DE102011088723A1

DE102011088723A1 - Prüfverfahren für ein Batteriezellengehäuse und dazugehörige Prüfanordnung

Info

Publication number: DE102011088723A1
Application number: DE102011088723A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Duernegger
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013087346A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermografisches Prüfverfahren für Batteriezellengehäuse (20), die einen metallischen Grundkörper und einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Isolationslack aufweisen, sowie eine dazugehörige Prüfanordnung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass (i) das Batteriezellengehäuse (20) mit mindestens einer thermischen Anregungsquelle (16) bestrahlt wird; (ii) die vom bestrahlten Batteriezellengehäuse (20) abgegebene Wärmestrahlung mittels mindestens einer Wärmebildkamera (18) gemessen wird; und (iii) die gemessene Wärmestrahlung mit hinterlegten Werten für die unter gleichen Bedingungen abgegebene Wärmestrahlung eines genormten Batteriezellengehäuses verglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermografisches Prüfverfahren für Batteriezellengehäuse, die einen metallischen Grundkörper und einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Isolationslack aufweisen, sowie eine dazugehörige Prüfanordnung.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit zumindest teilweisem elektrischen Antrieb kommen elektrische Energiespeicher zum Einsatz, um die elektrische Energie für den Elektromotor, welcher den Antrieb unterstützt beziehungsweise als Antrieb dient, zu speichern. In den Fahrzeugen der neuesten Generation finden hierbei sogenannte Lithium-Ionen-Batterien Verwendung. Diese zeichnen sich unter anderem durch hohe Energiedichten und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen besitzen mindestens eine positive und eine negative Elektrode (Kathode bzw. Anode), die Lithium-Ionen (Li+) reversibel ein-(Interkalation) oder wieder auslagern (Deinterkalation) können.
1 zeigt, wie einzelne Batteriezellen 10 zu Batteriemodulen 12 und dann zu Batterien 14 zusammengefasst werden können. Dies erfolgt durch eine nicht dargestellte Parallel- oder Reihenschaltung der Pole. Dabei besteht per Definition ein Batteriemodul 12 beziehungsweise eine Batterie 14 aus mindestens zwei Batteriezellen 10.
2 zeigt verschiedene Gehäuse- und Verpackungstypen für Lithium-Ionen-Zellen, hier exemplarisch eine zylindrische Hardcasezelle 40, eine sogenannte Pouch-Zelle 50 und eine prismatische Hardcasezelle 60. Die beiden Ausführungsformen mit Hardcasegehäusen weisen dabei jeweils einen metallischen Grundkörper auf, der zu Zwecken der Isolation mit einer Folie, einem Lack oder dergleichen aus einem elektrisch nicht leitenden Material bedeckt ist. Rein metallische Batteriezellengehäuse, insbesondere für Lithium-Ionen-Zellen, bei denen ein Potenzial auf dem Gehäuse liegt, müssen also demnach außen elektrisch isoliert werden, wenn sie zu Hochvoltbatterien konfektioniert werden. Zur elektrischen Isolierung der Zellen werden insbesondere spezielle Isolationslacke eingesetzt. Bekannt ist auch der Einsatz von elektrisch isolierenden Klebebändern (zum Beispiel Polyester-basiert mit Acrylat-Kleber), Schrumpfschläuchen und Vergussmassen. Zu geringe Schichtdicken, inhomogene Verteilung oder lokale Beschädigungen an der Isolationsschicht können Kurzschlüsse verursachen. Im Falle von Isolationslacken können insbesondere auch nicht ausgehärtete, flächige oder lokal begrenzte Bereiche Kurzschlüsse verursachen oder zur Beschädigung am Isolationssystem führen.
Gegenwärtig werden zerstörende Methoden zur Prüfung des elektrischen Isolationslacks angewandt. Es können dabei Beschädigungen am Isolationssystem auftreten, die durch die Kontaktierung (bei elektrischen Prüfverfahren: Aufsatz plattenförmiger Elektroden) oder das Prüfverfahren selbst (bei elektrischen Prüfverfahren: hohe Prüfspannung im Bereich bis 4 kV; bei Härtemessung durch Penetration eines Prüfkörpers: Beschädigung des Isolationslacks) motiviert sind. Eine Aussage über die Homogenität der Isolationsschicht beziehungsweise über vorhandene Fehlstellen im Isolationssystem (zum Beispiel durch Partikel in Isolationsschichtlacken) kann nicht getroffen werden. Erschwerend kommt hinzu, dass für eine integrale Bauteilprüfung die gesamte Bauteiloberfläche durch eine „einhüllende“ Elektrode umschlossen werden muss. Hierzu eignen sich prinzipiell Flüssigkeiten, jedoch können Flüssigkeitsrückstände auf den zu prüfenden Isolationssystemen verbleiben, die eine Schädigung im Gebrauch der Bauteile bedingen können. Eine zerstörungsfreie, integrale Beurteilung des Trocknungsgrades auf dreidimensionalen Bauteilen im Falle von lackbasierten Isolationssystemen ist gegenwärtig nicht bekannt.
US 6,462,551 D1 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung der Polanschlüsse in einer Batterie, die aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Batteriezellen besteht. Dazu wird während eines Testentladungsvorgangs eine sich im Bereich der Anschlussstellen ergebende Wärmeentwicklung mit Hilfe einer Wärmebildkamera erfasst. An fehlerhaften Anschlussstellen ist dabei in der Regel die Wärmeentwicklung größer als bei korrekter Verschaltung.
Offenbarung der Erfindung
Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen thermografischen Prüfverfahrens für Batteriezellengehäuse, die einen metallischen Grundkörper und einen auf den Grundkörper aufgebrachten Isolationslack aufweisen, gelöst oder zumindest gemindert. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass

(i) das Batteriezellengehäuse mit mindestens einer thermischen Anregungsquelle bestrahlt wird;
(ii) die vom bestrahlten Batteriezellengehäuse abgegebene Wärmestrahlung mittels mindestens einer Wärmebildkamera gemessen wird; und
(iii) die gemessene Wärmestrahlung mit hinterlegten Werten für die unter gleichen Bedingungen abgegebene Wärmestrahlung eines genormten Batteriezellengehäuses verglichen wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Bereitstellung einer dazugehörigen Prüfanordnung zur Durchführung des vorgenannten thermografischen Prüfverfahrens. Die Prüfanordnung umfasst:

(a) eine Halterung für ein Batteriezellengehäuse;
(b) mindestens eine thermische Anregungsquelle zur Bestrahlung des Batteriezellengehäuses;
(c) mindestens eine Wärmebildkamera zur Messung der vom bestrahlten Batteriezellengehäuse abgegebenen Wärmestrahlung; und
(d) eine Auswertungseinrichtung zum Vergleich der gemessenen Wärmestrahlung mit hinterlegten Werten für die unter gleichen Bedingungen abgegebene Wärmestrahlung eines genormten Batteriezellengehäuses.

Das Verfahren, mittels einer Wärmebildkamera Bilder zu erzeugen, nennt man Thermografie. Bei der Thermografie werden Temperaturverteilungen auf Flächen und Gegenständen erfasst und dargestellt. Die Thermografie ist ein berührungsloses Messverfahren. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine zerstörungsfreie, integrale Oberflächenbeurteilung von Isolationssystemen von Batteriezellengehäusen durch Thermografie in besonders effektiver und für die Massenfertigung geeigneter Weise durchführbar ist.
Bei der Thermografie wandelt eine Wärmebildkamera die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (mittleres Infrarot) eines Objektes mit Hilfe von speziellen Sensoren in elektrische Signale um, die dann anschließend durch eine Auswertungseinrichtung (zum Beispiel mittels einer auf einem Computer installierten Software) verarbeitet werden können. Die Wärmebildkamera (auch als Thermografie-Kamera bezeichnet) ist demnach ein bildgebendes Gerät ähnlich einer herkömmlichen Kamera, das jedoch Infrarotstrahlung empfängt. Die normale Atmosphäre ist im mittleren Infrarotbereich aufgrund ihrer Zusammensetzung weitgehend transparent, die Strahlung der Sonne sowie künstliche Lichtquellen stören demnach nicht.
Die Thermografie wird für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung von Materialien und Bauteilen eingesetzt. In der Regel wird das Prüfteil mittels einer Anregungsquelle gezielt erwärmt, so dass verborgene Defekte durch unterschiedliches thermisches Verhalten messbar werden. Zu den bekannten Methoden der Thermografie zählen Puls-Thermografie, Lockin-Thermografie und thermoelastische Spannungsanalyse. Zur Durchführung dieser Methoden werden besonders schnelle und hochauflösende Infrarotkameras benötigt.
Somit kann vorliegend eine Gefährdung durch fehlerhafte Isolationssysteme, die zum Beispiel eine zu geringe Schichtdicke des Lackes aufweisen, Inhomogenitäten oder Fehlstellen zeigen oder deren Aushärtung/Austrocknung noch nicht vollständig vollzogen ist, vermieden werden. Kern der Erfindung ist demnach die Beurteilung des Wärmeableitverfahrens am Isolationssystem. Funktionsfähige Isolationssysteme zeichnen sich durch eine homogene Wärmeableitung aus, die mit Hilfe einer Wärmebildkamera visualisiert und ausgewertet werden kann. Hierdurch kann ein Referenzsystem für die Wärmeableitung als Referenzprofil für die Durchführung des Prüfverfahrens definiert werden. Fehlstellen, inhomogene Bereiche etc. zeigen ein hiervon abweichendes thermografisches Profil und können dadurch detektiert und beurteilt werden. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorgehensweise eine integrale Beurteilung flächiger, dreidimensional orientierter Isolationssysteme, stellt eine zerstörungsfreie Prüfmethode für Fehlstellen, Schichtdicken sowie Inhomogenitäten dar, erlaubt eine zerstörungsfreie Identifikation von Bereichen mit fehlerhaftem Trocknungsgrad/Aushärtung bei lackbasierten Isolationssystemen und erhöht die Produktzuverlässigkeit, insbesondere die Sicherheit gegenüber Kurzschlüssen. Die Idee des Prüfverfahrens basiert demnach darauf, dass zeitlich begrenzt thermische Energie in das Batteriezellengehäuse mit aufgebrachtem Isolationssystem eingetragen wird und danach die Wärmeableitung mit Hilfe einer Wärmebildkamera erfasst und nachgeordnet ausgewertet wird.
