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DE102021200902A1 - Electrical system in a motor vehicle and method for heating battery cells of at least one high-voltage battery in an electrical system - Google Patents

Electrical system in a motor vehicle and method for heating battery cells of at least one high-voltage battery in an electrical system Download PDF

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DE102021200902A1
DE102021200902A1 DE102021200902.6A DE102021200902A DE102021200902A1 DE 102021200902 A1 DE102021200902 A1 DE 102021200902A1 DE 102021200902 A DE102021200902 A DE 102021200902A DE 102021200902 A1 DE102021200902 A1 DE 102021200902A1
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DE
Germany
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gate driver
voltage
electrical system
pulse
transistors
Prior art date
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Pending
Application number
DE102021200902.6A
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German (de)
Inventor
Tobias Knoke
Jens Uwe MÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Priority to CN202210111969.0A priority patent/CN114834318B/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das System (1) ein Traktionsnetz (2) und ein Bordnetz (3) aufweist, wobei das Traktionsnetz (2) mindestens eine Hochvoltbatterie (5), einen Pulswechselrichter (8) und eine Elektromaschine (9) aufweist, wobei Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) mit mindestens einem Gate-Treiber-Baustein (12) verbunden sind, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) derart ausgebildet ist, mindestens ein Gate-Treiber-Signal (GTS) für mindestens einen Transistor (10) des Pulswechselrichters (8) zu erzeugen, wobei die Hochvoltbatterie (5) und die Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) thermisch gekoppelt sind, wobei mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur von Batteriezellen (6) der Hochvoltbatterie (5) vorgesehen ist, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) derart ausgebildet ist, bei einer Temperatur der Batteriezellen (6) unter einem Schwellwert in einen Heizbetrieb zu schalten, bei dem das Gate-Treiber-Signal (GTS) zum Durchschalten der Transistoren (10) eine geringere Spannung aufweist als in einem Normalbetrieb, wobei mindestens ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (14) vorgesehen ist, an dessen Eingang eine Bordnetzspannung und an dessen mindestens einen Ausgang eine Treiberspannung (TS) für den mindestens einen Gate-Treiber-Baustein (12) anliegt, wobei der DC/DC-Wandler (14) auf der Eingangsseite mit einer Ansteuerschaltung (15) ausgebildet ist, wobei die Ansteuerschaltung (15) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Signals (S) für den Heizbetrieb die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler (14) zu reduzieren, sowie ein Verfahren zum Heizen von Batteriezellen (6) mindestens einer Hochvoltbatterie (5) in einem elektrischen System (1) in einem Kraftfahrzeug.

Figure DE102021200902A1_0000
The invention relates to an electrical system (1) in a motor vehicle, the system (1) having a traction network (2) and an on-board network (3), the traction network (2) having at least one high-voltage battery (5), a pulse-controlled inverter (8) and an electric machine (9), wherein transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) are connected to at least one gate driver component (12), wherein the gate driver component (12) is designed in such a way that at least one gate To generate a driver signal (GTS) for at least one transistor (10) of the pulse-controlled inverter (8), the high-voltage battery (5) and the transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) being thermally coupled, with at least one means for detecting or determining a temperature of battery cells (6) of the high-voltage battery (5) is provided, wherein the gate driver module (12) is designed such that when the temperature of the battery cells (6) is below a threshold value, it switches to a heating mode in which the gate driver signal (GTS) for switching on the transistors (10) has a lower voltage than in normal operation, at least one galvanically isolated DC/DC converter (14) being provided, at the input of which an on-board power supply voltage is supplied and at its at least a driver voltage (TS) for the at least one gate driver module (12) is present at an output, the DC/DC converter (14) being designed with a drive circuit (15) on the input side, the drive circuit (15) being designed in such a way is designed to reduce the output voltage at the DC/DC converter (14) as a function of a signal (S) for the heating operation, and a method for heating battery cells (6) of at least one high-voltage battery (5) in an electrical system (1) in a motor vehicle.
Figure DE102021200902A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System in einem Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Heizen von Batteriezellen mindestens einer Hochvoltbatterie in einem elektrischen System in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to an electrical system in a motor vehicle and a method for heating battery cells of at least one high-voltage battery in an electrical system in a motor vehicle.

Es sind Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen Traktionsnetz bekannt, die eine Hochvoltbatterie aufweisen, die wiederum eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen. Bei tiefen Temperaturen ist die Leistungsentnahme begrenzt. Daher ist es bekannt, die Batteriezellen vorzuwärmen. Dies kann beispielsweise mittels einer separaten Heizvorrichtung erfolgen. Alternativ ist es bekannt, gezielt die Verlustwärme bereits vorhandener Komponenten zu benutzen, die dann thermisch mit den Batteriezellen gekoppelt sind, um diese gezielt vorzuwärmen.Motor vehicles with an electric traction network are known which have a high-voltage battery which in turn has a large number of battery cells. At low temperatures, the power consumption is limited. It is therefore known to preheat the battery cells. This can be done, for example, by means of a separate heating device. Alternatively, it is known to use the heat loss of already existing components in a targeted manner, which are then thermally coupled to the battery cells in order to preheat them in a targeted manner.

