CN109314286B - 用于至少一个电化学测试电池的测试电池站 - Google Patents

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Abstract

一种用于至少一个电化学测试电池(10)的测试电池站(50)，包括：壳体(57)；至少一个插座(51)，其用于接触至少一个电化学测试电池(10)的插入；以及电连接装置(54)，其用于与插入插座(51)中的测试电池(10)电连接；其特征在于：具有可控制的冷却/加热设备(27)的用于调节温度室(20)中的温度的热绝缘温度室(20)被集成到测试电池站(50)中，其中，插座(51)被布置在测试电池站(50)中，使得电化学测试电池(10)的相对应的插座空间被布置在温度室(20)内。

Description

用于至少一个电化学测试电池的测试电池站
本发明涉及一种用于至少一个电化学测试电池的测试电池站，其包括壳体；至少一个插座，其用于接触至少一个电化学测试电池的插入；以及电连接装置，用于与插入插座中的测试电池电连接。
在电化学存储电池(例如，锂离子电池)的研究和开发中，电化学测试电池用于表征电池材料。该测试电池具有以交替的电解接触连接到内部电极的外部电端子。为了测量，测试电池被插入和锁定到测试电池站中的对应插座内，形成外部端子和电连接装置之间的电接触，通过电接触，测试电池可以连接到电池测试设备。通过外部端子，电池测试设备记录电特性曲线以表征所使用的电池材料，电特性曲线例如是电流/电压特性曲线、恒定电流周期、阻抗谱。
申请人的用于多达16个测试电池的测试电池站称为PAT-Tray。由于测量要在限定的温度条件下进行，因此要在测量期间将测试电池站放置在单独的、可封闭的冰箱形式的温度室中。外部测试电池站经由与测试电池插座的数量相对应的多个电缆连接到位于温度室外部的外部电池测试仪，电缆经由符合电缆通孔穿过温度室到达外部。当对电池进行电测试时，可能需要改变测试电池的端子和指定的电池测试仪通道的相应端子之间的各个连接。对测试电池电路的这种改变是手动完成并且手动记录的，这是耗时并且容易出错的。
本发明的任务是提供进一步改进的用于测试高通量电化学电池的测试站。
本发明通过独立权利要求的特征解决了该问题。本发明提供了一种作为集成设备的测试电池站，其具有测试电池的转接站的功能和温度室的功能。由于温度室集成到测试电池站内，因此不需要单独的温度室，这显著降低了总成本。
在优选实施例中，对于每个测试电池，将具有可控稳压器和/或恒流器的电池测试设备集成到测试电池站内。该实施例消除了操作者在转接站和外部电池测试设备之间进行耗时和容易出错的单独布线的需求，并且因此还消除了由布线引起的测量中的人为错误。
电池测试设备优选地位于温度室外侧的壳体中。
有利地，每个电池测试设备具有可控电子开关矩阵，特别是多个开关(例如，半导体开关或继电器)的形式，利用电子开关矩阵，各个稳压器/恒电流器的端子(工作电极、对电极、或参考电极)和可以任意连接到相对应的测试电池(阳极、阴极、参考电极)的端子。这意味着能够消除通过重新连接电缆而对测试电池的布线进行容易出错和耗时的手动改变。
每个电池测试设备有利地包括用于控制相应的稳压器/恒电流器和/或相应的开关矩阵的数字控制设备。使用控制设备也可以容易地自动记录测试电池的布线和/或进行数据记录。
在一个简单的并且因此有利的实施例中，冷却/加热设备是珀耳帖元件或电热转换器，其中一个热侧(在冷却模式中，冷侧)被连接到温度室内部而另一个热侧(在冷却模式中，暖侧)被连接到温度室的外部。然而，不能排除冷却/加热设备是例如利用制冷剂操作的制冷机，特别是压缩机或吸收式制冷机。
用于打开或关闭温度室中的壳体开口的热绝缘可调节(即，可枢转和/或可移位)翻板阀有利地布置在壳体上。当该翻板阀被打开时，这允许通过壳体开口容易且快速地将测试电池插入温度室或从温度室移除，并且当翻板阀被关闭时，能够无延迟地执行测量。在另一个有利的实施例中，具有测试电池插座的转接站被布置在滑动元件中，该滑动元件能够从壳体中拉出并且再次插入，具有热绝缘的前壁。这允许在拉出滑动元件时快速且容易地将测试电池插入和移出温度室，并且当推入滑动元件时无延迟地执行测量。
布置在壳体内的电路板和测试电池之间的电连接可以有利地使用双作用弹簧触针制成，该双作用弹簧触针的一端适于弹簧加载接触测试电池上的接触点和其另一端适于弹簧加载接触电路板上的接触点。这就消除了对于传统电缆终端的需求。
