DE102022207314A1

DE102022207314A1 - Verfahren und Anordnung zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022207314A1
Application number: DE102022207314.2A
Authority: DE
Inventors: Torsten Leifert; Udo Schriever; Gerd Stöhr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-07-18
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2042-07-19
Also published as: DE102022207314B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heizen einer Fahrzeugbatterie (51) eines Fahrzeugs (50), i) wobei die Fahrzeugbatterie (51) während eines Stillstands des Fahrzeuges (50) durch Ansteuern eines mit der Fahrzeugbatterie (51) verbundenen Pulswechselrichters (2) mittels eines vorgegebenen Pulsmusters (4) periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom beaufschlagt wird, wobei das vorgegebene Pulsmuster (4) in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist; und/oder ii) wobei während einer Fahrt des Fahrzeuges (50) einem von dem Pulswechselrichter (2) bereitgestellten Antriebsstrom (5) durch Ansteuern des Pulswechselrichters (2) ein Zusatzstrom derart aufgeprägt wird, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie (51) erhöht wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung (1) zum Heizen einer Fahrzeugbatterie (51) eines Fahrzeugs (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs.
Batteriezellen von Fahrzeugbatterien haben bei niedrigen Temperaturen des internen Aktivmaterials eine stark eingeschränkte Entlade- und Ladeleistung. Dementsprechend ist die Fahr- und Ladeleistung von Elektrofahrzeugen sehr niedrig, wenn die Fahrzeugbatterie, insbesondere die Hochvoltbatterie, beispielsweise nach langer Standzeit ausgekühlt ist. Außen angeordnete Heizelemente oder Heizvorrichtungen können zwar Abhilfe schaffen, erwärmen jedoch zunächst nur das Batterie- bzw. Zellgehäuse. Eine Temperatur des innenliegenden Aktivmaterials der Zellen beginnt hingegen nur zeitverzögert nach Erwärmung des Batterie- und Zellengehäuses anzusteigen. Das Heizen ist darüber hinaus aufgrund der Wärmeverluste bei der Erwärmung des Zellgehäuses nur ineffektiv, sodass sich insgesamt eine nicht ausreichende Heizwirkung ergibt.
Aus der DE 10 2019 117 944 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Fahrzeug-Batterie bekannt, wobei ein Steuergerät ausgebildet ist, einen Ladevorgang der Fahrzeug-Batterie zu beeinflussen, wobei die Vorrichtung eine Schalteinrichtung umfasst, und wobei die Schalteinrichtung ausgebildet ist, in Erwiderung auf eine Betätigung der Schalteinrichtung, insbesondere durch einen Benutzer, ein Signal an das Steuergerät zu übertragen, wobei das Steuergerät ausgebildet ist, die Fahrzeug-Batterie vor dem Ladevorgang in Erwiderung auf den Empfang des Signals abhängig von wenigstens einem Soll-Zustand für den Ladevorgang zu beeinflussen.
Aus der DE 10 2018 208 358 A1 sind ein elektrisches Bordnetz, ein Fortbewegungsmittel sowie eine elektrische Schaltung bekannt. Die elektrische Schaltung umfasst eine Eingangsklemme für eine Batterie mit einem Innenwiderstand und einer Induktivität, eine mit ihrem ersten Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossene Kapazität, welche mit ihrem zweiten Anschluss an eine elektrische Masse angeschlossen ist, einen mit seinem ersten Anschluss an die Eingangsklemme angeschlossenen ersten Schalter, welcher mit seinem zweiten Anschluss an die elektrische Masse angeschlossen ist, und eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist, im Ansprechen auf einen Bedarf zum Heizen der Batterie den ersten Schalter zu schließen, sodass ein Stromfluss durch die Induktivität Energie in der Induktivität speichert und anschließend den ersten Schalter zu öffnen, sodass die Energie einen Stromfluss in die Kapazität verursacht, und anschließend die sich über der Kapazität einstellende Spannung einen Stromfluss zurück in die Batterie verursacht. Die Batterie wird also durch thermische Verluste an einem Innenwiderstand der Batterie geheizt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt,

i) wobei die Fahrzeugbatterie während eines Stillstands des Fahrzeuges durch Ansteuern eines mit der Fahrzeugbatterie verbundenen Pulswechselrichters mittels eines vorgegebenen Pulsmusters periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom beaufschlagt wird, wobei das vorgegebene Pulsmuster in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist;

ii) wobei während einer Fahrt des Fahrzeuges einem von dem Pulswechselrichter bereitgestellten Antriebsstrom durch Ansteuern des Pulswechselrichters ein Zusatzstrom derart aufgeprägt wird, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie erhöht wird.

