WO2021190836A1 - Fahrzeugbatterie sowie verfahren zum versorgen eines elektrischen antriebs mit einer teilbatterie - Google Patents

Fahrzeugbatterie sowie verfahren zum versorgen eines elektrischen antriebs mit einer teilbatterie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a vehicle battery for supplying an electric drive of a motor vehicle with electrical energy with a plurality of battery cells for common storage of the electrical energy and a temperature control unit designed for heating battery cells from the plurality, the plurality of battery cells being distributed over a plurality of partial batteries, wherein each of the sub-batteries comprises a plurality of battery cells.
  • An electric drive includes, in particular, one or more electric motors.
  • An electrically operated motor vehicle can, for example, be a purely battery-electric motor vehicle (equipped exclusively with a vehicle battery and at least one electric motor), a hybrid vehicle (equipped with a vehicle battery, an internal combustion engine and at least one electric motor) or a fuel cell vehicle (equipped with at least one electric motor) act with a fuel cell, a vehicle battery and at least one electric motor).
  • the vehicle battery has a large number of battery cells which can be connected in series and / or in parallel with one another.
  • the battery cells usually have two electrodes and an electrolyte. The electrical energy is stored in particular by the electrolyte.
  • the performance of the electric drive depends in particular on the performance of the vehicle battery.
  • the limiting factor here is in particular the electrical power that the vehicle battery generates when accelerating can deliver (in the sense of a speed increase) of the motor vehicle to the electric drive or make it available to the electric drive and / or in the case of a deceleration (in the sense of a speed decrease) of the motor vehicle can take up as part of a recuperation.
  • a vehicle battery at low temperatures for example below 10 ° C.
  • has a lower performance than at a normal operating temperature for example 20 to 30 ° C. This can be due to the viscosity of the electrolyte increasing with decreasing temperature.
  • the decreased performance at low temperatures is known in the case of lithium ion batteries as a vehicle battery.
  • DE 10 2008 054947 A1 proposes, for example, a heat conduction device which is pressed against a battery element, in particular an individual battery cell, by being braced with pressure. In this way, an improved supply and / or dissipation of heat can be made possible.
  • DE 10 2010 041 698 A1 proposes a stiffening element on a side surface of a battery cell, the stiffening element being designed in such a way that it can be used to transport heat with a temperature gradient pointing away from the cell core.
  • a battery cell array is known from DE 10 2015 202 563 A1 which comprises a heat conducting plate which is designed to support the array and which has channels for a fluid.
  • the traction battery can be heated and / or cooled using a liquid thermal management system or an air thermal management system.
  • the object of the present invention is to enable an improved operation of a vehicle battery at low temperatures. This task will solved according to the invention by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments with expedient developments are the subject of the subclaims.
  • the invention is based on a vehicle battery for supplying an electric drive of a motor vehicle with electrical energy with a plurality of battery cells for jointly storing the electrical energy and a temperature control unit designed for heating battery cells from the plurality, the plurality of battery cells being several Sub-batteries are distributed, each of the sub-batteries comprising a plurality of battery cells.
  • the battery cells of a partial battery can all be connected in series with one another.
  • a sub-battery comprises several groups, each of which has several battery cells connected in series, the groups being connected in parallel to one another.
  • the vehicle battery is designed to provide the electrical energy for the electrical drive of the motor vehicle exclusively through at least one primary of the several sub-batteries independently of at least one secondary of the vehicle battery in a warm-up operation of the vehicle battery provide a plurality of sub-batteries and a heat-conducting element of the temperature control unit is designed to carry out the heating of battery cells of the at least one secondary sub-battery by transferring waste heat that occurs at the at least one primary sub-battery in the warm-up mode.
  • the at least one primary and the at least one secondary sub-battery are each different sub-batteries. In other words, a sub-battery is not a primary and a secondary sub-battery at the same time.
  • the vehicle battery is designed to select the at least one primary sub-battery from the set of several sub-batteries in accordance with a predetermined rule.
  • the at least one primary sub-battery is fixed. In both cases, it is provided that, when the vehicle battery is warming up, the electrical drive of the motor vehicle is supplied with electrical energy exclusively by the at least one primary sub-battery.
  • the vehicle battery can be designed to control the at least one secondary of the plurality of partial batteries in such a way that they do not provide any electrical energy for the electrical drive of the motor vehicle, while the vehicle battery is in the warm-up operation.
  • the vehicle battery has a corresponding switching device or corresponding switching elements, in particular semiconductor switches or contactors, for separating an electrical connection between the at least one secondary sub-battery and the electric drive and in particular also the at least one primary sub-battery.
  • the vehicle battery can have a corresponding control unit, for example a microprocessor, a programmable logic gate (FPGA) or a digital signal processor.
  • the control unit can be designed to carry out individual or all of the method steps or control tasks disclosed in the context of the application.
  • the electrical connection between the at least one secondary sub-battery and the electric drive of the motor vehicle and / or the at least one primary sub-battery is interrupted.
  • a decoupling of the at least one secondary sub-battery can be provided.
  • the warm-up operation can be provided, for example, for a predetermined period of time after the start of a journey in the motor vehicle or when energy is drawn from the vehicle battery.
  • the warm-up operation of the vehicle battery can be dependent on temperature values either of the vehicle battery and / or the surroundings, as will be explained in the following.
  • the vehicle battery can switch to normal operation. It can be provided that the electrical energy for supplying the electric drive of the motor vehicle in normal operation is provided exclusively by the at least one secondary of the plurality of sub-batteries and / or by both the at least one primary and the at least one secondary sub-battery.
  • the vehicle battery can be designed to provide the electrical energy for supplying the electric drive of the motor vehicle exclusively through the at least one secondary sub-battery or through the at least one primary and the at least one secondary sub-battery together.
  • electrical energy can also be provided for other consumers of the motor vehicle, for example an on-board network or fleizelemente of the motor vehicle.
  • this is advantageously carried out in the same way as the provision of electrical energy for the electric drive, which is why this is optionally included when the provision of electrical energy for the electric drive is described.
  • all primary and secondary sub-batteries are each connected in parallel to one another.
  • the multiple sub-batteries are each connected in parallel with one another.
  • the temperature control unit has a heating element, in particular an electrical one, in order to additionally heat the at least one secondary sub-battery.
  • the temperature control unit can optionally use two different heat sources, namely the waste heat from the at least one primary sub-battery and the heat generated by the, in particular electrical, heating element, to heat the secondary sub-battery.
  • an electrical heating element this can be designed to convert electrical energy, which is provided by the vehicle battery, in particular the at least one primary sub-battery, into heat for heating the at least one secondary sub-battery.
  • the heat-conducting element can be thermally coupled to an additional vehicle component, in particular an engine, power electronics or a retarder, of the motor vehicle in order to additionally generate waste heat there for heating the at least one primary sub-battery and / or the at least one secondary To use partial battery.
  • the heat conducting element can be designed to enter into a thermal coupling with the additional vehicle component in order to conduct waste heat there to at least one primary sub-battery and / or to at least one secondary sub-battery.
  • the heat-conducting element can have a coupling surface for the thermal coupling with the additional vehicle component.
  • the additional vehicle component of the motor vehicle is in particular a motor (preferably an electric motor, for example a synchronous machine or an asynchronous machine, an electric vehicle or flybrid vehicle and / or an internal combustion engine of the flybrid vehicle), power electronics (preferably a power converter, inverter and / or rectifier), or a retarder for braking the motor vehicle.
  • the present patent application also relates to a motor vehicle (in particular an electric vehicle or hybrid vehicle) which has a vehicle battery according to the invention, the heat-conducting element of the vehicle battery being thermally coupled to the additional vehicle component.
  • a motor vehicle in particular an electric vehicle or hybrid vehicle
  • the heat-conducting element of the vehicle battery being thermally coupled to the additional vehicle component.
  • the motor vehicle is explained in more detail below. In this way, the energy consumption for tempering or heating the vehicle battery can be further reduced.
  • the vehicle battery has a respective temperature measuring unit for determining a respective temperature value for the partial batteries, the vehicle battery being designed to select the at least one primary partial battery from the set of all partial batteries on the basis of the temperature values.
  • each of the sub-batteries is assigned a respective temperature measuring unit.
  • the respectively assigned temperature control unit can be designed to determine the temperature of the corresponding sub-battery.