Zur Durchführung des Verfahrens umfasst die erfindungsgemäße Prüfanordnung eine Aufnahme/Halterung, an der das Batteriezellengehäuse beziehungsweise gegebenenfalls auch die fertige Batteriezelle fixiert wird. Die Halterung kann insbesondere derart ausgelegt sein, dass sie eine Bewegung des Batteriezellengehäuses um mindestens zwei Achsen zulässt, so dass für die dreidimensionale Erfassung des Wärmebildes nur eine einzige Wärmebildkamera notwendig ist. Alternativ kann eine Mehrfachanordnung von Wärmebildkameras die in der Regel gewünschte vollständige Erfassung des Isolationssystems mittels der Prüfanordnung ermöglichen.
Die Prüfanordnung umfasst ferner eine oder mehrere thermische Anregungsquellen, mit denen ein definierter Wärmeeintrag in das Batteriegehäuse möglich ist. Die Wärme wird in Form von Lichtstrahlung oder Wärmestrahlung eingebracht. Eine solche Anregungsquelle kann beispielsweise ein IR-Strahler sein.
Nach dem Bestrahlen des Batteriezellengehäuses wird zu einem vorgegebenen Zeitpunkt ein Wärmebild mittels der Wärmebildkamera erfasst. Die von der Wärmebildkamera bereitgestellten Messdaten werden anschließend ausgewertet, indem sie mit dem hinterlegten Referenzprofil verglichen werden. Die dazu genutzte Auswertungseinrichtung kann ein in üblicher Weise konfiguriertes elektronisches Datenverarbeitungssystem sein. Neben den von der Wärmebildkamera gelieferten Daten können zusätzliche Daten, die den Betriebszustand der thermischen Anregungsquellen charakterisieren, mit berücksichtigt werden, so zum Beispiel um den Zeitpunkt oder ein Zeitfenster zum Vergleich mit den hinterlegten Referenzwerten genauer einzugrenzen oder den Betriebszustand der Anregungsquellen zu steuern.
Vorzugsweise ist das Batteriezellengehäuse ein Teil einer Batterie mit einer Lithium-Ionen-Zelle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und können der Beschreibung entnommen werden.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Batteriezelle, ein Modul und eine Batterie;
2 verschiedene Gehäuse und Verpackungstypen von Lithium-Ionen Zellen; und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
Auf die 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
Die 3 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung für das erfindungsgemäße thermografische Prüfverfahren. Die Prüfanordnung umfasst vorliegend zwei thermische Anregungsquellen 16, eine Wärmebildkamera 18 und eine Auswertungseinrichtung 22. Auf einer hier nicht näher dargestellten Halterung ist ein Batteriezellengehäuse 20 um zwei Achsen drehbar montiert. Das Batteriezellengehäuse 20 besitzt einen metallischen Grundkörper, auf dessen Oberfläche ein Isolationslack aufgetragen ist.
Zu Beginn des Prüfverfahrens wird mit Hilfe der thermischen Anregungsquellen 16 das Batteriezellengehäuse 20 für einen vorgebbaren Zeitraum bestrahlt, um eine definierte Wärmemenge einzutragen. Der Bestrahlungsvorgang kann ebenfalls über die Auswerteeinrichtung 22 gesteuert werden.
Nach Ende der Bestrahlung wird mit Hilfe der Wärmebildkamera 18 für einen vorgegebenen Zeitraum oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt die Wärmeabstrahlung des aufgeheizten Batteriezellengehäuses 20 erfasst. Die entsprechenden Daten werden an die Auswertungseinheit 22 weitergegeben.
In der Auswertungseinrichtung 22 sind Referenzwerte der Wärmeabstrahlung für ein vollständig funktionstüchtiges Isolationssystem eines Batteriezellengehäuses 20 (hier auch als genormtes Batteriezellengehäuse bezeichnet) hinterlegt. Wenn die Abweichung der gemessenen Wärmestrahlung deutlich abweicht, also beispielsweise einen vorgebbaren Schwellenwert für die maximal tolerierbare Abweichung überschreitet, erzeugt die Auswertungseinrichtung 22 ein entsprechendes Fehlersignal. Das Batteriezellengehäuse 20 kann gegebenenfalls aussortiert oder nachbehandelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6462551 D1 [0006]