Aus der DE 11 2008 000 360 T5 ist ein elektrisches System in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei das System ein Traktionsnetz und ein Bordnetz aufweist. Weiter weist das Traktionsnetz mindestens eine Hochvoltbatterie, einen Pulswechselrichter und eine Elektromaschine auf, wobei Transistoren des Pulswechselrichters mit mindestens einem Gate-Treiber-Baustein verbunden sind, wobei der Gate-Treiber-Baustein derart ausgebildet ist, mindestens ein Gate-Treiber-Signal für mindestens einen Transistor des Pulswechselrichters zu erzeugen. Weiter sind die Transistoren des Pulswechselrichters thermisch mit der Hochvoltbatterie über ein gemeinsames Kühlsystem gekoppelt. Weiter ist mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur von Batteriezellen der Hochvoltbatterie vorgesehen. Der Gate-Treiber-Baustein ist derart ausgebildet, bei einer Temperatur unter einem Schwellwert in einen Heizbetrieb zu schalten, bei dem das Gate-Treiber-Signal zum Durchschalten der Transistoren eine geringere Spannung aufweist als in einem Normalbetrieb. Zusätzlich ist offenbart, dass der Gate-Treiber-Baustein derart ausgebildet ist, dass im Heizbetrieb ein Gate-Treiber-Signal zum Sperren der Transistoren erzeugt wird, dessen Spannung größer als im Normalbetrieb ist. Mittels beider Maßnahmen wird die Verlustleistung im Pulswechselrichter gezielt erhöht. Wie dies im Gate-Treiber-Baustein umgesetzt wird, ist nicht offenbart.From the DE 11 2008 000 360 T5 an electrical system in a motor vehicle is known, the system having a traction network and an on-board network. The traction network also has at least one high-voltage battery, a pulse-controlled inverter and an electric machine, with transistors in the pulse-controlled inverter being connected to at least one gate driver module, with the gate driver module being designed in such a way that at least one gate driver signal is generated for at least to produce a transistor of the pulse-controlled inverter. Furthermore, the transistors of the pulse-controlled inverter are thermally coupled to the high-voltage battery via a shared cooling system. At least one means for detecting or determining a temperature of battery cells of the high-voltage battery is also provided. The gate driver module is designed in such a way that, at a temperature below a threshold value, it switches to a heating mode in which the gate driver signal for switching on the transistors has a lower voltage than in normal mode. In addition, it is disclosed that the gate driver module is designed in such a way that a gate driver signal for blocking the transistors is generated in heating operation, the voltage of which is greater than in normal operation. The power loss in the pulse-controlled inverter is purposefully increased by means of both measures. How this is implemented in the gate driver module is not disclosed.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein elektrisches System zu schaffen, bei dem die Umsetzung eines Heizbetriebes mittels einer Anpassung des Gate-Treiber-Signals technisch relativ einfach umgesetzt werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist das Zurverfügungstellen eines geeigneten Verfahrens zum Heizen von Batteriezellen mindestens einer Hochvoltbatterie in einem elektrischen System in einem Kraftfahrzeug.The invention is based on the technical problem of creating an electrical system in which the implementation of a heating operation by means of an adaptation of the gate driver signal can be implemented in a relatively simple manner from a technical point of view. A further technical problem is the provision of a suitable method for heating battery cells of at least one high-voltage battery in an electrical system in a motor vehicle.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein elektrisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The technical problem is solved by an electrical system with the features of claim 1 and a method with the features of claim 9. Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims.

