电动车辆及其电池组系统、给电池组系统充电的方法与流程

本发明涉及一种用于电动车辆的电池组系统，该电池组系统包括：多个电池组模块；和第一加热装置，用于给第一组电池组模块直接加热，其中每个电池组模块都具有至少一个电池组电池。本发明涉及一种用于给按照本发明的电池组系统充电的方法。本发明还涉及一种电动车辆，该电动车辆包括按照本发明的电池组系统，该电池组系统能利用按照本发明的方法来运行。

背景技术：

呈现出在将来将使用越来越多电驱动机动车。在电驱动机动车、如电动车辆和混合动力车辆中，但是也包括在静止的应用中，使用可充电的电池组系统，主要为了给电驱动装置供应电能。具有锂电池组电池的电池组系统尤其适合于这种应用。锂电池组电池的特点尤其在于高能量密度、热稳定性和极其低的自放电。多个这种锂电池组电池彼此电串联以及彼此电并联并且连接成电池组模块。多个这种电池组模块彼此接线成一个电池组支路，尤其是彼此串联成一个电池组支路。多个这样构造的电池组支路彼此接线、尤其是彼此并联，而且这样构成电动车辆的电池组系统。

新技术的锂电池组电池具有固体电解质并且具有比较高的能量密度。这种锂电池组电池的化学成分是高度活跃的，但是只能在某个温度范围之内，例如高于50℃、尤其是高于70℃，而且低于90℃地最优地来运行。具有这种锂电池组电池的电池组系统也被称作中温电池组（mid-t电池组），而且在所提及的温度范围之外具有比较高的内阻。因此，中温电池组在该温度范围之外不能最优地运行。

因此，这种在电动车辆中使用的电池组系统在低温下受限制。这不仅适用于电池组系统的电池组电池的充电过程而且适用于电池组系统的电池组电池的放电过程。但是，在电动车辆中使用的电池组系统应该也在低温下快速地准备好用于充电过程以及用于放电过程。

文献us2012/295142a1和de102009046567a1描述了一种电池组系统以及一种用于产生最优的温度范围来运行该电池组系统的调温方法。在此，首先在加热阶段对该电池组系统的第一模块进行加热，而且将在第一模块运行时形成的热量用于加热另一模块。

从文献us2015/061605a1公知一种用于电动车辆的充电系统。该充电系统包括用于存储电能的电池组和用于给该电池组加热的加热装置。

文献us2015/077057a1涉及一种用于给电池组充电的方法。在此，首先确定充电速率高的快速充电过程是否可能。如果是，则执行快速充电过程。否则，执行充电速率降低的充电过程。

文献us2017/133731a1描述了一种电池组系统，该电池组系统具有两个组。在低温下，第一组提供电能，用于给第二组加热。如果第二组足够热，则第二组提供电能，用于给第一组充电。

技术实现要素：

提出了一种用于电动车辆的电池组系统。在此，该电池组系统包括：多个电池组模块；和第一加热装置，用于给第一组电池组模块直接加热。这意味着：第一加热装置被设计和布置为使得从第一加热装置放出的热量直接并且几乎仅仅被传输给第一组电池组模块，由此第一组电池组模块直接被加热。

每个电池组模块都具有至少一个电池组电池、优选地多个电池组电池，所述电池组电池可以彼此电串联以及彼此电并联。这些电池组电池例如是具有固体电解质的锂电池组电池。所提及的锂电池组电池只能在某个温度范围之内，例如高于50℃、尤其是高于70℃，而且低于90℃地最优地来运行。尤其是，对电池组电池的充电只在所提及的温度范围之内是最优地可能的。

第一组电池组模块在空间上在至少两侧各由其它组的电池组模块包围。在此，这些电池组模块在空间上布置为使得在给第一组电池组模块加热时和/或在给第一组电池组模块充电时形成的余热被传输给其它组的电池组模块。优选地，第一组电池组模块布置在中央而在两侧各由至少一个其它组的电池组模块包围。