  • the respectively assigned temperature measuring unit is arranged on each of the multiple sub-batteries.
  • the temperature measuring unit can be, for example, an infrared thermometer, an NCT or PCT conductor or any other temperature measuring unit.
  • a common evaluation unit can also be provided for the temperature measuring units of all sub-batteries.
  • Selecting the At least one primary sub-battery from the set of all sub-batteries can, for example, take place in accordance with a selection rule stored or storable in the vehicle battery, for example a mathematical formula and / or a selection table.
  • a selection rule stored or storable in the vehicle battery, for example a mathematical formula and / or a selection table.
  • the warmest or the warmest of the sub-batteries is / are selected as the at least one primary sub-battery. In this way it is ensured that that part of the battery in the sense of the primary part of the battery is used flexibly, the temperature values of which are closest to an optimal temperature range.
  • the vehicle battery for example the control unit, is designed to select that sub-battery which has the highest temperature from the set of all sub-batteries in the warm-up operation.
  • the vehicle battery can be designed to control that sub-battery or sub-batteries in the sense of the at least one primary sub-battery whose temperature value represents the highest temperature.
  • the partial battery or partial batteries with the highest temperature are only selected as the primary partial battery when the vehicle battery is being operated in the warm-up mode. Outside of the warm-up operation, such a selection may not bring any advantage or even be counterproductive in individual cases.
  • the sub-battery the temperature of which is the highest, to provide the electrical energy and to provide the waste heat that arises in this process for controlling the temperature of the at least one passive sub-battery. Operation of the partial batteries in the unfavorable temperature range can be reduced overall as a result.
  • the sub-battery which has the lowest temperature is selected from the set of all sub-batteries when the temperature of at least one of the plurality of sub-batteries exceeds a predetermined upper threshold value.
  • the vehicle battery can accordingly supply the electric drive of the motor vehicle with electrical energy exclusively from that sub-battery or carries out or maintains those sub-batteries which have / have the lowest temperature compared to the other sub-batteries. In this way, overheating of the corresponding partial batteries with increased temperature and / or the vehicle battery as a whole can be prevented.
  • the vehicle battery for example the control unit, is designed to select the warm-up mode as the operating mode when a temperature of the partial batteries and / or an ambient temperature falls below a respective predetermined lower threshold value.
  • the vehicle battery is designed to control the partial batteries in accordance with the warm-up operation when the temperature of one or more partial batteries and / or the ambient temperature falls below the respective predetermined lower threshold value.
  • the respective predetermined lower threshold value for the temperature of the partial batteries and the ambient temperature can be different.
  • the respective predetermined lower threshold value for the temperatures of the partial batteries can differ from one another, but is preferably the same for all partial batteries. In this way, the warm-up operation of the vehicle battery can be adapted particularly advantageously to the intended temperature interval of the vehicle battery or the partial batteries.
  • the predetermined lower threshold value of the partial batteries limits the intended temperature interval downwards.
  • the vehicle battery for example the control unit, is designed to at least partially use the electrical energy to operate the electrical drive of the motor vehicle after the end of the warm-up operation, in particular as soon as the at least one secondary sub-battery has reached a predetermined operating temperature to provide the at least one secondary sub-battery.
  • the vehicle battery can be designed to provide the electrical energy for operating the electrical drive of the motor vehicle at least by means of the at least one secondary sub-battery after the end of the warm-up operation.
  • the provision of the electrical energy after the end of the warm-up operation can take place exclusively with the at least one secondary sub-battery or by the at least one primary and the at least one secondary sub-battery together.
  • the end of the warm-up operation is specified in particular by the fact that the at least one secondary sub-battery or any of all the sub-batteries reaches the predetermined operating temperature.
  • the vehicle battery can be designed for this purpose be to order the end of the warm-up operation and the transition to a normal operating mode after this condition has been met. In this way it is ensured that after the end of the warm-up operation or after reaching the specified operating temperature or the specified temperature interval, an advantageous provision of electrical energy is ensured, for example by the at least one secondary partial battery or the entire vehicle battery.
  • the vehicle battery can be electrically connected to the electric drive of the motor vehicle for the exchange of electrical energy.
  • the vehicle battery is connected to an electric motor of the motor vehicle via a converter, inverter and / or rectifier.
  • This converter, inverter and / or rectifier can be understood as part of the electric drive of the motor vehicle.
  • the heat-conducting element of the temperature control unit can additionally be coupled or connected in a thermally conductive manner to an additional vehicle component.
  • the additional vehicle component can be, for example, the motor, the power electronics, in particular the inverter, rectifier and / or converter, or a retarder of the motor vehicle.
  • Another aspect of the invention relates to a method for operating a vehicle battery for supplying an electric drive of a motor vehicle motor vehicle (in particular an electric vehicle or flybridge vehicle) with electrical energy, the vehicle battery having a plurality of battery cells distributed over a plurality of partial batteries each comprising a plurality of battery cells are designed for the common storage of electrical energy and a temperature control unit for heating battery cells from the plurality.
  • the procedure is characterized by the following steps:
  • the method is carried out with a vehicle battery according to the invention or a motor vehicle according to the invention. Accordingly, features and advantages which are disclosed in relation to the vehicle battery according to the invention and / or the motor vehicle according to the invention apply individually and in combination also to the method according to the invention and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a vehicle battery with several partial batteries
  • FIG. 2 shows exemplary energy flows in a warm-up operation of the vehicle battery, likewise in a block diagram
  • FIG. 4 shows a flow diagram of an exemplary method for operating a vehicle battery.
  • the vehicle battery 1 shows a vehicle battery 1.
  • the vehicle battery 1 is designed in particular as a so-called traction battery.
  • the vehicle battery 1 is designed to supply an electric drive 15 of a motor vehicle motor vehicle (in particular an electric vehicle or flybridge vehicle) with electrical energy for driving the motor vehicle.
  • the motor vehicle is a motor vehicle, in particular a passenger car, a truck, a bus or a motorcycle.
  • the vehicle battery 1 is in particular a high-voltage battery with a voltage level of more than 100 volts, for example a nominal voltage level of 400 volts or 800 volts.
  • the vehicle battery 1 has a multiplicity of battery cells 8 which are designed to store electrical energy together.
  • the multiplicity of battery cells 8 is distributed over a plurality of sub-batteries 2, each of the sub-batteries 2 comprising a plurality of battery cells 8.
  • the battery cells 8 of a partial battery 2 can each be connected in series. In particular, in each of the partial batteries 2, the same number of battery cells 8 are connected in series with one another. By connecting the battery cells 8 in series, their voltage adds up to a total voltage of the respective sub-battery 2.
  • a sub-battery 2 can have one or more groups, with several battery cells 8 being connected in series within the groups and the groups of a sub-battery 2 being connected in parallel with one another .
  • the groups of a sub-battery have two, preferably one and a half sub-batteries 2, each having the same number of battery cells. This results in the same voltage level across all groups of all partial batteries 2.
  • the partial batteries 2 are in particular connected in parallel to one another or can be switched in parallel with one another.
  • the vehicle battery 1 comprises a switching device 10, by means of which the partial batteries 2 can be contacted with an electrical connection 12 of the vehicle battery 1.
  • the switching device 10 is designed to establish and disconnect a respective electrical connection between the partial batteries 2 and the electrical connection 12. This can be controlled, for example, by a control unit 9 of the vehicle battery 1.
  • the vehicle battery 1 is contacted or can be contacted with the electric drive 15 of the motor vehicle via the electrical connection 12.
  • the switching device 10 thus controls which of the partial batteries 2 are in contact with the electric drive 15 or are in electrical contact with the electric drive 15.
  • the switching device 10 thus makes it possible to provide electrical energy for supplying the electric drive 15 only by means of a subset of the partial batteries 2. In this way, the switching device 10 enables electrical energy to be provided exclusively by means of at least one primary sub-battery 3 of the multiple sub-batteries 2. In addition, the switching device 10 can establish the electrical connection between the remaining sub-batteries 2, which are also referred to as secondary sub-batteries 4, and the electrical connection 12 and thus indirectly also interrupt the electric drive 15. In other words, the electrical connection between all secondary partial batteries 4 and the electrical connection 12 interrupted. As a result, electrical energy is provided by the vehicle battery 1 exclusively by means of the at least one primary sub-battery 3. Each of the sub-batteries 2 is referred to as either a primary sub-battery 3 or a secondary sub-battery 4.