Das elektrische System weist ein Traktionsnetz und ein Bordnetz auf. Weiter weist das Traktionsnetz mindestens eine Hochvoltbatterie, einen Pulswechselrichter und eine Elektromaschine auf, wobei Transistoren des Pulswechselrichters mit mindestens einem Gate-Treiber-Baustein verbunden sind, wobei der Gate-Treiber-Baustein derart ausgebildet ist, mindestens ein Gate-Treiber-Signal für mindestens einen Transistor des Pulswechselrichters zu erzeugen. Weiter sind die Transistoren des Pulswechselrichters thermisch mit der Hochvoltbatterie gekoppelt, wobei mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur von Batteriezellen der Hochvoltbatterie vorgesehen ist, wobei der Gate-Treiber-Baustein derart ausgebildet ist, bei einer Temperatur der Batteriezellen unter einem Schwellwert in einen Heizbetrieb zu schalten, bei dem das Gate-Treiber-Signal zum Durchschalten der Transistoren eine geringere Spannung aufweist als bei einem Normalbetrieb. Dabei ist ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler vorgesehen, an dessen Eingang eine Bordnetzspannung und an dessen mindestens einem Ausgang eine Treiberspannung für den mindestens einen Gate-Treiber-Baustein anliegt. Dabei ist der DC/DC-Wandler auf der Eingangsseite mit einer Ansteuerschaltung ausgebildet, wobei die Ansteuerschaltung derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Signals für den Heizbetrieb die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler bzw. Treiberspannung für den Gate-Treiber-Baustein zu reduzieren. Hierdurch kann auf aufwendige Modifikationen am Gate-Treiber-Baustein verzichtet werden und es wird einfach nur die Treiberspannung reduziert, sodass auch automatisch eine geringere Spannung zum Durchschalten der Transistoren verwendet wird. Die Bordnetzspannung am Eingang des DC/DC-Wandlers wird dabei beispielsweise von einer Bordnetzbatterie zur Verfügung gestellt. In einer Ausführungsform wird dabei die zusätzliche Heizleistung nur in den Phasen mit durchgeschalteten Transistoren erzeugt. Der Vorteil dabei ist die sehr einfache technische Umsetzung.The electrical system has a traction network and an on-board network. The traction network also has at least one high-voltage battery, a pulse-controlled inverter and an electric machine, with transistors in the pulse-controlled inverter being connected to at least one gate driver module, with the gate driver module being designed in such a way that at least one gate driver signal is generated for at least to produce a transistor of the pulse-controlled inverter. Furthermore, the transistors of the pulse-controlled inverter are thermally coupled to the high-voltage battery, with at least one means for detecting or determining a temperature of battery cells of the high-voltage battery being provided, with the gate driver component being designed in such a way that when the temperature of the battery cells is below a threshold value, To switch heating mode, in which the gate driver signal for switching on the transistors has a lower voltage than in normal operation. In this case, a galvanically isolated DC/DC converter is provided, at the input of which there is a vehicle electrical system voltage and at the at least one output of which a driver voltage for the at least one gate driver module is present. The DC/DC converter is designed with a drive circuit on the input side, the drive circuit being designed to reduce the output voltage at the DC/DC converter or driver voltage for the gate driver module depending on a signal for heating operation . This eliminates the need for complex modifications to the gate driver component and simply reduces the driver voltage, so that a lower voltage is automatically used to turn on the transistors. The vehicle electrical system voltage at the input of the DC/DC converter is provided by an vehicle electrical system battery, for example. In one embodiment, the additional heating power is generated only in the phases in which the transistors are switched through. The advantage of this is the very simple technical implementation.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Gate-Treiber-Baustein derart ausgebildet, dass im Heizbetrieb ein Gate-Treiber-Signal zum Sperren der Transistoren erzeugt wird, dessen Spannung größer als im Normalbetrieb ist. Hierdurch kann die Heizleistung entsprechend erhöht werden, wobei jedoch der Gate-Treiber-Baustein entsprechend stärker modifiziert wird. Eine mögliche Realisierung wäre eine entsprechend modulierte Treiberspannung am Ausgang des DC/DC-Wandlers, die dann von dem Gate-Treiber-Baustein zu den Transistoren durchgeleitet wird.In an alternative embodiment, the gate driver module is designed in such a way that a gate driver signal for blocking the transistors is generated in heating operation, the voltage of which is greater than in normal operation. As a result, the heating power can be increased accordingly, although the gate driver component is correspondingly more heavily modified. A possible implementation would be a correspondingly modulated driver voltage at the output of the DC/DC converter, which then from the gate driver chip to the transistors.

Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform sei angemerkt, dass der Heizbetrieb abgebrochen wird, wenn die Temperatur der Batteriezellen den Schwellwert oder einen weiteren Schwellwert überschritten hat oder ein anderes Abbruchkriterium erfüllt ist.Regardless of the specific embodiment, it should be noted that the heating operation is terminated when the temperature of the battery cells has exceeded the threshold value or a further threshold value, or another termination criterion is met.

In einer weiteren Ausführungsform weist der DC/DC-Wandler mindestens zwei Sekundärspulen auf. Somit können mittels eines DC/DC-Wandlers mehrere Treiberspannungen zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise weist der DC/DC-Wandler so viele Sekundärspulen auf wie Gate-Treiber-Bausteine für den Pulswechselrichter vorhanden sind.In a further embodiment, the DC/DC converter has at least two secondary coils. Thus, several driver voltages can be made available by means of a DC/DC converter. The DC/DC converter preferably has as many secondary coils as there are gate driver components for the pulse-controlled inverter.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Gate-Treiber-Baustein mindestens zwei Ausgänge auf, die jeweils mit einem Transistor einer Halbbrücke des Pulswechselrichters verbunden sind. Prinzipiell kann ein Gate-Treiber-Baustein so viele Ausgänge aufweisen wie Transistoren vorhanden sind (typischerweise also 6). Vorzugsweise ist jedoch die Anzahl der Ausgänge auf zwei begrenzt, sodass jeweils ein Gate-Treiber-Baustein genau einer Halbbrücke zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, dass jedem Transistor sein eigener Gate-Treiber-Baustein zugeordnet ist.In a further embodiment, the gate driver module has at least two outputs which are each connected to a transistor of a half-bridge of the pulse-controlled inverter. In principle, a gate driver component can have as many outputs as there are transistors (typically 6). However, the number of outputs is preferably limited to two, so that in each case one gate driver component is assigned to exactly one half bridge. However, it is also possible for each transistor to be assigned its own gate driver component.

