AT526883B1 - Testfeld und Verfahren für die Testung einer Anzahl von Batteriezellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung liefert ein Testfeld (10) mit einer Anzahl von Testslots (14) für Testvorrichtungen für Batteriezellen, wobei die Testslots (14) auf eine vorbestimmte Testtemperatur zum Testen der Batteriezellen konfiguriert sind, und wobei 70% der Testslots (14) auf eine erste Testtemperatur von 24°C konfiguriert sind; 10% der Testslots (14) auf eine zweite Testtemperatur von 40°C konfiguriert sind; 5% der Testslots (14) auf eine dritte Testtemperatur von -25°C konfiguriert sind; 4,5% der Testslots (14) auf eine vierte Testtemperatur von 0°C konfiguriert sind; und 2,5% der Testslots (14) auf eine fünfte Testtemperatur von +45°C konfiguriert sind.

Description

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Beschreibung

TESTFELD UND VERFAHREN FÜR DIE TESTUNG EINER ANZAHL VON BATTERIEZELLEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Testfeld mit einer Anzahl von Testslots für Testvorrichtungen für Batteriezellen, und ein Verfahren zum Testen von Batteriezellen mit einem solchen Testfeld.

[0002] Durch die zunehmende Elektrifizierung des Straßenverkehrs bildet die Batterie als Energiespeicher in der Automobiltechnik einen immer wichtiger werdenden Baustein zur Erhaltung der Mobilität. Die verwendeten Batterien sind zumeist aus mehreren Pouchzellen oder prismatischen Zellen aufgebaut, die zueinander in Reihe geschaltet werden. Um Haltbarkeiten, Leistungen und daraus resultierend gegebenenfalls mögliche zurückzulegende Entfernungen abschätzen zu können, müssen die einzelnen Batteriezellen Tests unterzogen werden. Diese Tests finden zumeist in Testslots von Klimakammern oder in Testslots eines Batteriezellen-Testsystems mit direkt an den Batteriezellen angeordneten Konditionierplatten statt. In den Klimakammern kann die Umgebungstemperatur auf verschiedene Temperaturen eingestellt werden kann, was jedoch Zeit benötigt und für eine Temperaturänderung Energie aufgewendet werden muss. Eine oder mehrere Batteriezellen-Testsysteme bilden ein Testfeld aus einer Anzahl von Testslots.

[0003] In den Klimakammern sind üblicherweise Hochstromstecker, Sensoren, wie Temperatursensoren, und Signalstecker zur Verbindung der Batteriezelle beziehungsweise der Prüfeinheit, bestehend aus der Batteriezelle und den Druckplatten, zwischen denen die Batteriezelle eingespannt ist, mit der entsprechenden Regelung und Energieversorgung, die außerhalb der Klimakammer angeordnet ist, vorhanden. Diese Verbindungen müssen häufig einzeln von Hand hergestellt werden.

[0004] Die thermische Konditionierung durch Konditionierplatten ist weniger energieaufwändig und lässt sich zumindest teilweise automatisieren, jedoch muss jeder Testslot mit einem Wärmeträger einer bestimmten Temperatur konfiguriert werden, damit zugehörige Anschlüsse eine Konditioniereinrichtung wie eine an der Batteriezelle angeordnete Konditionierplatte entsprechend mit einem dem Wärmeträger versorgen können. Auch diese Schritte sind technisch und zeitlich aufwändig.

[0005] Aus dem Stand der Technik sind folgende Batteriezellensysteme bekannt.

[0006] Dokument US 20200644071 A1 offenbart einen Schrankkasten mit einer Vielzahl unabhängiger, explosionsgeschützter Kammern. Eine Batterieverdrahtungsbaugruppe zur Aufnahme und Prüfung einer Batterie ist an einer Innenwand einer explosionssicheren Tür angebracht. Ein elektrischer Anschluss ist an einer Außenwand der Tür vorgesehen. Die Baugruppe wird in einer Kammer platziert, und die Tür dichtet die Kammer ab. Die Temperatur in jeder Kammer wird unabhängig geregelt, so dass die Batterien gleichzeitig bei unterschiedlichen Temperaturen geprüft werden können.