根据本发明的测试电池有利地用于电化学存储电池的研究和开发，特别是电化学二次电池或二次蓄电池，包括所谓的纽扣电池、一次电化学电池和电化学电容器，例如双层电容器。
在下文中，将参照附图，基于优选实施例来解释本发明。附图示出了：
图1是用于接收多个电化学测试电池的测试电池站的透视图；
图2是图1的测试电池站的横截面图；
图3是插入的电化学测试电池的测试电池图的横截面图；
图4是另一个本发明的测试电池站的透视图；和
图5、6从上方和下方看的电化学测试电池的斜透视图。
如图1、2和4所示的测试电池站50包括壳体57和热绝缘的温度室20，其具有多个(在该情况下，16个)插座51，每个插座用于电化学测试电池10。温度室20由绝缘元件形成或由热绝缘材料制成的壁21形成，特别参见图4，其可以部分地布置在壳体57的内侧上。有利地，翻板阀23被捕获地附接到壳体57并且可以在打开位置和闭合位置之间调节。在图1、2和4中，翻板阀23处于闭合位置。
翻板阀23有利地具有操作手柄24并且能够围绕水平枢转轴25枢转，枢转轴25优选地位于翻板阀23的后部，由此，其附接到枢转轴承17，参见图4。当翻板阀23被完全向上枢转和打开时(打开位置)，服务开口在壳体57中打开，服务开口具有足够的尺寸并且被布置为允许操作者将电化学测试电池10插入温度室20和移出温度室20。
插座51有利地布置在壳体57中的水平的、在这种情况下是热绝缘的分隔壁22中，并且例如，该插座51可以由塑料制成。图4示出了其中插入了测试电池10的测试电池插座51的截面。测试电池10可以以特定的取向被插入插座51中，这可以通过，例如，根据测试电池10的适当形状的底座43对插座51成形(在这种情况下，有平坦的侧表面52)来实现，或通过使用另一种定向方式来实现。
在插入状态下，测试电池10能够通过未显示的锁定机构固定在相对应的插座51中。全体插座51由此形成电化学测试电池10的统一转接站14。当被固定在相应的插座51内时，测试电池10完全或基本上完全被布置在温度室20内。
在插座51的下方设置双作用弹簧触针54，当电池10被插入插座51内时，其一方面在弹簧偏压下支承电池10的外部接触端子40、48、49、55，并且在另一方面，在弹簧偏压下支承设置在测试电池站50中的电路板26的接触点。借助于双作用弹簧触针，能够避免干扰和脆弱的电缆端子。该弹簧触针54被引导通过温度室壁或绝缘元件21，以便在布置在温度室20中的测试电池和外部空间30中的测试电池之间产生电连接。在该实施例中，测试电池因此与电路板26热绝缘。
测试电池站50的壳体57优选地包含电源单元，用于电气设备的供电。在测试电池站50中，可以设置电缆的应变释放件19，参见图4。
在该测试电池站50中，优选地设置每个测试电池插座51的电池测试设备56。在图1中，仅示意性地绘制用于最前面的四个测试电池插座51的电池测试设备56。每个电池测试设备56具有恒压器/恒流器、开关矩阵、数字控制装备(特别地，微控制器或微处理器)和/或数据存储器。每个电池测试设备56可以被布置在单独的电路板(通道板)上。可替代地，也可以设想针对所有(在这种情况下，十六个)的电池测试设备56的单个电路板解决方案，可以是单独的电路板的形式，也可以集成到电路板26中。电池测试设备56可以通过内部的数据总线彼此连接。
电池测试设备56还用于通过测量电池10处的电流和电压来记录测量数据，并将结果传送到外部数据库服务器58，例如，经由内部接口设备60，通过USB或LAN连接，其中，结果可以被存储和/或可视化。例如，接口设备60可以被设计为单板EPC计算机。
为了进行电池测试，电化学电池10必须保持在预定的测量温度。为了在温度室中设定和维持期望的温度，提供冷却/加热设备27，其具有冷却表面28，该冷却表面28被布置为并且适于将冷或热散发到温度室20的内部。冷却/加热设备27优选地为热电换能器，特别是珀耳帖元件，其有利地布置在温度室20的热绝缘壁21中，使得珀耳帖设备27的一侧28热连接到温度室20的内部并且相对侧29电连接到温度室20的外部30。
电源单元被设计为将电流或电压供应到珀耳帖元件27和测试电池站50中的电子器件。取决于极性，珀耳帖元件27的面向温度室20的侧面28或背向温度室20的侧面29被冷却，而相应的相对侧面29或28被来自珀耳帖元件27的废热加热。在下文中，假设但不限于珀耳帖元件27以冷却模式操作，即珀耳帖元件27的面向温度室或冷却室20的侧面28由电源的相应极性冷却。因此，珀耳帖元件27的面向冷却室20的一侧28在下文中被称为冷却侧，尽管它也能够通过反转极性而作为加热侧操作。可调节温度优选地跨越至少50℃的温度范围，例如从-10℃到+80℃。
