EP4516064A1 - Verfahren zum direkten heizen wenigstens eines energiespeichermoduls - Google Patents

Verfahren zum direkten heizen wenigstens eines energiespeichermoduls

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EP4516064A1
EP4516064A1 EP23720268.4A EP23720268A EP4516064A1 EP 4516064 A1 EP4516064 A1 EP 4516064A1 EP 23720268 A EP23720268 A EP 23720268A EP 4516064 A1 EP4516064 A1 EP 4516064A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy storage
storage module
heating
storage modules
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
EP23720268.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manuel KUDER
Florian SCHWITZGEBEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pulsetrain GmbH
Original Assignee
Pulsetrain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pulsetrain GmbH filed Critical Pulsetrain GmbH
Publication of EP4516064A1 publication Critical patent/EP4516064A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0236—Industrial applications for vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0202—Switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/63—Control systems

Definitions

  • the invention relates to a method for directly heating at least one energy storage module, in which a large number of energy storage modules and transistors are provided.
  • a battery management system (BMS) is necessary.
  • BMS battery management system
  • a DC intermediate circuit capacitor can be connected downstream of the energy storage devices. This serves to further smooth the three-phase currents of the converter and keep high-frequency oscillations away from the energy storage devices as well as to absorb switching overshoots, as the inductance of the energy storage devices would drive the current further.
  • the aim of this procedure is to load the energy storage with DC, as it is assumed that this contributes to the durability of the battery cell and reduces losses.
  • the converters can be provided on the DC bus, which pass the energy on to the electric motor or, in the case of braking energy recovery (recuperation), release it back to the battery.
  • chargers that can work with alternating voltage (AC) or direct voltage (DC) can also be connected to this bus.
  • AC alternating voltage
  • DC direct voltage
  • These converters are usually designed as two-point converters, e.g. as a B6 bridge in a three-phase version, or - especially in the area of solar systems - as three-point converters.
  • MMC systems multilevel converter systems
  • Batteries for example accumulators, capacitors, fuel cells and/or solar systems, for example, can be used as energy storage or energy sources.
  • the energy storage devices are not hard-wired together, but rather combined as individual submodules. You need this structure for every phase. Therefore share The energy storage is based on these phases and can, for example, be permanently connected in series or parallel.
  • Batteries are chemical energy storage devices that behave according to the so-called Arrhenius equation.
  • the reaction rate increases with every 10°C temperature difference. Therefore, with regard to rapid charging, it is advantageous that the temperature of the batteries is increased. It is also advantageous to increase the temperature of the energy storage modules, for example in winter, in order not to damage the batteries unnecessarily.
  • the method for directly heating at least one energy storage module is designed with a multilevel converter system or can be used for this purpose.
  • At least one energy storage module is heated directly, so to speak internally, directly or integrated. Therefore, no external, e.g. electrical, heating elements are necessary.
  • the energy storage module can be a memory of a, preferably frequency-dependent, electrical source, for example a battery, for example an accumulator, a fuel cell, a solar cell and/or a (super)capacitor.
  • the method can be used, for example, in electric vehicles, such as electric cars, electric trucks and/or electric buses. Use in hydrogen vehicles is also conceivable. Furthermore, this can be applied to stationary energy storage and/or other converter systems that are used on the power grid and/or are operated by an AC motor.
  • A, preferably modular, multilevel converter system describes a type of arrangement or switching of several energy storage modules or transistors.
  • Each energy storage module can have at least or exactly one battery, e.g. an accumulator, and/or at least or exactly one capacitor.
  • the transistors serve, for example, as switches by means of which, for example, current and/or voltage paths can be selected.
  • the energy storage modules can, for example, be integrated into a desired configuration or excluded from it.
  • At least or exactly two, three, four, five, six, seven, eight, nine, ten or more transistors are assigned to each energy storage module.
  • the transistor can, for example, be designed for a voltage of less than 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V or 10 V.
  • the transistor can be designed for a voltage between 2 V and 8 V, for example 3 V, 4 V, 5 V, 6 V or 7 V.
  • Each energy storage module can be connected in parallel and/or in series to the adjacent energy storage module. Preferably, each energy storage module can be connected in series to the adjacent energy storage module. The possibility of parallel switching is advantageous, but not necessary.
  • the adjacent energy storage modules are preferably connected to one another via two current and/or voltage paths.
  • a transistor can be assigned to each path.
  • three transistors are provided between two adjacent energy storage modules.
  • the energy storage modules can therefore be connected in parallel or in series, for example.
  • Multilevel converter systems are significantly more versatile compared to bridge circuits. This means that almost any configuration can be created.
  • the energy storage modules can be connected to one another in any way, for example in parallel or in series. Individual energy storage modules can also be integrated into a desired configuration or excluded from it.
  • the energy storage modules preferably the transistors, are switched in such a way that at least one energy storage module is heated.
  • Losses are preferably artificially increased. These losses generate heat, which is released directly in the area of the energy storage.
  • the switching can preferably be done using pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • At least one transistor preferably all transistors, have a switching frequency of at least 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, 5 Hz, 6 Hz, 7 Hz, 8 Hz, 9 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz , 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz or 100 Hz.
  • multilevel converter systems which are mainly used as variable DC voltage or battery management systems, are switched comparatively slowly or rarely, e.g. less than once per second. This is because such systems are performance-optimized and losses, such as switching losses, should be minimized.
  • the intermediate circuit voltage only needs to be changed slowly because the requirements for the DC intermediate circuit voltage only change slowly.
  • losses should be artificially increased in order to generate heat, contrary to the normal procedure of keeping them as small as possible.
  • a converter train can, for example, have 100 stages.
  • the entire converter train can therefore have 100 times the frequency.
  • the maximum switching frequency of a transistor and/or the entire converter train can be at least 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 150 kHz, 200 kHz, 250 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1.1 MHz, 1.2 MHz, 1.3 MHz, 1.4 MHz, 1.5 MHz, 2 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz, 50 MHz, 80 MHz, 100 MHz or 120 MHz.
  • At least one energy storage module can be heated directly with high efficiency.
  • the transistor is designed as a MOSFET or IGBT or comprises a MOSFET or IGBT.
  • MOSFETs Metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • IGBT insulated gate bipolar transistors
  • silicon, gallium nitride, gallium arsenide and/or silicon carbide can be provided as semiconductor material.
  • Organic semiconductors are also fundamentally conceivable.
  • preconditioning and/or operating optimum setting for MOSFETs is possible.
  • At least one energy storage module is short-circuited for heating. During normal operation, short circuits should usually be avoided as these can lead to damage to the energy storage modules.
  • short circuits can be intentionally created.
  • the short circuit that occurs creates a current flow, which in turn generates heat, which immediately heats the energy storage module.