优选地，第一组电池组模块中的电池组模块彼此串联而且构成一个电池组支路。同样，其它组的电池组模块中的电池组模块优选地分别彼此串联而且构成电池组支路。因此，该电池组系统包括多个电池组支路，所述电池组支路优选地电并联，其中每个电池组支路都包括一组电池组模块。

按照本发明的一个有利的扩展方案，设置至少另一加热装置，用于给电池组模块加热。该另一加热装置例如可以仅仅给其它组的电池组模块直接加热。但是，该另一加热装置例如也可以给所有组的电池组模块、包括第一组电池组模块在内直接加热。该第一加热装置和该至少另一加热装置能彼此无关地被激活。

优选地，还设置有至少一个冷却装置，用于使该电池组系统的电池组模块冷却。在此，该冷却装置可用于同时使所有组的电池组模块冷却。但是，该冷却装置也可用于单独地使各个组的电池组模块冷却。

也提出了一种用于给按照本发明的电池组系统充电的方法。在此，按照本发明的方法包括至少一个随后提到的步骤。

首先，通过第一加热装置给第一组电池组模块加热。在此，测量第一组电池组模块的组温度。

紧接着，如果第一组电池组模块的组温度已经达到预先给定的最低温度，则用第一充电电流给第一组电池组模块充电。

在此，也将在给第一组电池组模块加热时和/或在给第一组电池组模块充电时形成的余热传输给其它组的电池组模块。该余热尤其被传输给如下那些组的电池组模块，第一组电池组模块在空间上在至少两侧被所述那些组的电池组模块包围，即所述那些组的电池组模块紧邻第一组电池组模块布置。在此，也测量其它组的电池组模块的其它组温度。

接着，如果至少一个其它组的电池组模块的组温度已经达到预先给定的最低温度，则用另一充电电流给该其它组的电池组模块充电。

优选地，最迟当一组电池组模块的组温度已经达到预先给定的最高温度时，切断该组电池组模块的充电电流。必要时，当一组电池组模块的电池组电池被充满电时，这些电池组模块的充电电流已经被切断。

按照本发明的一个有利的设计方案，在用另一充电电流来给至少一个其它组的电池组模块充电之前，该其它组的电池组模块附加地通过另一加热装置来加热。由此，其它组的电池组模块的组温度更早达到最低温度并且充电可以更早开始。

可选地，如果一组电池组模块已经达到预先给定的最高温度，则该组电池组模块可以通过冷却装置来冷却。由此，该组电池组模块的组温度重新下降到最高温度之下并且可以继续充电。

按照本发明的一个有利的设计方案，一组电池组模块的充电电流根据该组电池组模块的组温度来改变。在此，该组电池组模块的充电电流被改变为使得该组电池组模块的组温度保持在最低温度与最高温度之间，而且该组电池组模块的充电电流变化为使得在所提及的组的电池组模块中的电池组电池尽可能快地被充电。

优选地，如果一组电池组模块的组温度等于最低温度，则该组电池组模块的充电电流具有最小电流值。在该组电池组模块的组温度升高时，充电电流提高。

按照本发明的一个优选的设计方案，一组电池组模块的充电电流在该最小电流值处开始不断提高，直至该组电池组模块的组温度等于临界温度。在此，该临界温度大于最低温度而小于最高温度。

优选地，一组电池组模块的充电电流被提高为使得该组电池组模块的充电电流的根据该组电池组模块的组温度的变化过程在临界温度处具有转折点。

如果一组电池组模块的组温度等于临界温度，则该组电池组模块的充电电流具有阈值。如果该组电池组模块的组温度大于临界温度并且小于最高温度，则该组电池组模块的充电电流大于所提及的阈值。

