WO2011069729A1 - Batterieheizung für kraftfahrzeuge mit elektrischem antriebsmotor - Google Patents

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Andreas Bosch
Alexander Reitzle
Holger Fink
Achim Schmidt
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Robert Bosch Battery Systems GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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SB LiMotive Germany GmbH
SB LiMotive Co Ltd
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the battery cells should be operated in a temperature window usually between about 0 ° C and 40 ° C. If the temperatures are too high, the cells should be cooled, and at low temperatures they should be heated accordingly.
  • the setting of the temperature of the battery cells takes place here in the context of thermal management, which is connected to the air conditioning circuit of the vehicle or operated via a separate coolant circuit.
  • the invention is dedicated to the aspect of fast and energy-optimized heating of the battery cells.
  • the resistor eg an incandescent filament
  • the resistor placed in local proximity to the battery cells or the heat generated in the resistor via a suitable medium the battery cells is supplied (resistance heating).
  • the efficiency for this process is not very high, so that the drive battery is taken more energy (and is no longer available for the drive), as would actually be necessary.
  • Another way to heat the battery cells is to use an inductor, which is used for resonance. Energy is taken from the drive battery via a current which, apart from losses due to the non-ideal components, can be stored in the magnetic field of the inductance and fed back into the drive battery from there.
  • the drive battery heats up by the alternate charging and discharging, the efficiency compared to the resistance heating is significantly better, since the heat loss in the battery cells themselves is obtained and the efficiency only by ohmic losses in the inductance and due to electrochemical conversion losses under the Ideal sinks.
  • the object of the invention is to introduce a particularly efficient possibility of heating the battery cells of a drive battery in a short time.
  • a first aspect of the invention therefore introduces a battery heater for heating a drive battery of a motor vehicle with an electric drive motor for driving the motor vehicle, which has a first connection for the drive battery and a second connection for the electric drive motor, wherein the first connection and the second connection each having a first pole and a second pole.
  • the battery heater is designed to electrically connect the first pole of the first terminal to the first pole of the second terminal and the second pole of the first terminal to the second pole of the second terminal in a first time period of a switching cycle, thus flowing a current of a first sign allow.
  • the battery heater connects the second terminal of the first terminal to the first terminal of the second terminal and the first terminal of the second terminal first terminal electrically connected to the second pole of the second terminal and thus allows a resonant current of a second sign opposite to the first sign to flow.
  • the sign of the current is to be understood in each case based on the drive battery.
  • the invention makes use of the fact that the electric drive motor itself represents an inductance, which can be used for an inductive battery heating due to the motor windings contained in it.
  • the battery itself also acts as a capacitor, which is coupled to the inductance to a resonant circuit. Since the current flowing for the heating current can be chosen so small that the mechanical inertia of the engine is not overcome, the battery heater can be operated even when the vehicle is stationary.
  • the invention makes use of the property of an inductance to maintain a current flowing in it as much as possible. If the current in an inductance is reduced, the inductance feeds the degree of reduction of the inductance
  • the battery heater is also preferably configured to electrically connect the second pole of the first terminal to the first pole of the second terminal and the first pole of the first terminal to the second pole of the second terminal in a third time period of the switching cycle following the second time period, and so on Flowing current of the first sign, and electrically connecting the first pole of the first terminal to the first pole of the second terminal and the second pole of the first terminal to the second pole of the second terminal in a fourth time period of the switching cycle following the third time period and thus to let a resonance current of the second sign flow.
  • the battery heater is preferably formed periodically alternating the first pole of the first terminal with the first pole of the second terminal and the second pole of the first terminal with the second pole of the second terminal and the second pole of the first terminal with the first pole of the second terminal and electrically connecting the first pole of the first terminal to the second pole of the second terminal. These switching operations can be carried out until the temperature of the battery cells has risen to the desired value.
  • Particularly preferred is an embodiment suitable for a drive battery with an electrolyte, in which a reciprocal of a Debye-Falkenhagen limit frequency of the electrolyte is longer than the switching cycle.