[0007] Dokument DE 102012206917 A1 offenbart ein System zur Temperaturverwaltung eines Batteriestapels. Das System enthält eine Vielzahl von Batteriezellen, die mit mindestens einem DC-Leistungsbus verbunden sind. Eine thermoelektrische Vorrichtung ist wirksam in thermischem Kontakt mit der Vielzahl von Batteriezellen angeordnet. Eine Temperaturmessvorrichtung ist mit dem Temperaturverwaltungssystem wirksam verbunden und ausgestaltet, um eine Temperatur eines vorbestimmten Abschnitts der Vielzahl von Batteriezellen zu messen. Eine Zellenausgleichsschaltung ist mit der Vielzahl von Batteriezellen wirksam verbunden und ausgestaltet, um einen Teil eines elektrischen Stroms von einer der Vielzahl von Batteriezellen an die thermoelektrische Vorrichtung selektiv umzuleiten.

[0008] Dokument DE 102013202226 B4 offenbart eine Batteriezellenanordnung mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die miteinander verbunden sind. Die Batteriezellen sind elektrisch in Reihe geschaltet. Mindestens ein Scharnier ist zwischen einem benachbarten Paar von Batteriezellen angeordnet. Die Batteriezellen sind so konfiguriert, dass sie auf einer Faltung der Batteriezellenanordnung an dem mindestens einen Scharnier gestapelt werden können. Eine Kühlplattenbau-

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gruppe zur Verwendung mit der Batteriezellenbaugruppe und ein BatteriestromversorgungssySstem, bei dem die Batteriezellenbaugruppe mit der Kühlplattenbaugruppe verschachtelt ist, werden ebenfalls offenbart.

[0009] Für die Testung einer Batteriezelle muss diese unter einerseits realistischen, aber auch unter Grenzbedingungen getestet werden. Dabei müssen Daten über das Verhalten der Batteriezelle unter unterschiedlichen thermischen Bedingungen gesammelt werden, die Aufschluss über das Verhalten der Batteriezelle im langfristigen Einsatz im Fahrzeug geben. Dazu müssen bei unterschiedlichen konstanten Temperaturen, die resultierenden Leistungen und/oder Kapazitäten der Batteriezelle ermittelt werden. Problematisch hierbei ist jedoch, dass die Testzeiten insgesamt möglichst kurz sein sollen.

[0010] Die Optimierung dieser Tests von Batteriezellen ist ein Problem mit vielen Variablen, welches bei falscher Auswahl von Parametern dazu führen kann, dass Fehlfunktionen nicht detektiert werden oder im Test befindliche Batteriezellen wegen unrealistischer Testparameter fälschlicherweise als nicht geeignet erachtet werden. Welches Parameterset aus Testtemperaturen und Testzeiten ein realistisches Testszenario darstellt lässt sich lediglich aus einer großen Anzahl an länger aufgenommenen Betriebsdaten der Batteriezellen ermitteln.

[0011] In einem Testfeld zur Testung von Batteriezellen können die Batteriezellen durch einen Ortswechsel auf unterschiedliche Testtemperaturen konfiguriert werden.

[0012] Um die oben genannten Testbedingungen zu erfüllen sind für unterschiedliche Testtemperaturen teilweise stark unterschiedliche Testzeiten notwendig. Damit eine möglichst optimale Auslastung eines Testfelds für Batteriezellen für Fahrzeugbatterien erreicht wird, ist die Konfiguration der Testtemperaturen der Testvorrichtungen entsprechend der notwendigen Testzeiten auszuwählen.

[0013] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Testfeld mit einer Anzahl von Testvorrichtungen für Batteriezellen zur Verfügung zu stellen, mit dem Messungen an Batteriezellen für den Einsatz in Fahrzeugen mit realistischer Prüfung der Funktionscharakteristik, sicherer Detektion von Fehlfunktionen und möglichst geringerem zeitlichen Testaufwand durchgeführt werden können.

