elektrische Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8.

Images