  • the energy storage module is short-circuited for a maximum of 1 ms, preferably 1 ps, preferably 1 ns.
  • the very short short-circuit times prevent damage to the energy storage modules because the current never becomes very high.
  • the current increases with the time of the short circuit.
  • the inductances in the circuit slow down the increase, so to speak.
  • switching is pulse width modulated.
  • a maximum short-circuit current corresponds to the quotient of the voltage of the energy storage module and the sum of the resistances of the energy storage module and the transistor or transistors.
  • PWM pulse width modulation
  • the short circuit is possible on different transistors and can preferably be evenly distributed.
  • any transistor can produce a short circuit.
  • the power electronics are often mounted on the energy storage module and the heat is introduced into the energy storage module via the contacts.
  • the transistor is, for example, connected directly to the energy storage module via a metal material, e.g. copper.
  • a short circuit can occur, for example, while a vehicle is moving.
  • the voltage is not available to the inverter at the moment of the short circuit. However, this is not a problem due to the short short-circuit times.
  • the converter arm or current path is preferably not interrupted during this time, so that no load interruption and/or voltage drop occurs.
  • Only one, basically any, energy storage module can be short-circuited. Alternatively, several energy storage modules can be short-circuited at the same time.
  • the switching frequency for heating is increased.
  • the switching frequency is increased compared to the switching frequency that is required for normal, performance-optimized operation.
  • Increasing the switching frequency increases the switching losses.
  • the consciously generated losses lead to heat loss, which is released directly in the area of the energy storage.
  • effects are also used here that are supposed to be prevented and/or avoided in normal, performance-optimized operation.
  • At least two energy storage modules are connected in parallel for heating.
  • the compensating current e.g. charging and/or discharging losses
  • the compensating current can be used in the parallel-connected state to heat the energy storage modules.
  • the energy storage modules connected in parallel have different charging states.
  • energy storage modules with different charge states can be used to create a charge balance between them by switching them in parallel.
  • a cell can be discharged and then connected in parallel to form a fuller cell. This results in small gradations of the cell voltage, i.e. the cell voltage itself is divided to a certain extent.
  • the cells are preferably not completely discharged. These basically just get a different history. This means that a different voltage remains with the same charge level.
  • the different charging states can arise during normal operation. Alternatively, these can also be created consciously.
  • energy storage modules can be connected in series without other energy storage modules being connected in parallel. This causes them to discharge These are stronger in operation than other energy storage modules. When loading, this principle can be reversed. For example, energy storage modules that need to be charged less can be connected in parallel more often.
  • the charge differences should preferably not be too large in order to avoid damage to the energy storage modules. Compensation can be done, for example, using power electronics, e.g. PWM. Aging effects and/or frequency dependencies of the energy storage modules can be taken into account.
  • the charge distribution can preferably be uniform.
  • the following voltage distribution may exist:
  • the 1st, 5th and 9th energy storage modules are more heavily discharged.
  • the energy storage module 1 is connected in parallel to the energy storage module 2 and the energy storage module 5 to the energy storage module 6 and at the same time the energy storage module 8 is connected to the energy storage module 9. If the losses are too high, a PWM can take place.
  • I (U [energy storage moduleU] - U [energy storage module2) / (4*R [transistor] + 2*R [energy storage module]) flows as a compensating current.
  • the energy storage modules 1 and 2 as well as 5 and 6 and correspondingly 8 and 9 have equalized in terms of voltage.
  • the equilibrium voltage in this case is 3.85 V:
  • the energy storage module 2 is connected in parallel to the energy storage module 3, also 5 to 4 and 7 to 8.
  • the heat distribution can now be distributed equivalently across all energy storage modules.
  • Different methods are possible to distribute the losses across all energy storage modules.
  • the procedure shown here only gives the simplest distribution. It is conceivable, for example, to repeatedly interrupt the charging process and never bring about complete compensation, but rather distribute it in small steps. It is also possible, for example, to address different initial temperatures and/or connections to the cooling circuit. Alternatively or additionally, any differences in aging could be compensated for.
  • This procedure can be used, for example, during ongoing operation of the converter. For this purpose, the energy storage modules are bridged to the outside, for example, and a short circuit can only be generated internally, for example.
  • a vehicle can be brought to operating temperature and/or to the best charging temperature before charging without any loss for the customer.
  • the energy storage modules with different charge states can be heated up by connecting them in parallel, which results in charging and discharging losses.
  • the charging or discharging power varies for most energy storage modules.
  • the charging power e.g. 10 C
  • the discharging power e.g. 3 C.
  • the charging power is the limiting variable in order not to damage the energy storage module.
  • the energy storage modules to be heated can be used to generate the output voltage. This can lead to an overlay with a load current that depends, for example, on the motor or power grid operating point.
  • the energy storage modules to be heated are not used to generate the output voltage. This means that the compensating current can be predetermined very precisely.
  • the configuration of the integrated energy storage modules changes over time.
  • the temperature can be regulated, for example when driving. For example, if the energy storage modules are too cold, a configuration with high losses can be selected.
  • the configuration can change at each stage.
  • the configuration can be changed within a stage.
  • the energy storage modules can be integrated into a desired configuration or excluded from it.
  • Exclusion can be done, for example, by closing a switch, for example an upper one, so that no current flows through the corresponding energy storage module.
  • an energy storage module for heating is connected alone or in series with at least one other energy storage module.
  • selective heating, configurations can be selected in which energy storage modules are connected in series alone, without parallel energy storage modules to reduce the current.
  • Heating can be carried out while driving, for example.
  • the load current can be distributed by interconnecting the energy storage modules in such a way that the energy storage modules heat up to the maximum.
  • Heating can also occur when the vehicle is at a standstill.
  • a current can be generated by raising a star point of an electric motor. This allows loading back and forth between the individual phases.
  • phase 2 can be charged from phase 3 and phase 1. If these are connected purely in series, without taking advantage of the parallel connection option, the losses can be maximized.
  • all energy storage modules can be connected in parallel in order to heat them all at the same time. This offset can be generated while driving, for example, when the maximum output voltage is not yet required on the motor.
  • the method according to the invention means that no additional components such as heating elements or supply lines are necessary.
  • the heat is generated at the point where it is needed and does not have to be conducted through the housing and/or all windings of the energy storage modules.
  • the efficiency of the energy storage modules is increased from the start of operation and the thermal stress on the overall structure is minimized.
  • the heat emission is preferably infinitely adjustable, since the heating in any magazine can be adjusted, for example, using pulse width modulation.
  • conduction losses, the voltage, the current and/or the frequency for heating are changed.
  • a corresponding change preferably corresponds to switching the energy storage modules in the sense of the invention.
  • the frequency in such a way that it lies, for example, in inductive and/or capacitive edge areas. Normally one would avoid these peripheral areas.
