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DE102018221234B4 - Battery unit - Google Patents

Battery unit

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DE102018221234B4
DE102018221234B4 DE102018221234.1A DE102018221234A DE102018221234B4 DE 102018221234 B4 DE102018221234 B4 DE 102018221234B4 DE 102018221234 A DE102018221234 A DE 102018221234A DE 102018221234 B4 DE102018221234 B4 DE 102018221234B4
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Germany
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battery
heating device
voltage
heating
capacitor
Prior art date
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German (de)
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Burkhard Cornelius
Roland KUBE
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Batterieeinheit (1), umfassend eine Hochvoltbatterie (HV), die aus mehreren Batteriezellen (3) besteht, sowie eine Heizeinrichtung (5), wobei die Heizeinrichtung (5) derart ausgebildet ist, alternierend einen Entlade- und Ladestrom an der Hochvoltbatterie (HV) zu erzeugen, wobei die Heizeinrichtung (5) mindestens ein Schaltelement (S) und mindestens einen Kondensator (C) aufweist, wobei
die Hochvoltbatterie (HV) in n Teilbatterien (TB) unterteilt ist, wobei n ≥ 2 ist, wobei jeder Teilbatterie (TB) eine eigene Heizeinrichtung (5) zugeordnet ist, wobei den Heizeinrichtungen (5) ein gemeinsames Steuergerät (7) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, die Heizeinrichtungen (5) zeitlich versetzt anzusteuern dadurch gekennzeichnet, dass
das mindestens eine Schaltelement (S) und der mindestens eine Kondensator (C) der Heizeinrichtung (5) parallel geschaltet sind, wobei in Reihe zu der Parallelschaltung aus Schaltelement (S) und Kondensator (C) eine Parallelschaltung aus einer Zusatz-Induktivität (LZ) und einer Diode (D) angeordnet ist.
Battery unit (1), comprising a high-voltage battery (HV) consisting of a plurality of battery cells (3), and a heating device (5), wherein the heating device (5) is designed to alternately generate a discharge and charge current at the high-voltage battery (HV), wherein the heating device (5) has at least one switching element (S) and at least one capacitor (C), wherein
the high-voltage battery (HV) is divided into n sub-batteries (TB), where n ≥ 2, each sub-battery (TB) being assigned its own heating device (5), the heating devices (5) being assigned a common control unit (7) which is designed to control the heating devices (5) at different times, characterized in that
the at least one switching element (S) and the at least one capacitor (C) of the heating device (5) are connected in parallel, wherein a parallel circuit comprising an additional inductance (L Z ) and a diode (D) is arranged in series with the parallel circuit comprising the switching element (S) and the capacitor (C).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit mit einer Hochvoltbatterie.The invention relates to a battery unit with a high-voltage battery.

Hochvoltbatterien bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von Batteriezellen, die in Reihe, aber auch gegebenenfalls teilweise parallel verschaltet sind, um so eine ausreichende Spannung (z.B. U > 48 V) und Kapazität zur Verfügung zu stellen. Die Batteriezellen sind beispielsweise als Li-lonen-Batteriezellen ausgebildet. Aber auch andere Batteriezellen-Typen sind im Einsatz und in der Entwicklung. Gemeinsam ist diesen Batteriezellen, dass diese hinsichtlich der Temperatur einen eingeschränkten Arbeitsbereich aufweisen. Insbesondere beim Einsatz derartiger Hochvoltbatterien als Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug ist es bekannt, diesen eine Heizvorrichtung zuzuordnen, um diese gezielt vorzuwärmen. Im einfachsten Fall wird daher ein ohmscher Verbraucher parallel geschaltet, sodass ein Entladestrom fließt, der Verlustleistung am Innenwiderstand der Hochvoltbatterie und dem ohmschen Verbraucher erzeugt. Derartige Heizeinrichtungen weisen einige Nachteile auf. Wird der ohmsche Verbraucher zu groß dimensioniert, fällt der Großteil der Verlustleistung an diesem ab und steht somit nicht direkt als Heizleistung zur Verfügung. Wird dieser hingegen sehr klein gewählt im Vergleich zum Innenwiderstand der Hochvoltbatterie, fließen extrem große Ströme, die die Batteriezellen schädigen könnten.High-voltage batteries typically consist of a large number of battery cells connected in series, but also partially in parallel if necessary, to provide sufficient voltage (e.g., U > 48 V) and capacity. These battery cells are designed, for example, as lithium-ion battery cells. However, other battery cell types are also in use and under development. What these battery cells have in common is that they have a limited operating temperature range. Particularly when such high-voltage batteries are used as traction batteries in a motor vehicle, it is common practice to assign them a heating device to specifically preheat them. In the simplest case, an ohmic load is connected in parallel so that a discharge current flows, generating power loss across the internal resistance of the high-voltage battery and the ohmic load. Such heating devices have several disadvantages. If the ohmic load is dimensioned too large, the majority of the power loss is lost at it and is therefore not directly available as heating power. However, if this value is chosen to be very small compared to the internal resistance of the high-voltage battery, extremely large currents flow, which could damage the battery cells.