  • the vehicle battery 1 has a temperature control unit which comprises a heat-conducting element 5.
  • the heat-conducting element 5 is designed to transfer heat Q1 from the at least one primary sub-battery 3 to the at least one secondary sub-battery 4 when the vehicle battery is warming up.
  • the warm-up operation is shown schematically in the schematic block diagram of FIG. In the warm-up mode, electrical energy E is provided exclusively by means of the primary sub-battery 3 in the present example. In this way, the primary sub-battery 3 is heated Example of two secondary sub-batteries 4. In this way, the secondary sub-batteries 4 are heated by means of waste heat accumulating on the primary sub-battery 3.
  • a heat flow of heat Q2 from a further vehicle component of the motor vehicle to the vehicle battery 1 can also be provided.
  • the corresponding further vehicle component is the electric drive 15 include a cooling water circuit.
  • the heat conducting element 5 can be designed as a fleat pipe with gas filling, as a solid metal connection and / or as a fluid circuit.
  • all sub-batteries 2 can be thermally coupled via the heat-conducting element 5 (not shown in FIG. 1 due to the schematic illustration).
  • the temperature control unit can have an active meat element 6, in particular an electrical meat element.
  • the active fleece element 6 is arranged directly on the heat-conducting element 5.
  • the partial batteries 2 can all be arranged within the same battery housing 11. It can be provided that the electrical connections 12, which are led to the outside from the switching device 10, are the only contacts of the vehicle battery 1 to the outside (with respect to the battery housing 11). Due to the high load on the primary sub-battery 3 due to the sole provision of the electrical energy E for the electric drive 15, this primary sub-battery 3 heats up particularly strongly.
  • the primary sub-battery 3 very quickly reaches a temperature which is within a specified temperature range. This is further enhanced by the transfer of heat Q2.
  • the secondary sub-batteries 4 are warmed up or preheated by transferring the heat Q1, which occurs as waste heat at the primary sub-battery 3, and / or by transferring the heat Q2, which is accruing to the electric drive 15, while they are not yet providing any electrical energy . In this way, rapid heating of the vehicle battery 1 as a whole can be achieved. In particular, the period of time within which the partial batteries 2 provide energy outside the intended temperature interval is reduced. In this way, a life of the vehicle battery 1 can be improved.
  • FIG. 3 shows the operation of the vehicle battery 1 in an exemplary normal operation.
  • the normal operation can for example follow the warm-up operation according to FIG. 2 in time.
  • the vehicle battery can switch to normal operation after the warm-up operation has ended. This can be triggered, for example, by the expiry of a predetermined period of time or by reaching a predetermined temperature level in the vehicle battery 1.
  • the electrical energy E for supplying the electric drive 15 of the motor vehicle is provided at least by the at least one secondary sub-battery 4, in this case the two secondary sub-batteries 4. in the present case, exactly one sub-battery 3 is provided.
  • the electrical energy E is provided in normal operation either by the at least one secondary sub-battery 4 alone or by the at least one primary sub-battery 3 and the at least one secondary sub-battery 4 together.
  • FIG. 4 shows a flow chart of an exemplary embodiment of the method.
  • a step S1 which is carried out, for example, at the beginning of a journey of the motor vehicle, it is determined whether a temperature of the vehicle battery 1 is below a predetermined lower threshold value. Alternatively or additionally, it can be checked whether an ambient temperature is below a predetermined lower threshold value.
  • the vehicle battery 1 can have one or more temperature measuring units 7. According to FIG. 1, each of the partial batteries 2 has a respective temperature measuring unit 7.
  • the temperature measuring unit 7 can be designed, for example, as an infrared thermometer and / or as a resistance thermometer and / or as any other thermometer. If the temperature of the vehicle battery 1 and / or the ambient temperature is not below the predetermined lower threshold value, then following the step
  • the provision of electrical energy for supplying the electric drive 15 of the motor vehicle can be carried out directly in the normal operating mode of the vehicle battery 1 in a step S5.
  • respective temperature values for the partial batteries 2 are determined or measured.
  • the lowest temperature among the sub-batteries 2 can apply as the temperature of the vehicle battery 1.
  • the warm-up mode can be selected as soon as the temperature of one of the plurality of sub-batteries 2 is below the predetermined lower threshold value.
  • that of the partial batteries 2 which has the highest temperature is selected as the primary partial battery 3.
  • the respective temperature value can be determined or evaluated for each of the partial batteries 2 by means of the respective temperature measuring unit 7.
  • the respective temperature values of the partial batteries 2 can be compared with one another. That sub-battery 2 with the highest temperature value or the highest temperature can be selected as the primary sub-battery 3.
  • the remaining partial batteries 2 can be selected as secondary partial batteries 4.
  • step S3 electrical energy for supplying the electrical drive 15 is provided exclusively by means of the primary sub-battery 3, corresponding to the warm-up operation.
  • Waste heat from the primary sub-battery 3 is transferred to the remaining sub-batteries, that is to say the secondary sub-batteries 4, and these are thereby warmed up.
  • the development of the temperature of the vehicle battery is repeatedly checked in a step S4.
  • the warm-up operation can be maintained, for example, until the respective temperature of all sub-batteries 2 is greater than the predetermined lower threshold value. After the temperature of all sub-batteries is greater than the predetermined lower threshold value, normal operation can be switched to in step S5.
  • the exemplary method according to FIG. 4 provides for a dynamic selection of the sub-battery designed as a primary sub-battery 3 in each case. In other embodiments, however, it can also be provided that the same sub-battery 2 always forms the primary sub-battery 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie (1) zum Versorgen eines elektrischen Antriebs (15) eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie (E) mit einer Vielzahl an Batteriezellen (8) zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie (E) und einer Temperaturregeleinheit (5, 6) ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen (8) aus der Vielzahl, wobei die Vielzahl an Batteriezellen (8) auf mehrere Teilbatterien (2) verteilt ist, wobei jede der Teilbatterien (2) mehrere Batteriezellen (8) umfasst. Um einen verbesserten Betrieb der Fahrzeugbatterie (1) bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass diese ausgebildet ist, in einem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie (1) die elektrische Energie (E) für den elektrischen Antrieb (15) des Kraftfahrzeugs ausschließlich durch zumindest eine primäre (3) der mehreren Teilbatterien (2) unabhängig von zumindest einer sekundären (4) der mehreren Teilbatterien (2) bereitzustellen, und ein Wärmeleitelement (5) der Temperaturregeleinheit dazu ausgebildet ist, in dem Aufwärmbetrieb das Erwärmen von Batteriezellen (8) der zumindest einen sekundären Teilbatterie (4) durch Übertragen von Abwärme, welche an der zumindest einen primären Teilbatterie (3) anfällt, durchzuführen.

Description

FAHRZEUGBATTERIE SOWIE VERFAHREN ZUM VERSORGEN EINES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS MIT EINER TEILBATTERIE
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie mit einer Vielzahl an Batteriezellen zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie und einer Temperaturregeleinheit ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen aus der Vielzahl, wobei die Vielzahl an Batteriezellen auf mehrere Teilbatterien verteilt ist, wobei jede der Teilbatterien mehrere Batteriezellen umfasst.
Der vorliegenden Anmeldung liegt die Versorgung eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs zugrunde. Ein elektrischer Antrieb umfasst insbesondere einen oder mehrere Elektromotoren. Bei einem elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein rein batterieelektrisches Kraftfahrzeug (ausgestattet ausschließlich mit einer Fahrzeugbatterie und zumindest einem Elektromotor), ein Hybrid-Fahrzeug (ausgestattet mit einer Fahrzeugbatterie, einem Verbrennungsmotor und zumindest einem Elektromotor) oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (ausgestattet mit einer Brennstoffzelle, einer Fahrzeugbatterie und zumindest einem Elektromotor) handeln. Die Fahrzeugbatterie weist eine Vielzahl an Batteriezellen auf, welche untereinander jeweils in Reihe und/oder parallel geschaltet sein können. Die Batteriezellen weisen üblicherweise zwei Elektroden sowie einen Elektrolyten auf. Das Speichern der elektrischen Energie erfolgt insbesondere durch den Elektrolyten.