  • the Debye-Falkenhagen effect is an electrochemical effect that solves the behavior
  • Falkenhagen effect is a heating of the electrolyte as a function of the radiated energy, since heat at the quantum mechanical level is nothing other than the oscillation of particles or ions. Therefore, if the switching cycle is chosen to be shorter than the reciprocal of the Debye-Falkenhagen cutoff frequency for a given electrolyte (ie, if the frequency of the switching operations is above the Debye-Falkenhagen cutoff frequency), a particularly fast recovery can be achieved. heating of the electrolyte can be effected. This means at the same time that correspondingly fewer switching cycles are needed to bring the electrolyte and thus the battery cells to the desired temperature.
  • the battery heater may include a first switch having a first electrode connected to the first pole of the first terminal and a second electrode connected to the first pole of the second terminal, a second switch having a first electrode connected to the second pole of the first terminal, and a second electrode connected to the second pole of the second terminal, a third switch having a first electrode connected to the first pole of the first terminal and a second electrode connected to the second pole of the second terminal, and a fourth switch having a second electrode having a first electrode connected to the second pole of the first terminal and having a second electrode connected to the first pole of the second terminal.
  • the first to fourth switches also each have a control electrode connected to a controller.
  • control electrode of the first switch with the control electrode of the second switch and the control electrode of the third switch are connected to the control electrode of the fourth switch.
  • a second aspect of the invention introduces a drive battery with a battery heater according to the first aspect of the invention. If the battery heater is integrated into the drive battery, in particular the duration of the switching cycle can be fixedly adjusted to the electrolyte used in the battery cells.
  • a third aspect of the invention relates to a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a drive battery connected to the electric drive motor according to the second aspect of the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention based on four partial images
  • FIG. 3 shows a diagram with time profiles for illustrating the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention.
  • the battery heater can be advantageously integrated in the drive battery 10 or in a (not shown) inverter.
  • the invention is based on the recognition that the electric drive motor
  • 1 1 itself represents an inductance which can be used for inductive battery heating.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention based on four partial images.
  • the battery heater of the second embodiment has four switches 14-1 to 14-4, which are connected between the drive battery 10 and the inductance 13 of the electric drive motor 1 1.
  • the four switches 14-1 to 14-4 are arranged so that the inductance 13 can be connected to the drive battery 10 in two different orientations.
  • the switches 14-1 and 14-2 are closed and the switches 14-3 and 14-4 are opened, so that a slowly rising current flows from the drive battery 10 into the inductance 13, which forms a magnetic field in the Inductor 13 builds.
  • the switches 14-1 and 14-2 are opened and the switches 14-3 and 14-4 are closed (Fig. 2B).
  • the inductance 13 counteracts a change in the current flowing through it, it maintains the last current flowing by feeding a corresponding resonance current from its magnetic field. Since the inductor 13 is now connected in antiparallel to the first orientation with the drive battery 10 due to the changed switch states in the second orientation, the resonant current flows back into the drive battery 10, so that the previously removed electrical energy is supplied again except for line losses. Once the magnetic field of the inductance 13 has dissipated, again a current flows from the drive battery 10 through the inductance 13 (FIG.
  • the battery heater of the invention dispenses with additional inductance by using the inductance 13 of the drive motor 1 1 for the battery heater 12.
  • FIG. 3 shows a diagram with time profiles for illustrating the method according to the invention.
  • a partial diagram S1 to S4 the switching states of the first to fourth switches 14-1 to 14-4 of FIG. 2 are shown, wherein a positive value should mean a closed switch and a value equal to zero an open switch.
  • a partial diagram current waveforms for the battery current I B ATT and the current through the inductance, L L are shown.
  • switching state M1 the first switch 14-1 and the second switch 14-2 are closed and the third switch 14-3 and the fourth switch 14-4 are open.
  • a positive current from the drive battery 10 begins to flow through the inductor 13.
  • the third and fourth switches 14-3, 14-4 are now closed and the first and second switches 14-1, 14-2 are opened so that the inductance 13 is connected in anti-parallel with the drive battery 10.
  • the inductor 13 acts as an inertial element of a change in the current flowing through it, so that it decreases only slowly, the inductor 13 feeds the resonance current from its magnetic field.
  • the inductor 13 is again connected to the drive battery in the first orientation by re-closing the first and second switches 14-1 and 14-2 and re-opening the third and fourth switches 14-3 and 14-4 (Switching state M4).
  • the resonant current fed by the inductance 13 from the magnetic field now flows from the point of view of the drive battery, again with the opposite sign and thus into the drive battery 10, so that the electrical energy removed in the switching state M3 is supplied again.
