DE102022128215A1

DE102022128215A1 - Akkumulatorbeheizung während des Fahrzeugbetriebs und/oder beim Laden eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022128215A1
Application number: DE102022128215.5A
Authority: DE
Inventors: Neeraj S. Shidore; Chandra S. Namuduri; Lei Hao; Shuonan Xu; Suresh Gopalakrishnan; Satish P. Ketkar; Daniel Robert Tylutki
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2023-12-28
Also published as: CN117325718A; US11929475B2; US20230420763A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Akkumulatorsystems umfasst ein Heizungssteuermodul, das elektrisch mit dem Akkumulatorsystem verbunden ist, und eine Umwandlungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe des Akkumulatorsystems zu steuern. Das Heizungssteuermodul ist dazu ausgelegt, einen Strom durch die Umwandlungsvorrichtung zu messen, wobei der gemessene Strom vom Akkumulatorsystem eines Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Das Heizungssteuermodul ist außerdem dazu ausgelegt, die Umwandlungsvorrichtung so zu steuern, dass sie unter Verwendung des gemessenen Stroms einen Heizwechselstrom erzeugt und den Heizwechselstrom an das Akkumulatorsystem anlegt, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.

Description

EINLEITUNG
Der Gegenstand der Offenbarung bezieht sich auf die Regelung der Temperatur von Akkumulatoren und insbesondere auf die Beheizung einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems unter Verwendung eines angelegten elektrischen Stroms.
Fahrzeuge, einschließlich benzin- und dieselbetriebener Fahrzeuge, sowie Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge, verfügen über Akkumulatorspeicher für die Versorgung von Elektromotoren, Elektronik und anderen Fahrzeugteilsystemen. In Umgebungen mit niedrigen Temperaturen kann die Aufrechterhaltung der richtigen Betriebstemperatur eine Herausforderung sein. Beispielsweise kann das Laden von Akkumulatoren bei niedrigen Temperaturen eingeschränkt sein. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Vorrichtung oder ein System bereitzustellen, das bei verschiedenen niedrigen Temperaturen Akkumulatorfunktionen bereitstellen kann.
KURZDARSTELLUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Akkumulatorsystems ein Heizungssteuermodul, das elektrisch mit dem Akkumulatorsystem verbunden ist, und eine Umwandlungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe des Akkumulatorsystems zu steuern. Das Heizungssteuermodul ist dazu ausgelegt, einen Strom durch die Umwandlungsvorrichtung zu messen, wobei der gemessene Strom vom Akkumulatorsystem eines Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Das Heizungssteuermodul ist außerdem dazu ausgelegt, die Umwandlungsvorrichtung so zu steuern, dass sie unter Verwendung des gemessenen Stroms einen Heizwechselstrom erzeugt und den Heizwechselstrom an das Akkumulatorsystem anlegt, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Fahrzeug einen ersten Elektromotor, der mit einem ersten Wechselrichter verbunden ist, und einen zweiten Elektromotor, der mit einem zweiten Wechselrichter verbunden ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern eines Phasenzweigs des ersten Wechselrichters, um den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst der Phasenzweig einen Quasi-Resonanzkreis mit einer Induktivität, einem Kondensator und einer Halbbrückenschaltungsanordnung, und das Steuern des Phasenzweigs umfasst das Steuern des Quasi-Resonanzkreises zur Erzeugung des Heizwechselstroms.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale stellen der erste Elektromotor und das Akkumulatorsystem den gemessenen Strom während des Fahrzeugbetriebs und bei einem im Leerlauf befindlichen Elektromotor bereit.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale wird der gemessene Strom beim Laden von der Energiequelle bereitgestellt.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das elektrische Verbinden der Energiequelle mit einem Phasenzweig des ersten Wechselrichters oder einem Phasenzweig des zweiten Wechselrichters.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom zu erzeugen, wenn sich der erste Elektromotor im Leerlauf befindet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom unter Verwendung von Energie, die von der Energiequelle und dem Akkumulatorsystem geliefert wird, wenn das Fahrzeug geladen wird, zu erzeugen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Akkumulatorsystems eines Fahrzeugs das Messen eines Stroms durch eine Umwandlungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe von dem Akkumulatorsystem zu steuern, wobei der gemessene Strom von dem Akkumulatorsystem des Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst außerdem das Steuern der Umwandlungsvorrichtung durch ein Heizungssteuermodul, um einen Heizwechselstrom unter Verwendung des gemessenen Stroms zu erzeugen, und das Anlegen des Heizwechselstroms an das Akkumulatorsystem, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Fahrzeug einen ersten Elektromotor, der mit einem ersten Wechselrichter verbunden ist, und einen zweiten Elektromotor, der mit einem zweiten Wechselrichter verbunden ist, und wobei das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern eines Phasenzweigs des ersten Wechselrichters umfasst, um den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst der Phasenzweig einen Quasi-Resonanzkreis mit einer Induktivität, einem Kondensator und einer Halbbrückenschaltungsanordnung, und das Steuern des Phasenzweigs umfasst das Steuern des Quasi-Resonanzkreises zur Erzeugung des Heizwechselstroms.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale stellen der erste Elektromotor und das Akkumulatorsystem den gemessenen Strom bereit, wenn sich ein Elektromotor im Leerlauf befindet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale wird der gemessene Strom beim Laden von der Energiequelle bereitgestellt.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom zu erzeugen, wenn sich der erste Elektromotor im Leerlauf befindet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom unter Verwendung von Energie, die von der Energiequelle und dem Akkumulatorsystem geliefert wird, wenn das Fahrzeug geladen wird, zu erzeugen.