Die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebs, insbesondere im Hinblick auf Leistungsbereitstellung und/oder Rekuperation, hängt insbesondere von der Leistungsfähigkeit der Fahrzeugbatterie ab. Der begrenzende Faktor ist hierbei insbesondere die elektrische Leistung, welche die Fahrzeugbatterie beim Beschleunigen (im Sinne einer Geschwindigkeitszunahme) des Kraftfahrzeugs an den elektrischen Antrieb abgeben beziehungsweise dem elektrischen Antrieb bereitstellen kann und/oder bei einer Verzögerung (im Sinne einer Geschwindigkeitsabnahme) des Kraftfahrzeugs im Rahmen einer Rekuperation aufnehmen kann. Es ist insbesondere bekannt, dass eine Fahrzeugbatterie bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise unter 10°C, eine geringere Leistungsfähigkeit als bei einer üblichen Betriebstemperatur, beispielsweise 20 bis 30°C, aufweist. Dies kann in einer mit sinkender Temperatur steigenden Viskosität des Elektrolyten begründet sein. Insbesondere ist die verringerte Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen im Falle von Lithiumionenakkus als Fahrzeugbatterie bekannt.
Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen schlägt die DE 10 2008 054947 A1 beispielsweise eine Wärmeleiteinrichtung vor, welche durch ein Verspannen mit Druck an ein Batterieelement, insbesondere eine einzelne Batteriezelle, gedrückt wird. Auf diese Weise kann eine verbesserte Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr ermöglicht werden.
Um eine verbesserte Temperierung einer Batteriezelle zu ermöglichen, schlägt die DE 10 2010 041 698 A1 ein Versteifungselement an einer Seitenfläche einer Batteriezelle vor, wobei das Versteifungselement derart ausgebildet ist, dass mit ihm ein Wärmetransport mit einem vom Zellkern wegweisenden Temperaturgradienten realisierbar ist.
Aus der DE 10 2015202 563 A1 ist ein Batteriezellen-Array bekannt, welches eine Wärmeleitplatte umfasst, die dazu ausgelegt ist, das Array zu stützen und die Kanäle für ein Fluid aufweist. Die Traktionsbatterie kann unter Verwendung eines Flüssig- Thermomanagementsystems oder eines Luft-Thermomanagementsystems beheizt und/oder gekühlt werden.
Nachteilig bei den bekannten Formen des Erwärmens der Fahrzeugbatterie ist, dass hierfür einerseits Fleizelemente mit entsprechender Leistung von Nöten sind und andererseits elektrische Energie für das Fleizen benötigt wird. Aufgrund der begrenzten Reichweite elektrisch betreibbarer Kraftfahrzeuge beziehungsweise aufgrund des begrenzten Energieinhalts von Fahrzeugbatterien stellt dies einen erheblichen Nachteil dar und erfordert insbesondere ein häufigeres Laden der Fahrzeugbatterie.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Betrieb einer Fahrzeugbatterie bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht wie oben beschrieben aus von einer Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie mit einer Vielzahl an Batteriezellen zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie und einer Temperaturregeleinheit ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen aus der Vielzahl, wobei die Vielzahl an Batteriezellen auf mehrere Teilbatterien verteilt sind, wobei jede der Teilbatterien mehrere Batteriezellen umfasst. Die Batteriezellen einer Teilbatterie können untereinander alle in Reihe geschaltet sein. Alternativ ist es möglich, dass eine Teilbatterie mehrere Gruppen umfasst, welche jeweils mehrere Batteriezellen, die in Reihe geschaltet sind, aufweisen wobei die Gruppen untereinander jeweils parallel geschaltet sind.
Um einen verbesserten Betrieb der Fahrzeugbatterie bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie ausgebildet ist, in einem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie die elektrische Energie für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs ausschließlich durch zumindest eine primäre der mehreren Teilbatterien unabhängig von zumindest einer sekundären der mehreren Teilbatterien bereitzustellen und ein Wärmeleitelement der Temperaturregeleinheit dazu ausgebildet ist, in dem Aufwärmbetrieb das Erwärmen von Batteriezellen der zumindest einen sekundären Teilbatterie durch Übertragen von Abwärme, welche an der zumindest einen primären Teilbatterie anfällt, durchzuführen. Bei der zumindest einen primären und der zumindest einen sekundären Teilbatterie handelt es sich dabei um jeweils unterschiedliche Teilbatterien. Mit anderen Worten ist eine Teilbatterie nicht gleichzeitig primäre und sekundäre Teilbatterie.
Es kann vorgesehen sein, dass die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet ist, die zumindest eine primäre Teilbatterie aus der Menge der mehreren Teilbatterien entsprechend einer vorbestimmten Vorschrift auszuwählen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine primäre Teilbatterie festgelegt ist. In beiden Fällen ist vorgesehen, dass in dem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie der elektrische Antrieb des Kraftfahrzeugs ausschließlich durch die zumindest eine primäre Teilbatterie mit der elektrischen Energie versorgt wird. Insbesondere kann die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet sein, die zumindest eine sekundäre der mehreren Teilbatterien derart anzusteuern, dass diese keine elektrische Energie für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitstellen, während sich die Fahrzeugbatterie in dem Aufwärmbetrieb befindet. Beispielsweise weist die Fahrzeugbatterie hierzu eine entsprechende Schalteinrichtung beziehungsweise entsprechende Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter oder Schütze, zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der zumindest einen sekundären Teilbatterie und dem elektrischen Antrieb und insbesondere auch der zumindest einen primären Teilbatterie auf. Zum Ansteuern der Schalteinrichtung beziehungsweise der Schaltelemente und/oder für das Auswählen der zumindest einen primären Teilbatterie kann die Fahrzeugbatterie eine entsprechende Steuereinheit, beispielsweise ein Mikroprozessor, ein programmierbares Logikgatter (FPGA) oder einen digitalen Signalprozessor, aufweisen. Weiterhin kann die Steuereinheit zum Durchführen einzelner oder aller im Rahmen der Anmeldung offenbarter Verfahrensschritte oder Steuerungsaufgaben ausgebildet sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass die elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen sekundären Teilbatterie und dem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs und/oder der zumindest einen primären Teilbatterie unterbrochen ist. Mit anderen Worten kann ein Abkoppeln der zumindest einen sekundären Teilbatterie vorgesehen sein.
Der Aufwärmbetrieb kann beispielsweise für eine vorbestimmte Zeitspanne nach Beginn einer Fahrt mit dem Kraftfahrzeug beziehungsweise mit Beginn einer Energieentnahme aus der Fahrzeugbatterie vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie abhängig von Temperaturwerten entweder der Fahrzeugbatterie und/oder der Umgebung sein, wie dies im Folgenden noch erläutert wird. Nach der vorbestimmten Zeitspanne oder nach Erreichen eines vorbestimmten Temperaturwertes kann die Fahrzeugbatterie in einen Normalbetrieb übergehen. Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs in dem Normalbetrieb ausschließlich durch die zumindest eine sekundäre der mehreren Teilbatterien und/oder durch sowohl die zumindest eine primäre als auch die zumindest eine sekundäre Teilbatterie bereitgestellt wird. Mit anderen Worten kann die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet sein, in dem Normalbetrieb die elektrische Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs ausschließlich durch die zumindest eine sekundäre Teilbatterie bereitzustellen oder durch die zumindest eine primäre und die zumindest eine sekundäre Teilbatterie gemeinsam bereitzustellen. Zusätzlich zum Bereitstellen der elektrischen Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs kann auch ein Bereitstellen von elektrischer Energie für andere Verbraucher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Bordnetz oder Fleizelemente des Kraftfahrzeugs, erfolgen. Dies erfolgt jedoch vorteilhafterweise auf dieselbe Art und Weise wie das Bereitstellen der elektrischen Energie für den elektrischen Antrieb, weshalb dies jeweils optional umfasst ist, wenn das Bereitstellen elektrischer Energie für den elektrischen Antrieb beschrieben ist.
