DE102021126347A1

DE102021126347A1 - Verfahren zur Vorbereitung einer Antriebsbatterie auf einen ausgewählten Batteriebetrieb sowie elektrische Antriebsvorrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021126347A1
Application number: DE102021126347.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Saur
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2023-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Antriebsbatterie (B) auf einen ausgewählten Batteriebetrieb, wie zum Beispiel ein Schnellladen der Antriebsbatterie (B). Dazu werden Schaltelemente (su, sv, sw) einer Wechselrichterschaltung (W), über die die Antriebsbatterie (B) mit einem elektrischen Antrieb (M) gekoppelt ist, in einem Heizbetrieb nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster betrieben. Gemäß dem zweiten Taktmuster ist eine Taktfrequenz, mit der das jeweilige Schaltelement (su, sv, sw) geschaltet wird, so gewählt, dass die daraus resultierende Frequenz im Zwischenkreis in einem vorgegebenen zweiten Frequenzbereich (f2) liegt. In dem zweiten Frequenzbereich (f2) ist eine Impedanz (ZC) eines Zwischenkreiskondensators (C), der zur Filterung eines Zwischenkreisstroms (id), mit dem die Antriebsbatterie (B) beim Schalten der Wechselrichterschaltung (W) beaufschlagt wird, gemäß einer vorgegebenen Impedanzfunktion (f(ZC)) höher als in einem Normalbetrieb der Wechselrichterschaltung (W). So wird ein Wechselanteil des Zwischenkreisstroms (id) nicht über den Zwischenkreiskondensator (C) kurzgeschlossen, sondern zum Erwärmen der Antriebsbatterie (B) an diese bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Antriebsbatterie auf einen ausgewählten Batteriebetrieb. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsbatterie, einer Wechselrichterschaltung, einem elektrischen Antrieb und einer Steuereinrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden elektrischen Antriebsvorrichtung.
Elektrisch betrieben Fahrzeuge können Schienenfahrzeuge oder Kraftfahrzeuge sein. Bei Schienenfahrzeugen, wie zum Beispiel bei elektrischen Bahnen, kann die elektrische Energie zum Antreiben oder Betreiben mittels sogenannter Oberleitungen aus einem externen Stromnetz bereitgestellt werden.
Aus der CH 432 581 A ist zum Beispiel eine elektronische Steuerungseinrichtung für elektrische Mehrspannungsheizeinrichtungen von Schienenfahrzeugen bekannt. Dabei sollen Fahrkabinen oder Wagons mittels der Betriebsspannung des Schienenfahrzeugs geheizt werden.
Im Gegensatz dazu kann die elektrische Energie zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mittels einer fahrzeuginternen Antriebsbatterie bereitgestellt werden. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug wird beispielsweise als batterieelektrisch betriebenes Fahrzeug, also Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, bezeichnet. Das Kraftfahrzeug kann eine elektrische Antriebsvorrichtung mit einer Antriebsbatterie und einem elektrischen Antrieb umfassen. Der elektrische Antrieb kann zum Beispiel eine E-Maschine (elektrische Maschine) oder ein E-Motor (elektrischer Motor) sein. Die Antriebsbatterie kann eine Sekundärbatterie oder ein Akkumulator sein und kann somit in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs sowohl geladen als auch entladen werden. Bei Entladen kann die Antriebsbatterie elektrische Energie an den elektrischen Antrieb bereitstellen. Beim Laden kann von dem elektrischen Antrieb (Rekuperation) oder mittels einer fahrzeugexternen Energiequelle, wie einer Ladestation, elektrische Energie an die Antriebsbatterie bereitgestellt werden. Das heißt, der ausgewählte Batteriebetrieb kann zum Beispiel ein Lade- oder Entladebetrieb der Antriebsbatterie sein.
Ein System und eine Steuerungsvorrichtung zum Laden und Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie sind zum Beispiel aus der EP 3 432 439 B1 bekannt. Dabei werden mindestens zwei Schwingungsströme durch eine Schwingungsschleife, die durch eine inhärente Impedanzcharakteristik der Lithium-Ionen-Batterie gebildet ist, erzeugt. Die Schwingungsströme werden dabei in Abhängigkeit von einer Temperatur, die die Lithium-Ionen-Batterie aufweist, eingestellt.
Die Antriebsbatterie ist eine Gleichspannungskomponente, das heißt, die elektrische Energie oder Leistung liegt in Form eines elektrischen Gleichstroms oder einer elektrischen Gleichspannung vor. Der elektrische Antrieb ist hingegen eine Wechselspannungskomponente, das heißt, die elektrische Energie oder Leistung liegt in Form eines elektrischen Wechselstroms oder einer elektrischen Wechselspannung vor. Zum elektrischen Koppeln der Antriebsbatterie mit dem elektrischen Antrieb umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung eine Wechselrichterschaltung. In der Kraftfahrzeugtechnik ist eine solche Wechselrichterschaltung zum Beispiel als Motorinverter bekannt. Im Folgenden wird zu Vereinfachung nur noch die Bezeichnung „Strom“ verwendet. Dem Fachmann ist aber klar, dass elektrische Energie oder Leistung sowohl von dem elektrischen Strom als auch der elektrischen Spannung abhängt.
Die Wechselrichterschaltung ist ausgebildet, die bereitgestellte elektrische Energie der Antriebsbatterie zum Breitstellen an den elektrischen Antrieb zu wandeln, und umgekehrt. Zum Beaufschlagen von wenigstens einer Phase des elektrischen Antriebs mit einem elektrischen Wechselstrom als Phasenstrom wird die elektrische Wechselrichterschaltung dazu in einem Wechselrichterbetrieb betrieben. Mit Phase ist vorliegend zum Beispiel ein Außenleiter des elektrischen Antriebs gemeint, der zum Beispiel einem Ständer (Stator) oder einem Läufer (Rotor) des elektrischen Antriebs zugeordnet sein kann. In dem Wechselrichterbetrieb wird wenigstens ein Schaltelement der Wechselrichterschaltung nach einem vorgegebenen ersten Taktmuster und /oder einer vorgegebenen ersten Taktfrequenz in einem ersten Frequenzbereich betrieben. Das Schaltelement ist zum Beispiel ein elektronischer Schalter oder Halbleiterschalter, der zumindest zwei Schaltzustände aufweist. In einem eingeschalteten Schaltzustand kann das Schaltelement zum Beispiel einen geringen elektrischen Widerstand bereitstellen, sodass ein elektrischer Strom im Wesentlichen ungehindert fließen kann. In einem ausgeschalteten Schaltzustand kann das Schaltelement hingegen einen hohen elektrischen Widerstand bereitstellen, sodass im Wesentlichen kein Stromfluss über das Schaltelement möglich ist. Mittels des Schaltelements kann somit ein elektrischer Stromfluss eingestellt werden.
Ein Wechsel zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Schaltzustand und somit ein Verhältnis zwischen einer Dauer des eingeschalteten und ausgeschalteten Schaltzustands wird in dem Wechselrichterbetrieb durch das erste Taktmuster und zusätzlich oder alternativ durch die Taktfrequenz beschrieben. Das heißt, es kann zum Betreiben der Halbleiterschalter zum Beispiel eine Taktfrequenz und/oder ein Taktmuster vorgebenden sein oder eingestellt werden. Dabei kann sich der erste Frequenzbereich durch Betreiben der Schaltelemente in der Taktfrequenz oder des Taktmusters ergeben. Die Taktfrequenz und das Taktmuster geben dabei an, wie oft zwischen dem ein- und ausgeschalteten Schaltzustand umgeschaltet wird. Durch geeignete Wahl des Taktmusters und der Taktfrequenz kann beim Bereitstellen des Gleichstroms von der Antriebsbatterie mittels der Wechselrichterschaltung an einem Ausgang, an dem der elektrische Antrieb angeschlossen ist, der elektrische Wechselstrom erzeugt werden. Zum Ansteuern der Wechselrichterschaltung beispielsweise zum Einstellen des Schalttakts, also des Taktmusters und/oder der Taktfrequenz kann die Antriebsvorrichtung zum Beispiel eine Steuereinrichtung umfassen.