Ferner wird insbesondere eine Anordnung zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs geschaffen, umfassend einen mit der Fahrzeugbatterie verbundenen oder verbindbaren Pulswechselrichter, und eine Pulswechselrichtersteuerung, die zum Ansteuern des Pulswechselrichters eingerichtet ist, wobei die Pulswechselrichtersteuerung dazu eingerichtet ist, zum Heizen der Fahrzeugbatterie:

i) die Fahrzeugbatterie während eines Stillstands des Fahrzeuges durch Ansteuern des Pulswechselrichters mittels eines vorgegebenen Pulsmusters periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom zu beaufschlagen, wobei das vorgegebene Pulsmuster in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist;

ii) während einer Fahrt des Fahrzeuges einem von dem Pulswechselrichter bereitgestellten Antriebsstrom durch Ansteuern des Pulswechselrichters einen Zusatzstrom derart aufzuprägen, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie erhöht wird.

Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen es, eine Fahrzeugbatterie verbessert zu Heizen. Dies wird dadurch erreicht, dass zwei Zustände des Fahrzeugs unterschieden werden. Zum einen ein Zustand, in dem das Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, sich im Stillstand befindet. In diesem Zustand wird eine elektrische Maschine des Fahrzeugs nicht für einen Antrieb benötigt. Zum anderen ein Zustand, in dem das Fahrzeug gefahren wird. Bei diesem Zustand wird die elektrische Maschine für den Antrieb benötigt.
Im ersten Zustand, das heißt, während eines Stillstands des Fahrzeugs, wird zum Heizen der Fahrzeugbatterie die Fahrzeugbatterie durch Ansteuern des Pulswechselrichters mittels eines vorgegebenen Pulsmusters periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom beaufschlagt, wobei das vorgegebene Pulsmuster in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist. Das Laden und Entladen führt durch eine Verlustleistung P an einem Innenwiderstand R der Fahrzeugbatterie zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie (P = I²*R, mit dem Strom I). Die Stromstärke wird asymmetrisch gewählt, um einen großen Entladestrom, jedoch einen geringeren Ladestrom zu realisieren, bei dem die Fahrzeugbatterie nicht geschädigt wird. Auch eine Pulsbreite kann insbesondere asymmetrisch, das heißt, unterschiedlich gewählt sein.
Im zweiten Zustand, das heißt, während einer Fahrt des Fahrzeugs, erfolgt das Heizen, indem einem von dem Pulswechselrichter bereitgestellten Antriebsstrom durch Ansteuern des Pulswechselrichters ein Zusatzstrom derart aufgeprägt wird, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie erhöht wird. Durch das Erhöhen des Entladestroms steigt eine am Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie in Wärme umgesetzte Verlustleistung an, sodass die Fahrzeugbatterie auch während der Fahrt (zusätzlich zu einem normal entnommenen Entladestrom) geheizt werden kann. Der Zusatzstrom ist hierbei insbesondere derart ausgestaltet und wird insbesondere derart aufgeprägt, dass ein Antrieb des Fahrzeugs hierdurch nicht beeinträchtigt wird, das heißt, der Zusatzstrom führt insbesondere zu keiner Drehzahländerung einer mit dem Antriebstrom gespeisten elektrischen Maschine und auch zu keinem zusätzlichen Drehmoment, sondern wird insbesondere in Wärme umgewandelt.
