CN103392258A - 用于加热交通工具的牵引用电池的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于加热交通工具的牵引用电池（120）的方法。交通工具带有逆变器（130）、冷却回路（250）和电机（140），其中，牵引用电池（120）和逆变器（130）通过冷却回路（250）热联接。电机（140）从逆变器（130）接收交流电流，该交流电流借助逆变器（130）从由牵引用电池（120）接收的直流电流中产生。该方法具有调整交流电流的无功电流部分的步骤，以便在逆变器（130）中产生用于通过冷却回路（250）加热牵引用电池（120）的损耗热量。

Description

用于加热交通工具的牵引用电池的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于加热交通工具的牵引用电池的方法、一种用于加热交通工具的牵引用电池的设备以及一种用于带有相应设备的交通工具的驱动系统。

背景技术

在低温的情况下，从电池，例如用于在轿车领域中提供驱动功率的锂电池仅能获取非常小的功率。在获取可在低温下获取的功率时会出现固有损耗，但该固有损耗不足以将电池加热到合适的运行温度。迄今为止，通过各种不同措施将交通工具中的牵引用电池带至运行温度。但这些措施原则上例如由于额外的硬件产生了额外的费用。

DE4027149A1公开了一种电子的电池加热装置，其安装在壳体中并利用双面粘合膜安设在电池上。

发明内容

在此背景下，本发明提供了根据独立权利要求的一种改良后的用于加热交通工具的牵引用电池的方法、一种改良后的用于加热交通工具的牵引用电池的设备以及一种改良后的用于交通工具的驱动系统。有利的设计方案由从属权利要求和接下来的描述得出。

本发明以使用无功电流来加热冷却剂为基础。经加热的冷却水再次用于加热牵引用电池。基本思想在于，用现有的用于交通工具正常行驶运行的硬件将所有或大部分可从冷的电池获取的功率转化成热量。在此除了牵引用电池之外，现有的硬件由逆变器和电机构成。

根据实施形式，通过逆变器给电机供应交流电流，该交流电流导致电机中很少甚至没有扭矩，而是仅或主要产生了形式为废热的欧姆损耗。从电气方面看，这种类型的电机电流是无功电流。在产生这种交流电流时引起的逆变器开关元件的开关损耗和导通损耗在此加热冷却回路的冷却水。逆变器和牵引用电池与冷却回路热联接并液压地串联，因而经加热的冷却水可以穿流和加热牵引用电池。

本发明的优点在于，基于用无功电流的加热不会带来额外的用于加热牵引用电池的硬件费用。由此可以节省成本和结构空间。此外，实现这种牵引用电池加热在制造技术上也并不耗费。因为牵引用电池在低温时必须被加热以实现完全的有效功率，所以本发明提供了如下可能性，即，即使在冷启动条件下也将牵引用电池加热到使其可以尽快被带到完全的功率。因此没有必要借助可建造在轿车中的停车采暖装置或借助水/水热交换器来加热在与牵引用电池联接的冷却回路中的水。因此也不需要用于这种热交换器的筒式加热器，它们由电池来供电或从外部来供电。此外，取消用于牵引用电池的内部加热单元。

本发明提供了一种用于加热交通工具的牵引用电池的方法，该交通工具带有逆变器、冷却回路和电机，其中，牵引用电池和逆变器通过冷却回路热联接，电机被构造用于从逆变器接收交流电流，该交流电流借助逆变器从由牵引用电池接收的直流电流中产生，其中，该方法具有下列步骤：

