DE102021211418A1 - Battery heater, method of heating a battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Batterieheizvorrichtung (60) zum Heizen einer Batterie (5), welche eine interne Spannungsquelle (Vi), einen internen Widerstand (Ri), eine interne Induktivität (Li), einen positiven Pol (22) und einen negativen Pol (21) aufweist, wobei die Batterieheizvorrichtung (60) einen Kondensator (CA), welcher ein positives Terminal (CA+) und ein negatives Terminal (CA-) aufweist, ein erstes Schaltelement (61) und ein zweites Schaltelement (62) umfasst, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltelements (61) elektrisch mit einem Knotenpunkt (25) verbunden ist, der elektrisch mit einem der Pole (21, 22) der Batterie (5) verbindbar ist, ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements (61) elektrisch mit einem der Terminals (CA+, CA-) des Kondensators (CA) verbunden ist, ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements (62) elektrisch mit dem anderen der Terminals (CA+, CA-) des Kondensators (CA) verbunden ist und elektrisch mit dem anderen der Pole (21, 22) der Batterie (5) verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements (62) elektrisch mit dem Knotenpunkt (25) verbunden ist, und wobei die Batterieheizvorrichtung (60) dazu eingerichtet ist, dass durch deren Ansteuerung ein alternierender Strom (I) erzeugt wird, der während des Heizens der Batterie (5) durch die Batterie (5) fließt, wenn der Knotenpunkt (25) elektrisch mit einem der Pole (21, 22) der Batterie (5) verbunden ist und der erste Anschluss des zweiten Schaltelements (62) elektrisch mit dem anderen der Pole (21, 22) der Batterie (5) verbunden ist.The invention relates to a battery heating device (60) for heating a battery (5), which has an internal voltage source (Vi), an internal resistance (Ri), an internal inductance (Li), a positive pole (22) and a negative pole (21 ), wherein the battery heating device (60) comprises a capacitor (CA) which has a positive terminal (CA+) and a negative terminal (CA-), a first switching element (61) and a second switching element (62), wherein a first Connection of the first switching element (61) is electrically connected to a node (25) which can be electrically connected to one of the poles (21, 22) of the battery (5), a second connection of the first switching element (61) is electrically connected to one of the terminals (CA+, CA-) of the capacitor (CA), a first terminal of the second switching element (62) is electrically connected to the other of the terminals (CA+, CA-) of the capacitor (CA) and electrically to the other of the poles ( 21, 22) of the battery (5) can be connected, and a second connection of the second switching element (62) is electrically connected to the node (25), and wherein the battery heating device (60) is set up so that by its activation an alternating current (I) is generated which flows through the battery (5) during heating of the battery (5) when the node (25) is electrically connected to one of the poles (21, 22) of the battery (5) and the first terminal of the second switching element (62) is electrically connected to the other of the poles (21, 22) of the battery (5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Batterieheizvorrichtung zum Heizen einer Batterie, welche eine interne Spannungsquelle, einen internen Widerstand, eine interne Induktivität, einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Heizen einer Batterie.The invention relates to a battery heating device for heating a battery, which has an internal voltage source, an internal resistance, an internal inductance, a positive pole and a negative pole. The invention also relates to a method for heating a battery.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Fahrzeuge zum Einsatz kommen werden. Solche elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, umfassen jeweils ein Batteriesystem, wie beispielsweise ein 48V-Batteriesystem, zur Energieversorgung bzw. Traktion des Fahrzeugs.It is becoming apparent that more and more electrically powered vehicles will be used in the future. Such electrically powered vehicles, such as hybrid vehicles and electric vehicles, each include a battery system, such as a 48V battery system, for powering or traction of the vehicle.
