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DE102014011828A1 - Method and device for heating a traction battery in a motor vehicle - Google Patents

Method and device for heating a traction battery in a motor vehicle Download PDF

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DE102014011828A1
DE102014011828A1 DE102014011828.2A DE102014011828A DE102014011828A1 DE 102014011828 A1 DE102014011828 A1 DE 102014011828A1 DE 102014011828 A DE102014011828 A DE 102014011828A DE 102014011828 A1 DE102014011828 A1 DE 102014011828A1
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traction battery
battery
drive
motor vehicle
prime mover
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Application number
DE102014011828.2A
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Inventor
Eduard Bakhach
Michael Brill
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie (12) in einem Kraftfahrzeug, wobei ein programmierbarer Antriebsstromrichter (14) mit einer Antriebsmaschine (16) gekoppelt ist und des Weiteren die Traktionsbatterie (12) mit dem Antriebsstromrichter (14) gekoppelt ist. Dabei wird die Antriebsmaschine (16) mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten des Kennlinienfeldes betrieben, wo eine momentenbildende, rotorbezogene Stromkomponente (iq) derart geregelt wird, dass in der Antriebsmaschine (16) kein Drehmoment aufgebaut wird. Hierdurch wird eine Temperaturerhöhung der Traktionsbatterie (12) durch einen Batterielaststrom (IDC) herbeigeführt, welcher sich beim Betreiben der Antriebsmaschine (16) zwischen dem Antriebsstromrichter (14) und der Traktionsbatterie (12) einstellt. Auf diese Weise ist eine effektive Heizung der Traktionsbatterie (12) möglich. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung (10) zum Ausführen des genannten Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Antriebsvorrichtung (10).The invention relates to a method for heating a traction battery (12) in a motor vehicle, wherein a programmable drive converter (14) is coupled to a prime mover (16) and further the traction battery (12) is coupled to the drive converter (14). In this case, the drive machine (16) is operated with a field-oriented control in operating points of the characteristic field, where a torque-forming, rotor-related current component (iq) is controlled such that in the drive machine (16) no torque is built up. As a result, an increase in temperature of the traction battery (12) is brought about by a battery load current (IDC), which occurs during operation of the drive machine (16) between the drive converter (14) and the traction battery (12). In this way, an effective heating of the traction battery (12) is possible. Furthermore, the invention relates to a drive device (10) for carrying out said method and to a motor vehicle having such a drive device (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug, welches mit einem programmierbaren Antriebsstromrichter ausgestattet ist, wobei der Antriebsstromrichter mit einer Antriebsmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und der Traktionsbatterie gekoppelt ist.The invention relates to a method for heating a traction battery in a motor vehicle, which is equipped with a programmable drive converter, wherein the drive converter is coupled to a drive machine for driving the motor vehicle and the traction battery.

Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können eine Batterie aufweisen, welche einen großen Leistungsbereich bei variierenden Umweltbedingungen abdecken müssen. Batterien sind chemische Energiespeicher, die bei niedrigen Temperaturen nur sehr träge reagieren. Sie können ihre gespeicherte Ladung dann nur langsam abgeben und aufnehmen. Zudem ist ein schnelles Aufladen vor allem bei der heute eingesetzten Lithium-Ionen-Technologie bei tiefen Temperaturen schlecht für die Haltbarkeit beziehungsweise Lebensdauer der Batterie. Daher werden Batterien bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius zu ihrem Schutz nur extrem langsam geladen.Motor vehicles, particularly electric vehicles or hybrid vehicles, may include a battery which must cover a wide range of power in varying environmental conditions. Batteries are chemical energy stores that react only very slowly at low temperatures. You can then slowly release and record your stored charge. In addition, rapid charging, especially with the lithium-ion technology used today at low temperatures, is poor for the durability or service life of the battery. Therefore, batteries are charged extremely slowly at temperatures below 0 degrees Celsius for their protection.

Alternativ kann man die Batterie vor dem Ladevorgang erwärmen. Eine Möglichkeit zur Erwärmung der Batterie besteht darin, die Batterie durch Strompulse zu belasten. Durch den Innenwiderstand der Batterie heizt sich diese somit auf.Alternatively, you can warm the battery before charging. One way to heat the battery is to load the battery by current pulses. Due to the internal resistance of the battery, this heats up.

