DE102011004624A1

DE102011004624A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102011004624A1
Application number: DE201110004624
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dömel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30
Also published as: JP2014510996A; WO2012113583A1; CN103392258A; EP2678896A1; KR20140015342A; US20130330578A1; CA2826329A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erwärmen einer Fahrbatterie (120) eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Das Fahrzeug umfasst einen Wechselrichter (130), einen Kühlkreislauf (250), über den die Fahrbatterie (120) und der Wechselrichter (130) thermisch gekoppelt sind, und eine elektrische Maschine (140). Die elektrische Maschine (140) empfängt von dem Wechselrichter (130) einen Wechselstrom, der mittels des Wechselrichters (130) aus einem von der Fahrbatterie (120) empfangenen Gleichstrom erzeugt wird. Das Verfahren weist einen Schritt des Einstellens eines Blindstromanteils des Wechselstroms auf, um in dem Wechselrichter (130) Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie (120) über den Kühlkreislauf (250) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs, eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs sowie auf ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Vorrichtung.
Bei tiefen Temperaturen kann einer Batterie, beispielsweise einer Lithium-Batterie für eine Anwendung zur Lieferung von Antriebsleistung im PKW-Bereich, nur eine sehr geringe Leistung entnommen werden. Beim Entnehmen der bei tiefen Temperaturen entnehmbaren Leistung treten Eigenverluste auf, die jedoch nicht ausreichen, um die Batterie auf eine geeignete Betriebstemperatur zu erwärmen. Bisher wird eine Fahrbatterie in einem Fahrzeug durch verschiedene Maßnahmen auf Betriebstemperatur gebracht. Diese Maßnahmen bedingen jedoch grundsätzlich einen zusätzlichen Aufwand, beispielsweise im Hinblick auf zusätzliche Hardware.
Die DE 40 27 149 A1 offenbart eine elektronische Batterieheizung, die in einem Gehäuse eingebaut und an der Batterie mit einer doppelseitigen Klebefolie angebracht ist.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs, eine verbesserte Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs und ein verbessertes Antriebssystem für ein Fahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Einsatz von Blindstrom zur Kühlmittelheizung. Das erhitzte Kühlwasser wird wiederum zum Erwärmen der Fahrbatterie eingesetzt. Der Grundgedanke besteht darin, mit für einen normalen Fahrbetrieb des Fahrzeugs vorhandener Hardware sämtliche oder den überwiegenden Teil einer der kalten Batterie entnehmbaren Leistung in Wärme umzusetzen. Die vorhandene Hardware besteht dabei neben der Fahrbatterie aus einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine.
Gemäß einer Ausführungsform wird die elektrische Maschine über den Wechselrichter mit einem Wechselstrom gespeist, der wenig oder kein Drehmoment in der Maschine bewirkt, sondern nur oder hauptsächlich ohmsche Verluste in Form von Abwärme produziert. Elektrisch gesehen handelt es sich bei dieser Art von Maschinenströmen um Blindströme. Die bei der Erzeugung dieses Wechselstromes verursachten Schalt- und Durchlassverluste der Wechselrichterschaltelemente erhitzen dabei das Kühlwasser eines Kühlkreislaufs. Der Wechselrichter und die Fahrbatterie sind mit dem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt und hydraulisch in Reihe geschaltet, sodass das erhitzte Kühlwasser die Fahrbatterie durchströmen und diese erwärmen kann.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der Heizung mit Blindstrom kein zusätzlicher Hardwareaufwand für das Erwärmen der Fahrbatterie anfällt. Dadurch können Kosten und Bauraum eingespart werden. Zudem ist die Realisierung einer solchen Fahrbatterieheizung auch fertigungstechnisch unaufwändig. Da die Fahrbatterie bei niedrigen Temperaturen erwärmt werden muss, um volle Leistungsfähigkeit zu erreichen, bietet die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, auch bei Kaltstartbedingungen die Fahrbatterie so zu erwärmen, dass sie möglichst schnell volle Leistung bringen kann. Somit ist es nicht nötig, das Wasser im Kühlkreislauf, mit dem die Fahrbatterie gekoppelt ist, mittels einer im PKW verbaubaren Standheizung oder mittels eines Wasser/Wasser-Wärmetauschers zu erhitzen. Daher werden auch keine Heizpatronen für einen solchen Wärmetauscher benötigt, die von der Batterie oder extern versorgt werden. Ferner entfallen für die Fahrbatterie interne Heizzellen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs mit einem Wechselrichter, einem Kühlkreislauf, über den die Fahrbatterie und der Wechselrichter thermisch gekoppelt sind, und einer elektrischen Maschine, die ausgebildet ist, um von dem Wechselrichter einen Wechselstrom zu empfangen, der mittels des Wechselrichters aus einem von der Fahrbatterie empfangenen Gleichstrom erzeugt ist, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Einstellen eines Blindstromanteils des Wechselstroms, um in dem Wechselrichter Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf zu erzeugen.
Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln, beispielsweise ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug. Beispielsweise kann es sich um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln. Eine Fahrbatterie stellt eine Antriebsleistung für ein solches elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereit. Dabei kann die Fahrbatterie ein elektrochemischer Energiespeicher in Form einer Sekundärzelle bzw. eines Akkumulators, insbesondere einer Lithium-Zelle, sein. Die Fahrbatterie ist ausgebildet, um einen Batteriestrom bereitzustellen, bei dem es sich um Gleichstrom handelt. Der Wechselrichter ist ausgebildet, um den Gleichstrom von der Fahrbatterie zu empfangen. Der Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das ausgebildet ist, um einen Gleichstrom, hier den Batteriestrom, in einen Wechselstrom zu wandeln. Bei dem Wandlungsvorgang treten in Schaltelementen des Wechselrichters Verluste auf, die zu einer Erwärmung in Form von Wärme führen. Ein Kühlmittel in dem Kühlkreislauf kann die bei der Wechselstromwandlung entstehende Verlustwärme von dem Wechselrichter aufnehmen und an die Fahrbatterie abgeben und diese erwärmen. Bei dem mittels des Wechselrichters aus dem Batteriestrom umgerichteten Wechselstrom kann es sich um einen Dreiphasenwechselstrom bzw. Drehstrom handeln. Der Wechselstrom kann einen Wirkstromanteil und einen Blindstromanteil umfassen. Der Wirkstromanteil des Wechselstroms ist geeignet, um eine elektrische Maschine mit elektrischer Antriebsleistung zu versorgen. Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor sein. Der Blindstromanteil wird von der elektrischen Maschine nicht in mechanische Leistung sondern in Wärmeleistung umgesetzt. Daher wird der Blindstromanteil im Normalbetrieb der elektrischen Maschine möglichst gering gehalten. Erfindungsgemäß wird der Blindstromanteil des Wechselstroms über ein zum Normalbetrieb der elektrischen Maschine erforderliches sinnvolles Maß heraus erhöht, um vermehrt Verlustwärme zu erzeugen. Die durch den Blindstromanteil hervorgerufene Verlustwärme fällt dabei sowohl in dem Wechselrichter als auch in der elektrischen Maschine an. Die benötigte spezielle Phasenlage des Wechselstromes kann bei Stillstand der elektrischen Maschine beispielsweise durch Anlegen eines festen Resolverwinkelmusters bewirkt werden. Bei drehender Maschine kann zum Beispiel durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen die Phasenlage des Wechselstromes so gesteuert werden, dass sich der gewünschte Effekt eines erhöhten Blindstromanteils einstellt.
Dabei kann im Schritt des Einstellens eines Blindstromanteils des Wechselstroms, der Blindstromanteil des Wechselstroms abhängig von einer Temperatur der Fahrbatterie eingestellt werden. Die Fahrbatterie weist einen optimalen Betriebstemperaturbereich auf, innerhalb dessen eine Leistungsabgabe der Fahrbatterie maximal ist. Liegt eine Temperatur der Fahrbatterie aktuell unter dem optimalen Betriebstemperaturbereich kann der Blindstromanteil erhöht werden. Der erhöhte Blindstromanteil dient einer Erwärmung der Fahrbatterie auf eine Temperatur, die innerhalb des optimalen Betriebstemperaturbereichs liegt. Die Erhöhung der Temperatur erfolgt durch eine Wärmeabgabe des Wechselrichters über den Kühlkreislauf an die Fahrbatterie. Der Blindstromanteil kann hierbei variabel eingestellt werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer unaufwändigen und effizienten Erwärmung der Fahrbatterie.