Bei den Batteriezellen des Batteriesystems handelt es sich beispielsweise um Lithium-Ionen-Batteriezellen. Bei tiefen Betriebstemperaturen von Lithium-Ionen-Batteriezellen von beispielsweise weniger als 0°C weisen diese einen verhältnismäßig hohen Innenwiderstand auf. Ein hoher Innenwiderstand bewirkt starke Einschränkungen beim Betrieb des Batteriesystems bei tiefen Temperaturen, insbesondere bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs im Winter. Bei steigender Betriebstemperatur sinkt der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batteriezellen signifikant ab.The battery cells of the battery system are lithium-ion battery cells, for example. At low operating temperatures of lithium-ion battery cells of less than 0° C., for example, they have a relatively high internal resistance. A high internal resistance results in severe limitations when operating the battery system at low temperatures, especially when the motor vehicle is started cold in winter. As the operating temperature increases, the internal resistance of the lithium-ion battery cells drops significantly.
Das Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß wird eine Batterieheizvorrichtung zum Heizen einer Batterie vorgeschlagen. Die Batterie weist dabei eine interne Spannungsquelle, einen internen Widerstand, eine interne Induktivität, einen positiven Pol und einen negativen Pol auf.According to the invention, a battery heating device for heating a battery is proposed. In this case, the battery has an internal voltage source, an internal resistance, an internal inductance, a positive pole and a negative pole.
Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batteriezellen, die innerhalb des Batteriemoduls sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein können. Die Batteriezellen sind vorzugsweise als Lithium- lonen-Batteriezellen ausgeführt. Die Batteriezellen bilden elektrische Spannungsquellen mit temperaturabhängigen Innenwiderständen nach. Elektrische Leitungen innerhalb der Batterie weisen ebenfalls einen elektrischen Widerstand sowie eine Induktivität auf. Die elektrischen Spannungsquellen der Batteriezellen bilden die interne Spannungsquelle der Batterie. Die Innenwiderstände der Batteriezellen und der Widerstand der elektrischen Leitungen bilden den internen Widerstand der Batterie. Die Induktivität der elektrischen Leitungen bildet die interne Induktivität der Batterie. Optional kann die Batterie zusätzlich eine Spule mit einer zusätzlichen Induktivität aufweisen.The battery comprises one or more battery cells, which can be connected to one another both in series and in parallel within the battery module. The battery cells are preferably designed as lithium ion battery cells. The battery cells simulate electrical voltage sources with temperature-dependent internal resistances. Electrical lines within the battery also have electrical resistance and inductance. The electrical voltage sources of the battery cells form the internal voltage source of the battery. The internal resistance of the battery cells and the resistance of the electrical lines form the internal resistance of the battery. The inductance of the electrical lines forms the internal inductance of the battery. Optionally, the battery can also have a coil with an additional inductance.
Dabei umfasst die Batterieheizvorrichtung einen Kondensator, welcher ein positives Terminal und ein negatives Terminal aufweist, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Die Schaltelemente weisen jeweils drei Anschlüsse auf, wobei zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eine Schaltstrecke gebildet ist, welche mittels eines dritten Anschlusses ansteuerbar ist.Here, the battery heater includes a capacitor having a positive terminal and a negative terminal, a first switching element, and a second switching element. The switching elements each have three connections, with a switching path being formed between a first connection and a second connection, which can be controlled by means of a third connection.
Dabei ist ein erster Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch mit einem Knotenpunkt verbunden, der elektrisch mit einem der Pole der Batterie verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements ist elektrisch mit einem der Terminals des Kondensators verbunden. Ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements ist elektrisch mit dem anderen der Terminals des Kondensators verbunden und elektrisch mit dem anderen der Pole der Batterie verbindbar, und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements ist elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden.A first connection of the first switching element is electrically connected to a node that can be electrically connected to one of the poles of the battery, and a second connection of the first switching element is electrically connected to one of the terminals of the capacitor. A first terminal of the second switching element is electrically connected to the other of the terminals of the capacitor and electrically connectable to the other of the poles of the battery, and a second terminal of the second switching element is electrically connected to the node.