Durch die Energieentnahme ausschließlich aus der zumindest einen primären Teilbatterie erwärmt sich diese besonders stark. Dadurch wird einerseits ein schnelleres Erwärmen der zumindest einen primären Teilbatterie ermöglicht und andererseits ein Vortemperieren der zumindest einen sekundären Teilbatterie ermöglicht. Hierdurch kann insgesamt ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur der Fahrzeugbatterie ermöglicht werden. Andererseits kann hierdurch ein Energieaufwand zum Erwärmen der Fahrzeugbatterie auf die Betriebstemperatur reduziert werden, da der Heizbedarf mittels aktiver Heizelemente entfällt oder zumindest verringert wird. Somit ist ein effizienterer Betrieb der Fahrzeugbatterie bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass alle primären und sekundären Teilbatterien jeweils parallel zueinander geschaltet sind. Mit anderen Worten sind die mehreren Teilbatterien jeweils untereinander parallel geschaltet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle Teilbatterien dasselbe nominelle Spannungsniveau aufweisen und eine Beschränkung auf die zumindest eine primäre Teilbatterie für das Bereitstellen der elektrischen Energie für den elektrischen Antrieb besonders einfach ermöglicht ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Temperaturregeleinheit ein, insbesondere elektrisches, Heizelement aufweist, um die zumindest eine sekundäre Teilbatterie zusätzlich zu erwärmen. Mit anderen Worten kann die Temperaturregeleinheit optional zwei unterschiedliche Wärmequellen, nämlich die Abwärme der zumindest einen primären Teilbatterie und durch das, insbesondere elektrische, Heizelement erzeugte Wärme, zum Erwärmen der sekundären Teilbatterie nutzen. Im Fall eines elektrischen Heizelements kann dieses dazu ausgebildet sein, elektrische Energie, welche durch die Fahrzeugbatterie, insbesondere die zumindest eine primäre Teilbatterie, bereitgestellt wird, in Wärme zum Erwärmen der zumindest einen sekundären Teilbatterie umzuwandeln. Hierdurch kann eine ausreichende Erwärmung der sekundären Teilbatterie auch dann gewährleistet werden, wenn die Abwärme der zumindest einen primären Teilbatterie hierzu nicht ausreicht. Durch die Verknüpfung von Nutzung der Abwärme und elektrischer Heizung kann zudem die hierfür bereitgestellte elektrische Energie als auch bei der Bereitstellung der elektrischen Energie angefallene Abwärme zum Erwärmen der zumindest einen sekundären Teilbatterie genutzt werden. Hierdurch kann ein Energieverbrauch an elektrischer Energie für das Temperieren beziehungsweise Erwärmen der Fahrzeugbatterie reduziert werden. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement mit einer zusätzlichen Fahrzeugkomponente, insbesondere einem Motor, einer Leistungselektronik oder einem Retarder, des Kraftfahrzeugs thermisch koppelbar ist, um dort anfallende Abwärme zusätzlich für das Erwärmen der zumindest einen primären Teilbatterie und/oder der zumindest einen sekundären Teilbatterie zu nutzen. Mit anderen Worten kann das Wärmeleitelement dazu ausgebildet sein, eine thermische Kopplung mit der zusätzlichen Fahrzeugkomponente einzugehen, um dort anfallende Abwärme zur zumindest einen primären Teilbatterie und/oder zur zumindest einen sekundären Teilbatterie zu leiten. Im Allgemeinen kann das Wärmeleitelement eine Koppelfläche für die thermische Kopplung mit der zusätzlichen Fahrzeugkomponente aufweisen. Bei der zusätzlichen Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs handelt es sich insbesondere um einen Motor (vorzugsweise einen Elektromotor, beispielsweise eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, eines Elektrofahrzeugs oder Flybrid-Fahrzeugs und/oder einen Verbrennungsmotor des Flybrid-Fahrzeugs), eine Leistungselektronik (vorzugsweise einen Stromrichter, Wechselrichter und/oder Gleichrichter), oder einen Retarder zum Abbremsen des Kraftfahrzeugs. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist ein Kraftfahrzeug (insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybrid- Fahrzeug), welches eine erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie aufweist, wobei das Wärmeleitelement der Fahrzeugbatterie mit der zusätzlichen Fahrzeugkomponente thermisch gekoppelt ist. Das Kraftfahrzeug wird im Folgenden noch genauer erläutert. Auf diese Wiese kann der Energieverbraucht für das Temperieren beziehungsweise Erwärmen der Fahrzeugbatterie weiter verringert werden.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Fahrzeugbatterie eine jeweilige Temperaturmesseinheit zum Bestimmen eines jeweiligen Temperaturwerts für die Teilbatterien, wobei die Fahrzeugbatterie ausgebildet ist, die zumindest eine primäre Teilbatterie aus der Menge aller Teilbatterien anhand der Temperaturwerte auszuwählen. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder der Teilbatterien eine jeweilige Temperaturmesseinheit zugeordnet ist. Die jeweils zugeordnete Temperaturregeleinheit kann zum Bestimmen der Temperatur der entsprechenden Teilbatterie ausgebildet sein. Insbesondere ist an jeder der mehreren Teilbatterien die jeweils zugeordnete Temperaturmesseinheit angeordnet. Bei der Temperaturmesseinheit kann es sich beispielsweise um ein Infrarotthermometer, einen NCT- oder PCT-Leiter oder eine beliebige andere Temperaturmesseinheit handeln. Es kann, insbesondere im Fall von NCT- oder PCT-Leitern, auch eine gemeinsame Auswerteeinheit für die Temperaturmesseinheiten aller Teilbatterien vorgesehen sein. Das Auswählen der zumindest einen primären Teilbatterie aus der Menge aller Teilbatterien kann beispielsweise entsprechend einer in der Fahrzeugbatterie hinterlegten oder hinterlegbaren Auswahlvorschrift, beispielsweise einer mathematischen Formel und/oder einer Auswahltabelle, erfolgen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die wärmste oder die wärmsten der Teilbatterien als die zumindest eine primäre Teilbatterie ausgewählt wird/werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass flexibel diejenige Teilbatterie im Sinne der primären Teilbatterie verwendet wird, deren Temperaturwerte am nächsten zu einem optimalen Temperaturbereich liegen.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie, beispielsweise die Steuereinheit, ausgebildet ist, in dem Aufwärmbetrieb diejenige Teilbatterie, welche die höchste Temperatur aufweist, aus der Menge aller Teilbatterien auszuwählen. Mit anderen Worten kann die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet sein, diejenige Teilbatterie beziehungsweise Teilbatterien im Sinne der zumindest einen primären Teilbatterie anzusteuern, deren Temperaturwert die höchste Temperatur repräsentiert. Dabei kann vorgesehen sein, die Teilbatterie beziehungsweise Teilbatterien mit der höchsten Temperatur nur dann als primäre Teilbatterie auszuwählen, wenn die Fahrzeugbatterie in dem Aufwärmbetrieb betrieben wird. Außerhalb des Aufwärmbetriebs kann eine solche Auswahl im Einzelfall keinen Vorteil bringen oder gar kontraproduktiv sein. Zumindest im Aufwärmbetrieb ist es jedoch vorteilhaft, die Teilbatterie, deren Temperatur am höchsten ist, zum Bereitstellen der elektrischen Energie sowie zum Bereitstellen hierbei anfallender Abwärme zum Temperieren der zumindest einen passiven Teilbatterie zu nutzen. Ein Betrieb der Teilbatterien im ungünstigen Temperaturbereich kann hierdurch insgesamt verringert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, diejenige Teilbatterie, welche die niedrigste Temperatur aufweist, aus der Menge aller Teilbatterien auszuwählen, wenn die Temperatur zumindest einer der mehreren Teilbatterien einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet. Diese Weiterbildung beruht auf der Erkenntnis, dass die flexible Nutzung der Teilbatterien auch im hohen Temperaturbereich beziehungsweise Übertemperarturbereich, welcher oberhalb eines bestimmungsgemäßen Temperaturintervalls liegt, zum Optimieren der jeweiligen Temperatur der Teilbatterien nutzbar ist. Das genannte Temperaturintervall kann nach oben hin durch den vorbestimmten oberen Schwellwert festgelegt sein. Sobald der vorbestimmte Schwellwert durch die Temperatur zumindest einer der mehreren Teilbatterien überschritten ist, kann die Fahrzeugbatterie das Versorgen des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie dementsprechend ausschließlich aus derjenigen Teilbatterie oder denjenigen Teilbatterien, welche die niedrigste Temperatur verglichen mit den übrigen Teilbatterien aufweist/aufweisen durchführt oder aufrechterhält. Auf diese Weise kann einer Überhitzung der entsprechenden Teilbatterien mit erhöhter Temperatur und/oder der Fahrzeugbatterie als Ganzes vorgebeugt werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie, beispielsweise die Steuereinheit, dazu ausgebildet ist, den Aufwärmbetrieb als Betriebsmodus auszuwählen, wenn eine Temperatur der Teilbatterien und/oder eine Umgebungstemperatur einen jeweiligen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreiten. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet ist, die Teilbatterien entsprechend dem Aufwärmbetrieb anzusteuern, wenn die Temperatur einer oder mehrerer Teilbatterien und/oder die Umgebungstemperatur den jeweiligen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet. Dabei kann der jeweilige vorbestimmte untere Schwellwert für die Temperatur der Teilbatterien und die Umgebungstemperatur unterschiedlich sein. Der jeweilige vorbestimmte untere Schwellwert für die Temperaturen der Teilbatterien kann untereinander unterschiedlich sein, ist jedoch vorzugsweise für alle Teilbatterien gleich. Auf diese Weise kann der Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie besonders vorteilhaft an das bestimmungsgemäße Temperaturintervall der Fahrzeugbatterie beziehungsweise der Teilbatterien angepasst werden. Insbesondere begrenzt der vorbestimmte untere Schwellwert der Teilbatterien das bestimmungsgemäße Temperaturintervall nach unten hin.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Fahrzeugbatterie, beispielsweise die Steuereinheit, dazu ausgebildet ist, nach einem Ende des Aufwärmbetriebs, insbesondere sobald die zumindest eine sekundäre Teilbatterie eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, die elektrische Energie zum Betreiben des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise mittels der zumindest einen sekundären Teilbatterie bereitzustellen. Insbesondere kann die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet sein, nach dem Enden des Aufwärmbetriebs die elektrische Energie zum Betreiben des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs zumindest mittels der zumindest einen sekundären Teilbatterie bereitzustellen. Beispielsweise kann das Bereitstellen der elektrischen Energie nach dem Ende des Aufwärmbetriebs ausschließlich mit des der zumindest einen sekundären Teilbatterie oder durch die zumindest eine primäre und die zumindest eine sekundäre Teilbatterie gemeinsam erfolgen. Das Ende des Aufwärmbetriebs wird insbesondere dadurch vorgegeben, dass die zumindest eine sekundäre Teilbatterie oder eine beliebige aller Teilbatterien die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht. Insbesondere kann die Fahrzeugbatterie dazu ausgebildet sein, nach Erfüllung dieser Bedingung das Ende des Aufwärmbetriebs und den Übergang in einen Normalbetriebsmodus anzuordnen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nach Ende des Aufwärmbetriebs beziehungsweise nach Erreichen der bestimmungsgemäß Betriebstemperatur beziehungsweise des bestimmungsgemäßen Temperaturintervalls eine vorteilhafte Bereitstellung elektrischer Energie beispielsweise durch die zumindest eine sekundäre Teilbatterie oder die gesamte Fahrzeugbatterie sichergestellt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie. Die Fahrzeugbatterie kann mit dem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs zum Austausch von elektrischer Energie elektrisch verbunden sein. Insbesondere ist die Fahrzeugbatterie mit einem Elektromotor des Kraftfahrzeugs über einen Stromrichter, Wechselrichter und/oder Gleichrichter verbunden. Dieser Stromrichter, Wechselrichter und/oder Gleichrichter kann als Teil des elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs aufgefasst werden. Wie oben bereits beschrieben, kann das Wärmeleitelement der Temperaturregeleinheit zusätzlich mit einer zusätzlichen Fahrzeugkomponente thermisch leitend gekoppelt beziehungsweise verbunden sein. Bei der zusätzlichen Fahrzeugkomponente kann es sich beispielsweise um den Motor, die Leistungselektronik, insbesondere den Wechselrichter, Gleichrichter und/oder Stromrichter, oder einen Retarder des Kraftfahrzeugs handeln. Die weitere Merkmale der Fahrzeugbatterie sowie deren Vorteile gelten jeweils alleinstehend und in beliebiger Kombination auf analoge Weise auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Aus Gründen der Knappheit werden diese Merkmale und Vorteile daher hier nicht wiederholt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs Kraftfahrzeug (insbesondere Elektrofahrzeug oder Flybrid-Fahrzeug) mit elektrischer Energie, wobei die Fahrzeugbatterie eine Vielzahl an Batteriezellen, welche auf mehrere, jeweils mehrere Batteriezellen umfassende Teilbatterien verteilt sind, zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie und eine Temperaturregeleinheit ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen aus der Vielzahl aufweist. Das Verfahren kennzeichnet sich durch die folgenden Schritte:
- Bereitstellen der elektrischen Energie für den elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs in einem Aufwärmbetrieb ausschließlich durch eine primäre der mehreren Teilbatterien, und
- Übertragen von Abwärme, welche an der zumindest einen primären Teilbatterie anfällt, auf zumindest eine sekundären der mehreren Teilbatterien. Insbesondere wird das Verfahren mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie oder einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug durchgeführt. Dementsprechend gelten Merkmale und Vorteile, welche in Bezug auf die erfindungsgemäße Fahrzeugbatterie und/oder das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug offenbart sind jeweils alleinstehend und in Kombination auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Fahrzeugbatterie mit mehreren Teilbatterien;
Fig. 2 beispielhafte Energieflüsse in einem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie ebenfalls in einem Blockschaltbild;
Fig. 3 beispielhafte Energieflüsse in einem Normalbetrieb der Fahrzeugbatterie; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben einer Fahrzeugbatterie.
Fig. 1 zeigt eine Fahrzeugbatterie 1. Die Fahrzeugbatterie 1 ist dabei insbesondere als sogenannte Traktionsbatterie ausgeführt. Insbesondere ist die Fahrzeugbatterie 1 dazu ausgebildet, einen elektrischen Antrieb 15 eines Kraftfahrzeugs Kraftfahrzeug (insbesondere Elektrofahrzeug oder Flybrid-Fahrzeug) mit elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs zu versorgen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Bus oder ein Motorrad. Bei der Fahrzeugbatterie 1 handelt es sich insbesondere um eine Hochvoltbatterie mit einem Spannungsniveau von mehr als 100 Volt, beispielsweise einem nominellen Spannungsniveau von 400 Volt oder 800 Volt. Die Fahrzeugbatterie 1 weist eine Vielzahl von Batteriezellen 8 auf, welche zum gemeinsamen Speichern von elektrischer Energie ausgebildet sind. Die Vielzahl an Batteriezellen 8 verteilt sich auf mehrere Teilbatterien 2, wobei jede der Teilbatterien 2 mehrere Batteriezellen 8 umfasst. Die Batteriezellen 8 einer Teilbatterie 2 können jeweils in Reihe geschaltet sein. Insbesondere ist bei jeder der Teilbatterien 2 die gleiche Anzahl an Batteriezellen 8 zueinander in Reihe geschaltet. Durch die Reihenschaltung der Batteriezellen 8 summiert sich deren Spannung auf eine Gesamtspannung der jeweiligen Teilbatterie 2. Eine Teilbatterie 2 kann eine oder mehrere Gruppen aufweisen, wobei innerhalb der Gruppen jeweils mehrere Batteriezellen 8 in Reihe geschaltet sind und die Gruppen einer Teilbatterie 2 untereinander parallel geschaltet sind. Insbesondere weisen die Gruppen einer Teilbatterie zwei, vorzugsweise eineinhalb Teilbatterien 2, jeweils dieselbe Anzahl an Batteriezellen auf. Auf diese Weise ergibt sich über alle Gruppen aller Teilbatterien 2 dasselbe Spannungsniveau.
Die Teilbatterien 2 sind insbesondere parallel zueinander geschaltet beziehungsweise parallel zueinander schaltbar. Beispielsweise umfasst die Fahrzeugbatterie 1 eine Schalteinrichtung 10, mittels welcher die Teilbatterien 2 mit einem elektrischen Anschluss 12 der Fahrzeugbatterie 1 kontaktierbar sind. Insbesondere ist die Schalteinrichtung 10 ausgebildet, eine jeweilige elektrische Verbindung der Teilbatterien 2 mit dem elektrischen Anschluss 12 herzustellen und zu trennen. Dies kann beispielsweise durch eine Steuereinheit 9 der Fahrzeugbatterie 1 gesteuert werden. Über den elektrischen Anschluss 12 ist die Fahrzeugbatterie 1 mit dem elektrischen Antrieb 15 des Kraftfahrzeugs kontaktiert beziehungsweise kontaktierbar. Somit steuert die Schalteinrichtung 10, welche der Teilbatterien 2 mit dem elektrischen Antrieb 15 kontaktiert sind beziehungsweise in elektrischen Kontakt mit dem elektrischen Antrieb 15 stehen.
