DE102021210919A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Heizen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Heizen einer Batterie (52) eines Kraftfahrzeuges (50), die eine erste Heizvorrichtung (11) und eine zweite Heizvorrichtung (13) aufweist, wobei die erste Heizvorrichtung (11) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei die zweite Heizvorrichtung (13) keinen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, und wobei die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die Batterie (52) selektiv mit der ersten Heizvorrichtung (11) oder der zweiten Heizvorrichtung (13) oder mit beiden Heizvorrichtungen zu beheizen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Heizen einer Batterie sowie ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen.
  • Aus dem Stand der Technik sind Aktivierungs- und/oder Funktionsprobleme bei Kraftfahrzeugen mit elektrischem Antrieb bei tiefen Temperaturen bekannt. So kann beispielsweise bei einer bordeigenen Batterie die Ausgangsleistung einer Heizeinheit wegen einer kalten Umgebung des Kraftfahrzeuges unzureichend sein, sodass aufgrund der folgenden unzureichenden elektrischen Energiezufuhr von der Batterie zum Elektromotor keine ausreichende Ausgangsleistung durch den Elektromotor bereitgestellt werden kann. Dabei ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, Heizeinheiten mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) zu verwenden. Dies beschreibt beispielsweise die DE 10 2015 218 226 A1 . Allerdings besteht bei einem solchen System keine Korrekturmöglichkeit beim Ausfallen der Heizeinheit.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges derart weiterzuentwickeln, dass diese robust ist und gleichzeitig auch selektiv an verschiedene Ausgangssituationen anpassbar ist.
  • Gelöst wird die vorgenannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Heizen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges, die eine erste Heizvorrichtung und eine zweite Heizvorrichtung aufweist, wobei die erste Heizvorrichtung einen positiven Temperaturkoeffizienten, jedoch die zweite Heizvorrichtung keinen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
  • Ferner ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die Batterie selektiv mit der ersten Heizvorrichtung oder der zweiten Heizvorrichtung oder beiden Heizvorrichtungen zu beheizen. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Kraftfahrzeug mit elektrischem Antrieb, bspw. ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
  • Die erste Heizvorrichtung ist als Heizvorrichtung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, in anderen Worten als Positiv-Temperature-Coeffizient (PTC)-Heizelement ausgebildet. Darunter ist insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung zu verstehen, die einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist. Typischerweise besteht ein derartiges PTC-Heizelement aus einem oder mehreren Keramikpellets, die als entsprechender Widerstand dienen. Im kalten Zustand ist der Widerstand niedrig, sodass ein entsprechend hoher Strom fließt. Dadurch wird die gewünschte starke Heizleistung erreicht, und die zu wärmende Batterie kommt schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur. Je heißer das PTC-Heizelement wird, desto größer ist der Widerstand, und die Heizleistung sinkt entsprechend. Aufgrund dieser Temperaturselbstregelung ist eine Überhitzung ausgeschlossen. Mit anderen Worten ist das PTC-Heizelement als dynamisches selbstregelndes Heizelement ausgebildet. Die zweite Heizvorrichtung ist hingegen nicht als PTC-Heizelement ausgebildet ist und beruht somit auf einer unterschiedlichen Technologie, die keine zusätzlichen neuen Bauteile im Fahrzeug benötigt, sondern nur den vorhandenen Elektroantrieb selbst nutzt.
  • Beide Heizvorrichtungen sind dazu ausgebildet, ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes, in den die Batterie eingebunden ist, zu beheizen und auf diese Weise die Batterie zu erwärmen. So fließt Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes durch beide Heizvorrichtungen. Die Vorrichtung kann vor allem eine Mischeinheit umfassen, die das jeweils von den Heizvorrichtungen erwärmte Kühlmittel abhängig vom Insassenwunsch, in anderen Worten Kundenwunsch, miteinander mischt und dann der Batterie zuführt.
  • Insbesondere ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, die Batterie auf Basis eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges hinsichtlich einer Schnelligkeit des Heizens und/oder einer Reichweite des Kraftfahrzeuges selektiv mit der ersten Heizvorrichtung oder der zweiten Heizvorrichtung oder beiden Heizvorrichtungen zu beheizen. Insbesondere kann der Insasse die Schnelligkeit des Heizens und/oder die Reichweite des Kraftfahrzeuges priorisieren.
  • Die Vorrichtung ist somit dazu ausgebildet, abhängig von einem wählbaren Kundenwunsch, die Heizvorrichtungen selektiv anzusteuern. Somit kann die Heizleistung optimal an den Kundenwusch angepasst werden. Durch das Vorsehen der zweiten Heizvorrichtung ist ferner eine redundante Heizvorrichtung auf Basis einer unterschiedlichen Technik im Vergleich zur ersten Heizvorrichtung vorgesehen und dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit drastisch reduziert. Es besteht somit eine Korrekturmöglichkeit zur Herstellung der Funktionsfähigkeit bei Ausfall einer der Heizvorrichtungen. Es besteht zusätzlich ein kommerzieller Vorteil, da für gleiche maximale Gesamtheizleistung der PTC Heizwiderstand jetzt leistungsschwächer ausgelegt werden kann.
  • Insbesondere weist die Vorrichtung ein Eingabemodul auf, wobei dieses zur Eingabe eines Wunsches des Insassen hinsichtlich der Schnelligkeit des Heizens und/oder der Reichweite für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist. Bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang, in anderen Worten einer Priorisierung des Heizvorgangs, ist die Heizvorrichtung dazu ausgebildet, die Batterie mit beiden Heizvorrichtungen zu beheizen, wobei bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite, in anderen Worten einer Priorisierung der Reichweite, die Batterie mit nur einer Heizvorrichtung beheizt werden kann. Abhängig zwischen den beiden extremen Parametern der maximalen Reichweite oder des schnellstmöglichen Heizens, und somit der frühestmöglichen Startmöglichkeit, kann somit die Vorrichtung selektiv die beiden oder nur eine Heizvorrichtung betreiben. Auch können sämtliche Zwischenzustände durch eine entsprechende selektive Ansteuerung erreicht werden. Diese Zwischenzustände können vor allem durch Einstellen eines Mischverhältnisses der Mischeinheit realisiert werden. Das Verfahren kann ferner das Ermitteln eines Mischverhältnisses auf Basis des Kundenwunsches umfassen.
  • Insbesondere kann die Vorrichtung ein Steuermodul aufweisen, das den mittels Eingabemodul eingegebenen Wunsch des Insassen in ein Steuersignal für beide Heizvorrichtungen und/oder die Mischeinheit umsetzt.
  • Die zweite Heizvorrichtung kann insbesondere zum Verlustheizen aus einem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein PTC-Heizelement mit einer Heizvorrichtung zum Verlustheizen über den Elektroantrieb und somit unterschiedliche Heiztechniken optimal miteinander kombiniert. Dabei entsteht ein Kostenvorteil, da das Verlustheizen lediglich über eine Steuerung eines Pulswechselrichters des elektrischen Antriebs erreicht werden kann und somit keine aufwendigen zusätzlichen Komponenten notwendig sind.
  • Ferner kann die zweite Heizvorrichtung ein Energiespeichersystem zum elektrischen Heizen der Batterie umfassen. Bei dem Energiespeichersystem kann es sich beispielsweise um einen Kondensator oder eine thermisch geschützte Zusatzbatterie handeln. Die Batterie kann somit über das zusätzliche Energiespeichersystem beheizt werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beheizen einer Batterie eines Kraftfahrzeuges, wobei das Verfahren das Beheizen einer Batterie mit einer oben beschriebenen Vorrichtung umfassend eine erste Heizvorrichtung und eine zweite Heizvorrichtung umfasst. Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Abfragen eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges mit Hilfe eines Eingabemoduls, wobei sich der Wunsch des Insassen auf eine Schnelligkeit des Heizens und/oder eine Reichweite des Kraftfahrzeuges bezieht. Das Verfahren umfasst vorzugsweise ein Beheizen der Batterie mit beiden Heizvorrichtungen bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang. Ferner kann das Verfahren ein Beheizen der Batterie mit nur einer Heizvorrichtung bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite des Kraftfahrzeuges umfassen.
  • Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens für die Batterie kann sowohl im Standbetrieb als auch im Fahrbetrieb genutzt werden. Im Fahrbetrieb kann vorzugsweise kein Kundenwunsch möglich sein und das Steuermodul kann daher das Eingabemodul ausschalten. Gleichzeitig stellt das Steuermodul automatisch auf optimale Reichweite. Dem Steuermodul werden Informationen zum Eigenenergieverbrauch der ersten und/oder zweiten Heizvorrichtungen zur Verfügung gestellt. Diese Informationen stehen aus den Herstellerspezifikationen der Heizvorrichtungen zur Verfügung und sind vorteilhafterweise in dem Steuermodul hinterlegt. Auch wird die Außentemperatur bereitgestellt. Abhängig von den Umgebungsbedingungen prüft das Steuermodul, welche Heizleistung für die Batterie für eine optimale, vorzugsweise maximale, Reichweite am besten ist. Die erste und/oder zweite Heizvorrichtung werden im Fahrbetrieb so gesteuert, dass die Batterie immer bei optimaler Arbeitstemperatur im Hinblick auf die Reichweite des Fahrzeugs arbeiten kann.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug umfassend eine oben beschriebene Vorrichtung. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug einen elektrischen Antrieb und eine Batterie.
  • Es zeigen in rein schematischer Darstellung
    • 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
    • 2: eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung; und
    • 3: ein Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10, umfassend eine erste Heizvorrichtung 11 und eine zweite Heizvorrichtung 13. Bei der ersten Heizvorrichtung handelt es sich um eine Heizvorrichtung mit einem PTC-Widerstand, in anderen Worten um ein PTC-Heizelement 15. Bei der zweiten Heizvorrichtung 13 handelt es sich um eine Heizvorrichtung zum Verlustheizen aus einem elektrischen Antrieb 51 des Kraftfahrzeuges 50.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst ein Eingabemodul 16, mit dem der Wunsch eines Insassen eingegeben werden kann, und ein Steuermodul 17, das auf Basis des Wunsches ein Steuersignal an die beiden Heizvorrichtungen bzw. eine Mischeinheit 18 weitergibt. Die Mischeinheit 18 ist dazu ausgebildet, einen ersten Wärmestrom 12, der aus der ersten Heizvorrichtung 11 resultiert, und einen zweiten Wärmestrom 14, der aus der zweiten Heizvorrichtung 13 resultiert, nach einem auf Basis des Insassenwunsches ermittelten Verhältnis miteinander zu mischen. Bei dem Medium für die Wärmeströme handelt es sich um ein jeweils beheiztes Kühlmittel. Dieses wird der Batterie 52 zugeführt und diese somit erwärmt.
  • In 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 10 gezeigt, die bis auf die folgenden Unterschiede analog zu der Vorrichtung der 1 ausgebildet ist:
    • Die zweite Heizvorrichtung 13 ist nicht zum Verlustheizen ausgebildet, sondern umfasst einen zusätzlichen Energiespeicher 19, über den die Batterie 52 über den zweiten Wärmestrom 14 beheizt werden kann.
  • In 3 ist ein Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 gezeigt, das ein selektives Beheizen 101 einer Batterie 52 mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung 10 umfassend eine erste Heizvorrichtung 11 und eine zweite Heizvorrichtung 13 unter Verwendung nur einer oder beider Heizvorrichtungen umfasst. Das Verfahren 100 kann das Abfragen 102 eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges mittels eines Eingabemoduls 16 umfassen, wobei sich der Wunsch insbesondere auf eine Geschwindigkeit des Heizens der Batterie oder auf eine Reichweite des Kraftfahrzeuges bezieht. Ferner umfasst das Verfahren 100 ein Heizen 103 mit beiden Heizvorrichtungen bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang und das Beheizen 104 nur einer Heizvorrichtung bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    11
    erste Heizvorrichtung
    12
    erster Wärmestrom
    13
    zweite Heizvorrichtung
    14
    zweiter Wärmestrom
    15
    PTC-Heizelement
    16
    Eingabemodul
    17
    Steuermodul
    18
    Mischeinheit
    19
    zusätzlicher Energiespeicher
    50
    Fahrzeug
    51
    elektrischer Antrieb
    52
    Batterie
    100
    Verfahren
    101
    Beheizen einer Batterie mit einer Vorrichtung umfassend eine erste Heizvorrichtung und eine zweite Heizvorrichtung
    102
    Abfragen eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges mittels eines Eingabemoduls
    103
    Beheizen der Batterie mit beiden Heizvorrichtungen bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang
    104
    Beheizen der Batterie mit nur einer Heizvorrichtung bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite
  • 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 102015218226 A1 [0002]

Claims (11)

  1. Vorrichtung (10) zum Heizen einer Batterie (52) eines Kraftfahrzeuges (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine erste Heizvorrichtung (11) und eine zweite Heizvorrichtung (13) aufweist, wobei die erste Heizvorrichtung (11) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei die zweite Heizvorrichtung (13) keinen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die Batterie (52) selektiv mit der ersten Heizvorrichtung (11) oder der zweiten Heizvorrichtung (13) oder mit beiden Heizvorrichtungen zu beheizen.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, die Batterie (52) auf Basis eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges (50) hinsichtlich einer Schnelligkeit des Heizens und/oder einer Reichweite des Kraftfahrzeuges (50) selektiv mit der ersten Heizvorrichtung (11) oder der zweiten Heizvorrichtung (13) oder mit beiden Heizvorrichtungen zu beheizen.
  3. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein Eingabemodul (16) umfasst, wobei das Eingabemodul (16) zur Eingabe eines Wunsches des Insassen hinsichtlich einer Schnelligkeit des Heizens und/oder einer Reichweite des Kraftfahrzeuges (50) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang die Batterie (52) mit beiden Heizvorrichtungen zu beheizen und bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite die Batterie (52) mit nur einer Heizvorrichtung zu beheizen.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Heizvorrichtung (13) zum Verlustheizen aus einem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Heizvorrichtung (13) einen zusätzlichen Energiespeicher (19) zum elektrischen Heizen der Batterie (52) umfasst.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) dazu ausgebildet ist, in einem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges (50) die Batterie (52) selektiv mit der ersten Heizvorrichtung (11) oder der zweiten Heizvorrichtung (13) oder mit beiden Heizvorrichtungen derart zu beheizen, dass eine maximale Reichweite erreicht wird.
  7. Verfahren (100) zum Beheizen einer Batterie (52) eines Kraftfahrzeuges (50), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Beheizen (101) der Batterie (52) mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassend eine erste Heizvorrichtung (11) und eine zweite Heizvorrichtung (13) umfasst.
  8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Abfragen (102) eines Wunsches eines Insassen des Kraftfahrzeuges (50) mittels eines Eingabemoduls (16) umfasst, wobei sich der Wunsch des Insassen auf eine Schnelligkeit des Heizens und/oder eine Reichweite des Kraftfahrzeuges (50) bezieht.
  9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Beheizen (103) der Batterie (52) mit beiden Heizvorrichtungen bei einem Wunsch nach einem schnellen Heizvorgang umfasst.
  10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) ein Beheizen (104) der Batterie (52) mit nur einer Heizvorrichtung bei einem Wunsch nach einer maximalen Reichweite umfasst.
  11. Kraftfahrzeug umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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