Die Fahrzeugbatterie ist insbesondere eine Hochvoltbatterie, welche eine elektrische Maschine an einem Antriebsstrang speist. Grundsätzlich kann die Fahrzeugbatterie aber auch eine andere Batterie sein. Ein Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Ein Fahrzeug kann grundsätzlich aber auch ein anderes Land-, Schienen-, Wasser-, Luft- oder Raumfahrzeug sein, beispielsweise eine Drohne oder ein Lufttaxi.
Bei i) ist beim Entladen insbesondere vorgesehen, dass die der Fahrzeugbatterie entnommene Energie in einem Energiespeicher des Fahrzeugs zwischengespeichert wird, um anschließend über den Ladestrom wieder in die Fahrzeugbatterie zurückgespeist zu werden. Als Energiespeicher kann grundsätzlich jeder Energiespeicher verwendet werden, der in einem vorgegebenen Frequenzbereich (des Pulswechselrichters) gespeist werden kann. Insbesondere kann der Energiespeicher ein induktiv arbeitender Energiespeicher sein. Der Pulswechselrichter ist insbesondere ein bidirektional betreibarer Pulswechselrichter. Der Pulswechselrichter dient insbesondere einem Speisen eines Antriebstrangs des Fahrzeugs.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass ermittelt wird, ob das Fahrzeug sich im Stillstand befindet oder fährt. Diese Information kann beispielsweise bei einer Fahrzeugsteuerung abgefragt werden, beispielsweise mittels der Pulswechselrichtersteuerung. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Fahrzeugsteuerung das Verfahren ausgehend von einer von einer Batteriesteuerung erhaltenen Batterietemperatur startet und diese Information (Stillstand/Fahrt) zusammen mit einem Startsignal an die Pulswechselrichtersteuerung übermittelt.
Teile der Anordnung, insbesondere die Pulswechselrichtersteuerung, können einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) und/oder feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) ausgebildet sind. Die Pulswechselrichtersteuerung umfasst insbesondere eine Recheneinrichtung und einen Speicher.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters (d.h. insbesondere einer Wiederholrate der Pulse) unter Berücksichtigung von einer Induktivität des Pulswechselrichters und Zelleigenschaften der Fahrzeugbatterie gewählt ist oder gewählt wird. Hierdurch ist es möglich, eine mittels der Pulse des Pulsmuster umgeladene Energiemenge zu maximieren. Eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters ist nach oben hin insbesondere durch eine Induktivität des Pulswechselrichters begrenzt. Erhöht man die Frequenz immer weiter, so nimmt die umgeladene Energiemenge ab. Nach unten ist die Frequenz hingegen durch die Zellchemie der Batteriezellen in der Fahrzeugbatterie begrenzt. Unterhalb einer unteren Grenze (üblicherweise etwa bei 50 Hz) ändern sich die chemischen Prozesse innerhalb der Zellen und ein Betrieb in diesem Bereich würde zu einer Zellalterung führen. Oberhalb dieser unteren Grenze kann jedoch angenommen werden, dass die Prozesse elektrischer und nicht elektro-chemischer Art sind und ein Gesundheitszustand der Batteriezellen nicht beeinträchtigt wird. Es wird daher eine Frequenz in einem Zwischenbereich gewählt, bei dem eine umgeladene Energiemenge insbesondere maximiert ist, ohne dass es zu einer Alterung der Zellen kommt. Die Frequenz ist bzw. wird insbesondere in einem Bereich von 50 bis 150 Hz gewählt. Für die Frequenz wird beispielsweise 100 Hz gewählt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters ausgehend von einer Kennlinie und/oder einem Kennfeld zumindest in Abhängigkeit von einem Ladezustand und/oder einem Gesundheitszustand und/oder einer Temperatur der Fahrzeugbatterie gewählt wird. Hierdurch kann für einen gegebenen Ladezustand und/oder einen gegebenen Gesundheitszustand und/oder eine gegebene Temperatur stets eine optimale Frequenz gewählt werden. Die Kennlinie und/oder das Kennfeld können beispielsweise mittels empirischer Versuchsreihen und/oder durch Simulation bestimmt