Beispielsweise kann der Knotenpunkt, der mit dem ersten Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch verbunden ist, mit dem positiven Pol der Batterie verbunden sein, und der zweite Anschluss des ersten Schaltelements ist mit dem positiven Terminal des Kondensators verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements ist dann mit dem negativen Pol der Batterie und mit dem negativen Terminal des Kondensators verbunden. Der negative Pol der Batterie ist dabei mit dem negativen Terminal des Kondensators elektrisch verbunden.For example, the node electrically connected to the first terminal of the first switching element may be connected to the positive terminal of the battery and the second terminal of the first switching element is connected to the positive terminal of the capacitor. The first connection of the second switching element is then connected to the negative pole of the battery and to the negative terminal of the capacitor. The negative pole of the battery is electrically connected to the negative terminal of the capacitor.
Die Batterieheizvorrichtung ist dazu eingerichtet, dass durch deren Ansteuerung ein alternierender Strom erzeugt wird, der während des Heizens der Batterie durch die Batterie fließt, wenn der Knotenpunkt elektrisch mit einem der Pole der Batterie verbunden ist und der erste Anschluss des zweiten Schaltelements elektrisch mit dem anderen der Pole der Batterie verbunden ist. Beim Heizen der Batterie werden Strom, Spannung sowie Temperatur gemessen und überwacht.The battery heating device is set up to generate an alternating current that flows through the battery during heating of the battery when the node point is electrically connected to one of the poles of the battery and the first connection of the second switching element is electrically connected to the other connected to the battery poles. When heating the battery, current, voltage and temperature are measured and monitored.
Die Verschaltung der Schaltelemente der Anordnung ermöglicht mehrere Schaltzustände der Batterie, wenn die Anordnung mit der Batterie elektrisch verbunden ist, d.h. der Knotenpunkt ist elektrisch mit einem der Pole der Batterie verbunden, während der erste Anschluss des zweiten Schaltelements mit dem anderen der Pole der Batterie elektrisch verbunden ist. Beispielsweise in einem ersten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen ist, kann ein Strom durch den internen Widerstand und die interne Induktivität der Batterie, jedoch nicht zu dem Kondensator und zu fließen. In einem zweiten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist, kann ein Strom durch den internen Widerstand und die interne Induktivität der Batterie und durch den Kondensator fließen. In einem dritten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist, kann kein Strom durch das Batteriemodul fließen.The interconnection of the switching elements of the arrangement enables several switching states of the battery when the arrangement is electrically connected to the battery, ie the node is elec electrically connected to one of the poles of the battery, while the first terminal of the second switching element is electrically connected to the other of the poles of the battery. For example, in a first switching state, when the first switching element is open and the second switching element is closed, a current can flow through the internal resistance and the internal inductance of the battery, but not to the capacitor and to. In a second switching state, when the first switching element is closed and the second switching element is open, a current can flow through the internal resistance and the internal inductance of the battery and through the capacitor. In a third switching state, when the first switching element is open and the second switching element is open, no current can flow through the battery module.
Vorzugsweise sind das erste und zweite Schaltelement als Halbleiterschalter ausgebildet. Beispielsweise können das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein und weisen jeweils einen SOURCE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen GATE-Anschluss auf. Die Schaltelemente sind derart verschaltet, dass jeweils der erste Anschluss der SOURCE-Anschluss, der zweite Anschluss der DRAIN-Anschluss und der dritte Anschluss der GATE-Anschluss ist. Beispielsweise handelt es sich bei den Schaltelementen um MOSFETs, insbesondere um n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp.The first and second switching elements are preferably in the form of semiconductor switches. For example, the first switching element and the second switching element can be in the form of field effect transistors and each have a SOURCE connection, a DRAIN connection and a GATE connection. The switching elements are interconnected in such a way that the first connection is the SOURCE connection, the second connection is the DRAIN connection and the third connection is the GATE connection. For example, the switching elements are MOSFETs, in particular n-channel MOSFETs of the enhancement type.