Die Schalteinrichtung 10 ermöglicht es somit, elektrische Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs 15 nur mittels einer Teilmenge der Teilbatterien 2 bereitzustellen. Auf diese Weise ermöglicht die Schalteinrichtung 10 das Bereitstellen elektrischer Energie ausschließlich mittels zumindest einer primären Teilbatterie 3 der mehreren Teilbatterien 2. Flierzu kann die Schalteinrichtung 10 die elektrische Verbindung zwischen den übrigen Teilbatterien 2, welche auch als sekundäre Teilbatterien 4 bezeichnet werden, und dem elektrischen Anschluss 12 und somit indirekt auch dem elektrischen Antrieb 15 unterbrechen. Mit anderen Worten wird die elektrische Verbindung zwischen allen sekundären Teilbatterien 4 und dem elektrischen Anschluss 12 unterbrochen. Dadurch erfolgt eine Bereitstellung von elektrischer Energie durch die Fahrzeugbatterie 1 ausschließlich mittels der zumindest einen primären Teilbatterie 3. Dabei wird jede der Teilbatterien 2 jeweils entweder als primäre Teilbatterie 3 oder sekundäre Teilbatterie 4 bezeichnet.
Die Fahrzeugbatterie 1 weist eine Temperaturregeleinheit auf, welche ein Wärmeleitelement 5 umfasst. Das Wärmeleitelement 5 ist dazu ausgebildet, in einem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie Wärme Q1 von der zumindest einen primären Teilbatterie 3 auf die zumindest eine sekundäre Teilbatterie 4 zu übertragen. Der Aufwärmbetrieb ist in dem schematischen Blockschaltbild von Fig. 2 schematisch dargestellt. In dem Aufwärmbetrieb erfolgt das Bereitstellen elektrischer Energie E ausschließlich mittels der im vorliegenden Beispiel einen primären Teilbatterie 3. Auf diese Weise erwärmt sich die primäre Teilbatterie 3. Über das Wärmeleitelement 5 ergibt sich ein Wärmefluss der Wärme Q1 von der primären Teilbatterie 3 auf die im vorliegenden Beispiel zwei sekundären Teilbatterien 4. Auf diese Weise erfolgt ein Erwärmen der sekundären Teilbatterien 4 mittels an der primären Teilbatterie 3 anfallender Abwärme. Zusätzlich kann wie in Fig. 2 dargestellt ist, auch ein Wärmefluss von Wärme Q2 von einer weiteren Fahrzeugkomponente des Kraftfahrzeugs zur Fahrzeugbatterie 1 vorgesehen sein. Im vorliegenden Beispiel ist die entsprechende weitere Fahrzeugkomponente der elektrische Antrieb 15. Beispielsweise steht das Wärmeleitelement hierzu in thermisch leitender Verbindung zu dem Motor und/oder einer Leistungselektronik (beispielsweise einem Stromrichter, Wechselrichter und/oder Gleichrichter) des elektrischen Antriebs 15. Das Wärmeleitelement kann hierfür einen Kühlwasserkreislauf umfassen. Zwischen den Teilbatterien 2 kann das Wärmeleitelement 5 als Fleatpipe mit Gasfüllung, als massive Metallverbindung und/oder als Fluidkreislauf ausgeführt sein.
Insbesondere können alle Teilbatterien 2 über das Wärmeleitelement 5 thermisch gekoppelt sein (in Fig. 1 aufgrund der schematischen Darstellung nicht gezeigt). Zusätzlich kann die Temperaturregeleinheit ein aktives Fleizelement 6, insbesondere ein elektrisches Fleizelement, aufweisen. Beispielsweise ist das aktive Fleizelement 6 dabei direkt am Wärmeleitelement 5 angeordnet. Die Teilbatterien 2 können alle innerhalb desselben Batteriegehäuses 11 angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Anschlüsse 12, welche von der Schalteinrichtung 10 nach außen geführt sind, die einzigen Kontakte der Fahrzeugbatterie 1 nach außen (in Bezug auf das Batteriegehäuse 11) sind. Durch die hohe Belastung der primären Teilbatterie 3 durch die alleinige Bereitstellung der elektrischen Energie E für den elektrischen Antrieb 15 erwärmt sich diese primäre Teilbatterie 3 besonders stark. Durch diese schnelle und starke Erwärmung, erreicht die primäre Teilbatterie 3 sehr zügig eine Temperatur, welche in einem bestimmungsgemäßen Temperaturintervall liegt. Dies wird durch die Übertragung der Wärme Q2 noch weiter verbessert. Zusätzlich werden die sekundären Teilbatterien 4 durch Übertragen der Wärme Q1 , welche als Abwärme an der primären Teilbatterie 3 anfällt, und/oder durch Übertragen der Wärme Q2, welche an den elektrischen Antrieb 15 anfällt, aufgewärmt beziehungsweise vortemperiert, während diese noch keine elektrische Energie bereitstellen. Auf diese Weise kann eine schnelle Erwärmung der Fahrzeugbatterie 1 insgesamt erreicht werden. Insbesondere wird die Zeitdauer, innerhalb welcher die Teilbatterien 2 außerhalb des bestimmungsgemäßen Temperaturintervalls Energie bereitstellen, reduziert. Auf diese Weise kann eine Lebensdauer der Fahrzeugbatterie 1 verbessert werden.
Fig. 3 zeigt den Betrieb der Fahrzeugbatterie 1 in einem beispielhaften Normalbetrieb.
Der Normalbetrieb kann sich beispielsweise an den Aufwärmbetrieb gemäß Fig. 2 zeitlich anschließen. Mit anderen Worten kann die Fahrzeugbatterie nach Beendigung des Aufwärmbetriebs in den Normalbetrieb übergehen. Dies kann beispielsweise durch den Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne oder durch Erreichen eines vorbestimmten Temperaturniveaus in der Fahrzeugbatterie 1 ausgelöst werden. In dem Normalbetrieb erfolgt das Bereitstellen der elektrischen Energie E zum Versorgen des elektrischen Antriebs 15 des Kraftfahrzeugs zumindest durch die zumindest eine sekundäre Teilbatterie 4, vorliegend die beiden sekundären Teilbatterien 4. Optional kann die elektrische Energie E zusätzlich weiterhin mittels der zumindest einen primären Teilbatterie 3, vorliegend der genau einen Teilbatterie 3, bereitgestellt werden. Mit anderen Worten erfolgt das Bereitstellen der elektrischen Energie E in dem Normalbetrieb entweder durch die zumindest eine sekundäre Teilbatterie 4 alleine oder durch die zumindest eine primäre Teilbatterie 3 und die zumindest eine sekundäre Teilbatterie 4 gemeinsam. In dem Normalbetrieb kann weiterhin die Wärme Q2 von der weiteren Fahrzeugkomponente, vorliegend dem elektrischen Antrieb 15, auf die Teilbatterien 3, 4 übertragen werden. Das Übertragen der Wärmemenge Q2 kann beispielsweise bei Erreichen eines weiteren vorbestimmten Temperaturwertes eingestellt beziehungsweise unterbrochen werden. Zuletzt zeigt die Fig. 4 ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens. Dabei wird in einem Schritt S1 , der beispielsweise zu Beginn einer Fahrt des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird, bestimmt, ob eine Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 unterhalb eines vorbestimmten unteren Schwellwerts liegt. Alternativ oder zusätzlich kann überprüft werden, ob eine Umgebungstemperatur unterhalb eines vorbestimmten unteren Schwellwerts liegt. Für das Bestimmen der Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 kann die Fahrzeugbatterie 1 eine oder mehrere Temperaturmesseinheiten 7 aufweisen. Gemäß Fig. 1 weist jede der Teilbatterien 2 eine jeweilige Temperaturmesseinheit 7 auf. Die Temperaturmesseinheit 7 kann dabei beispielsweise als Infrarotthermometer und/oder als Widerstandsthermometer und/oder als beliebiges anderes Thermometer ausgeführt sein. Liegt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 und/oder die Umgebungstemperatur nicht unterhalb des vorbestimmten unteren Schwellwerts, so kann im Anschluss an den Schritt
51 in einem Schritt S5 die Bereitstellung elektrischer Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs 15 des Kraftfahrzeugs direkt in dem Normalbetriebsmodus der Fahrzeugbatterie 1 durchgeführt werden. Beispielsweise werden zum Bestimmen der Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 jeweilige Temperaturwerte für die Teilbatterien 2 bestimmt beziehungsweise gemessen. In diesem Fall kann die geringste Temperatur unter den Teilbatterien 2 als Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 gelten. Mit anderen Worten kann der Aufwärmbetrieb ausgewählt werden, sobald die Temperatur einer der mehreren Teilbatterien 2 unterhalb es vorbestimmten unteren Schwellwerts liegt. Entsprechend der jeweiligen Temperaturen der Teilbatterien 2 wird diejenige der Teilbatterien 2, welche die höchste Temperatur aufweist, als primäre Teilbatterie 3 ausgewählt.