werden. Die Kennlinie und/oder das Kennfeld können beispielsweise in einem Speicher der Pulswechselrichtersteuerung hinterlegt sein, wobei der Pulswechselrichtersteuerung Werte für den Ladezustand und/oder den Gesundheitszustand und/oder die Temperatur der Fahrzeugbatterie zugeführt werden und die Pulswechselrichtersteuerung ausgehend hiervon die Frequenz mittels der Kennlinie und/oder mittels des Kennfeldes bestimmt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass im Rahmen des Bestimmens der Kennlinie und/oder des Kennfeldes die Frequenz derart gewählt wird, dass ein Innenwiderstand der Fahrzeugbatterie maximiert wird. Dies erfolgt insbesondere unter den voranstehend genannten Randbedingungen hinsichtlich der Induktivität des Pulswechselrichters und der Zelleigenschaften. Der Innenwiderstand R kann hierbei insbesondere als Funktion f aufgefasst werden: $R = f (f, SOC, SOH, T, \dots),$
wobei R der Innenwiderstand, SOC der Ladezustand, SOH der Gesundheitszustand und T die Temperatur der Fahrzeugbatterie ist. Die Frequenz wird dann für gegebene andere Randbedingungen (SOC, SOH und/oder T etc.) derart bestimmt und gewählt, dass der Innenwiderstand R maximal ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Frequenz in Abhängigkeit von den angegebenen Größen fortlaufend angepasst wird, damit stets die größtmögliche Verlustleistung in der Fahrzeugbatterie realisiert wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) Pulshöhen und Pulsbreiten der asymmetrischen Pulse des Pulsmusters derart gewählt sind oder gewählt werden, dass eine umgeladene Energiemenge beim Entladen und Laden gleich ist. Hierdurch kann das Heizen effektiv ausgeführt werden und insbesondere kann hierdurch eine Zeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur minimiert werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter in einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gespeichert wird, wobei die Pulseigenschaften derart gewählt sind oder gewählt werden, dass die Energiemenge einer induktiv in der elektrischen Maschine speicherbaren Energie entspricht. Hierdurch kann die induktive Speicherkapazität in Form von Feldenergie optimal genutzt werden. Werte für eine Induktivität der elektrischen Maschine können beispielsweise in einem Speicher der Pulswechselrichtersteuerung hinterlegt sein oder hinterlegt werden, sodass die speicherbare Energiemenge und hiermit die umladbare Energiemenge bestimmt werden können. Ist eine Induktivität der elektrischen Maschine beispielsweise für jede Phase L = 200 µH und ein Phasenstrom I = 830 A, so ergibt sich für drei Phasen mit E = 3*0,5*L*I² eine insgesamt speicherbare Energiemenge von etwa 200 Ws.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter in einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gespeichert wird, wobei alle Phasen der elektrischen Maschine gleichzeitig mit einem Phasenstrom beaufschlagt werden. Hierdurch kann die induktive Speicherfähigkeit der elektrischen Maschine optimal ausgenutzt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter in einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs gespeichert wird, wobei ein jeweils maximaler Entladestrom der Pulse des Pulsmusters derart gewählt ist oder gewählt wird, dass eine Induktivität der elektrischen Maschine ein lineares Verhalten zeigt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei ii) alle Phasen der elektrischen Maschine gleichzeitig jeweils zusätzlich mit einem Zusatzstrom beaufschlagt werden. Hierdurch kann ein Entladestrom weiter erhöht werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei ii) der Zusatzstrom durch Aufprägen mindestens einer Oberwelle erzeugt wird. Der Pulswechselrichter wird mittels der Pulswechselrichtersteuerung entsprechend angesteuert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die fünfte Oberwelle und/oder die siebte Oberwelle des jeweiligen Phasenstroms als Zusatzstrom aufzuprägen.