In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2009 054 461 A1 eine Batterieheizung, bei der die Induktivität einer Motorwicklung des elektrischen Antriebsmotors genutzt wird, um über eine Polwendeschaltung mit der Traktionsbatterie verbunden zu werden und dadurch näherungsweise einen Wechselstrom durch die Traktionsbatterie fließen zu lassen und diese dabei zu erwärmen. Dabei kann der für das Aufheizen der Batterie benötigte Strom im elektrischen Antriebsmotor derart gewählt werden, dass der Motor kein Drehmoment erzeugt und somit die Batterieheizung auch bei Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden kann.In this context, the DE 10 2009 054 461 A1 a battery heater in which the inductance of a motor winding of the electric drive motor is used to be connected via a Polwendeschaltung with the traction battery and thereby approximately to flow an alternating current through the traction battery and to heat them thereby. In this case, the power required for heating the battery in the electric drive motor can be selected such that the engine generates no torque and thus the battery heater can be operated even when the vehicle is stationary.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine effiziente Heizung der Traktionsbatterie unter Verwendung bereits vorhandener Einrichtungen in dem Kraftfahrzeug ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a method which enables efficient heating of the traction battery using already existing devices in the motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by an operating method having the features of patent claim 1 and by a drive device having the features of patent claim 7. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie in einem Kraftfahrzeug wird ein programmierbarer Antriebsstromrichter bereitgestellt, welcher mit einer Antriebsmaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und der Traktionsbatterie gekoppelt ist. Dabei wird die Antriebsmaschine mit einer feldorientierten Regelung in solchen Betriebspunkten des Kennlinienfeldes betrieben, wo eine momentenbildende, rotorbezogene Stromkomponente derart geregelt wird, dass in der Antriebsmaschine kein Drehmoment aufgebaut wird. Infolge dessen wird durch einen Batterielaststrom, welcher sich beim Betreiben der Antriebsmaschine zwischen dem Antriebsstromrichter und der Traktionsbatterie einstellt, eine Temperaturerhöhung der Traktionsbatterie herbeigeführt. Hierbei kann vorteilhafterweise durch Variation einer flussbildenden, rotorbezogenen Stromkomponente die Heizleistung der Batterie verändert werden, wobei die Antriebsmaschine lediglich auf- und abmagnetisiert wird, ohne ein Drehmoment zu bilden. Mit anderen Worten, es wird hauptsächlich Blindleistung zwischen der Traktionsbatterie und der Antriebsmaschine ausgetauscht. Insbesondere kann sich in der Traktionsbatterie ein nahezu mittelwertfreier Wechselstrom ergeben, in dessen Folge in der Traktionsbatterie kein nennenswerter Ionenaustausch stattfindet, weshalb sich diese Belastung nicht oder nur wenig auf die Alterung auswirkt.For the inventive method for heating a traction battery in a motor vehicle, a programmable drive converter is provided, which is coupled to a drive machine for driving the motor vehicle and the traction battery. In this case, the prime mover is operated with a field-oriented control in such operating points of the characteristic field, where a torque-forming, rotor-related current component is controlled such that in the prime mover no torque is built up. As a result, a temperature increase of the traction battery is caused by a battery load current, which occurs during operation of the drive machine between the drive converter and the traction battery. Here, advantageously, by varying a flow-forming, rotor-related current component, the heating power of the battery can be changed, the drive machine is only up and demagnetized without forming a torque. In other words, mainly reactive power is exchanged between the traction battery and the engine. In particular, the traction battery can result in an almost average-free alternating current, as a result of which no appreciable ion exchange takes place in the traction battery, which is why this load has little or no effect on the aging.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Antriebsmaschine mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten des Kennlinienfeldes betrieben, wo eine flussbildende, rotorbezogene Stromkomponente derart geregelt wird, dass periodisch zwischen einem positiven und einem negativen Sollwert für die flussbildende, rotorbezogene Stromkomponente gewechselt wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Deaktivierung der Regelung nicht erforderlich ist, was somit auch eine Anwendung bei Drehzahlen ungleich Null ermöglicht.In an advantageous development of the method, the drive machine is operated with a field-oriented control in operating points of the characteristic field, where a flow-forming, rotor-related current component is controlled such that periodically between a positive and a negative setpoint for the flow-forming, rotor-related current component is changed. This results in the advantage that a deactivation of the control is not required, thus allowing an application at speeds not equal to zero.

