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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Kraftfahrzeug, wobei das Batteriesystem mindestens eine Batteriezelle und mindestens einen Halbleiterschalter umfasst, und wobei der mindestens eine Halbleiterschalter derart thermisch mit der mindestens einen Batteriezelle gekoppelt ist, dass Wärme von dem mindestens einen Halbleiterschalter zu der mindestens einen Batteriezelle übertragbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, und ein Kraftfahrzeug, welches ein entsprechendes Batteriesystem aufweist.
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Stand der Technik
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Konventionelle Kraftfahrzeuge weisen ein Batteriesystem zur Versorgung eines Anlassers und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Elektrofahrzeuge weisen ein Batteriesystem zur Versorgung eines Traktionsmotors und weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie auf. Ein gattungsgemäßes Batteriesystem umfasst dabei mindestens eine Batteriezelle, vorzugsweise mehrere seriell verschaltete Batteriezellen.
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Ein gattungsgemäßes Batteriesystem umfasst auch mindestens einen Halbleiterschalter um einen Stromfluss durch die Batteriezellen zu steuern. Mittels des Halbleiterschalters kann beispielsweise eine Batteriezelle zugeschaltet, also in eine Reihenschaltung aus mehreren Batteriezellen geschaltet, sowie abgeschaltet, also aus einer solchen Reihenschaltung entfernt werden.
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In solchen Batteriesystemen stellt das Abführen von thermischer Verlustleistung der Halbleiterschalter eine technische Herausforderung dar. In Batteriesystemen mit hoher Leistung treten üblicherweise hohe Ströme von beispielsweise über 500 A, auf. In Abhängigkeit von einem Widerstand des Halbleiterschalters, beispielsweise eines MOSFET, führt dies zu einer sehr starken Erwärmung des Halbleiterschalters und umgebender Strukturen. Die Verwendung aktiver Kühlung für Halbleiterschalter, beispielsweise Flüssigkeitskühlung oder strömende Luft, ist auf Grund von Realisierungskosten, Geräuschentwicklung sowie technischer Komplexität nicht attraktiv. Passive Kühlkonzepte für Halbleiterschalter führen ebenfalls zu Nachteilen bezüglich Kosten, Volumen, Komplexität der technischen Realisierung.
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In konventionellen und neuartigen Batteriesystemen sind der maximale Ladestrom und der maximale Entladestrom, und damit auch die maximale Ladeleistung und die maximale Entladeleistung, bei tiefen Betriebstemperaturen der Batteriezellen von beispielsweise weniger als 0°C, begrenzt. Dies beruht auf Eigenschaften der Batteriezellen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batteriezellen. Daraus resultieren starke Einschränkungen der entnehmbaren Energie bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei einem Kaltstart im Winter. Dies führt unter anderem zu Nachteilen in der Anwendung, beispielsweise zu einer Begrenzung der erreichbaren CO2-Reduktion von Hybridfahrzeugen, bei entsprechend tiefen Temperaturen.
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Aus den Dokumenten
DE 10 2016 213 846 A1 und
US 2018/0029495 A1 ist eine Temperiervorrichtung für ein Batteriesystem eines Kraftfahrzeugs bekannt, welches einen Halbleiterschalter zum Trennen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer Batterie und einem Verbraucher umfasst. Der Halbleiterschalter ist dabei derart thermisch mit einer Temperiereinheit zum Temperieren der Batterie gekoppelt, dass Wärme von dem mindestens einen Halbleiterschalter zu der Temperiereinheit und weiter zu der Batterie übertragbar ist.
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Das Dokument
DE 10 2013 020 961 A1 offenbart ein Batteriesystem mit einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs und mit einer Kühlvorrichtung zum Temperieren der Traktionsbatterie. Das Batteriesystem weist ferner einen Halbleiterschalter zum Zuschalten und Abschalten eines elektrischen Verbrauchers des Fahrzeugs auf, welcher mittels der Kühlvorrichtung temperierbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst mindestens eine Batteriezelle und mindestens einen Halbleiterschalter. Vorzugsweise weist das Batteriesystem mehrere Batteriezellen auf, welche seriell verschaltbar sind. Besonders bevorzugt weist das Batteriesystem mehrere Batteriestränge auf, welche elektrisch parallel verschaltet sind, und welche jeweils mehrere seriell verschaltbare Batteriezellen umfassen.