  • these frequency ranges are suitable for heating.
  • the loads can be adjusted, for example, via the frequencies. If switching is done very quickly, there is no exchange of charge carriers. For example, the frequency can be changed to the resonance frequency. This may even make it possible to repair defective batteries.
  • forward losses and/or the voltage and/or the current can be changed.
  • the voltage of individual cells depends on the charge state and the (chemical) history of the cells. For example, a voltage difference can be generated. The cells can then be connected in parallel so that the voltages equalize. In contrast to a charge difference, this has the advantage that the maximum charge can be used.
  • the internal resistance of some types of transistors depends on the voltage applied to the gate.
  • the current can be decisive.
  • the gate connection is the control connection of the component.
  • a MOSFET has source, drain and gate.
  • the voltage at the gate can be used to determine the resistance between drain and source.
  • the voltage at the gate can, for example, be changed in such a way that the MOSFET is not completely switched on, i.e. it assumes a state between on and off. In this way, the internal resistance of the switch and thus the losses can be adjusted. For example, if the voltage is halved, the resistance doubles.
  • Each layer has an internal thermal resistance that counteracts the heating or slows it down over time. This can have a significant impact on battery life in a vehicle that is started from cold. Lithium-ion batteries in particular age more rapidly at sub-zero temperatures.
  • the invention also relates to a multilevel converter system for carrying out the method according to the invention with a large number of energy storage modules and transistors, each energy storage module being connected in parallel and/or in series to the adjacent energy storage module.
  • the system includes a control device that is designed to switch the energy storage modules, preferably the transistors, such that at least one energy storage module is heated.
  • At least one transistor has a switching frequency of at least 1 Hz.
  • All embodiments and components of the multilevel converter system described here are preferably designed to be operated, for example by means of a control device, according to the method described here. Furthermore, all embodiments of the device described here and all embodiments of the method described here can each be combined with one another, preferably also independently of the specific embodiment in the context of which they are mentioned. For example, two or more of the heating processes can also - depending on requirements - be carried out simultaneously or one after the other.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an inventive
  • Fig. 4 shows a (loss) performance-optimized configuration of an MMC
  • FIG. 5 shows a configuration of an embodiment of an MMC system according to the invention for heating energy storage modules
  • Fig. 6 shows a configuration of a further embodiment of an MMC system according to the invention for heating energy storage modules.
  • Fig. 1 shows a multilevel converter system for direct heating of at least one energy storage module 10, 12, 14, 16. Adjacent energy storage modules 10, 12, 14, 16 are each connected to one another via several paths.
  • a switch designed as a transistor 18 is provided in each path.
  • the adjacent energy storage modules 10, 12, 14, 16 can thus be connected in series or parallel to one another. Individual energy storage modules 10, 12, 14, 16 can also be bridged if necessary, for example by closing the upper switch 18, and in this way excluded from a configuration.
  • Fig. 2 the voltage curve U is shown over the time t of a PWM modulation.
  • the DC voltage is switched on synchronously via several or one switch, so that an alternating voltage is only generated on average over time.
  • the sinusoidal target voltage 20 is therefore only rudimentarily modeled by the output voltage 22 of the PWM system.
  • Fig. 3 shows the voltage curve U in volts over time t in seconds of an MMC system.
  • the sinusoidal target voltage 20 is simulated by building individual stages 24.
  • the output voltage 24 therefore simulates the sinusoidal target voltage 20 much better.
  • FIG. 4 shows a power loss-optimized configuration of an MMC system.
  • the voltage U is shown in volts over time t in seconds.
  • the first three voltage levels can be formed by connecting the energy storage modules 10, 12, 14, 16 in parallel. In order to optimize performance and obtain the best efficiency, all energy storage modules 10, 12, 14, 16 are always integrated into the configuration in each stage.
  • the energy storage module 10 is heated the most and the energy storage module 16 is heated the least.
  • FIG. 6 shows a configuration in which the energy storage module 10 experiences the maximum heating power, since it is always alone in the current path.
  • the energy storage module 10 is connected alone and in the further stages in series with at least one of the other energy storage modules 12, 14, 16.
  • FIGS. 5 and 6 are purely exemplary. Depending on which energy storage module or modules 10, 12, 14, 16 are to be heated, other configurations are also conceivable.
  • each energy storage module 10, 12, 14, 16 can be controlled separately, even the smallest differences can be corrected.
  • a cooling system of a vehicle can have inequalities in coolant temperatures, which can be actively regulated.
  • the temperature of individual energy storage modules 10, 12, 14, 16 can be raised dynamically for certain load cases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel oder in Serie geschaltet werden kann, und die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart geschaltet werden, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird, wobei wenigstens ein Transistor eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz aufweist.

Description

Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt wird.
Bisherige Energiespeicher werden meist mit Gleichspannung (DC) belastet. Dies ist dem Aufbau von konventionellen Umrichter-Systemen geschuldet. Dabei wird versucht, die Wechselspannungsanteile, also harmonische Schwingungen, von den Energiespeichern fernzuhalten.
Da hierbei viele Energiespeicher in Serie oder parallel geschaltet werden müssen, ist ein Batteriemanagement-System (BMS) notwendig. Den Energiespeichern kann z.B. ein DC- Zwischenkreiskondensator nachgeschaltet sein. Dieser dient dazu, die dreiphasigen Ströme des Umrichters weiter zu glätten und hochfrequente Schwingungen von den Energiespeichern fernzuhalten sowie Schaltüberschwingungen abzufangen, da die Induktivität der Energiespeicher den Strom weitertreiben würde. Das Ziel dieses Vorgehens ist es, die Energiespeicher mit DC zu belasten, da hierbei angenommen wird, dass dies zur Beständigkeit der Batteriezelle beiträgt und die Verluste reduziert.
Beispielsweise bei einem herkömmlichen Elektrofahrzeug können am DC-Bus die Umrichter vorgesehen sein, die die Energie an den Elektromotor weitergeben bzw. bei einer Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation) wieder an die Batterie abgeben. An diesem Bus können beispielsweise auch Ladegeräte angeschlossen werden, die mit Wechselspannung (AC) oder Gleichspannung (DC) arbeiten können.
Diese Umrichter sind zumeist als Zweipunktumrichter, z.B. als B6-Brücke bei einer dreiphasigen Ausführung, oder - vor allem im Bereich von Solaranlagen - als Dreipunktumrichter ausgebildet.
Alternativ zu Brückenschaltungen als Umrichter sind so genannte Multilevelconverter-Sys- teme (MMC-Systeme) bekannt.