Bei wiederum einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fahrzeugsystem einen Speicher mit computerlesbaren Anweisungen und eine Verarbeitungsvorrichtung zur Ausführung der computerlesbaren Anweisungen, wobei die computerlesbaren Anweisungen die Verarbeitungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens steuern. Das Verfahren umfasst das Messen eines Stroms durch eine Umwandlungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe von einem Akkumulatorsystem zu steuern, wobei der gemessene Strom von dem Akkumulatorsystem eines Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst außerdem das Steuern der Umwandlungsvorrichtung, um einen Heizwechselstrom unter Verwendung des gemessenen Stroms zu erzeugen, und das Anlegen des Heizwechselstroms an das Akkumulatorsystem, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Fahrzeug einen ersten Elektromotor, der mit einem ersten Wechselrichter verbunden ist, und einen zweiten Elektromotor, der mit einem zweiten Wechselrichter verbunden ist, und wobei das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern eines Phasenzweigs des ersten Wechselrichters umfasst, um den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom zu erzeugen, wenn sich ein Elektromotor im Leerlauf befindet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler, und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung umfasst das Steuern des Gleichspannungswandlers, um den Heizwechselstrom unter Verwendung von Energie, die von der Energiequelle und dem Akkumulatorsystem geliefert wird, wenn das Fahrzeug geladen wird, zu erzeugen.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung aufgeführt, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:

1 ein Kraftfahrzeug mit einer Akkumulatoranordnung oder einem Akkumulatorsystem und einem Akkumulatortemperaturmanagementsystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform in einer Draufsicht zeigt,
2 einen Teil eines Doppelmotorantriebssystems, das von einem Akkumulatorbeheizungssystem verwendete Komponenten umfasst, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
3 einen ersten Wechselrichter und einen zweiten Wechselrichter, die zur Verwendung als Teil eines Akkumulatorbeheizungssystems ausgelegt sind, um einen Heizstrom an eine Akkumulatoranordnung oder ein Akkumulatorsystem anzulegen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
4 den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter, die dazu ausgelegt sind, beim Laden eines Akkumulatorsystems einen Heizstrom an die Akkumulatoranordnung oder das Akkumulatorsystem anzulegen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
5 schematisch den Betrieb des ersten Wechselrichters von 3 zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems unter Verwendung eines im Leerlauf befindlichen Elektromotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht,
6 Beispiele für den Stromfluss durch die Komponenten des ersten Wechselrichters von 3 und 5 während des Betriebs zum Beheizen des Akkumulatorsystems zeigt,
7 schematisch den Betrieb des ersten Wechselrichters von 4 zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems beim Laden gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht,
8 Beispiele für den Stromfluss durch die Komponenten des ersten Wechselrichters von 4 und 7 während des Betriebs zum Beheizen des Akkumulatorsystems zeigt,
9 einen Gleichspannungswandler, der zur Verwendung als Teil eines Akkumulatorbeheizungssystems ausgelegt ist, um während des Fahrzeugbetriebs und/oder beim Laden des Akkumulatorsystems einen Heizstrom an eine Akkumulatoranordnung oder ein Akkumulatorsystem anzulegen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt,
10 schematisch den Betrieb des Gleichstromwandlers von 9 zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems während des Fahrzeugbetriebs unter Verwendung eines im Leerlauf befindlichen Elektromotors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht,
11 ein Flussdiagramm zeigt, das Aspekte eines Verfahrens zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt,
12 ein Flussdiagramm zeigt, das Aspekte eines Verfahrens zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt, und
13 ein Computersystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch einzuschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sind Verfahren, Vorrichtungen und Systeme für die Regelung der Temperatur von Akkumulatoranordnungen und Akkumulatorsystemen, wie z. B. die Akkumulatoranordnungen oder Akkumulatorsysteme von Fahrzeugen, bereitgestellt. Eine Ausführungsform eines Akkumulatorbeheizungssystems ist dazu ausgelegt, die Temperatur eines Akkumulatorsystems (z. B. eines Akkumulatorpacks) durch Anlegen eines Wechselstroms an das Akkumulatorsystem zu beheizen bzw. zu erhöhen. Der Wechselstrom wird während des Fahrzeugbetriebs (z. B. bei Bewegung des Fahrzeugs oder bei stehendem Fahrzeug) unter Verwendung eines Elektromotors im Fahrzeug und/oder beim Laden des Akkumulators unter Verwendung einer Energiequelle, wie z. B. einer Ladestation, angelegt.
Bei einer Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Doppel- oder Mehrmotorsystem, das zwei oder mehr Elektromotoren für den Antrieb verwendet. Das Beheizungssystem nutzt die von einem im Leerlauf befindlichen Motor (d. h. einem Motor, der kein Drehmoment erzeugt) gelieferte Energie, indem es einen an den im Leerlauf befindlichen Motor angeschlossenen Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler im Fahrzeug so steuert, dass der Strom des im Leerlauf befindlichen Motors moduliert wird, um den Heizwechselstrom zu erzeugen. Bei einer anderen Ausführungsform steuert das Beheizungssystem einen Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler, um den von einer Ladestation kommenden Strom zu modulieren und den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen bieten zahlreiche Vorteile und technische Effekte. Die Ausführungsformen stellen eine gleichmäßige und regelbare Beheizung einer Akkumulatoranordnung oder eines Akkumulatorsystems unter Verwendung bestehender Fahrzeugkomponenten bereit. Die Ausführungsformen stellen eine effektive Erwärmung in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (z. B. unter 25 Grad C) bereit. In solchen Umgebungen ist die Wärmeerzeugung in der Regel ineffizient, was sich negativ auf die Reichweite auswirkt und die Leistung beeinträchtigt. Darüber hinaus kann die Leistung von DC-Schnellladegeräten (DCFC) bei niedrigen Temperaturen begrenzt sein. Die Ausführungsformen stellen eine Lösung für die oben genannten Probleme bereit und vermeiden gleichzeitig die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten oder zusätzlicher Heizvorrichtungen (z. B. PTC-Heizvorrichtungen). Darüber hinaus sind die Ausführungsformen effizienter als andere Heizvorrichtungen.
Die Ausführungsformen sind nicht auf die Verwendung mit einem bestimmten Fahrzeug beschränkt und können in verschiedenen Zusammenhängen anwendbar sein. Die Ausführungsformen können zum Beispiel bei Autos, Lastwagen, Flugzeugen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Geräten, automatisierten Fabrikanlagen und/oder anderen Geräten oder Systemen eingesetzt werden, bei denen eine zusätzliche Temperaturregelung wünschenswert sein kann, um die bestehenden Temperaturregelungsfähigkeiten oder -merkmale eines Geräts oder Systems zu ermöglichen.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10, das eine Fahrzeugkarosserie 12 umfasst, die mindestens teilweise einen Fahrgastraum 14 bildet. Die Fahrzeugkarosserie 12 trägt außerdem verschiedene Teilsysteme des Fahrzeugs, die ein Antriebssystem 16 und andere Teilsysteme zur Unterstützung der Funktionen des Antriebssystems 16 und anderer Fahrzeugkomponenten, wie z. B. ein Bremsteilsystem, ein Aufhängungssystem, ein Lenkungsteilsystem, ein Kraftstoffeinspritzungsteilsystem, ein Auspuffteilsystem und dergleichen umfassen.
Das Fahrzeug 10 kann ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug (EV) oder ein Hybridfahrzeug sein. Bei einer Ausführungsform ist das Fahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug, das eine Verbrennungsmotoranordnung 18 und mindestens eine Elektromotoranordnung umfasst. Das Antriebssystem 16 umfasst zum Beispiel einen ersten Elektromotor 20 und einen zweiten Elektromotor 21. Die Motoren 20 und 21 können dazu ausgelegt sein, Räder auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs 10 anzutreiben. Es kann eine beliebige Anzahl von Motoren an verschiedenen Stellen eingesetzt werden.
Das Fahrzeug 10 umfasst ein Akkumulatorsystem 22, das elektrisch mit den Motoren 20 und 21 und/oder anderen Komponenten, wie der Fahrzeugelektronik, verbunden sein kann. Das Akkumulatorsystem 22 kann als wiederaufladbares Energiespeichersystem (Rechargeable Energy Storage System, RESS) ausgelegt sein.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Akkumulatorsystem 22 eine Akkumulatoranordnung, wie z. B. ein Hochspannungsakkupack 24 mit einer Vielzahl von Akkumulatormodulen 26. Die Akkumulatormodule 26 umfassen jeweils eine Reihe einzelner Zellen (nicht gezeigt). Das Akkumulatorsystem 22 kann außerdem eine Überwachungseinheit 28 umfassen, die dazu ausgelegt ist, Messungen von Sensoren 30 zu empfangen. Jeder Sensor 30 kann eine Anordnung oder ein System mit einem oder mehreren Sensoren zur Messung verschiedener Akkumulator- und Umgebungsparameter wie Temperatur, Strom und Spannungen sein. Die Überwachungseinheit 28 umfasst Komponenten wie einen Prozessor, einen Speicher, eine Schnittstelle, einen Bus und/oder andere geeignete Komponenten.
Das Akkumulatorsystem 22 ist elektrisch mit einem Gleichspannungswandlermodul 32 und einem Wechselrichtermodul 34 verbunden. Das Wechselrichtermodul 34 (z. B. eine Traktionswandlereinheit oder TPIM) wandelt Gleichstrom (DC) aus der Akkumulatoranordnung in Dreiphasenwechselstrom (AC) um, um die Motoren anzutreiben. Bei einer Ausführungsform umfasst das Wechselrichtermodul 34 einen ersten Wechselrichter 36, der mit dem Motor 20 verbunden ist, und einen zweiten Wechselrichter 38, der mit dem Motor 21 verbunden ist.