Daher sind Heizeinrichtungen vorgeschlagen worden, mittels derer alternierend ein Entlade- und Ladestrom erzeugt werden kann, sodass zielgerichtet die Verlustwärme hauptsächlich am Innenwiderstand erzeugt wird. Eine solche Heizeinrichtung ist beispielsweise aus der WO 2013 / 174 268 A1 bekannt.Therefore, heating devices have been proposed that can generate alternating discharge and charge currents, so that the heat loss is generated primarily at the internal resistance. Such a heating device is known, for example, from WO 2013 / 174 268 A1 known.

Aus der DE 10 2010 020 683 A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines Batteriepuls-Erwärmungsbetriebes einer Traktionsbatterie eines Hybridfahrzeuges bekannt, wobei eine Batterietemperatur beim Start erfasst wird und ein Kraftstoffverbrauch für eine Batterieheizung ermittelt wird, wobei dann entschieden wird, ob der Batteriepuls-Erwärmungsbetrieb durchgeführt wird oder nicht. Der Batteriepuls-Erwärmungsbetrieb wird umgesetzt, indem die Brennkraftmaschine während der Fahrt zum Entladen von der Elektromaschine unterstützt und zum Laden von der Elektromaschine mit Lastpunkterhöhung beaufschlagt wird. Durch diese gezielt erzeugten Verlustleistungen zum Erwärmen der Traktionsbatterie wird jedoch zusätzlich Kraftstoff verbraucht. Für reine Elektrofahrzeuge oder andere Anwendungen ist das Verfahren nicht geeignet.From the DE 10 2010 020 683 A1 A method for controlling battery pulse heating of a traction battery of a hybrid vehicle is known. A battery temperature is detected at start-up and fuel consumption for battery heating is determined, with a decision then being made as to whether or not to perform battery pulse heating. Battery pulse heating is implemented by assisting the internal combustion engine with the electric motor for discharging while driving and applying a load point increase to the electric motor for charging. However, this deliberately generated power loss for heating the traction battery results in additional fuel consumption. The method is not suitable for purely electric vehicles or other applications.

Aus der DE 10 2013 226 372 A1 ist eine Batterieeinheit bekannt, die mindestens ein Batteriemodul und eine Heizeinrichtung aufweist, wobei die Heizeinrichtung als Sperrwandler ausgebildet ist.From the DE 10 2013 226 372 A1 A battery unit is known which has at least one battery module and a heating device, wherein the heating device is designed as a flyback converter.

Aus der DE 10 2016 205 333 A1 ist ein Verfahren zum Temperieren eines aufgeladenen Akkus bekannt, wobei zum Temperieren des Akkus in einem Aufwärmvorgang zumindest ein Ent- und Aufladezyklus ausgeführt wird, wobei in jedem Ent- und Aufladezyklus zunächst in einem Entladevorgang dem Akku Energie entzogen wird und anschließend in einem Aufladevorgang dem Akku Energie wieder zugeführt wird.From the DE 10 2016 205 333 A1 A method for tempering a charged battery is known, wherein at least one discharging and charging cycle is carried out in a warm-up process to temper the battery, wherein in each discharging and charging cycle, energy is first withdrawn from the battery in a discharging process and then energy is supplied to the battery again in a charging process.