为了更有效地将由珀耳帖元件27产生的冷散发到温度室20中的空气内并且因此提高冷却效率，珀耳帖元件27的冷却侧28有利地连接到延伸到温度室20内的冷却元件32，该冷却元件由具有高导热率的材料(例如，铝)制成。为了在温度室20中更有效地分配冷却空气并且因此进一步提高冷却效率，优选在温度室20中设置电风扇33，其以这样的方式布置：由风扇33产生的气流一方面通过冷却元件32以吸冷，另一方面通过测试电池插座51或电化学电池10以散发冷。风扇33可以例如附接到冷却元件32。为了改善冷却空气分布，还可以在温度室20中有利地设置空气挡板34。
为了更有效地将由珀耳帖元件27产生的废热散发到环境中，珀耳帖元件27的暖侧29有利地连接到由具有高导热率的材料(例如，铝)制成的冷却元件35，冷却元件35以导热的方式延伸到温度室20的外部，例如，经由热管36(所谓的热管)。为了更有效地散发废热，优选在外部空间30中设置风扇37，该风扇37被布置成使得由风扇37产生的气流通过冷却元件35以吸热。电风扇37可以特别地被固定到冷却元件35。在壳体57中，例如在后壁中有利地设置供气开口38并且例如在前侧上有利地设置排气开口39，供气开口38用于供应更冷的环境空气，排气开口39用于从壳体57散发热气流。更冷的供应空气有利地通过外部空间30中的电子组件13、26、56以冷却它们或使它们的废热散发。
为了将温度室20中的温度调节到期望值，优选地设置仅在图2中示意性示出的恒温器13，其根据利用布置在温度室20中的至少一个温度传感器12测量的温度来调节对珀耳帖元件27的供电。例如，恒温器13可以由控制装置56来控制。
根据图5和图6的电化学测试电池10(被称为PAT电池)包括气密的内部电池11，其上有几牛顿的限定力作用并且对外部是气密的，包括与参考材料(例如金属锂)接触的参考电极、工作电极和普通电极，所有电极彼此电解接触。该实施例中的测试电池10还包括优选的金属底座43和盖装置44。外部的电端子被设置在测试电池10的底座43中，即，连接到参考电极的参考连接40，连接到工作电极的接触连接48和连接到对电极的接触连接49由底座43形成。
优选地，在测试电池10的下侧设置金属接触元件55，例如由不锈钢制成的接触按钮，当电池10插入到插座51中时，该金属接触元件55使双作用弹簧触针54短路。以这种方式，可以容易地检测插座51中的测试电池10的存在。
在称为PAT循环仪的优选实施例中，具有恒压器和/或恒流器的电池测试设备56被集成到测试电池站50中。例如，在每个测试电池10的插座51下布置具有恒压器和/或恒流器的电池测试器通道的电子器件56，参见图1。由电池测试设备产生的电压或电流经由连接装置54和外部端子40、48、49被施加到测试电池10的电极，以便记录电化学电池10的充电或放电曲线并且执行阻抗测量。电路板26特别是用于将电压或电流从电池测试设备56传输到测试电池10。接口设备60(例如，内部文件服务器)用于将数据从电池测试设备56传送到外部数据库服务器58。
优选地，电池测试设备56位于外部空间30中的壳体57中。由于壳体57中的布置，不再需要操作者在转接站14和外部电池测试器之间进行耗时且容易出错的单独布线，并且因此不再需要由布线造成的人工测量。
在称为PAT室的不同的实施例中，电池测试设备没有集成到测试电池站50内，而是可以经由电缆连接而被连接到测试电池站50的外部单元。在该版本中，用于记录充电特性和传感器信号的数据记录器59被优选地集成到测试单元站50的壳体中，并且可以有利地连接到外部数据库服务器58。因此，现有技术中的外部数据记录器以及从外部数据记录器到测试电池站50的相对应连接电缆是非必要的。
有利地，每个电池测试设备56具有可控电子开关矩阵，特别是以多个开关的形式，例如半导体开关或继电器，通过开关矩阵，各个恒压器/恒流器的端子(工作电极、对电极、参考电极)可以被任意连接到相对应的测试电池的端子40、48、49(阳极、阴极、参考电极)。可以通过开关矩阵调节的不同测试电池电路的示例是恒压(cv)操作：恒定电池电压；恒定阴极电位；恒定阳极电位；参考电极对阴极的充电；参考电极对阳极的充电。在恒流(cc)操作中：恒定电池电流；参考电极对阴极恒电流的充电；参考电极对阳极恒电流的充电。借助于开关矩阵的电子控制开关通过重新连接电缆陷阱允许测试电池布线的容易出错且耗时的手动改变。通过计算机控制也可以容易地记录测试电池布线。