Das Akkumulatorsystem 22 kann außerdem mit anderen Fahrzeugkomponenten oder -systemen verbunden sein. Das Akkumulatorsystem 22 ist beispielsweise mit einem Hilfsstrommodul (Auxiliary Power Module, APM) 40 verbunden, das die Leistungsabgabe an Komponenten wie ein Beheizungssystem steuert. Das Hilfsstrommodul 40 kann verwendet werden, um Strom aus dem Akkumulatorsystem 22 für die Beheizung des Fahrgastraums 14 zu liefern.
Das Fahrzeug 10 kann ein Ladesystem umfassen, das zum Aufladen des Akkumulatorpacks 24 und/oder zur Stromversorgung aus dem Akkumulatorpack 24 zum Aufladen eines anderen Energiespeichersystems verwendet werden kann (z. B. Laden von Fahrzeug zu Fahrzeug). Das Ladesystem umfasst ein bordeigenes Lademodul 42, das elektrisch mit einem Ladeanschluss 44 verbunden ist.
Das Fahrzeug 10 umfasst außerdem ein Computersystem 48, das ein oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen 50 und eine Benutzerschnittstelle 52 umfasst. Die verschiedenen Verarbeitungsgeräte und -einheiten können über ein Kommunikationsgerät oder -system, z. B. ein Controller Area Network (CAN) oder einen Transmission-Control-Protocol-Bus (TCP-Bus), miteinander kommunizieren.
Die Komponenten des Fahrzeugs bilden ganz oder teilweise ein Beheizungssystem 60, das dazu ausgelegt ist, ein Wechselstromsignal (auch als „Wechselstrom“, „Heizstrom“ oder „Heizwechselstrom“ bezeichnet) zu erzeugen und das Wechselstromsignal an den Akkumulatorpack 24 anzulegen. Das Beheizungssystem 60 kann zum Beheizen des Akkumulatorpacks 24 bei Bewegung des Fahrzeugs, während des Betriebs des Fahrzeugs und bei stehendem Fahrzeug und/oder beim Laden des Fahrzeugs verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform ist das Beheizungssystem 60 dazu ausgelegt, die vom Akkumulatorpack 24 und einem Elektromotor und/oder einer Ladestation (oder einer anderen Energiequelle) erzeugte Energie zu nutzen, um einen Heizwechselstrom an den Akkumulatorpack 24 anzulegen, indem es eine Umwandlungsvorrichtung (z. B. einen Wechselrichter und/oder Gleichspannungswandler) steuert. Der Heizwechselstrom kann durch Steuern von Komponenten der Umwandlungsvorrichtung als Quasi-Resonanzkreis erzeugt werden.
Ist ein Fahrzeug mit einer Mehrmotoren-Architektur (d. h. mit einer Vielzahl von Elektromotoren, die für den Antrieb verwendet werden) in Bewegung, können einer oder mehrere der Elektromotoren erhebliche Leerlaufzeiten aufweisen. Ein Elektromotor befindet sich im Leerlauf, wenn er sich dreht, aber kein Drehmoment (oder kein nennenswertes Drehmoment) erzeugt, oder wenn er von einer Fahrzeugachse ausgekuppelt ist, falls eine solche Kupplung vorhanden ist. Bei einer Ausführungsform ist das Beheizungssystem 60 dazu ausgelegt, die von dem im Leerlauf befindlichen Motor beim Fahren (oder bei stehendem Fahrzeug) erzeugte Energie zu nutzen, um einen Heizwechselstrom zu erzeugen, indem es einen Phasenzweig eines entsprechenden Wechselrichters (im Leerlauf befindlichen Wechselrichters) zur Erzeugung des Wechselstroms steuert. Bei einer anderen Ausführungsform nutzt das System 60 beim Laden Energie von einer Ladestation oder einer anderen Energiequelle, indem es einen im Leerlauf befindlichen Wechselrichter mit dem Ladesystem verbindet und einen Wechselstrom in dem im Leerlauf befindlichen Wechselrichter erzeugt.
Bei einer Ausführungsform ist das Beheizungssystem 60 dazu ausgelegt, die Energie von einem im Leerlauf befindlichen Elektromotor oder einer Energiequelle (beim Laden) zu nutzen und über einen Gleichspannungswandler einen Heizwechselstrom zu erzeugen. Bei dem Gleichspannungswandler kann es sich um das Gleichspannungswandlermodul 32 oder einen anderen Gleichspannungswandler im Fahrzeug 10 handeln. Bei Bewegung des Fahrzeugs (oder bei im Leerlauf befindlichen Fahrzeug) ist das Gleichspannungswandlermodul 32 beispielsweise elektrisch mit einem im Leerlauf befindlichen Wechselrichter verbunden, und der Strom wird durch Steuern des Gleichspannungswandlermoduls 32 in ein Wechselstromsignal umgewandelt. Bei einem anderen Beispiel ist das Gleichspannungswandlermodul 32 beim Laden an die Akkumulatoranordnung 22 angeschlossen, und das Gleichspannungswandlermodul 32 wird so gesteuert, dass er den Heizwechselstrom erzeugt.
Das Beheizungssystem 60 umfasst ein Heizungssteuermodul 62, das dazu ausgelegt ist, Aspekte des Beheizens zu steuern, die das Steuern von Schaltern in einem Wechselrichter (z. B. dem Wechselrichter 36 oder dem Wechselrichter 38) oder einem Gleichspannungswandler (z. B. dem Gleichspannungswandlermodul 32) umfassen, um eine Umwandlungsvorrichtung anzuschließen und zu trennen, und das Steuern von Umwandlungsschaltungen (z. B. als Quasi-Resonanzkreis), um den Heizstrom zu erzeugen. Bei dem Steuermodul 62 kann es sich um ein spezielles, im Fahrzeug 10 installiertes Steuergerät oder um ein bestehendes Steuergerät handeln, wie z. B. die Überwachungseinheit 28, das bordeigene Lademodul 42, das Hilfsstrommodul 40 oder das Computersystem 48. Das Heizungssteuermodul 62 (auch „Steuergerät“ genannt) kann auch durch eine Kombination von Steuergeräten realisiert sein.
2 zeigt ein Doppelmotorenantriebssystem, das Komponenten einer Ausführungsform des Beheizungssystems 60 umfasst. Das Antriebssystem umfasst den ersten Wechselrichter 36, der mit dem Motor 20 gekoppelt ist, und den zweiten Wechselrichter 38, der mit dem Motor 21 gekoppelt ist. Komponenten des Wechselrichters 36 und/oder des Wechselrichters 38 werden als Teil des Beheizungssystems 60 eingesetzt und von dem Steuergerät 62 gesteuert. Wie hierin weiter erörtert, kann der erste Wechselrichter 36 bei fahrendem Fahrzeug 10 und bei im Leerlauf befindlichem ersten Motor 20 so gesteuert werden, dass er die Beheizung mit Wechselstrom bereitstellt, und der zweite Motor 21 und der zweite Wechselrichter 38 können gleichzeitig für den Antrieb verwendet werden. Der erste Wechselrichter 36 wird zwar als Heizungswechselrichter erörtert, dennoch können die Funktionen der Wechselrichter aber bei Bedarf umgeschaltet werden.