In einer alternativen Ausführungsform wird der Antriebsstromrichter abwechselnd in einem feldgeregelten Modus und einen ungeregelten Freilauf-Modus betrieben. Dadurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass in dem Freilauf-Modus die in den magnetischen Kreisen der Antriebsmaschine gespeicherte Energie zwangsläufig über den Gleichspannungszwischenkreis, welcher die Traktionsbatterie und den Antriebsstromrichter koppeln kann, in die Batterie zurückgespeist wird.In an alternative embodiment, the drive converter is operated alternately in a field-controlled mode and an unregulated freewheel mode. This results in particular the advantage that in the freewheeling mode, the energy stored in the magnetic circuits of the drive machine is inevitably fed back into the battery via the DC intermediate circuit, which can couple the traction battery and the drive converter.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein geschlossener Temperaturregelkreis bereitgestellt, wobei der Batterielaststrom als Stellgröße zur Einstellung eines vorgebbaren Temperaturniveaus (Sollwert) innerhalb der Traktionsbatterie dient.In an advantageous embodiment of the method, a closed temperature control loop is provided, wherein the battery load current is used as a manipulated variable for setting a predeterminable temperature level (setpoint) within the traction battery.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug implementiert sein, wodurch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung entsteht. Dabei weist die Antriebsvorrichtung einen programmierbaren Antriebsstromrichter auf, welcher zur Ausführung einer feldorientierten Regelung ausgelegt ist. Weiterhin weist die Antriebsvorrichtung eine Antriebsmaschine auf, welche mit dem Antriebsstromrichter gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten des Kennlinienfelds, wo eine momentenbildende, rotorbezogene Stromkomponente derart geregelt wird, dass in der Antriebsmaschine kein Drehmoment aufgebaut wird, betrieben zu werden. Schließlich weist die Antriebsvorrichtung eine Traktionsbatterie auf, welche dazu ausgelegt ist, eine interne Temperaturerhöhung durch einen Batterielaststrom, welcher sich beim Betreiben der Antriebsmaschine zwischen dem Antriebsstromrichter und der Traktionsbatterie einstellt, herbeizuführen.The method according to the invention can be implemented in a drive device for a motor vehicle, whereby a drive device according to the invention is produced. In this case, the Drive device to a programmable drive converter, which is designed to carry out a field-oriented control. Furthermore, the drive device has a drive machine which is coupled to the drive converter and is designed to be operated with a field-oriented control in operating points of the characteristic field, where a torque-forming, rotor-related current component is controlled so that no torque is built up in the drive machine , Finally, the drive device has a traction battery, which is designed to bring about an internal temperature increase by a battery load current, which occurs during operation of the drive machine between the drive converter and the traction battery.

Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug eine derartige Antriebsvorrichtung aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt.Preferably, a motor vehicle may have such a drive device, resulting in a motor vehicle according to the invention.

Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:In the following the invention is explained in more detail with reference to the figures. Showing:

1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, 1 a simplified schematic representation of a drive device according to the invention,

2 eine beispielhafte Darstellung eines Kennlinienfelds mit bevorzugten Betriebspunkten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, und 2 an exemplary representation of a characteristic field with preferred operating points for carrying out the operating method according to the invention, and

3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Temperaturregelkreises. 3 a simplified schematic representation of a temperature control loop.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 10 ist in 1 dargestellt. Diese umfasst eine Traktionsbatterie 12, welche neben den Batteriezellen ein zweipoliges Batterieschütz K aufweist, welches es erlaubt, die Traktionsbatterie 12 spannungsfrei zu schalten. Ein Spannungspfeil kennzeichnet die interne Batteriespannung UHV, ein Pfeil in der oberen Stromzuleitung der Traktionsbatterie 12 bezeichnet den Batteriestrom IDC, welcher aus der Traktionsbatterie 12 entnommen wird. Bei positiver Batteriespannung UHV und positivem Batteriestrom IDC ergibt sich somit eine positive Leistung, welche aus der Traktionsbatterie 12 entnommen wird.A preferred embodiment of a drive device according to the invention 10 is in 1 shown. This includes a traction battery 12 which has a two-pole battery contactor K in addition to the battery cells, which allows the traction battery 12 to de-energize. A voltage arrow indicates the internal battery voltage U HV , an arrow in the upper power supply line of the traction battery 12 denotes the battery current I DC , which from the traction battery 12 is removed. With positive battery voltage U HV and positive battery current I DC thus results in a positive power, which from the traction battery 12 is removed.

Über einem Gleichspannungszwischenkreis, dessen Zwischenkreisspannung mit UDC gekennzeichnet ist, ist die Traktionsbatterie 12 mittels zwei Anschlüssen, gekennzeichnet mit DC+ und DC–, mit einem Antriebsstromrichter 14 gekoppelt. Dabei weist der Antriebsstromrichter 14 zwischen den Anschlüssen DC+ und DC– einen Zwischenkreiskondensator CZK auf.About a DC intermediate circuit whose DC link voltage is identified by U DC , is the traction battery 12 by means of two connections, marked DC + and DC-, with a drive converter 14 coupled. In this case, the drive converter 14 between the terminals DC + and DC- on a DC link capacitor C ZK .