Durch das Betreiben in dem Wechselrichterbetrieb kann am Eingang der Wechselrichterschaltung, an dem die Antriebsbatterie angeschlossen ist, ein Zwischenkreisstrom fließen. Der Zwischenkreisstrom ist ein elektrischer Gleichstrom mit einem Wechsel(strom)anteil, auch als Rippelstrom oder Stromrippel bekannt. Eine Ausprägung des Wechselanteils, wie zum Beispiel eine Frequenz mit der der Wechselanteil schwingt, hängt von der Taktfrequenz ab mit der die Wechselrichterschaltung betrieben wird. Zum effektiven Nutzen der elektrischen Energie zum Betreiben des Kraftfahrzeugs mittels der elektrischen Antriebsvorrichtung kann ein sogenannter Zwischenkreiskondensator eingesetzt werden. Der Zwischenkreiskondensator kann den Wechselanteil des Zwischenkreisstroms filtern oder glätten. Denn bei passender Auslegung des Zwischenkreiskondensators kann der Wechselanteil direkt über den Zwischenkreiskondensator abfließen. Der Zwischenkreiskondensator schließt somit den hochfrequenten Wechselanteil des Zwischenkreisstroms kurz. Somit kann die Antriebsbatterie beim Betrieben der Antriebsvorrichtung im Wesentlichen nur noch mit dem Gleichstrom als Batteriestrom beaufschlagt werden. Dazu kann der Zwischenkreiskondensator zum Beispiel in einer elektrischen Parallelschaltung zwischen der Antriebsbatterie und der Wechselrichterschaltung angeschlossen werden.
Eine Güte der Filterung, also eine Filterwirkung des Zwischenkreiskondensators und/oder einer zugehörigen Zwischenkreiskondensatorschaltung hängt von dessen und/oder deren vorgegebener Impedanzfunktion ab. Die Impedanzfunktion oder Impedanzcharakteristik gibt den Verlauf einer Impedanz eines Zwischenkreiskondensators mit einer vorgegebenen Kapazität in Abhängigkeit von einer Frequenz des Wechselstroms vor. Die Impedanz kann allgemein als frequenzabhängiger elektrischer Widerstand des Zwischenkreiskondensators bezeichnet werden. In der Elektrotechnik ist die Impedanz als Scheinwiderstand definiert, der sich für einen Kondensator, also eine elektrische Kapazität, aus einem Wirkwiderstand und einem kapazitiven Blindwiderstand zusammensetzt. Um die Filterwirkung des Zwischenkreiskondensators zu optimieren, kann der Zwischenkreiskondensator in der Antriebsvorrichtung nun so ausgewählt werden, dass dessen Impedanz gemäß der Impedanzfunktion für den ersten Frequenzbereich in einem vorgegebenen Minimalwertebereich umfassend ein globales Minimum liegt. Das globale Minimum kann zum Beispiel erreicht werden, wenn der erste Frequenzbereich eine Resonanzfrequenz für den Zwischenkreiskondensator umfasst. Der erste Frequenzbereich kann somit zum Beispiel auch als Resonanzbereich bezeichnet werden. In dem Resonanzbereich kann zum Beispiel eine Zuleitung als ein elektrisches Leitungselement und zum Beispiel die Kondensatorbelege als Serieninduktivität für den Zwischenkreiskondensator wirken. Im ersten Frequenzbereich wird somit die Eigeninduktivität des Zwischenkreiskondensators angelegt. Es tritt Serienresonanz auf.
Indem der Zwischenkreiskondensator durch geeignete Wahl des Taktmusters und/oder der Taktfrequenz in dem Minimalwertebereich der Impedanz betrieben wird, stellt dieser im Wesentlichen nur einen geringen elektrischen Widerstand für den Wechselanteil bereit und kann so, wie zuvor beschrieben, den Wechselanteil kurzschließen. Der Zwischenkreiskondensator wird somit mit dem Wechselanteil des Zwischenkreisstroms beaufschlagt, während die Antriebsbatterie im Wesentlichen nur mit dessen Gleichstromanteil oder Gleichanteil beaufschlagt wird.
Damit die Antriebsbatterie effektiv als elektrischer Energiespeicher für das Kraftfahrzeug genutzt werden kann, kann die Antriebsbatterie auf einen ausgewählten Batteriebetrieb, also zum Beispiel das Laden in einem Ladebetrieb oder das Entladen in einem Fahrbetrieb, vorbereitet werden. In Abhängigkeit von einer Elektrochemie oder Technologie kann die Antriebsbatterie nämlich beispielweise einen temperaturabhängigen Innenwiderstand, also eine temperaturabhängige Batterieimpedanz aufweisen. Damit in dem Batteriebetrieb möglich wenig Verluste auftreten, kann eine möglichst niedrige Batterieimpedanz vorteilhaft sein. Ein gewünschter Optimalwert der Batterieimpedanz kann zum Beispiel bei einer Optimaltemperatur von etwa 50°C vorliegen. Zum Vorbereiten der Antriebsbatterie auf den ausgewählten Batteriebetrieb können Systeme zum Heizen und/oder Kühlen in dem Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Ein Heizsystem kann zum Beispiel Heizwendeln oder Heizspulen aufweisen. Ein Kühlsystem kann zum Beispiel einen Kühlkreislauf mit einem Kühlkörper umfassen. Nachteilig bei solchen Systemen ist, dass diese eine zusätzliche Energieversorgung und Bauraum benötigen. Zudem entstehen Verluste bei der Wärmeübertragung zwischen Antriebsbatterie und Heiz- oder Kühlsystem. Insgesamt sind diese Systeme somit kostenintensiv und bringen zusätzliches Gewicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, um eine Antriebsbatterie energiesparend und kostengünstig auf einen ausgewählten Batteriebetrieb vorzubereiten.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die vorhandenen Komponenten der eingangs beschriebenen Antriebsvorrichtung zum energiesparenden und kostengünstigen Vorbereiten der Antriebsbatterie auf den ausgewählten Batteriebetrieb genutzt werden können. Dabei sollen zum Beispiel die Wechselrichterschaltung und der Zwischenkreiskondensator zum Temperieren, insbesondere zum Heizen der Antriebsbatterie, eigensetzt werden.
In der Erfindung ist dazu ein Verfahren vorgesehen, bei dem die eingangs beschriebene Wechselrichterschaltung bei Vorliegen einer vorgegebenen Betriebsbedingung in einem Heizbetrieb betrieben wird. Das heißt, es kann von dem eingangs beschriebenen Wechselrichterbetrieb, der einen üblichen oder bestimmungsgemäßen Betrieb der Wechselrichterschaltung zum Koppeln der Antriebsbatterie mit dem elektrischen Antrieb darstellt, umgeschaltet werden. Dabei ist der Heizbetrieb ein von dem Wechselrichterbetrieb unterschiedlicher Betriebsmodus der Wechselrichterschaltung. Beim Betreiben in dem Heizbetrieb wird die Antriebsbatterie auf einen vorgegebenen Heiztemperaturwert geheizt. Der Heiztemperaturwert soll der vorgenannten Optimaltemperatur zum Nutzen der Antriebsbatterie in dem ausgewählten Batteriebetrieb entsprechen. Zum Beispiel kann der Heiztemperaturwert 50 Grad Celsius betragen, oder in einem Wertebereich von 45 Grad Celsius bis 55 Grad Celsius liegen. Der Heiztemperaturwert kann zum Beispiel abhängig von der Elektrochemie oder Technologie der Antriebsbatterie gewählt sein.