Bei einer Ausführungsform sind der erste Wechselrichter 36 und der zweite Wechselrichter 38 dreiphasige Wechselrichter, die über einen Gleichstromantriebsbus 64 mit dem Akkumulatorpack 24 verbunden sind. Der erste Wechselrichter 36 umfasst drei parallel geschaltete Schaltergruppen, die mit dem Akkumulatorpack 24 und dem Motor 20 verbunden sind. Jede Gruppe von Schaltern befindet sich in einer Halbbrückenanordnung. Eine erste Gruppe von Schaltern 66 und 68 ist mit einer ersten Motorphase (Phase A) verbunden, eine zweite Gruppe von Schaltern 70 und 72 ist mit einer zweiten Motorphase (Phase B) verbunden und eine dritte Gruppe von Schaltern 74 und 76 ist mit einer dritten Motorphase (Phase C) verbunden. Ein Kondensator 78 ist parallel zu den Schaltergruppen geschaltet, um die Stromwelligkeit herauszufiltern.
Der zweite Wechselrichter 38 umfasst ebenfalls drei Schaltergruppen in Halbbrückenanordnung, die mit dem Motor 21 verbunden sind. Eine erste Gruppe von Schaltern 80 und 82 ist mit einer ersten Motorphase (Phase A) verbunden, eine zweite Gruppe von Schaltern 84 und 86 ist mit einer zweiten Motorphase (Phase B) verbunden und eine dritte Gruppe von Schaltern 88 und 90 ist mit einer dritten Motorphase (Phase C) verbunden. Ein Kondensator 92 ist parallel zu den Schaltergruppen geschaltet.
Als Schalter kann jede geeignete Vorrichtung verwendet werden. Die Schalter können beispielsweise Halbleiterrelais und Transistoren wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) aus Silicium (Si) und Feldeffekttransistoren (FETs) umfassen. Beispiele für FETs umfassen Metalloxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs), Si-MOSFETs, Siliciumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs), Galliumnitrid-Transistoren (GaN) mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) und SiC-Sperrschicht-FETs (SFETs). Andere Beispiele für Schalter, die verwendet werden können, umfassen Diamant-, Galliumoxid- und andere Leistungsschaltervorrichtungen auf Basis von Halbleitern mit breitem Bandabstand.
3 zeigt eine Ausführungsform des Beheizungssystems 60, das Komponenten umfasst, mit denen eine Beheizung des Akkumulators bei Bewegung des Fahrzeugs (oder ansonsten während des Fahrzeugbetriebs) möglich ist, wenn sich ein Motor im Leerlauf befindet. Der erste Wechselrichter 36 ist über einen Schalter 94 (S11), der einen Pluspol des Akkumulatorpacks 24 mit einem positiven Bus 96 (DC1 +) verbindet, und einen Schalter 98 (S21), der einen Minuspol des Akkumulatorpacks mit einem negativen Bus 100 (DC1-) verbindet, mit dem Akkumulatorpack 24 verbunden.
Wie hierin weiter erörtert, kann der erste Wechselrichter 36 selektiv von dem Gleichstromantriebsbus 64 getrennt werden, so dass der erste Wechselrichter 36 so gesteuert werden kann, dass er einen Heizwechselstrom anlegt. Gleichzeitig kann der zweite Wechselrichter 38 mit dem Gleichstromantriebsbus 64 verbunden bleiben, um den Antrieb bereitzustellen. Ebenso kann der zweite Wechselrichter 38 zum Beheizen selektiv getrennt werden, während der erste Wechselrichter 36 für den Antrieb in Betrieb bleibt.
Um den ersten Wechselrichter 36 selektiv vom Gleichstromantriebsbus 64 zu trennen, sind ein Schalter 102 und eine Induktivität 104 (L1) zwischen dem positiven Anschluss und einem Zweig des Wechselrichters 36 geschaltet. Eine Diode 106 (D1) sorgt für die Isolierung des Wechselrichters 36 in Verbindung mit der Induktivität 104, wenn der Schalter 102 geschlossen (eingeschaltet) ist. Der Schalter 102 und die Induktivität 104 können, wie gezeigt, an einen Zweig der Phase A des Wechselrichters 36 oder an einen beliebigen anderen Zweig angeschlossen sein. Zur Begrenzung des Einschaltstroms kann ein Vorladegerät 107 eingebaut sein.
Der zweite Wechselrichter 38 ist über eine Diode 108 (D2) mit dem Antriebsbus 64 verbunden. Der zweite Wechselrichter 38 umfasst einen Schalter 110 (S21), der einen Pluspol des Akkumulatorpacks 24 mit einem positiven Bus 112 (DC2+) verbindet, und einen Schalter 114 (S22), der einen Minuspol des Akkumulatorpacks mit einem negativen Bus 116 (DC2-) verbindet. Der zweite Wechselrichter 38 umfasst ebenfalls einen Schalter 118 (Sw2) und eine Induktivität 120 (L2), die zwischen dem Pluspol und einem Zweig des Wechselrichters 38 geschaltet ist.
Wenn sich der erste Motor 20 im Leerlauf befindet (z. B. bei Bewegung des Fahrzeugs), kann der erste Wechselrichter 36 in einen Heizmodus versetzt werden, in dem der erste Wechselrichter 36 vom Gleichstromantriebsbus 64 getrennt ist und zum Beheizen verwendet wird. Gleichzeitig wird der zweite Wechselrichter 38 in einen Antriebsmodus versetzt (oder in diesem gehalten), in dem der zweite Wechselrichter 38 mit dem Gleichstromantriebsbus 64 verbunden ist und für den Antrieb verwendet wird. Wenn sich der zweite Motor 21 im Leerlauf befindet, kann der zweite Wechselrichter 38 in den Heizmodus versetzt werden, während sich der erste Wechselrichter 36 im Antriebsmodus befindet.
Wenn sich der erste Wechselrichter 36 im Heizmodus befindet, ist der Schalter 94 (S11) geöffnet und die Schalter 102 (Sw1) und 98 (S21) sind geschlossen. Im Antriebsmodus sind die Schalter 94 (S11) und 98 (S21) geschlossen und der Schalter 102 (Sw1) ist geöffnet.
Ebenso ist der Schalter 110 (S21) geöffnet und die Schalter 118 (Sw2) und 114 (S22) sind geschlossen, wenn sich der zweite Wechselrichter 38 im Heizmodus befindet. Im Antriebsmodus sind die Schalter 110 (S21) und 114 (S22) geschlossen und der Schalter 118 (Sw2) ist geöffnet.
4 zeigt eine Ausführungsform des Beheizungssystems 60, das Komponenten umfasst, mit denen eine Beheizung des Akkumulators beim Laden möglich ist. Bei einer Ausführungsform wird das Heizen während eines DC-Schnelllade- (DCFC) oder Level-3-Ladevorgangs durchgeführt. DCFC-Ladegeräte weisen eine Leistung von 50 kW bis 350 kW auf und können die Akkumulatoranordnung eines Elektrofahrzeugs in einem Zeitraum, der in der Regel in einem Bereich von 15 bis 45 Minuten liegt, zu 80 % aufladen.
Bei dieser Ausführungsform ist der Zweig des ersten Wechselrichters 36 über eine Diode 122 (D3) mit einer Energiequelle, z. B. einer DCFC-Ladestation, verbunden, die verhindert, dass der Heizwechselstrom in die Ladestation fließt, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass der Heizwechselstrom durch das Akkumulatorpack 24 fließen kann. Ein erster Ladeschalter 124 (Sc1) ist mit einem positiven Anschluss (DCFC+) der Ladestation verbunden, und ein zweiter Ladeschalter 126 (Sc2) ist mit einem negativen Anschluss (DCFC-) der Ladestation verbunden. Um den ersten Wechselrichter 36 in den Heizmodus zu versetzen und einen Heizstrom anzulegen, ist der Schalter 94 (S11) geöffnet und die Schalter 102 (Sw1) und 98 (S21) sind geschlossen.