[0014] Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Testfeld mit einer Anzahl von Testslots für Testvorrichtungen für Batteriezellen, wobei die Testslots auf eine vorbestimmte Testtemperatur zum Testen der Batteriezellen konfiguriert sind, und wobei

70% der Testslots auf eine erste Testtemperatur von 24°C konfiguriert sind;

10% der Testslots auf eine zweite Testtemperatur von 40°C konfiguriert sind;

5% der Testslots auf eine dritte Testtemperatur von -25°C konfiguriert sind;

4,5% der Testslots auf eine vierte Testtemperatur von 0°C konfiguriert sind; und

2,5% der Testslots auf eine fünfte Testtemperatur von +45°C konfiguriert sind. Für die Fehlergrenzen der relativen Anzahl, der auf die erste Testtemperatur konfigurierten Testslots, ist ein Toleranzbereich von bis zu drei Prozentpunkten in positive und negative Richtung erlaubt, ohne, von der Lehre der Erfindung abzuweichen. Die relative Anzahl der auf die erste Testtemperatur konfigurierten Testslots beträgt damit zwischen 67% und 73%.

[0015] Für die Fehlergrenzen der relativen Anzahl, der auf die zweite Testtemperatur konfigurierten Testslots, ist ein Toleranzbereich von bis zu zwei Prozentpunkten in positive und negative Richtung erlaubt, ohne, von der Lehre der Erfindung abzuweichen. Die relative Anzahl der auf die zweite Testtemperatur konfigurierten Testslots kann damit zwischen 8% und 12% betragen.

[0016] Für die Fehlergrenzen der relativen Anzahl der auf die dritte und alle weiteren Testtemperatur konfigurierten Testslots ist in gleicher Weise ein Toleranzbereich von bis zu einem Prozentpunkt in positive und negative Richtung erlaubt, ohne, von der Lehre der Erfindung abzuweichen.

[0017] Die Fehlergrenzen der Testtemperaturen betragen in positiver und negativer Richtung jeweils 1°C.

[0018] Als Testfeld wird ein System zur Testung einer Anzahl von Batteriezellen mit einer Anzahl Testslots, in denen jeweils eine Batteriezelle getestet werden kann, verstanden.

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[0019] Mit einer wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Konfiguration des Testfelds sind etwa 95% der Testtemperaturen der Testslots vorgegeben. Durch die Auswahl der weiteren Testtemperaturen entsprechend der in den abhängigen Ansprüchen genannten Vorgaben, oder durch andere Testtemperaturen, können besondere Testszenarien durchgeführt werden.

[0020] Der Erfindung liegt die, durch eine große Anzahl von Tests einer Vielzahl von Batteriezellen über einen längeren Zeitraum im Testfeld und in Fahrzeugen erlangte, aber überraschende Erkenntnis zugrunde, dass mit einer solchen Konfiguration eine Auslastung der Testslots im Testfeld mit besonders hoher Effizienz bei gleichzeitig realitätsnaher Prüfung der Funktionsweise der Batteriezellen, insbesondere auch deren Charakteristika an Systemgrenzen möglich ist.

[0021] Weitere Vorteile werden erzielt, wenn bei dem Testfeld 2% der Testslots auf eine sechste Testtemperatur von 10°C konfiguriert sind.

[0022] Zusätzliche Vorteile werden erreicht, wenn bei dem Testfeld 1% der Testslots auf eine siebte Testtemperatur von 20°C konfiguriert sind.

[0023] Insbesondere ist es von Vorteil, wenn 1% der Testvorrichtungen eine achte Testtemperatur von 35°C konfiguriert sind.

[0024] Weitere Vorteile werden erreicht, wenn wenigstens eine weitere Testvorrichtung auf eine neunte Testtemperatur konfiguriert ist, die sich von jeder der ersten bis achten Testtemperatur unterscheidet.

[0025] Die neunte Testtemperatur kann beispielsweise -28°C, vorzugsweise -15°C, besonders bevorzugt -7°C und am bevorzugtesten -10°C betragen.

[0026] Hierdurch ist eine weiter verbesserte Testung der Charakteristika der Batteriezelle an den Systemgrenzen möglich.

[0027] Weitere Vorteile werden erreicht, wenn die Anzahl der Testvorrichtungen wenigstens 100, vorzugsweise wenigsten 1000 beträgt.

[0028] Schließlich ist es von Vorteil, wenn die Testvorrichtungen durch einen flüssigen Wärmeträger thermisch konditioniert sind.

[0029] Ein Wärmeträger ist ein fluides Wärmetransportmittel und kann je nach Anwendungszweck und Temperaturbereich auch als Heizmedium, Kühlmittel oder Kälteträger bezeichnet werden. Mit einem flüssigen Wärmeträger ist es möglich, eine besonders große Wärmemenge zu transportieren und somit eine schnellere Konditionierung zu erreichen, was die für die Testung benötigten Zeiten weiter senkt.

