DE102021100253A1

DE102021100253A1 - Batterieheizung für kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102021100253A1
Application number: DE102021100253.2A
Authority: DE
Inventors: Baoming Ge; Lihua Chen; Boris Curuvija; Fan Xu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US20210218085A1; CN113119805A; US11349162B2

Abstract

Diese Offenbarung stellt eine Batterieheizung für Kraftfahrzeuge bereit. Ein Fahrzeugleistungssystem beinhaltet eine Traktionsbatterie; eine elektrische Maschine, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der Traktionsbatterie zu empfangen; Schaltkreise, die zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine verbunden sind und Folgendes beinhalten: Schalterpaare, die parallel geschaltet sind, und einen Kondensator, der mit und zwischen den Paaren verbunden ist, sodass sich der Kondensator einen gemeinsamen Anschluss mit jedem der Schalter der Paare teilt; und eine Steuerung, die zu Folgendem konfiguriert ist: als Reaktion darauf, dass eine Temperatur der Traktionsbatterie unter einem ersten Schwellenwert liegt, Anschalten der Schalter jedes der Paare auf komplementäre Weise mit einer Schaltfrequenz, die einer Resonanzfrequenz entspricht, die durch eine Kapazität des Kondensators und eine Induktivität der Traktionsbatterie definiert ist, um zu bewirken, dass AC-Strom zwischen der Traktionsbatterie und den Schaltkreisen zirkuliert, um Wärme innerhalb der Traktionsbatterie zu erzeugen, und als Reaktion darauf, dass die Temperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet, Abschalten der Schalter.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Heizkreis und eine Heizsteuerung für eine Hochspannungsbatterie für ein Elektrofahrzeug.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Batterieelektrofahrzeuge (battery electric vehicles - BEV) und/oder Hybridelektrofahrzeuge (hybrid electric vehicles - HEV) verwenden Hochspannungsbatterien, um Energie für den Fahrzeugantrieb und verschiedene Arten von Fahrzeugverbrauchern bereitzustellen. Lithium-Ionen-(Li-Ionen-)Batterien werden häufig in BEVs und HEVs verwendet. Aufgrund ihrer Natur können Li-Ionen-Batterien jedoch von kalten Temperaturen beeinflusst werden. Im Allgemeinen gilt, je kälter die Umgebungstemperatur, desto weniger Energie kann die Li-Ionen-Batterie speichern, was die Reichweite des Fahrzeugs reduziert. Zusätzlich können kalte Temperaturen auch das Laden der Batterie beeinflussen. Bestimmte Li-Ionen-Batterien werden womöglich nicht schnell geladen, wenn die Temperatur unter 10 °C liegt.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug beinhaltet eine Traktionsbatterie, die einen DC-Bus aufweist, wobei die Traktionsbatterie eine parasitäre Induktivität und einen Innenwiderstand aufweist; und einen Heizsteuerungskreis, der zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss des DC-Busses der Traktionsbatterie gekoppelt ist, wobei der Heizsteuerungskreis Folgendes beinhaltet: einen ersten und einen dritten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses geschaltet sind, einen zweiten und einen vierten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses parallel zu dem ersten und dritten Schalter geschaltet sind, einen Kondensator, der sich einen ersten gemeinsamen Anschluss mit dem ersten und dritten Schalter und einen zweiten gemeinsamen Anschluss mit dem zweiten und vierten Schalter teilt, eine Gate-Signal-Steuerung, die einen ersten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des ersten und vierten Schalters verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des zweiten und dritten Schalters verbunden ist, aufweist, einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine Batterietemperatur der Traktionsbatterie zu messen, und einen Temperaturkomparator, der dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass verifiziert wird, dass die durch den Temperatursensor gemessene Batterietemperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt, ein Anschaltsignal an die Gate-Signal-Steuerung auszugeben, wobei die Gate-Signal-Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Anschaltsignal empfangen wird, ein erstes Rechteckwellensignal, das ein Tastverhältnis aufweist, über den ersten Ausgangsanschluss auszugeben, um den ersten und vierten Schalter mit einer vordefinierten Schaltfrequenz umzuschalten, die einer Resonanzfrequenz des Kondensators und einer parasitären Induktivität entspricht, und ein zweites Rechteckwellensignal, das zu dem ersten Rechteckwellensignal komplementär ist, über den zweiten Ausgangsanschluss auszugeben, um den zweiten und dritten Schalter umzuschalten, um einen Batteriestrom zu erzeugen, der durch den Innenwiderstand der Traktionsbatterie fließt, um Wärme zu erzeugen.