Auch kann ein Schritt des Einstellens eines Wirkstromanteils des Wechselstroms vorgesehen sein, um über die elektrische Maschine eine mechanische Antriebsleistung bereitzustellen. Der Wirkstromanteil kann von der elektrischen Maschine in mechanische Antriebsleistung umgesetzt werden. Soll die Fahrbatterie erwärmt werden, damit ihre Temperatur in den optimalen Betriebstemperaturbereich kommt, so kann der Wirkstromanteils zu Gunsten eines erhöhten Blindstromanteils gesenkt werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Beschädigung der Fahrbatterie durch zu viel Leistungsentnahme bei zu niedriger Temperatur vermieden werden kann. Ist die Fahrbatterie dann auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt, steht die maximale mechanische Antriebsleistung zur Verfügung.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens des Wirkstromanteils des Wechselstroms, der Wirkstromanteil des Wechselstroms unabhängig von einer angeforderten mechanischen Antriebsleistung auf Null oder beinahe Null eingestellt werden, wenn eine Temperatur der Fahrbatterie unter einer vorgegebenen Temperatur der Fahrbatterie liegt. Eine solche vorgegebene Temperatur kann einen Grenzwert repräsentieren, unterhalb dessen zum Schutz der Batterie möglichst wenig Leistung entnommen werden sollte. Liegt die Temperatur der Batterie unter der vorgegebenen Temperatur, so kann die Abgabe von Wirkleistung durch den Wechselrichter beschränkt werden. Die Beschränkung der Abgabe der Wirkleistung kann so weit gehen, dass von der elektrischen Maschine aufgrund der Beschränkung weniger mechanische Leistung bereitgestellt werden kann, als zum Antrieb des Fahrzeugs angefordert ist. Stattdessen kann von dem Wechselrichter vermehrt Blindstrom bereitgestellt werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil sehr wirksamer Wärmeerzeugung, um die Fahrbatterie auch bei niedriger Temperatur möglichst schnell in den Bereich optimaler Betriebstemperaturen zu bringen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Einstellens ein Verhältnis zwischen dem Blindstromanteil und einem Wirkstromanteil des Wechselstroms abhängig von einer Temperatur der Fahrbatterie variabel eingestellt werden. Je näher die aktuelle Temperatur der Fahrbatterie an einer gewünschten optimalen Betriebstemperatur liegt, desto höher kann der Wirkstromanteil eingestellt werden. Diese weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet auch den Vorteil, dass eine Wärmeleistung zum Erwärmen der Fahrbatterie je nach Bedarf an eine jeweils vorliegende Temperatur angepasst werden kann. Es ist daher ein Mischbetrieb der elektrischen Maschine möglich, bei dem zum Beispiel ein Teil des Wechselstromes zur Momentenbildung benutzt wird und der andere Teil zur reinen Erhitzung. Somit ist eine variable Einteilung des Wechselstromes in momentenbildenden und heizenden Strom, also Wirk- und Blindstrom möglich.
Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine ebenfalls thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt. Somit kann im Schritt des Einstellens der Blindstromanteil des Wechselstroms eingestellt werden, um in der elektrischen Maschine weitere Verlustwärme zum weiteren Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf zu erzeugen. In Fahrzeugen, bei denen sich die elektrische Maschine im selben Kühlkreislauf wie Wechselrichter und Fahrbatterie befindet, können auch die in den Kühlkreislauf abgeführten ohmschen Verluste der elektrischen Maschine zum Heizen der Fahrbatterie benutzt werden. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil maximaler Wärmeerzeugung zum Erwärmen der Fahrbatterie. Hierbei dient sogar die durch den Wirkstromanteil bewirkte Verlustwärme der elektrischen Maschine der Erwärmung der Fahrbatterie. Somit wird der von dem Wechselrichter bereitgestellte Blindstrom vollständig zum Erwärmen der Fahrbatterie genutzt werden.