  • the method continues periodically with the switching state M1.

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Abstract

Eine Batterieheizung zum Aufheizen einer Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges. Die Batterieheizung besitzt einen ersten Anschluss für die Antriebsbatterie und einen zweiten Anschluss für den elektrischen Antriebsmotor. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss weisen jeweils einen ersten Pol und einen zweiten Pol auf. Die Batterieheizung ist ausgebildet, in einer ersten Zeitperiode eines Schaltzyklusses den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Strom eines ersten Vorzeichens fließen zu lassen. Außerdem ist die Batterieheizung ausgebildet, in einer zweiten, auf die erste Zeitperiode folgenden Zeitperiode des Schaltzyklusses den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Resonanzstrom eines dem ersten Vorzeichen entgegengesetzten zweiten Vorzeichens fließen zu lassen.

Description

Beschreibung
Titel
Batterieheizung für Kraftfahrzeuge mit elektrischem Antriebsmotor Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z.B. bei Windkraftanlagen oder Notstromsystemen), als auch bei Fahrzeugen (z.B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) vermehrt wiederaufladbare Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten tatsächlich zur Verfügung stellen zu können, sollte die Batteriezellen in einem Temperaturfenster zwischen gewöhnlich etwa 0° C und 40° C betrieben werden. Bei zu hohen Temperaturen sollten die Zellen daher gekühlt werden, bei tiefen Temperaturen sollten sie entsprechend aufgeheizt werden. Das Einstellen der Temperatur der Batteriezellen erfolgt hierbei im Rahmen des Thermomanagements, welches an den Klimakreislauf des Fahrzeuges angebunden ist oder über einen separaten Kühlmittelkreislauf betrieben wird. Sowohl das schnelle Abkühlen, beispielsweise, wenn das Fahrzeug längere Zeit im Sommer in der Sonne gestanden hat, als auch das schnelle Aufheizen im Winter stellen zum jetzigen Zeitpunk Herausforderungen dar, da hierfür Energie aus der Batterie selbst verwendet werden muss, welche nicht mehr zum Antrieb des Fahrzeuges zur Verfügung steht. Daher ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad für das Aufheizen und Abkühlen wünschenswert.
Die Erfindung widmet sich dem Aspekt des schnellen und energieoptimierten Aufheizens der Batteriezellen.
Im Stand der Technik ist hierzu bekannt, einen stromdurchflossenen Widerstand zur Wärmegenerierung aus der Antriebsbatterie selbst zu versorgen, wobei der Widerstand (z.B. eine Glühwendel) in örtlicher Nähe zu den Batteriezellen platziert oder die im Widerstand entstehende Wärme über ein geeignetes Medium den Batteriezellen zugeführt wird (Widerstandsheizung). Der Wirkungsgrad für diesen Prozess ist jedoch nicht sehr hoch, so dass der Antriebsbatterie mehr E- nergie entnommen wird (und nicht mehr für den Antrieb zur Verfügung steht), als eigentlich notwendig wäre.
Eine andere Möglichkeit für das Aufheizen der Batteriezellen besteht in der Verwendung einer Induktivität, welche für eine Resonanz genutzt wird. Dabei wird der Antriebsbatterie über einen Strom Energie entnommen, welche - abgesehen von Verlusten wegen der nicht-idealen Bauelemente - im Magnetfeld der Indukti- vität gespeichert und von dort in die Antriebsbatterie zurückgespeist werden kann. Die Antriebsbatterie heizt sich dabei durch das abwechselnde Auf- und Entladen auf, wobei der Wirkungsgrad gegenüber dem der Widerstandsheizung deutlich besser ist, da die Verlustwärme in den Batteriezellen selbst anfällt und der Wirkungsgrad nur durch ohmsche Verluste in der Induktivität und aufgrund von elektrochemischen Umwandlungsverlusten unter das Ideal sinkt.
Offenbarung der Erfindung Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine besonders effiziente Möglichkeit des Aufheizens der Batteriezellen einer Antriebsbatterie in kurzer Zeit einzuführen.