也提出了一种电动车辆，该电动车辆包括按照本发明的电池组系统，该电池组系统能利用按照本发明的方法来运行。

本发明的优点

借助于按照本发明的方法，即使在外界温度低时也可以使按照本发明的电池组系统比较快地达到运行温度，在该运行温度下，电池组电池能最优地运行。尤其是，即使在外界温度低时并且在长时间停用之后也可以比较快地给这些电池组电池充电。因此，具有按照本发明的电池组系统的电动车辆即使在外界温度低时也比较快地准备好行驶，由此提高了可用性。借助于按照本发明的方法，按照本发明的电池组系统的电池组电池均匀地并且经济地被加热和充电。此外，借助于按照本发明的方法，在很大程度上避免了在给电池组电池充电时对按照本发明的电池组系统的过于强烈的加热。通常不需要在充电期间对电池组电池进行冷却，由此减少了对按照本发明的电池组系统的冷却的花费。因此，改善了按照本发明的电池组系统的能量平衡并且节约了运行成本。

附图说明

本发明的实施方式依据附图和随后的描述进一步予以阐述。

其中：

图1示出了具有多个电池组电池的电池组模块的示意图；

图2示出了具有多个电池组支路的电池组系统的示意图；

图3示出了一组电池组模块的组温度在充电期间的变化过程的示意图；而

图4示出了根据图3的组温度的充电电流的变化过程的示意图。

具体实施方式

在随后对本发明的实施方式的描述中，相同或者类似的要素用相同的附图标记来表示，其中在个别情况下省去了对这些要素的重复的描述。附图只是示意性地示出了本发明的主题。

图1示出了具有多个电池组电池2的电池组模块5的示意图。在当前情况下，电池组电池2在电池组模块5之内电串联。每个电池组电池2都包括电极单元，该电极单元分别具有阳极和阴极。电极单元的阳极与电池组电池2的负接线端子15连接。电极单元的阴极与电池组电池2的正接线端子16连接。为了电池组模块5的串联，电池组电池2的负接线端子15分别与相邻的电池组电池2的正接线端子16电连接。

电池组模块5的电池组电池2分别具有固体电解质而且构造为中温电池组或mid-t电池组。所提及的电池组电池2只能在某个温度范围之内，例如高于50℃、尤其是高于70℃，而且低于90℃地最优地来运行。

图2示出了电动车辆的具有多个电池组支路6的电池组系统10的示意图。在当前情况下，电池组支路6电并联。电池组系统10的电池组支路6中的每个电池组支路都包括在图1中示出的电池组模块5中的多个电池组模块，所述电池组模块彼此电串联。

在当前情况下，电池组系统10的电池组模块5组成五个组61、62、63、64、65。因此，电池组系统10包括第一组61电池组模块5、第二组62电池组模块5、第三组63电池组模块5、第四组64电池组模块5和第五组65电池组模块5。在当前情况下，一组61、62、63、64、65的电池组模块5分别构成所提及的电池组支路6中的一个电池组支路。

第一组61电池组模块5在空间上在一侧被第二组62包围而在对置的一侧被第三组63包围。第四组64布置在第二组62的背离第一组61的一侧。第五组65布置在第三组63的背离第一组61的一侧。

电池组系统10也包括第一加热装置51，用于给第一组61电池组模块5直接加热。在当前情况下，第一加热装置51包括以电可驱动加热电阻的形式的加热元件55以及流体循环57，该流体循环将热量从加热元件55运到第一组61电池组模块5。

该电池组系统10还包括另一加热装置52，用于给所有组61、62、63、64、65的电池组模块5直接加热。在当前情况下，该另一加热装置52同样包括以电可驱动加热电阻的形式的加热元件55以及流体循环57，该流体循环将热量从加热元件55运到所有组61、62、63、64、65的电池组模块5。

该电池组系统10还包括这里未示出的冷却装置，用于冷却该电池组系统10的所有组61、62、63、64、65的电池组模块5。该冷却装置例如包括这里未示出的冷却剂循环。