Auch kann ein Schritt des Empfangens eines Signals vorgesehen sein, anhand dessen eine Temperatur der Fahrbatterie herleitbar ist. Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um ein Ausgangssignal eines Temperatursensors handeln. Das Signal kann eine Umgebungstemperatur oder eine Temperatur der Fahrbatterie angeben. Das Signal kann aber auch einen sonstigen Zustand der Fahrbatterie angeben, aus dem die Temperatur der Farbbatterie bestimmbar ist. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Temperatur der Batterie zuverlässig bestimmt werden kann und dadurch auch eine Kontrollmöglichkeit gegeben ist, um zu Kontrollieren, ob der optimale Betriebstemperaturbereich der Fahrbatterie während des Betriebs eingehalten wird.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs mit einem Wechselrichter, einem Kühlkreislauf, über den die Fahrbatterie und der Wechselrichter thermisch gekoppelt sind, und einer elektrischen Maschine, die ausgebildet ist, um von dem Wechselrichter einen Wechselstrom zu empfangen, der mittels des Wechselrichters aus einem von der Fahrbatterie empfangenen Gleichstrom erzeugt ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Einstellen eines Blindstromanteils des Wechselstroms, um in dem Wechselrichter Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf zu erzeugen.
Die Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie weist Einrichtungen auf, die ausgebildet sind, um ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft auszuführen.
Gemäß einer Ausführungsform, wobei die elektrische Maschine ebenfalls thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt ist, kann die Einrichtung zum Einstellen ausgebildet sein, um den Blindstromanteil des Wechselstroms einzustellen, um in der elektrischen Maschine weitere Verlustwärme zum weiteren Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, wobei das Antriebssystem folgende Merkmale aufweist:
eine Fahrbatterie zum Bereitstellen eines Gleichstroms;
einen Wechselrichter zum Wandeln des Gleichstroms in einen Wechselstrom;
eine elektrische Maschine zum Wandeln des Wechselstroms in eine mechanische Antriebsleistung;
einen Kühlkreislauf, mit dem die Fahrbatterie, der Wechselrichter und/oder die elektrische Maschine gekoppelt sind; und
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen einer Fahrbatterie.
In Verbindung mit dem vorstehenden Antriebssystem kann ein erfindungsgemäßes Verfahren vorteilhaft ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 110 zum Erwärmen einer Fahrbatterie, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem Fahrzeug 100, ist die Vorrichtung 110, eine Einstelleinrichtung 115, eine Fahrbatterie 120, ein Wechselrichter 130 und eine elektrische Maschine 140 angeordnet. Die Vorrichtung 110 weist die Einstelleinrichtung 115.
Der Wechselrichter 130 ist mit der Vorrichtung 110, der Fahrbatterie 120 und der elektrischen Maschine 140 über elektrische Leitungen verbunden. Wie nachfolgend anhand von 2 beschrieben, sind die Fahrbatterie 120 und der Wechselrichter 130, und optional auch die elektrische Maschine 140, thermisch über einen Kühlkreislauf gekoppelt. Die elektrische Maschine 140 empfängt von dem Wechselrichter 130 einen Wechselstrom, der mittels des Wechselrichters 130 aus einem von der Fahrbatterie 120 empfangenen Gleichstrom erzeugt wird.
Die Einstelleinrichtung 115 ist ausgebildet, um einen Blindstromanteil des Wechselstroms einzustellen, um in dem Wechselrichter 130, und optional auch in der elektrischen Maschine 140, vermehrt Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie 120 über den Kühlkreislauf 250 zu erzeugen. Dazu kann die Einrichtung 115 mit einem Temperaturfühler 117 gekoppelt sein, der an oder in der Nähe der Fahrbatterie 120 angeordnet ist, um eine Temperatur der Fahrbatterie zu erfassen. Die Einstelleinrichtung kann demnach ausgebildet sein, um den Blindstromanteil abhängig von der Temperatur der Fahrbatterie 120 einzustellen.