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Wärme für ein elektrisches Leistungsversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs, das eine Fahrzeugtraktionsbatterie, die eine parasitäre Induktivität und einen Innenwiderstand aufweist, und einen Heizsteuerungskreis beinhaltet, wobei der Heizsteuerungskreis Folgendes beinhaltet: einen ersten und einen dritten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss eines DC-Busses der Traktionsbatterie geschaltet sind, einen zweiten und einen vierten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses parallel zu dem ersten und dritten Schalter geschaltet sind, einen Kondensator, der sich einen ersten gemeinsamen Anschluss mit dem ersten und dritten Schalter und einen zweiten gemeinsamen Anschluss mit dem zweiten und vierten Schalter teilt, und eine Gate-Signal-Steuerung, die einen ersten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des ersten und vierten Schalters verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des zweiten und dritten Schalters verbunden ist, aufweist, das Verfahren beinhaltet als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass eine Batterietemperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt, Ausgeben eines ersten Rechteckwellensignals, das ein Tastverhältnis aufweist, über den ersten Ausgangsanschluss, um den ersten und vierten Schalter mit einer vordefinierten Schaltfrequenz umzuschalten, die einer Resonanzfrequenz des Kondensators und einer parasitären Induktivität entspricht, und Ausgeben eines zweiten Rechteckwellensignals, das zu dem ersten Rechteckwellensignal komplementär ist, über den zweiten Ausgangsanschluss, um den zweiten und dritten Schalter umzuschalten, um einen Batteriestrom zu erzeugen, der durch den Innenwiderstand der Traktionsbatterie fließt, um Wärme zu erzeugen; und als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass die Batterietemperatur über einen zweiten Schwellenwert zugenommen hat, Abschalten des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters.
Ein Fahrzeugleistungssystem beinhaltet eine Traktionsbatterie; eine elektrische Maschine, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der Traktionsbatterie zu empfangen; Schaltkreise, die zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine verbunden sind und Folgendes beinhalten: Schalterpaare, die parallel geschaltet sind, und einen Kondensator, der mit und zwischen den Paaren verbunden ist, sodass sich der Kondensator einen gemeinsamen Anschluss mit jedem der Schalter der Paare teilt; und eine Steuerung, die zu Folgendem konfiguriert ist: als Reaktion darauf, dass eine Temperatur der Traktionsbatterie unter einem ersten Schwellenwert liegt, Anschalten der Schalter jedes der Paare auf komplementäre Weise mit einer Schaltfrequenz, die einer Resonanzfrequenz entspricht, die durch eine Kapazität des Kondensators und eine Induktivität der Traktionsbatterie definiert ist, um zu bewirken, dass AC-Strom zwischen der Traktionsbatterie und den Schaltkreisen zirkuliert, um Wärme innerhalb der Traktionsbatterie zu erzeugen, und als Reaktion darauf, dass die Temperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet, Abschalten der Schalter.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm eines elektrifizierten Fahrzeugs, das Kraftübertragungs- und Energiespeicherkomponenten einschließlich einer elektrischen Maschine veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm einer Fahrzeugbatterie mit einer Batterieheizung.
3 ist ein Diagramm des Fahrzeugbatterieheizungskreises.