Weiterhin weist der Antriebsstromrichter 14 sechs Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6, auf, wobei jeweils Q1 und Q2, Q3 und Q4 sowie Q5 und Q6 ein Zweigpaar mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt, nachfolgend Zweigpaarmittelpunkt genannt, bilden. Der jeweilige Zweigpaarmittelpunkt ist für das Zweigpaar Q1/Q2 mit U bezeichnet, für das Zweigpaar Q3/Q4 mit V und für das Zweigpaar Q5/Q6 mit W. Die drei Zweigpaare Q1/Q2, Q3/Q4 und Q5/Q6 sind gleichspannungsseitig gekoppelt mit dem Zwischenkreiskondensator CZK. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist als Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 IGBT mit jeweils antiparalleler Freilaufdiode auf, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Insbesondere können beispielsweise auch MOSFET eingesetzt sein.Furthermore, the drive converter 14 six semiconductor switches Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 and Q6, where Q1 and Q2, Q3 and Q4, and Q5 and Q6 respectively form a branch pair having a common connection point, hereinafter called a branch pair center. The respective branch pair center point is designated U for branch pair Q1 / Q2, V for branch pair Q3 / Q4 and W. for branch pair Q5 / Q6. The three branch pairs Q1 / Q2, Q3 / Q4 and Q5 / Q6 are coupled on the DC side the intermediate circuit capacitor C ZK . The illustrated embodiment has as a semiconductor switch Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 and Q6 IGBT each with antiparallel freewheeling diode, the invention is not limited thereto. In particular, for example, MOSFET can be used.

Drei mit den drei Zweigpaarmittelpunkten U, V und W gekoppelte Anschlusspunkte des Antriebsstromrichters 14 sind elektrisch gekoppelt mit einer Antriebsmaschine 16, wobei die einzelnen Wicklungen dieser Antriebsmaschine in dem vorliegenden Beispiel im Dreieck verschaltet sind. Die über den Wicklungen anliegenden Spannungen sind dabei mit UUV, UVW und UWU bezeichnet. Ebenso ist natürlich auch eine Sternschaltung möglich. Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform nicht auf eine bestimmte Phasenanzahl limitiert, wie sie hier am Beispiel von drei Phasen präsentiert ist.Three connection points of the drive converter coupled to the three branch pair centers U, V and W. 14 are electrically coupled with a prime mover 16 , Wherein the individual windings of this prime mover are connected in the triangle in the present example. The voltage applied across the windings voltages are labeled U UV , U VW and U WU . Likewise, of course, a star connection is possible. Furthermore, an embodiment according to the invention is not limited to a certain number of phases, as presented here by the example of three phases.

In einem ersten Schritt kann das Aufladen des Gleichspannungszwischenkreises erfolgen. Hierbei wird das Batterieschütz K geschlossen und der Zwischen kreiskondensator CZK des Antriebsstromrichters aufgeladen. Die Halbleiterschalter Q1 bis Q6 in dem Antriebsstromrichter 14 befinden sich dabei im Zustand „Six Switch Open” (6SO).In a first step, the charging of the DC voltage intermediate circuit can take place. Here, the battery contactor K is closed and charged the intermediate circuit capacitor C ZK of the drive converter. The semiconductor switches Q1 to Q6 in the drive converter 14 are in the state "Six Switch Open" (6SO).

In einem zweiten Schritt kann eine in der Antriebsmaschine 16 vorhandene Induktivität aufmagnetisiert werden, mit anderen Worten, es wird ein vorgegebener Strom in die Wicklung eingeprägt. Dabei kommt eine feldorientierte Regelung, welche in dem Antriebsstromrichter 14 implementiert sein kann, zur Anwendung, wobei eine auf ein rotorfestes Koordinatenbezugssystem bezogene flussbildende Stromkomponente id und eine momentenbildende Stromkomponente iq vorgegeben wird. Im Falle des Stillstands der Antriebsmaschine 16 ist der Aufbau eines Drehmoments unerwünscht. Um dies zu verhindern, wird in der Antriebsmaschine 16 lediglich eine flussbildende Stromkomponente id aufgebaut. Die momentenbildende Stromkomponente iq muss dagegen gegen Null geregelt werden, da diese zu einem Drehmomentaufbau führen würde. Während des Aufmagnetisierens der Antriebsmaschine 16 kann sich beispielsweise ein Zustand einstellen, wo die Halbleiterschalter Q1/Q3/Q5 sich in einem Zustand 1/0/0 befinden und die Halbleiterschalter Q2/Q4/Q6 sich in einem Zustand 0/1/1 befinden. Dabei kennzeichnet eine 1 einen aktiv in den leitenden Zustand gesteuerten Halbleiterschalter, eine 0 einen sperrenden Halbleiterschalter, wobei auch in diesem Zustand Stromfluss durch eine antiparallele Freilaufdiode möglich ist. Infolgedessen kann sich ein Strom IDC ergeben, welcher größer Null ist sowie ein von dem Zweigpaarmittelpunkt U zu der Antriebsmaschine 16 fließender Strom IU größer Null, außerdem ein von dem Zweigpaarmittelpunkt V zu der Antriebsmaschine 16 fließender Strom IV kleiner Null und ein von dem Zweigpaarmittelpunkt W zu der Antriebsmaschine 16 fließender Strom IW kleiner Null. Mit anderen Worten, der Strom IU betreffend Zweigpaarmittelpunkt U fließt in Richtung der Antriebsmaschine, wohingegen die Ströme IV und IW betreffend die Zweigpaarmittelpunkte V und W von der Antriebsmaschine in den Antriebsstromrichter fließen.In a second step, one in the prime mover 16 existing inductance are magnetized, in other words, it is a predetermined current impressed into the winding. This is a field-oriented control, which in the drive converter 14 can be implemented for application, wherein a reference to a rotor fixed coordinate reference system flow-forming current component i d and a torque-forming current component i q is specified. In the case of stoppage of the prime mover 16 is the construction of a torque undesirable. To prevent this, is in the prime mover 16 only a flow-forming current component i d constructed. In contrast, the torque-forming current component i q must be regulated to zero, since this would lead to a torque build-up. During the magnetization of the prime mover 16 For example, a state may be set where the semiconductor switches Q1 / Q3 / Q5 are in a state 1/0/0 and the semiconductor switches Q2 / Q4 / Q6 are in a state 0/1/1. It indicates a 1 active in the conductive state controlled semiconductor switch, a 0 a blocking semiconductor switch, which in this state current flow through an antiparallel freewheeling diode is possible. As a result, a current I DC may be greater than zero and one from the branch pair center U to the prime mover 16 flowing current I U greater than zero, also one from the branch pair center point V to the prime mover 16 flowing current I V less than zero and one from the branch pair center W to the prime mover 16 flowing current I W less than zero. In other words, the current I U concerning the branch pair center U flows toward the prime mover, whereas the currents I V and I W concerning the branch pair centers V and W flow from the prime mover to the drive converter.

