CN110943190A - 用于蓄能元件的预紧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），包括支承板（2）、基板（3），其中支承板（2）和基板（3）彼此间隔，蓄能元件（6）能布置在支承板（2）和基板（3）之间，支承板（2）在其面朝基板的侧面上包括弹性膜片（4），由弹性膜片（4）和支承板（2）形成了压力密封的体积（5），其中弹性膜片（4）能全面地定位在蓄能元件（6）上，支承板（2）包括至少一个位移测量传感器（8），其中该位移测量传感器（8）压力密封地在压力密封的体积（5）中集成到支承板（2）中且设置用于测量在弹性膜片（4）和位移测量传感器（8）之间的间距。本发明还涉及将预紧力施加到蓄能元件（6）上和测量蓄能元件（6）的鼓包行为的方法。
Description
技术领域
本发明涉及用于蓄能元件的预紧装置和用于施加预紧力到蓄能元件上和用于测量蓄能元件的鼓包行为（Schwellverhalten）的方法。
背景技术
在锂离子电池充电和放电时，始终发生锂离子在电池单格的层结构内的迁移运动。离子例如离开阳极并且朝着阴极运动。由于阳极和阴极的不对称的空间的结构，离子移位始终导致了在所参与的层中的不同大小的厚度变化。这些变化在宏观上能被觉察为是电池单格的周期性的鼓包。鼓包还取决于所使用的单格化学情况（Zellchemie）、单格的充电状态和经历的充电和放电循环的数量。单格的鼓包对电池模块和电池组的结构有重大影响，因为鼓包在刚性的安装中造成了明显的反作用力。
电池单格的鼓包也是层结构的机械的负荷，所述机械的负荷例如可能导致脱层、层中的裂缝或变差的离子导电性。单格的鼓包（Schwellung）通常是多变的并且导致了最初平整的面的空间的变形。厚度增加在此伴随着横向收缩。厚度增加可以用多个测量装置检测。在充电和放电（所谓的循环使用，Zyklieren）期间连续地测量电池单格的周期性的鼓包也可以用作用于监控电池状态的无损的办法。
在层结构中的伴随着离子导电性降低的上述损伤经常通过施加预紧力到单格上得到补偿。这例如通过弹簧预紧的板完成。
由DE 10 2016 201726 A1已知一种特别是用于机动车的电池系统，该电池系统包括至少一个用于储存电能的电池模块、至少一个用于冷却至少一个电池模块的扁平的冷却体和至少一个用于沿通往电池模块的预紧方向驱动冷却体的预紧装置，其中，所述预紧装置具有至少一个用于保持至少一个这样的冷却体的保持板以及至少一个用于沿预紧方向驱动保持板的弹簧元件。
由DE 10 2014 212113 A1已知用于具有至少一个布置在模块壳体内的电池单格的电池模块的张紧单元，其特征在于，该张紧单元包括至少一个能布置在模块壳体和至少一个电池单格之间的、用于张紧至少一个电池单格的张紧器件，其中，张紧器件为了改变张力而具有与温度相关的几何形状。
由DE 10 2016 115828 A已知用于燃料电池单格或电池的单格装置，带有堆垛式壳体和处在该堆垛式壳体内的有多个单个单格的单格堆垛，其特征在于，电池单格装置在内部在堆垛式壳体中具有唯一体积可变的预紧装置，为此，预紧装置包括至少一个充气的空穴，并且根据在单格装置中的温度能通过在该空穴中的气体引起预紧装置的基本上不可逆的或可逆的体积变化。借助预紧装置可以由气体的流体压力将与温度无关的或与温度相关的机械的预应力带入到单格堆垛中。预紧装置优选包括模塑材料，其内包含了多个充气的空穴。
由DE 10 2012 018091 A1已知由电池单个单格的堆垛构成的电池，所述电池单个单格基本上构造成棱柱形并且堆叠成堆垛。该发明的特征在于，在堆垛中的电池单格之间分别布置着空气腔室膜。
发明内容
按照本发明，建议了一种用于蓄能元件的预紧装置，该预紧装置包括：支承板、基板，其中，支承板和基板彼此间隔，其中，蓄能元件能布置在支承板和基板之间，支承板在其面朝基板的侧面上包括弹性膜片，其中，通过该弹性膜片和支承板形成了一个压力密封的体积，其中，弹性膜片能全面地定位在蓄能元件上，其中，支承板包括至少一个位移测量传感器，其中，该位移测量传感器压力密封地在压力密封的体积的区域中集成在支承板中并且被设置用于测量在弹性膜片和位移测量传感器之间的间距。本发明为了施加预紧力到蓄能元件上而利用了覆盖该蓄能元件的完整的表面的弹性膜片。该弹性膜片的指向支承板的侧面与支承板一起形成了一个压力密封的体积。弹性膜片通过所述压力密封的体积用压缩空气进行加载。所述压缩空气通过弹性膜片直接产生了在蓄能元件中期望的预紧力。这样的优点是，不必使用经预紧的压力弹簧、张紧板或螺纹杆。由此消除了基于例如弹簧公差的力波动。通过按本发明的预紧装置可以将预紧力精确地施加到蓄能元件上。在此，基于柔性的膜片减小了通过预紧力对蓄能元件的鼓包行为的影响。此外，通过按本发明的预紧装置实现了同时对蓄能元件的鼓包的测量。