Befindet sich ein Wechselrichter im Heizmodus, wird der Zweig des Wechselrichters zur Erzeugung des Heizwechselstroms verwendet, indem der Zweig als Quasi-Resonanzkreis betrieben wird. Im ersten Wechselrichter 36 bilden der Schalter 102 (Sw1), die Induktivität 104 (L1) und der Kondensator 78 (C1) einen Quasi-Resonanzkreis zur Erzeugung des Heizstroms. Im zweiten Wechselrichter 38 bilden der Schalter 118 (Sw2), die Induktivität 120 (L2) und der Kondensator 92 (C2) einen Quasi-Resonanzkreis zur Erzeugung des Heizstroms.
Das Steuergerät 62 betätigt beispielsweise die Schalter 66 und 68, um einen Strom zu erzeugen, der eine Wechselstromwellenform mit einer ausgewählten Amplitude und Frequenz aufweist. Der Heizwechselstrom wird dem vorhandenen Strom überlagert, bei dem es sich um den Strom durch den anderen Wechselrichter 38 (bei Beheizen während der Fahrt) oder den Ladestrom (bei Beheizen beim Laden) handeln kann.
5 veranschaulicht schematisch den Betrieb des Zweigs des Wechselrichters 36 als Quasi-Resonanzkreis zur Erzeugung des Heizwechselstroms, während sich der Wechselrichter 36 im Leerlauf befindet (z. B. bei Bewegung des Fahrzeugs). Der Wechselrichter 36 wird vom Steuergerät 62 so gesteuert, dass der Heizwechselstrom durch den Akkumulatorpack 24 (dargestellt als Widerstand R_batt) fließt. Die Induktivität 104 ist zwischen einem Knoten 130 (HB1) der Halbbrücke (Schalter 66 und 68) und einem Pluspol des Akkumulatorpacks 24 geschaltet. Die Widerstände zwischen der Induktivität 104 und dem Knoten 130 sind als Widerstände R4 und R5 dargestellt.
Der Wechselrichter 36 ist außerdem mit verschiedenen Sensoren zur Überwachung seiner Parameter verbunden. Zum Beispiel ist ein Voltmeter 132 zur Messung der Akkumulatorspannung V_batt und ein Amperemeter 134 zur Messung des Akkumulatorentladestroms (I_batt) vorgesehen. Andere Sensoren können ein Amperemeter 136 zur Messung des Stroms (I_L1) durch die Induktivität 104 und ein Amperemeter 138 zur Messung des Stroms über den Kondensator 78 umfassen. Der Widerstand zwischen dem Amperemeter 138 und dem Kondensator 78 ist als Widerstand R3 dargestellt. Einer oder mehrere der Sensoren sind dazu ausgelegt, Messwerte an das Steuergerät 62 zu senden, um den Betrieb des Quasi-Resonanzkreises zur Bereitstellung von Heizleistung zu ermöglichen.
Der Wechselrichter 36 wird so betrieben, dass er den Akkumulatorpack 24 beheizt, indem er den Schalter 68 in den EIN-Zustand bzw. geschlossenen Zustand versetzt und den Schalter 66 für eine gewisse Zeit in den AUS-Zustand bzw. geöffneten Zustand versetzt, damit der Akkumulatorpack 24 Strom durch die Induktivität 104 liefern kann. Danach wird der Schalter 68 geöffnet (in einen AUS-Zustand versetzt) und der Schalter 66 geschlossen (in einen EIN-Zustand versetzt), um die Induktivität 104 und den Kondensator 78 zu koppeln und die aus Induktivität und Kondensator bestehende Kombination in Reihe über den Akkumulatorpack 24 zu schalten. Der Schalter 68 bleibt im AUS-Zustand und der Schalter 66 bleibt im EIN-Zustand, und zwar so lange, bis der Quasi-Resonanzkreis schwingt.
Das Steuergerät 62 stellt ein Steuersignal bereit, wie z. B. ein Pulsdauermodulationssignal (PDM-Signal), das eine ausgewählte oder voreingestellte Zeitdauer zwischen den Pulsen und der Pulsdauer aufweist. Das Steuersignal wird auf Grundlage der gewünschten Heizleistung eingestellt, indem Signalparameter wie Pulsdauer, Tastverhältnis, Frequenz, Signalamplitude und andere Parameter angepasst werden.
Das Steuergerät 62 empfängt einen Referenzstrom (I_Ref) und misst kontinuierlich oder periodisch einen Strommesswert (I_sense) vom Amperemeter 136. Der Referenzstrom kann eine Spitzenstromangabe sein, die einen maximalen Spitzenstrom (I_pk) angibt, der angelegt werden kann. Das Steuergerät 62 kann das PDM-Signal und die Schaltvorgänge steuern und den Betrieb unterbrechen, wenn der Referenzstrom den Spitzenstrom überschreitet (z. B. über das Signal „NOT“).
Auf diese Weise wird der Heizwechselstrom an den Akkumulatorpack 24 angelegt. Der Heizwechselstrom überlagert sich mit dem Strom, der vom Wechselrichter 38 aufgenommen wird (dargestellt als Strom 12).
6 zeigt ein Beispiel für einen Heizwechselstrom, der unter Verwendung des Wechselrichters 36 während der Fahrzeugbewegung angelegt wird. Kurve 140 zeigt die Akkumulatorspannung V_batt in Abhängigkeit der Zeit. Bei diesem Beispiel nimmt der Wechselrichter 38 einen durchschnittlichen Strom I_Inv2 von 200 A mit einer Stromwelligkeit von 10 A auf, wie in Kurve 142 gezeigt. Der Strom I_L1 durch die Induktivität 104 ist in Kurve 144, die Spannung V_Cap1 über dem Kondensator C1 in Kurve 146 und der Strom I_Cap1 durch den Kondensator C1 in Kurve 148 gezeigt. Der Heizwechselstrom und der Strom I_Inv2 spiegeln sich im Entladestrom I_batt wider, wie in Kurve 150 gezeigt.
7 veranschaulicht schematisch den Betrieb des Zweigs des Wechselrichters 36 als Quasi-Resonanzkreis zur Erzeugung des Heizwechselstroms während des Ladevorgangs (z. B. DCFC). Bei diesem Beispiel überlagert sich der Heizwechselstrom mit dem von einer DCFC-Ladestation 152 gelieferten Strom I_dcfc. Der Wechselrichter 36 wird durch das Steuergerät 62 gesteuert, um den Wechselstrom durch den Akkumulatorpack 24 anzulegen, indem es die Schalter 66 und 68 steuert, wie in Verbindung mit 5 erörtert. Der Akkumulatorstrom I_batt ist bei diesem Beispiel ein Nettoakkumulatorstrom, der den dem Strom I_dcfc überlagerten Heizwechselstrom umfasst.
8 zeigt ein Beispiel für einen Heizwechselstrom, der unter Verwendung des Wechselrichters 36 während des DCFC-Ladevorgangs erzeugt wird. Kurve 160 zeigt die Akkumulatorspannung V_batt in Abhängigkeit der Zeit. Bei diesem Beispiel stellt die Ladestation 152 einen durchschnittlichen Strom I_dcfc von 280 A mit einer Stromwelligkeit von ungefähr 10 A bereit, wie in Kurve 162 gezeigt. Der Strom I_L1 durch die Induktivität 104 ist in Kurve 164, die Spannung V_Cap1 über dem Kondensator C1 in Kurve 166 und der Strom I_Cap1 durch den Kondensator C1 in Kurve 168 gezeigt. Der Heizwechselstrom und der Strom I_dcfc spiegeln sich im Nettoakkumulatorstrom I_batt wider (Kurve 170).