In einem weiteren Schritt kann nun die Abmagnetisierung der Induktivität in der Antriebsmaschine 16 erfolgen, mit anderen Worten, die gespeicherte magnetische Energie wird wieder in den Antriebsstromrichter 14 zurückgespeist. Ausgehend von den zuvor eingeprägten Strömen werden alle Halbleiterschalter Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 auf den Zustand 6SO umgeschaltet. Dabei kommutiert der positive Strom IU von dem Halbleiterschalter Q1 nun in die Freilaufdiode des Schalters Q2 sowie der Strom IV, welcher negativ ist, von dem Halbleiterschalter Q4 in die Freilaufdiode des Schalters Q3. Des Weiteren kommutiert der negative Strom IW von dem Halbleiterschalter Q6 in die Freilaufdiode des Schalters Q5.In a further step can now be the demagnetization of the inductance in the drive machine 16 take place, in other words, the stored magnetic energy is returned to the drive converter 14 fed back. Starting from the previously impressed currents, all the semiconductor switches Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 and Q6 are switched to the state 6SO. In this case, the positive current I U commutated by the semiconductor switch Q1 now in the freewheeling diode of the switch Q2 and the current I V , which is negative, from the semiconductor switch Q4 in the freewheeling diode of the switch Q3. Furthermore, the negative current I W commutates from the semiconductor switch Q6 into the free-wheeling diode of the switch Q5.

Somit ergibt sich nun in der Traktionsbatterie 12 ein Strom IDC, welcher in die Traktionsbatterie 12 zurückfließt und somit negativ ist. Mit anderen Worten, die in der Antriebsmaschine 16 gespeicherte magnetische Energie wird abgebaut und abzüglich der entsprechenden Verluste in die Traktionsbatterie 12 zurückgespeist. Nachdem die magnetische Energie in der Antriebsmaschine 16 vollständig abgebaut wurde, kann der Vorgang ab dem zweiten Schritt wiederholt werden. Da durch Stromentnahme und – rückspeisung am Innenwiderstand der Traktionsbatterie 12 eine Verlustleistung entsteht, führt dies zu einer Erwärmung der Traktionsbatterie 12.Thus arises now in the traction battery 12 a current I DC , which is in the traction battery 12 flows back and thus is negative. In other words, those in the prime mover 16 stored magnetic energy is dissipated and minus the corresponding losses in the traction battery 12 fed back. After the magnetic energy in the prime mover 16 completely removed, the process can be repeated from the second step. As by current drain and - fed back to the internal resistance of the traction battery 12 a power loss occurs, this leads to a heating of the traction battery 12 ,