调整交流电流的无功电流部分，以便在逆变器中产生用于通过冷却回路加热牵引用电池的损耗热量。

交通工具可以是电驱动的交通工具，例如陆用交通工具、空中交通工具或水运交通工具。例如可以是轿车或载重汽车。牵引用电池提供了用于这种电驱动交通工具的驱动功率。在此，牵引用电池是形式为二次电池或蓄电池，尤其是锂电池的电化学蓄能器。牵引用电池被构造成用于提供电池电流，该电池电流是直流电流。逆变器被构造成用于从牵引用电池接收直流电流。逆变器是如下电气设备，其被构造用于将直流电流，在此为电池电流，转化成交流电流。转化过程中在逆变器的开关元件中出现了损耗，该损耗导致了以热量形式的加热。冷却回路中的冷却剂可以吸收在由逆变器进行交流电流转化时产生的损耗热量并且放出给牵引用电池并加热该牵引用电池。借助逆变器从电池电流转化来的交流电流可以是三相交流电流或三相电流。交流电流可以包括有功电流部分和无功电流部分。交流电流的有功电流部分适用于为电机提供电驱动功率。电机可以是电动机。电机将无功电流部分并不是转化成机械功率，而是转化成热功率。因此无功电流部分在电机正常运行时保持得尽可能小。根据本发明，交流电流的无功电流部分被提高超出了电机正常运行所需的合理范围，以便更多地产生损耗热量。由无功电流部分引起的损耗热量在此既出现在逆变器中也出现在电机中。交流电流的所需的特殊相位可以在电机静止时例如通过设置确定的旋转变压器角度图案（Resolverwinkelmuster）产生。在转动的电机中，可以例如通过合适的控制技术上的措施来控制交流电流的相位以实现提高的无功电流部分的期望效果。

在此，可以在调整交流电流的无功电流部分的步骤中，依赖于牵引用电池的温度调整交流电流的无功电流部分。牵引用电池具有最佳的运行温度范围，在这个运行温度范围内，牵引用电池的功率输出最大。如果牵引用电池的温度当前处在最佳运行温度范围之下，那么无功电流部分可以被提高。提高后的无功电流部分用于将牵引用电池加热到处在最佳运行温度范围内的温度。温度的提高通过逆变器经由冷却回路到牵引用电池的热量输出实现。本发明的这个实施形式的优点在于对牵引用电池不耗费且有效的加热。

也可以设置有调整交流电流的有功电流部分的步骤，以便通过电机提供机械的驱动功率。有功电流部分可以被电机转化成机械的驱动功率。如果为了使牵引用电池的温度处在最佳运行温度范围内而应当加热牵引用电池，那么有功电流部分可以为了提高无功电流部分而下降。本发明的这个实施形式的优点在于，可以避免在温度过低时由于过多的功率获取而造成对牵引用电池的损害。如果牵引用电池被加热到最佳的运行温度，那么有最大的机械驱动功率可供使用。

根据实施形式，在调整交流电流的有功电流部分的步骤中，当牵引用电池的温度处在牵引用电池的预定温度之下时，交流电流的有功电流部分不依赖于所要求的机械驱动功率地被调整为零或接近零。这个预定的温度可以代表如下极限值，在该极限值之下，为了保护电池应当获取尽量少的功率。如果电池的温度处在预定温度之下，那么有功功率的输出由于逆变器而受到限制。有功功率输出的限制可以使电机由于这种限制提供了比用于驱动交通工具所要求的更少的机械功率。取而代之的是，由逆变器可以提供更多的无功电流。本发明的这种实施形式的优点在于非常高效的热量产生，以便即使在温度较低时也能尽可能快速地将牵引用电池带至最佳运行温度范围。

根据另一实施形式，在调整步骤中，可以依赖于牵引用电池的温度可变地调整交流电流的无功电流部分与有功电流部分之间的比例。牵引用电池当前的温度越接近期望的最佳运行温度，那么有功电流部分就可以被调整得更高。本发明的这种实施形式也提供了如下优点，即，用于加热牵引用电池的热功率可以根据需求与当时存在的温度相适配。因此电机的混合运行是可行的，在该混合运行中，例如一部分交流电流用来形成力矩，而另一部分则纯粹用于加热。因此可以将交流电流可变地分成形成力矩的电流和加热的电流，亦即有功电流和无功电流。

根据实施形式，电机同样与冷却回路热联接。因此在调整步骤中可以调整交流电流的无功电流部分，以便在电机中产生用于通过冷却回路进一步加热牵引用电池的另外的损耗热量。在电机与逆变器和牵引用电池处在同一冷却回路中的交通工具中，也可以利用电机导出到冷却回路中的欧姆损耗来加热牵引用电池。本发明的这个实施形式提供了最大程度地产生热量以加热牵引用电池的优点。在此，甚至电机通过有功电流部分引起的损耗热量也用于加热牵引用电池。因此由逆变器提供的无功电流被完全用来加热牵引用电池。