4 ist ein Wellenformdiagramm des Fahrzeugbatterieheizungskreises.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedenartige und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die in dieser Schrift offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 stellt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 dar, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid-electric vehicle - PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist zudem mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können Antriebs- und Bremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es ermöglichen, dass der Verbrennungsmotor 118 mit effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und es ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor 118 ausgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann zudem ein BEV sein. In einer BEV-Konfiguration kann es sein, dass der Verbrennungsmotor 118 nicht vorhanden ist.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die durch die elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Der Fahrzeugbatteriepack 124 kann einen Ausgang mit Hochspannungsgleichstrom (direct current - DC) bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein (können auch als Traktionswechselrichter bezeichnet werden). Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist zudem elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Zum Beispiel kann die Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (alternating current - AC) arbeiten können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom zum Betreiben der elektrischen Maschinen 114 umwandeln. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen Wandler für variable Spannungen (variable-voltage Converter - VVC) (nicht gezeigt) beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC kann ein DC/DC-Aufwärtswandler sein, der dazu konfiguriert ist, die durch die Traktionsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder hochzusetzen. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Reduzierung der Verdrahtungsgröße für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserem Wirkungsgrad und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-DC-Ausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung umwandelt, die mit Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12-V-Batterie) zum Laden der Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können an den Hochspannungsbus/die Hochspannungsschiene gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Verbraucher 146 können ein Lüfter, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor sein.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu konfiguriert sein, die Traktionsbatterie 124 anhand einer externen Leistungsquelle 136 wiederaufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung mit einer Steckdose handeln. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an ein Ladegerät oder eine Stromtankstelle für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetz oder Stromnetz sein, wie es durch ein Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann Kreise und Steuerelemente bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische DC- oder AC-Leistung bereitstellen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann eine beliebige Art von Anschluss sein, der dazu konfiguriert ist, Leistung von der EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an ein Ladegerät oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit der EVSE 138 eine Schnittstelle bilden, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung Leistung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 abzubremsen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination daraus sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten zum Betreiben der Radbremsen 144 beinhalten. Der Einfachheit halber stellt die Figur eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144 dar. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 ist impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Verlangsamen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zudem autonom arbeiten, um Merkmale wie etwa Stabilitätskontrolle umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Ausüben einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies durch eine andere Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetze kommunizieren. Das Fahrzeugnetz kann eine Vielzahl von Kanälen zur Kommunikation beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzes kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzes kann ein Ethernet-Netz laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzes können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzes übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetz kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die beim Übertragen von Signalen und Daten zwischen Modulen behilflich sind. Das Fahrzeugnetz ist in 1 nicht gezeigt, es kann jedoch impliziert sein, dass das Fahrzeugnetz mit einem beliebigen elektronischen Modul verbunden sein kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Die Traktionsbatterie 124 kann mit einer Heizsteuerung 202 bereitgestellt sein, die dazu konfiguriert ist, die Batterietemperatur zu überwachen und Selbstheizvorgänge zu steuern. 2 stellt ein Blockdiagramm der Traktionsbatterie 124 dar, die an eine Heizsteuerung 202 gekoppelt ist. Die Heizsteuerung 202 kann in verschiedenen Formen an die Traktionsbatterie gekoppelt sein. Als ein in 2 veranschaulichtes Beispiel kann die Heizsteuerung 202 zwischen einem positiven Anschluss 204 und einem negativen Anschluss 206 verbunden in die Traktionsbatterie 124 integriert sein. Die Heizsteuerung 202 kann mit einem oder mehreren Temperatursensoren 208 verbunden sein, die dazu konfiguriert sind, die Temperatur an einer oder mehreren Stellen der Traktionsbatterie zu messen. Aufgrund der spezifischen Konfiguration und Ausgestaltung kann die Traktionsbatterie 124 mehr als eine Batteriezelle (nicht gezeigt) beinhalten, die sich an verschiedenen Stellen der Traktionsbatterie 124 befindet. Die Temperatur kann aufgrund der Stelle der Batteriezellen variieren. Daher können mehrere Temperatursensoren 208 an unterschiedlichen Stellen der Traktionsbatterie 124 positioniert sein, um eine genauere Temperaturmessung bereitzustellen. Die Heizsteuerung 202 kann dazu konfiguriert sein, den Betrieb eines Batterieheizkreises (der nachstehend unter Bezugnahme auf 3 ausführlich erörtert wird) auf Grundlage des Eingangs des Temperatursensors 208 zu steuern. Die Heizsteuerung 202 kann dazu konfiguriert sein, eine automatische Steuerung ohne die Notwendigkeit einer menschlichen Steuereingabe zu sein. Alternativ kann die Heizsteuerung 202 dazu konfiguriert sein, mit anderen Steuerungen des Fahrzeugs 112 wie etwa der Systemsteuerung 148 zu kommunizieren, um menschliche Steuereingaben oder Fernsteuereingaben zu empfangen. Obwohl die Heizsteuerung 202 als in die Traktionsbatterie 124 integriert veranschaulicht ist, wird angemerkt, dass die Heizsteuerung 202 in anderen Ausführungsformen in Abhängigkeit von dem konkreten Ausgestaltungsbedarf von der Traktionsbatterie 124 getrennt sein kann.