Bei einer Ausführungsform ist das Beheizungssystem 60 dazu ausgelegt, den Akkumulatorpack 24 unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers im Fahrzeug 10 zu beheizen. Der Gleichspannungswandler kann so betrieben werden, dass er einen Heizstrom erzeugt, indem er die Energie eines im Leerlauf befindlichen Motors und/oder die Energie einer Ladestation oder einer anderen Energiequelle während eines Ladevorgangs (z. B. DCFC) nutzt. Im Folgenden wird als Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandler 32 verwendet, was jedoch keine Einschränkung darstellt.
9 zeigt eine Ausführungsform des Beheizungssystems 60, das den Gleichspannungswandler 32 umfasst. Bei dieser Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler 32 über eine Schaltanordnung 180 mit dem Ladeanschluss 44 verbunden. Die Schaltanordnung 180 umfasst einen Schalter 182 (S1), einen Schalter 184 (S2) und einen Schalter 186 (S3). Der Gleichspannungswandler 32 kann durch Schließen der Schalter 182 (S1) und 184 (S2) selektiv mit dem Ladeanschluss 44 verbunden werden.
Der Gleichspannungswandler 32 umfasst einen Gleichspannungswandlerbus 188, der den Gleichspannungswandler 32 mit dem Akkumulatorpack 24 verbindet. Ein Vorladeschalter 190 (SPC) ist mit einem Widerstand verbunden und ermöglicht die selektive Verbindung des Akkumulatorpacks 24 mit dem Ladeanschluss 44. Das System 60 umfasst außerdem einen Schalter 206 (S7) und einen Schalter 208 (S8) zur selektiven Verbindung des Gleichspannungswandlers 32 mit dem Wechselrichtermodul 34.
Der Gleichspannungswandler 32 umfasst einen Kondensator 192 (C1), der parallel zu einer Vollbrückenanordnung geschaltet ist. Bei der Vollbrückenanordnung ist eine Induktivität 194 mit einer Halbbrücke, die einen Schalter 196 (T1) und einen Schalter 198 (T3) umfasst, sowie mit einer Halbbrücke, die einen Schalter 200 und einen Schalter 202 (C2) umfasst, verbunden. Ein Schalter 204 (S0) stellt eine Umgehung der Verbindung zwischen dem Gleichstromwandler 32 und dem Wechselrichtermodul 34 bereit. Ist der Schalter 204 (S0) geschlossen, wird die Wirkung des Gleichspannungswandlers auf das Wechselrichtermodul 34 umgangen.
Verschiedene Schalter sind steuerbar, um den Gleichspannungswandler 32 in einen Heizmodus zu versetzen. Ist bei Bewegung des Fahrzeugs keine Heizung gewünscht, sind die Schalter 182 (S1), 184 (S2) und 186 (S3) geöffnet und die Schalter 206 (S7) und 208 (S8) geschlossen. Um den Gleichspannungswandler 32 in den Heizmodus zu versetzen, werden die Schalter 204 (S0), 206 (S7) und 208 (S8) geöffnet. Die Schalter 182 (S1), 184 (S2) und 186 (S3) sind geschlossen, um zu ermöglichen, dass der Akkumulatorpack 24 das Wechselrichtermodul 34 mit Strom versorgen kann, während der Gleichspannungswandler 32 zur Erzeugung des Heizwechselstroms verwendet wird.
Um den Heizwechselstrom zu erzeugen, werden die Schalterpaare 196, 202 während einer ersten Hälfte eines Wechselstromzyklus gesteuert, um Energie über die Induktivität 194 und den Kondensator 192 zu speichern, und dann werden die Schalter 198 und 200 während einer zweiten Hälfte des Wechselstromzyklus gesteuert, um die gespeicherte Energie zurück in den Akkumulatorpack 24 zu entladen. Der Fließpfad des Heizwechselstroms ist durch die Pfeile 214 gezeigt.
Wie oben erwähnt, kann das System 60 für den Einsatz beim Beheizen während des Fahrzeugbetriebs und/oder beim Laden ausgelegt sein. Für das Beheizen beim Laden kann eine Diode 210 eingebaut sein, um zu verhindern, dass der Heizwechselstrom zur Ladestation oder einer anderen Energiequelle fließt.
10 veranschaulicht den Betrieb des Beheizungssystems 60 zum Anlegen des Heizwechselstroms. Das Steuergerät 62 empfängt Eingangsdaten, die die Motordrehzahl, das Drehmoment und die Motorströme Id, Iq für jeden Motor 20 und 21 von den jeweiligen Motortreibern, wie z. B. einem mit dem Motor 20 verbundenen Motortreiber 213, umfassen. Bei diesem Beispiel befindet sich der Motor 20 im Leerlauf und erzeugt daher kein Drehmoment. Das Steuergerät 62 empfängt außerdem Eingangsdaten 211, die die Spannung V_bus am Gleichspannungswandlerbus 188, die Phasenströme i_abc und die Phasenwinkel θ über einen Wechselrichter im TPIM (z. B. den Wechselrichter 36) umfassen. Auf Grundlage der Eingangsdaten legt das Steuergerät 62 einen Heizwechselstrom mit PDM-Modulation an die Phasenzweige der Maschine 20 an, um den Heizwechselstrom im Gleichspannungswandlerbus 188 und im Akkumulatorpack 24 zu erzeugen.
11 veranschaulicht Ausführungsformen eines Verfahrens 300 zum Beheizen einer Akkumulatoranordnung und/oder eines anderen Fahrzeugbauteils oder -systems durch Steuern einer Umwandlungsvorrichtung in einem Fahrzeug. Aspekte des Verfahrens 300 können von dem Steuergerät 62 oder einer anderen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung durchgeführt werden. Darüber hinaus wird das Verfahren 300 in Verbindung mit dem Fahrzeug 10 und seinen Komponenten beschrieben, ist aber nicht darauf beschränkt, da das Verfahren 300 in Verbindung mit jedem geeigneten Fahrzeug bzw. jeder geeigneten Akkumulatoranordnung und mit jeder geeigneten Art von Umwandlungsvorrichtung durchgeführt werden kann.
Das Verfahren 300 umfasst eine Reihe von Schritten oder Stufen, die durch die Blöcke 301-312 dargestellt sind. Das Verfahren 300 ist nicht auf die Anzahl oder Reihenfolge der Schritte beschränkt, da einige der durch die Blöcke 301-312 dargestellten Schritte in einer anderen Reihenfolge als der unten beschriebenen durchgeführt werden können oder weniger als alle Schritte durchgeführt werden können.
Bei Block 301 ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung, ob das Antriebssystem des Fahrzeugs 10 aktiv ist (z. B. ob das Fahrzeug in Bewegung ist und ein Drehmoment anliegt).
Ist das Antriebssystem nicht aktiv, ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung bei Block 302, ob sich das Fahrzeug 10 in einem Lademodus befindet (z. B. mit einer Ladestation verbunden ist und Ladestrom erhält). Beispielsweise ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung, ob sich das Fahrzeug 10 in einem DCFC-Modus befindet. Wenn nicht, endet das Verfahren 300 bei Block 303.
Befindet sich das Fahrzeug 10 in einem Lade- oder DCFC-Modus, wird bei Block 304 eine Innentemperatur des Akkumulatorpacks 24 gemessen oder geschätzt. Beispielsweise empfängt die Verarbeitungsvorrichtung eine Temperaturmessung vom wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS-System). Ist die Temperatur größer oder gleich einem ausgewählten Schwellenwert ist, endet das Verfahren 300 bei Block 303.