Weitere Merkmale zur Ausgestaltung der Anordnung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile der Anordnung sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Anordnung zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs;
2 eine beispielhafte schematische Darstellung eines asymmetrischen Pulsmusters;
3 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Anordnung 1 zum Heizen einer Fahrzeugbatterie 51 eines Fahrzeugs 50. Das Fahrzeug 50 ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Die Fahrzeugbatterie 51 ist insbesondere eine Hochvoltbatterie, mit der ein Antriebsstrang des Fahrzeugs 50 gespeist wird. Nachfolgend wird das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren beispielhaft anhand der Anordnung 1 beschrieben.
Die Anordnung 1 umfasst einen mit der Fahrzeugbatterie 51 verbundenen (oder verbindbaren) Pulswechselrichter 2 und eine Pulswechselrichtersteuerung 3, die zum Ansteuern des Pulswechselrichters 2 eingerichtet ist.
Die Pulswechselrichtersteuerung 3 ist ferner dazu eingerichtet, zum Heizen der Fahrzeugbatterie:

i) die Fahrzeugbatterie 51 während eines Stillstands des Fahrzeuges 50 durch Ansteuern des Pulswechselrichters 2 mittels eines vorgegebenen Pulsmusters 4 periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom zu beaufschlagen, wobei das vorgegebene Pulsmuster 4 in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist;

ii) während einer Fahrt des Fahrzeuges 50 einem von dem Pulswechselrichter 2 bereitgestellten Antriebsstrom 5 durch Ansteuern des Pulswechselrichters 2 einen Zusatzstrom derart aufzuprägen, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie 51 erhöht wird.

Eine beispielhafte schematische Darstellung eines asymmetrischen Pulsmusters 4 ist in der 2 zur Verdeutlichung gezeigt. Die x-Achse 30 bezeichnet hierbei eine Zeit und die y-Achse 31 einen Strom in A. Ein Ladestrom 4-1 (in dieser Darstellung ein positiver Stromwert) hat hierbei eine sehr viel kleinere Stromamplitude als ein Entladestrom 4-2 (in dieser Darstellung ein negativer Stromwert). Die Stromamplituden sind hierbei betragsmäßig insbesondere kleinergleich einem maximalen Ladestrom 6-1 bzw. einem maximalem Entladestrom 6-2.
Es kann vorgesehen sein, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters 4 (d.h. eine Widerholrate der Pulse) unter Berücksichtigung von einer Induktivität des Pulswechselrichters 2 und Zelleigenschaften der Fahrzeugbatterie 51 gewählt ist oder gewählt wird. Dies erfolgt insbesondere mittels der Pulswechselrichtersteuerung 3.