In dem Heizbetrieb wird das wenigstens eine Schaltelement nun nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen Taktfrequenz in einem zweiten Frequenzbereich betrieben. Für den zweiten Frequenzbereich liegt die Impedanz des Zwischenkreiskondensators gemäß der Impedanzfunktion in einem vorgegebenen Heizwertebereich, der von dem Minimalwertebereich disjunkt ist. Das heißt, die Taktfrequenz und/oder das zweite Taktmuster wird gemäß der Impedanzfunktion des Zwischenkreiskondensators so gewählt, dass die Impedanz des Zwischenkreiskondensators steigt. Anders ausgedrückt, umfasst der Heizwertebereich größere Impedanzwerte als der Minimalwertebereich. Das zweite Taktmuster, die zweite Taktfrequenz und der zweite Frequenzbereich unterscheiden sich somit von dem ersten Taktmuster, der ersten Taktfrequenz und dem ersten Frequenzbereich. Somit kann durch Einstellen des zweiten Taktmusters und zusätzlich oder alternativ die zweite Taktfrequenz ein zweiter Schalttakt für die Schaltelemente vorgegeben werden.
Durch die gestiegene Impedanz kann der Wechselanteil des Zwischenkreisstroms zumindest teilweise an die Antriebsbatterie abgegeben werden. Es werden also Oberschwingungen oder ein Stromrippel im Batteriestrom, mit dem die Antriebsbatterie beaufschlagt wird, erzeugt. Aufgrund der Batterieimpedanz, die die Antriebsbatterie bereitstellt, kommt es insgesamt zu einer Erwärmung der Antriebsbatterie auf den gewünschten Heiztem peraturwert.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Vorkonditionieren der Antriebsbatterie für den ausgewählten Batteriebetrieb mit vorhandenen Bauteilen in der elektrischen Antriebsvorrichtung realisiert werden kann. Es brauchen keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise die eingangs erwähnten Heizspulen, verbaut werden. Dadurch können Kosten, Platz und Gewicht gespart werden. Auch können zusätzliche Leistungsverluste für das Betreiben der zusätzlichen Bauteile vermieden werden.
Das erste Taktmuster und/oder das zweite Taktmuster beziehungsweise die erste und/oder zweite Taktfrequenz können zum Beispiel mittels sogenannter Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert werden. Natürlich können sich auch andere bekannte Taktverfahren zum Betreiben des jeweiligen Schaltelements der Wechselrichterschaltung in dem Schaltbetrieb genutzt werden.
Das beschriebene Verfahren kann zum Beispiel im Fahrbetrieb oder im Standbetrieb oder Parkbetrieb des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Dabei ist lediglich der zweite Schalttakt so auszuwählen, dass zum Beispiel im Fahrbetrieb eine Übertragung eines Drehmoments von dem elektrischen Antrieb weiterhin gewährleistet ist. Im Standbetrieb oder Parkbetrieb, also zum Beispiel beim Stehen an einer Ampel, braucht hingegen kein Drehmoment von dem elektrischen Antrieb bereitgestellt werden. Entsprechend kann das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz derart gewählt sein, dass der elektrische Antrieb zum Beispiel vollständig in einem Blindleistungsbetrieb betrieben wird. Dadurch wird eine elektrische Leistung oder elektrische Energie für den elektrischen Antrieb vollständig in Blindleistung umgesetzt.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer Ausführungsform wird zum Vorgeben des zweiten Frequenzbereichs für das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz aus der vorgegebenen Impedanzfunktion ein zugeordneter Impedanzwertebereich ausgewählt, der ein lokales oder globales Maximum der Impedanz umfasst. Somit kann sichergestellt werden, dass der Zwischenkreiskondensator in dem Heizbetrieb eine möglichst hohe Impedanz und somit einen möglichst hohen Widerstand für den Zwischenkreisstrom bereitstellt. Dadurch ist die Filter- oder Glättungsfunktion des Zwischenkreiskondensators höchstens noch eingeschränkt gegeben. Es wird also eine Sperrwirkung der vorgenannten Serienresonanz des Zwischenkreiskondensators ausgenutzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich eine weitere vorgegebene Impedanzfunktion für einen ersten Resonanzkreis umfassend den Zwischenkreiskondensator und die Antriebsbatterie und/oder für einen zweiten Resonanzkreis umfassend den Zwischenkreiskondensator und den elektrischen Antrieb berücksichtigt. Zum Vorgeben des zweiten Frequenzbereichs wird für das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz aus der vorgegebenen weiteren Impedanzfunktion ein vorgegebener weiterer Heizwertebereich, der ein lokales oder globales Maximum der Impedanz umfasst, ausgewählt. Das heißt, es kann eine zusätzliche Sperrwirkung einer Parallelresonanz des ersten oder zweiten Resonanzkreises ausgenutzt werden. Der erste und/oder der zweite Resonanzkreis können nämlich einen sogenannten Sperrkreis bilden. Vorliegend kann die Parallelresonanz zum Beispiel zwischen Motorwicklungen oder Induktivitäten des elektrischen Antriebs und dem Zwischenkreiskondensator oder elektrischen Leitungen der Antriebsbatterie und dem Zwischenkreiskondensator auftreten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Sperrwirkung für den Stromrippel des Zwischenkreisstroms noch verbessert werden kann. Das heißt, es können möglichst viele Oberschwingungen an die Antriebsbatterie zum Heizen bereitgestellt werden. Das Heizen kann optimiert werden.
Zum Vorgeben des zweiten Frequenzbereichs kann der ausgewählte Heizwertebereich mit dem weiteren Heizwertebereich verglichen werden. Bei dem Vergleichen kann zum Beispiel überprüft werden, ob der Heizwertebereich und der weitere Heizwertebereich eine gemeinsame Schnittmenge von Impedanzwerten aufweisen. Diese Schnittmenge kann zum Festlegen des zweiten Frequenzbereichs genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird als das jeweilige Schaltelement ein Halbleiterschalter bereitgestellt. Zum Umsetzen des jeweiligen Taktmusters und/oder der jeweiligen Taktfrequenz wird mittels einer Steuereinrichtung der Halbleiterschalter in einem jeweiligen Schaltbetrieb betrieben. Der Halbleiterschalter kann zum Beispiel ein MOSFET (Metalloxid Semiconductor Field Effect Transistor; Metalloxid Halbleiterfeldeffekttransistor), ein IGBT (Insolated Gate Bipolar Transistor; Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode) oder ein Thyristor sein. Der jeweilige Halbleiterschalter kann zum Beispiel eine Treiberschaltung aufweisen, die einen Steuerstrom oder eine Steuerspannung als Steuersignal zum Schalten der Schaltelemente in den Schaltbetrieb bereitstellen kann. Die Treiberschaltung kann mit der Steuereinrichtung betrieben werden. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel ein Batteriemanagementsystem oder eine sonstige Steuervorrichtung des Kraftfahrzeugs zum Betreiben der Wechselrichterschaltung sein. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungseinrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das Betreiben der Wechselrichterschaltung durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest eine DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, beim Ausführen durch die Prozessoreinrichtung das Steuern oder Betreiben der Wechselrichterschaltung durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Betreiben der Wechselrichterschaltung in dem Heizbetrieb das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz mittels einer Blocktaktung vorgegeben. Eine solche Blocktaktung ist allgemein auch als Grundfrequenztaktung oder Six-Step-Taktung bekannt. Hierbei wird das jeweilige Schaltelement mit einer sehr geringen Schaltfrequenz betrieben. Zum Beispiel kann ein Tastverhältnis für das zweite Taktmuster 50 Prozent betragen. Das heißt, die Taktfrequenz für den zweiten Frequenzbereich kann abhängig von der Anzahl der verwendeten Schaltelemente der Wechselrichterschaltung oder in Abhängigkeit von den Phasen des elektrischen Antriebs das Zweifache der Frequenz oder Vielfache der zweifachen Frequenz der Phasenströme betragen. Dabei können harmonischen Schwingungen im Zwischenkreis besonders hoch sein. Bei der Blocktaktung ergibt sich der Vorteil, dass für den elektrischen Antrieb kein Drehmoment erzeugt werden kann. Der elektrische Antrieb wird somit im Wesentlichen mit 0 Newtonmeter beaufschlagt. Das heißt, die Blocktaktung kann zum Beispiel in einem Standbetrieb des Kraftfahrzeugs, also wenn das Fahrzeug zum Beispiel gerade abgestellt oder geparkt wurde, um beispielsweise einen Schnellladevorgang durchzuführen, eingesetzt werden. Natürlich kann mittels der Blocktaktung das Drehmoment auch beliebig eingestellt oder eingeregelt werden.