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Batterieheizvorrichtung ferner eine Vorladeschaltung, wobei ein erster Anschluss der Vorladeschaltung elektrisch mit dem Knotenpunkt oder mit dem ersten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Vorladeschaltung elektrisch mit einem der Pole verbindbar ist. Dabei ist der andere der Pole der Batterie elektrische mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbindbar. Mit der Vorladeschaltung kann ein Kondensator mit einer größeren Kapazität ausgewählt werden. Die Vorladeschaltung kann vorteilhaft als ein MOSFET ausgebildet sein. Dabei wird der MOSFET in Linearbetrieb eingesetzt, der nach der Vorladung des Kondensators durchschaltet. Unter Linearbetrieb wird verstanden, dass der MOSFET im Sättigungsbereich betrieben wird. Dieser MOSFET kann im Falle eines Durchlegieren des zweiten Schaltelements auch als redundanter Abschalter verwendet werden, um im Fehlerfall einen dauerhaften Kurzschluss der Batterie bzw. der Batteriezellen zu unterbinden. Alternativ ist auch ein zuschaltbarer Widerstand oder eine Konstantstromquelle denkbar, der/die nach abgeschlossener Vorladung durch einen weiteren Schalter der Vorladeblock komplett kurzgeschlossen wird.The battery heating device according to the invention preferably also includes a precharging circuit, a first connection of the precharging circuit being electrically connected to the node or to the first connection of the first switching element and a second connection of the precharging circuit being electrically connectable to one of the poles. In this case, the other pole of the battery can be electrically connected to the first connection of the second switching element. With the pre-charge circuit, a capacitor with a larger capacity can be selected. The pre-charging circuit can advantageously be in the form of a MOSFET. The MOSFET is used in linear mode, which switches on after the capacitor has been precharged. Linear operation means that the MOSFET is operated in the saturation range. If the second switching element breaks down, this MOSFET can also be used as a redundant disconnector, in order to prevent a permanent short circuit in the battery or the battery cells in the event of a fault. Alternatively, a switchable resistor or a constant current source is also conceivable, which is completely short-circuited by a further switch of the pre-charging block after the pre-charging has been completed.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Batterieheizvorrichtung ferner eine zusätzliche Induktivität. Dabei ist ein erster Anschluss der zusätzlichen Induktivität elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden oder, falls vorhanden, elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Vorladeschaltung verbunden. Ein zweiter Anschluss der zusätzlichen Induktivität ist elektrisch mit einem der Pole der Batterie verbindbar. Dabei ist der andere der Pole der Batterie elektrische mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbindbar.Preferably, the battery heating device according to the invention also includes an additional inductor. In this case, a first connection of the additional inductance is electrically connected to the node or, if present, electrically connected to the second connection of the precharging circuit. A second connection of the additional inductance can be electrically connected to one of the poles of the battery. In this case, the other pole of the battery can be electrically connected to the first connection of the second switching element.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Heizen einer Batterie unter Verwendung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung. Entsprechend gelten im Rahmen der Batterieheizvorrichtung beschriebene Merkmale für das Verfahren und umgekehrt gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale für die Batterieheizvorrichtung.A further aspect of the invention is the provision of a method for heating a battery using the battery heating device according to the invention. Correspondingly, features described in the context of the battery heating device apply to the method and vice versa, features described in the context of the method apply to the battery heating device.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahren wird die Batterieheizvorrichtung nach der elektrischen Verbindung des Kontenpunkt mit einem der Pole der Batterie (5) und des ersten Anschlusses des zweiten Schaltelements elektrisch mit dem anderen der Pole der Batterie derart angesteuert, dass ein alternierender Strom durch die Batterie während des Heizens der Batterie fließt.With the method according to the invention, after the electrical connection of the junction point to one of the poles of the battery (5) and the first connection of the second switching element, the battery heating device is electrically controlled to the other pole of the battery in such a way that an alternating current flows through the battery during heating the battery flows.