Aus der DE 10 2010 032 088 A1 ist eine gattungsgemäße Batterieeinheit bekannt.From the DE 10 2010 032 088 A1 A generic battery unit is known.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Batterieeinheit mit einer verbesserten Heizeinrichtung zu schaffen.The invention is based on the technical problem of creating a battery unit with an improved heating device.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterieeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem is provided by a battery unit having the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Hierzu umfasst die Batterieeinheit eine Hochvoltbatterie, die aus mehreren Batteriezellen besteht. Die Hochvoltbatterie ist in n Teilbatterien unterteilt, wobei n ≥ 2 ist. Dabei ist jeder Teilbatterie eine eigene Heizeinrichtung zugeordnet, wobei die Heizeinrichtungen derart ausgebildet sind, alternierend einen Entlade- und Ladestrom an der Hochvoltbatterie bzw. der jeweiligen Teilbatterie zu erzeugen. Die Heizeinrichtungen weisen jeweils mindestens ein Schaltelement und mindestens einen Kondensator auf. Dabei ist den Heizeinrichtungen ein gemeinsames Steuergerät zugeordnet, das derart ausgebildet ist, die Heizeinrichtungen zeitlich versetzt anzusteuern. Durch die Ausführung in mehrere Teilbatterien, denen jeweils eigene Heizvorrichtungen zugeordnet sind, die zeitlich versetzt angesteuert werden, wird verhindert, dass die Batteriespannung vollständig zusammenbricht, was nachteilige Auswirkungen auf angeschlossene Elektroniken haben kann. Bereits bei einer Unterteilung in zwei Teilbatterien ist der Spannungseinbruch auf die halbe Batteriespannung begrenzt. Der vermeintliche Mehraufwand aufgrund der mehreren Heizeinrichtungen wird zusätzlich dadurch aufgewogen, dass die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit reduziert werden, sodass kostengünstigere Bauelemente verwendet werden können. Dabei sei angemerkt, dass bei mehreren Heizeinrichtungen nicht alle zeitlich versetzt angesteuert werden müssen, sondern einzelne Heizeinrichtungen auch zeitgleich betrieben werden können oder einzelne gar nicht angesteuert werden müssen. Ist z.B. nur eine Teilmenge an Batteriemodulen untertemperiert, so macht es Sinn, die Phasenansteuerung nur für diese Teilmenge zu konfigurieren.For this purpose, the battery unit comprises a high-voltage battery consisting of several battery cells. The high-voltage battery is divided into n sub-batteries, where n ≥ 2. Each sub-battery is assigned its own heating device, wherein the heating devices are designed to alternately generate a discharge and charge current at the high-voltage battery or the respective sub-battery. The heating devices each have at least one switching element and at least one capacitor. A common control unit is assigned to the heating devices, which is designed to control the heating devices at staggered times. By implementing several sub-batteries, each of which is assigned its own heating devices that are controlled at staggered times, the battery voltage is prevented from collapsing completely, which can have adverse effects on connected electronics. Even with a sub-division into two sub-batteries, the voltage drop is limited to half the battery voltage. The perceived additional effort due to the multiple heating devices is further offset by the fact that the requirements for dielectric strength are reduced, allowing the use of more cost-effective components. It should be noted that if there are several heating devices, not all of them have to be controlled at different times, but individual heating devices can also be operated simultaneously or some do not have to be controlled at all. For example, if only a subset of battery modules is modules are under-tempered, it makes sense to configure the phase control only for this subset.

Dabei sind das mindestens eine Schaltelement und der mindestens eine Kondensator der Heizeinrichtung parallel geschaltet, die dann mit der inneren Induktivität der Hochvoltbatterie bzw. Teilbatterie einen Serienschwingkreis bilden. Die Schaltelemente sind beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs ausgebildet.The at least one switching element and the at least one capacitor of the heating device are connected in parallel, forming a series resonant circuit with the internal inductance of the high-voltage battery or sub-battery. The switching elements are designed, for example, as MOSFETs or IGBTs.

Weiter ist in Reihe zu der Parallelschaltung aus Schaltelement und Kondensator eine Parallelschaltung aus einer Zusatz-Induktivität und einer Diode angeordnet. Dabei dient die Zusatz-Induktivität primär dazu, den Entladestrom zu begrenzen, wobei dann die Diode die Spannung bei der Rückspeisung begrenzt, um so wieder Rückwirkungen auf im Umfeld verbaute Elektroniken wie beispielsweise Batteriemanagement-Steuergerät oder Batteriemodulsteuergeräte zu verhindern. Anschaulich schließt die Diode die Zusatz-Induktivität beim Rückladen kurz und begrenzt die Spannung auf die Flussspannung der Diode.Furthermore, a parallel circuit consisting of an additional inductor and a diode is arranged in series with the parallel circuit of the switching element and capacitor. The additional inductor primarily serves to limit the discharge current, while the diode then limits the voltage during refeeding, thus preventing interference with nearby electronics such as battery management control units or battery module control units. The diode effectively short-circuits the additional inductor during refeeding and limits the voltage to the forward voltage of the diode.