Es kann vorgesehen sein, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters 4 ausgehend von einer Kennlinie 7 und/oder einem Kennfeld 8 zumindest in Abhängigkeit von einem Ladezustand SOC und/oder einem Gesundheitszustand SOH und/oder einer Temperatur T der Fahrzeugbatterie 51 gewählt wird. Die Kennlinie 7 und/oder das Kennfeld 8 sind beispielsweise in einem Speicher (nicht gezeigt) der Pulswechselrichtersteuerung 3 hinterlegt. Der Ladezustand SOC und/oder der Gesundheitszustand SOH und/oder die Temperatur T werden beispielsweise von einer Batteriesteuerung 51-1 der Fahrzeugbatterie 51 bereitgestellt und der Pulswechselrichtersteuerung 3 zugeführt. Die Pulswechselrichtersteuerung 3 bestimmt dann anhand der Werte für den Ladezustand SOC und/oder den Gesundheitszustand SOH und/oder die Temperatur T mittels der Kennlinie 7 und/oder dem Kennfeld 8 die Frequenz der Pulse des Pulsmusters 4, indem Werte für die Frequenz des Pulsmusters 4 für die bereitgestellten Werte des Ladezustands SOC und/oder des Gesundheitszustands SOH und/oder der Temperatur T aus der Kennlinie 7 und/oder dem Kennfeld 8 abgerufen und/oder berechnet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass bei i) Pulshöhen und Pulsbreiten der asymmetrischen Pulse des Pulsmusters 4 derart gewählt sind oder gewählt werden, dass eine umgeladene Energiemenge beim Entladen und Laden gleich ist. Hierzu kann beispielsweise ein zeitabhängiger Leistungsfluss über die Stromstärke und eine zugehörige Spannung bestimmt und mit einer Pulsbreite multipliziert werden. Insbesondere die jeweiligen Pulsbreiten der asymmetrischen Pulse im Pulsmuster 4 können derart verändert werden, dass die umgeladene Energiemenge der Pulse beim Entladen und Laden gleich ist. Hierbei können auch Umladeverluste im Pulswechselrichter berücksichtigt und kompensiert werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie 51 durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter 2 in einer elektrischen Maschine 52 des Fahrzeugs 50 gespeichert wird, wobei die Pulseigenschaften derart gewählt sind oder gewählt werden, dass die Energiemenge einer induktiv in der elektrischen Maschine 52 speicherbaren Energie entspricht. Hierbei ist insbesondere eine Induktivität der elektrischen Maschine 52 entscheidend, um die speicherbare Energie zu bestimmen. Die speicherbare Energie kann hierbei beispielsweise empirisch und/oder durch Simulation oder Berechnung bestimmt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, Eigenschaften der elektrischen Maschine 52, insbesondere Werte für eine Induktivität, in einem Speicher der Pulswechselrichtersteuerung 3 zu hinterlegen und hieraus die speicherbare Energie(menge) zu bestimmen (in einfacher Näherung: E = 0,5*L*I², wobei E die (Feld-)Energie, L die Induktivität und I den Strom bezeichnen). Die bestimmte Energie(menge) wird dann mit jedem Puls umgeladen.
Es kann vorgesehen sein, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie 51 durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter 2 in der elektrischen Maschine 52 des Fahrzeugs 50 gespeichert wird, wobei alle Phasen der elektrischen Maschine 52 gleichzeitig mit einem Phasenstrom beaufschlagt werden. Der Pulswechselrichter 2 wird dann entsprechend hierzu angesteuert.
Es kann vorgesehen sein, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie 51 durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter 2 in der elektrischen Maschine 52 des Fahrzeugs 50 gespeichert wird, wobei ein jeweils maximaler Entladestrom der Pulse des Pulsmusters 4 derart gewählt ist oder gewählt wird, dass eine Induktivität der elektrischen Maschine 52 ein lineares Verhalten zeigt.
Es kann vorgesehen sein, dass bei ii) alle Phasen der elektrischen Maschine 52 gleichzeitig jeweils zusätzlich mit einem Zusatzstrom beaufschlagt werden. Hierzu wird der Pulswechselrichter 2 entsprechend von der Pulswechselrichtersteuerung 3 angesteuert.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass bei ii) der Zusatzstrom durch Aufprägen mindestens einer Oberwelle erzeugt wird. Zum Erzeugen der Oberwelle oder Oberwellen wird der Pulswechselrichter 2 entsprechend von der Pulswechselrichtersteuerung 3 angesteuert. Die Oberwellen werden insbesondere anhand der jeweiligen Frequenzen der Antriebsströme der einzelnen Phasen bestimmt. Insbesondere können beispielsweise die fünfte Oberwelle und/oder die siebte Oberwelle zusätzlich auf einen Antriebsstrom einer jeweiligen Phase aufgeprägt werden.