Bei einem bevorzugten Verfahren wird permanent zwischen dem geregelten Betrieb des Antriebsstromrichters 14 und dem 6SO-Betrieb umgeschaltet.In a preferred method is permanently between the controlled operation of the drive converter 14 and switched to 6SO mode.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Abmagnetisierung der Antriebsmaschine 16 durch Einregelung eines neuen Sollwerts für die flussbildende Stromkomponente id erzielt, welcher das entgegengesetzte Vorzeichen und vorzugsweise den gleichen Betrag aufweist. Zwei derartige Punkte sind in dem Kennlinienfeld gemäß 2 durch Zeiger angedeutet. Während der Abmagnetisierungsphase ergibt sich ein Strom IDC aus der Traktionsbatterie 12 kleiner Null, das heißt, in dieser Phase wird Energie in die Traktionsbatterie 12 zurückgespeist. Sobald der Strom und damit die magnetische Energie in der Antriebsmaschine 16 abgebaut ist, kann eine Aufmagnetisierung in entgegengesetzter Richtung erfolgen, wodurch IDC wieder positiv wird, mit anderen Worten, es wird nunmehr wieder Energie aus der Traktionsbatterie 12 entnommen. Diese Vorgehensweise weist den Vorteil auf, dass die Regelung permanent aktiv sein kann und kein Wechsel zwischen zwei Betriebsmodi erforderlich ist. Es ist ausreichend, die Sollwerte für die flussbildende Stromkomponente id abwechselnd positiv und negativ vorzugeben.In an advantageous embodiment of the method, the demagnetization of the drive machine 16 achieved by adjusting a new setpoint for the flow-forming current component i d , which has the opposite sign and preferably the same amount. Two such points are in the characteristic field according to 2 indicated by pointer. During the demagnetization phase, a current I DC results from the traction battery 12 less than zero, that is, energy is being added to the traction battery at this stage 12 fed back. Once the electricity and thus the magnetic energy in the prime mover 16 When it is depleted, magnetization can take place in the opposite direction, whereby I DC becomes positive again, in other words, energy is now restored from the traction battery 12 taken. This approach has the advantage that the control can be permanently active and no change between two operating modes is required. It is sufficient to specify the setpoint values for the flow-forming current component i d alternately positive and negative.

2 zeigt beispielhaft das Kennfeld einer permanentmagneterregten Synchronmaschine. Auf der waagrechten Achse ist eine flussbildende Stromkomponente id in der Einheit Ampere von –300 Ampere bis +300 Ampere dargestellt, auf der senkrechten Achse ist eine drehmomentbildende Stromkomponente iq ebenfalls in der Einheit Ampere dargestellt in dem Bereich von –300 Ampere bis +300 Ampere. Der Kreis gibt die Stromgrenze imax der maximalen Betriebsströme an, welche mit der gegebenen Maschine realisierbar sind. Eine erste, mit gestrichelten Linien gezeichnete Kurvenschar gibt Betriebspunkte gleichen Drehmoments an. Dabei liegt die Kurve, für die sich ein Drehmoment von Null ergibt, auf der Achse iq = 0. Eine zweite, mit gepunkteten Linien gezeichnete Kurvenschar gibt Betriebspunkte gleichen magnetischen Flusses an. Der besseren Darstellbarkeit wegen leicht versetzt zu der Achse mit iq = 0 sind zwei Zeiger ausgehend vom Ursprung des Koordinatensystems dargestellt, welche zwei einander gegenüberliegende Punkte gleicher Magnetisierung darstellen, wie sie in dem zuvor genannten Verfahren angesteuert werden. 2 shows an example of the characteristic diagram of a permanent magnet synchronous machine. On the horizontal axis, a flux-forming current component i d in the unit amperes of -300 amps to +300 amperes is shown, on the vertical axis a torque-forming current component i q is also shown in the unit ampere in the range of -300 amps to +300 Amp. The circuit indicates the current limit i max of the maximum operating currents that can be realized with the given machine. A first family of curves drawn with dashed lines indicates operating points of the same torque. In this case, the curve for which a torque of zero results lies on the axis i q = 0. A second family of curves drawn with dotted lines indicates operating points of the same magnetic flux. For ease of illustration because of slightly offset from the axis with i q = 0, two pointers are shown starting from the origin of the coordinate system, representing two opposing points of equal magnetization, as they are driven in the aforementioned method.