In einer Ausführungsform ist die Hochvoltbatterie aus Batteriemodulen zusammengesetzt, die jeweils eine Anzahl von Batteriezellen aufweisen, wobei jedem Batteriemodul oder gruppenweise zusammengefassten Batteriemodulen jeweils eine Heizeinrichtung zugeordnet ist. Beispielsweise werden parallel geschaltete Batteriemodule zu einer Gruppe mit einer Heizeinrichtung zusammengefasst. Der Vorteil ist, dass neben der Heizfunktion die Heizeinrichtung für ein Balancing genutzt werden kann. Dies ist beispielsweise bei einem Austausch eines Batteriemoduls im Rahmen eines Servicefalls vorteilhaft. So kann ein im Vergleich zu den bereits vorhandenen Batteriemodulen höher liegender Ladezustand des neu eingebauten Batteriemoduls durch zyklische Entnahme und Wiedereinspeisung von Ladung durch Umsetzung in Wärme angepasst werden. Ist der Ladezustand des neuen Batteriemoduls geringer, so können analog die „alten“ Batteriemodule gezielt entladen werden.In one embodiment, the high-voltage battery is composed of battery modules, each having a number of battery cells, with each battery module or battery modules grouped together being assigned a heating device. For example, battery modules connected in parallel are grouped together with a heating device. The advantage is that, in addition to the heating function, the heating device can be used for balancing. This is advantageous, for example, when replacing a battery module during servicing. In this way, a higher state of charge of the newly installed battery module compared to the existing battery modules can be adjusted by cyclical removal and reinsertion of charge by converting it into heat. If the state of charge of the new battery module is lower, the "old" battery modules can be selectively discharged in a similar way.

In einer weiteren Ausführungsform ist jeder Batteriezelle eine Heizeinrichtung zugeordnet. Somit kann neben einer weiteren Reduzierung der Spannungseinbrüche auch ein Zell-Balancing durchgeführt werden.In another embodiment, each battery cell is assigned a heating device. This allows for cell balancing in addition to further reducing voltage drops.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Batterieeinheit mindestens ein Relais auf, um die Heizeinrichtungen galvanisch von der Hochvoltbatterie zu trennen. Somit können die Schaltelemente der Heizeinrichtungen spannungsfrei geschaltet werden, wenn die Heizeinrichtungen nicht benötigt werden. Des Weiteren kann somit im Fehlerfall (z.B. einen Kurzschluss in der Heizeinrichtung diese rückwirkungsfrei abgeschaltet werden.In a further embodiment, the battery unit has at least one relay to galvanically isolate the heating devices from the high-voltage battery. This allows the switching elements of the heating devices to be de-energized when the heating devices are not needed. Furthermore, in the event of a fault (e.g., a short circuit in the heating device), the heating device can be switched off without any adverse effects.

In einer weiteren Ausführungsform weist jede Heizeinrichtung ein Relais auf.In a further embodiment, each heating device has a relay.

Ein bevorzugtere Anwendungsfall der Batterieeinheit ist der Einsatz als Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs.A more preferred application of the battery unit is as a traction battery for an electric vehicle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Batterieeinheit mit Heizeinrichtungen einer ersten Ausführungsform,
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Heizeinrichtung in einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Batterieeinheit mit einer nichterfindungsgemäßen Heizeinrichtung und
  • 4a-4c Steuer-, Strom- und Spannungsverläufe einer Heizeinrichtung gemäß 3.
The invention is explained in more detail below using preferred embodiments. The figures show:
  • 1 a schematic block diagram of a battery unit with heating devices of a first embodiment,
  • 2 a schematic block diagram of a heating device in a second embodiment,
  • 3 a schematic block diagram of a battery unit with a heating device not according to the invention and
  • 4a-4c Control, current and voltage curves of a heating device according to 3 .

Bevor die Erfindung näher erläutert wird, soll zunächst anhand der 3 sowie der 4a-c die der Erfindung zugrundeliegende Problematik näher erläutert werden.Before the invention is explained in more detail, it should first be explained with reference to the 3 and the 4a -c the problem underlying the invention will be explained in more detail.