Liegt die Temperatur über dem Schwellenwert, wird bei Block 305 das Beheizungssystem 60 so gesteuert, dass es einen Heizwechselstrom anlegt. Der Heizwechselstrom kann unter Verwendung eines Wechselrichters oder eines Gleichspannungswandlers, wie hierin erörtert, angelegt werden. Die Stromparameter werden so gesteuert, dass sie einen gewünschten Temperaturanstieg oder eine gewünschte Temperaturänderungsrate bewirken, und können so lange beibehalten werden, bis die Temperatur einen gewünschten Wert erreicht oder der Ladevorgang beendet wird.
Bei Block 306 ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung bei aktivem Antriebssystem, ob die Temperatur des Akkumulatorpacks einen Schwellenwert erreicht oder unterschreitet und/oder ob eine Beheizung gewünscht ist. Beispielsweise kann die Verarbeitungsvorrichtung eine Prioritätsstufe von dem wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS-System) empfangen.
Bei Block 307 ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung, ob der Allradantrieb deaktiviert werden kann, wenn eine Akkumulatorbeheizung gewünscht ist (z. B. wenn die Prioritätsstufe des wiederaufladbaren Energiespeichersystems hoch ist). Wenn ja, wird der Allradantrieb bei Block 308 deaktiviert und die Wechselstrombeheizung aktiviert (Block 305).
Bei Block 309 ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung, ob eine Beheizung des Fahrgastraums erforderlich ist, wenn die Beheizung des Akkumulators nicht gewünscht ist. Wenn ja, wird bei Block 310 eine gewünschte Heizleistung geschätzt. Die Heizleistung wird auf Grundlage der Heizleistung des Fahrgastraums, der zusätzlichen Wärme des Wärmepumpenkompressors des Fahrzeugs und der Abwärme der Leistungselektronik geschätzt. Die gewünschte Heizleistung kann auf Grundlage der folgenden Gleichung ermittelt werden: $\begin{array}{l} Gew \ddot{u} nschte Wechselstromheizleistung = \frac{1}{η_{chiller}} (Heizleistung f \ddot{u} r Fahrgastraum - \\ Zus \ddot{a} tzliche Kompressorw \ddot{a} rme) - Abw \ddot{a} rme der Leistungselektronik \end{array}$
Bei Block 311 wird ermittelt, ob die gewünschte Heizleistung größer als Null ist. Wenn nicht, wird das Verfahren beendet (Block 312).
Ist die gewünschte Leistung größer als Null, wird bei Block 313 ermittelt, ob der Allradantrieb deaktiviert werden kann. Wenn ja, wird der Allradantrieb deaktiviert und die Wechselstrombeheizung eingesetzt, um den Akkumulatorpack 24 mit einer gewünschten Änderungsrate zu beheizen (Block 314).
12 veranschaulicht Ausführungsformen eines Verfahrens 330 zum Beheizen und/oder Regeln der Temperatur einer Akkumulatoranordnung. Aspekte des Verfahrens 330 können von dem Steuergerät 62 oder einer anderen geeigneten Verarbeitungsvorrichtung durchgeführt werden. Das Verfahren 330 kann zum Erzeugen und Steuern eines Heizwechselstroms verwendet werden, um einen gleichmäßigen oder konstanten Temperaturanstieg bereitzustellen.
Das Verfahren 330 umfasst eine Reihe von Schritten oder Stufen, die durch die Blöcke 331-341 dargestellt sind. Das Verfahren 330 ist nicht auf die Anzahl oder Reihenfolge der Schritte beschränkt, da einige der durch die Blöcke 331-341 dargestellten Schritte in einer anderen Reihenfolge als der unten beschriebenen durchgeführt werden können oder weniger als alle Schritte durchgeführt werden können.
Bei Block 331 wird die gewünschte Temperaturanstiegsrate für eine Akkumulatorzelle in eine Verarbeitungsvorrichtung, z. B. das Steuergerät 62, eingegeben. Die gewünschte Rate wird wie folgt angegeben: $\frac{d t *_{c e l l, i n i}}{d t} .$
Bei Block 332 werden die Temperatur T_cell und der Ladezustand (SoC) jeder Zelle in einem Akkumulatormodul (z. B. Modul 26) in eine Lookup-Tabelle (LUT) eingegeben. Die LUT gibt einen Impedanzwert R_cell aus.
Bei Block 333 werden die gewünschte Temperaturanstiegsrate und die Impedanz R_cell verwendet, um den Effektivwert des gewünschten Stroms durch jede Zelle zu schätzen. Dieser Wert wird als I*_cell,RMS bezeichnet und kann auf Grundlage der folgenden Gleichung berechnet werden: $I_{c e l l, R M S}^{2} = \frac{1}{R c e l l} * ((\frac{1}{# c e l l s i n m o d u l e} * m_{m o d} * C_{p, m o d} * \frac{d t *_{c e l l, i n i}}{d t}) - h A (\hat{T_{c e l l}} - T_{c o o l}))$
wobei # cells in module = Anzahl Zellen im Modul
In dieser Gleichung stehen m_mod für die Masse des Akkumulatormoduls, C_p,mod für die spezifische Wärmekapazität eines Moduls und hA für das Produkt aus einem Wärmeübergangskoeffizienten und einer effektiven Fläche einer Kühlfläche. T_cool steht für eine Kühlmitteltemperatur. Die Quadratwurzel von I_cell,RMS wird iterativ berechnet und als gewünschter Akkumulatorwechselstrom I*_cell,RMS bereitgestellt.
Bei Block 334 wird der maximal zulässige Spitzenstrom I_{cell,AC,peak,allowed} auf Grundlage von R_cell, wie von der LUT empfangen, berechnet. Bei einer Ausführungsform wird dieser Wert auf Grundlage der folgenden Gleichung berechnet: $\begin{array}{l} I_{c e l l, A C, p e a k, a l l o w e d} = \frac{α}{R c e l l} * min [(V_{c e l l m i n, m e a s} - V_{c e l l m i n, l i m}), (V_{c e l l m a x, l i m} - V_{c e l l m a x, m e a s})] : \\ α < 1, \end{array}$
wobei V_cellmin,meas für die niedrigste im Modul gemessene Zellenspannung und V_cellmax,meas die höchste im Modul gemessene Zellenspannung steht. V_cellmin,lim steht für die minimale Zellenspannung und V_cellmax,lim für die maximale Zellenspannung. α ist ein strombegrenzender Faktor.
Bei Block 335 wird I_{cell,AC,peak,allowed} in den Effektivwert umgewandelt, um einen Wert mit der Bezeichnung I_{cell,AC,RMS,allowed} zu erzeugen.
Bei Block 336 werden I*_cell,RMS und I_{cell,AC,RMS,allowed} verglichen. Der niedrigste dieser Werte wird ermittelt. Dieser Wert wird als gewünschter Stromeffektivwert bezeichnet, der (als Wert mit der Bezeichnung I*_{cell,ff, RMS}) weitergeleitet und zur Aktualisierung des gewünschten Temperaturratenanstiegs bei Block 337 verwendet wird (z. B. wenn dieser Wert den maximal zulässigen Strom durch eine Zelle überschreitet).
Bei Block 338 wird der gewünschte Temperaturanstieg (oder der aktualisierte gewünschte Temperaturanstieg) zusammen mit einem gemessenen Temperaturanstieg an eine Rückkopplungsregelung übermittelt. Die Rückkopplungsregelung begrenzt den gewünschten Stromeffektivwert, wenn die gemessene Anstiegsrate die gewünschte Anstiegsrate überschreitet.