Liegt die Temperatur der Fahrzeugbatterie 1 und/oder die Umgebungstemperatur unterhalb des jeweiligen vorbestimmten unteren Schwellwerts, so kann in einem Schritt
52 bestimmt werden, welche der Teilbatterien 2 die höchste Temperatur aufweist. Hierfür kann für jede der Teilbatterien 2 der jeweilige Temperaturwert mittels der jeweiligen Temperaturmesseinheit 7 bestimmt beziehungsweise ausgewertet werden. Die jeweiligen Temperaturwerte der Teilbatterien 2 können untereinander verglichen werden. Diejenige Teilbatterie 2 mit dem höchsten Temperaturwert beziehungsweise der höchsten Temperatur kann als primäre Teilbatterie 3 ausgewählt werden. Die übrigen Teilbatterien 2 können als sekundäre Teilbatterien 4 ausgewählt werden.
In einem Schritt S3 wird entsprechend dem Aufwärmbetrieb elektrische Energie zum Versorgen des elektrischen Antriebs 15 ausschließlich mittels der primären Teilbatterie 3 bereitgestellt. Während des Aufwärmbetriebs wird wie bereits beschrieben zudem Abwärme von der primären Teilbatterie 3 auf die übrigen Teilbatterien, also die sekundären Teilbatterien 4, übertragen und diese dadurch aufgewärmt. Die Entwicklung der Temperatur der Fahrzeugbatterie wird in einem Schritt S4 wiederholt überprüft. Entsprechend der wiederholten, insbesondere kontinuierlichen oder periodischen, Temperaturmessung im Schritt S4 kann der Aufwärmbetrieb beispielsweise so lange aufrechterhalten werden, bis die jeweilige Temperatur aller Teilbatterien 2 größer ist als der vorbestimmte untere Schwellwert. Nachdem die Temperatur aller Teilbatterien größer ist als der vorbestimmte untere Schwellwert, kann in dem Schritt S5 in den Normalbetrieb übergegangen werden.
Das beispielhafte Verfahren gemäß Fig. 4 sieht eine dynamische Auswahl der jeweils als primäre Teilbatterie 3 ausgebildeten Teilbatterie vor. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass stets die gleiche Teilbatterie 2 die primäre Teilbatterie 3 ausbildet.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeugbatterie
2 Teilbatterie
3 primäre Teilbatterie
4 sekundäre Teilbatterie
5 Wärmeleitelement
6 Heizelement
7 T emperaturmesseinheit
8 Batteriezelle
9 Steuereinheit
10 Schalteinrichtung 11 Batteriegehäuse 12 elektrischer Anschluss 15 elektrischer Antrieb E Energie
Q1 Wärme
Q2 Wärme
S1 -S5 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugbatterie (1 ) zum Versorgen eines elektrischen Antriebs (15) eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie (E), mit
- einer Vielzahl an Batteriezellen (8) zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie (E), und
- einer Temperaturregeleinheit (5, 6) ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen (8) aus der Vielzahl, wobei
- die Vielzahl an Batteriezellen (8) auf mehrere Teilbatterien (2) verteilt ist, wobei jede der Teilbatterien (2) mehrere Batteriezellen (8) umfasst. dadurch gekennzeichnet, dass,
- die Fahrzeugbatterie (1) ausgebildet ist, in einem Aufwärmbetrieb der Fahrzeugbatterie (1) die elektrische Energie (E) für den elektrischen Antrieb (15) des Kraftfahrzeugs ausschließlich durch zumindest eine primäre (3) der mehreren Teilbatterien (2) unabhängig von zumindest einer sekundären (4) der mehreren Teilbatterien (2) bereitzustellen, und
- ein Wärmeleitelement (5) der Temperaturregeleinheit dazu ausgebildet ist, in dem Aufwärmbetrieb das Erwärmen von Batteriezellen (8) der zumindest einen sekundären Teilbatterie (4) durch Übertragen von Abwärme, welche an der zumindest einen primären Teilbatterie (3) anfällt, durchzuführen.
2. Fahrzeugbatterie (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle primären (3) und sekundären (4) Teilbatterien jeweils parallel zueinander geschaltet sind.
3. Fahrzeugbatterie (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregeleinheit ein aktives, insbesondere elektrisches, Heizelement (6) aufweist, um die zumindest eine sekundäre Teilbatterie (4) zusätzlich zu erwärmen.
4. Fahrzeugbatterie (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (5) mit einer zusätzlichen Fahrzeugkomponente (15), insbesondere einem Motor, einer Leistungselektronik oder einem Retarder, thermisch koppelbar ist, um dort anfallende Abwärme (Q2) zusätzlich für das Erwärmen der zumindest einen primären Teilbatterie (3) und/oder der zumindest einen sekundären Teilbatterie (4) zu nutzen.
5. Fahrzeugbatterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine jeweilige Temperaturmesseinheit (7) zum Bestimmen eines jeweiligen Temperaturwerts für die Teilbatterien (2), wobei die Fahrzeugbatterie (1) ausgebildet ist, die zumindest eine primäre Teilbatterie (3) aus der Menge aller Teilbatterien (2) anhand der Temperaturwerte auszuwählen.
6. Fahrzeugbatterie (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (1) ausgebildet ist, in dem Aufwärmbetrieb diejenige Teilbatterie (2), welche die höchste Temperatur aufweist, aus der Menge aller Teilbatterien (2) als primäre Teilbatterie (3) auszuwählen.
7. Fahrzeugbatterie (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (1) ausgebildet ist, diejenige Teilbatterie (2), welche die niedrigste Temperatur aufweist, aus der Menge aller Teilbatterien (2) auszuwählen, wenn die Temperatur zumindest einer der mehreren Teilbatterien (2) einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet.
8. Fahrzeugbatterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (1) dazu ausgebildet ist, den Aufwärmbetrieb als Betriebsmodus auszuwählen, wenn eine Temperatur der Fahrzeugbatterie (1) und/oder eine Umgebungstemperatur einen jeweiligen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet.
9. Fahrzeugbatterie (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie (1) dazu ausgebildet ist, nach einem Ende des Aufwärmbetriebs, insbesondere sobald die zumindest eine sekundäre Teilbatterie (4) eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, die elektrische Energie (E) zum Betreiben des elektrischen Antriebs (5) des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise mittels der zumindest einen sekundären Teilbatterie (4) bereitzustellen.
10. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbatterie (1) zum Versorgen eines elektrischen Antriebs (15) eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie (E), wobei die Fahrzeugbatterie (E)
- eine Vielzahl an Batteriezellen (8), welche auf mehrere, jeweils mehrere Batteriezellen (8) umfassende Teilbatterien (2) verteilt sind, zum gemeinsamen Speichern der elektrischen Energie und
- eine Temperaturregeleinheit (5, 6) ausgebildet zum Erwärmen von Batteriezellen (8) aus der Vielzahl aufweist; wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Bereitstellen der elektrischen Energie (E) für den elektrischen Antrieb (15) des Kraftfahrzeugs in einem Aufwärmbetrieb ausschließlich durch zumindest eine primäre (3) der mehreren Teilbatterien (2), und
- Übertragen von Abwärme (Q1), welche an der zumindest einen primären Teilbatterie (3) anfällt, auf zumindest eine sekundäre (4) der mehreren Teilbatterien (2).
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