In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Mikroprozessor vorgesehen, der derart ausgebildet ist, Ansteuersignale für mindestens einen Gate-Treiber-Baustein zu erzeugen. Dabei kann entweder ein Mikroprozessor alle Gate-Treiber-Bausteine des Pulswechselrichters ansteuern oder aber jedem Gate-Treiber-Baustein ist ein eigener Mikroprozessor zugeordnet oder aber ein Mikroprozessor ist einem Paar von Gate-Treiber-Bausteinen zugeordnet.In a further embodiment, at least one microprocessor is provided which is designed in such a way that it generates control signals for at least one gate driver module. In this case, either one microprocessor can control all the gate driver components of the pulse-controlled inverter, or each gate driver component is assigned its own microprocessor, or one microprocessor is assigned to a pair of gate driver components.

In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Mikroprozessor derart ausgebildet, eine zugeordnete Ansteuerschaltung des DC/DC-Wandlers anzusteuern, sodass der Heizbetrieb durchgeführt wird. Der Vorteil ist, dass eine Temperatur, insbesondere eine Sperrschicht-Temperatur, der Transistoren an den Mikroprozessor übermittelt werden kann, sodass der Mikroprozessor den Heizbetrieb gegebenenfalls abbrechen kann, wenn die Temperatur der Transistoren einen kritischen Wert überschreitet.In a further embodiment, the at least one microprocessor is designed in such a way that it controls an associated control circuit of the DC/DC converter so that the heating operation is carried out. The advantage is that a temperature, in particular a junction temperature, of the transistors can be transmitted to the microprocessor, so that the microprocessor can possibly interrupt the heating operation if the temperature of the transistors exceeds a critical value.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Batterie-Management-Steuergerät für die Hochvoltbatterie vorgesehen, das derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer erfassten oder ermittelten Temperatur der Batteriezellen einen Heizbetrieb einzuleiten, wobei dies über den Mikroprozessor oder die Ansteuerschaltung direkt erfolgen kann.In a further embodiment, a battery management control unit is provided for the high-voltage battery, which is designed to initiate heating operation depending on a detected or determined temperature of the battery cells, with this being able to take place directly via the microprocessor or the control circuit.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Hochvoltbatterie und die Transistoren des Pulswechselrichters in einem gemeinsamen Kühlmittel-Kreislauf integriert, sodass die thermische Kopplung sehr einfach ist.In a further embodiment, the high-voltage battery and the transistors of the pulse-controlled inverter are integrated in a common coolant circuit, so that the thermal coupling is very simple.

Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.With regard to the procedural design of the invention, reference can be made in full to the previous statements.

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

  • 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug,
  • 2 ein Blockschaltbild von DC/DC-Wandler, Mikroprozessor und Gate-Treiber-Baustein,
  • 3 eine vereinfachte Darstellung eines DC/DC-Wandlers mit zwei Sekundärspulen und
  • 4 eine vereinfachte Darstellung eines DC/DC-Wandlers mit drei Sekundärspulen für drei Gate-Treiber-Bausteine.
The invention is explained in more detail below using preferred exemplary embodiments. The figures show:
  • 1 a simplified block diagram of an electrical system in a motor vehicle,
  • 2 a block diagram of the DC/DC converter, microprocessor and gate driver module,
  • 3 a simplified representation of a DC/DC converter with two secondary coils and
  • 4 a simplified representation of a DC/DC converter with three secondary coils for three gate driver devices.