Ein erster Erfindungsaspekt führt daher eine Batterieheizung zum Aufheizen ei- ner Antriebsbatterie eines Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges ein, die einen ersten Anschluss für die Antriebsbatterie und einen zweiten Anschluss für den elektrischen Antriebsmotor besitzt, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss jeweils einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweisen. Erfindungsgemäß ist die Batterieheizung ausgebildet, in einer ersten Zeitperiode eines Schaltzyklusses den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Strom eines ersten Vorzeichens fließen zu lassen. In einer auf die erste Zeitperiode folgenden zweiten Zeitperiode des Schaltzyklusses verbindet die Batterieheizung den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch und lässt so einen Resonanzstrom eines dem ersten Vorzeichen entgegengesetzten zweiten Vorzeichens fließen. Das Vorzeichen des Stromes ist dabei jeweils auf die Antriebsbatterie bezogen zu verstehen.
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, dass der elektrische Antriebsmotor selbst aufgrund der in ihm enthaltenen Motorwicklungen eine Induktivität darstellt, welche sich für eine induktive Batterieheizung verwenden lässt. Die Batterie selbst wirkt außerdem als Kondensator, welcher mit der Induktivität zu einem Schwing- kreis gekoppelt ist. Da der für das Aufheizen fließende Strom so gering gewählt werden kann, dass die mechanische Trägheit des Motors nicht überwunden wird, kann die Batterieheizung auch bei Stillstand des Kraftfahrzeuges betrieben werden. Die Erfindung macht sich die Eigenschaft einer Induktivität zunutze, einen in ihr fließenden Strom möglichst aufrechtzuerhalten. Wird der Strom in einer Induk- tivität herabgesetzt, speist die Induktivität einen dem Grad der Verminderung des
Stromes entsprechenden Differenzstrom aus ihrem Magnetfeld. So wird es möglich, aus der Antriebsbatterie einen Anregungsstrom in die Motorinduktivität zu leiten, um ein Magnetfeld aufzubauen, und die Motorinduktivität dann invertiert mit der Antriebsbatterie zu verbinden, wodurch die Motorinduktivität einen ent- sprechenden Resonanzstrom in die Antriebsbatterie zurückleitet, wobei das
Magnetfeld der Motorinduktivität abgebaut wird.
Die Batterieheizung ist bevorzugt außerdem ausgebildet, in einer auf die zweite Zeitperiode folgenden dritten Zeitperiode des Schaltzyklusses den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch verbunden und so einen Strom des ersten Vorzeichens fließen zu lassen, und in einer auf die dritte Zeitperiode folgenden vierten Zeitperiode des Schaltzyklusses den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Resonanzstrom des zweiten Vorzeichens fließen zu lassen. Ist das Magnetfeld der Motorinduktivität wie oben beschrieben abgebaut, beginnt wiederum ein Strom aus der Antriebsbatterie in die (invertiert angeschlossene) Motorinduktivität zu fließen und erneut ein Magnetfeld umgekehrten Vorzeichens aufzubauen (dritte
Zeitperiode). Ist das Magnetfeld aufgebaut, kann die Motorinduktivität wieder in der ursprünglichen, nicht-invertierten Weise mit der Antriebsbatterie verbunden werden, wodurch wiederum ein Resonanzstrom aus dem Magnetfeld der Motorinduktivität gespeist und in die Antriebsbatterie zurückgeleitet wird. Durch entsprechende Wahl der Zeitperioden des Schaltzyklusses wird es möglich, mit nur zwei Schaltoperationen zwei Entladungen und Wiederaufladungen durchzuführen.
Die Batterieheizung ist bevorzugt ausgebildet, periodisch abwechselnd den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses bzw. den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden. Diese Schaltoperationen können so lange durchgeführt werden, bis die Temperatur der Batteriezellen auf den gewünschten Wert gestiegen ist.