Die Batterieeinheit 1 umfasst mehrere Batteriemodule 2, die jeweils mehrere Batteriezellen 3 aufweisen. Den Batteriemodulen 2 ist jeweils ein Batteriemodulsteuergerät 4 zugeordnet, das Temperatur und Ladezustand der Batteriezellen 3 überwacht. Die Gesamtheit der Batteriezellen 3 bildet die Hochvoltbatterie HV, die einen Innenwiderstand Ri und eine Innen-Induktivität Li aufweist. Weiter weist die Batterieeinheit 1 eine Heizeinrichtung 5 auf, die ein Relais 6, einen Kondensator C und ein Schaltelement S aufweist. Das Relais 6 und das Schaltelement S werden von einem Steuergerät 7 angesteuert, wobei Heizeinrichtung 5 und Steuergerät 7 ein Heizmodul 8 bilden. Dabei muss das Steuergerät 7 nicht als separates Steuergerät ausgebildet sein, sondern kann in einem anderen Steuergerät implementiert sein. Weiter weist die Batterieeinheit 1 ein Batteriemanagement-Steuergerät 9 auf. Das Batteriemanagement-Steuergerät 9 wird über einen DC/DC-Wandler 9a aus der Hochvoltbatterie HV mit Spannung versorgt. Weiter weist die Batterieeinheit 1 Sicherungen 10, 11 und Hauptschütze 12, 13 zur galvanischen Trennung der Batterieeinheit 1 von dem übrigen Traktionsnetz, bestehend aus Zwischenkreiskondensator CZ, Pulswechselrichter 14 und Elektromaschine 15, auf. Die Batterieeinheit 1 kann weitere Elemente wie Vorladeschaltungen und Sensoren aufweisen, die hier aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind.The battery unit 1 comprises a plurality of battery modules 2, each of which has a plurality of battery cells 3. Each of the battery modules 2 is assigned a battery module control unit 4, which monitors the temperature and charge state of the battery cells 3. The entirety of the battery cells 3 forms the high-voltage battery HV, which has an internal resistance R i and an internal inductance L i . The battery unit 1 also has a heating device 5, which has a relay 6, a capacitor C, and a switching element S. The relay 6 and the switching element S are controlled by a control unit 7, with the heating device 5 and the control unit 7 forming a heating module 8. The control unit 7 does not have to be designed as a separate control unit, but can be implemented in another control unit. The battery unit 1 also has a battery management control unit 9. The battery management control unit 9 is supplied with voltage from the high-voltage battery HV via a DC/DC converter 9a. Furthermore, the battery unit 1 has fuses 10, 11 and main contactors 12, 13 for galvanic isolation of the battery unit 1 from the remaining traction network, consisting of the intermediate circuit capacitor C Z , the pulse inverter 14 and the electric machine 15. The battery unit 1 can have further elements such as pre-charging circuits and sensors sensors that are not shown here for reasons of clarity.

Erfassen nun nicht dargestellte Temperatursensoren der Batterieeinheit 1, dass die Temperatur der Batteriezellen 3 zu niedrig ist, so wird die Heizeinrichtung 5 aktiviert, wobei zunächst das Relais 6 geschlossen wird. Der Schalter S ist noch offen und der Kondensator C wird aufgeladen bis zu einer Spannung, die der Spannung der Hochvoltbatterie HV entspricht. Dann erzeugt das Steuergerät 7 einen kurzen Steuerpuls SP von einigen µs (z.B. 5-10 µs) und schließt den Schalter S, der vorzugsweise als Transistor ausgebildet ist (siehe 4a). Dadurch wird die Hochvoltbatterie HV und der Kondensator C kurzgeschlossen, sodass ein großer Entladestrom fließt. Dies bewirkt eine thermische Verlustleistung am Innenwiderstand Ri, die die Batteriezellen 3 erwärmt. Gleichzeitig wird in der Innen-Induktivität Li Energie in Form eines Magnetfeldes gespeichert.If temperature sensors (not shown) of the battery unit 1 detect that the temperature of the battery cells 3 is too low, the heating device 5 is activated, whereby relay 6 is initially closed. The switch S is still open and the capacitor C is charged to a voltage corresponding to the voltage of the high-voltage battery HV. Then the control unit 7 generates a short control pulse SP of a few µs (e.g., 5-10 µs) and closes the switch S, which is preferably designed as a transistor (see 4a) This short-circuits the high-voltage battery HV and the capacitor C, causing a large discharge current to flow. This causes thermal power loss at the internal resistance R i , which heats the battery cells 3. At the same time, energy is stored in the internal inductance L i in the form of a magnetic field.