In der 1 ist stark vereinfacht ein elektrisches System 1 in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Das elektrische System 1 weist ein Traktionsnetz 2 und ein Bordnetz 3 mit einer Bordnetzbatterie 4 auf. Das Traktionsnetz 2 weist eine Hochvoltbatterie 5 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 6 auf, denen Temperatursensoren 7 zugeordnet sind. Weiter weist das Traktionsnetz 2 einen Pulswechselrichter 8 und eine Elektromaschine 9 auf. Der Pulswechselrichter 8 weist eine Vielzahl von Transistoren 10 auf, die beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet sind. Typischerweise weist der Pulswechselrichter sechs Transistoren 10 auf, die als B6-Brückenschaltung verschaltet sind. Es sind aber auch Bauformen mit zwölf Transistoren 10 bekannt. Den Transistoren 10 sind Temperatursensoren 11 sowie Gate-Treiber-Bausteine 12 zugeordnet, wobei die Gate-Treiber-Bausteine 12 datentechnisch mit mindestens einem Mikroprozessor 13 verbunden sind. Weiter weist das elektrische System 1 mindestens einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler 14 auf, an dessen Eingang eine Bordnetzspannung und an dessen Ausgang eine höhere Treiberspannung TS für die Gate-Treiber-Bausteine 12 anliegt. Der DC/DC-Wandler 14 arbeitet also als Hochsetzsteller. Auf der Eingangsseite weist der DC/DC-Wandler 14 eine Ansteuerschaltung 15 auf, mittels derer die Eingangswechselspannung für eine Primärspule einstellbar ist. Weiter weist das elektrische System 1 ein Batterie-Management-Steuergerät 16 auf, das neben der Steuerung der Hochvoltbatterie 5 weitere übergeordnete Steuermaßnahmen durchführt und unter anderem die Hauptschütze 17 ansteuert. Schließlich weist das elektrische System 1 einen Kühlmittel-Kreislauf 18 auf, der gestrichelt angedeutet ist, wobei über diesen Kühlmittel-Kreislauf 18 die Transistoren 10 des Pulswechselrichters 8 mit den Batteriezellen 6 der Hochvoltbatterie 5 thermisch gekoppelt sind.In the 1 an electrical system 1 in a motor vehicle is shown in a greatly simplified manner. The electrical system 1 has a traction network 2 and an on-board network 3 with an on-board network battery 4 . The traction network 2 has a high-voltage battery 5 with a large number of battery cells 6 with which temperature sensors 7 are assigned. The traction network 2 also has a pulse-controlled inverter 8 and an electric machine 9 . The pulse-controlled inverter 8 has a multiplicity of transistors 10 which are in the form of MOSFETs or IGBTs, for example. The pulse-controlled inverter typically has six transistors 10 which are connected as a B6 bridge circuit. However, designs with twelve transistors 10 are also known. The transistors 10 are assigned temperature sensors 11 and gate driver components 12, with the gate driver components 12 being connected to at least one microprocessor 13 in terms of data technology. Furthermore, the electrical system 1 has at least one galvanically isolated DC/DC converter 14 , at the input of which there is a vehicle electrical system voltage and at the output of which a higher driver voltage TS for the gate driver modules 12 is present. The DC/DC converter 14 thus works as a step-up converter. On the input side, the DC/DC converter 14 has a control circuit 15, by means of which the input AC voltage for a primary coil can be adjusted. Furthermore, the electrical system 1 has a battery management control unit 16, which in addition to controlling the high-voltage battery 5 further performs higher-level control measures and controls, among other things, the main contactor 17. Finally, the electrical system 1 has a coolant circuit 18 which is indicated by dashed lines, the transistors 10 of the pulse-controlled inverter 8 being thermally coupled to the battery cells 6 of the high-voltage battery 5 via this coolant circuit 18 .

Wird nun insbesondere vor Fahrtbeginn durch die Temperatursensoren 7 erfasst, dass die Temperatur der Batteriezellen 6 unter einem Schwellwert liegt (z.B. 5°C), so wird ein Heizbetrieb eingeleitet, bei dem die Transistoren 10 gezielt mehr Verlustwärme erzeugen, um damit das Kühlmittel im Kühlmittel-Kreislauf 18 zu erwärmen, um so die Batteriezellen 6 zu erwärmen. Die Feststellung, ob ein Heizbetrieb notwendig ist, erfolgt vorzugsweise über das Batterie-Management-Steuergerät 16. Das Batterie-Management-Steuergerät 16 übermittelt dann einen entsprechenden Steuerbefehl an den Mikroprozessor 13. Der Mikroprozessor 13 erzeugt daraufhin einen Steuerbefehl für die Ansteuerschaltung 15, die daraufhin die aus der Bordnetzspannung zu erzeugende Eingangswechselspannung derart ändert, dass die in der Sekundärspule induzierte Wechselspannung niedriger ist, sodass die nach Glättung am Ausgang anliegende Treiberspannung TS niedriger ist als im Normalbetrieb. Dadurch steuern die Gate-Treiber-Bausteine 12 die Transistoren 10 weniger auf als im Normalbetrieb, sodass sich der Durchgangswiderstand der Transistoren im Durchlassbetrieb erhöht. Dadurch wird mehr Verlustleistung in den Transistoren 10 erzeugt, sodass die Batteriezellen 6 erwärmt werden. Über die Temperatursensoren 11 wird dabei überwacht, dass die Transistoren 10 nicht überhitzen. Diese leiten ihre Daten an den Mikroprozessor 13 weiter, der dann darauf reagieren kann. Die Reaktion kann ein Abbrechen des Heizbetriebes sein oder aber nur eine Anpassung der Treiberspannung TS sein, sodass die erzeugte Verlustleistung in den Transistoren 10 reduziert wird. Übersteigt die Temperatur der Batteriezellen 6 den Schwellwert oder einen anderen Schwellwert, so kann das Batterie-Management-Steuergerät 16 den Heizbetrieb abbrechen.If, especially before the start of the journey, the temperature sensors 7 detect that the temperature of the battery cells 6 is below a threshold value (e.g. 5°C), heating operation is initiated in which the transistors 10 generate more heat loss in a targeted manner in order to use the coolant in the coolant -Circuit 18 to heat so as to heat the battery cells 6. The battery management control unit 16 then transmits a corresponding control command to the microprocessor 13. The microprocessor 13 then generates a control command for the control circuit 15, which then the input AC voltage to be generated from the vehicle electrical system voltage changes in such a way that the AC voltage induced in the secondary coil is lower, so that the driver voltage TS present at the output after smoothing is lower than in normal operation. As a result, the gate driver components 12 turn on the transistors 10 less than in normal operation, so that the volume resistance of the transistors increases in forward operation. As a result, more power loss is generated in the transistors 10, so that the battery cells 6 are heated. The temperature sensors 11 monitor that the transistors 10 do not overheat. These forward their data to the microprocessor 13, which can then react to it. The reaction can be a termination of the heating operation or just an adjustment of the driver voltage TS, so that the power loss generated in the transistors 10 is reduced. If the temperature of the battery cells 6 exceeds the threshold value or another threshold value, the battery management control device 16 can interrupt the heating operation.

Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass im Sperrbetrieb der Transistoren 10 vermehrt Verlustleistung im Heizbetrieb erzeugt wird, indem die Gate-Treiber-Bausteine 12 eine höhere Spannung als im Normalbetrieb an die Transistoren 10 anlegen, sodass die Leckströme erhöht werden. Allerdings erhöht dies den schaltungstechnischen Aufwand. Daher wird vorzugsweise nur im Durchlassbetrieb vermehrt Verlustwärme durch Reduzierung der Treiberspannung TS erzeugt.In addition, provision can also be made for increased power loss to be generated in the heating mode when the transistors 10 are in the blocking mode, in that the gate driver components 12 apply a higher voltage to the transistors 10 than in normal mode, so that the leakage currents are increased. However, this increases the circuit complexity. Therefore, increased heat loss is preferably only generated in forward operation by reducing the driver voltage TS.

In der 2 ist der DC/DC-Wandler 14 dargestellt, an dessen Eingang die Bordnetzspannung und an dessen Ausgang die höhere Treiberspannung TS anliegt. Die Bordnetzspannung ist beispielsweise 12 V und die Treiberspannung TS 15 V bis 20 V. Der Gate-Treiber-Baustein 12 wird von dem Mikroprozessor 13 angesteuert, der vorgibt, mit welchem Pulsmuster der Gate-Treiber-Baustein den zugeordneten (nicht dargestellten) Transistor ansteuern soll. Der Gate-Treiber-Baustein 12 erzeugt darauf ein Gate-Treiber-Signal GTS. Dabei schaltet im einfachsten Fall der Gate-Treiber-Baustein 12 die Treiberspannung TS durch (Durchlassbetrieb für die Transistoren) oder sperrt diese (Sperrbetrieb für die Transistoren).In the 2 the DC/DC converter 14 is shown, at the input of which the vehicle electrical system voltage is present and at the output of which the higher driver voltage TS is present. The vehicle electrical system voltage is 12 V, for example, and the driver voltage TS is 15 V to 20 V. The gate driver module 12 is controlled by the microprocessor 13, which specifies the pulse pattern with which the gate driver module controls the associated (not shown) transistor target. The gate driver module 12 then generates a gate driver signal GTS. In the simplest case, the gate driver module 12 switches the driver voltage TS through (on-state operation for the transistors) or blocks it (off-state operation for the transistors).

In der 3 ist stark vereinfacht ein DC/DC-Wandler 14 mit einer Primärspule 19 und zwei Sekundärspulen 20 dargestellt, sodass mit einem DC/DC-Wandler 14 die Treiberspannungen TS für zwei Gate-Treiber-Bausteine 14 erzeugt werden kann.In the 3 a DC/DC converter 14 with a primary coil 19 and two secondary coils 20 is shown in a highly simplified manner, so that the driver voltages TS for two gate driver components 14 can be generated with a DC/DC converter 14 .