也可以设置有接收信号的步骤，根据该信号可以推导出牵引用电池的温度。该信号可以例如是温度传感器的输出信号。信号可以说明环境温度或牵引用电池的温度。但信号也可以说明牵引用电池的其它状态，由此可以确定牵引用电池的温度。本发明的这种实施形式提供的优点是，可以可靠地确定电池的温度并由此也给出了控制可能性，以控制在运行期间是否维持了牵引用电池的最佳运行温度范围。

本发明此外还提供了一种用于加热交通工具的牵引用电池的设备，该交通工具带有逆变器、冷却回路和电机，其中，牵引用电池和逆变器通过冷却回路热联接，电机被构造用于从逆变器接收交流电流，该交流电流借助逆变器从由牵引用电池接收的直流电流中产生，其中，该设备具有下列特征：

用于调整交流电流的无功电流部分的装置，以便在逆变器中产生用于通过冷却回路加热牵引用电池的损耗热量。

用于加热牵引用电池的设备具有如下装置，这些装置被构造用于有利地实施根据本发明的方法。

根据实施形式，其中，电机同样与冷却回路热联接，可以构造有用于调整的装置以调整交流电流的无功电流部分，以便在电机中产生用于通过冷却回路进一步加热牵引用电池的另外的损耗热量。

本发明此外还提供了一种用于交通工具的驱动系统，其中，驱动系统具有下列特征：

用于提供直流电流的牵引用电池；

用于将直流电流转化成交流电流的逆变器；

用于将交流电流转化成机械的驱动功率的电机；

冷却回路，其中，牵引用电池、逆变器和/或电机与该冷却回路联接；以及

根据本发明用于加热牵引用电池的设备。

结合前面的驱动系统可以有利地实施根据本发明的方法。

附图描述

借助附图示例性地详细阐释本发明。附图中：

图1示意性示出了带有根据本发明的实施例的设备的交通工具；

图2示意性示出了根据本发明的实施例的驱动系统；以及

图3示出根据本发明的实施例的方法的流程图。

在对本发明优选实施例的下列描述中，在不同的附图中示出且起相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中，取消了对这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示意性示出了交通工具100，其带有根据本发明的实施例用于加热牵引用电池的设备110。在交通工具100中布置有设备110、调整装置115、牵引用电池120、逆变器130和电机140。设备110具有调整装置115。

逆变器130通过电线路与设备110、牵引用电池120和电机140连接。如接下来借助图2所描述的那样，牵引用电池120和逆变器130以及可选地还有电机140通过冷却回路热联接。电机140从逆变器130接收交流电流，该交流电流借助逆变器130从由牵引用电池120接收的直流电流中产生。

调整装置115被构造用来调整交流电流的无功电流部分，以便在逆变器130以及可选地也在电机140中更多地产生用来通过冷却回路250加热牵引用电池120的损耗热量。为此，装置115可以与温度探测器117联接，该温度探测器布置在牵引用电池120上或其附近，以便检测牵引用电池的温度。调整装置因此可以被构造用来依赖于牵引用电池120的温度调整无功电流部分。

牵引用电池120、逆变器130、电机140、图1中未示出的冷却回路以及带有装置115的设备110形成了交通工具100的驱动系统。为此，电机140可以与交通工具100的传动装置或驱动轴联接。

图2示意性示出了根据本发明实施例的驱动系统200。图中示出了牵引用电池120、逆变器130和电机140。逆变器130与牵引用电池120以及电机140通过电线路连接。牵引用电池120、逆变器130和电机140与冷却回路250热联接。泵260配属于冷却回路250以使冷却剂在冷却回路250中的循环。牵引用电池120吸收热功率（P_Heiz）220并且放出电池电流功率（P_batt）225。逆变器130吸收电池电流功率（P_batt）225以及放出逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230和交流电流功率（P_ac）235。电机140吸收交流电流功率（P_ac）235以及放出机械的驱动功率（P_mech）245和机器损耗热量（P_{V_masch}）240。冷却回路250被构造用于吸收逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230和机器损耗热量（P_{V_masch}）240以及放出热功率（P_Heiz）220。

冷却剂在冷却回路250中借助泵260循环，其中，在冷却剂的流动方向上，逆变器130布置在牵引用电池120之后，而电机140布置在逆变器130之后。因此，牵引用电池120、逆变器130、电机140和泵260相继循环地被冷却剂穿流。