Als Energiespeicher bzw. Energiequellen können beispielsweise Batterien, z.B. Akkumulatoren, Kondensatoren, Brennstoffzellen und/oder Solaranlagen verwendet werden. Die Energiespeicher werden dabei nicht fest miteinander verdrahtet, sondern als einzelne Submodule zusammengefasst. Diesen Aufbau benötigt man für jede Phase. Daher teilen sich die Energiespeicher auf diese Phasen auf und können beispielsweise fest in Serie oder parallel verschaltet werden.
Batterien sind chemische Energiespeicher, die sich nach der so genannten Arrhenius- Gleichung verhalten. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit je 10°C Temperaturunterschied. Daher ist es im Hinblick auf ein Schnellladen vorteilhaft, dass die Temperatur der Batterien angehoben wird. Ebenfalls ist es vorteilhaft, die Temperatur der Energiespeichermodule, beispielsweise im Winter, anzuheben, um die Batterien nicht unnötig zu beschädigen.
Bisher wird dies dadurch gelöst, dass externe, z.B. elektrische, Heizelemente im Bereich der Energiespeicher verbaut oder zusätzliche Verluste im Motor oder einem zentralen Umrichter erzeugt werden.
Dies ist jedoch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Auch werden die Energiespeichermodule lediglich indirekt erwärmt, was zu Wärmeverlusten durch den Transport und/oder die Abstrahlung führt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls zu schaffen, welches eine hohe Effizienz aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Erfindungsgemäße ist das Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls mit einem Multilevelconverter-System ausgebildet bzw. kann hierzu verwendet werden.
Zumindest ein Energiespeichermodul wird direkt, also quasi intern, unmittelbar bzw. integriert, geheizt. Es sind daher keine externen, z.B. elektrischen, Heizelemente notwendig.
Bei dem Energiespeichermodul kann es sich um einen Speicher einer, vorzugsweise frequenzabhängigen, elektrischen Quelle handeln, beispielsweise einer Batterie, z.B. eines Akkumulators, einer Brennstoffzelle, einer Solarzelle und/oder eines (Super)kondensa- tors. Das Verfahren kann beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, z.B. Elektro-PKWs, ElektroLKWs und/oder Elektro-Bussen, eingesetzt werden. Auch ein Einsatz bei Wasserstofffahrzeugen ist ebenso denkbar. Ferner kann dieses auf stationäre Energiespeicher und/oder andere Umrichter-Systeme, die am Stromnetz verwendet und/oder von einem Wechselspannungsmotor betrieben werden, angewendet werden.
Es wird eine Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren bereitgestellt.
Ein, vorzugsweise modulares, Multilevelconverter-System beschreibt eine Art der Anordnung bzw. Schaltung mehrerer Energiespeichermodule bzw. Transistoren.
Jedes Energiespeichermodul kann wenigstens oder genau eine Batterie, z.B. einen Akkumulator, und/oder wenigstens oder genau einen Kondensator aufweisen.
Die Transistoren dienen beispielsweise als Schalter, mittels derer z.B. Strom- und/oder Spannungspfade ausgewählt werden können. Die Energiespeichermodule können dadurch beispielsweise in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
Vorzugsweise sind jedem Energiespeichermodul wenigstens oder genau zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Transistoren zugeordnet.
Der Transistor kann beispielsweise für eine Spannung von weniger als 500 V, 400 V, 300 V, 200 V, 100 V, 50 V, 40 V, 30 V, 20 V oder 10 V ausgebildet sein. Vorzugsweise kann der Transistor für eine Spannung zwischen 2 V und 8 V, z.B. 3 V, 4 V, 5 V, 6 V oder 7 V, ausgelegt sein.
Jedes Energiespeichermodul kann zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet werden. Vorzugsweise kann jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul in Serie geschaltet werden. Die Möglichkeit eines parallelen Schaltens ist vorteilhaft, aber nicht notwendig.
Vorzugsweise sind die benachbarten Energiespeichermodule über jeweils zwei Strom- und/oder Spannungspfade miteinander verbunden. Jedem Pfad kann dabei ein Transistor zugeordnet sein. Beispielsweise sind zwischen zwei benachbarten Energiespeichermodulen drei Transistoren vorgesehen. Die Energiespeichermodule können dadurch z.B. parallel oder in Serie geschaltet werden.
Multilevelconverter-Systeme sind im Vergleich zu Brückenschaltungen deutlich vielseitiger. So können nahezu beliebige Konfigurationen erzeugt werden. Beispielsweise können die Energiespeichermodule beliebig, z.B. parallel oder in Serie, zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
Die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, werden derart geschaltet, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird.
Vorzugsweise werden dabei künstlich Verluste erhöht. Diese Verluste erzeugen Wärme, welche unmittelbar im Bereich der Energiespeicher abgegeben wird.
Das Schalten kann vorzugsweise pulsweitenmoduliert (PWM) erfolgen.
Wenigstens ein Transistor, vorzugsweise alle Transistoren, weist/en eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, 5 Hz, 6 Hz, 7 Hz, 8 Hz, 9 Hz, 10 Hz, 15 Hz, 20 Hz, 30 Hz, 40 Hz, 50 Hz oder 100 Hz auf.
Herkömmlich werden Multilevelconverter-Systeme, die hauptsächlich als variable DC- Spannung bzw. Batteriemanagement-Systeme genutzt werden, vergleichsweise langsam bzw. selten, z.B. weniger als einmal pro Sekunde, geschaltet. Dies liegt daran, dass derartige Systeme leistungsoptimiert sind und Verluste, beispielsweise Schaltverluste, minimiert werden sollen. Die Zwischenkreisspannung muss hierbei auch nur langsam geändert werden, da sich die Anforderungen an die DC-Zwischenkreisspannung nur langsam ändert.
Erfindungsgemäß sollen Verluste entgegen dem normalen Vorgehen, diese möglichst klein zu halten, jedoch gerade künstlich erhöht werden, um Wärme zu erzeugen.
Ein Umrichterstrang kann beispielsweise 100 Stufen aufweisen. Der gesamte Umrichterstrang kann daher die 100-fache Frequenz aufweisen. Beispielsweise kann die maximale Schaltfrequenz eines Transistors und/oder des gesamten Umrichterstrangs mindestens 50 kHz, 60 kHz, 70 kHz, 80 kHz, 90 kHz, 100 kHz, 150 kHz, 200 kHz, 250 kHz, 300 kHz, 400 kHz, 500 kHz, 600 kHz, 700 kHz, 800 kHz, 900 kHz, 1 MHz, 1 ,1 MHz, 1 ,2 MHz, 1 ,3 MHz, 1 ,4 MHz, 1 ,5 MHz, 2 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz, 40 MHz, 50 MHz, 80 MHz, 100 MHz oder 120 MHz betragen.
Derartige hohe Schaltfrequenzen werden bei Multilevelconverter-Systemen, die als variable DC-Spannung bzw. Batteriemanagement-Systeme genutzt werden, nicht erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann wenigsten ein Energiespeichermodul direkt mit einer hohen Effizienz geheizt werden.