In der 4 ist schließlich stark vereinfacht ein DC/DC-Wandler 14 dargestellt, der eine Primärspule 19 und drei Sekundärspulen 20 aufweist, um drei Gate-Treiber-Bausteine 12 mit einer Treiberspannung TS zu versorgen. Dabei hat jeder Gate-Treiber-Baustein zwei Ausgänge A, um jeweils die beiden Transistoren einer Halbbrückenschaltung des Pulswechselrichters 8 anzusteuern.In the 4 Finally, a highly simplified DC/DC converter 14 is shown, which has a primary coil 19 and three secondary coils 20 in order to supply three gate driver components 12 with a driver voltage TS. In this case, each gate driver component has two outputs A in order to drive the two transistors of a half-bridge circuit of the pulse-controlled inverter 8 in each case.

BezugszeichenlisteReference List

11
elektrisches Systemelectrical system
22
Traktionsnetztraction network
33
Bordnetzelectrical system
44
Bordnetzbatterieon-board battery
55
Hochvoltbatteriehigh-voltage battery
66
Batteriezellebattery cell
77
Temperatursensortemperature sensor
88th
Pulswechselrichterpulse inverter
99
Elektromaschineelectric machine
1010
Transistortransistor
1111
Temperatursensortemperature sensor
1212
Gate-Treiber-Bausteingate driver device
1313
Mikroprozessormicroprocessor
1414
DC/DC-WandlerDC/DC converter
1515
Ansteuerschaltungcontrol circuit
1616
Batterie-Management-SteuergerätBattery management control unit
1717
Hauptschützmain contactor
1818
Kühlmittel-Kreislaufcoolant circuit
1919
Primärspuleprimary coil
2020
Sekundärspulesecondary coil
SS
Ansteuersignalcontrol signal
GTSGTS
Gate-Treiber-Signalgate driver signal
TSTS
Treiberspannungdriver voltage
AA
AusgangExit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 112008000360 T5 [0003]DE 112008000360 T5 [0003]

Claims (9)

Elektrisches System (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das System (1) ein Traktionsnetz (2) und ein Bordnetz (3) aufweist, wobei das Traktionsnetz (2) mindestens eine Hochvoltbatterie (5), einen Pulswechselrichter (8) und eine Elektromaschine (9) aufweist, wobei Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) mit mindestens einem Gate-Treiber-Baustein (12) verbunden sind, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) derart ausgebildet ist, mindestens ein Gate-Treiber-Signal (GTS) für mindestens einen Transistor (10) des Pulswechselrichters (8) zu erzeugen, wobei die Hochvoltbatterie (5) und die Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) thermisch gekoppelt sind, wobei mindestens ein Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur von Batteriezellen (6) der Hochvoltbatterie (5) vorgesehen ist, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) derart ausgebildet ist, bei einer Temperatur der Batteriezellen (6) unter einem Schwellwert in einen Heizbetrieb zu schalten, bei dem das Gate-Treiber-Signal (GTS) zum Durchschalten der Transistoren (10) eine geringere Spannung aufweist als in einem Normalbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler (14) vorgesehen ist, an dessen Eingang eine Bordnetzspannung und an dessen mindestens einen Ausgang eine Treiberspannung (TS) für den mindestens einen Gate-Treiber-Baustein (12) anliegt, wobei der DC/DC-Wandler (14) auf der Eingangsseite mit einer Ansteuerschaltung (15) ausgebildet ist, wobei die Ansteuerschaltung (15) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Signals (S) für den Heizbetrieb die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler (14) zu reduzieren.Electrical system (1) in a motor vehicle, the system (1) having a traction network (2) and an on-board network (3), the traction network (2) having at least one high-voltage battery (5), a pulse-controlled inverter (8) and an electric machine ( 9), wherein transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) are connected to at least one gate driver module (12), the gate driver module (12) being designed in such a way that at least one gate driver signal ( GTS) for at least one transistor (10) of the pulse-controlled inverter (8), the high-voltage battery (5) and the transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) being thermally coupled, with at least one means for detecting or determining a temperature of battery cells (6) the high-voltage battery (5) is provided, wherein the gate driver module (12) is designed such that when the temperature of the battery cells (6) is below a threshold value, it switches to a heating mode in which the gate driver signal (GT S) for switching through the transistors (10) has a lower voltage than in normal operation, characterized in that at least one galvanically isolated DC/DC converter (14) is provided, at the input of which is an on-board power supply voltage and at the at least one output of which is a driver voltage (TS) for the at least one gate driver module (12), the DC/DC converter (14) being designed with a drive circuit (15) on the input side, the drive circuit (15) being designed in such a way that in Depending on a signal (S) for the heating mode to reduce the output voltage at the DC/DC converter (14). Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Treiber-Baustein (12) derart ausgebildet ist, dass im Heizbetrieb ein Gate-Treiber-Signal (GTS) zum Sperren der Transistoren (10) erzeugt wird, dessen Spannung größer als im Normalbetrieb ist.Electrical system after claim 1 , characterized in that the gate driver module (12) is designed such that in the heating mode a gate driver signal (GTS) for blocking the transistors (10) is generated, the voltage of which is greater than in normal operation. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (14) mindestens zwei Sekundärspulen (20) aufweist.Electrical system after claim 1 or 2 , characterized in that the DC / DC converter (14) has at least two secondary coils (20). Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Treiber-Baustein (12) mindestens zwei Ausgänge (A) aufweist, die jeweils mit einem Transistor (10) einer Halbbrücke des Pulswechselrichters (8) verbunden sind.Electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that the gate driver module (12) has at least two outputs (A), which are each connected to a transistor (10) of a half-bridge of the pulse-controlled inverter (8). Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mikroprozessor (13) vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, Ansteuersignale für mindestens einen Gate-Treiber-Baustein (12) zu erzeugen.Electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one microprocessor (13) is provided which is designed in such a way to generate control signals for at least one gate driver module (12). Elektrisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (13) derart ausgebildet ist, eine zugeordnete Ansteuerschaltung (15) des DC/DC-Wandlers (14) anzusteuern, sodass der Heizbetrieb durchgeführt wird.Electrical system after claim 5 , characterized in that the microprocessor (13) is designed in such a way to control an associated control circuit (15) of the DC/DC converter (14), so that the heating operation is carried out. Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batterie-Management-Steuergerät (16) für die Hochvoltbatterie (5) vorgesehen ist, das derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer erfassten oder ermittelten Temperatur der Batteriezellen (6) einen Heizbetrieb einzuleiten.Electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that a battery management control unit (16) is provided for the high-voltage battery (5), which is designed in such a way as to initiate heating operation as a function of a detected or determined temperature of the battery cells (6). . Elektrisches System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (5) und die Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) in einem gemeinsamen Kühlmittel-Kreislauf (18) integriert sind.Electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that the high-voltage battery (5) and the transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) are integrated in a common coolant circuit (18). Verfahren zum Heizen von Batteriezellen (6) mindestens einer Hochvoltbatterie (5) in einem elektrischen System (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das System (1) ein Traktionsnetz (2) und ein Bordnetz (3) aufweist, wobei das Traktionsnetz (2) mindestens eine Hochvoltbatterie (5), einen Pulswechselrichter (8) und eine Elektromaschine (9) aufweist, wobei Transistoren (10) des Pulswechselrichters (8) mit mindestens einem Gate-Treiber-Baustein (12) verbunden sind, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) mindestens ein Gate-Treiber-Signal (GTS) für mindestens einen Transistor (10) des Pulswechselrichters (8) erzeugt, wobei die Hochvoltbatterie (5) und die Transistoren (10) thermisch gekoppelt sind, wobei mittels mindestens einem Mittel zur Erfassung oder Ermittlung einer Temperatur der Batteriezellen (6) der Hochvoltbatterie (5) deren Temperatur erfasst oder ermittelt wird, wobei der Gate-Treiber-Baustein (12) bei einer Temperatur der Batteriezellen (6) unter einem Schwellwert in einen Heizbetrieb geschaltet wird, bei dem das Gate-Treiber-Signal (GTS) zum Durchschalten der Transistoren (10) eine geringere Spannung aufweist als im Normalbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers (14) eine Treiberspannung (TS) für den mindestens einen Gate-Treiber-Baustein (12) erzeugt wird, wobei an einem Eingang des DC/DC-Wandlers (14) eine Bordnetzspannung anliegt, wobei der DC/DC-Wandler (14) auf der Eingangsseite eine Ansteuerschaltung (15) aufweist, wobei die Ansteuerschaltung (15) in Abhängigkeit eines Signals (S) für den Heizbetrieb die Ausgangsspannung am DC/DC-Wandler (14) reduziert.Method for heating battery cells (6) of at least one high-voltage battery (5) in an electrical system (1) in a motor vehicle, the system (1) having a traction network (2) and an on-board network (3), the traction network (2) has at least one high-voltage battery (5), a pulse-controlled inverter (8) and an electric machine (9), with transistors (10) of the pulse-controlled inverter (8) being connected to at least one gate driver module (12), with the gate driver Module (12) generates at least one gate driver signal (GTS) for at least one transistor (10) of the pulse-controlled inverter (8), the high-voltage battery (5) and the transistors (10) being thermally coupled, with at least one means for Detection or determination of a temperature of the battery cells (6) of the high-voltage battery (5) whose temperature is detected or determined, the gate driver module (12) at a temperature of the battery cells (6) below a threshold value in a Heizbetri eb is switched, in which the gate driver signal (GTS) for switching through the transistors (10) has a lower voltage than in normal operation, characterized in that by means of at least one galvanically isolated DC/DC converter (14) a driver voltage ( TS) for the at least one gate driver module (12) is generated, with an on-board power supply voltage being present at an input of the DC/DC converter (14), with the DC/DC converter (14) having a control circuit ( 15), wherein the drive circuit (15) reduces the output voltage at the DC/DC converter (14) as a function of a signal (S) for the heating mode.
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