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Dabei ist der mindestens eine Halbleiterschalter derart thermisch mit der mindestens einen Batteriezelle gekoppelt, dass Wärme von dem mindestens einen Halbleiterschalter zu der mindestens einen Batteriezelle übertragbar ist. In dem mindestens einen Halbleiterschalter entstehende Verlustwärme kann also zu der mindestens einen Batteriezelle übertragen werden, wodurch die besagte Batteriezelle erwärmt wird. Dadurch wird gleichzeitig eine zu starke Erwärmung des mindestens einen Halbleiterschalters vermieden.
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Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Halbleiterschalter dabei in einem linearen Bereich betrieben, bis eine Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle eine vorgegebene Grenztemperatur überschreitet. Die thermische Verlustleistung des Halbleiterschalters wird dabei, direkt oder über eine Kühleinrichtung, an die Batteriezelle abgegeben. Dadurch wird die Betriebstemperatur der Batteriezelle gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht, während der Halbleiterschalter gleichzeitig gekühlt wird.
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Die Grenztemperatur ist vorteilhaft derart gewählt, dass die Batteriezelle bei einer höheren Betriebstemperatur einen höheren maximalen Ladestrom und einen höheren maximalen Entladestrom zur Verfügung stellen kann, im Vergleich zum Betrieb ohne Erwärmung, und somit auch eine höhere maximale Ladeleistung und eine höhere maximale Entladeleistung erbringen kann. Derartig verbesserte momentane Leistungswerte ermöglichen beispielsweise einen Kaltstart des Verbrennungsmotors aus der Batterie oder die Verfügbarkeit von Rekuperationsfunktionen direkt nach dem Losfahren des Fahrzeugs bei kalten Umgebungstemperaturen, welche ohne die geschilderte Temperierung nur nach mehreren Minuten Fahrdauer zur Verfügung stehen würden. Die besagte Grenztemperatur ist dabei insbesondere von Aufbau und Eigenschaften der verwendeten Batteriezelle abhängig. Bei einer Lithium-Ionen-Batteriezelle kann die Grenztemperatur beispielsweise gleich 15°C gewählt werden.
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Bei dem mindestens einen Halbleiterschalter handelt es sich beispielsweise um einen Feldeffekttransistor, insbesondere um einen MOSFET-Transistor, welcher einen GATE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen SOURCE-Anschluss aufweist. In dem linearen Bereich, welcher auch Triodenbereich, ohmscher Bereich oder aktiver Bereich genannt wird, liegt bei einem Anreicherungs-MOSFET eine GATE-SOURCE-Spannung über einer Schwellenspannung. Dadurch entsteht ein durchgehender Kanal zwischen DRAIN und SOURCE. Der lineare Bereich wird durch eine Kennlinie einer Grenzspannung zu einem Sättigungsbereich hin begrenzt. In dem linearen Bereich weist der Halbleiterschalter zwischen DRAIN und SOURCE zumindest annähernd ein Verhalten eines ohmschen Widerstands auf.
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In dem linearen Bereich des Halbleiterschalters ergibt sich im Vergleich zu dem Sättigungsbereich ein verhältnismäßig hoher Widerstand des Halbleiterschalters. In Folge dessen wird ein Entladestrom aus der Batteriezelle durch den Halbleiterschalter begrenzt. Der Stromfluss durch den Halbleiterschalter führt, wie bereits erwähnt, zu einer Erwärmung des Halbleiterschalters. Dadurch wird eine verhältnismäßig hohe Verlustleistung von dem Halbleiterschalter an die Batteriezelle abgegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens einen Batteriezelle eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Die Schalteinheit umfasst dabei einen ersten Halbleiterschalter, welcher elektrisch seriell zu der Batteriezelle geschaltet ist, und einen zweiten Halbleiterschalter, welcher elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle und dem ersten Halbleiterschalter geschaltet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der erste Halbleiterschalter in einem linearen Bereich betrieben, bis die Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle die vorgegebene Grenztemperatur überschreitet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zweite Halbleiterschalter in einem linearen Bereich betrieben, bis die Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle die vorgegebene Grenztemperatur überschreitet.
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Es ist natürlich auch denkbar, den ersten Halbleiterschalter und den zweiten Halbleiterschalter jeweils in einem linearen Bereich zu betreiben, bis die Betriebstemperatur der mindestens einen Batteriezelle die vorgegebene Grenztemperatur überschreitet.