电池组模块5在空间上布置为使得在给第一组61电池组模块5加热时形成的余热被传输给第二组62电池组模块5和第三组63电池组模块5。同样，在给第二组62电池组模块5加热时形成的余热被传输给第四组64电池组模块5。在给第三组63电池组模块5加热时形成的余热被传输给第五组65电池组模块5。即第一组61已位于中央并且被其它组62、63、64、65包围。

在给第一组61电池组模块5充电时，有第一充电电流i1流经第一组61。在给第二组62电池组模块5充电时，有第二充电电流i2流经第二组62。在给第三组63电池组模块5充电时，有第三充电电流i3流经第三组63。在给第四组64电池组模块5充电时，有第四充电电流i4流经第四组64。在给第五组65电池组模块5充电时，有第五充电电流i5流经第五组65。

所提及的充电电流i1、i2、i3、i4、i5以及用于给加热元件55加热的加热电流由这里未示出的充电站来提供。该电池组系统10也包括电池组控制器70，用来控制充电电流i1、i2、i3、i4、i5和加热电流。该电池组系统10还包括这里未示出的传感器，用于单独地检测这些组61、62、63、64、65电池组模块5中的每一组电池组模块的各一个组温度t。所提及的传感器与电池组控制器70连接。

在用于给该电池组系统10充电的两个模式之间进行区分，即标准充电和快速充电。如果有足够时间能用于给电池组模块5充电、例如有几个小时，则选择标准充电。如果只有比较少的时间能用于给电池组模块5充电、例如少于一个小时，则选择快速充电。

在对该电池组系统10进行标准充电时，检测这些组61、62、63、64、65电池组模块5的组温度t。如果所提及的组温度t小于最低温度tmin，则所有组61、62、63、64、65的电池组模块5首先由另一加热装置52来加热。如果所提及的组温度t已经达到最低温度tmin，则用充电电流i1、i2、i3、i4、i5给这些组61、62、63、64、65电池组模块5充电。在此，充电电流i1、i2、i3、i4、i5比较小并且对应于小于1c的c率。在组温度t升高时，充电电流i1、i2、i3、i4、i5被提高直至例如1c的c率。

在对该电池组系统10进行快速充电时，也检测这些组61、62、63、64、65电池组模块5的组温度t。如果所提及的组温度t大于最低温度tmin，则用充电电流i1、i2、i3、i4、i5给这些组61、62、63、64、65电池组模块5充电。在此，充电电流i1、i2、i3、i4、i5比较大并且对应于例如3c的c率。在此，电池组模块5必要时由冷却装置来冷却。

如果第一组61电池组模块5的组温度t小于最低温度tmin，则首先通过第一加热装置51给第一组61进行加热。如果第一组61的组温度t已经达到最低温度tmin，则用第一充电电流i1给第一组61充电。在此，第一充电电流i1首先具有最小电流值imin，该最小电流值例如随着组温度t升高而升高直至3c的c率。

随着对第一组61电池组模块5的充电的开始，通过第一加热装置51对第一组61的加热结束。如果第一组61电池组模块5的组温度t已经达到预先给定的最高温度tmax，则切断第一充电电流i1。

在给第一组61电池组模块5加热时以及在给第一组61电池组模块5充电时形成的余热被传输给第二组62电池组模块5和第三组63电池组模块5，所述第二组62电池组模块5和第三组63电池组模块5在空间上紧邻第一组61地来布置。在此，也测量第二组62和第三组63的组温度t。

如果第二组62的组温度t已经达到最低温度tmin，则用第二充电电流i2给第二组62充电。在此，第二充电电流i2首先具有最小电流值imin，该最小电流值例如随着组温度t升高而升高直至3c的c率。如果第二组62的组温度t已经达到最高温度tmax，则切断第二充电电流i2。相对应的情况适用于第三组63。