牵引用电池120通过两条连接线路与逆变器130电连接。逆变器130为此具有两个接头U_el ⁺和U_el ^-。通过连接线路将直流电流以及进而电池电流功率（P_batt）225从牵引用电池120传递给逆变器130。逆变器130被构造用于将接收到的直流电流转化成交流电流。交流电流作为带有相U、V、W的三相交流电流被从逆变器130输出给电机140。在直流电流转化成交流电流时产生了逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230，也就是说损耗功率，其从逆变器130放出给冷却回路250的冷却剂。交流电流功率（P_ac）235通过交流电流传递给电机140。下列等式适用于逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230：

P_{V_WR}=P_batt–P_ac

因此由电池电流功率（P_batt）225与交流电流功率（P_ac）235之间的差获得了逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230。

电机140与逆变器130连接并且从逆变器130接收交流电流功率（P_ac）235，也就是说，有三个相U、V、W的三相交流电流。电机140将交流电流功率（P_ac）235的有功部分转化成机械的驱动功率（P_mech）245，其中，产生了形式为机器损耗热量（P_{V_masch}）240的损耗功率。交流电流功率（P_ac）235的无功部分没有被转化成机械的驱动功率，而是仅转化成形式为机器损耗热量（P_{V_masch}）240的损耗功率。借助合适的调整装置可以调整交流电流功率（P_ac）的无功部分与有功部分之间的比例。

机器损耗热量（P_{V_masch}）240被冷却回路250的冷却剂吸收。在此，下列等式适用于机器损耗热量（P_{V_masch}）240：

P_{V_masch}=P_ac–P_mech

在此由交流电流功率（P_ac）235与机械的驱动功率（P_mech）245之间的差获得了机器损耗热量（P_{V_masch}）240。

冷却回路250因此吸收逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230以及机器损耗热量（P_{V_masch}）240并且可以将它们作为热功率（P_Heiz）220放出给待加热的牵引用电池120。因此牵引用电池120吸收热功率（P_Heiz）220并被加热。在此，下列等式适用于热功率（P_Heiz）220：

P_Heiz=P_{V_WR}+P_{V_masch}=P_batt–P_mech

P_Heiz≈P_batt，对于P_mech≈0

在此由逆变器损耗热量（P_{V_WR}）230和机器损耗热量（P_{V_masch}）240的和获得了热功率（P_Heiz）220。除了其他损耗外，热功率（P_Heiz）220在此也对应于电池电流功率（P_batt）225与机械的驱动功率（P_mech）245之间的差。针对机械的驱动功率（P_mech）245约等于零的情况，表达式可以简化为热功率（P_Heiz）220约等于电池电流功率（P_batt）225。在这种情况下，可供使用的电池电流功率（P_batt）225几乎完全被转化成热功率（P_Heiz）220以加热牵引用电池120。这可以如下这样来实现，即，使交流电流功率（P_ac）的有功部分减少并使交流电流功率（P_ac）的无功部分提高。

图3示出了根据本发明实施例用于加热交通工具的牵引用电池的方法300的流程图。该方法有利地在如下交通工具中实施，该交通工具具有逆变器、冷却回路和电机，牵引用电池和逆变器通过该冷却回路热联接。在此，电机从逆变器接收交流电流，该交流电流借助逆变器从由牵引用电池接收的直流电流中产生。

方法300包括可选的接收信号步骤310，根据该信号可以推导出牵引用电池的温度。方法300包括调整交流电流的无功电流部分的步骤320，以便在逆变器中产生用于通过冷却回路加热牵引用电池的损耗热量，而在此不会引起电机的驱动。方法300也包括调整交流电流的有功电流部分的另一或备选的步骤330，以便通过电机提供所要求的机械的驱动功率。

在此，可以在调整步骤320中依赖于牵引用电池的温度调整交流电流的无功电流部分。如果牵引用电池的温度处在牵引用电池的预定的温度之下，那么在调整步骤330中不依赖于所要求的机械的驱动功率地将交流电流的有功电流部分调整为零或接近零。因此可以依赖于牵引用电池的温度可变地调整交流电流的无功电流部分与有功电流部分之间的比例。如果电机同样与冷却回路热联接，那么通过调整步骤320可以在电机中产生用于通过冷却回路进一步加热牵引用电池的另外的损耗热量。