3 stellt ein schematisches Diagramm des Batterieheizsteuerungskreises 202 dar. Unter weiterer Bezugnahme auf 1 und 2 kann die Heizsteuerung 202 einen Temperaturkomparator 302 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, die durch die Temperatursensoren 208 gemessene Traktionsbatterietemperatur 304 mit einem vordefinierten Temperaturschwellenwert 306 zu vergleichen, um ein Ausgangssignal bereitzustellen. Der Temperaturkomparator 302 kann verschiedene elektronische Komponenten beinhalten. In dem vorliegenden Beispiel kann der Temperaturkomparator 302 einen Operationsverstärker beinhalten, der dazu konfiguriert ist, den Temperaturdatenvergleichsvorgang durchzuführen. Der Temperaturschwellenwert 306 kann ein vorab festgelegter Wert sein, der von der konkreten Fahrzeug- und Batteriekonfiguration und dem Ausgestaltungsbedarf abhängt. Als ein Beispiel kann der Temperaturschwellenwert 306 auf 10 °C festgelegt sein. Als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass die durch den Temperatursensor 208 gemessene Batterietemperatur 304 unter dem Temperaturschwellenwert 306 liegt, gibt der Temperaturkomparator 302 ein Anschaltsignal an eine Gate-Signal-Steuerung 308 aus, die dazu konfiguriert ist, Gate-Steuersignale an eine oder mehrere Schaltvorrichtungen der Heizsteuerung 202 auszugeben.
Wie in 3 veranschaulicht, kann die Heizsteuerung 202 eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 beinhalten. Die Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 können Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors - IGBT), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors - MOSFET) oder andere Halbleiterschaltvorrichtungen sein. Die Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 können dazu konfiguriert sein, einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss einer Hochspannungsschiene (auch als DC-Schiene, Hochspannungsbus oder DC-Bus bekannt) 318 über einen Resonanzkondensator 320 (nachstehend ausführlich erörtert) selektiv zu koppeln. Die Hochspannungsschiene 318 kann zwischen den positiven/negativen Anschlüssen der Batterie 124 und der elektrischen Maschine 114 sowie anderen Komponenten des Fahrzeugs 112 verbunden sein. Jede der Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 kann eine zugeordnete Diode 322, 324, 326 und 328 aufweisen, die parallelgeschaltet ist, um einen Weg für Induktionsstrom bereitzustellen, wenn sich die Schaltvorrichtung in einem nichtleitenden Zustand befindet. Jede der Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 kann einen Steueranschluss für Steuerungsvorgänge der zugehörigen Schaltvorrichtung aufweisen. Die Steueranschlüsse können elektrisch an die Gate-Signal-Steuerung 308 gekoppelt sein. Die Gate-Signal-Steuerung 308 kann zugehörige Kreise zum Ansteuern und Überwachen der Steueranschlüsse beinhalten.
Der Resonanzkondensator 320 kann einen ersten Anschluss 330, der mit der ersten Schaltvorrichtung K1 310 und der dritten Schaltvorrichtung K3 314 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss 332, der mit der zweiten Schaltvorrichtung K2 312 und der vierten Schaltvorrichtung K4 316 verbunden ist, beinhalten. Die erste Schaltvorrichtung K1 310 kann den positiven Anschluss der Hochspannungsschiene 318 selektiv an den ersten Anschluss 330 des Kondensators 320 koppeln. Die erste Diode 322 kann parallel an die erste Schaltvorrichtung K1 310 gekoppelt sein. Die zweite Schaltvorrichtung K2 312 kann den positiven Anschluss der Hochspannungsschiene 318 selektiv an den zweiten Anschluss 332 des Kondensators 320 koppeln. Die zweite Diode 324 kann parallel an die zweite Schaltvorrichtung K2 312 gekoppelt sein. Die dritte Schaltvorrichtung K3 314 kann den negativen Anschluss der Hochspannungsschiene 318 selektiv an den ersten Anschluss 330 des Kondensators 320 koppeln. Die dritte Diode 326 kann parallel an die dritte Schaltvorrichtung K3 314 gekoppelt sein. Die vierte Schaltvorrichtung K4 316 kann den negativen Anschluss der Hochspannungsschiene 318 selektiv an den zweiten Anschluss 332 des Kondensators 320 koppeln. Die vierte Diode 328 kann parallel an die vierte Schaltvorrichtung K4 316 gekoppelt sein.