Eine zusätzliche, externe Heizung ist hierbei nicht notwendig. So wird die Wärme direkt an der Stelle erzeugt, an der sie Verwendung findet, sodass die Energiespeichermodule direkt erwärmt werden.
Es fallen dabei keine Wärmetransportverluste an und es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt.
Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Transistor als MOSFET oder IGBT ausgebildet oder umfasst einen MOSFET oder IGBT.
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) bzw. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) können mit hohen Frequenzen geschaltet werden.
Als Halbleitermaterial kann beispielsweise Silizium, Galliumnitrid, Galliumarsenid und/oder Siliziumcarbid vorgesehen sein. Auch organische Halbleiter sind grundsätzlich denkbar.
Beispielsweise ist eine Vorkonditionierung und/oder Betriebsoptimumseinstellung für MOSFETs möglich.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird wenigstens ein Energiespeichermodul zum Heizen kurzgeschlossen. Bei einem normalen Betrieb sollen Kurzschlüsse üblicherweise vermieden werden, da diese zu Schädigungen der Energiespeichermodule führen können.
Um ein Energiespeichermodul zu heizen, können hingegen absichtlich Kurzschlüsse erzeugt werden. Durch den auftretenden Kurzschluss entsteht ein Stromfluss, durch den wiederum Wärme entsteht, welche das Energiespeichermodul unmittelbar erwärmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Energiespeichermodul maximal 1 ms, vorzugsweise 1 ps, bevorzugst 1 ns, kurzgeschlossen.
Derartig kurze Kurzschlusszeiten sind hauptsächlich bei Multilevelconverter-Systemen möglich.
Durch die sehr kurzen Kurzschlusszeiten werden Schädigungen der Energiespeichermodule vermieden, da der Strom nie sehr hoch wird. Der Strom nimmt mit der Zeit des Kurzschlusses zu. Die Induktivitäten im Stromkreis bremsen gewissermaßen den Anstieg.
Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Schalten pulsweitenmoduliert.
Ein maximaler Kurzschlussstrom entspricht dem Quotienten aus der Spannung des Energiespeichermoduls und der Summe der Widerstände des Energiespeichermoduls sowie des Transistors bzw. der Transistoren.
Beispielsweise ergibt der Kurzschlussstrom bei einer Spannung des Energiespeichermoduls von 4 V, einem Innenwiderstand des Energiespeichermoduls von 10 mQ und bei zwei Transistoren mit einem Widerstand von jeweils 1 mQ einen Wert von 333,3 A. Dies ergibt im Kurzschlussfall eine Verlustwärme P = U * I von 1333 W.
Eine derartig hohe Verlustwärme ist jedoch nicht notwendig und der Batteriegesundheit gegebenenfalls auch nicht zuträglich.
Vorteilhaft ist eine Begrenzung auf z.B. 10 C, wobei ein C der Entladung des Energiespeichermoduls in einer Stunde entspricht. Beispielsweise entspricht dies einem maximalen Kurzschlussstrom eines Energiespeichermoduls (mit 3 Ah) von l = 10 * 3 A = 30 A. Daher ist es vorteilhaft, dass der Kurzschluss je nach gewünschter Heizleistung pulsweitenmoduliert (PWM) geschaltet wird.
Der Kurzschluss ist je nach Topologie an unterschiedlichen Transistoren möglich und kann vorzugsweise gleichmäßig verteilt werden.
Grundsätzlich kann jeder Transistor einen Kurzschluss erzeugen.
Falls mehrere unterschiedliche Möglichkeiten für einen Kurzschluss bestehen, ist es vorteilhaft, wenn diese gleichmäßig benutzt werden. Dadurch kann eine homogene Erwärmung der Transistoren und des Energiespeichermoduls gewährleistet werden.
Der Großteil der Verluste entsteht im Energiespeichermodul, während der Wärmeeintrag der Transistoren dabei eine untergeordnete Rolle spielt. Dieser hat aber auch einen positiven Aspekt. Die Leistungselektronik wird bei dieser Art Umrichter häufig auf dem Energiespeichermodul angebracht und die Wärme wird über die Kontakte in das Energiespeichermodul eingebracht. Der Transistor ist beispielsweise direkt über ein Metallmaterial, z.B. Kupfer, mit dem Energiespeichermodul verbunden.
Ein Kurzschluss kann beispielsweise während der Fahrt eines Fahrzeugs durchgeführt werden. Die Spannung steht im Moment des Kurzschlusses dem Umrichter nicht zur Verfügung. Aufgrund der geringen Kurzschlusszeiten stellt dies jedoch kein Problem dar. Der Umrichterarm bzw. Strompfad wird währenddessen vorzugsweise nicht unterbrochen, sodass folglich kein Lastabbruch und/oder Spannungseinbruch auftritt.
Es kann lediglich ein, grundsätzlich beliebiges, Energiespeichermodul kurzgeschlossen werden. Alternativ können auch mehrere Energiespeichermodule gleichzeitig kurzgeschlossen werden.
Beispielsweise werden bei einem Kurzschluss, der zur Ausgangsspannung beiträgt, stets zwei Energiespeichermodule zeitgleich kurzgeschlossen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Schaltfrequenz zum Heizen erhöht.
Vorzugsweise wird die Schaltfrequenz dabei gegenüber der Schaltfrequenz, welche für den normalen, leistungsoptimierten Betrieb erforderlich ist, erhöht. Durch das Erhöhen der Schaltfrequenz werden die Schaltverluste erhöht. Die bewusst erzeugten Verluste führen zu einer Verlustwärme, welche unmittelbar im Bereich der Energiespeicher abgegeben wird.
Wie auch bei der Variante mit dem künstlich erzeugten Kurzschluss werden hier ebenso Effekte genutzt, welche im normalen, leistungsoptimierten Betrieb gerade unterbunden und/oder vermieden werden sollen.
Es war überraschend, dass diese Effekte zum gezielten Heizen eines Energiespeichermo- dules genutzt werden können.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden wenigstens zwei Energiespeichermodule zum Heizen parallel geschaltet.
Beispielsweise kann der Ausgleichstrom, z.B. Lade- und/oder Entladeverluste, im parallel geschalteten Zustand genutzt werden, um die Energiespeichermodule zu erwärmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die parallel geschalteten Energiespeichermodule unterschiedliche Ladezustände auf.
Beispielsweise können Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Ladezuständen genutzt werden, um durch ein paralleles Schalten ein Ladungsgleichgewicht zwischen diesen zu erzeugen.