Der besagte alternierende Strom fließt somit insbesondere durch den internen Widerstand der Batterie. Der alternierende Strom verursacht dabei einen Spannungsabfall an dem internen Widerstand der Batterie, und damit an den Innenwiderständen der Batteriezellen. Dadurch wird in dem internen Widerstand der Batterie, und damit an den Innenwiderständen der Batteriezellen, elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Dadurch findet eine Erwärmung der Batterie, insbesondere der Batteriezellen der Batterie, statt. Dadurch sinkt, bei steigender Betriebstemperatur, der Innenwiderstand der Batteriezellen.Said alternating current thus flows in particular through the internal resistance of the battery. The alternating current causes a voltage drop across the internal resistance of the battery and thus across the internal resistance of the battery cells. As a result, electrical energy is converted into heat in the internal resistance of the battery and thus in the internal resistance of the battery cells. This causes the battery, in particular the battery cells of the battery, to heat up. As a result, the internal resistance of the battery cells decreases as the operating temperature rises.
Vorzugsweise wird die Batterieheizvorrichtung in mehreren aufeinanderfolgende Phase angesteuert. Dabei wird die Batterieheizvorrichtung derart angesteuert wird, dass während einer ersten Phase elektrische Energie von der internen Spannungsquelle der Batterie zu der internen Induktivität der Batterie übertragen wird, während einer zweiten Phase elektrische Energie von der internen Induktivität der Batterie zu dem Kondensator übertragen wird, und während einer dritten Phase elektrische Energie von dem Kondensator zu der internen Spannungsquelle der Batterie übertragen wird.The battery heating device is preferably activated in a plurality of successive phases. The battery heating device is controlled in such a way that during a first phase electrical energy is transferred from the internal voltage source of the battery to the internal inductance of the battery, during a second phase electrical energy is transferred from the internal inductance of the battery to the capacitor, and during in a third phase, electrical energy is transferred from the capacitor to the battery's internal voltage source.
Vorzugsweise wird die Batterieheizvorrichtung derart angesteuert, dass während einer ersten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen ist, während einer zweiten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist und während einer dritten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist.The battery heating device is preferably controlled in such a way that during a first phase the first switching element is opened and the second switching element is closed, during a second phase the first switching element is closed and the second switching element is open and during a third phase the first switching element is closed and the second switching element is open.
Der Strom fließt während der ersten Phase durch die interne Spannungsquelle, durch den internen Widerstand, durch die interne Induktivität und durch das zweite Schaltelement. Der Strom fließt während der zweiten Phase durch die interne Spannungsquelle, durch den internen Widerstand, durch die interne Induktivität, durch das erste Schaltelement und durch den Kondensator. Der Strom fließt während der dritten Phase durch die interne Spannungsquelle, durch den internen Widerstand, durch die interne Induktivität, durch das erste Schaltelement und durch den Kondensator. Der Strom fließt während der dritten Phase in entgegengesetzte Richtung wie während der zweiten Phase. During the first phase, the current flows through the internal voltage source, through the internal resistance, through the internal inductance and through the second switching element. During the second phase, the current flows through the internal voltage source, through the internal resistance, through the internal inductance, through the first switching element and through the capacitor. During the third phase, the current flows through the internal voltage source, through the internal resistance, through the internal inductance, through the first switching element and through the capacitor. The current flows in the opposite direction during the third phase as during the second phase.
Vorzugsweise wird die Batterieheizvorrichtung derart angesteuert, dass während einer ersten Zwischenphase zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist. Denkbar ist auch, dass während einer zweiten Zwischenphase zwischen der dritten Phase und der ersten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist. Mit der ersten und der zweiten Zwischenphase können hohe Verluste, die durch das Schließen und Öffnen der Schaltelemente entstehen, vermieden werden.The battery heating device is preferably controlled in such a way that the first switching element is open and the second switching element is open during a first intermediate phase between the first phase and the second phase. It is also conceivable that the first switching element is open and the second switching element is open during a second intermediate phase between the third phase and the first phase. With the first and the second intermediate phase, high losses caused by the closing and opening of the switching elements can be avoided.