Wie in 3 veranschaulicht, kann die Traktionsbatterie 124 eine Streuinduktivität/parasitäre Induktivität Lb 334 beinhalten, die durch verschiedene elektronische Komponenten der Traktionsbatterie 124 verursacht wird. Mit der Induktivität 334 und dem Kondensator 320 kann ein LC-Resonanzkreis mit zweckmäßiger Schaltfrequenz an den Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 erreicht werden. Wenn der LC-Resonanzstrom durch einen Innenwiderstand 336 der Traktionsbatterie 124 fließt, kann Wärme erzeugt werden, um die Batteriezellen warm zu halten. Der Innenwiderstand 336 kann inhärent durch verschiedene Komponenten wie etwa Drähte, Zellen innerhalb der Traktionsbatterie 124 gebildet sein. Alternativ kann der Innenwiderstand 336 zudem einen absichtlichen Widerstand beinhalten, der einen vordefinierten Wert aufweist, der der Traktionsbatterie 124 hinzugefügt wird, um einen gewünschten Erwärmungseffekt in Abhängigkeit von dem konkreten Ausgestaltungsbedarf bereitzustellen. Aufgrund der LC-schwingenden Natur des Kreises weist ein Resonanzstrom I_Batt, der in die Batterie fließt, eine Amplitude auf, die durch die folgende Gleichung berechnet wird: $I_{B a t t} = \sqrt{\frac{C}{L_{b}}} V_{B a t t}$
Da der Strom direkt mit dem Erwärmungseffekt zusammenhängt, kann der Strom IBatt eingestellt und ausgestaltet werden, indem einer oder mehrere der Werte des Kondensators 302, der Induktivität 334 und der Batteriespannung eingestellt werden. Da jedoch die Werte der parasitären Induktivität 334 und der Batteriespannung üblicherweise fest sind, kann die Amplitude des Batteriestroms praktischer eingestellt werden, indem der Kondensator 302 während des Ausgestaltungsprozesses modifiziert wird. Die Resonanzfrequenz kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: $f_{R e s o n a n z} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{b} C}}$
Das folgende Beispiel veranschaulicht den Betrieb des Heizsteuerungskreises 202. Bei einer deaktivierten Bedingung sind alle Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 ausgeschaltet, was unterbindet, dass jeglicher Strom durch den Resonanzkondensator 320 fließt. In einem derartigen Zustand wird kein Batteriestrom durch den Heizsteuerungskreis 202 erzeugt, um Wärme bereitzustellen. Als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass die Batterietemperatur 304 unter dem Temperaturschwellenwert 306 liegt, gibt der Temperaturkomparator 302 ein Anschaltsignal an die Gate-Signal-Steuerung 308 aus, um Gate-Schaltaktivitäten anzuschalten. Der Temperaturschwellenwert 306 kann in Abhängigkeit von dem Ausgestaltungsbedarf vordefiniert sein. Zum Beispiel kann der Temperaturschwellenwert 306 10 °C betragen. Als Reaktion darauf, dass das Anschaltsignal empfangen wird, schaltet die Gate-Signal-Steuerung 308 Gate-Schaltsteuerungen 308 an, um ein Rechteckwellensignal auszugeben und die Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 in einer vordefinierten Reihenfolge und mit einer vordefinierten Zeitsteuerung umzuschalten (d. h. ein-/auszuschalten). In dem unter Bezugnahme auf 3 veranschaulichten vorliegenden Beispiel können die erste und vierte Schaltvorrichtung K1 310 und K4 316 gemeinsam gesteuert werden, damit sie mit einem Tastverhältnis von 50 % gemeinsam umgeschaltet werden, wohingegen die zweite und dritte Schaltvorrichtung K2 312 und K3 314 gemeinsam gesteuert werden können, damit sie eine komplementäre Schaltaktivität durchführen. Mit anderen Worten gilt, wenn die erste und vierte Schaltvorrichtung K1 310 und K4 316 eingeschaltet werden, werden die zweite und dritte Schaltvorrichtung K2 312 und K3 314 ausgeschaltet, und umgekehrt. Die Resonanzfrequenz kann durch die folgende Gleichung ausgestaltet werden: $f_{s w} = \frac{f_{R e s o n a n z}}{2 k}$