Claims

Thermografisches Prüfverfahren für Batteriezellengehäuse (20), die einen metallischen Grundkörper und einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Isolationslack aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass (i) das Batteriezellengehäuse (20) mit mindestens einer thermischen Anregungsquelle (16) bestrahlt wird; (ii) die vom bestrahlten Batteriezellengehäuse (20) abgegebene Wärmestrahlung mittels mindestens einer Wärmebildkamera (18) gemessen wird; und (iii) die gemessene Wärmestrahlung mit hinterlegten Werten für die unter gleichen Bedingungen abgegebene Wärmestrahlung eines genormten Batteriezellengehäuses verglichen wird.
Prüfanordnung zur Durchführung eines thermografischen Prüfverfahrens für Batteriezellengehäuse (20), die einen metallischen Grundkörper und einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Isolationslack aufweisen, wobei die Prüfanordnung umfasst: (a) eine Halterung für ein Batteriezellengehäuse (20); (b) mindestens eine thermische Anregungsquelle (16) zur Bestrahlung des Batteriezellengehäuses (20); (c) mindestens eine Wärmebildkamera (18) zur Messung der vom bestrahlten Batteriezellengehäuse (20) abgegebenen Wärmestrahlung; und (d) eine Auswertungseinrichtung (22) zum Vergleich der gemessenen Wärmestrahlung mit hinterlegten Werten für die unter gleichen Bedingungen abgegebene Wärmestrahlung eines genormten Batteriezellengehäuses.
Prüfanordnung nach Anspruch 2, bei der die Halterung ausgelegt ist, eine Bewegung des Batteriezellengehäuses (20) um mindestens zwei Achsen auszuführen.
Prüfanordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der das Batteriezellengehäuse (20) Teil einer Batterie mit einer Lithium-Ionen-Zelle ist.