Vorzugsweise wird die Batterieheizvorrichtung derart angesteuert, dass die erste Phase, die zweite Phase und die dritte Phase zyklisch wiederholt werden.The battery heating device is preferably controlled in such a way that the first phase, the second phase and the third phase are repeated cyclically.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Batterie eines Fahrzeugs oder eines Elektrogerätes, wie beispielsweise Powertools oder Gartengeräte, heizt.The invention also relates to the use of the battery heating device according to the invention, which heats a battery of a vehicle or an electrical device, such as power tools or gardening tools, using the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die Erfindung ermöglicht es durch ein Aufsteckgerät die Batterien vor dem Gebrauch aufzuwärmen.The invention makes it possible to warm up the batteries before use by means of a plug-on device.
Mittels der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, in einem Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug die Batteriezellen der Batterie in verhältnismäßig kurzer Zeit auf eine passende Betriebstemperatur zu erwärmen. Dadurch sinkt der Innenwiderstand der Batteriezellen, und das Batteriesystem des Kraftfahrzeugs ist in verhältnismäßig kurzer Zeit einsatzbereit. Die erfindungsgemäße Batterieheizvorrichtung kann auch bei 12V-Blei-Säure-Akkumulatoren im Fahrzeug verwendet werden, um bei kalten Umgebungstemperaturen den Startvorgang des Fahrzeugs zu erleichtern.Using the battery heating device according to the invention and the method according to the invention, it is possible in a battery system for a motor vehicle to heat the battery cells of the battery to a suitable operating temperature in a relatively short time. This reduces the internal resistance of the battery cells, and the battery system of the motor vehicle is ready for use in a relatively short time. The battery heating device according to the invention can also be used with 12V lead-acid accumulators in the vehicle in order to facilitate the starting process of the vehicle in cold ambient temperatures.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die erfindungsgemäße Batterieheizvorrichtung ähnlich wie ein DC/DC-Wandler, beziehungsweise wie ein Hochsetzsteller, betrieben werden. Der dabei fließende alternierende Strom fließt stets durch den internen Widerstand der Batterie und somit durch die Innenwiderstände der Batteriezellen. Durch den dabei verursachten Spannungsabfall wird an den Innenwiderständen der Batteriezellen elektrische Energie in Wärme umgewandelt, wodurch eine Erwärmung der Batteriezellen stattfindet. Während dieses Vorgangs wird elektrische Energie zwischen der Spannungsquelle, der internen Induktivität und dem Kondensator übertragen. Die elektrische Energie wird also zwischen der Batterie und dem Kondensator verschoben. Mit Ausnahme von der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme an den Innenwiderständen der Batteriezellen treten keine weiteren signifikanten Verluste auf. Die Batterie wird also nur unwesentlich entladen.By means of the method according to the invention, the battery heating device according to the invention can be operated in a similar way to a DC/DC converter or like a step-up converter. The alternating current that flows during this process always flows through the internal resistance of the battery and thus through the internal resistance of the battery cells. The resulting voltage drop converts electrical energy into heat at the internal resistance of the battery cells, causing the battery cells to heat up. During this process, electrical energy is transferred between the voltage source, the internal inductor, and the capacitor. The electrical energy is thus shifted between the battery and the capacitor. With the exception of the conversion of electrical energy into heat at the internal resistance of the battery cells, there are no other significant losses. The battery is therefore only slightly discharged.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung, die mit einer Batterie elektrisch verbunden ist, -
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung, wobei die Vorladeschaltung als MOSFET ausgebildet ist, -
3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung während einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung während einer zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens und -
5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Batterieheizvorrichtung während einer dritten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of the battery heating device according to the invention, which is electrically connected to a battery, -
2 a schematic representation of the battery heating device according to the invention, wherein the pre-charging circuit is designed as a MOSFET, -
3 a schematic representation of the battery heating device according to the invention during a first phase of the method according to the invention, -