Besonders bevorzugt wird eine für eine Antriebsbatterie mit einem Elektrolyten geeignete Ausführungsform, bei der ein Kehrwert einer Debye-Falkenhagen- Grenzfrequenz des Elektrolyten länger ist als der Schaltzyklus. Der Debye- Falkenhagen-Effekt ist ein elektrochemischer Effekt, der das Verhalten gelöster
Ionen in einem Lösungsmittel beim Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes beschreibt. Durch das anliegende hochfrequente Wechselfeld werden die Ionen in Schwingung entlang der elektrischen Feldlinien entsprechend der Anregungsfrequenz versetzt. Ab einer bestimmten, vom jeweiligen Elektrolyten ab- hängigen Grenzfrequenz, der Debye-Falkenhagen-Grenzfrequenz, kommt es zu einer deutlichen Erhöhung der Leitfähigkeit, weil die Bewegung der einzelnen Ionen im hochfrequenten Wechselfeld so schnell abläuft, dass der sonst durch die ein jeweiliges Ion umgebende Wolke aus Gegenionen verursachte Relaxationseffekt nicht mehr auftritt. Unterhalb der Grenzfrequenz bremst die Gegenladung der Gegenionen die Bewegung eines Ions. Ein Nebeneffekt des Debye-
Falkenhagen-Effektes ist eine Erwärmung des Elektrolyten in Abhängigkeit der eingestrahlten Energie, da Wärme auf quantenmechanischer Ebene nichts anderes als das Schwingen von Teilchen bzw. Ionen ist. Wird daher der Schaltzyklus kürzer als der Kehrwert der Debye-Falkenhagen-Grenzfrequenz für einen gege- benen Elektrolyten gewählt (d.h., liegt die Frequenz der Schaltoperationen oberhalb der Debye-Falkenhagen-Grenzfrequenz), kann eine besonders schnelle Er- wärmung des Elektrolyten bewirkt werden. Dies bedeutet gleichzeitig, dass entsprechend weniger Schaltzyklen benötigt werden, um den Elektrolyten und damit die Batteriezellen auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Daraus folgt aber auch, dass die Verluste aufgrund von Leitungswiderständen außerhalb der Antriebsbatterie minimiert werden, was den Wirkungsgrad der Batterieheizung entsprechend verbessert. Außerdem ist die Bewegung der Ionen oberhalb der De- bye-Falkenhagen-Grenzfrequenz so schnell, dass keine oder wenigstens keine nennenswerten elektrochemischen Umwandlungen an den Batterieelektroden stattfinden, welche in einem elektrischen Ersatzschaltbild der Anordnung einem Serienwiderstand entsprächen und eine unerwünschte Verschlechterung des Wirkungsgrades und eine zusätzliche Belastung der Batterie bedeuten würden.
Die Batterieheizung kann einen ersten Schalter, der eine mit dem ersten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, einen zweiten Schalter, der eine mit dem zweiten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, einen dritten Schalter, der eine mit dem ersten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, und einen vierten Schalter, der eine mit dem zweiten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, besitzen. Die ersten bis vierten Schalter weisen außerdem jeweils eine mit einem Kontroller verbundene Kontrollelektrode auf.
Bevorzugt sind dabei die Kontrollelektrode des ersten Schalters mit der Kontrollelektrode des zweiten Schalters und die Kontrollelektrode des dritten Schalters mit der Kontrollelektrode des vierten Schalters verbunden.
Ein zweiter Erfindungsaspekt führt eine Antriebsbatterie mit einer Batterieheizung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ein. Wird die Batterieheizung in die Antriebsbatterie integriert, kann insbesondere die Dauer des Schaltzyklusses an den in den Batteriezellen verwendeten Elektrolyten angepasst fest vorgegeben werden. Ein dritter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen Antriebsbatterie gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt.
Zeichnungen
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von vier Teilabbildungen; und
Fig. 3 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Antriebsbatterie
10 mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriezellen ist mit einer Batterieheizung 12 verbunden, welche ihrerseits wiederum mit dem elektrischen Antriebsmotor 1 1 verbunden ist. Die Batterieheizung kann vorteilhaft in die Antriebsbatterie 10 oder in einen (nicht abgebildeten) Wechselrichter integriert werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der elektrische Antriebsmotor
1 1 selbst eine Induktivität darstellt, welche für eine induktive Batterieheizung verwendet werden kann.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von vier Teilabbildungen. Die Batterieheizung des zweiten Ausführungsbeispiels besitzt vier Schalter 14-1 bis 14-4, welche zwischen die Antriebsbatterie 10 und die Induktivität 13 des elektrischen Antriebsmotors 1 1 geschaltet sind. Die vier Schalter 14-1 bis 14-4 sind so angeordnet, dass sich die Induktivität 13 in zwei unterschiedlichen Orientierungen mit der Antriebsbatterie 10 verbinden lässt. In der ersten Teilabbildung sind die Schalter 14-1 und 14-2 geschlossen und die Schalter 14-3 und 14-4 geöffnet, so dass ein langsam steigender Strom aus der Antriebsbatte- rie 10 in die Induktivität 13 fließt, der ein Magnetfeld in der Induktivität 13 aufbaut.