根据以上所述，插座51或转接站14永久地安装在温度室20中。换句话说，转接站14和温度室20被集成在单个设备中，即测试电池站50。
在图1、2和4所示的实施例中，壳体57有利地包围基本上两个子区域，即一方面用于测试电池10的热绝缘温度室20，以及另一方面用于诸如供电单元、恒温器13、电路板26、和/或控制设备56之类的电子组件的外部空间30。可以设想将这些电子组件中的单个或全部可替代地布置在温度室20中。还可以设想，分隔壁22不是热绝缘的，而是壳体57的底部是热绝缘的。然而，至少珀耳帖元件的暖侧29和冷却元件35有利地布置成与温度室20的外部30热连接，而不是与其内部空间热连接。

Claims (12)

1.一种测试电池站(50)，用于至少一个电化学测试电池(10)，包括：壳体(57)；至少一个插座(51)，其用于接触至少一个电化学测试电池(10)的插入；以及电连接装置(54)，其用于与插入插座(51)中的测试电池(10)电连接；其特征在于，测试电池站(50)具有带有可控冷却/加热元件的热绝缘温度室(20)，其中，具有用于设定温度室(20)中的温度的可控冷却/加热设备(27)的热绝缘温度室(20)被集成到测试电池站(50)中；插座(51)在测试电池站(50)中被布置为使得电化学测试电池(10)的相对应的容纳空间被布置在温度室(20)内部，其特征在于，具有可控稳压器和/或恒流器的电池测试设备(56)被集成到测试电池站(50)中，用于每个插座(51)，其中，所述电池测试设备(56)被布置在温度室(20)外部的壳体(57)中。
2.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，每个电池测试设备(56)具有可控的电子开关矩阵，利用该电子开关矩阵，稳压器/恒流器的端子能够任意地连接到相对应的测试电池插座(51)的端子。
3.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，每个电池测试设备(56)包括用于控制稳压器/恒流器和/或开关矩阵的数字控制设备。
4.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，所述冷却/加热设备(27)是珀耳帖元件，一个热侧(28)与温度室(20)的内部热连通并且另一个热侧(29)与温度室(20)的外部热连通。
5.根据权利要求4所述的测试电池站，其特征在于，导热地连接到所述珀耳帖元件的相应热侧(28、29)的冷却元件(32、35)被设置在温度室(20)的内部和/或外部。
6.根据权利要求5所述的测试电池站，其特征在于，分配给相应冷却元件的风扇(33、37)被设置在温度室(20)的内部和/或外部中。
7.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，设置有用于控制冷却/加热设备(27)的至少一个温度传感器(12)和至少一个恒温器(13)。
8.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，用于打开或关闭温度室(20)中的壳体开口的热绝缘可调节翻板阀(23)附接到壳体(57)。
9.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，所述至少一个插座(51)布置在滑动元件中，所述滑动元件能够从所述壳体中拉出并再次插入，并且具有热绝缘的前壁。
10.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，壳体(57)中设置有连接到电连接装置(54)的电路板(26)。
11.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，所述电连接装置(54)延伸穿过壳体(57)中的分隔壁(22)。
12.根据权利要求1所述的测试电池站，其特征在于，电连接装置(54)是弹簧触针。
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