4 a schematic representation of the battery heating device according to the invention during a second phase of the method according to the invention and -
5 a schematic representation of the battery heating device according to the invention during a third phase of the method according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Jede der Batteriezellen der Batterie 5 bildet eine elektrische Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand nach. Die elektrischen Spannungsquellen der Batteriezellen bilden eine interne Spannungsquelle Vi. Die Innenwiderstände der Batteriezellen und ein elektrischer Widerstand von elektrischen Leitungen bilden einen internen Widerstand Ri, Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen bilden eine interne Induktivität Li. Optional kann zusätzlich eine Spule mit einer zusätzlichen Induktivität vorgesehen sein. In diesem Fall bilden die Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen gemeinsam mit der Induktivität der Spule die interne Induktivität Li.Each of the battery cells of the
Die Batterie 5 weist somit die interne Spannungsquelle Vi und die interne Induktivität Li auf. Im Leerlauf liegt eine von der internen Spannungsquelle Vi gelieferte Spannung zwischen dem positiven Pol 22 und dem negativen Pol 21 an. Der Trennschalter 14 kann dabei eine Hauptvorladeschaltung umfassen.The
Die erfindungsgemäße Batterieheizvorrichtung 60 umfasst dabei ein erstes Schaltelement 61, ein zweites Schaltelement 62, eine Vorladeschaltung 63, eine zusätzliche Induktivität Lz und einen Kondensator CA, welcher ein positives Terminal CA+ und ein negatives Terminal CA- umfasst, auf. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils drei Anschlüsse auf, wobei zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eine Schaltstrecke gebildet ist, welche mittels eines dritten Anschlusses ansteuerbar ist.The
Das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 sind vorliegend als Feldeffekttransistoren ausgebildet. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils einen SOURCE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen GATE-Anschluss auf. Die Schaltelemente 61, 62 sind derart verschaltet, dass jeweils der erste Anschluss der SOURCE-Anschluss, der zweite Anschluss der DRAIN-Anschluss und der dritte Anschluss der GATE-Anschluss ist.In the present case, the
Bei den Schaltelementen 61, 62 handelt es sich vorliegend um n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils eine Schaltstrecke sowie eine parallel zu der Schaltstrecke geschaltete Inversdiode auf. Die Inversdiode, welche auch als Body-Diode bezeichnet wird, entsteht in jedem MOSFET aufgrund von dessen interner Struktur und ist kein explizites Bauteil.In the present case, the switching
Der erste Anschluss des ersten Schaltelements 61 ist mit einem Knotenpunkt 25 verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Schaltelements 61 ist mit dem positiven Terminal CA+ des Kondensators CA verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements 62 ist mit dem negativen Pol 21 der Batterie 5 und mit dem negativen Terminal CA- des Kondensators CA verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Schaltelements 62 ist mit dem Knotenpunkt 25 verbunden. Der Knotenpunkt 25 ist dabei über die Serienschaltung von der zusätzlichen Induktivität Lz und der Vorladeschaltung 63 mit dem positiven Pol 22 der Batterie 5 verbunden. Die Vorladeschaltung 63 kann dabei als ein MOSFET ausgebildet sein. Dabei wird der MOSFET in Linearbetrieb eingesetzt, der nach der Vorladung des Kondensators CA durchschaltet.The first connection of the
Nach Ende der ersten Phase wird das zweite Schaltelement 62 geöffnet und es beginnt eine erste Zwischenphase, in welcher das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 geöffnet sind. Nach Ende der ersten Zwischenphase wird das erste Schaltelement 61 geschlossen und es beginnt eine zweite Phase.After the end of the first phase, the
Nach Ende der dritten Phase wird das erste Schaltelement 61 geöffnet und es beginnt eine zweite Zwischenphase, in welcher das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 geöffnet sind. Nach Ende der zweiten Zwischenphase wird das zweite Schaltelement 62 geschlossen und es beginnt eine weitere erste Phase.After the end of the third phase, the
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 20140268959 A1 [0004]US20140268959A1 [0004]
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Citations (2)
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US20140268959A1 (en) | 2013-03-14 | 2014-09-18 | Engineered Electric Company | Bidirectional power converter |
DE102019212475A1 (en) | 2019-08-21 | 2021-02-25 | Robert Bosch Gmbh | Battery system for a motor vehicle, method for operating a battery system and motor vehicle |
-
2021
- 2021-10-11 DE DE102021211418.0A patent/DE102021211418A1/en active Pending
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