Natürlich sind auch andere Taktverfahren oder optimierte Pulsmuster zum Vorgeben des zweiten Taktmusters (und/oder des ersten Taktmusters) beziehungsweise der zweiten Taktfrequenz (und/oder der ersten Taktfrequenz) verwendbar. Entsprechende Taktverfahren sind zum Beispiel aus der Veröffentlichung von A. Steimel „Direct Self Control and Synchronous Pulse Techniques für High-Power Traction Inverters in Comparison“ (IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, No. 4 pp. 810-820, Aug. 2004) bekannt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird für ein Umschalten zwischen dem Wechselrichterbetrieb und dem Heizbetrieb eine Temperatur der Antriebsbatterie überwacht. Das Betreiben der Wechselrichterschaltung in dem Heizbetrieb wird dabei nur solange durchgeführt, wie ein erfasster Temperaturwert gemäß der Überwachung kleiner ist als der vorgegebene Heiztemperaturwert. Somit kann vermieden werden, dass die Antriebsbatterie überhitzt. Beim Überhitzen kann es nämlich passieren, dass die Batterieimpedanz wieder steigt und/oder die Antriebsbatterie zum Beispiel bis zu einem thermischen Durchgehen von einzelnen Batteriezellen erwärmt wird, was zu einem Defekt der Antriebsbatterie führen kann.
Es kann also gezielt zwischen dem Wechselrichterbetrieb und dem Heizbetrieb in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Heiztemperaturwert umgeschaltet oder gewechselt werden. Anstelle des Heiztemperaturwerts kann zum Beispiel ein Heiztemperaturintervall zum Umschalten zwischen dem Wechselrichterbetrieb und dem Heizbetrieb berücksichtigt werden. Das heißt, es kann zum Beispiel erst dann von dem Heizbetrieb in den Wechselrichterbetrieb gewechselt werden, wenn ein oberer Grenzwert des Heiztemperaturintervalls überschritten oder ein unterer Grenzwert des Heiztemperaturwerts unterschritten ist. Dadurch können Temperaturschwankungen der Antriebsbatterie besser berücksichtigt werden. Zum Überwachen der Temperatur der Antriebsbatterie kann zum Beispiel eine Detektionseinrichtung eingesetzt werden. Diese kann zum Beispiel von einem Batteriemanagementsystem des Kraftfahrzeugs umfasst sein. Die Detektionseinrichtung kann zum Erfassen der Temperatur zum Beispiel eine Sensoreinheit, wie zum Beispiel einen Temperatursensor oder einen Strom- oder Spannungssensor, aufweisen. Den erfassten Temperaturwert kann die Detektionseinrichtung dann zum Auswerten an die beispielhaft zuvor beschriebene Steuereinrichtung für das Umschalten zwischen den Betriebsmodi bereitstellen.
In einer weiteren Ausführungsform geht es um die vorgegebene Betriebsbedingung, die vorliegen soll, damit die Wechselrichterschaltung in dem Heizbetrieb betrieben wird. Gemäß der Ausführungsform wird die Betriebsbedingung als vorliegend bestätigt, wenn eine Überprüfung ergibt, dass ein Ladezustand der Antriebsbatterie einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und/oder ein Ladedurchführungssignal detektiert wird, welches angibt, dass ein Ladevorgang zum Laden der Antriebsbatterie bevorsteht. Das heißt, das zuvor beschriebene Verfahren kann zum Beispiel dann durchgeführt werden, wenn die Antriebsbatterie geladen werden soll. Der Ladezustand kann zum Beispiel mittels der zuvor beschriebenen Detektionseinrichtung überwacht werden. Das Ladedurchführungssignal kann zum Beispiel von einer Navigationseinrichtung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden, wenn eine Bedienperson oder ein Fahrer eine Ladestation als Ziel in dem Navigationsgerät auswählt. Es kann also zum Beispiel nur dann von dem Wechselrichterbetrieb in den Heizbetrieb umgeschaltet werden, wenn die Antriebsbatterie geladen, also ein Ladevorgang durchgeführt werden soll, um die Antriebsbatterie für den weiteren Fahrzeugbetrieb überhaupt nutzen zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein elektrischer Antrieb mit drei Phasen bereitgestellt und die Wechselrichterschaltung stellt für jede der Phasen zumindest ein Schaltelement bereit. Das heißt, die Wechselrichterschaltung kann entsprechend dreiphasig ausgestaltet sein. Insgesamt kann der elektrische Antrieb somit einphasig oder mehrphasig ausgestaltet sein. Für jede Phase ist wenigstens ein Schaltelement oder eine Schaltelementengruppe vorgesehen. Eine Schaltelementengruppe können zum Beispiel zwei oder mehrere Schaltelemente bilden, die zum Beispiel in einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sind. Die Brückenschaltung kann zum Beispiel als eine sogenannte Vollbrücke oder eine sogenannte Halbbrücke vorliegen.