在一种特别优选的实施方式中，至少一个位移测量传感器是电容式位移测量传感器或电感式位移测量传感器。该位移测量传感器在此可以设置用于产生间距信号，所述间距信号代表了在位移测量传感器和弹性膜片之间的间距。多个位移测量传感器优选也分布在压力加载的表面上。位移测量传感器无接触地以亚微米范围内的精度提供膜片与传感器的间距。在此连续地检测电池单格在循环使用时的桶形的拱曲。鼓包幅度的变化、但还有最大厚度和最小厚度的缓慢的变化，在逐步的单格老化情况下提供了关于在单格中发生的机械变形的有价值的信息。
在一种优选的实施方式中，所述至少一个位移测量传感器这样设置，以便用来测量在支承板和蓄能元件之间的取向。若支承板套放在基板上，那么就不再能准确地确定蓄能元件的位置。但若蓄能元件方便地用膜片预紧，那么可以以如下方式评估蓄能元件相对支承板的取向，即，测量在位移测量传感器和膜片之间的间距。若设有多个分布布置在膜片的整个面上的位移测量传感器，那么可以准确地确定蓄能元件相对支承板的取向。
在另一种优选的实施方式中，在支承板和基板之间布置着至少一个间隔件，其中，该间隔件设置用于将支承板和基板连接起来。通过匹配的间隔件可以将支承板用弹性膜片和集成的位移测量传感器例如传力配合地与基板这样连接起来，使得弹性膜片在循环使用开始时就处于未变形的状态中。传感器的间距信号在此可以用于支承板的精确的取向。在一种有利的设计方案中设有多个间隔件，其中，所述间隔件围绕蓄能元件分布布置。
在一种优选的实施方式中，所述间隔件是能调整高度的。通过间隔件的高度可调整性能使预紧装置快速地与不同的蓄能元件的厚度相匹配。在此有利的是，间隔件尤其是能无级地调整高度的。若在一种有利的设计方案中设有多个间隔件，那么可以通过间隔件的无级的高度可调整性平衡蓄能元件的公差并且使膜片平行于蓄能元件取向。由此即使在单格厚度波动时也能精校准所述膜片。在此特别有利的是，在支承板和基板之间的间距最小也能调整得小于蓄能元件的厚度。膜片由此也能在没有借助压缩空气加载的情况下在蓄能元件上预紧并且因此最优地与蓄能元件匹配。
特别优选的是，弹性膜片是金属膜片。金属膜片由于其高度的柔性而极为良好地与蓄能元件的表面的可能的不平整性相匹配。伴随可能的局部过载不施加如刚性的压力板产生的那样的点状的力。在循环使用时出现的鼓包可以不受干扰地在其三维表面形状中构造。金属膜片足够弹性并且跟随蓄能元件的运动的表面。
在一种优选的实施方式中，压力密封的体积通过压力管路与压力调节器连接。通过蓄能元件的鼓包而被挤压的压缩空气在电池单格的厚度增加时被从压力调节器导出并且在厚度减少时相应地再次输入。周期性地流入和流出的压缩空气的量可以作为针对蓄能元件表面的总体运动的精准的衡量尺度而随同测量。
在另一种优选的实施方式中，预紧装置包括压力测量仪，其中，该压力测量仪设计用于测量压力密封的体积内的压力。压力测量仪也可以例如是压力调节器的一部分。
在一种优选的实施方式中，预紧装置包括用于控制由预紧装置施加的预应力的控制单元。该控制单元可以例如处理压力测量和间距测量的数据并且相应地在蓄能元件循环使用期间控制所述预应力。
本发明还涉及一种借助按照前述权利要求中任一项所述的、用于蓄能元件的预紧装置用于将预紧力施加到蓄能元件上和用于测量蓄能元件的鼓包行为的方法，有下列步骤：提供用于蓄能元件的预紧装置，循环使用蓄能元件，测量在压力密封的体积中的实际压力，调整在压力密封的体积中的实际压力至额定压力，借助弹性膜片将预紧力施加到蓄能元件上，测量在弹性膜片和位移测量传感器之间的间距，借助在弹性膜片和位移测量传感器之间的间距检测蓄能元件在循环使用蓄能元件期间的机械变形。
附图说明
接下来参考附图借助优选的实施例示例性地阐释本发明。
图中：
图1是用于蓄能元件的预紧装置的一个实施例的示意图，
图2是按本发明的方法的实施方案的简化的示意性的流程图。
具体实施方式