Die 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Heizen einer Fahrzeugbatterie eines Fahrzeugs. Das Verfahren wird mittels einer Anordnung gemäß einer der Ausführungsformen durchgeführt, die in der 1 gezeigt sind.
In einer Maßnahme 100 wird überprüft, ob eine Temperatur der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs eine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht oder nicht. Eine vorgegebene Mindesttemperatur ist beispielsweise -7°C. Grundsätzlich können aber auch andere Mindesttemperaturen vorgegeben sein, insbesondere kann auch eine Mindesttemperatur vorgegeben sein, die innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs der Fahrzeugbatterie liegt, beispielsweise 17°C bis 25°C. Ist die Mindesttemperatur erreicht, werden keine weiteren Maßnahmen durchgeführt, sondern die Maßnahme 100 wird wiederholt.
Ergibt die Überprüfung in Maßnahme 100 hingegen, dass die vorgegebene Mindesttemperatur nicht erreicht ist, so wird mit Maßnahme 101 fortgefahren. In Maßnahme 101 wird ermittelt, ob das Fahrzeug sich im Stillstand befindet oder ob das Fahrzeug fährt. Dies kann beispielsweise bei einer Fahrzeugsteuerung abgefragt werden.
Befindet sich das Fahrzeug im Stillstand, so wird mit Maßnahme 102a fortgefahren. Es ist im Rahmen der Maßnahme 102a vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie während des Stillstands des Fahrzeuges durch Ansteuern eines mit der Fahrzeugbatterie verbundenen Pulswechselrichters mittels eines vorgegebenen Pulsmusters periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom beaufschlagt wird, wobei das vorgegebene Pulsmuster in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist.
In einer Maßnahme 102b wird überprüft, ob die vorgegebene Mindesttemperatur bereits erreicht ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so wird Maßnahme 102a weiter durchgeführt. Erreicht die Temperatur der Fahrzeugbatterie hingegen die vorgegebene Mindesttemperatur, so wird das Verfahren in Maßnahme 104 beendet.
Ergibt das Ermitteln in Maßnahme 101 hingegen, dass das Fahrzeug fährt, so wird mit Maßnahme 103a fortgefahren. Im Rahmen von Maßnahme 103a ist vorgesehen, dass während der Fahrt des Fahrzeuges einem von dem Pulswechselrichter bereitgestellten Antriebsstrom durch Ansteuern des Pulswechselrichters ein Zusatzstrom derart aufgeprägt wird, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie erhöht wird. Der Zusatzstrom ist jedoch derart ausgebildet, dass ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl der elektrischen Maschine sich nicht ändert und der Zusatzstrom insbesondere vollständig in Wärme umgesetzt wird.
In einer Maßnahme 103b wird überprüft, ob die vorgegebene Mindesttemperatur bereits erreicht ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so wird Maßnahme 103a weiter durchgeführt. Erreicht die Temperatur der Fahrzeugbatterie hingegen die vorgegebene Mindesttemperatur, so wird das Verfahren in Maßnahme 104 beendet.