在给第二组62和第三组63充电时形成的余热被传输给第四组64电池组模块5和第五组65电池组模块5，所述第四组64电池组模块5在空间上紧邻第二组62地来布置，或所述第五组65电池组模块5在空间上紧邻第三组63地来布置。在此，也测量第四组64和第五组65的组温度t。

如果第四组64的组温度t已经达到最低温度tmin，则用第四充电电流i4给第四组64充电。在此，第四充电电流i4首先具有最小电流值imin，该最小电流值例如随着组温度t升高而升高直至3c的c率。如果第四组64的组温度t已经达到最高温度tmax，则切断第四充电电流i4。相对应的情况适用于第五组65。

一组61、62、63、64、65电池组模块5的充电电流i1、i2、i3、i4、i5根据相应的组61、62、63、64、65的组温度t来改变。在此，如果相应的组61、62、63、64、65的组温度t等于最低温度tmin，则相应的充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有最小电流值imin。在组温度t升高时，充电电流i1、i2、i3、i4、i5被提高。

在最小电流值imin处开始，充电电流i1、i2、i3、i4、i5首先不断被提高，直至组61、62、63、64、65的组温度t等于临界温度tsch。在此，临界温度tsch大于最低温度tmin而小于最高温度tmax。

根据组温度t的充电电流i1、i2、i3、i4、i5的变化过程在临界温度tsch处具有转折点。如果组温度t等于临界温度tsch，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有阈值isch。

如果组温度t大于临界温度tsch并且小于最高温度tmax，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5大于所提及的阈值isch。在此，充电电流i1、i2、i3、i4、i5被改变为使得组温度t保持在最低温度tmin与最高温度tmax之间，其中在所提及的组61、62、63、64、65的电池组模块5中的电池组电池2尽可能快地被充电。

图3示出了一组61、62、63、64、65电池组模块5在充电期间的组温度t的变化过程的示意图。在开始时间点tstart，组61、62、63、64、65的组温度t已经达到最低温度tmin。在用充电电流i1、i2、i3、i4、i5来充电期间，组61、62、63、64、65的组温度t提高。如果在结束时间点tend组61、62、63、64、65的组温度t已经达到最高温度tmax，则切断充电电流i1、i2、i3、i4、i5。

图4示出了根据图3的相应的组61、62、63、64、65的组温度t的充电电流i1、i2、i3、i4、i5的变化过程的示意图。如果组温度t等于最低温度tmin，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有最小电流值imin。如果组温度t大于最低温度tmin并且小于临界温度tsch，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有如下值，该值在最小电流值imin与阈值isch之间。如果组温度t等于临界温度tsch，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有阈值isch。如果组温度t大于临界温度tsch，则充电电流i1、i2、i3、i4、i5具有如下值，该值在阈值isch与最大电流值imax之间。

在最低温度tmin与临界温度tsch之间的范围内，充电电流i1、i2、i3、i4、i5的变化过程具有向左弯曲。在临界温度tsch与最高温度tmax之间的范围内，充电电流i1、i2、i3、i4、i5的变化过程具有向右弯曲。因此，根据组温度t，充电电流i1、i2、i3、i4、i5的变化过程在临界温度tsch处具有转折点。

电池组电池2具有取决于温度的内阻。在临界温度tsch下，电池组电池2的内阻最小。因此，如果充电电流i1、i2、i3、i4、i5小于阈值isch，则在给电池组模块5充电时产生量最小的余热，该余热提供用于给其它组62、63、64、65的电池组模块5进行加热。如果充电电流i1、i2、i3、i4、i5大于阈值isch，则产生量更大的余热，该余热接着提供用于给其它组62、63、64、65的电池组模块5进行更强烈的加热。

本发明并不限于这里描述的实施例以及其中所强调的方面。更确切地说，在通过权利要求书所说明的保护范围内，多个变型方案都是可能的，所述变型方案都在本领域技术人员的处理范围内。