[0030] Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Batteriezellen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen von einem Testfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 7, b) Anordnen von Testvorrichtungen mit Batteriezellen in den Testslots des Testfelds; c) Konditionieren der Batteriezellen auf die Testtemperatur desjenigen Testslots in dem sie angeordnet sind; d) Durchführen von einem ersten Testlauf an den Batteriezellen; e) Umordnen von wenigstens einigen der Testvorrichtungen mit Batteriezellen in den Testslots; f) Konditionieren der Batteriezellen auf die Testtemperatur desjenigen Testslots in dem sie angeordnet sind; und g) Durchführen von einem zweiten Testlauf an den Batteriezellen.

[0031] Weitere Vorteile werden erreicht, wenn der erste Testlauf und der zweite Testlauf gleich sind.

[0032] Bei dem Verfahren ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn die Schritte b) bis g) automatisiert durchgeführt werden.

[0033] Es wird somit ein Testfeld für die Testung von Batteriezellen und, ein Verfahren zum Tes-

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ten von Batteriezellen geschaffen, mit dem besonders realitätsnah und genau eine Testung einer Vielzahl von Batteriezellen gleichzeitig durchgeführt werden kann. Die Testzeit kann im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich reduziert werden. Entsprechend wird die Effizienz des Systems deutlich gesteigert.

[0034] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigt schematisch:

[0035] Figur 1 ein Testfeld mit einer Anzahl von Testslots für Testvorrichtungen für Batteriezellen.

[0036] Das in Figur 1 gezeigte Testfeld 10 umfasst zehn Batteriezellen-Testsysteme 12. Jedes der Batteriezellen- Testsysteme umfasst zehn, in dieser schematischen Ansicht quadratische, Testslots 14 zum Testen jeweils einer Batteriezelle. Jeder der insgesamt einhundert Testslots 14 ist auf eine vorbestimmte Testtemperatur konfiguriert. Je nach Testtemperatur, auf die die Testslots konfiguriert sind, ist ein Füllmuster der quadratischen Testslots 14 ausgewählt. Gleiche Füllmuster bedeuten eine gleiche Testtemperatur, auf die die Testslots 14 konfiguriert sind, unterschiedliche Füllmuster bedeuten unterschiedliche Testtemperaturen, auf die die Testslots 14 konfiguriert sind. Darüber hinaus haben die Füllmuster keine weitere technische Bedeutung.

[0037] In diesem Ausführungsbeispiel sind 70 der einhundert Testslots 14 als erste Testslots 14a auf eine erste Testtemperatur von 24°C konfiguriert. Diese ersten Testslots 14a sind ohne Füllmuster dargestellt. Weiter sind zehn der einhundert Testslots 14 als zweite Testslots 14b auf eine zweite Testtemperatur von 40°C konfiguriert. Weiter sind fünf der Testslots 14 als dritte Testslots 14c auf eine dritte Testtemperatur von -25°C konfiguriert. Ferner sind ebenfalls fünf der Testslots als vierte Testslots 14d auf eine vierte Testtemperatur von 0°C konfiguriert und insgesamt drei der Testslots als fünfte Testslots 14e auf eine fünfte Testtemperatur von +45°C konfiguriert.

[0038] Ein sechster Testslot 14f ist auf eine sechste Temperatur von 10°C konfiguriert. Ein siebter Testslot 14g ist auf eine Temperatur von 20°C konfiguriert. Ein achter Testslot 14h ist auf eine Temperatur von 35°C konfiguriert. Ein neunter Testslot 14i ist auf eine Temperatur von -10°C konfiguriert.

[0039] Zum Testen der Batteriezellen wird zunächst ein solches Testfeld 10 bereitgestellt. In den auf die Testtemperaturen vorkonfigurierten Testslots werden Testvorrichtungen mit Batteriezellen angeordnet. Die Batteriezellen werden anschließend auf die Testtemperatur desjenigen Testslots, in dem sie angeordnet sind, konditioniert. Sobald die Konditionierung fertig durchgeführt ist, wird über eine Steuereinheit ein Testlauf in jedem Testslot 14 und damit an jeder der Batteriezellen gestartet und durchgeführt. Zur Durchführung des Testlauf wird die an der Zelle anliegende Spannung, der von der Zelle oder zu der Zelle fließende Strom, die Temperatur der Zelle und gegebenenfalls der auf die Zelle wirkende Druck gemessen. Jeder Testlauf kann grundsätzlich mehrere Lade- und Entladezyklen umfassen. Mit der Durchführung des Testlaufs wird das Ladeund Entladeverhalten der Batteriezelle bei der Testtemperatur und aufgenommen.