所描述且在附图中示出的实施例仅示例性地选出。不同的实施例可以完全相互组合或就单个特征而言相互组合。一个实施例也可以用另一实施例的特征来补充。此外，根据本发明的方法的步骤可以重复地或以与所描述不同的顺序来实施。

附图标记列表

100  交通工具

110  用于加热的设备

115  用于调整的装置

117  温度探测器

120  牵引用电池

130  逆变器

140  电机

200  驱动系统

220  热功率

225  电池电流功率

230  逆变器损耗热量

235  交流电流功率

240  机器损耗热量

245  机械的驱动功率

250  冷却回路

260  泵

300  用于加热交通工具的牵引用电池的方法

310  接收步骤

320  调整无功电流部分的步骤

330  调整有功电流部分的步骤

Claims (10)

1.一种用于加热交通工具（100）的牵引用电池（120）的方法（300），所述交通工具带有逆变器（130）、冷却回路（250）和电机（140），其中，所述牵引用电池（120）和所述逆变器（130）通过所述冷却回路（250）热联接，所述电机（140）被构造用于从所述逆变器（130）接收交流电流，所述交流电流借助所述逆变器（130）从由所述牵引用电池（120）接收的直流电流中产生，其中，所述方法（300）具有下列步骤：

调整（320）交流电流的无功电流部分，以便在所述逆变器（130）中产生用于通过所述冷却回路（250）加热所述牵引用电池（120）的损耗热量。

2.根据权利要求1所述的方法（300），其特征在于，在所述调整交流电流的无功电流部分的步骤（320）中，依赖于所述牵引用电池（120）的温度来调整所述交流电流的无功电流部分。

3.根据前述权利要求之一所述的方法（300），其特征在于具有调整交流电流的有功电流部分的步骤（330），以便通过所述电机（140）提供机械驱动功率。

4.根据权利要求3所述的方法（300），其特征在于，在所述调整交流电流的有功电流部分的步骤（330）中，当所述牵引用电池（120）的温度处在所述牵引用电池（120）的预定温度之下时，不依赖于所要求的机械驱动功率地将所述交流电流的有功电流部分调整为零或接近零。

5.根据前述权利要求之一所述的方法（300），其特征在于，在所述调整步骤（320、330）中，依赖于所述牵引用电池（120）的温度可变地调整所述交流电流的无功电流部分与有功电流部分之间的比例。

6.根据前述权利要求之一所述的方法（300），其中，所述电机（140）同样与所述冷却回路（220）热联接，其特征在于，在所述调整无功电流部分的步骤（320）中调整所述交流电流的无功电流部分，以便在所述电机（140）中产生用于通过所述冷却回路（250）进一步所述加热牵引用电池（120）的另外的损耗热量。

7.根据前述权利要求之一所述的方法（300），其特征在于具有接收信号的步骤（310），根据所述信号能推导出所述牵引用电池（120）的温度。

8.一种用于加热交通工具（100）的牵引用电池（120）的设备（110），所述交通工具带有逆变器（130）、冷却回路（250）和电机（140），其中，所述牵引用电池（120）和所述逆变器（130）通过所述冷却回路（250）热联接，所述电机（140）被构造用于从所述逆变器（130）接收交流电流，所述交流电流借助所述逆变器（130）从由所述牵引用电池（120）接收的直流电流中产生，其中，所述设备（110）具有下列特征：

用于调整交流电流的无功电流部分的装置（115），以便在所述逆变器（130）中产生用于通过所述冷却回路（250）加热所述牵引用电池（120）的损耗热量。

9.根据权利要求8所述的设备（110），其中，所述电机（140）同样与所述冷却回路（250）热联接，其特征在于，所述用于调整的装置（115）被构造用于调整交流电流的无功电流部分，以便在所述电机（140）中产生用于通过所述冷却回路（250）进一步加热所述牵引用电池（120）的另外的损耗热量。

10.一种用于交通工具（100）的驱动系统（200），其中，所述驱动系统具有下列特征：

牵引用电池（120），所述牵引用电池用于提供直流电流；

逆变器（130），所述逆变器用于将直流电流转化成交流电流；

电机（140），所述电机用于将交流电流转化成机械驱动功率；

冷却回路（250），所述冷却回路与所述牵引用电池（120）、所述逆变器（130）和/或所述电机（140）联接；以及

根据权利要求8和9所述的设备（110），所述设备用于加热牵引用电池。

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