wobei während des Betriebs k = 1, 2, 3... gilt. Der spezifische Wert von k kann in Abhängigkeit von dem Ausgestaltungsbedarf ausgewählt werden. Während des Ausgestaltungsprozesses, zum Beispiel, falls die Resonanzfrequenz f_Resonanz bestimmt und festgelegt wird, kann ein höherer Wert von k zu einer niedrigeren Schaltfrequenz fsw führen, was die Anforderung/Vorgabe hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit und Haltbarkeit für die Schaltvorrichtungen reduzieren kann. Mit anderen Worten kann ein höherer Wert von k die Kosten des Kreises reduzieren. In einigen anderen Fällen kann die Schaltfrequenz fsw während des Ausgestaltungsprozesses vorbestimmt werden. Ein höherer Wert von k kann zu einer höheren Resonanzfrequenz f_Resonanz führen, sodass niedrigere Werte für den Resonanzkondensator 302 und/oder die Induktivität 334 erforderlich sind. Diese Situation kann hilfreich sein, wenn die parasitäre Induktivität 334 klein ist und dem Kreis keine absichtlichen Induktoren hinzugefügt werden.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein beispielhaftes Wellenformdiagramm des Batterieheizsteuerungskreises 202 veranschaulicht. Unter weiterer Bezugnahme auf 1-3 werden in dem vorliegenden Beispiel die folgenden Datenwerte zu Demonstrationszwecken ausgewählt: Spannung der Traktionsbatterie 124 V_Batt = 400 V, Wert der Induktivität 334 Lb = 5 µH und Wert des Kondensators 320 C=1,25 µF. Unter Verwendung der vorstehend dargelegten Gleichung (2) kann die Resonanzfrequenz des Heizsteuerungskreises 202 als f_Resonanz = 63,67 kHz berechnet werden. In dem vorliegenden Beispiel ist unter Annahme von k=1 die Schaltfrequenz fsw = f_Resonanz/2 = 31,83 kHz. Wenn die Schaltfrequenz berechnet ist, ist die Schaltperiode tsw = 1/fsw = 31,4 µs. Wie in 4 veranschaulicht, sind ein Schaltaktivitätswellenformdiagramm 402 für die erste und vierte Schaltvorrichtung K1 310 und K4 316 und ein Schaltaktivitätswellenformdiagramm 404 für die zweite und dritte Schaltvorrichtung K2 312 und K3 314 veranschaulicht. Die erste und vierte Schaltvorrichtung K1 310 und K4 316 führen ein komplementäres Schaltverhalten zu der zweiten und dritten Schaltvorrichtung K2 312 und K3 314 durch. Alle Schaltvorrichtungen weisen eine berechnete Schaltperiode von 31,4 µs auf. Wenn die Schaltvorrichtungen die Schaltaktivität mit der vordefinierten Frequenz durchführen, die der LC-Resonanzfrequenz entspricht, wird der Resonanzkondensator 320 mit einer vordefinierten Frequenz geladen und entladen. Gekoppelt mit der Induktivität 334 kann der Kreis 202 mit der unter Verwendung der vorstehend dargelegten Gleichung (2) berechneten Resonanzfrequenz oszillieren/schwingen. Wie in dem Wellenformdiagramm 406 veranschaulicht, ähnelt der Batteriestrom I_Batt einer sinusförmigen AC-Wellenform, die eine Amplitude aufweist, die dem unter Verwendung von Gleichung (1) auf Grundlage der LC-Resonanz berechneten Wert entspricht. Hier ist anzumerken, dass alle Schaltvorrichtungen K1 310, K2 312, K3 314 und K4 316 bei Nullstrom schalten. Daher wird kein Schaltverlust durch die Schaltvorrichtungen erzeugt. Wenn der AC-Strom der Wellenform 406 durch die Traktionsbatterie 124 fließt, kann durch den Innenwiderstand Rb 336 Wärme erzeugt werden, um die Batterie warm zu halten. In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Amplitude des AC-Stroms ungefähr 200 A. In Abhängigkeit von dem spezifischen Ausgestaltungsbedarf kann die Amplitude des AC-Stroms durch Modifizieren des Werts des Kondensators 320 feinabgestimmt werden, um den spezifischen Bedarf zu erfüllen. Die Gate-Signal-Steuerung 308 kann dazu konfiguriert sein, die Gate-Schaltaktivität weiterhin durchzuführen, bis der Temperaturkomparator 302 bestimmt, dass die Batterietemperatur 304 über einem Schwellenwert liegt, der darauf hinweist, dass die Traktionsbatterie 124 aufgewärmt worden ist. Als Reaktion darauf kann der Temperaturkomparator 302 ein Abschaltsignal an die Gate-Signal-Steuerung 308 senden, um das Gate-Schalten anzuhalten. Der Schwellenwert für die Abschaltung kann der gleiche sein wie der Temperaturschwellenwert 306 zum Anschalten des Kreises. Alternativ kann der Abschalttemperaturschwellenwert so festgelegt werden, dass er höher als der Anschaltschwellenwert 306 ist, um einen Spielraum zu lassen und eine übermäßig häufige Anschaltung/Abschaltung der Heizsteuerung 202 zu verhindern.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Gate-Signal-Steuerung ferner dazu konfiguriert, die erste und zweite Rechteckwelle zu einem Zeitpunkt umzuschalten, zu dem der Batteriestrom im Wesentlichen null beträgt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schaltfrequenz eine Funktion von 1/2k, wobei keine natürliche Zahl ist.