Die Fahrbatterie 120, der Wechselrichter 130, die elektrische Maschine 140, der in 1 nicht gezeigte Kühlkreislauf sowie die Vorrichtung 110 mit der Einrichtung 115 bilden ein Antriebssystem des Fahrzeugs 100. Dazu kann die elektrische Maschine 140 mit einem Getriebe oder einer Antriebsachse des Fahrzeugs 100 gekoppelt sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine Fahrbatterie 120, ein Wechselrichter 130 und eine elektrische Maschine 140. Der Wechselrichter 130 ist mit der Fahrbatterie 120 sowie mit der elektrischen Maschine 140 über elektrische Leitungen verbunden. Die Fahrbatterie 120, der Wechselrichter 130 und die elektrische Maschine 140 sind mit dem Kühlkreislauf 250 thermisch gekoppelt. Die Pumpe 260 ist den Kühlkreislauf 250 zur Umwälzung von Kühlmittel in dem Kühlkreislauf 250 zugeordnet. Die Fahrbatterie 120 nimmt eine Heizleistung (P_Heiz) 220 auf und gibt eine Batteriestromleistung (P_batt) 225 ab. Der Wechselrichter 130 nimmt die Batteriestromleistung (P_batt) 225 auf und gibt Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230 und eine Wechselstromleistung (P_ac) 235 ab. Die elektrischen Maschine 140 nimmt die Wechselstromleistung (P_ac) 235 auf und gibt mechanische Antriebsleistung (P_mech) 245 und Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 ab. Der Kühlkreislauf 250 ist ausgebildet, um die Wechselrichterverlustwärme (P_{V_} _WR) 230 und die Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 aufzunehmen und die Heizleistung (P_Heiz) 220 abzugeben.
Ein Kühlmittel wird in dem Kühlkreislauf 250 mittels der Pumpe 260 umgewälzt, wobei in Strömungsrichtung des Kühlmittels der Wechselrichter 130 hinter der Fahrbatterie 120 und die elektrische Maschine 140 hinter dem Wechselrichter 130 angeordnet ist. Somit werden nacheinander die Fahrbatterie 120, der Wechselrichter 130, die elektrische Maschine 140 und die Pumpe 260 zyklisch von dem Kühlmittel durchströmt.
Die Fahrbatterie 120 ist mit dem Wechselrichter 130 über zwei Verbindungsleitungen elektrisch verbunden. Der Wechselrichter 130 weist dazu zwei Anschlüssen U_el ⁺ und U_el ^– auf. Über die Verbindungsleitungen werden ein Gleichstrom und damit die Batteriestromleistung (P_batt) 225 von der Fahrbatterie 120 an den Wechselrichter 130 übertragen. Der Wechselrichter 130 ist ausgebildet, um den empfangenen Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Der Wechselstrom wird als Dreiphasenwechselstroms mit den Phasen U, V, W von dem Wechselrichter 130 an die elektrische Maschine 140 ausgegeben. Beim Wandeln des Gleichstroms in Wechselstrom entsteht die Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230, d. h. Verlustleistung, die von dem Wechselrichter 130 an das Kühlmittel des Kühlkreislaufs 250 abgegeben wird. Über den Wechselstrom wird die Wechselstromleistung (P_ac) 235 an die elektrische Maschine 140 übertragen. Für die Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230 gilt folgende Gleichung: P_{V_WR} = P_batt – P_ac
Somit ergibt sich die Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230 als die Differenz zwischen der Batteriestromleistung (P_batt) 225 und der Wechselstromleistung (P_ac) 235.
Die elektrische Maschine 140 ist mit dem Wechselrichter 130 verbunden und empfängt von dem Wechselrichter 130 die Wechselstromleistung (P_ac) 235, d. h. den Dreiphasenwechselstrom mit den drei Phasen U, V, W. Die elektrische Maschine 140 setzt einen Wirkanteil der Wechselstromleistung (P_ac) 235 in die mechanische Antriebsleistung (P_mech) 245 um, wobei Verlustleistung in Form der Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 entsteht. Ein Blindanteil der Wechselstromleistung (P_ac) 235 wird nicht in mechanische Antriebsleistung sondern ausschließlich in Verlustleistung in Form der Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 umgesetzt. Mittels einer geeigneten Einstelleinrichtung kann ein Verhältnis zwischen dem Blindanteil und dem Wirkanteil der Wechselstromleistung (P_ac) eingestellt werden.
Die Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 wird von dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs 250 aufgenommen. Hierbei gilt für die Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 folgende Gleichung: P_{V_masch} = P_ac – P_mech
Die Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 ergibt sich hierbei als die Differenz zwischen der Wechselstromleistung (P_ac) 235 und der mechanischen Antriebsleistung (P_mech) 245.