[0040] Anschließend folgt ein Schritt des Umordnens von wenigstens einigen der Testvorrichtungen mit Batteriezellen in den Testslots. Durch das Umordnen können die Batteriezellen mit der Testtemperatur des Testslots, in dem sie neu angeordnet sind, einem Testlauf mit unterschiedlicher Testtemperatur unterzogen werden. Anschließend folgt ein Schritt des Konditionierens der Batteriezellen auf die Testtemperatur desjenigen Testslots, in dem sie angeordnet sind, bevor ein zweiter Testlauf an den Batteriezellen durchgeführt wird. Der zweite Testlauf kann grundsätzlich dem ersten entsprechen. Es ist selbstverständlich auch möglich, je nach gewünschtem Testszenario einen zweiten Testlauf durchzuführen, der sich von dem ersten Testlauf unterscheidet. Häufig ist es sinnvoll, neben dem ersten und dem zweiten Testlauf einen dritten und weitere, vorzugsweise identische, Testläufe durchzuführen, wobei zumindest einige der Testvorrichtungen zwischen den aufeinander folgenden Testläufen in andere Testslots umgeordnet werden.

[0041] Mit einer automatischen Entnahmevorrichtung können die Testvorrichtungen umgeordnet werden, wodurch es möglich ist, das Verfahren zumindest teilweise zu automatisieren.

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[0042] Die voranstehenden Erläuterungen zu den Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Testfeld (10) mit einer Anzahl von Testslots (14a-14i) für Testvorrichtungen für Batteriezellen, wobei die Testslots (14a-14i) auf eine vorbestimmte Testtemperatur zum Testen der Batteriezellen konfiguriert sind, und dadurch gekennzeichnet sind, dass 70% der Testslots (14a-14i) auf eine erste Testtemperatur von 24°C konfiguriert sind; 10% der Testslots (14a-14i) auf eine zweite Testtemperatur von 40°C konfiguriert sind; 5% der Testslots (14a-14i) auf eine dritte Testtemperatur von -25°C konfiguriert sind; 4,5% der Testslots (14a-14i) auf eine vierte Testtemperatur von 0°C konfiguriert sind; und 2,5% der Testslots (14a-14i) auf eine fünfte Testtemperatur von +45°C konfiguriert sind.

2, Testfeld (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2% der Testslots (14a-14i) auf eine sechste Testtemperatur von 10°C konfiguriert sind.

3. Testfeld (10) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass 1% der Testslots (14a-14i) auf eine siebte Testtemperatur von 20°C konfiguriert sind.

4. Testfeld (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1% der Testslots (14a-14i) auf eine achte Testtemperatur von 35°C konfiguriert sind.

5. Testfeld (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer Testslot (14a-14i) auf eine neunte Testtemperatur konfiguriert ist, die sich von jeder der ersten bis achten Testtemperatur unterscheidet.

6. Testfeld (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Testslots (14a-14i) wenigstens 100, vorzugsweise wenigsten 1000 beträgt.

7. Testfeld (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testslots (14a-14i) durch einen flüssigen Wärmeträger thermisch konfiguriert sind.

8. Verfahren zum Testen von Batteriezellen, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen von einem Testfeld (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

b) Anordnen von Testvorrichtungen mit Batteriezellen in den Testslots (14a-14i) des Testfelds (10);

c) Konditionieren der Batteriezellen auf die Testtemperatur desjenigen Testslots (14a-14i) in dem sie angeordnet sind;

d) Durchführen von einem ersten Testlauf an den Batteriezellen;

e) Umordnen von wenigstens einigen der Testvorrichtungen mit Batteriezellen in den Testslots (14a-14i);

f) Konditionieren der Batteriezellen auf die Testtemperatur desjenigen Testslots in dem sie angeordnet sind; und

g) Durchführen von einem zweiten Testlauf an den Batteriezellen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Testlauf und der zweite Testlauf gleich sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) bis g) automatisiert durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen