DE102022103289A1 - Heating device and method for heating a component of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung (12) zum Beheizen mindestens einer Komponente (15) eines Kraftfahrzeugs (27), wobei die Heizeinrichtung (12) eine Steuereinrichtung (26) und einen Energiespeicher (15) aufweist, der mindestens eine Batterieeinheit (10) umfasst, die eine Batteriezelle (14) aufweist. Dabei umfasst die Batterieeinheit (10) zwei Schalter (S1, S2) umfassend einen ersten Schalter (S1) und einen zweiten Schalter (S2), wobei der erste Schalter (S1) mit der Batteriezelle (14) in Serie geschaltet ist und der zweite Schalter (S2) parallel zum ersten Schalter (S1) und zur Batteriezelle (14) geschaltet ist, wobei mindestens einer der zwei Schalter (S1, S2) als ein MOSFET (S1, S2) ausgebildet ist, der einen steuerbaren, eine Verlustwärme (Q) erzeugenden Einschalt-Kanalwiderstand (R) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (26) dazu ausgelegt ist, den Einschalt-Kanalwiderstand (R) durch Steuerung einer Steuerspannung (Ugs) in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Heizparameter (P) zu steuern, um die mindestens eine Komponente (15) mittels der erzeugten Verlustwärme (Q) zu beheizen.The invention relates to a heating device (12) for heating at least one component (15) of a motor vehicle (27), the heating device (12) having a control device (26) and an energy store (15) which comprises at least one battery unit (10), having a battery cell (14). The battery unit (10) comprises two switches (S1, S2) comprising a first switch (S1) and a second switch (S2), the first switch (S1) being connected in series with the battery cell (14) and the second switch (S2) is connected in parallel to the first switch (S1) and to the battery cell (14), at least one of the two switches (S1, S2) being designed as a MOSFET (S1, S2) which has a controllable, heat loss (Q) generating turn-on channel resistance (R), wherein the control device (26) is designed to control the turn-on channel resistance (R) by controlling a control voltage (Ugs) as a function of a predetermined heating parameter (P) in order to control the at least one component (15) to be heated by means of the generated heat loss (Q).
Description
Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung zum Beheizen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs, wobei die Heizeinrichtung eine Steuereinrichtung und einen Energiespeicher aufweist, der mindestens eine Batterieeinheit umfasst, die eine Batteriezelle aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Beheizen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a heating device for heating at least one component of a motor vehicle, the heating device having a control device and an energy store which includes at least one battery unit which has a battery cell. Furthermore, the invention also relates to a method for heating at least one component of a motor vehicle.
In einem Kraftfahrzeug können verschiedene Komponenten beheizt werden. Ein Beispiel für eine solche Komponente ist der Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs, der zum Beispiel als Hochvoltbatterie ausgebildet sein kann. Für die Funktion der Vorkonditionierung der Hochvoltbatterie wird der Kühlwasserkreislauf des Antriebs aufgeheizt. Hierzu kommt in allen elektrifizierten Fahrzeugen ein PTC(Positive Temperature Coefficient)-Heizer zum Einsatz. Für die Funktion dieser Vorkonditionierung werden üblicherweise in elektrischen Fahrzeugen also zusätzliche Hochvoltsteuergeräte als Teil dieser PTC-Heizer benötigt. Daraus resultieren wiederum zahlreiche Nachteile: Zusätzliche Hochvoltsteuergeräte führen zu zusätzlichen Kosten, Gewicht und Bauraum. Im Detail sind die zusätzlichen Kosten bedingt durch zusätzliche Herstell- und Materialkosten, insbesondere für den PTC-Heizer selbst, für Kühlmittel-Verschlauchung des PTC-Heizers, für die Hochvoltverkabelung und Anbindung der PTC-Heizer, sowie für die Montage im Fahrzeug und für Montagehalter. Weitere Kosten sind bedingt durch hohe Entwicklungskosten und Entwicklungsaufwände, insbesondere für die Hardware- und Softwareentwicklung der Hochvoltkomponente PTC-Heizer, für die Absicherung und Erprobung der Hochvoltkomponente PTC-Heizer, und für den Integrationsaufwand der Hochvoltkomponente PTC-Heizer ins Fahrzeug. Die Erhöhung des Fahrzeuggewichts ist wiederum bedingt durch die zusätzlichen Hochvoltsteuergeräte, Montagehalter, Kühlmittelverschlauchung, Packaging im Fahrzeug, und die Anbindung an das Hochvoltbordnetz. Weitere Nachteile ergeben sich durch die geringere Robustheit, da zusätzliche Steuergeräte zusätzliche Fehlerquellen mit sich bringen und vor allem der PTC-Heizer ein kritisches Steuergerät bereitstellt, da es hierbei um das Bereitstellen einer Heizfunktion im Zusammenhang mit Kühlflüssigkeit geht. Daher wäre es wünschenswert, eine möglichst kostengünstige, einfache und gewichtssparende Heizmöglichkeit bereitzustellen.Various components can be heated in a motor vehicle. An example of such a component is the energy store of an electric vehicle, which can be designed as a high-voltage battery, for example. The cooling water circuit of the drive is heated for the function of preconditioning the high-voltage battery. For this purpose, a PTC (Positive Temperature Coefficient) heater is used in all electrified vehicles. For the function of this preconditioning, additional high-voltage control devices are usually required as part of these PTC heaters in electric vehicles. This in turn results in numerous disadvantages: Additional high-voltage control units lead to additional costs, weight and installation space. In detail, the additional costs are due to additional manufacturing and material costs, in particular for the PTC heater itself, for coolant hoses of the PTC heater, for the high-voltage wiring and connection of the PTC heater, as well as for installation in the vehicle and for mounting brackets . Further costs are due to high development costs and development efforts, in particular for the hardware and software development of the high-voltage component PTC heater, for validation and testing of the high-voltage component PTC heater, and for the effort involved in integrating the high-voltage component PTC heater into the vehicle. The increase in vehicle weight is in turn due to the additional high-voltage control units, mounting brackets, coolant hoses, packaging in the vehicle and the connection to the high-voltage vehicle electrical system. Further disadvantages result from the lower level of robustness, since additional control devices involve additional sources of error and, above all, the PTC heater provides a critical control device, since this involves providing a heating function in connection with coolant. It would therefore be desirable to provide a heating option that is as inexpensive, simple and weight-saving as possible.
Die
Weiterhin beschreibt die
Weiterhin beschreibt die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Heizeinrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die ein möglichst effizientes Beheizen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.The object of the present invention is to provide a heating device and a method that enable at least one component of a motor vehicle to be heated as efficiently as possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Heizeinrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a heating device and a method having the features according to the respective independent patent claims. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent patent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung zum Beheizen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs weist eine Steuereinrichtung und einen Energiespeicher auf, der mindestens eine Batterieeinheit umfasst, die eine Batteriezelle aufweist. Dabei weist die Batterieeinheit zwei Schalter umfassend einen ersten und einen zweiten Schalter auf, wobei der erste Schalter mit der Batteriezelle in Serie geschaltet ist und der zweite Schalter parallel zum ersten Schalter und zur Batteriezelle geschaltet ist, wobei mindestens einer der zwei Schalter als ein erster MOSFET (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) ausgebildet ist, der in einem eingeschalteten Zustand einen mittels einer am ersten MOSFET anlegbaren ersten Steuerspannung steuerbaren, eine Verlustwärme erzeugenden ersten Einschalt-Kanalwiderstand aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den ersten Einschalt-Kanalwiderstand durch Steuerung der ersten Steuerspannung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Heizparameter zu steuern, um die mindestens eine Komponente mittels der erzeugten Verlustwärme zu beheizen.A heating device according to the invention for heating at least one component of a motor vehicle has a control device and an energy store which includes at least one battery unit which has a battery cell. The battery unit has two switches comprising a first and a second switch, the first switch being connected in series with the battery cell and the second switch being connected in parallel with the first switch and the battery cell, with at least one of the two switches acting as a first MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) which, when switched on, has a first turn-on channel resistance that can be controlled by means of a first control voltage that can be applied to the first MOSFET and generates heat loss, the control device being designed to control the first turn-on channel resistance as a function of the first control voltage controlled by a predetermined heating parameter in order to heat the at least one component by means of the generated heat loss.
Die Erfindung beruht dabei gleichzeitig auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen ist es möglich, und vor allem sehr vorteilhaft, in einem Energiespeicher sogenannte Smartcells, das heißt intelligente Batteriezellen, zu verwenden. Diese sind wie zur oben genannten Batterieeinheit definiert aufgebaut, das heißt, sie umfassen eine Batteriezelle und zwei Schalter, von denen einer seriell zur Batteriezelle geschaltet ist, und der andere parallel zur Serienschaltung aus Batteriezelle und dem ersten Schalter geschaltet ist. Dadurch ist es möglich, die Batteriezelle dieser Batterieeinheit besonders flexibel aus einem Zellverbund wegzuschalten oder zu diesem Zellverbund hinzuzuschalten. Tritt beispielsweise ein Defekt einer Batteriezelle auf, so kann diese einfach durch Schließen des zweiten Schalters und Öffnen des ersten Schalters überbrückt werden und somit aus dem Zellverbund weggeschaltet werden. Weist der Energiespeicher also nicht nur eine solche Batterieeinheit, sondern mehrere verschaltete Batterieeinheiten auf, so ist es dadurch möglich, den Energiespeicher auch nur mit einem Teil der von diesem umfassten Batterieeinheiten zu betreiben. Dies ermöglicht es zum Beispiel, eine Spannung am Energiespeicher selbst bei einem Defekt einer der Batteriezellen bereitzustellen. Diese flexiblen Schaltungsmöglichkeiten, die durch diese beiden Schalter bereitgestellt sind, können aber noch auf vielfältige andere Weise genutzt werden, zum Beispiel zum Zellbalancing oder um Alterungsunterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen auszugleichen. Die Schalter sind dabei bevorzugt als elektronisch steuerbare Leistungsschalter ausgebildet, wobei vorliegend mindestens einer der beiden Schalter als MOSFET ausgebildet ist. Dies hat den großen Vorteil, dass nunmehr auch dieser MOSFET, genauer gesagt dessen erzeugte Verlustleistung, in Verlustwärme zum Beheizen der mindestens einen Komponente genutzt werden kann. Dabei lässt sich die durch diesen MOSFET erzeugte Verlustwärme sogar gezielt abhängig von einem Heizparameter steuern. Dies wiederum beruht auf der Erkenntnis, dass MOSFETs ein ohmsches Durchlassverhalten im „On-State“, das heißt im eingeschalteten Zustand, aufweisen, was dazu genutzt werden kann, um durch das Regeln der Gate-Source-Spannung, die vorliegend als Steuerspannung bezeichnet wird, einen präzisen Kanalwiderstand und somit eine präzise Verlustleistung einzustellen bzw. zu regeln. Der Kanalwiderstand kann dabei auch als Drain-Source-Widerstand bezeichnet werden, da er den elektrischen Widerstand zwischen der Drain-Elektrode, auch Drain-Anschluss genannt, und der Source-Elektrode, auch Source-Anschluss des MOSFETs genannt, darstellt. Im ausgeschalteten Zustand eines solchen MOSFETs lässt dieser keinen Strom durch, sodass der Kanalwiderstand entsprechend sehr groß ist. Dadurch, dass kein Strom fließt, wird auch keine Verlustleistung erzeugt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist folglich nur der Kanalwiderstand des MOSFETs im eingeschalteten Zustand von Interesse, weshalb dieser Kanalwiderstand vorliegend auch als Einschalt-Kanalwiderstand bezeichnet wird, da er sich auf den Widerstand des MOSFETs im eingeschalteten Zustand bezieht. Je nach Heizbedarf kann folglich also dieser Kanalwiderstand des MOSFETs mehr oder weniger groß eingestellt werden. Somit ermöglicht der Einsatz solcher Smartcell-Batteriezellen, die vorliegend als Batterieeinheiten bezeichnet werden, die Beheizung der mindestens einen Komponente, beispielsweise auch die Vorkonditionierung eines Kühlmediums oder der gesamten Hochvoltbatterie. Der Kanalwiderstand eines solchen MOSFETs kann also vorteilhafterweise gezielt genutzt werden, um definiert Verlustleistung zu erzeugen und das Kühlmedium aufzuheizen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auch die Anzahl erforderlicher PTC-Heizer und die dazugehörigen Steuergeräte reduziert werden oder diese können komplett entfallen. Dies spart wiederum Herstell- und Materialkosten, insbesondere für solche PTC-Heizer, für die Kühlmittelverschlauchung der PTC-Heizer, für die Hochvoltverkabelung und Anbindung der PTC-Heizer und für die Montage im Fahrzeug und für Montagehalter. Zusätzlich entfallen Entwicklungskosten und Entwicklungsaufwände, insbesondere für die Hardware- und Softwareentwicklung der Hochvoltkomponente PTC-Heizer, für die Absicherung und Erprobung der Hochvoltkomponente PTC-Heizer und für den Integrationsaufwand der Hochvoltkomponente PTC-Heizer ins Fahrzeug. Dadurch verringert sich auch das Fahrzeuggewicht, insbesondere durch den Entfall der Hochvoltsteuergeräte, Montagehalter, Kühlmittelverschlauchung und Packaging im Fahrzeug, und die Anbindung an das Hochvoltbordnetz. Gleichzeitig kann auch die Robustheit des Gesamtsystems gesteigert werden, da weniger Steuergeräte vorhanden sind, was die Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems verringert, und auch der PTC-Heizer als kritisches Steuergerät entfallen kann. Zum Heizen über den Antriebsstrang ist zudem kein E-Motor notwendig. Somit kann auch im Stand ohne Regelung des E-Motors geheizt werden. Die Erfindung hat also den enormen Vorteil, dass die Hochvoltsteuergeräte für die PTC-Heizer in zukünftigen Elektroautos mit Smartcell-Batteriezellen entfallen können. Die Funktion wird durch die Leistungshalbleiter der Smartcell-Batteriezellen selbst übernommen, welche über eine aktive Regelung der Gatespannung, das heißt der Steuerspannung, die Entladewiderstände, das heißt die Kanalwiderstände, darstellen. Das führt zu erheblichen Kostenvorteilen für Herstell- und Entwicklungskosten, zu einer Gewichtsreduzierung und zu einer Steigerung der Robustheit.The invention is based on several findings at the same time: On the one hand, it is possible, and above all very advantageous, to use so-called smart cells, ie intelligent battery cells, in an energy store. These are constructed as defined for the battery unit mentioned above, ie they comprise a battery cell and two switches, one of which is connected in series with the battery cell and the other is connected in parallel with the series connection of the battery cell and the first switch. This makes it possible to disconnect the battery cell of this battery unit from a cell assembly or to add it to this cell assembly in a particularly flexible manner. For example, if a battery cell is defective, it can be bypassed simply by closing the second switch and opening the first switch, and thus disconnected from the cell assembly. If the energy store therefore has not only one such battery unit but rather a number of interconnected battery units, it is also possible to operate the energy store with only some of the battery units it comprises. This makes it possible, for example, to provide a voltage at the energy store even if one of the battery cells is defective. However, the flexible circuit options provided by these two switches can also be used in a variety of other ways, for example for cell balancing or to compensate for differences in aging between the individual battery cells. The switches are preferably in the form of electronically controllable power switches, in the present case at least one of the two switches being in the form of a MOSFET. This has the great advantage that this MOSFET, more precisely its generated power loss, can now also be used in heat loss for heating the at least one component. The heat loss generated by this MOSFET can even be specifically controlled depending on a heating parameter. This in turn is based on the knowledge that MOSFETs have an ohmic conduction behavior in the "on state", i.e. in the switched-on state, which can be used to regulate the gate-source voltage, which is referred to here as the control voltage , to set or regulate a precise channel resistance and thus a precise power loss. The channel resistance can also be referred to as the drain-source resistance, since it represents the electrical resistance between the drain electrode, also known as the drain connection, and the source electrode, also known as the source connection of the MOSFET. In the switched-off state of such a MOSFET, it does not let any current through, so that the channel resistance is correspondingly very high. Because no current flows, no power loss is generated. Consequently, only the channel resistance of the MOSFET in the switched-on state is of interest within the scope of the present invention, which is why this channel resistance is also referred to here as the on-channel resistance, since it relates to the resistance of the MOSFET in the switched-on state. Depending on the heating requirement, this channel resistance of the MOSFET can be adjusted to a greater or lesser extent. The use of such smart cell battery cells, which are referred to here as battery units, thus enables the at least one component to be heated, for example also the preconditioning of a cooling medium or the entire high-voltage battery. The channel resistance of such a MOSFET can therefore advantageously be used in a targeted manner in order to generate power loss in a defined manner and to heat up the cooling medium. As a result, the number of required PTC heaters and the associated control devices can also be reduced in an advantageous manner, or they can be omitted entirely. This in turn saves manufacturing and material costs, especially for such PTC heaters, for the coolant tubing of the PTC heaters, for the high-voltage wiring and connection of the PTC heaters and for installation in the vehicle and for mounting brackets. In addition, there are no development costs and expenses, in particular for the hardware and software development of the high-voltage component PTC heater, for validation and testing of the high-voltage component PTC heater and for the integration effort of the high-voltage component PTC heater in the vehicle. This also reduces the vehicle weight, in particular due to the elimination of the high-voltage control units, assembly brackets, coolant hoses and packaging in the vehicle, and the connection to the high-voltage vehicle electrical system. At the same time, the robustness of the overall system can also be increased since there are fewer control units, which reduces the overall system's susceptibility to errors, and the PTC heater, as a critical control unit, can also be omitted. For heating via the drive train no electric motor is necessary. This means that heating can also be carried out when stationary without controlling the electric motor. The invention therefore has the enormous advantage that the high-voltage control devices for the PTC heaters can be omitted in future electric cars with Smartcell battery cells. The function is taken over by the power semiconductors of the smart cell battery cells themselves, which represent the discharge resistances, ie the channel resistances, via active regulation of the gate voltage, ie the control voltage. This leads to considerable cost advantages for manufacturing and development costs, a reduction in weight and an increase in robustness.
Der erste MOSFET, so wie auch jeder weitere im Rahmen der Erfindung noch erwähnte MOSFET, kann wie aus dem Stand der Technik bekannt aufgebaut sein. Ein solcher MOSFET weist typischerweise drei Anschlüsse bzw. Elektroden auf, nämlich eine Gate-Elektrode, eine Source-Elektrode und eine Drain-Elektrode. Die Gate-Elektrode stellt dabei eine Steuerelektrode dar, an welcher eine Steuerspannung bereitgestellt werden kann. Genauer gesagt wir diese Steuerspannung zwischen Gate-Elektrode und Source-Elektrode bereitgestellt. Mittels dieser Steuerspannung kann der MOSFET ein- und ausgeschaltet werden, wobei im eingeschalteten Zustand die Drain-Source-Strecke leitend ist, und im ausgeschalteten Zustand nichtleitend. Der eingeschaltete Zustand des MOSFETs korrespondiert also zum geschlossenen Zustand des Schalters, der durch den MOSFET realisiert wird, und der ausgeschaltete Zustand des MOSFETs entsprechend zum geöffneten Zustand des Schalters. Gleichzeitig kann nunmehr vorteilhafterweise durch eine Steuerspannung nicht nur der Schaltzustand des MOSFETs bestimmt werden, sondern im eingeschalteten Zustand je nach Höhe, das heißt Amplitude der Steuerspannung, auch die Größe des Einschalt-Kanalwiderstands, das heißt die Größe des elektrischen Widerstands, der sich zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss ergibt. Entsprechend wird dieser Kanalwiderstand auch als Drain-Source-Widerstand, insbesondere als Drain-Source-Einschaltwiderstand, bezeichnet. Der MOSFET ist bevorzugt als SiC(Siliziumkarbid)-MOSFET ausgebildet.The first MOSFET, like any other MOSFET mentioned within the scope of the invention, can be constructed as known from the prior art. Such a MOSFET typically has three terminals or electrodes, namely a gate electrode, a source electrode and a drain electrode. In this case, the gate electrode represents a control electrode at which a control voltage can be provided. To be more precise, this control voltage is provided between the gate electrode and the source electrode. The MOSFET can be switched on and off by means of this control voltage, with the drain-source path being conductive when switched on and non-conductive when switched off. The switched-on state of the MOSFET thus corresponds to the closed state of the switch, which is implemented by the MOSFET, and the switched-off state of the MOSFET corresponds to the open state of the switch. At the same time, not only the switching state of the MOSFET can now advantageously be determined by a control voltage, but also the size of the switch-on channel resistance, i.e. the size of the electrical resistance between the Drain connection and the source connection results. Correspondingly, this channel resistance is also referred to as a drain-source resistance, in particular as a drain-source on resistance. The MOSFET is preferably designed as a SiC (silicon carbide) MOSFET.
Die Batteriezelle kann zum Beispiel als Lithium-Ionen-Zelle ausgebildet sein. Zudem kann die Batteriezelle als prismatische Batteriezelle, Rundzelle oder Pouchzelle oder auch als beliebig anders ausgebildete Batteriezelle bereitgestellt sein. Der Energiespeicher ist vorzugsweise als Hochvolt-Energiespeicher ausgebildet, und umfasst vorzugsweise mehrere solcher Batterieeinheiten, die grundsätzlich in beliebiger Weise miteinander verschaltet werden können. Als Heizparameter kommen dabei im Allgemeinen verschiedene Parameter infrage. Dieser kann zum Beispiel eine vorgegebene Soll-Temperatur darstellen oder einen Unterschied einer aktuellen Temperatur zu einer vorgegebenen Soll-Temperatur und/oder einen binären Parameter, der anzeigt, ob eine Heizanforderung aktuell vorliegt oder nicht, und/oder er kann eine aktuelle Temperatur der zu beheizenden Komponente oder des Temperiermediums zum Temperieren der Komponente angeben oder den Unterschied zwischen einer solchen aktuellen Temperatur und einer vorgegebenen Solltemperatur, oder ähnliches. Der Heizparameter spezifiziert also im Allgemeinen, ob durch die Heizeinrichtung geheizt werden soll oder nicht und/oder wie viel Heizbedarf aktuell besteht. Entsprechend kann die Steuereinrichtung vorteilhafterweise mittels der Steuerspannung den Einschalt-Kanalwiderstand steuern beziehungsweise regeln, um diese Heizanforderung zu erfüllen.The battery cell can be designed as a lithium-ion cell, for example. In addition, the battery cell can be provided as a prismatic battery cell, round cell or pouch cell or as any other battery cell. The energy store is preferably in the form of a high-voltage energy store and preferably comprises a number of such battery units, which can basically be connected to one another in any desired manner. In general, various parameters can be considered as heating parameters. This can represent, for example, a specified target temperature or a difference between a current temperature and a specified target temperature and/or a binary parameter that indicates whether there is a current heating requirement or not, and/or it can represent a current temperature of the specify the heating component or the tempering medium for tempering the component or the difference between such a current temperature and a predetermined target temperature, or the like. The heating parameter therefore generally specifies whether the heating device should be used for heating or not and/or how much heating is currently required. Accordingly, the control device can advantageously use the control voltage to control or regulate the switch-on channel resistance in order to meet this heating requirement.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt der Energiespeicher die Komponente dar. Mit anderen Worten ist die Heizeinrichtung dazu ausgelegt, den Energiespeicher selbst zu beheizen, welcher die Batterieeinheit umfasst. Die Verlustleistung des ersten MOSFETs kann also vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um den Energiespeicher selbst zu beheizen, zum Beispiel im Rahmen einer Vorkonditionierung des Energiespeichers. Dies ist besonders vorteilhaft, da die zum Beheizen genutzte Verlustwärme auch gezielt dort erzeugt werden kann, wo sie gebraucht wird, nämlich im Energiespeicher selbst. Dies ermöglicht eine besonders energieeffiziente Beheizung des Energiespeichers, ohne dass hierbei zu viel Wärme ungewollt an andere Komponenten abgegeben wird und verlorengeht. Nichtsdestoweniger ist es aber auch denkbar, dass andere Komponenten des Kraftfahrzeugs mittels der so bereitgestellten Verlustleistung beziehungsweise Verlustwärme beheizt werden können. Beispielsweise kann auch die erzeugte Verlustwärme zur Innenraumbeheizung des Kraftfahrzeugs genutzt werden oder zur Beheizung eines Kühlmediums in einem Kühlkreislauf im Allgemeinen.In a further advantageous embodiment of the invention, the energy store represents the component. In other words, the heating device is designed to heat the energy store itself, which includes the battery unit. The power loss of the first MOSFET can therefore advantageously be used to heat the energy store itself, for example as part of a preconditioning of the energy store. This is particularly advantageous because the heat loss used for heating can also be generated where it is needed, namely in the energy storage itself get lost. Nevertheless, it is also conceivable that other components of the motor vehicle can be heated by means of the power loss or heat loss provided in this way. For example, the heat loss generated can also be used to heat the interior of the motor vehicle or to heat a cooling medium in a cooling circuit in general.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den ersten Einschalt-Kanalwiderstand derart zu steuern, dass der erste Einschalt-Kanalwiderstand in einem Heizmodus größer ist als in einem vom Heizmodus verschiedenen Betriebsmodus. Dieser vom Heizmodus verschiedene Betriebsmodus kann also einen normalen Betriebsmodus darstellen, in welchem durch die Heizeinrichtung nicht geheizt werden soll. Dadurch, dass der Kanalwiderstand im Heizmodus größer ist als in diesem normalen Betriebsmodus, kann auch mehr Verlustwärme durch den größeren Einschalt-Kanalwiderstand erzeugt werden und dadurch durch die Heizeinrichtung eine größere Heizleistung erbracht werden. Um den Einschalt-Kanalwiderstand zu vergrößern, kann der Spannungspegel der Steuerspannung verringert werden. Je kleiner die Steuerspannung ist, desto größer ist entsprechend der Einschalt-Kanalwiderstand und entsprechend größer ist auch die erzeugte Verlustwärme. Dies stellt also eine besonders einfache Möglichkeit dar, um im Heizmodus gezielt mehr Verlustwärme zu erzeugen.In a further advantageous embodiment of the invention, the control device is designed to control the first switch-on channel resistance in such a way that the first switch-on channel resistance is greater in a heating mode than in an operating mode that differs from the heating mode. This operating mode, which is different from the heating mode, can therefore represent a normal operating mode in which the heating device should not be used for heating. Due to the fact that the channel resistance is greater in the heating mode than in this normal operating mode, more heat can also be lost due to the greater switch-on channel resistance, and the heating device can therefore produce a greater heating output. To increase the on-channel resistance, the voltage level of the control voltage can be reduced. The lower the control voltage, the greater the corresponding turn-on channel resistance and the greater the heat loss generated. This therefore represents a particularly simple way of generating more heat loss in a targeted manner in the heating mode.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, im Heizmodus einen extremalen Einschaltspannungspegel der Steuerspannung auf nur einen vorbestimmten Wert einzustellen, der zu einem bestimmten Wert des ersten Einschalt-Kanalwiderstands korrespondiert, oder auf verschiedene Werte in Abhängigkeit vom Heizparameter einzustellen, die jeweils zu verschiedenen Werten des ersten Einschalt-Kanalwiderstands korrespondieren. Dies ermöglicht einerseits eine besonders einfache Umsetzung des Heizmodus, und andererseits eine besonders präzise und flexible Einstellung der Heizleistung. Im einfachsten Fall kann also für den Heizmodus nur ein vorbestimmter Wert der Steuerspannung einstellbar sein, der also zu nur einem bestimmten Wert des Einschalt-Kanalwiderstands korrespondiert. Mit anderen Worten kann zum Beispiel ein erster Spannungspegel der Steuerspannung für den Heizmodus vorgesehen sein und ein zweiter Einschaltspannungspegel für den normalen Betriebsmodus, der dann vorzugsweise entsprechend größer ist als der erste Einschaltspannungspegel, damit der Einschalt-Kanalwiderstand im Heizmodus größer ist als im normalen Betriebsmodus. Dies korrespondiert zu einem einfachen Aktivieren und Deaktivieren der Heizfunktion. Dies ist besonders einfach und kostengünstig in der Umsetzung und Ansteuerung des MOSFETs. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass im Heizmodus verschiedene Einschaltspannungspegel der Steuerspannung einstellbar sind, die wiederum also zu unterschiedlichen Einschalt-Kanalwiderständen korrespondieren. So lassen sich im Heizmodus unterschiedliche Heizleistungen bereitstellen, die je nach gewünschter Heizanforderung, die durch den Heizparameter spezifiziert werden kann, angepasst bzw. eingestellt werden können. Dabei kann genauer gesagt die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, den Einschaltspannungspegel der Steuerspannung im Heizmodus ebenfalls nur auf einen vorbestimmten Wert einzustellen, dieser kann aber aus mehreren verschiedenen, insbesondere auch beliebig vielen verschiedenen Werten für den Einschaltspannungspegel gewählt werden, je nach Heizanforderung. Dies ermöglicht eine deutlich flexiblere Anpassung an eine aktuell gegebene Heizanforderung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the control device can be designed to set an extreme switch-on voltage level of the control voltage to only one predetermined value in the heating mode, which corresponds to a specific value of the first switch-on channel resistance, or to different values depending on the heating parameter. each corresponding to different values of the first turn-on channel resistance. On the one hand, this enables a particularly simple implementation of the heating mode and, on the other hand, a particularly precise and flexible setting of the heating output. In the simplest case, therefore, only a predetermined value of the control voltage can be set for the heating mode, which therefore only corresponds to a specific value of the switch-on channel resistance. In other words, for example, a first voltage level of the control voltage for the heating mode can be provided and a second turn-on voltage level for the normal operating mode, which is then preferably correspondingly greater than the first turn-on voltage level, so that the turn-on channel resistance in the heating mode is greater than in the normal operating mode. This corresponds to simply activating and deactivating the heating function. This is particularly simple and inexpensive to implement and control the MOSFET. Alternatively, however, it is also conceivable that different switch-on voltage levels of the control voltage can be set in the heating mode, which in turn therefore correspond to different switch-on channel resistances. In this way, different heating outputs can be provided in the heating mode, which can be adjusted or set depending on the desired heating requirement, which can be specified by the heating parameter. To be more precise, the control device can be designed to also set the switch-on voltage level of the control voltage in the heating mode only to a predetermined value, but this can be selected from several different, in particular any number of different values for the switch-on voltage level, depending on the heating requirement. This enables a significantly more flexible adaptation to a currently given heating requirement.
Wie später näher erläutert, kann der erste MOSFET im Heizmodus auch getaktet bzw. gepulst betrieben werden. Dies bedeutet, dass er mit einer vorbestimmten Frequenz an- und ausgeschaltet wird. Die Steuerspannung variiert entsprechend zwischen einem Einschaltspannungspegel und einem Ausschaltspannungspegel und durchläuft beispielsweise zwischenzeitlich auch alle dazwischenliegenden Spannungswerte. Entsprechend ist oben der Einschaltspannungspegel auch als extremaler Einschaltspannungspegel bezeichnet, um zum Ausdruck zu bringen, dass unter dem Einschaltspannungspegel nicht irgendeiner dieser Zwischenwerte verstanden werden soll, sondern eben der Extremalwert, zum Beispiel der maximale Spannungswert im Falle einer positiven Einschaltspannung. Um den MOSFET getaktet zu betreiben, kann an der Steuerelektrode, das heißt an der Gate-Elektrode des MOSFETs, genauer gesagt zwischen Gate-Elektrode und Source-Elektrode, also eine geeignete Steuerspannung bereitgestellt werden, die zum Beispiel zeitlich zwischen dem Einschaltspannungspegel und einem Ausschaltspannungspegel variiert. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel ein Spannungssignal bereitgestellt werden, welches pulsweitenmoduliert wird, insbesondere gemäß einem vorgegebenen Modulationsschema. Dieses steuert entsprechend die An- und Ausschaltzeiten des MOSFETs. Dabei kann vorteilhafterweise der Einschaltspannungspegel abhängig vom Heizparameter gesteuert werden um je nach Anforderung mehr oder weniger Verlustwärme zu erzeugen. Dazu muss der MOSFET jedoch nicht notwendigerweise getaktet betrieben werden. Die Steuereinrichtung kann generell dazu ausgelegt sein, den ersten Schalter nicht nur getaktet zu betreiben, sondern zum Beispiel auch für einen bestimmten Zeitraum permanent durchgeschaltet, d.h. geschlossen.As explained in more detail later, the first MOSFET can also be operated in a clocked or pulsed manner in the heating mode. This means that it turns on and off at a predetermined frequency. The control voltage varies accordingly between a switch-on voltage level and a switch-off voltage level and, for example, also runs through all voltage values in between in the meantime. Accordingly, the turn-on voltage level is also referred to above as the extreme turn-on voltage level, to express that the turn-on voltage level should not be understood to mean any of these intermediate values, but rather the extreme value, for example the maximum voltage value in the case of a positive turn-on voltage. In order to operate the MOSFET in a clocked manner, a suitable control voltage can be provided at the control electrode, i.e. at the gate electrode of the MOSFET, more precisely between the gate electrode and the source electrode, i.e. a suitable control voltage which, for example, occurs between the switch-on voltage level and a switch-off voltage level varies. For this purpose, for example, a voltage signal can be provided which is pulse-width modulated, in particular according to a predetermined modulation scheme. This controls the turn-on and turn-off times of the MOSFET accordingly. The switch-on voltage level can advantageously be controlled as a function of the heating parameter in order to generate more or less heat loss depending on the requirement. However, the MOSFET does not necessarily have to be clocked for this. The control device can generally be designed not only to operate the first switch in a clocked manner, but also to switch it on permanently, i.e. closed, for a specific period of time, for example.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beide Schalter als MOSFETs umfassend den ersten MOSFET und einen zweiten MOSFET ausgebildet, der in einem eingeschalteten Zustand einen mittels einer am zweiten MOSFET anlegbaren zweiten Steuerspannung steuerbaren, eine Verlustwärme erzeugenden zweiten Einschalt-Kanalwiderstand aufweist, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, den zweiten Einschalt-Kanalwiderstand durch Steuerung der zweiten Steuerspannung in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Heizparameter zu steuern, um die mindestens eine Komponente mittels der erzeugten Verlustwärme zu beheizen.In a further advantageous embodiment of the invention, both switches are embodied as MOSFETs comprising the first MOSFET and a second MOSFET which, when switched on, has a second switch-on channel resistance which can be controlled by means of a second control voltage which can be applied to the second MOSFET and generates heat loss, the control device is designed to control the second turn-on channel resistance by controlling the second control voltage as a function of the predetermined heating parameter in order to heat the at least one component by means of the heat loss generated.
Mit anderen Worten kann der zweite MOSFET genauso gesteuert werden, wie zum ersten MOSFET bereits beschrieben. Im Übrigen können alle Ausgestaltungen, die mit Bezug auf den ersten MOSFET beschrieben worden sind oder im Folgenden noch beschrieben werden, in gleicher Weise auch für den zweiten MOSFET umgesetzt sein. Beispielsweise kann der erste Schalter als erster MOSFET ausgebildet sein und der zweite Schalter als zweiter MOSFET oder umgekehrt. Somit können also beide Schalter der Batterieeinheit als MOSFET ausgebildet sein und entsprechend angesteuert werden, um in Abhängigkeit vom Heizparameter eine entsprechende Verlustwärme zu erzeugen. Dabei müssen aber nicht beide Schalter gleichzeitig von der Steuereinrichtung gleichartig angesteuert werden, im Gegenteil, es kann auch der Fall sein, dass zu einer bestimmten Zeit immer nur einer der beiden MOSFETs entsprechend zur Erzeugung einer bestimmten Verlustwärme angesteuert wird. Der andere der beiden MOSFETs kann sich dann entsprechend zum Beispiel in einem ausgeschalteten Zustand befinden. Grundsätzlich kann es im normalen Betrieb vorgesehen sein, dass immer nur einer der beiden Schalter der Batterieeinheit geschlossen ist und der andere geöffnet. Somit ist die Batteriezelle entweder zugeschalter oder überbrückt. Im inaktiven Zustand des Energiespeichers ist es auch möglich, dass beide Schalter gleichzeitig geöffnet werden. Beispielsweise kann immer gezielt derjenige der beiden MOSFETs zur gezielten Verlustwärmeerzeugung angesteuert werden, der sich gerade im geschlossenen Zustand befindet. Denkbar ist es auch, die beiden Schalter azyklisch bzw. komplementär zu öffnen und zu schließen und damit jeweils getaktet zu betreiben, um gleichzeitig über die Regelung des Kanalwiderstands eine gewünschte Heizleistung zu erzeugen. Gerade, wenn der Energiespeicher mehrere Batterieeinheiten aufweist, ergeben sich zahlreiche weitere und beliebig komplexe Ansteuermöglichkeiten.In other words, the second MOSFET can be controlled in the same way as already described for the first MOSFET. Otherwise, all configurations that have been described with reference to the first MOSFET or that are described below can also be implemented in the same way for the second MOSFET. For example, the first switch can be in the form of a first MOSFET and the second switch can be in the form of a second MOSFET, or vice versa. So can So both switches of the battery unit can be designed as MOSFETs and controlled accordingly in order to generate a corresponding heat loss depending on the heating parameter. In this case, however, both switches do not have to be controlled in the same way by the control device at the same time; on the contrary, it can also be the case that at a specific time only one of the two MOSFETs is controlled to generate a specific heat loss. The other of the two MOSFETs can then be in a switched-off state, for example. Basically, it can be provided in normal operation that only one of the two switches of the battery unit is closed and the other is open. Thus, the battery cell is either connected or bridged. In the inactive state of the energy store, it is also possible for both switches to be opened at the same time. For example, that one of the two MOSFETs that is currently in the closed state can always be selectively activated for targeted heat loss generation. It is also conceivable to open and close the two switches acyclically or complementarily and thus to operate them clocked in each case in order to simultaneously generate a desired heating power by regulating the channel resistance. Especially when the energy store has several battery units, there are numerous other and arbitrarily complex control options.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste MOSFET oder ein Substrat, insbesondere Halbleitersubstrat, auf welchem der erste MOSFET angeordnet ist, mit einem Kühlkreislauf gekoppelt oder koppelbar, um die Verlustwärme an den Kühlkreislauf abzugeben. Gleiches gilt im Übrigen auch für den optionalen weiteren zweiten MOSFET.In a further advantageous embodiment of the invention, the first MOSFET or a substrate, in particular a semiconductor substrate, on which the first MOSFET is arranged is or can be coupled to a cooling circuit in order to dissipate the heat loss to the cooling circuit. The same also applies to the optional additional second MOSFET.
Der erste und/oder zweite MOSFET kann zum Beispiel auf einer Platine angeordnet sein oder als Halbleiterchip ausgebildet sein. Das Halbleitersubstrat des Chips oder die Platine kann wiederum thermisch und physisch mit einem Kühlkreislauf gekoppelt sein oder koppelbar sein. Durch einen direkten Kontakt, zum Beispiel über einen Wärmetauscher, kann entsprechend Wärme vom Substrat bzw. der Platine, insbesondere die Verlustwärme, an den Kühlkreislauf abgeführt werden und dieser entsprechend beheizt werden. Über den Kühlkreislauf lassen sich wiederum diverse andere Komponenten des Kraftfahrzeugs entsprechend beheizen. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da durch die Abgabe der Verlustwärme an den Kühlkreislauf die Verlustwärme zur Beheizung jeder beliebigen Kraftfahrzeugkomponente über diesen Kühlkreislauf genutzt werden kann.The first and/or second MOSFET can be arranged on a circuit board, for example, or can be in the form of a semiconductor chip. In turn, the semiconductor substrate of the chip or the circuit board can be or can be coupled thermally and physically to a cooling circuit. Through direct contact, for example via a heat exchanger, heat can be dissipated from the substrate or the circuit board, in particular the heat loss, to the cooling circuit and this can be heated accordingly. Various other components of the motor vehicle can in turn be correspondingly heated via the cooling circuit. This refinement is particularly advantageous since the heat loss can be used to heat any motor vehicle component via this cooling circuit as a result of the heat loss being released to the cooling circuit.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest der erste MOSFET oder ein Substrat, auf welchem der erste MOSFET angeordnet ist, an der Batteriezelle angeordnet, um die Verlustwärme an die Batteriezelle abzugeben. Das Substrat kann also zum Beispiel direkt an einem Zellgehäuse der Batteriezelle angeordnet sein. Dadurch kann die Batteriezelle direkt beheizt werden, auch ohne Zwischenkopplung eines Kühlkreislaufs. Hierdurch lässt sich die Batteriezelle besonders effizient beheizen. Dies ermöglicht es zudem auch, jede Batteriezelle im Falle, dass der Energiespeicher mehrere solcher Batterieeinheiten aufweist, gezielt und individuell durch entsprechende Ansteuerung des Schalters oder der Schalter der betreffenden Batterieeinheit zu beheizen.In a further advantageous embodiment of the invention, at least the first MOSFET or a substrate on which the first MOSFET is arranged is arranged on the battery cell in order to dissipate the heat loss to the battery cell. The substrate can therefore be arranged directly on a cell housing of the battery cell, for example. As a result, the battery cell can be heated directly, even without the intermediate coupling of a cooling circuit. This allows the battery cell to be heated particularly efficiently. In addition, this also makes it possible to heat each battery cell in a targeted and individual manner, in the event that the energy store has a plurality of such battery units, by appropriately actuating the switch or switches of the relevant battery unit.
Diese Ausgestaltungen sind zudem auch kombinierbar, denn beispielsweise kann der erste MOSFET oder das Substrat, auf welchem dieser angeordnet ist, einerseits sowohl mit der Batteriezelle, andererseits auch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt oder koppelbar sein.These configurations can also be combined because, for example, the first MOSFET or the substrate on which it is arranged can be coupled or can be coupled to both the battery cell and the cooling circuit.
Um nun den ersten MOSFET im Heizmodus zu betreiben, gibt es mehrere Möglichkeiten. Befindet sich die Batterieeinheit beispielsweise in einem Zustand, in dem die Batteriezelle mit einem Zellverbund elektrisch leitend gekoppelt ist, sodass also der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, so kann, um nun mehr in den Heizmodus zu schalten, der erste Schalter, genauer gesagt der MOSFET, der diesen ersten Schalter darstellt, mit einer entsprechenden Steuerspannung angesteuert werden, um eine möglichst hohe oder zumindest höhere Verlustleistung zu erzeugen, indem ein höherer Wert für den Kanalwiderstand eingestellt wird als im normalen Betriebsmodus. Der erste Schalter kann dabei weiterhin, insbesondere permanent, geschlossen bleiben. Hierdurch erhitzen sich jedoch der MOSFET sehr stark, sowie auch umliegende Bauteile. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass das oben genannte Substrat aufgrund seiner geringen thermischen Masse nicht sonderlich viel Wärme aufnehmen kann und auch die Wärmeabfuhr über die Zuführung der Verlustwärme an den Kühlkreislauf relativ langsam erfolgt, zumindest im Vergleich zur Geschwindigkeit der Erhitzung durch die erzeugte Verlustwärme.There are several ways to operate the first MOSFET in heating mode. For example, if the battery unit is in a state in which the battery cell is electrically conductively coupled to a cell assembly, so that the first switch is closed and the second switch is open, the first switch can now switch to the heating mode more , more precisely the MOSFET, which represents this first switch, can be driven with a corresponding control voltage in order to generate the highest possible or at least higher power loss by setting a higher value for the channel resistance than in the normal operating mode. The first switch can continue to remain closed, in particular permanently. However, this heats up the MOSFET very much, as do the surrounding components. This is due to the fact that the above-mentioned substrate cannot absorb a lot of heat due to its low thermal mass and the heat dissipation via the supply of heat loss to the cooling circuit is relatively slow, at least in comparison to the speed of heating by the heat loss generated.
Um entsprechend eine Überhitzung des MOSFETs und der umliegenden Bauteile zu verhindern, ist es sehr vorteilhaft, so wie dies gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, wenn zumindest der erste MOSFET, der in diesem Beispiel zum ersten Schalter korrespondiert, im Heizmodus getaktet bzw. gepulst betrieben wird. Gleiches gilt aber auch analog für den zweiten MOSFET. Durch die somit zwischengeschalteten Ausschaltphasen des MOSFETs kann dieser sich temporär abkühlen, während die erzeugte Verlustwärme vom Kühlkreislauf abgeführt wird. Ein getakteter Betrieb des MOSFETs hat aber noch einen weiteren großen Vorteil, nämlich den, dass sich hierdurch ebenfalls gezielt eine gewünschte Heizleistung bereitstellen lässt, ohne hierfür beispielsweise den Einschaltspannungspegel selbst ändern zu müssen. Im Gegensatz zu einem permanent eingeschalteten Betrieb des MOSFETs wird durch den getakteten Betrieb automatisch weniger Heizleistung erzeugt, selbst bei gleichbleibender extremaler Einschaltspannung. Auch hierdurch ist vorteilhafterweise eine weitere Möglichkeit bereitgestellt, um die erzeugte Verlustleistung gezielt hinsichtlich ihrer Größe zu steuern und zu regeln.In order to prevent overheating of the MOSFET and the surrounding components, it is very advantageous, as is provided according to a further advantageous embodiment of the invention, if at least the first MOSFET, which in this example corresponds to the first switch, is clocked or .is operated in a pulsed manner. However, the same also applies analogously to the second MOSFET. Due to the switched-off phases of the MOSFET that are thus interposed, it can cool down temporarily while the heat loss generated is dissipated by the cooling circuit. However, clocked operation of the MOSFET has another great advantage, namely that a desired heating power can also be provided in a targeted manner without having to change the switch-on voltage level itself for this purpose, for example. In contrast to a permanently switched-on operation of the MOSFET, the clocked operation automatically generates less heating power, even with the same extreme turn-on voltage. This also advantageously provides a further possibility for controlling and regulating the power loss generated in a targeted manner with regard to its size.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Energiespeicher mehrere miteinander verschaltete Batterieeinheiten auf, deren Schalter mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einem Leistungsanforderungsparameter derart steuerbar sind, dass alle oder nur ein Teil der mehreren Batteriezellen zur Bereitstellung einer am Energiespeicher abgreifbaren Gesamtspannung beitragen. Je nach aktueller Leistungsanforderung kann es, zumindest für den Fall, dass mehrere Batterieeinheiten zueinander parallelgeschaltet sind, auch vorgesehen sein, dass nicht notwendigerweise alle aktiv zum Betrieb des Energiespeichers beitragen müssen, das heißt nicht alle zur Bereitstellung der am Energiespeicher abgreifbaren Gesamtspannung beitragen müssen. Bei Bedarf, zum Beispiel wenn durch den Fahrer eine hohe Beschleunigung des Kraftfahrzeugs angefordert wird, können alle Batterieeinheiten zugeschaltet werden, sodass höhere Batterieströme und entsprechend höhere Leistungen bereitstellbar sind. In diesem Fall tragen alle Batterieeinheiten zur vom Energiespeicher abgreifbaren Gesamtspannung bei. Dies ermöglicht es zudem auch, die Schalter, gerade was den gepulsten Betrieb betrifft, so anzusteuern, dass sich die Ausgangsspannung, das heißt die am Energiespeicher abgreifbare Gesamtspannung, dadurch nicht ändert oder nicht wesentlich beeinflusst wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the energy store has a plurality of battery units connected to one another, the switches of which can be controlled by the control device as a function of a power requirement parameter in such a way that all or only some of the several battery cells contribute to the provision of a total voltage that can be tapped at the energy store. Depending on the current power requirement, it can also be provided, at least in the event that several battery units are connected in parallel with one another, that not all of them have to actively contribute to the operation of the energy store, i.e. not all of them have to contribute to the provision of the total voltage that can be tapped at the energy store. If necessary, for example if the driver requests high acceleration of the motor vehicle, all battery units can be switched on so that higher battery currents and correspondingly higher power can be provided. In this case, all battery units contribute to the total voltage that can be tapped from the energy store. This also makes it possible to control the switches, particularly as far as pulsed operation is concerned, in such a way that the output voltage, ie the total voltage that can be tapped off at the energy store, does not change as a result or is not significantly influenced.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.Furthermore, a motor vehicle with a heating device according to the invention or one of its configurations should also be regarded as belonging to the invention.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Beheizen mindestens einer Komponente eines Kraftfahrzeugs mittels einer Heizeinrichtung, die eine Steuereinrichtung und einen Energiespeicher aufweist, der mindestens eine Batterieeinheit umfasst, die eine Batteriezelle aufweist. Dabei weist die Batterieeinheit zwei Schalter umfassend einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter auf, wobei der erste Schalter mit der Batteriezelle in Serie geschaltet ist und der zweite Schalter parallel zum ersten Schalter und parallel zur Batteriezelle geschaltet ist, wobei mindestens einer der zwei Schalter als ein erster MOSFET ausgebildet ist, der in einem eingeschalteten Zustand einen eine Verlustwärme erzeugenden Einschalt-Kanalwiderstand aufweist, der mittels einer am ersten MOSFET anliegenden ersten Steuerspannung gesteuert wird, wobei die Steuereinrichtung den ersten Einschalt-Kanalwiderstand durch Steuerung der ersten Steuerspannung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Heizparameter steuert, um die mindestens eine Komponente mittels der erzeugten Verlustwärme zu beheizen.Furthermore, the invention also relates to a method for heating at least one component of a motor vehicle by means of a heating device that has a control device and an energy store that includes at least one battery unit that has a battery cell. The battery unit has two switches, comprising a first switch and a second switch, with the first switch being connected in series with the battery cell and the second switch being connected in parallel with the first switch and in parallel with the battery cell, with at least one of the two switches acting as a first MOSFET is formed, which in a switched-on state has a switch-on channel resistance that generates heat loss and is controlled by means of a first control voltage applied to the first MOSFET, the control device controlling the first switch-on channel resistance by controlling the first control voltage as a function of a predetermined heating parameter controls to heat the at least one component by means of the generated heat loss.
Die für die erfindungsgemäße Heizeinrichtung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages described for the heating device according to the invention and its embodiments apply in the same way to the method according to the invention.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the heating device according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für die Heizeinrichtung. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.The invention also includes the control device for the heating device. The control device can have a data processing device or a processor device that is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and/or at least one microcontroller and/or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or at least one DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, the processor device can have program code which is set up to carry out the embodiment of the method according to the invention when executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory of the processor device.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combinations of features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, provided that the embodiments are not considered have been described as mutually exclusive.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Batterieeinheit für eine Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung einer Batterie gemäß dem Stand der Technik; -
3 eine schematische Darstellung eines mehrere Energieeinheiten umfassenden Energiespeichers für eine Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine grafische Veranschaulichung der Abhängigkeit des Kanalwiderstands eines MOSFETs von der Steuerspannung im eingeschalteten Zustand für verschiedene Temperaturen, wie diese für eine Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird; -
5 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs und eines vom Kraftfahrzeug umfassten Bordnetzes mit einer Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
6 eine schematische Darstellung einer Heizeinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 a schematic representation of a battery unit for a heating device according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic representation of a battery according to the prior art; -
3 a schematic representation of a plurality of energy units comprehensive energy store for a heating device according to an embodiment of the invention; -
4 a graphical illustration of the dependence of the channel resistance of a MOSFETs on the control voltage in the on state for different temperatures, as used for a heater according to an embodiment of the invention; -
5 a schematic representation of a motor vehicle and an on-board network comprised by the motor vehicle with a heating device according to an exemplary embodiment of the invention; and -
6 a schematic representation of a heating device according to a further embodiment of the invention.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.
Heizeinrichtung 12 umfasst nun vorteilhafterweise noch eine Steuereinrichtung 26, die dazu ausgelegt ist, die einzelnen Schalter S1, S2 einer jeweiligen Batterieeinheit 10 anzusteuern, wobei dies aus Gründen der Übersichtlichkeit in
Wie zu sehen ist, nimmt mit zunehmender Steuerspannung Ugs der Kanalwiderstand R ab. Um also zum Beispiel die Menge der erzeugten Verlustwärme zu erhöhen, kann gezielt die Steuerspannung Ugs erniedrigt werden, sodass sich der Kanalwiderstand R entsprechend vergrößert. Mit kleinerer Gatespannung Ugs steigt also der Kanalwiderstand R stetig und hat kurz über seiner Schwellenspannung ein Maximum, die auch als Threshhold Voltage bezeichnet wird. Regelt man also die Gatespannung Ugs bewusst auf niedrigere Spannungswerte im Bereich größer als die Threshhold Spannung und kleiner als zum Beispiel 18 Volt, so lassen sich definierte Kanalwiderstände R einstellen. Diese Widerstände R können nun genutzt werden, um gezielt Verlustleistung zu erzeugen und das Kühlmedium aufzuheizen.As can be seen, the channel resistance R decreases as the control voltage Ugs increases. For example, in order to increase the amount of heat loss generated, the control voltage Ugs can be reduced in a targeted manner so that the channel resistance R increases accordingly. With a smaller gate voltage Ugs, the channel resistance R increases steadily and has a maximum just above its threshold voltage, which is also referred to as the threshold voltage. If the gate voltage Ugs is deliberately set to lower voltage values in the range greater than the threshold voltage and less than 18 volts, for example, defined channel resistances R can be set. These resistors R can now be used to generate power loss in a targeted manner and to heat up the cooling medium.
Für das Einstellen der spezifischen Widerstände R der MOSFETs S1, S2 kann es vorgesehen sein, dass neben einer herkömmlichen PWM (Pulsweitenmodulations)-Regelung über einen Treiber zusätzlich auch die Höhe der Gate-Source-Spannung Ugs geregelt wird. Hierzu zeigt
Die Kommunikation sowie die Spannungsversorgung für die Steuereinrichtung 26, insbesondere den Microcontroller, erfolgt über das Niedervoltbordnetz 30. Über einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 36 kann auf der Hochvoltseite 32 eine Versorgungsspannung, zum Beispiel 20 Volt, generiert werden, welche die Schaltungsteile der Smartcell 10 auf der Hochvoltseite 32 versorgt. Die Kommunikation erfolgt über eine Bus-Kommunikation, zum Beispiel CAN-Bus, mit dem Fahrzeug. Die entsprechende Kommunikationseinheit ist in
Gemäß dem Stand der Technik sind die dargestellten Steuerspannungen, das heißt zum Beispiel die Einschaltspannung von +15 Volt konstante Spannungen und nicht regelbar. So werden aus dem Stand der Technik MOSFETs mit einer typischen Spannung von +15 Volt eingeschaltet und mit einer Spannung von -8 Volt ausgeschaltet.According to the prior art, the illustrated control voltages, that is, for example, the switch-on voltage of +15 volts, are constant voltages and cannot be regulated. Thus, from the prior art, MOSFETs are turned on with a typical voltage of +15 volts and turned off with a voltage of -8 volts.
Vorliegend wird im Rahmen der Erfindung nun eine Regelung der Gate-Source-Spannungspegel bereitgestellt. So ist es möglich, den Kanalwiderstand R der MOSFETs S1, S2 darüber präzise einzustellen und beispielsweise gezielt Verluste zu erzeugen.A regulation of the gate-source voltage level is now provided within the scope of the invention. It is thus possible to set the channel resistance R of the MOSFETs S1, S2 precisely and, for example, to generate losses in a targeted manner.
Weiterhin ist es durch das Regeln der Gate-Source-Spannungspegel möglich, durch verschiedene einzustellende Kanalwiderstände R unterschiedlichste Heizleistungen zu regeln beziehungsweise einzustellen. Über die sich im eingeschalteten Zustand der jeweiligen Schalter S1, S2 einstellenden Widerstände R kann nun gezielt eine Verlustleistung und damit Verlustwärme Q erzeugt werden und somit der Hochvoltspeicher 15 vorkonditioniert werden. Das präzise Einstellen der Verlustleistung und damit der Verlustwärme Q erfolgt über einen gepulsten Betrieb der jeweiligen MOSFETs, das heißt über einen getakteten Betrieb. Die Einschaltspannung Ugs wird dabei so geregelt, dass sich der gewünschte Widerstandswert R und somit die gewünschte Verlustleistung bzw. Verlustwärme Q ergibt.Furthermore, by controlling the gate-source voltage level, it is possible to control or set a wide variety of heating powers by means of different channel resistances R to be set. A power loss and thus heat loss Q can now be generated in a targeted manner via the resistances R set in the switched-on state of the respective switches S1, S2, and the high-
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Vorkonditionierung der Hochvoltbatterie durch gezielte Verlustleistungseinbringung der Smartcell-Halbleiter durch aktive Regelung der Gate-Emitter-Spannung, das heißt der Gate-Source-Spannung, und der Einstellung des Drain-Source-Einschaltwiderstands bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can be used to precondition the high-voltage battery through the targeted introduction of power loss in the smart cell semiconductors through active regulation of the gate-emitter voltage, i.e. the gate-source voltage, and the setting of the drain Source on-resistance can be provided.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102013018411 A1 [0003]DE 102013018411 A1 [0003]
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- DE 102017200088 A1 [0005]DE 102017200088 A1 [0005]
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- 2022-02-11 DE DE102022103289.2A patent/DE102022103289A1/en active Pending
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