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalter Transistoren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, die Schalterpaare zu einem Zeitpunkt umzuschalten, zu dem der AC-Strom im Wesentlichen null beträgt.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Traktionsbatterie, die einen DC-Bus aufweist, wobei die Traktionsbatterie eine parasitäre Induktivität und einen Innenwiderstand aufweist; und einen Heizsteuerungskreis, der zwischen einem positiven und einem negativen Anschluss des DC-Busses der Traktionsbatterie gekoppelt ist, wobei der Heizsteuerungskreis Folgendes beinhaltet: einen ersten und einen dritten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses geschaltet sind, einen zweiten und einen vierten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses parallel zu dem ersten und dritten Schalter geschaltet sind, einen Kondensator, der sich einen ersten gemeinsamen Anschluss mit dem ersten und dritten Schalter und einen zweiten gemeinsamen Anschluss mit dem zweiten und vierten Schalter teilt, eine Gate-Signal-Steuerung, die einen ersten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des ersten und vierten Schalters verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des zweiten und dritten Schalters verbunden ist, aufweist, einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine Batterietemperatur der Traktionsbatterie zu messen, und einen Temperaturkomparator, der dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass verifiziert wird, dass die durch den Temperatursensor gemessene Batterietemperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt, ein Anschaltsignal an die Gate-Signal-Steuerung auszugeben, wobei die Gate-Signal-Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass das Anschaltsignal empfangen wird, ein erstes Rechteckwellensignal, das ein Tastverhältnis aufweist, über den ersten Ausgangsanschluss auszugeben, um den ersten und vierten Schalter mit einer vordefinierten Schaltfrequenz umzuschalten, die einer Resonanzfrequenz des Kondensators und einer parasitären Induktivität entspricht, und ein zweites Rechteckwellensignal, das zu dem ersten Rechteckwellensignal komplementär ist, über den zweiten Ausgangsanschluss auszugeben, um den zweiten und dritten Schalter umzuschalten, um einen Batteriestrom zu erzeugen, der durch den Innenwiderstand der Traktionsbatterie fließt, um Wärme zu erzeugen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die vordefinierte Schaltfrequenz einen Wert aufweist, der eine Funktion eines Werts der parasitären Induktivität, einer Kapazität des Kondensators und 2k ist, wobei k eine natürliche Zahl gleich oder größer als eins ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Batteriestrom ein sinusförmiger AC-Strom ist, der eine Amplitude aufweist, die von einem Wert der parasitären Induktivität, einem Kapazitätswert des Kondensators und einer Spannung der Traktionsbatterie abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Gate-Signal-Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die erste und zweite Rechteckwelle zu einem Zeitpunkt umzuschalten, zu dem der Batteriestrom im Wesentlichen null beträgt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Temperaturkomparator ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass verifiziert wird, dass die Batterietemperatur über einen zweiten Schwellenwert zugenommen hat, ein Abschaltsignal an die Gate-Signal-Steuerung auszugeben, um alle Schalter auszuschalten.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der zweite Schwellenwert größer als der vordefinierte Schwellenwert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Heizsteuerungskreis ferner einen zusätzlichen Induktor beinhaltet, der von dem Kondensator durch mindestens einen Schalter getrennt ist, und wobei die vordefinierte Schaltfrequenz einer Resonanzfrequenz des Kondensators, der parasitären Induktivität und einer Induktivität des zusätzlichen Induktors entspricht.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Schalter Bipolartransistoren mit integrierter Gate-Elektrode sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Schalter Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind.
Verfahren zum Erzeugen von Wärme für ein elektrisches Leistungsversorgungssystem eines Kraftfahrzeugs, das eine Fahrzeugtraktionsbatterie, die eine parasitäre Induktivität und einen Innenwiderstand aufweist, und einen Heizsteuerungskreis beinhaltet, wobei der Heizsteuerungskreis Folgendes beinhaltet: einen ersten und einen dritten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss eines DC-Busses der Traktionsbatterie geschaltet sind, einen zweiten und einen vierten Schalter, die in Reihe zwischen dem positiven und negativen Anschluss des DC-Busses parallel zu dem ersten und dritten Schalter geschaltet sind, einen Kondensator, der sich einen ersten gemeinsamen Anschluss mit dem ersten und dritten Schalter und einen zweiten gemeinsamen Anschluss mit dem zweiten und vierten Schalter teilt, und eine Gate-Signal-Steuerung, die einen ersten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des ersten und vierten Schalters verbunden ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss, der mit Steueranschlüssen des zweiten und dritten Schalters verbunden ist, aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass eine Batterietemperatur unter einem vordefinierten Schwellenwert liegt, Ausgeben eines ersten Rechteckwellensignals, das ein Tastverhältnis aufweist, über den ersten Ausgangsanschluss, um den ersten und vierten Schalter mit einer vordefinierten Schaltfrequenz umzuschalten, die einer Resonanzfrequenz des Kondensators und einer parasitären Induktivität entspricht, und Ausgeben eines zweiten Rechteckwellensignals, das zu dem ersten Rechteckwellensignal komplementär ist, über den zweiten Ausgangsanschluss, um den zweiten und dritten Schalter umzuschalten, um einen Batteriestrom zu erzeugen, der durch den Innenwiderstand der Traktionsbatterie fließt, um Wärme zu erzeugen; und als Reaktion darauf, dass detektiert wird, dass die Batterietemperatur über einen zweiten Schwellenwert zugenommen hat, Abschalten des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vordefinierte Schaltfrequenz einen Wert aufweist, der eine Funktion eines Werts der parasitären Induktivität und einer Kapazität des Kondensators und 2k ist, wobei k eine natürliche Zahl gleich oder größer als eins ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Batteriestrom ein sinusförmiger AC-Strom ist, der eine Amplitude aufweist, die von einem Wert der parasitären Induktivität, einem Kapazitätswert des Kondensators und einer Spannung der Traktionsbatterie abhängt, wobei die Gate-Signal-Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die erste und zweite Rechteckwelle zu einem Zeitpunkt umzuschalten, zu dem der Batteriestrom im Wesentlichen null beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der zweite Schwellenwert gleich oder größer als der vordefinierte Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schalter mindestens eines von Folgendem sind: Bipolartransistoren mit integrierter Gate-Elektrode oder Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren.
Fahrzeugleistungssystem, umfassend: eine Traktionsbatterie; eine elektrische Maschine, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der Traktionsbatterie zu empfangen; Schaltkreise, die zwischen der Traktionsbatterie und der elektrischen Maschine verbunden sind und Folgendes beinhalten: Schalterpaare, die parallel geschaltet sind, und einen Kondensator, der mit und zwischen den Paaren verbunden ist, sodass sich der Kondensator einen gemeinsamen Anschluss mit jedem der Schalter der Paare teilt, und eine Steuerung, die zu Folgendem konfiguriert ist: als Reaktion darauf, dass eine Temperatur der Traktionsbatterie unter einem ersten Schwellenwert liegt, Anschalten der Schalter jedes der Paare auf komplementäre Weise mit einer Schaltfrequenz, die einer Resonanzfrequenz entspricht, die durch eine Kapazität des Kondensators und eine Induktivität der Traktionsbatterie definiert ist, um zu bewirken, dass AC-Strom zwischen der Traktionsbatterie und den Schaltkreisen zirkuliert, um Wärme innerhalb der Traktionsbatterie zu erzeugen, und als Reaktion darauf, dass die Temperatur einen zweiten Schwellenwert überschreitet, Abschalten der Schalter.