Unter Benutzung des zuvor genannten Verfahrens kann ein geschlossener Temperaturregelkreis 20 aufgebaut werden. Eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Temperaturregelkreises 20 ist nachfolgend in der 3 beschrieben. Dabei wird ein Batterietemperatursollwert 22 auf eine Subtraktionsstelle geführt, wobei ein Batterietemperaturmesswert 30 von dem Batterietemperatursollwert 22 subtrahiert wird. Eine sich daraus ergebende Regelabweichung wird einem nachfolgenden PI-Regler 24 zugeführt, welcher eine Stellgröße 26 ausgibt. Diese Stellgröße 26 wird nachfolgend einem Übertragungsglied 28 zugeführt, welches insbesondere den Antriebsstromrichter 14 und die Antriebsmaschine 16 sowie die Traktionsbatterie 12 umfasst. Am Ausgang des Übertragungsglieds 28 steht der Batterietemperaturmesswert 30 zur Verfügung.Using the aforementioned method, a closed temperature control loop 20 being constructed. An exemplary embodiment of such a temperature control loop 20 is below in the 3 described. At this time, a battery temperature setpoint becomes 22 passed to a subtraction point, wherein a battery temperature reading 30 from the battery temperature setpoint 22 is subtracted. A resulting control deviation becomes a subsequent PI controller 24 fed, which is a manipulated variable 26 outputs. This manipulated variable 26 becomes a transmission link below 28 supplied, which in particular the drive converter 14 and the prime mover 16 as well as the traction battery 12 includes. At the output of the transmission link 28 is the battery temperature reading 30 to disposal.

Für die Einstellung der Heizleistung innerhalb der Traktionsbatterie 12 kann die Stellgröße 26 beispielsweise dahingehend einwirken, dass dem Antriebsstromrichter 14 eine variable Amplitude für die einzuregelnde flussbildende Stromkomponente id vorgegeben wird. Alternativ wird die Vorgabe einer konstanten Amplitude für die einzuregelnde flussbildende Stromkomponente id vorgeschlagen, wobei die Heizleistung durch einen gepulsten Betrieb, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM), variiert wirdFor adjusting the heat output within the traction battery 12 can the manipulated variable 26 For example, act to the drive converter 14 a variable amplitude for the einzuegelnde flow-forming current component i d is given. Alternatively, the specification of a constant amplitude for the flow-forming current component i d to be regulated is proposed, wherein the heating power is varied by a pulsed operation, for example by means of pulse width modulation (PWM)

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist nicht auf die Verwendung einer Drehstromsynchronmaschine beschränkt, vielmehr kann beispielsweise auch eine Drehstromasynchronmaschine oder eine Reluktanzmaschine Anwendung finden. Insbesondere die geschaltete Reluktanzmaschine bietet sich aufgrund ihres höheren Blindleistungsbedarfs für die Verwendung in einem derartigen Verfahren an.The operating method according to the invention is not limited to the use of a three-phase synchronous machine, but, for example, a three-phase asynchronous machine or a reluctance machine can be used. In particular, the switched reluctance machine is suitable for use in such a method because of its higher reactive power requirement.

Bevorzugt kann eine Temperaturregelung nach dem beschriebenen Verfahren auch in einem Antriebsstromrichter direkt implementiert werden, wenn dieser eine entsprechende Schnittstelle für eine externe Temperaturerfassung bereitstellt. Insbesondere lässt sich über einen binären Eingang beispielsweise bei Verwendung eines Bimetall-Schalters oder einer entsprechenden elektronischen Komponente, welche ein temperaturabhängiges Schaltsignal bereitstellt, auf sehr einfache Art und Weise eine Zweipunktregelung für eine Temperierung der Traktionsbatterie aufbauen.Preferably, a temperature control according to the described method can also be implemented directly in a drive converter, if this provides a corresponding interface for an external temperature detection. In particular, can be a binary input, for example, when using a bimetallic switch or a corresponding electronic component, which provides a temperature-dependent switching signal, build a very simple way a two-step control for a temperature of the traction battery.

Insgesamt ist somit gezeigt, wie unter Verwendung bereits in dem Kraftfahrzeug vorhandener Komponenten ein Verfahren zur Erwärmung einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, ausgeführt werden kann.Overall, it is thus shown how, using components already present in the motor vehicle, a method for heating a battery, in particular a traction battery, can be carried out.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Antriebsvorrichtungdriving device
1212
Traktionsbatterietraction battery
1414
AntriebsstromrichterDrive Converters
1616
Antriebsmaschineprime mover
2020
TemperaturregelkreisTemperature control loop
2222
BatterietemperatursollwertBattery temperature setpoint
2424
PI-ReglerPI controller
2626
Stellgrößemanipulated variable
2828
Übertragungsgliedtransmission member
3030
BatterietemperaturmesswertBattery temperature reading
CZK C ZK
ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
DC+, DC–DC +, DC
Anschlüsseconnections
id i d
flussbildende Stromkomponenteflow-forming current component
imax i max
Stromgrenzecurrent limit
id i d
momentenbildende Stromkomponentetorque-forming current component
IDC I DC
Batteriestrombattery power
IU, IV, IW I U , I V , I W
Stromelectricity
KK
Batterieschützbattery contactor
Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6
HalbleiterschalterSemiconductor switches
U, V, WAND MANY MORE
ZweigpaarmittelpunktBranch Pair center
UDC U DC
ZwischenkreisspannungIntermediate circuit voltage
UHV U HV
Batteriespannungbattery voltage
UUV, UVW, UWU UV , U VW , U WU
Spannungtension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009054461 A1 [0004] DE 102009054461 A1 [0004]