Bei Block 339 wird der gewünschte Stromeffektivwert (I*_cell,RMS) auf Grundlage anderer Temperaturgrenzwerte, z. B. der Temperaturgrenzwerte der Leistungselektronik, begrenzt oder eingeschränkt. Der gewünschte Strom des Packs wird bei Block 340 auf Grundlage der Auslegung des Akkumulatorpacks (z. B. Anzahl der Module) geschätzt und auf Grundlage der Leistungsfähigkeit des Beheizungssystems 60 eingeschränkt (Block 341). Der Heizwechselstrom wird an den Akkumulatorpack 24 angelegt, wobei I*_batt(t) für den Spitzenstrom steht, der auf Grundlage von I*_cell,RMS an den Akkumulatorpack angelegt wird. Der Heizwechselstrom weist eine Frequenz auf, die von der Zellentemperatur und dem SoC abhängt.
13 veranschaulicht Aspekte einer Ausführungsform eines Computersystems 440, das verschiedene Aspekte der hierin beschriebenen Ausführungsformen durchführen kann. Das Computersystem 440 umfasst mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung 442, die im Allgemeinen einen oder mehrere Prozessoren zur Durchführung von Aspekten der hierin beschriebenen Bilderfassungs- und -analyseverfahren umfasst.
Komponenten des Computersystems 440 umfassen die Verarbeitungsvorrichtung 442 (wie z. B. ein oder mehrere Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten), einen Speicher 444 und einen Bus 446, der verschiedene Systemkomponenten einschließlich des Systemspeichers 444 mit der Verarbeitungsvorrichtung 442 koppelt. Der Systemspeicher 444 kann ein nicht transitorisches, computerlesbares Medium sein und kann eine Vielzahl von computerlesbaren Medien umfassen. Diese Medien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die die Verarbeitungsvorrichtung 442 zugreifen kann, und sowohl flüchtige als auch nichtflüchtige Medien sowie entfernbare und nicht entfernbare Medien umfassen.
Der Systemspeicher 444 umfasst beispielsweise einen nichtflüchtigen Speicher 448, wie eine Festplatte, und kann außerdem einen flüchtigen Speicher 450, wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und/oder einen Cache-Speicher, umfassen. Das Computersystem 440 kann ferner andere entfernbare/nicht entfernbare, flüchtige/nicht flüchtige Speichermedien des Computersystems umfassen.
Der Systemspeicher 444 kann mindestens ein Programmprodukt umfassen, das einen Satz von Programmmodulen (z. B. mindestens eines) aufweist, die dazu ausgelegt sind, Funktionen der hierin beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Beispielsweise speichert der Systemspeicher 444 verschiedene Programmmodule, die im Allgemeinen die Funktionen und/oder Methodiken der hierin beschriebenen Ausführungsformen ausführen. Es können ein oder mehrere Module 452 zur Ausführung von Funktionen im Zusammenhang mit dem Steuern von Heizvorgängen enthalten sein, wie hierin erörtert. Das System 440 ist nicht darauf begrenzt, da auch andere Module enthalten sein können. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Modul“ auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten umfassen kann, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 442 kann außerdem mit einem oder mehreren externen Geräten 456 wie einer Tastatur, einem Zeigegerät und/oder anderen Geräten (z. B. einer Netzwerkkarte, einem Modem usw.) kommunizieren, die es der Verarbeitungsvorrichtung 442 ermöglichen, mit einem oder mehreren anderen Computergeräten zu kommunizieren. Die Kommunikation mit verschiedenen Geräten kann über die Eingangs-/Ausgangsschnittstellen (E/A-Schnittstelle) 464 und 465 erfolgen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 442 kann über einen Netzwerkadapter 468 außerdem mit einem oder mehreren Netzwerken 466 wie einem lokalen Netzwerk (LAN), einem allgemeinen Weitverkehrsnetzwerk (WAN), einem Busnetzwerk und/oder einem öffentlichen Netzwerk (z. B. dem Internet) kommunizieren. Es versteht sich, dass auch andere Hardware- und/oder Softwarekomponenten in Verbindung mit dem Computersystem 440 verwendet werden können, auch wenn diese nicht gezeigt sind. Beispiele umfassen unter anderen Mikrocode, Gerätetreiber, redundante Verarbeitungseinheiten, externe Festplattenanordnungen, RAID-Systeme, Datenarchivierungssysteme usw.
Während die obige Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es unter Fachleuten bekannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und gleichwertige Elemente ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die in ihren Umfang fallen.

Claims

Vorrichtung für die Regelung der Temperatur eines Akkumulatorsystems, umfassend: ein Heizungssteuermodul, das elektrisch mit dem Akkumulatorsystem und einer Umwandlungsvorrichtung verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe von dem Akkumulatorsystem zu steuern, wobei das Heizungssteuermodul dazu ausgelegt ist: einen Strom durch die Umwandlungsvorrichtung zu messen, wobei der gemessene Strom vom Akkumulatorsystem eines Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird, die Umwandlungsvorrichtung zur Erzeugung eines Heizwechselstroms unter Verwendung des gemessenen Stroms zu steuern und den Heizwechselstrom an das Akkumulatorsystem anzulegen, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug einen ersten Elektromotor, der mit einem ersten Wechselrichter verbunden ist, und einen zweiten Elektromotor, der mit einem zweiten Wechselrichter verbunden ist, umfasst und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern eines Phasenzweigs des ersten Wechselrichters umfasst, um den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Phasenzweig einen Quasi-Resonanzkreis mit einer Induktivität, einem Kondensator und einer Halbbrückenschaltungsanordnung umfasst und das Steuern des Phasenzweigs das Steuern des Quasi-Resonanzkreises zur Erzeugung des Heizwechselstroms umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Elektromotor und das Akkumulatorsystem den gemessenen Strom während des Fahrzeugbetriebs und wenn sich der erste Elektromotor im Leerlauf befindet, bereitstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der gemessene Strom von der Energiequelle während des Ladevorgangs bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das elektrische Anschließen der Energiequelle an einen Phasenzweig des ersten Wechselrichters oder einen Phasenzweig des zweiten Wechselrichters umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler handelt und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern des Gleichspannungswandlers zur Erzeugung des Heizwechselstroms, wenn sich ein Elektromotor im Leerlauf befindet, und/oder das Steuern des Gleichspannungswandlers zur Erzeugung des Heizwechselstroms unter Verwendung von Energie, die von der Energiequelle und dem Akkumulatorsystem geliefert wird, wenn das Fahrzeug geladen wird, umfasst.
Verfahren für die Temperaturregelung eines Akkumulatorsystems eines Fahrzeugs, umfassend: Messen eines Stroms durch eine Umwandlungsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die Leistungsabgabe von dem Akkumulatorsystem zu regeln, wobei der gemessene Strom von dem Akkumulatorsystem des Fahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs oder von einer Energiequelle beim Laden des Fahrzeugs bereitgestellt wird, Steuern der Umwandlungsvorrichtung durch ein Heizungssteuermodul, um einen Heizwechselstrom unter Verwendung des gemessenen Stroms zu erzeugen, und Anlegen des Heizwechselstroms an das Akkumulatorsystem, um das Akkumulatorsystem auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fahrzeug einen ersten Elektromotor, der mit einem ersten Wechselrichter verbunden ist, und einen zweiten Elektromotor, der mit einem zweiten Wechselrichter verbunden ist, umfasst und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern eines Phasenzweigs des ersten Wechselrichters umfasst, um den Heizwechselstrom zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich bei der Umwandlungsvorrichtung um einen Gleichspannungswandler handelt und das Steuern der Umwandlungsvorrichtung das Steuern des Gleichspannungswandlers zur Erzeugung des Heizwechselstroms, wenn sich ein Elektromotor im Leerlauf befindet, und/oder das Steuern des Gleichspannungswandlers zur Erzeugung des Heizwechselstroms unter Verwendung von Energie, die von der Energiequelle und dem Akkumulatorsystem geliefert wird, wenn das Fahrzeug geladen wird, umfasst.