Anschließend werden die Schalter 14-1 und 14-2 geöffnet und die Schalter 14-3 und 14-4 geschlossen (Fig. 2B). Da die Induktivität 13 einer Veränderung des durch sie fließenden Stromes entgegenwirkt, erhält sie den zuletzt fließenden Strom aufrecht, indem sie einen entsprechenden Resonanzstrom aus ihrem Magnetfeld speist. Da die Induktivität 13 nun aufgrund der veränderten Schalterzustände in der zweiten Orientierung antiparallel zur ersten Orientierung mit der Antriebsbatterie 10 verbunden ist, fließt der Resonanzstrom in die Antriebsbatterie 10 zurück, so dass dieser die zuvor entnommene elektrische Energie abgesehen von Leitungsverlusten wieder zugeführt wird. Nachdem das Magnetfeld der Induktivität 13 abgebaut ist, fließt wiederum ein Strom aus der Antriebsbatterie 10 durch die in der zweiten Orientierung mit der Antriebsbatterie 10 verbundene Induktivität 13 (Fig. 2C), welcher ein Magnetfeld umgekehrten Vorzeichens aufbaut. Nach einer gewissen Zeit wird die Induktivität 13 wiederum in der ersten Orientierung mit der Antriebsbatterie 10 verbunden, so dass die in dem Magnet- feld umgekehrten Vorzeichens gespeicherte Energie als Resonanzstrom in die
Antriebsbatterie 10 zurückgespeist wird (Fig. 2D). Auf diese Weise ist es möglich, die Antriebsbatterie 10 abwechselnd zu entladen und wieder aufzuladen, ohne dass außerhalb der Antriebsbatterie 10 nennenswert elektrische Energie verloren ginge. Die Batterieheizung der Erfindung verzichtet auf eine zusätzliche Induktivi- tät, indem sie die Induktivität 13 des Antriebsmotors 1 1 für die Batterieheizung 12 verwendet.
In den Teilabbildungen Fig. 2A bis 2D sind Strompfeile eingetragen, deren Richtung das Vorzeichen des in dem jeweiligen Leiterabschnitt fließenden Stromes anzeigen. Das Vorzeichen ist zusätzlich explizit als Teil der Bezeichnung des
Stromes angegeben.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf der Abszisse sind vier Modi als M1 , M2, M3 und M4 angezeigt. In jeweils einem Teildiagramm S1 bis S4 sind die Schaltzustände der ersten bis vierten Schalter 14-1 bis 14-4 der Fig. 2 dargestellt, wobei eine positiver Wert einen geschlossenen Schalter und ein Wert gleich Null einen offenen Schalter bedeuten soll. In jeweils einem Teildiagramm sind Stromverläufe für den Batteriestrom IBATT und den Strom durch die Induktivität, lL, dargestellt.
In Schaltzustand M1 sind der erste Schalter 14-1 und der zweite Schalter 14-2 geschlossen und der dritte Schalter 14-3 und der vierte Schalter 14-4 geöffnet. Es beginnt ein positiver Strom aus der Antriebsbatterie 10 durch die Induktivität 13 zu fließen. Im darauf folgenden zweiten Schaltzustand M2 werden nun der dritte und vierte Schalter 14-3, 14-4 geschlossen und die ersten und zweiten Schalter 14-1 , 14-2 geöffnet, so dass die Induktivität 13 antiparallel mit der Antriebsbatterie 10 verbunden wird. Die Induktivität 13 wirkt als Trägheitselement einer Veränderung des durch sie fließenden Stromes entgegen, so dass dieser nur langsam abnimmt, wobei die Induktivität 13 den Resonanzstrom aus ihrem Magnetfeld speist. Aufgrund der antiparallelen Verbindung der Induktivität 13 mit der Antriebsbatterie 10 kehrt sich aus Sicht der Antriebsbatterie 10 das Vorzeichen des fließenden Stromes um, so dass der Resonanzstrom nun in die Antriebsbatterie 10 fließt und dieser die zuvor entnommene elektrische Energie wieder zuführt. Nachdem das Magnetfeld abgebaut ist, beginnt nun wieder ein Strom aus der Antriebsbatterie 10 in die Induktivität 13 zu fließen, wobei die Stromstärke stetig zunimmt und ein Magnetfeld umgekehrten Vorzeichens zum Schaltzustand M1 aufgebaut wird (Schaltzustand M3). Hierbei bleiben die Schaltzustände der ersten bis vierten Schalter 14-1 bis 14-4 gegenüber dem zweiten Schaltzustand M2 unverändert. Nach einer Weile wird die Induktivität 13 wiederum in der ersten Orientierung mit der Antriebsbatterie verbunden, indem der erste und der zweite Schalter 14-1 und 14-2 wieder geschlossen und der dritte und der vierte Schalter 14-3 und 14-4 wieder geöffnet werden (Schaltzustand M4). Der von der Induktivität 13 aus dem Magnetfeld gespeiste Resonanzstrom fließt nun aus Sicht der Antriebsbatterie wiederum mit umgekehrten Vorzeichen und somit in die Antriebsbatterie 10 hinein, so dass dieser die in Schaltzustand M3 entnommene elektrische Energie wieder zugeführt wird. Nach dem vierten Schaltzustand M4 setzt sich das Verfahren mit dem Schaltzustand M1 periodisch fort.