Die Erfindung betrifft auch die eingangs erwähnte elektrische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Antriebsvorrichtung umfasst eine Antriebsbatterie, eine Wechselrichterschaltung, einen elektrischen Antrieb und eine Steuereinrichtung. Die Antriebsbatterie ist als elektrischer Energiespeicher für den elektrischen Antrieb ausgebildet. Die Wechselrichterschaltung ist zum elektrischen Koppeln der Antriebsbatterie mit dem elektrischen Antrieb ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die Wechselrichterschaltung zur Beaufschlagung von wenigstens einer Phase des elektrischen Antriebs mit einem elektrischen Wechselstrom als Phasenstrom in einem Wechselrichterbetrieb zu betreiben. Dazu ist die Steuereinrichtung in dem Wechselrichterbetrieb ausgebildet, wenigstens ein Schaltelement der Wechselrichterschaltung nach einem vorgegebenen ersten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen ersten Taktfrequenz in einem ersten Frequenzbereich zu betreiben. Zum Filtern eines Wechselanteils eines Zwischenkreisstroms, mit dem die Antriebsbatterie in dem Wechselrichterbetrieb beaufschlagbar ist, weist die elektrische Antriebsvorrichtung zudem einen Zwischenkreiskondensator mit einer vorgegebenen Impedanzfunktion auf, welcher zwischen der Antriebsbatterie und der Wechselrichterschaltung angeschlossen ist. Eine Impedanz des Zwischenkreiskondensators ist dabei gemäß der Impedanzfunktion für den ersten Frequenzbereich in einem vorgegebenen Minimalwertebereich umfassend ein globales Minimum. Bei Vorliegen einer vorgegebenen Betriebsbedingung ist die Steuereinrichtung weiterhin ausgebildet, die Wechselrichterschaltung zum Heizen der Antriebsbatterie auf einen vorgegebenen Heiztemperaturwert in einem Heizbetreib zu betreiben. Dazu ist die Steuereinrichtung in dem Heizbetrieb ausgebildet, das wenigstens eine Schaltelement nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen zweiten Taktfrequenz in einem zweiten Frequenzbereich zu betreiben. Eine Impedanz des Zwischenkreiskondensators gemäß der Impedanzfunktion für den zweiten Frequenzbereich liegt dabei in einem vorgegebenen Heizwertebereich, der von dem Minimalwertebereich disjunkt ist. Die elektrische Antriebsvorrichtung kann somit zum Beispiel mit einem Verfahren, wie es zuvor beschrieben wurde, betrieben werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug ist zum Beispiel als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung und des Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsvorrichtung und des Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Schaltplans einer elektrischen Antriebsvorrichtung;
2 ein schematisches Diagramm einer Impedanzfunktion eines Zwischenkreiskondensators der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß 1; und
3 ein schematisches Verfahrensablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß 1.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt beispielhaft einen schematischen Schaltplan für eine Antriebsvorrichtung V. Die elektrische Antriebsvorrichtung V kann zum Beispiel zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (in 1 nicht dargestellt) eingesetzt werden. Ein solches Kraftfahrzeug mit der elektrischen Antriebsvorrichtung V wird zum Beispiel als batterieelektrisches Vehikel bezeichnet.
In dem Schaltplan gemäß 1 umfasst die elektrische Antriebsvorrichtung V eine Antriebsbatterie B, einen Zwischenkreiskondensator C, eine Wechselrichterschaltung W, einen elektrischen Antrieb M. und eine Steuereinrichtung S. In dem Schaltplan sind die Antriebsbatterie B und der Zwischenkreiskondensator C in elektrischer Parallelschaltung aneinander angeschlossen. Dazu ist die Antriebsbatterie B mit einer ersten Seite, zum Beispiel einem Pluspol, an ein Pluspotential P+ der Antriebsvorrichtung V angeschlossen. Mit einer zweiten Seite, zum Beispiel einem Minuspol, ist die Antriebsbatterie B an ein Minuspotential P- der Antriebsvorrichtung V angeschlossen. Der Zwischenkreiskondensator C ist mit einer ersten Seite an das Pluspotential P+ angeschlossen und somit mit dem Pluspol der Antriebsbatterie B verbunden. Mit einer zweiten Seite ist der Zwischenkreiskondensator C an das Minuspotential P- angeschlossen und somit mit dem Minuspol der Antriebsbatterie B verbunden.
An den Zwischenkreiskondensator C ist ebenfalls in elektrischer Parallelschaltung die Wechselrichterschaltung W angeschlossen. Die Antriebsbatterie B ist somit über den Zwischenkreiskondensator C mit der Wechselrichterschaltung W gekoppelt. Die Wechselrichterschaltung W ist vorliegend dreiphasig ausgebildet. Das heißt, die Wechselrichterschaltung W umfasst drei Leiterzweige oder Phasen, die in elektrischer Parallelschaltung zueinander jeweils mit einem ersten Ende an das Pluspotential P+ und einem zweiten Ende an das Minuspotential P- angeschlossen sind. An den Phasen der Wechselrichterschaltung W ist vorliegend jeweils genau ein Schaltelement su, sv, sw angeschlossen. Die Schaltelemente su, sv, sw können zum Beispiel als Halbleiterschalter, wie zum Beispiel MOSFETs oder IGBTs, ausgestaltet sein. Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung der Wechselrichterschaltung W können pro Phase zum Beispiel zwei oder mehrere solcher Schaltelemente vorgesehen sein, die zum Beispiel in einer Halbbrückenschaltung oder Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet sind.
Über die Schaltelemente su, sv, sw ist an die Wechselrichterschaltung W der elektrische Antrieb M angeschlossen. Analog zu der Wechselrichterschaltung W ist der elektrische Antrieb M dreiphasig ausgebildet und umfasst als drei Leiterzweige die Phasen Pu, Pv, Pw. Die Phase Pu ist an das Schaltelement su angeschlossen, die Phase Pv ist an das Schaltelement sv angeschlossen und die Phase Pw ist an das Schaltelement sw angeschlossen. Zum Bilden des elektrischen Antriebs M umfasst jede der Phasen Pu, Pv, Pw eine Motorspule Lu, Lv, Lw. Die Motorspulen Lu, Lv, Lw. sind elektrische Induktivitäten, die vorliegend beispielhaft oder schematisch einen Ständer (Stator) des elektrischen Antriebs M darstellen sollen. Ein Läufer (Rotor) des elektrischen Antriebs M ist in 1 nicht dargestellt. Die Motorspulen Lu, Lv, Lw. sind in 1 beispielhaft in einer sogenannten Sternschaltung miteinander verschaltet. Dabei sind die Motorspulen Lu, Lv, Lw sind jeweils mit einer ersten Seite an das jeweils der Phase Pu, Pv, Pw zugeordnete Schaltelement su, sv, sw angeschlossen. Mit einer jeweiligen zweiten Seite sind die Motorspulen Lu, Lv, Lw über einen Knotenpunkt oder Sternpunkt direkt aneinander angeschlossen.
Die Schaltelemente su, sv, sw der Wechselrichterschaltung W können gemäß 1 zumindest zwei unterschiedliche Schaltstellungen aufweisen. In einem geöffneten Schaltzustand kann das jeweilige Schaltelement su, sv, sw die zugeordnete Motorspule Lu, Lv, Lw an das Pluspotential P+ anschließen oder kurzschließen. In einem geschlossenen Schaltzustand kann das jeweilige Schaltelement su, sv, sw die zugeordnete Lu, Lv, Lw an das Minuspotential P- anschließen oder kurzschließen. In 1 sind die Schaltelemente su und sw beispielhaft in dem geöffneten Schaltzustand dargestellt, während das Schaltelement sv in dem geschlossenen Schaltzustand dargestellt ist.
Zum Schalten der Schaltelemente su, sv, sw umfasst die Antriebsvorrichtung V, wie in 1 gezeigt, die Steuereinrichtung S. Die Steuereinrichtung S kann zum Beispiel einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller umfassen. Mittels der Steuereinrichtung S kann ein Steuersignal CS für das jeweilige Schaltelement su, sv, sw bereitgestellt werden, um zum Beispiel zwischen den Schaltzuständen zu wechseln. Das Umschalten der Schaltelemente su, sv, sw wird als Schaltbetrieb bezeichnet. In dem Schaltbetrieb können die Schaltelemente su, sv, sw nach einem gewünschten Taktmuster, welches eine bestimmte Taktfrequenz aufweist, zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Schaltzustand umgeschaltet werden. Alternativ kann anstelle des Taktmusters zum Beispiel eine Taktfrequenz eingestellt oder vorgegeben werden. In dem Schaltbetrieb brauchen die Schaltelemente su, sv, sw nicht phasengleich geschaltet werden. Das heißt, die Schaltelemente su, sv, sw können zwar zum Beispiel mit dem gleichen Taktmuster, jedoch zeitlich versetzt zueinander in dem Schaltbetrieb betrieben werden. Dadurch kann je Phase Pu, Pv, Pw ein jeweils zueinander phasenverschobener Phasenstrom iu, iv, iw an die jeweilige Motorspule Lu, Lv, Lw bereitgestellt werden.