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Es wird auch ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Batteriesystem umfasst mindestens eine Batteriezelle und mindestens einen Halbleiterschalter. Vorzugsweise weist das Batteriesystem mehrere Batteriezellen auf, welche seriell verschaltbar sind. Besonders bevorzugt weist das Batteriesystem mehrere Batteriestränge auf, welche elektrisch parallel verschaltet sind, und welche jeweils mehrere seriell verschaltbare Batteriezellen umfassen. Dabei ist der mindestens eine Halbleiterschalter derart thermisch mit der mindestens einen Batteriezelle gekoppelt, dass Wärme von dem mindestens einen Halbleiterschalter zu der mindestens einen Batteriezelle übertragbar ist.
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Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist dabei zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu weist das Batteriesystem beispielsweise ein Batteriemanagementsystem mit entsprechender Hardware in Form eines Mikroprozessors und Speicher, sowie entsprechenden Programmcode auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens einen Batteriezelle eine Schalteinheit zugeordnet, mittels welcher die Batteriezelle zuschaltbar sowie abschaltbar ist. Die Schalteinheit umfasst dabei einen ersten Halbleiterschalter, welcher elektrisch seriell zu der Batteriezelle geschaltet ist, und einen zweiten Halbleiterschalter, welcher elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle und dem ersten Halbleiterschalter geschaltet ist.
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Eine Batteriezelle des erfindungsgemäßen Batteriesystems umfasst vorzugsweise eine Elektrodeneinheit, welche in einem Zellengehäuse angeordnet ist. Die Batteriezelle weist ferner beispielsweise ein negatives Terminal und ein positives Terminal auf, welche aus dem besagten Zellengehäuse herausragen und elektrisch mit der Elektrodeneinheit verbunden sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Halbleiterschalter unmittelbar an einem Zellengehäuse der mindestens einen Batteriezelle angeordnet. Dadurch wird die von dem Halbleiterschalter erzeugte Verlustleistung durch das Zellengehäuse hindurch an die Elektrodeneinheit der Batteriezelle übertragen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Halbleiterschalter innerhalb eines Zellengehäuses der mindestens einen Batteriezelle angeordnet. Dadurch wird die von dem Halbleiterschalter erzeugte Verlustleistung innerhalb des Zellengehäuses die Elektrodeneinheit der Batteriezelle übertragen.
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Gemäß noch einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Halbleiterschalter unmittelbar an einer Kühlvorrichtung angeordnet, welche von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird. Dadurch wird die von dem Halbleiterschalter erzeugte Verlustleistung an das flüssige Kühlmedium übertragen und von dem flüssigen Kühlmedium an die Elektrodeneinheit der Batteriezelle übertragen.
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Es wird auch ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das ein erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
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Vorteile der Erfindung
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Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine gezielte und schnelle Erwärmung von Batteriezellen eines erfindungsgemäßen Batteriesystems bei tiefen Umgebungstemperaturen ermöglicht. Dabei wird die vergleichsweise große thermische Kapazität von Batteriezellen genutzt, um Halbleiterschalter mit vergleichsweise geringer thermischer Kapazität zu entwärmen. Dies ist insbesondere nützlich, um trotz hoher Momentanströme eine kostengünstige, technisch geringkomplexe Realisierung der Entwärmung zu erreichen. Die ungewünschten Begrenzungen von Entladestrom, Leistung und nutzbarem Energieinhalt der Batteriezellen werden trotz kalter Umgebungstemperaturen bei Erwärmen der Batteriezellen vor einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs vermieden. Bei Erwärmen der Batteriezellen während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs treten die ungewünschten Begrenzungen zeitlich deutlich verkürzt auf.
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In einem erfindungsgemäßen Batteriesystem wird insbesondere vermieden, dass die Kühlung der Halbleiterschalter für kurzzeitige Strompulse großer Amplitude ausgelegt werden müssen. Dies würde nämlich wegen des quadratischen Zusammenhangs zwischen Verlustleistung und Strom zu deutlich komplexeren und teureren Ausführungen einer erforderlichen Kühleinrichtung führen. In einem erfindungsgemäßen Batteriesystem kann die erforderliche Kühleinrichtung für einen typischen, deutlich geringeren Strom ausgelegt werden. Die Erwärmung der Halbleiterschalter durch kurzzeitige Strompulse wird durch die genannten Ausführungen begrenzt.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit mehreren Batteriesträngen,
- 2 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit mit einer abgeschalteten Batteriezelle,
- 3 eine schematische Darstellung einer Zelleinheit mit einer zugeschalteten Batteriezelle und
- 4 eine schematische Darstellung eines Ausgangskennlinienfeldes eines Halbleiterschalters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 10 mit mehreren, vorliegend zwei, Batteriesträngen 7. Die Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 sind vorliegend elektrisch parallel verschaltet. Die Nennspannung des Batteriesystems 10 beträgt beispielsweise 48V. Das Batteriesystem 10 weist einen negativen Pol 21 und einen positiven Pol 22 auf. Zwischen den Polen 21, 22 liegt eine Ausgangsspannung an, die zumindest annähernd der Nennspannung entspricht.
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Jeder der Batteriestränge 7 weist eine Gesamtzahl von elektrisch seriell verschaltbaren Batteriezellen 2 auf. Jede der Batteriezellen 2 liefert eine Zellenspannung. Eine von dem Batteriestrang 7 gelieferte Strangspannung entspricht der Summe der Zellenspannungen der jeweils seriell verschalteten Batteriezellen 2.
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Die Batteriestränge 7 des Batteriesystems 10 sind, wie bereits erwähnt, elektrisch parallel verschaltet und mit dem negativen Pol 21 sowie mit dem positiven Pol 22 elektrisch verbunden. Somit sind die Strangspannungen der Batteriestränge 7 gleich und entsprechen der Ausgangsspannung des Batteriesystems 10.
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Jeder der Batteriezellen 2 eines Batteriestrangs 7 ist eine Schalteinheit 60 zugeordnet. Mittels der Schalteinheit 60 ist die betreffende Batteriezelle 2 zuschaltbar sowie abschaltbar. Eine Batteriezelle 2 ist zugeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 des Batteriestrangs 7 elektrisch seriell verschaltet ist. Eine Batteriezelle 2 ist abgeschaltet, wenn sie mit anderen Batteriezellen 2 nicht elektrisch seriell verschaltet sondern überbrückt ist. Eine Batteriezelle 2 und die zugeordnete Schalteinheit 60 bilden eine Zelleinheit 30.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 eines Batteriestrangs 7 mit einer abgeschalteten Batteriezelle 2. Die Batteriezelle 2 weist ein negatives Terminal 15 und ein positives Terminal 16 auf. Die Batteriezelle 2 umfasst eine Elektrodeneinheit, welche eine Anode und eine Kathode aufweist. Die Anode ist dabei mit dem negativen Terminal 15 verbunden, und die Kathode ist mit dem positiven Terminal 16 verbunden. Zwischen den beiden Terminals 15, 16 der Batteriezelle 2 liegt die Zellenspannung an.
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Die Schalteinheit 60 weist einen ersten Halbleiterschalter 61 und einen zweiten Halbleiterschalter 62 auf. Der erste Halbleiterschalter 61 ist elektrisch seriell zu der Batteriezelle 2 geschaltet. Der zweite Halbleiterschalter 62 ist elektrisch parallel zu der Serienschaltung aus der Batteriezelle 2 und dem ersten Halbleiterschalter 61 geschaltet.
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In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Halbleiterschalter 61 geöffnet und der zweite Halbleiterschalter 62 ist geschlossen. Die Batteriezelle 2 ist somit durch den zweiten Halbleiterschalter 62 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit abgeschaltet. Die Zelleinheit 30 liefert somit keine Ausgangsspannung sondern stellt einen elektrischen Kurzschluss dar.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Zelleinheit 30 eines Batteriestrangs 7 mit einer zugeschalteten Batteriezelle 2. Es handelt sich dabei um die in 2 gezeigte Zelleinheit 30, welche die Schalteinheit 60 aufweist. In der in 3 gezeigten Darstellung befindet sich die Zelleinheit 30 in einem anderen Schaltzustand als in der in 2 gezeigten Darstellung.