Claims

Ansprüche
1 . Eine Batterieheizung (12) zum Aufheizen einer Antriebsbatterie (10) eines Kraftfahrzeuges mit einem elektrischen Antriebsmotor (1 1 ) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges, mit einem ersten Anschluss für die Antriebsbatterie (10) und einem zweiten Anschluss für den elektrischen Antriebsmotor (1 1 ), wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss jeweils einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieheizung (12) ausgebildet ist, in einer ersten Zeitperiode (M1 ) eines Schalt- zyklusses den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Strom eines ersten Vorzeichens fließen zu lassen, und in einer auf die erste Zeitperiode (M1 ) folgenden zweiten Zeitperiode (M2) des Schaltzyklusses den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten An- Schlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Resonanzstrom eines dem ersten Vorzeichen entgegengesetzten zweiten Vorzeichens fließen zu lassen.
2. Die Batterieheizung (12) von Anspruch 1 , außerdem ausgebildet, in einer auf die zweite Zeitperiode (M2) folgenden dritten Zeitperiode des Schaltzyklusses den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch verbunden und so einen Strom des ersten Vorzeichens fließen zu lassen, und in einer auf die dritte
Zeitperiode (M3) folgenden vierten Zeitperiode (M4) des Schaltzyklusses den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden und so einen Resonanz- ström des zweiten Vorzeichens fließen zu lassen. Die Batterieheizung (12) von Anspruch 1 oder 2, dazu ausgebildet, periodisch abwechselnd den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses bzw. den zweiten Pol des ersten Anschlusses mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses und den ersten Pol des ersten Anschlusses mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch zu verbinden.
Die Batterieheizung (12) von einem der vorhergehenden Ansprüche, für eine Antriebsbatterie (10) mit einem Elektrolyten, bei der ein Kehrwert einer Debye-Falkenhagen-Grenzfrequenz des Elektrolyten länger ist als der Schaltzyklus.
Die Batterieheizung (12) von einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem ersten Schalter (14-1 ), der eine mit dem ersten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, einem zweiten Schalter (14-2), der eine mit dem zweiten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, einem dritten Schalter (14- 3), der eine mit dem ersten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, und einem vierten Schalter (14-4), der eine mit dem zweiten Pol des ersten Anschlusses verbundene erste Elektrode und eine mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses verbundene zweite Elektrode aufweist, wobei die ersten bis vierten Schalter (14-1 , 14-2, 14-3, 14-4) außerdem jeweils eine mit einem Kontroller verbundene Kontrollelektrode aufweisen.
Die Batterieheizung (12) von Anspruch 5, bei der die Kontrollelektrode des ersten Schalters (14-1 ) mit der Kontrollelektrode des zweiten Schalters (14-2) und bei der die Kontrollelektrode des dritten Schalters (14-3) mit der Kontrollelektrode des vierten Schalters (14-4) verbunden sind.
Eine Antriebsbatterie (10) mit einer Batterieheizung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (1 1 ) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (1 1 ) verbundenen Antriebsbatterie (10) nach Anspruch 7.
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