Der Schaltbetrieb der Halbleiterschalter su, sv, sw wird genutzt, um den elektrischen Antrieb M mittels der Antriebsbatterie B betreiben zu können. Das heißt, die Antriebsbatterie B der Antriebsvorrichtung V kann als elektrischer Energiespeicher für den elektrischen Antrieb M eingesetzt werden. Die Antriebsbatterie B kann zum Beispiel eine Hochvoltbatterie oder eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs sein. Zum Betreiben des elektrischen Antriebs M kann die Antriebsbatterie B elektrische Energie in Form eines Gleichstroms oder einer Gleichspannung bereitstellen. Die Antriebsbatterie B ist somit eine Gleichstromkomponente. Im Gegensatz dazu ist der elektrischen Antrieb M eine Wechselstromkomponente. Das heißt, der elektrische Antrieb M benötigt für den bestimmungsgemäßen Betrieb einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung. Natürlich ist auch umgekehrt ein Betreiben der Antriebsbatterie B aus dem elektrischen Antrieb M denkbar.
Durch Betreiben der Schaltelemente su, sv, sw in dem Schaltbetrieb kann die elektrische Energie, die von der Antriebsbatterie B in Form des elektrischen Gleichstroms bereitgestellt wird, in den elektrischen Wechselstrom, nämlich den Phasenstrom iu, iv, iw für den elektrischen Antrieb M umgewandelt werden. Bei der Wandlung, also beim Schalten der Schaltelemente su, sv, sw, in dem Schaltbetrieb kann am Eingang der Wechselrichterschaltung, also dort, wo die Antriebsbatterie B und der Zwischenkreiskondensator C angeschlossen sind, ein Zwischenkreisstrom id entstehen. Der Zwischenkreisstrom id ist ein Mischstrom und weist einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil auf. Der Wechselstromanteil oder Wechselanteil wird umgangssprachlich auch als Rippel oder Stromrippel bezeichnet. Aus dem Schaltplan gemäß 1 lässt sich der Zwischenkreisstrom wie folgt berechnen: $i_{d} = \frac{x_{u} + 1}{2} i_{u} + \frac{x_{v} + 1}{2} i_{v} + \frac{x_{w} + 1}{2} i_{w},$
wobei die Parameter xu, xv, und xw eine Schaltfunktion der Schaltelemente su, sv, sw bilden. Die jeweilige Schaltfunktion xu, xv, xw kann eine Schaltstellung und somit den Schaltzustand der Schaltelemente xu, xv, xw abbilden. Je nach Schaltzustand nimmt die jeweilige Schaltfunktion entweder den Wert +1 oder den Wert -1 ein.
Würde die Antriebsbatterie B nun direkt mit dem Zwischenkreisstrom id beaufschlagt werden, kann es aufgrund der Elektrochemie der Antriebsbatterie B zu einem schnelleren Verschleiß der Antriebsbatterie B kommen. Die Antriebsbatterie B kann zum Beispiel schneller altern. Um den Wechselanteil des Zwischenkreisstroms id zu filtern, also den Zwischenkreisstrom id zu glätten, wird der Zwischenkreiskondensator C eingesetzt. Dieser kann im Betrieb der Antriebsvorrichtung V zum Beispiel den Wechselanteil des Zwischenkreisstroms id kurzschließen. Ein Kondensatorstrom ic, mit dem der Zwischenkreiskondensator C beaufschlagt wird, entspricht somit im Wesentlichen dem Wechselanteil des Zwischenkreisstroms id. Ein Batteriestrom ib, mit dem die Antriebsbatterie B beaufschlagt wird, entspricht hingegen im Wesentlichen dem Gleichanteil des Zwischenkreisstroms id. Der Gleichanteil des Batteriestroms ib hängt dabei von einer geforderten Wirkleistung des elektrischen Antriebs M ab.
Wie gut das Kurzschließen des Wechselanteils funktioniert, also eine Güte der Filterung oder Glättung des Zwischenkreisstroms id mit dem Zwischenkreiskondensator C, hängt unter anderem von einer Kapazität K und einer Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C ab. Die Kapazität K beschreibt ein Maß für die Fähigkeit des Zwischenkreiskondensators C, elektrische Ladung zu speichern. Die Kapazität K ist eine unveränderliche Größe, die sich abhängig von einem Aufbau oder einer Zusammensetzung des Zwischenkreiskondensators C ergibt. Die Impedanz ZC beschreibt einen elektrischen Widerstand, den der Kondensator C aufweisen kann. Beim Beaufschlagen mit einem Wechselstrom ist dieser Widerstand jedoch ein sogenannter Scheinwiderstand. Das heißt, die Impedanz ZC ist eine veränderliche Größe. Dabei ist die Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C von einer Frequenz f des Wechselanteils des Zwischenkreisstroms id abhängig.
In 2 ist die Abhängigkeit der Impedanz ZC von der Frequenz f in Form einer Impedanzfunktion f(ZC) für den Zwischenkreiskondensator C mit einer vorgegebenen Kapazität K von beispielsweise 500µP beispielhaft dargestellt. Dazu zeigt 2 ein schematisches Diagramm einer Impedanzfunktion f(ZC) des Zwischenkreiskondensators C. Auf einer x-Achse des Diagramms ist die Frequenz in Herzt dargestellt. Auf einer y-Achse des Diagramms ist die Impedanz ZC in Ohm dargestellt. Wie in 2 dargestellt, fällt die Impedanz ZC mit steigender Frequenz zunächst stark ab. Dann erreicht die Impedanz ZC bei weiter steigender Frequenz zunächst ein Plateau mit einem lokalen Maximum Max, bevor sie erneut stark auf ein globales Minimum Min abfällt. Mit weiter ansteigender Frequenz f steigt die Impedanz ZC danach wieder stark an. Um eine optimale Filterwirkung oder Filtercharakteristik für den Zwischenkreiskondensator C erreichen zu können, sollte der Zwischenkreiskondensator C im Bereich des globalen Minimums Min betrieben werden. Dann ist die Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C minimal und der Wechselanteil des Zwischenkreisstroms id kann beinahe vollständig über den Zwischenkreiskondensator C kurzgeschlossen werden.
Zum Vorbereiten der Antriebsbatterie B auf einen ausgewählten Batteriebetrieb kann es vorteilhaft sein, den Wechselanteil des Zwischenkreisstroms id zumindest teilweise an die Antriebsbatterie B bereitzustellen. Zum Beispiel lässt sich der Wechselanteil zum Heizen der Antriebsbatterie B nutzen. Das Heizen kann zum Beispiel dann sinnvoll sein, wenn die Antriebsbatterie B in einem Ladebetrieb betrieben, und beispielsweise mittels Schnellladen aufgeladen werden soll. Mit Ladebetrieb ist vorliegend ein Wiederaufladen oder Versorgen der Antriebsbatterie B mit elektrischer Energie gemeint, die von einer externen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Ladestation, bereitgestellt wird. Durch das Heizen auf einen vorgegebenen Heiztemperaturwert kann nämlich eine Impedanz ZB der Antriebsbatterie B, also deren Innenwiderstand, reduziert werden. Denn die Batterieimpedanz ZB ist eine temperaturabhängige Größe. Durch das Heizen auf den gewünschten Heiztemperaturwert entstehen beim Laden somit insgesamt weniger Verluste. Das Laden kann optimiert werden. Der Heiztemperaturwert kann zum Beispiel 50 Grad Celsius betragen. Natürlich kann anstelle des Heiztemperaturwerts zum Beispiel ein Temperaturintervall zum Beispiel zwischen 45°C und 55°C für die Antriebsbatterie B vorgegeben sein. Analog kann das Heizen zum Beispiel auch für einen optimierten Fahrbetrieb genutzt werden.
In dem ausgewählten Batteriebetrieb, also zum Beispiel dem Lade- und/oder Fahrbetrieb, soll die Antriebsbatterie B somit vorkonditioniert werden. Ein Verfahren zur Vorbereitung der Antriebsbatterie B auf den ausgewählten Batteriebetrieb kann zum Beispiel anhand von 3 näher erläutert werden. Das gemäß 3 beschriebene Verfahren kann zum Beispiel mittels der in 1 gezeigten Steuereinrichtung S durchgeführt werden. Die Steuereinrichtung kann zum Beispiel Teil eines Batteriemanagementsystems für das Kraftfahrzeug sein.
3 zeigt ein schematisches Verfahrensablaufdiagramm für ein entsprechendes Verfahren. In einem Schritt S1 des Verfahrens wird zunächst überprüft, ob für die Antriebsbatterie B eine vorgegebene Betriebsbedingung vorliegt. Die Betriebsbedingung kann zum Beispiel sein, dass die Antriebsbatterie B für den weiteren Fahrzeugbetrieb geladen werden soll. Dazu kann zum Beispiel überprüft werden, ob ein Ladezustand der Antriebsbatterie B einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Der Grenzwert kann zum Beispiel bei 20 Prozent Ladezustand oder 10 Prozent Ladezustand liegen. Zusätzlich oder alternativ kann überprüft werden, ob ein Ladedurchführungssignal detektiert wird. Das Ladedurchführungssignal gibt an, dass ein Ladevorgang zum Laden der Antriebsbatterie B bevorsteht. Das Ladedurchführungssignal kann zum Beispiel von einem Navigationsgerät des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden, wenn eine Bedienperson des Kraftfahrzeugs eine Ladestation als externe Energiequelle als Ziel zum Ansteuern durch das Kraftfahrzeug ausgewählt hat.
Wird in dem Schritt S1 festgestellt, dass die vorgegebene Betriebsbedingung nicht vorliegt, ist keine Vorkonditionierung der Antriebsbatterie B notwendig. Das Verfahren wird dann in einem Schritt S2 fortgesetzt. Da keine Vorkonditionierung notwendig ist, kann die Wechselrichterschaltung W so betrieben werden, dass die Filterfunktion des Zwischenkreiskondensators C optimiert ist. Dazu wird die Wechselrichterschaltung in einem Wechselrichterbetrieb betrieben. In dem Wechselrichterbetrieb wird jedes der Schaltelemente su, sv, sw der Wechselrichterschaltung W nach einen vorgegebenen ersten Taktmuster in einem ersten Frequenzbereich f1 betrieben. Für das erste Taktmuster eignet sich zum Beispiel eine sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM). Dadurch kann ein jeweiliger Phasenstrom iu, iv, iw bereitgestellt werden, der im Wesentlichen sinusförmig ausgebildet ist. Der Frequenzbereich f1 ist dabei, wie in 2 gezeigt, so gewählt, dass die Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C in einem Minimalwertebereich A liegt, der den globalen Minimalwert Min umfasst. Der Zwischenkreiskondensators C kann somit den zumindest einen vorgegebenen Teil des Wechselanteils des Zwischenkreisstroms id kurzschließen.
Ergibt sich in dem Schritt S1 hingegen, dass die vorgegebene Betriebsbedingung vorliegt, also ein Vorkonditionieren der Batterie für den Ladevorgang notwendig ist, kann das Verfahren in einem Schritt S3 fortgeführt werden. In dem Schritt S3 wird überprüft, ob eine Batterietemperatur der Antriebsbatterie B kleiner ist als der vorgegebene Heiztemperaturwert. Der Heiztemperaturwert ist dabei diejenige Temperatur, auf die die Antriebsbatterie B erhitzt werden soll. Ist die Batterietemperatur bereits größer als der Heiztemperaturwert, kann das Verfahren in dem zuvor beschriebenen Schritt S2 fortgeführt werden. Ist die Batterietemperatur hingegen kleiner als der Heiztemperaturwert, kann das Verfahren in einem Schritt S4 fortgesetzt werden. Zum Überwachen oder Überprüfen der Batterietemperatur kann die Antriebsvorrichtung V zum Beispiel eine Detektionseinrichtung mit einem Temperatursensor für die Antriebsbatterie B (in 1 nicht dargestellt) aufweisen.
In dem Schritt S4 werden die Schaltelemente su, sv, sw der Wechselrichterschaltung nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster in einem zweiten Frequenzbereich f2 betrieben. Der zweite Frequenzbereich f2 ist, wie in 2 gezeigt, dabei so gewählt, dass die Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C gemäß der Impedanzfunktion f(ZC) in einem vorgegebenen Heizwertebereich H liegt. Der Heizwertegereich H ist von dem Minimalwertebereich A disjunkt und umfasst vorliegend beispielsweise ein lokales Maximum der Impedanzfunktion f(ZC). Beim Betreiben in dem zweiten Frequenzbereich f2 stellt sich somit eine sehr hohe Impedanz ZC des Zwischenkreiskondensators C ein. Der Zwischenkreisstrom id somit zumindest zu einem größeren Teil als im Wechselrichterbetrieb über die Antriebsbatterie B. Dadurch wird die Antriebsbatterie B aufgeheizt.
Im Vergleich zu dem ersten Frequenzbereich f1 weist der zweite Frequenzbereich f2 niedrigere Frequenzwerte oder Taktfrequenzen auf. Zum Bereitstellen des zweiten Taktmusters eignet sich zum Beispiel eine sogenannte Blocktaktung oder Grundfrequenzschaltung der Schaltelemente su, sv, sw. Hierbei wird für ein Tastverhältnis des jeweiligen Schaltelements su, sv, sw ein Wert von 50 Prozent gewählt, sodass der Zwischenkreisstrom id bei der dreiphasigen Ausgestaltung der Wechselrichterschaltung W die sechsfache elektrische Frequenz oder Vielfache davon des jeweiligen Phasenstroms iu, iv, iw aufweist. Durch die Blocktaktung kann eine intelligente Verlustverschiebung beim Betrieben der Antriebsbatterie erreicht werden. Im Vergleich zu zusätzlichen Heizelementen, die ansonsten zum Vorkonditionieren der Antriebsbatterie verbaut werden würden, wird durch das beschriebene Verfahren weniger Energie benötigt. Das Verfahren eignet sich zum Beispiel besonders gut bei einer Fahrt auf der Autobahn, bei der die Antriebsbatterie B zum Beispiel an einer Spannungsgrenze betrieben wird und ein Schnelladen durchgeführt werden soll.
Das gemäß 3 beschriebene Verfahren kann natürlich kontinuierlich oder wiederholt durchgeführt werden, zumindest solange das Kraftfahrzeug betrieben wird.
Insgesamt zeigen die vorliegenden Ausführungsbeispiele, wie ein Batterieheizen durch Generieren von Oberschwingungen im Zwischenkreis und Batteriestrom mittels gezieltem Takten des Pulswechselrichters, also der Wechselrichterschaltung W, umgesetzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 432581 A [0003]
EP 3432439 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Vorbereitung einer Antriebsbatterie (B) auf einen ausgewählten Batteriebetrieb, wobei die Antriebsbatterie (B) als ein elektrischer Energiespeicher für einen elektrischen Antrieb (M) eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, und zum elektrischen Koppeln der Antriebsbatterie (B) mit dem elektrischen Antrieb (M) eine Wechselrichterschaltung (W) bereitgestellt wird, wobei die Wechselrichterschaltung (W) zum Beaufschlagen von wenigstens einer Phase (Pu, Pv, Pw) des elektrischen Antriebs (M) mit einem elektrischen Wechselstrom als Phasenstrom (iu, iv, iw) in einem Wechselrichterbetrieb betrieben wird, wobei in dem Wechselrichterbetrieb wenigstens ein Schaltelement (su, sv, sw) der Wechselrichterschaltung (W) nach einem vorgegebenen ersten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen zweiten Taktfrequenz in einem ersten Frequenzbereich (f1) betrieben wird, wobei zum Filtern eines Wechselanteils eines Zwischenkreisstroms (id), mit dem die Antriebsbatterie (B) in dem Wechselrichterbetrieb beaufschlagt wird, ein Zwischenkreiskondensator (C) mit einer vorgegebenen Impedanzfunktion (f(ZC)) zwischen der Antriebsbatterie (B) und der Wechselrichterschaltung (W) angeschlossen wird, wobei eine Impedanz (ZC) des Zwischenkreiskondensators (C) gemäß der Impedanzfunktion (f(ZC)) für den ersten Frequenzbereich (f1) in einem vorgegebenen Minimalwertebereich umfassend ein globales Minimum (min) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorbereitung der Antriebsbatterie (B) auf den ausgewählten Batteriebetrieb die Wechselrichterschaltung (W) bei Vorliegen einer vorgegebenen Betriebsbedingung in einem Heizbetrieb betrieben wird, um die Antriebsbatterie (B) auf einen vorgegebenen Heiztemperaturwert zu heizen, wobei in dem Heizbetrieb das wenigstens eine Schaltelement (su, sv, sw) nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen zweiten Taktfrequenz in einem zweiten Frequenzbereich (f2) betrieben wird, und eine Impedanz (ZC) des Zwischenkreiskondensators (C) gemäß der Impedanzfunktion (f(ZC)) für den zweiten Frequenzbereich (F2) in einem vorgegebenen Heizwertebereich (H), der von dem Minimalwertebereich (A) disjunkt ist, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Vorgeben des zweiten Frequenzbereichs (f2) für das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz aus der vorgegebenen Impedanzfunktion (f(ZC)) ein zugeordneter Impedanzwertebereich ausgewählt wird, der ein lokales oder globales Maximum (Max) der Impedanz (ZC) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich eine weitere vorgegebene Impedanzfunktion für einen ersten Resonanzkreis umfassend den Zwischenkreiskondensator (ZC) und die Antriebsbatterie (B) und/oder für einen zweiten Resonanzkreis umfassend den Zwischenkreiskondensator (ZC) und den elektrischen Antrieb (M) berücksichtigt wird, und zum Vorgeben des zweiten Frequenzbereichs (f2) für das zweite Taktmuster und/oder die zweite Taktfrequenz aus der vorgegebenen weiteren Impedanzfunktion ein vorgegebener weiterer Heizwertebereich, der ein lokales oder globales Maximum der Impedanz (ZC) umfasst, ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als das jeweilige Schaltelement (su, sv, sw) ein Halbleiterschalter bereitgestellt wird, und zum Umsetzen des jeweiligen Taktmusters und/oder der jeweiligen Taktfrequenz mittels einer Steuereinrichtung (S) in einem jeweiligen Schaltbetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Betreiben in dem Heizbetrieb das zweite Taktmuster und/oder der zweiten Taktfrequenz mittels einer Blocktaktung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für ein Umschalten zwischen dem Wechselrichterbetrieb und dem Heizbetrieb eine Temperatur der Antriebsbatterie (B) überwacht wird, und das Betreiben der Wechselrichterschaltung (W) in dem Heizbetrieb nur solange durchgeführt wird, wie ein erfasster Temperaturwert kleiner ist als der vorgegebene Heiztemperaturwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betriebsbedingung als vorliegend bestätigt wird, wenn eine Überprüfung ergibt, dass ein Ladezustand der Antriebsbatterie (B) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und/oder ein Ladedurchführungssignal detektiert wird, welches angibt, dass ein Ladevorgang zum Laden der Antriebsbatterie (B) bevorsteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein elektrischer Antrieb (M) mit drei Phasen (Pu, Pv, Pw) bereitgestellt wird und die Wechselrichterschaltung (W) für jede der Phasen (Pu, Pv, Pw) zumindest ein Schaltelement (su, sv, sw) aufweist.
Elektrische Antriebsvorrichtung (V) für ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsbatterie (B), einer Wechselrichterschaltung (W), einem elektrischen Antrieb (M) und einer Steuereinrichtung (S), wobei die Antriebsbatterie (B) als ein elektrischer Energiespeicher für den elektrischen Antrieb (M) ausgebildet ist, und die Wechselrichterschaltung (W) zum elektrischen Koppeln der Antriebsbatterie (B) mit dem elektrischen Antrieb (M) ausgebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (S) ausgebildet ist, die Wechselrichterschaltung (W) zum Beaufschlagen von wenigstens einer Phase (Pu, Pv, Pw) des elektrischen Antriebs (M) mit einem elektrischen Wechselstrom als Phasenstrom (iu, iv, iw) in einem Wechselrichterbetrieb zu betreiben, und dazu die Steuereinrichtung in dem Wechselrichterbetrieb ausgebildet ist, wenigstens ein Schaltelement (su, su, sw) der Wechselrichterschaltung (W) nach einem vorgegebenen ersten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen ersten Taktfrequenz in einem ersten Frequenzbereich (f1) zu betreiben, wobei die elektrische Antriebsvorrichtung (V) zum Filtern eines Wechselanteils eines Zwischenkreisstroms (id), mit der die Antriebsbatterie (B) in dem Wechselrichterbetrieb beaufschlagbar ist, einen Zwischenkreiskondensator (C) mit einer vorgegebenen Impedanzfunktion (f(ZC)) aufweist, welcher zwischen der Antriebsbatterie (B) und der Wechselrichterschaltung (W) angeschlossen ist, wobei eine Impedanz (ZC) des Zwischenkreiskondensators (C) gemäß der Impedanzfunktion (f(ZC)) für den ersten Frequenzbereich (f1) in einem vorgegebenen Minimalwertebereich umfassend ein globales Minimum (Min) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer vorgegebenen Betriebsbedingung die Steuereinrichtung (S) ausgebildet ist, die Wechselrichterschaltung (W) zum Heizen der Antriebsbatterie (B) auf einen vorgegebenen Heiztemperaturwert in einem Heizbetrieb zu betreiben, und dazu die Steuereinrichtung (S) in dem Heizbetrieb ausgebildet ist, das wenigstens eine Schaltelement (su, sv, sw) nach einem vorgegebenen zweiten Taktmuster und/oder einer vorgegebenen zweiten Taktfrequenz in einem zweiten Frequenzbereich (f2) zu betreiben, wobei eine Impedanz (ZC) des Zwischenkreiskondensators (C) gemäß der Impedanzfunktion (f(ZC)) für den zweiten Frequenzbereich (F2) in einem vorgegebenen Heizwertebereich, der von dem Minimalwertebereich disjunkt ist, liegt.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung (V) nach Anspruch 9.