Zum Beispiel kann eine Zelle entladen und dann zu einer volleren Zelle parallel geschalten werden. Dies ergibt kleine Abstufungen der Zellspannung, d.h. die Zellspannung selbst wird gewissermaßen unterteilt. Die Zellen werden vorzugsweise nicht vollständig entladen. Diese erhalten quasi lediglich eine andere Vorgeschichte. So bleibt bei gleichem Ladezustand eine andere Spannung.
Die unterschiedlichen Ladezustände können sich im normalen Betrieb ergeben. Alternativ können diese auch bewusst erzeugt werden.
Beispielsweise können Energiespeichermodule seriell geschaltet werden, ohne dass andere Energiespeichermodule parallel dazu geschalten werden. Dadurch entladen sich diese im Betrieb stärker als andere Energiespeichermodule. Beim Laden kann dieses Prinzip umgekehrt werden. Beispielsweise können Energiespeichermodule, die weniger stark aufgeladen werden sollen, öfter parallelgeschaltet werden.
Die Ladungsunterschiede sollten dabei vorzugsweise nicht zu groß sein, um Beschädigungen der Energiespeichermodule zu vermeiden. Ein Ausgleich kann z.B. mittels der Leistungselektronik, z.B. PWM, erfolgen. Dabei können Alterungseffekte und/oder Frequenzabhängigkeiten der Energiespeichermodule berücksichtigt werden.
Sind die Ladungsunterschiede bekannt, kann die Ladungsverteilung vorzugsweise gleichmäßig erfolgen.
Beispielhaft kann folgende Spannungsverteilung vorliegen:
1. Energiespeichermodul: 3,5 V
2. Energiespeichermodul: 4,2 V
3. Energiespeichermodul: 4,2 V
4. Energiespeichermodul: 4,2 V
5. Energiespeichermodul: 3,5 V
6. Energiespeichermodul: 4,2 V
7. Energiespeichermodul: 4,2 V
8. Energiespeichermodul: 4,2 V
9. Energiespeichermodul: 3,5 V
Dabei sind das 1., 5. und 9. Energiespeichermodul stärker entladen.
Um nun die Energiespeichermodule zu erwärmen, wird z.B. das Energiespeichermodul 1 zu Energiespeichermodul 2 sowie das Energiespeichermodul 5 zu Energiespeichermodul 6 parallelgeschaltet und gleichzeitig Energiespeichermodul 8 zu Energiespeichermodul 9. Wenn die Verluste zu hoch sind, kann eine PWM erfolgen.
Dadurch wird ein Ausgleichstrom von l= A U / R ausgelöst. Im Beispiel befinden sich beim Parallelschalten vier Transistoren in der Ausgleichsschleife.
Dies führt (bei Vernachlässigung dynamischer Effekte wie z.B. Bremseffekte durch die Induktivität) dazu dass: I = (U [EnergiespeichermoduU] - U [Energiespeichermodul2) / (4*R [Transistor] + 2*R [Energiespeichermodul]) als Ausgleichstrom fließt. Am gleichen Beispiel bei der oben beschriebenen Variante bedeutet dies, dass ein Energiespeichermodul und die Transistoren zu einem Ausgleichsstrom von I = 0,7 V / (4*1 mQ + 2*10 mQ) = 30 A führt. Die Energiespeichermodule werden zum einen durch die Wärme p = I2 * R = (30 A)2 * 10 mQ = 8,75 W geheizt, aber auch durch die auftretenden Verluste an den Transistoren.
Nach diesem ersten Schritt haben sich die Energiespeichermodule 1 und 2 sowie 5 und 6 und entsprechend 8 und 9 spannungsmäßig angeglichen. Die Gleichgewichtsspannung beträgt in diesem Fall 3,85 V:
1. Energiespeichermodul: 3,85 V
2. Energiespeichermodul: 3,85 V
3. Energiespeichermodul: 4,2 V
4. Energiespeichermodul: 4,2 V
5. Energiespeichermodul: 3,85 V
6. Energiespeichermodul: 3,85 V
7. Energiespeichermodul: 4,2 V
8. Energiespeichermodul: 3,85 V
9. Energiespeichermodul: 3,85 V
Im nächsten Schritt wird das Energiespeichermodul 2 zu Energiespeichermodul 3 parallel geschaltet, ebenfalls 5 zu 4 und 7 zu 8.
Dabei entsteht bei einem Ausgleichsstrom von I = 0,35 V / (4*1 mQ + 2*10 mQ) = 15 A eine Verlustwärme von P = I2 * R = (15 A)2 * 10 mQ = 2,25 W.
Im letzten Schritt kann nun die Wärmeverteilung äquivalent auf alle Energiespeichermodule verteilt werden. Es sind hierbei unterschiedliche Methoden möglich, die Verluste auf alle Energiespeichermodule zu verteilen. Das hier gezeigte Vorgehen gibt nur die einfachste Verteilung an. Dabei ist es beispielsweise denkbar, die Ladevorgänge immer wieder schnell zu unterbrechen und nie einen vollständigen Ausgleich hervorzurufen, sondern in kleinen Teilschritten zu verteilen. Ebenfalls kann z.B. auf unterschiedliche Ausgangstemperaturen und/oder Anbindungen an den Kühlkreislauf eingegangen werden. Alternativ oder zusätzlich könnten etwaige Alterungsunterschiede kompensiert werden. Dieses Vorgehen kann beispielsweise im laufenden Betrieb des Umrichters angewendet werden. Dazu werden die Energiespeichermodule zum Beispiel nach außen hin überbrückt und ein Kurzschluss kann z.B. lediglich intern erzeugt werden.
Ein Fahrzeug kann hierbei beispielsweise ohne Einbußen für den Kunden auf Betriebstemperatur und/oder vor einem Laden auf die beste Ladetemperatur gebracht werden.
Ein Überbrücken nach außen hin ist möglich, da die oberen Transistoren der Energiespeichermodule beim Parallelschalten ohnehin geschlossen werden müssen.
Die Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Ladezuständen können durch Parallelschalten aufgeheizt werden, wobei Lade- und Entladeverluste entstehen. Die Lade- bzw. Entladeleistung variiert bei den meisten Energiespeichermodulen. Beispielsweise kann die Ladeleistung, z.B. 10 C, geringer sein als die Entladeleistung, z.B. 3 C. Die Ladeleistung ist hierbei die beschränkende Variable, um das Energiespeichermodul nicht zu beschädigen.
Die zu heizenden Energiespeichermodule können zur Erzeugung der Ausgangsspannung verwendet werden. Hier kann es zu einer Überlagerung mit einem Laststrom, der z.B. vom Motor- bzw. Stromnetzbetriebspunkt abhängt, kommen.
Alternativ werden die zu heizenden Energiespeichermodule nicht zur Erzeugung der Ausgangsspannung verwendet. Dadurch kann der Ausgleichsstrom sehr genau vorherbestimmt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform ändert sich die Konfiguration der eingebundenen Energiespeichermodule über die Zeit.