Wird dann der Schalter S geöffnet, treibt die in der Innen-Induktivität Li gespeicherte Energie den Strom weiter. Dieser Strom lädt den Kondensator C auf eine Spannung UC = UBatt + Li dl/dt auf. Mit Abschluss dieser Kondensator-Ladephase beginnt der Strom aus dem auf UC > UBatt aufgeladenen Kondensator zurück in die Hochvoltbatterie HV zu fließen, wobei am Innenwiderstand Ri erneut eine Heizleistung direkt in den Batteriezellen 3 erzeugt wird. Nachteilig ist jedoch der wiederholte Spannungseinbruch zwischen HV+ und HV- in den Phasen mit geschlossenem Schalter S bzw. durchgeschaltetem Transistor (siehe auch 4c). Diese Spannungseinbrüche können Rückwirkungen auf die Batteriemodulsteuergeräte 4 als auch über den DC/DC-Wandler 9a auf das Batteriemanagement-Steuergerät 9 haben. Zusätzliche Probleme können auftreten, wenn der Heizbetrieb während der Fahrt bei geschlossenen Hauptschützen 12, 13 erfolgt. Dann sind auch Rückwirkungen auf den Zwischenkreiskondensator CZ sowie den Pulswechselrichter 14 und dessen Leistungselektronik möglich. Des Weiteren führen die sehr großen, hochfrequenten Lade- und Entladeströme zu Bauteilebelastungen.If the switch S is then opened, the energy stored in the internal inductance L i drives the current further. This current charges the capacitor C to a voltage U C = U Batt + L i dl/dt. At the end of this capacitor charging phase, the current from the capacitor charged to U C > U Batt begins to flow back into the high-voltage battery HV, whereby heating power is again generated directly in the battery cells 3 at the internal resistance R i . A disadvantage, however, is the repeated voltage drop between HV+ and HV- in the phases with the switch S closed or the transistor switched on (see also 4c These voltage drops can have repercussions on the battery module control units 4 and, via the DC/DC converter 9a, on the battery management control unit 9. Additional problems can arise if the heating operation occurs while driving with the main contactors 12, 13 closed. In this case, repercussions on the intermediate circuit capacitor C Z as well as the pulse-controlled inverter 14 and its power electronics are also possible. Furthermore, the very large, high-frequency charging and discharging currents lead to component stress.

Diese Probleme werden nun nachhaltig durch die Erfindung reduziert, was nun anhand von 1 näher erläutert werden soll.These problems are now sustainably reduced by the invention, which can now be seen on the basis of 1 should be explained in more detail.

Dabei sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 3 versehen. Der wesentliche Unterschied zu der Batterieeinheit 1 gemäß 3 ist, dass die Hochvoltbatterie HV in Teilbatterien TB unterteilt wird, wobei in 1 eine Unterteilung in zwei Teilbatterien TB1 und TB2 dargestellt ist. Dabei ist jeder Teilbatterie TB1, TB2 eine eigene Heizeinrichtung 5 zugeordnet, wobei die Heizeinrichtungen 5 durch das Steuergerät 7 zeitlich versetzt angesteuert werden. Wird nun zuerst die obere Heizeinrichtung 5 angesteuert und die Abklingprozesse abgewartet, wobei dann anschließend die untere Heizeinrichtung 5 angesteuert wird, so wird der Spannungseinbruch auf die halbe Batteriespannung begrenzt. Es versteht sich, dass durch Unterteilung der Hochvoltbatterie HV in mehrere Teilbatterien TB der Spannungseinbruch weiter reduziert werden kann. Beispielsweise wird jedem Batteriemodul 2 eine Heizeinrichtung 5 zugeordnet oder jeder Batteriezelle 3, sodass die Heizeinrichtungen 5 auch für ein Modul- oder Zellen-Balancing verwendet werden können.The same elements are identified by the same reference numerals as in 3 The main difference to the battery unit 1 according to 3 is that the high-voltage battery HV is divided into sub-batteries TB, where 1 a division into two sub-batteries TB1 and TB2 is shown. Each sub-battery TB1, TB2 is assigned its own heating device 5, with the heating devices 5 being controlled at different times by the control unit 7. If the upper heating device 5 is controlled first and the decay processes are waited for, with the lower heating device 5 then being controlled, the voltage drop is limited to half the battery voltage. It is understood that by dividing the high-voltage battery HV into several sub-batteries TB, the voltage drop can be further reduced. For example, a heating device 5 is assigned to each battery module 2 or to each battery cell 3, so that the heating devices 5 can also be used for module or cell balancing.