图1是用于蓄能元件6的预紧装置1的示意图。蓄能元件6可以例如是电池模块，该电池模块由单个的电池单格构建。预紧装置1由支承板2和基板3构成，其中，支承板2与基板3间隔。电池模块能布置在支承板2和基板3之间。支承板2在其面朝基板的侧面上具有弹性膜片4。该弹性膜片4和支承板2一起形成了压力密封的体积5，其中，弹性膜片4能全面地定位在电池模块6的单格上。弹性膜片4优选是金属膜片。金属膜片是稳定的并且因此能通过其高度的柔性极为良好地与单格表面的可能的不平整性匹配。金属膜片4足够弹性并且跟随运动的单格表面。伴随可能的局部过载不施加如刚性的压力板产生的那样的点状的力。在电池单格6循环使用时出现的鼓包可以不受干扰地在其三维的表面形状中构造。
在支承板2和基板3之间布置着多个间隔件9。间隔件9一方面用于将支承板2与基板3传力配合地相互连接，另一方面则用于能精确地调整在支承板2和基板3之间的间距。间隔件9尤其无级地高度可调。通过间隔件9的高度可调整性使预紧装置1能快速地与不同的蓄能元件6的厚度相匹配。通过使间隔件9也单独地无级地高度可调，可以平衡蓄能元件6的可能的高度偏差并且使膜片4正好平行于蓄能元件6取向。因此即使在蓄能元件6的电池单格厚度波动时也达到了对膜片的精校准。在此特别有利的是，在支承板2和基板3之间的间距最小也能调整得小于蓄能元件6的厚度。膜片4由此在没有借助压缩空气的加载的情况下也能在蓄能元件6上预紧并且因此最优地与蓄能元件6匹配。
预紧力的精准的调整通过压力调节器11完成，该压力调节器连续地测量压力密封的体积5中的实际压力并且使其与所调整的额定压力均等。由此理想地补偿了几何形状的公差、温度影响和单格表面的运动。通过单格6的鼓包而被挤压的压缩空气在单格的厚度增加时被压力调节器11导出并且在厚度减小时相应地再次输入。周期性地流入和流出的压缩空气的量可以作为针对单格表面的总体运动的精准的衡量尺度而随同测量。鼓包幅度的变化变得透明并且通过其时间曲线允许了良好地推断出在电池单格内的老化或降解效应。压力调节器11可以与预紧装置1在空间上分离地安装并且通过压力管路10与这个预紧装置连接。预紧装置1因此能毫无问题地使用在封闭的并且必要时经调温的腔室中。在经常持续很长时间的循环使用中，外置的压力调节器11能随时与额定压力进行合适地匹配。
金属膜片4在循环使用电池单格期间的运动通过金属膜片4的面朝支承板2的侧面借助位移测量传感器8无接触地检测。位移测量传感器8可以例如是电容式或电感式位移测量传感器8。特别有利的是，在金属膜片4的压力加载的表面上分布着多个位移测量传感器8。所述位移测量传感器8以亚微米范围内的精度提供了膜片4与传感器8的间距。在此也可以规定，连续地检测电池单格6的桶形的拱曲。鼓包幅度的变化、但也还有最大厚度和最小厚度的缓慢的变化，在逐步的单格老化情况下提供了关于在单格6中发生的机械变形的有价值的信息。位移测量传感器8在单格中央的接触条附近的布置或最大可能远离连接触头7的布置也提供了在空间上被分辨的信息。位移测量传感器8以及压力测量的所收集的数据被提供给控制单元，该控制单元然后例如控制电池单格6的循环使用以及借助用压缩空气加载的金属膜片4的预紧力施加。
图2示出了用于施加预紧力到蓄能元件6上并且用于测量蓄能元件6的鼓包行为的按本发明的方法的实施方案的简化的示意性的流程图。
在步骤S1中提供了用于蓄能元件6的预紧装置1，其中，预紧装置1包括支承板2和基板3并且支承板2和基板3彼此间隔。蓄能元件6能布置在支承板2和基板3之间。支承板2在其面朝基板的侧面上包括弹性膜片4，其中，通过该弹性膜片4和支承板2形成了压力密封的体积5，其中，弹性膜片4能全面地定位在蓄能元件6上。支承板2包括至少一个位移测量传感器8，其中，该位移测量传感器8压力密封地在压力密封的体积5的区域内集成到支承板2中并且设置用于测量在弹性膜片4和位移测量传感器8之间的间距。
在步骤S2中，开始了蓄能元件6的循环使用。在此，蓄能元件6被充电和放电，由此可能产生蓄能元件6的单格的周期性的鼓包。
在步骤S3中测量在压力密封的体积5中的实际压力。这可以借助压力测量仪12完成，该压力测量仪例如可能已经集成在压力调节器11中。
在步骤S4中，调整在压力密封的体积5中的实际压力至额定压力。额定压力的调整借助压力调节器11完成，其中，通过压力管路10将气体、例如压缩空气输入或导出到压力密封的体积5中。