Durch die Auswahl unterschiedlicher Konfigurationen kann, z.B. beim Fahren, die Temperatur geregelt werden. So kann beispielsweise bei zu kalten Energiespeichermodulen eine Konfiguration mit hohen Verlusten ausgewählt werden.
Vorzugsweise kann sich die Konfiguration in jeder Stufe ändern. Alternativ oder zusätzlich kann eine Änderung der Konfiguration innerhalb einer Stufe erfolgen. Die Energiespeichermodule können in eine gewünschte Konfiguration eingebundenen oder von dieser ausgeschlossen werden.
Ein Ausschließen kann beispielsweise durch Schließen eines, z.B. oberen, Schalters erfolgen, sodass kein Strom durch das entsprechende Energiespeichermodul fließt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Energiespeichermodul zum Heizen alleine oder mit wenigstens einem anderen Energiespeichermodul in Serie geschaltet.
Verluste der Energiespeichermodule berechnen sich gemäß P = I2 * R [Energiespeichermodul]. Die Verluste sind von der Anzahl parallel geschalteter Energiespeichermodule abhängig.
Wird lediglich die Hälfte an Energiespeichermodulen in die Konfiguration eingebunden, verdoppeln sich die Verluste.
Zum, beispielsweise selektiven, Heizen können zum Beispiel Konfigurationen gewählt werden, bei denen Energiespeichermodule alleine in Reihe geschaltet sind, ohne parallele Energiespeichermodule zur Reduktion des Stroms.
Das Heizen kann hierbei beispielsweise während der Fahrt durchgeführt werden. Der Laststrom kann durch Verschaltung der Energiespeichermodule so verteilt werden, dass sich die Energiespeichermodule maximal erwärmen.
Auch bei einem Stillstand des Fahrzeugs kann ein Heizen erfolgen. Zur Erzeugung eines Laststroms kann hierzu ein Strom durch Anhebung eines Sternpunktes eines Elektromotors erzeugt werden. Dadurch kann zwischen den einzelnen Phasen hin und her geladen werden.
Beispielsweise kann bei einem dreiphasigen Aufbau mit U1 = 100 V, U2 = 50 V und U3 = 100 V ein Laden der Phase 2 aus der Phase 3 und Phase 1 erfolgen. Wenn diese rein seriell geschaltet werden, ohne Ausnutzung der Parallelschaltmöglichkeit, können die Verluste maximiert werden. Alternativ oder zusätzlich können bei einer Erzeugung dieses Laststroms alle Energiespeichermodule parallel geschaltet werden, um gleichzeitig alle zu erwärmen. Dieser Offset kann beispielsweise während der Fahrt erzeugt werden, wenn noch nicht die maximale Ausgangsspannung am Motor benötigt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind keine zusätzlichen Komponenten wie z.B. Heizelemente oder Versorgungsleitungen notwendig.
Ferner ist keine Überwachung der Wärmeverteilung notwendig, da die Temperatur direkt an den Energiespeichermodulen erzeugt wird.
Es wird ein individuelles Aufheizen der Energiespeichermodule möglich, sodass keine Gefahr von ungleichmäßiger Erwärmung besteht und/oder Inhomogenitäten im System ausgeglichen werden können.
Die Wärme entsteht an der Stelle, an der sie benötigt wird und muss nicht erst durch das Gehäuse und/oder alle Wicklungen der Energiespeichermodule geleitet werden. Der Wirkungsgrad der Energiespeichermodule wird somit ab Betriebsbeginn gesteigert und der thermische Stress des Gesamtaufbaus minimiert.
Vorzugsweise ist die Wärmeabgabe stufenlos einstellbar, da z.B. durch eine Pulsweitenmodulation die Erwärmung in beliebigen Zeitschriften eingestellt werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden Durchlassverluste, die Spannung, der Strom und/oder die Frequenz zum Heizen geändert.
Eine entsprechende Änderung entspricht vorzugsweise einem Schalten der Energiespeichermodule im Sinne der Erfindung.
Es ist beispielsweise möglich, die Frequenz derart zu ändern, dass diese z.B. in induktiven und/oder kapazitiven Randbereichen liegt. Normalerweise würde man diese Randbereiche gerade vermeiden. Zum Erhitzen sind diese Frequenzbereiche jedoch geeignet. Die Belastungen können beispielsweise über die Frequenzen eingestellt werden. Wenn sehr schnell geschaltet wird, kommt es nicht zu einem Austausch der Ladungsträger. Beispielsweise kann die Frequenz auf die Resonanzfrequenz geändert werden. Dadurch kann es gegebenenfalls sogar möglich sein, defekte Batterien wieder zu reparieren.
Alternativ oder zusätzlich zur Frequenz können Durchlassverluste und/oder die Spannung und/oder der Strom geändert werden.
Die Spannung einzelner Zellen hängt vom Ladungszustand sowie der (chemischen) Vorgeschichte der Zellen ab. Beispielsweise kann eine Spannungsdifferenz erzeugt werden. Die Zellen können dann parallel geschalten werden, sodass sich die Spannungen ausgleichen. Im Gegensatz zu einer Ladungsdifferenz hat dies den Vorteil, dass die maximale Ladung genutzt werden kann.
Beispielsweise hängt der Innenwiderstand einiger Transistorarten, z.B. MOSFETs, von der angelegten Spannung am Gate ab. Es kann aber durchaus bei anderen Transistorarten der Strom entscheidend sein.
Der Gate-Anschluss ist dabei der Steuerungsanschluss des Bauteils. Bei einem MOSFET gibt es Source, Drain und Gate. Mit der Spannung am Gate kann bestimmt werden, welcher Widerstand zwischen Drain und Source anliegt. Die Spannung am Gate kann beispielsweise derart geändert werden, dass der MOSFET nicht komplett durchgeschaltet ist, also einen Zustand zwischen ein und aus einnimmt. Auf diese Weise können der Innenwiderstand des Schalters und somit die Verluste eingestellt werden. Wird die Spannung z.B. halbiert, so verdoppelt sich der Widerstand.
Vorzugsweise kann aufgrund des Zusammenhangs P = I2 * R die Erhitzung des Halbleiters eingestellt werden.
Wenn sich nun der Transistor stärker erhitzt, kann diese Wärme über die ohnehin vorhandenen, elektrisch leitenden Verbindungen in die Batterie abgegeben werden, da die elektrisch leitenden Verbindungen auch Wärme übertragen. Die Verluste in der Batterie steigen dadurch nicht, die im Transistor hingegen schon. Dadurch ist ein Heizen direkt am Aktivmaterial der Batterie möglich, da die Kathode und die Anode durch die gesamte Batterie reichen. Die Wärme muss daher nicht erst von außen durch das Gehäuse und durch die Wickel der Batterie hindurch.