Weitere Ausführungsformen des Verfahrens wurden bereits mit Bezug auf die Anordnung in den 1 und 2 erläutert.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Pulswechselrichter
3: Pulswechselrichtersteuerung
4: Pulsmuster
4-1: Ladestrom
4-2: Entladestrom
5: Antriebstrom
6-1: Ladestrom
6-2: Entladestrom
7: Kennlinie
8: Kennfeld
30: x-Achse
31: y-Achse
50: Fahrzeug
51: Fahrzeugbatterie
51-1: Batteriesteuerung
52: elektrische Maschine
100-104: Maßnahmen des Verfahrens
SOC: Ladezustand
SOH: Gesundheitszustand
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019117944 A1 [0003]
DE 102018208358 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Heizen einer Fahrzeugbatterie (51) eines Fahrzeugs (50), i) wobei die Fahrzeugbatterie (51) während eines Stillstands des Fahrzeuges (50) durch Ansteuern eines mit der Fahrzeugbatterie (51) verbundenen Pulswechselrichters (2) mittels eines vorgegebenen Pulsmusters (4) periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom beaufschlagt wird, wobei das vorgegebene Pulsmuster (4) in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist; und/oder ii) wobei während einer Fahrt des Fahrzeuges (50) einem von dem Pulswechselrichter (2) bereitgestellten Antriebsstrom (5) durch Ansteuern des Pulswechselrichters (2) ein Zusatzstrom derart aufgeprägt wird, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie (51) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters (4) unter Berücksichtigung von einer Induktivität des Pulswechselrichters (2) und Zelleigenschaften der Fahrzeugbatterie (51) gewählt ist oder gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) eine Frequenz der Pulse des Pulsmusters (4) ausgehend von einer Kennlinie (7) und/oder einem Kennfeld (8) zumindest in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOC) und/oder einem Gesundheitszustand (SOH) und/oder einer Temperatur (T) der Fahrzeugbatterie (51) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) Pulshöhen und Pulsbreiten der asymmetrischen Pulse des Pulsmusters (4) derart gewählt sind oder gewählt werden, dass eine umgeladene Energiemenge beim Entladen und Laden gleich ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie (51) durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter (2) in einer elektrischen Maschine (52) des Fahrzeugs (50) gespeichert wird, wobei die Pulseigenschaften derart gewählt sind oder gewählt werden, dass die Energiemenge einer induktiv in der elektrischen Maschine (52) speicherbaren Energie entspricht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie (51) durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter (2) in einer elektrischen Maschine (52) des Fahrzeugs (50) gespeichert wird, wobei alle Phasen der elektrischen Maschine (52) gleichzeitig mit einem Phasenstrom beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei i) eine der Fahrzeugbatterie (51) durch einen Entladestrom eines Pulses entnommene Energiemenge über den Pulswechselrichter (2) in einer elektrischen Maschine (52) des Fahrzeugs (50) gespeichert wird, wobei ein jeweils maximaler Entladestrom der Pulse des Pulsmusters (4) derart gewählt ist oder gewählt wird, dass eine Induktivität der elektrischen Maschine (52) ein lineares Verhalten zeigt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei ii) alle Phasen der elektrischen Maschine (52) gleichzeitig jeweils zusätzlich mit einem Zusatzstrom beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei ii) der Zusatzstrom durch Aufprägen mindestens einer Oberwelle erzeugt wird.
Anordnung (1) zum Heizen einer Fahrzeugbatterie (51) eines Fahrzeugs (50), umfassend: einen mit der Fahrzeugbatterie (51) verbundenen oder verbindbaren Pulswechselrichter (2), und eine Pulswechselrichtersteuerung (3), eingerichtet zum Ansteuern des Pulswechselrichters (2), wobei die Pulswechselrichtersteuerung (3) dazu eingerichtet ist, zum Heizen der Fahrzeugbatterie (51): i) die Fahrzeugbatterie (51) während eines Stillstands des Fahrzeuges (50) durch Ansteuern des Pulswechselrichters (2) mittels eines vorgegebenen Pulsmusters (4) periodisch mit einem Entladestrom und einem Ladestrom zu beaufschlagen, wobei das vorgegebene Pulsmuster (4) in Bezug auf eine Stromstärke asymmetrisch ausgebildet ist; und/oder ii) während einer Fahrt des Fahrzeuges (50) einem von dem Pulswechselrichter (2) bereitgestellten Antriebsstrom (5) durch Ansteuern des Pulswechselrichters (2) einen Zusatzstrom derart aufzuprägen, dass ein Entladestrom aus der Fahrzeugbatterie (50) erhöht wird.