Wie bereits ausgeführt, können die einzelnen Heizeinrichtungen 5 derart zeitlich versetzt angesteuert werden, dass die Abklingvorgänge abgeschlossen sind. Es ist aber auch möglich, die Heizeinrichtungen 5 derart anzusteuern, dass eine Heizeinrichtung 5 angesteuert wird, wenn die vorangegangene Heizeinrichtung 5 beim Überschwingen der Spannung ist (siehe auch 4c). Dadurch kann der Spannungseinbruch weiter reduziert werden. Insbesondere am DC/DC-Wandler 9a und somit dem Batteriemanagement-Steuergerät 9 sowie dem Zwischenkreiskondensator CZ werden somit die Auswirkungen des Spannungseinbruchs minimiert. Die Batteriemodulsteuergeräte 4 können gegebenenfalls durch Schaltelemente von den Batteriemodulen 2 galvanisch während des Heizbetriebes abgetrennt werden.As already explained, the individual heating devices 5 can be controlled at different times so that the decay processes are completed. However, it is also possible to control the heating devices 5 in such a way that a heating device 5 is controlled when the preceding heating device 5 is in the process of overshooting the voltage (see also 4c ). This allows the voltage drop to be further reduced. The effects of the voltage drop are thus minimized, particularly at the DC/DC converter 9a and thus the battery management control unit 9 as well as the intermediate circuit capacitor C Z. The battery module control units 4 can, if necessary, be galvanically isolated from the battery modules 2 by switching elements during heating operation.

Da der Strom in der Entladephase der Teilbatterie TB mit der Zeitkonstanten τ = Li/Ri sehr schnell ansteigt (Li und Ri der jeweiligen Teilbatterie), ist die Bauteilebelastung sehr hoch. Dieses Problem kann durch eine Schaltung gemäß 2 reduziert werden. Dabei wird in Reihe zu dem Relais 6 und der Parallelschaltung vom Kondensator C und Schaltelement S eine Parallelschaltung einer Zusatzinduktivität LZ und Diode D geschaltet. Im Entladefall ist die Diode D in Sperrrichtung gepolt und die Innen-Induktivität Li in Reihe zur Zusatzinduktivität LZ geschaltet. Hierdurch wird die Zeitkonstante τ erhöht und der Stromanstieg begrenzt. Diese erhöhte Induktivität Li + LZ würde nun aber auch zu einer entsprechend erhöhten Spannungslage am Kondensator C führen. Dies wird nun durch die Diode D begrenzt, die die induzierte Spannung an der Zusatzinduktivität LZ auf die Flussspannung der Diode D begrenzt. Since the current in the discharge phase of the sub-battery TB increases very rapidly with the time constant τ = L i /R i (L i and R i of the respective sub-battery), the component load is very high. This problem can be solved by a circuit according to 2 be reduced. In this case, a parallel circuit of an additional inductance L Z and diode D is connected in series with the relay 6 and the parallel circuit of the capacitor C and switching element S. In the discharge case, the diode D is polarized in the reverse direction and the internal inductance L i is connected in series with the additional inductance L Z. This increases the time constant τ and limits the current rise. This increased inductance L i + L Z would now also lead to a correspondingly increased voltage level at the capacitor C. This is now limited by the diode D, which limits the induced voltage at the additional inductance L Z to the forward voltage of the diode D.