Der Kühlkreislauf 250 nimmt folglich die Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230 sowie die Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240 auf und kann diese als die Heizleistung (P_Heiz) 220 an die zu erwärmende Fahrbatterie 120 abgegeben. Somit nimmt die Fahrbatterie 120 die Heizleistung (P_Heiz) 220 auf und wird erwärmt. Für die Heizleistung (P_Heiz) 220 gelten dabei folgende Gleichungen: P_Heiz = P_{V_WR} + P_{V_masch} = P_batt – P_mech P_Heiz ≈ P_batt für P_mech ≈ 0
Dabei ergibt sich die Heizleistung (P_Heiz) 220 als die Summe aus der Wechselrichterverlustwärme (P_{V_WR}) 230 sowie der Maschinenverlustwärme (P_{V_masch}) 240. Abgesehen von weiteren Verlusten entspricht die Heizleistung (P_Heiz) 220 hierbei auch der Differenz zwischen der Batteriestromleistung (P_batt) 225 und der mechanischen Antriebsleistung (P_mech) 245. Für den Fall, dass die mechanische Antriebsleistung (P_mech) 245 ungefähr Null beträgt, kann der Ausdruck soweit vereinfacht werden, dass die Heizleistung (P_Heiz) 220 ungefähr gleich der Batteriestromleistung (P_batt) 225 ist. In diesem Fall kann die zur Verfügung stehende Batteriestromleistung (P_batt) 225 nahezu vollständig in Heizleistung (P_Heiz) 220 zum Erwärmen der Fahrbatterie 120 umgesetzt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wirkanteil der Wechselstromleistung (P_ac) reduziert und der Blindanteil der Wechselstromleistung (P_ac) erhöht wird.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren wird vorteilhaft in einem Fahrzeug ausgeführt, das einen Wechselrichter, einen Kühlkreislauf, über den die Fahrbatterie und der Wechselrichter thermisch gekoppelt sind, und eine elektrische Maschine aufweist. Dabei empfängt die elektrische Maschine von dem Wechselrichter einen Wechselstrom, der mittels des Wechselrichters aus einem von der Fahrbatterie empfangenen Gleichstrom erzeugt wird.
Das Verfahren 300 umfasst einen optionalen Schritt 310 des Empfangens eines Signals, anhand dessen eine Temperatur der Fahrbatterie herleitbar ist. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 320 des Einstellens eines Blindstromanteils des Wechselstroms, um in dem Wechselrichter Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf zu erzeugen, ohne dabei einen Antrieb der elektrischen Maschine zu bewirken. Das Verfahren 300 umfasst auch einen weiteren oder alternativen Schritt des Einstellens 330 eines Wirkstromanteils des Wechselstroms, um über die elektrische Maschine eine angeforderte mechanische Antriebsleistung bereitzustellen.
Dabei kann im Schritt des Einstellens 320 der Blindstromanteil des Wechselstroms abhängig von einer Temperatur der Fahrbatterie eingestellt werden. Liegt eine Temperatur der Fahrbatterie unter einer vorgegebenen Temperatur der Fahrbatterie, kann im Schritt des Einstellens 330 der Wirkstromanteil des Wechselstroms unabhängig von der angeforderten mechanischen Antriebsleistung auf Null oder beinahe Null eingestellt werden. Somit kann ein Verhältnis zwischen dem Blindstromanteil und einem Wirkstromanteil des Wechselstroms abhängig von der Temperatur der Fahrbatterie Variabel eingestellt werden. Ist die elektrische Maschine ebenfalls thermisch mit dem Kühlkreislauf gekoppelt, ist durch den Schritt 320 des Einstellens in der elektrischen Maschine weitere Verlustwärme zum weiteren Erwärmen der Fahrbatterie über den Kühlkreislauf erzeugbar.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
110: Vorrichtung zum Erwärmen
115: Einrichtung zum Einstellen
117: Temperaturfühler
120: Fahrbatterie
130: Wechselrichter
140: elektrische Maschine
200: Antriebssystem
220: Heizleistung
225: Batteriestromleistung
230: Wechselrichterverlustwärme
235: Wechselstromleistung
240: Maschinenverlustwärme
245: mechanische Antriebsleistung
250: Kühlkreislauf
260: Pumpe
300: Verfahren zum Erwärmen einer Fahrbatterie eines Fahrzeugs
310: Schritt des Empfangens
320: Schritt des Einstellens eines Blindstromanteils
330: Schritt des Einstellens eines Wirkstromanteils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4027149 A1 [0003]

Claims

Verfahren (300) zum Erwärmen einer Fahrbatterie (120) eines Fahrzeugs (100) mit einem Wechselrichter (130), einem Kühlkreislauf (250), über den die Fahrbatterie (120) und der Wechselrichter (130) thermisch gekoppelt sind, und einer elektrischen Maschine (140), die ausgebildet ist, um von dem Wechselrichter (130) einen Wechselstrom zu empfangen, der mittels des Wechselrichters (130) aus einem von der Fahrbatterie (120) empfangenen Gleichstrom erzeugt ist, wobei das Verfahren (300) folgende Schritte aufweist: Einstellen (320) eines Blindstromanteils des Wechselstroms, um in dem Wechselrichter (130) Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie (120) über den Kühlkreislauf (250) zu erzeugen.
Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einstellens (320) eines Blindstromanteils des Wechselstroms der Blindstromanteil des Wechselstroms abhängig von einer Temperatur der Fahrbatterie (120) eingestellt wird.
Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Einstellens (330) eines Wirkstromanteils des Wechselstroms, um über die elektrische Maschine (140) eine mechanische Antriebsleistung bereitzustellen.
Verfahren (300) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einstellens (330) des Wirkstromanteils des Wechselstroms der Wirkstromanteil des Wechselstroms unabhängig von einer angeforderten mechanischen Antriebsleistung auf Null oder beinahe Null eingestellt wird, wenn eine Temperatur der Fahrbatterie (120) unter einer vorgegebenen Temperatur der Fahrbatterie (120) liegt.
Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einstellens (320, 330) ein Verhältnis zwischen dem Blindstromanteil und einem Wirkstromanteil des Wechselstroms abhängig von einer Temperatur der Fahrbatterie (120) variabel eingestellt wird.
Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (140) ebenfalls thermisch mit dem Kühlkreislauf (250) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Einstellens (320) eines Blindstromanteils der Blindstromanteil des Wechselstroms eingestellt wird, um in der elektrischen Maschine (140) weitere Verlustwärme zum weiteren Erwärmen der Fahrbatterie (120) über den Kühlkreislauf (250) zu erzeugen.
Verfahren (300) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Empfangens (310) eines Signals, anhand dessen eine Temperatur der Fahrbatterie (120) herleitbar ist.
Vorrichtung (110) zum Erwärmen einer Fahrbatterie (120) eines Fahrzeugs (100) mit einem Wechselrichter (130), einem Kühlkreislauf (250), über den die Fahrbatterie (120) und der Wechselrichter (130) thermisch gekoppelt sind, und einer elektrischen Maschine (140), die ausgebildet ist, um von dem Wechselrichter (130) einen Wechselstrom zu empfangen, der mittels des Wechselrichters (130) aus einem von der Fahrbatterie (120) empfangenen Gleichstrom erzeugt ist, wobei die Vorrichtung (110) folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (115) zum Einstellen eines Blindstromanteils des Wechselstroms, um in dem Wechselrichter (130) Verlustwärme zum Erwärmen der Fahrbatterie (120) über den Kühlkreislauf (250) zu erzeugen.
Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 8, wobei die elektrische Maschine (140) ebenfalls thermisch mit dem Kühlkreislauf (250) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (115) zum Einstellen ausgebildet ist, um den Blindstromanteil des Wechselstroms einzustellen, um in der elektrischen Maschine (140) weitere Verlustwärme zum weiteren Erwärmen der Fahrbatterie (120) über den Kühlkreislauf (250) zu erzeugen.
Antriebssystem (200) für ein Fahrzeug (100), wobei das Antriebssystem folgende Merkmale aufweist: eine Fahrbatterie (120) zum Bereitstellen eines Gleichstroms; einen Wechselrichter (130) zum Wandeln des Gleichstroms in einen Wechselstrom; eine elektrische Maschine (140) zum Wandeln des Wechselstroms in eine mechanische Antriebsleistung; einen Kühlkreislauf (250), mit dem die Fahrbatterie (120), der Wechselrichter (130) und/oder die elektrische Maschine (140) gekoppelt sind; und eine Vorrichtung (110) gemäß einem der Ansprüche 8 und 9 zum Erwärmen einer Fahrbatterie.