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In der hier gezeigten Darstellung ist der erste Halbleiterschalter 61 geschlossen und der zweite Halbleiterschalter 62 ist geöffnet. Die Batteriezelle 2 ist somit nicht durch den zweiten Halbleiterschalter 62 überbrückt. Die Batteriezelle 2 ist somit zugeschaltet. Die Zelleinheit 30 liefert eine Ausgangsspannung, welche näherungsweise der Zellenspannung der Batteriezelle 2 entspricht.
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Bei einer seriellen Verschaltung mehrerer Batteriezellen 2 in dem Batteriestrang 7 ist somit jeweils das negative Terminal 15 einer Batteriezelle 2 mit dem positiven Terminal 16 der benachbarten Batteriezelle 2 oder mit dem negativen Pol 21 des Batteriesystems 10 elektrisch verbunden. Ebenso ist das positive Terminal 16 einer Batteriezelle 2 mit dem negativen Terminal 15 der benachbarten Batteriezelle 2 oder mit dem positiven Pol 22 des Batteriesystems 10 elektrisch verbunden
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausgangskennlinienfeldes eines der in 2 und 3 dargestellten Halbleiterschalters 61, 62. Bei den besagten Halbleiterschaltern 61, 62 der Schalteinheit 60 handelt es sich beispielsweise um Feldeffekttransistoren, insbesondere um MOSFET-Transistoren. Ein solcher Feldeffekttransistor weist einen GATE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen SOURCE-Anschluss auf. Vorliegend ist das Ausgangskennlinienfeld eines Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp dargestellt.
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In dem Ausgangskennlinienfeld ist auf der Abszissenachse eine zwischen dem DRAIN-Anschluss und dem SOURCE-Anschluss des Halbleiterschalters 61, 62 anliegende DRAIN-SOURCE-Spannung UDS aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist ein von dem DRAIN-Anschluss zu dem SOURCE-Anschluss des Halbleiterschalters 61, 62 fließender DRAIN-SOURCE-Strom IDS aufgetragen. Zwischen dem GATE-Anschluss und dem SOURCE-Anschluss liegt eine GATE-SOURCE-Spannung UGS an.
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Das Ausgangskennlinienfeld weist einen linearen Bereich
A1, einen Sättigungsbereich
A2 und einen Sperrbereich
A3 auf. Der lineare Bereich
A1 und der Sättigungsbereich
A2 werden durch eine Kennlinie einer Grenzspannung Usat zueinander begrenzt. Für die Grenzspannung Usat gilt:
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UTH ist dabei eine Schwellenspannung des Halbleiterschalters 61, 62.
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In dem linearen Bereich A1 liegt die GATE-SOURCE-Spannung UGS über der Schwellenspannung des Halbleiterschalters 61, 62. Dadurch entsteht ein durchgehender Kanal zwischen DRAIN und SOURCE. In dem linearen Bereich A1 weist der Halbleiterschalter 61, 62 zwischen DRAIN und SOURCE zumindest annähernd ein Verhalten eines ohmschen Widerstands auf. In dem linearen Bereich A1 des Halbleiterschalters 61, 62 ergibt sich im Vergleich zu dem Sättigungsbereich A2 ein verhältnismäßig hoher Widerstand des Halbleiterschalters 61, 62.
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Im dem Sättigungsbereich A2 weist der Halbleiterschalter 61, 62 einen verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand auf. Der Halbleiterschalter 61, 62 verhält sich in dem Sättigungsbereich A2 ähnlich wie ein geschlossener Schalter und ist für den fließenden DRAIN-SOURCE-Strom IDS leitend, mit einem im Vergleich zum Linearbetrieb kleinen elektrischen Widerstand.
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Im dem Sperrbereich A3 weist der Halbleiterschalter 61, 62 einen sehr hohen elektrischen Widerstand auf. Der Halbleiterschalter 61, 62 verhält sich in dem Sperrbereich A3 ähnlich wie ein offener Schalter und ist für den DRAIN-SOURCE-Strom IDS sperrend.
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Der erste Halbleiterschalter 61 und der zweite Halbleiterschalter 62 sind von einem hier nicht dargestellten Batteriemanagementsystem ansteuerbar. Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 61, 62 sind verschiedene Ansteuerkonzepte denkbar, beispielsweise über eine Konstantstromquelle oder eine Kombination aus Strommessung und Mikrocontroller.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016213846 A1 [0006]
- US 2018/0029495 A1 [0006]
- DE 102013020961 A1 [0007]