Des Weiteren bewirkt das „Kurzschließen“ der Zusatzinduktivität, dass der Rückspeisestrom aus dem Kondensator C in die Teilbatterie TB durch die Zusatzinduktivität LZ nur geringfügig begrenzt wird. Anstelle der Diode könnte auch ein Schaltelement vorgesehen sein, das beim Rückfluss die Zusatzinduktivität LZ kurzschließt. Dies ist aber aufwändiger als die einfache Diode D.Furthermore, the "short-circuiting" of the additional inductance ensures that the feedback current from capacitor C into the sub-battery TB is only slightly limited by the additional inductance LZ . Instead of the diode, a switching element could also be provided that shorts the additional inductance LZ during the return flow. However, this is more complex than the simple diode D.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BatterieeinheitBattery unit
22
BatteriemodulBattery module
33
BatteriezelleBattery cell
44
BatteriemodulsteuergerätBattery module control unit
55
HeizeinrichtungHeating device
66
Relaisrelay
77
Steuergerätcontrol unit
88
HeizeinrichtungHeating device
99
Batteriemanagement-SteuergerätBattery management control unit
9a9a
DC/DC-WandlerDC/DC converter
1010
SicherungBackup
1111
SicherungBackup
1212
HauptschützMain contactor
1313
HauptschützMain contactor
1414
PulswechselrichterPulse inverter
1515
Elektromaschineelectric machine
RiRi
InnenwiderstandInternal resistance
LiLi
Innen-InduktivitätInternal inductance
CZCZ
ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
SS
Schaltelementswitching element
CC
Kondensatorcapacitor
SPSP
Steuerpulscontrol pulse
TBTB
TeilbatteriePartial battery
LZLZ
ZusatzinduktivitätAdditional inductance
DD
Diodediode

Claims (5)

Batterieeinheit (1), umfassend eine Hochvoltbatterie (HV), die aus mehreren Batteriezellen (3) besteht, sowie eine Heizeinrichtung (5), wobei die Heizeinrichtung (5) derart ausgebildet ist, alternierend einen Entlade- und Ladestrom an der Hochvoltbatterie (HV) zu erzeugen, wobei die Heizeinrichtung (5) mindestens ein Schaltelement (S) und mindestens einen Kondensator (C) aufweist, wobei die Hochvoltbatterie (HV) in n Teilbatterien (TB) unterteilt ist, wobei n ≥ 2 ist, wobei jeder Teilbatterie (TB) eine eigene Heizeinrichtung (5) zugeordnet ist, wobei den Heizeinrichtungen (5) ein gemeinsames Steuergerät (7) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, die Heizeinrichtungen (5) zeitlich versetzt anzusteuern dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltelement (S) und der mindestens eine Kondensator (C) der Heizeinrichtung (5) parallel geschaltet sind, wobei in Reihe zu der Parallelschaltung aus Schaltelement (S) und Kondensator (C) eine Parallelschaltung aus einer Zusatz-Induktivität (LZ) und einer Diode (D) angeordnet ist.Battery unit (1), comprising a high-voltage battery (HV) consisting of a plurality of battery cells (3), and a heating device (5), wherein the heating device (5) is designed to alternately generate a discharge and charge current at the high-voltage battery (HV), wherein the heating device (5) has at least one switching element (S) and at least one capacitor (C), wherein the high-voltage battery (HV) is divided into n sub-batteries (TB), where n ≥ 2, wherein each sub-battery (TB) is assigned its own heating device (5), wherein the heating devices (5) are assigned a common control unit (7) which is designed to control the heating devices (5) with a time offset, characterized in that the at least one switching element (S) and the at least one capacitor (C) of the heating device (5) are connected in parallel, wherein a parallel circuit comprising an additional inductance (L Z ) and a diode (D) is arranged in series with the parallel circuit comprising the switching element (S) and the capacitor (C). is. Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (HV) aus Batteriemodulen (2) zusammengesetzt ist, die jeweils eine Anzahl von Batteriezellen (3) aufweisen, wobei jedem Batteriemodul (2) oder gruppenweise zusammengefassten Batteriemodulen (2) jeweils eine Heizeinrichtung (5) zugeordnet ist.Battery unit after Claim 1 , characterized in that the high-voltage battery (HV) is composed of battery modules (2), each having a number of battery cells (3), each battery module (2) or battery modules (2) combined in groups being assigned a heating device (5). Batterieeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Batteriezelle (3) eine Heizeinrichtung (5) zugeordnet.Battery unit after Claim 1 , characterized in that each battery cell (3) is assigned a heating device (5). Batterieeinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieeinheit (1) mindestens ein Relais (6) aufweist, um die Heizeinrichtungen (5) galvanisch von der Hochvoltbatterie (HV) zu trennen.Battery unit according to one of the preceding claims, characterized in that the battery unit (1) has at least one relay (6) in order to galvanically separate the heating devices (5) from the high-voltage battery (HV). Batterieeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Heizeinrichtung (5) ein Relais (6) aufweist.Battery unit after Claim 4 , characterized in that each heating device (5) has a relay (6).
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