在步骤S5中，借助弹性膜片4将预紧力施加到蓄能元件6上。预紧力的精准的调整通过压力调节器11完成，该压力调节器连续地测量实际压力并且使其与所调整的额定压力均等。由此理想地补偿了几何形状公差、温度影响和单格表面的运动。
在步骤S6中测量在弹性膜片4和位移测量传感器8之间的间距。间距的测量在此无接触地例如借助电容式位移测量传感器或电感式位移测量传感器完成。在此有利的是，在金属膜片4的整个表面上分布着多个位移测量传感器8。
在步骤S7中借助在弹性膜片4和位移测量传感器8之间的间距来检测蓄能元件6在循环使用蓄能元件6期间的机械变形。在此可以连续地检测蓄能元件6的单格的桶形的拱曲。鼓包幅度的变化、但还有最大和最小厚度的缓慢的变化，在逐步的单格老化情况下提供了关于在单格中发生的机械变形的有价值的信息。
Claims (10)
1.用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），该预紧装置包括：
支承板（2），
基板（3），其中，所述支承板（2）和所述基板（3）彼此间隔，其中，所述蓄能元件（6）能布置在所述支承板（2）和所述基板（3）之间，
其中，所述支承板（2）在其面朝所述基板的侧面上包括弹性膜片（4），其中，由所述弹性膜片（4）和所述支承板（2）形成了压力密封的体积（5），其中，所述弹性膜片（4）能全面地定位在所述蓄能元件（6）上，
所述支承板（2）包括至少一个位移测量传感器（8），其中，该位移测量传感器（8）压力密封地在所述压力密封的体积（5）的区域中集成到所述支承板（2）中并且设置用于测量在所述弹性膜片（4）和所述位移测量传感器（8）之间的间距。
2.按照权利要求1所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述至少一个位移测量传感器（8）是电容式位移测量传感器或电感式位移测量传感器。
3.按照权利要求2所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述至少一个位移测量传感器（8）被这样设置，以便用于测量在所述支承板（2）和所述蓄能元件（6）之间的取向。
4.按照前述权利要求中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，在所述支承板（2）和所述基板（3）之间布置着至少一个间隔件（9），其中，该间隔件（9）设置用于将所述支承板（2）和所述基板（3）连接起来。
5.按照权利要求4所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述间隔件（9）是高度能调节的。
6.按照前述权利要求中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述弹性膜片（4）是金属膜片。
7.按照前述权利要求中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述压力密封的体积（5）通过压力管路（10）与压力调节器（11）连接。
8.按照前述权利要求中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述预紧装置（1）包括压力测量仪（12），其中，该压力测量仪（12）设计用于测量在所述压力密封的体积（5）内的压力。
9.按照前述权利要求中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），其特征在于，所述预紧装置（1）包括用于控制由所述预紧装置（1）施加的预应力的控制单元。
10.借助按照权利要求1至9中任一项所述的用于蓄能元件（6）的预紧装置（1）用于将预紧力施加到蓄能元件（6）上和用于测量蓄能元件（6）的鼓包行为的方法，有下列步骤：
提供用于蓄能元件（6）的预紧装置（1），
循环使用所述蓄能元件（6），
测量在压力密封的体积（5）中的实际压力，
调整在所述压力密封的体积（5）中的实际压力至额定压力，
借助弹性膜片（4）将预紧力施加到所述蓄能元件（6）上，
测量在所述弹性膜片（4）和位移测量传感器（8）之间的间距，
借助在所述弹性膜片（4）和所述位移测量传感器（8）之间的间距来检测所述蓄能元件（6）在循环使用蓄能元件（6）期间的机械变形。
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