Claims (7)

Verfahren zur Erwärmung einer Traktionsbatterie (12) in einem Kraftfahrzeug mit den Schritten: – Bereitstellen eines programmierbaren Antriebsstromrichters (14), welcher mit einer Antriebsmaschine (16) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs und der Traktionsbatterie (12) gekoppelt ist, – Betreiben der Antriebsmaschine (16) mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten eines Kennlinenfeldes, wo eine momentenbildende, rotorbezogene Stromkomponente (iq) derart geregelt wird, dass in der Antriebsmaschine (16) kein Drehmoment aufgebaut wird, und hierdurch – Herbeiführen einer Temperaturerhöhung der Traktionsbatterie (12) durch einen Batterielaststrom (IDC), welcher sich beim Betreiben der Antriebsmaschine (16) zwischen dem Antriebsstromrichter (14) und der Traktionsbatterie (12) einstellt.Method for heating a traction battery ( 12 ) in a motor vehicle comprising the steps of: - providing a programmable drive converter ( 14 ), which with an engine ( 16 ) for driving the motor vehicle and the traction battery ( 12 ), - operating the prime mover ( 16 ) with a field-oriented control in operating points of a characteristic field, where a torque-forming, rotor-related current component (i q ) is controlled such that in the prime mover ( 16 ) no torque is built up, and thereby - causing a temperature increase of the traction battery ( 12 ) by a battery load current (I DC ), which in the operation of the prime mover ( 16 ) between the drive converter ( 14 ) and the traction battery ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: – Betreiben der Antriebsmaschine (16) mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten des Kennlinenfeldes, wo eine flussbildende, rotorbezogene Stromkomponente (id) derart geregelt wird, dass periodisch zwischen einem positiven und einem negativen Sollwert für die flussbildende, rotorbezogene Stromkomponente (id) gewechselt wird.A method according to claim 1 characterized by the further step: - operating the drive machine ( 16 ) with a field-oriented control in operating points of the characteristic field, where a flow-forming, rotor-related current component (i d ) is controlled so that periodically between a positive and a negative setpoint for the flow-forming, rotor-related current component (i d ) is changed. Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: – Betreiben der Antriebsmaschine (16) im Stillstand.A method according to claim 1 characterized by the further step: - operating the drive machine ( 16 ) at standstill. Verfahren nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: – Betreiben des Antriebsstromrichters (14) abwechselnd in einem feldgeregelten Modus und einem ungeregelten Freilauf-Modus.Method according to claim 3, characterized by the further step: - operating the drive converter ( 14 ) alternately in a field-controlled mode and an uncontrolled free-wheeling mode. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: – Bereitstellen eines geschlossenen Temperaturregelkreises (20) mit dem Batterielaststrom (IDC) als Stellgröße zur Einstellung eines vorgebbaren Temperaturniveaus innerhalb der Traktionsbatterie.Method according to one of the preceding claims, characterized by the further step: - providing a closed temperature control loop ( 20 ) with the battery load current (I DC ) as a manipulated variable for setting a predeterminable temperature level within the traction battery. Antriebsvorrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug mit. – einem programmierbaren Antriebsstromrichter (14), welcher zur Ausführung einer feldorientierten Regelung ausgelegt ist, – einer Antriebsmaschine (16), welche mit dem Antriebsstromrichter (14) gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, mit einer feldorientierten Regelung in Betriebspunkten des Kennlinenfeldes, wo eine momentenbildende, rotorbezogene Stromkomponente (iq) derart geregelt wird, dass in der Antriebsmaschine (16) kein Drehmoment aufgebaut wird, betrieben zu werden, und – einer Traktionsbatterie (12), welche dazu ausgelegt ist, eine interne Temperaturerhöhung durch einen Batterielaststrom (IDC), welcher sich beim Betreiben der Antriebsmaschine (16) zwischen dem Antriebsstromrichter (14) und der Traktionsbatterie (12) einstellt, herbeizuführen.Drive device ( 10 ) for a motor vehicle with. - a programmable drive converter ( 14 ), which is designed for carrying out a field-oriented control, - an engine ( 16 ), which are connected to the drive converter ( 14 ) and is adapted to be controlled with a field-oriented control in operating points of the characteristic field, where a torque-forming, rotor-related current component (i q ) is controlled such that in the prime mover ( 16 ) no torque is built to operate, and - a traction battery ( 12 ), which is adapted to an internal temperature increase by a battery load current (I DC ), which in the operation of the prime mover ( 16 ) between the drive converter ( 14 ) and the traction battery ( 12 ) to induce. Kraftfahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6.Motor vehicle with a drive device according to claim 6.
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