Jede Schicht weist einen thermischen Innenwiderstand auf, der der Erhitzung entgegenwirkt bzw. diese zeitlich verlangsamt. Das kann sich bei einem Fahrzeug, das kalt gestartet wird, stark auf die Batterielebensdauer auswirken. Vor allem Lithium-Ionen-Batterien altern stärker bei Minustemperaturen.
Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Multilevelconverter-System zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vielzahl an Energiespeichermodulen und Transistoren, wobei jedes Energiespeichermodul zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul parallel und/oder in Serie geschaltet ist.
Das System umfasst eine Steuerungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Energiespeichermodule, vorzugsweise die Transistoren, derart zu schalten, dass wenigstens ein Energiespeichermodul geheizt wird.
Wenigstens ein Transistor weist eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz auf.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile des Multilevelconverter-Sys- tems sind vorzugsweise dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, vorzugsweise auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden. Beispielsweise können zwei oder mehr der Heizverfahren auch - je nach Bedarf - gleichzeitig oder nacheinander durchgeführt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
MMC-System,
Fig. 2 einen Verlauf der Ausgangsspannung eines PWM-Systems gemäß Stand der Technik,
Fig. 3 einen Verlauf der Ausgangsspannung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems,
Fig. 4 eine (verlust)leistungsoptimierte Konfigurationen eines MMC-
Systems gemäß Stand der Technik,
Fig. 5 eine Konfiguration einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zum Heizen von Energiespeichermodulen, und
Fig. 6 eine Konfiguration einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MMC-Systems zum Heizen von Energiespeichermodulen.
Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Die Konfiguration und/oder Anzahl an gezeigten Energiespeichermodulen, Pfaden und Transistoren ist rein beispielhaft und grundsätzlich beliebig.
Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Multilevelconverter-System zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls 10, 12, 14, 16. Benachbarte Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 sind jeweils über mehrere Pfade miteinander verbunden.
In jedem Pfad ist ein als Transistor 18 ausgebildeter Schalter vorgesehen.
Die benachbarten Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 können somit in Serie oder parallel zueinander geschaltet werden. Auch können einzelne Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 bei Bedarf, z.B. durch Schließen des oberen Schalters 18, überbrückt und auf diese Weise von einer Konfiguration ausgeschlossen werden.
In Fig. 2 ist der Spannungsverlauf U über die Zeit t einer PWM- Modulation dargestellt.
Für eine dreiphasige DC/AC-Systemkopplung werden hierbei sechs Schalter benötigt.
Bei einer B6-Brücke oder einem Zweipunktumrichter wird die DC-Spannung über mehrere bzw. einen Schalter synchron eingeschaltet, sodass sich lediglich im Zeitmittel eine Wechselspannung einstellt.
Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch die Ausgangsspannung 22 des PWM-Sys- tems daher nur rudimentär nachempfunden.
Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf U in Volt über die Zeit t in Sekunden eines MMC-Sys- tems.
Die sinusförmige Sollspannung 20 wird durch den Aufbau einzelner Stufen 24 nachgebildet. Die Ausgangsspannung 24 bildet die sinusförmige Sollspannung 20 daher deutlich besser nach.
In Fig. 4 ist eine (verlustjleistungsoptimierte Konfiguration eines MMC-Systems gezeigt. Die Spannung U ist in Volt über die Zeit t in Sekunden dargestellt.
Beispielhaft wird gezeigt, wie die ersten drei Spannungsstufen durch eine Parallelschaltung der Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 gebildet werden können. Um die Leistung zu optimieren und den besten Wirkungsgrad zu erhalten, sind in jeder Stufe stets sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in die Konfiguration eingebunden.
Fig. 5 zeigt hingegen eine Konfiguration, bei der sämtliche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 in Serie geschaltet sind. Dies führt zu einer maximalen Heizleistung.
In diesem Beispiel wird das Energiespeichermodul 10 am stärksten und das Energiespeichermodul 16 am wenigsten geheizt.
In Fig. 6 ist eine Konfiguration dargestellt, in der das Energiespeichermodul 10 die maximale Heizleistung erfährt, da sich dieses stets alleine im Strompfad befindet.
In der ersten Stufe ist das Energiespeichermodul 10 alleine und in den weiteren Stufen in Serie mit wenigstens einem der anderen Energiespeichermodule 12, 14, 16 geschaltet.
Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Konfigurationen sind rein beispielhaft. Je nachdem, welches oder welche Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 erhitzt werden sollen, sind ebenso andere Konfigurationen denkbar.
Da jedes Energiespeichermodul 10, 12, 14, 16 separat angesteuert werden kann, können auch kleinste Unterschiede ausgeregelt werden. Beispielsweise kann ein Kühlsystem eines Fahrzeugs Ungleichheiten der Kühlmitteltemperaturen aufweisen, welche aktiv ausgeregelt werden können. Ferner ist es möglich, dass die Temperatur einzelner Energiespeichermodule 10, 12, 14, 16 dynamisch für bestimmte Lastfälle angehoben wird.
Bezugszeichenliste
10, 12, 14, 16 Energiespeichermodul
18 Transistor 20 Sollspannung
22 Ausgangsspannung PWM-System
24 Stufe, Ausgangsspannung MMC-System
U Spannung t Zeit

Claims

Ansprüche Verfahren zum direkten Heizen wenigstens eines Energiespeichermoduls (10, 12,
14, 16) mit einem Multilevelconverter-System, bei dem eine Vielzahl an Energiespeichermodulen (10, 12, 14, 16) und Transistoren (18) bereitgestellt wird, wobei jedes Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum jeweils benachbarten Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) parallel und/oder in Serie geschaltet werden kann, und die Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16), vorzugsweise die Transistoren (18), derart geschaltet werden, dass wenigstens ein Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) geheizt wird, wobei wenigstens ein Transistor (18) eine Schaltfrequenz von mindestens 1 Hz aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (18) als MOSFET oder IGBT ausgebildet ist oder einen MOS- FET oder IGBT umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) zum Heizen kurzgeschlossen wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichermodul (10, 12, 14, 16) maximal 1 ms, vorzugsweise 1 ps, bevorzugst 1 ns, kurzgeschlossen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten pulsweitenmoduliert erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz zum Heizen erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) zum Heizen parallel geschaltet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) unterschiedliche Ladezustände aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Konfiguration der eingebundenen Energiespeichermodule (10, 12, 14, 16) über die Zeit ändert.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeichermodul (10) zum Heizen alleine oder mit wenigstens einem anderen Energiespeichermodul (12, 14, 16) in Serie geschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Durchlassverluste zum Heizen geändert werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung und/oder der Strom zum Heizen geändert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz zum Heizen geändert wird.
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