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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation eines Zellbetriebs wenigstens einer Vergleichszelle bei einer Untersuchung wenigstens einer Batterie und/oder wenigstens einer die Batterie nutzenden Vorrichtung.
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Kraftfahrzeuge weisen eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern auf. Insbesondere wenn ein Kraftfahrzeug für einen elektrischen Fahrbetrieb ausgebildet ist, werden als Energiespeicher häufig Hochleistungsbatterien vorgesehen. Im Rahmen der Entwicklung dieser Fahrzeuge und Batterien sind zahlreiche Testvorgänge notwendig. Häufig können diese Testvorgänge bei Verwendung konventioneller Batterien nur schlecht durchgeführt werden, da eine Messung von Temperaturen oder Drücken im Inneren einer Batterie schwer möglich ist und zudem beim Testen von Extremsituationen die Verwendung echter Batterien gefährlich ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 028 862 A1 schlägt vor, zu Testzwecken in einer Batteriezellattrappe anstatt eines Elektrolyten ein Füllmittel zu verwenden, das keinen für den Batteriezelltyp wirksamen Elektrolyten enthält. Damit können zwar Gefahren im Testbetrieb minimiert werden, es ist jedoch keine direkte Druck- oder Temperaturmessung in der Batterie möglich und eine Erwärmung der Batterie oder eine Kraftausübung aufgrund der Arbeit der Zellwickel in der Batterie kann nicht simuliert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Simulation eines Zellbetriebs anzugeben, das eine verbesserte Simulation eines Zellbetriebs ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- Einsetzen wenigstens einer in einem Zellgehäuse angeordneten Zellattrappe in ein Batteriegehäuse der Batterie anstelle der jeweiligen Vergleichszelle, wobei die Masse und/oder die Wärmekapazität der Zellattrappe einer Vergleichsmasse bzw. einer Vergleichswärmekapazität einer Vergleichszelle im Wesentlichen entsprechen, und wobei in oder an einem Zellgehäuse der Zellattrappe mindestens ein Krafterzeugungselement und/oder mindestens ein Heizelement angeordnet sind, Ansteuern des Krafterzeugungselements und/oder des Heizelements zur Simulation des Betriebs der Vergleichszelle, und Erfassen von Messwerten durch wenigstens einen Sensor zur Ermittlung wenigstens eines Betriebsparameters der Batterie und/oder der Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Zellattrappe zu nutzen, deren Masse und/oder Wärmekapazität, und insbesondere auch deren Abmessungen, an eine Vergleichszelle angepasst sind. Die Masse und/oder die Wärmekapazität können vorzugsweise um weniger als 10 %, insbesondere um weniger als 5 % von der Vergleichsmasse bzw. der Vergleichswärmekapazität abweichen. Durch das Vorsehen von Krafterzeugungselementen und/oder Heizelementen kann eine durch die Arbeit eines Zellwickels der Vergleichszelle entstehende Kraft und/oder eine durch den Betrieb der Vergleichszelle erzeugte Heizleistung simuliert werden. Die Zellattrappe kann zudem so ausgebildet sein, dass der Wärmetransport innerhalb der Vergleichszelle simuliert wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit die thermischen Eigenschaften einer Vergleichszelle simuliert und es können durch den Betrieb der Vergleichszelle entstehende Kräfte simuliert werden.
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Das Ansteuern des Krafterzeugungselements und/oder des Heizelements sowie das Erfassen der Messwerte können insbesondere zeitgleich erfolgen, so dass eine Messwerterfassung während der gesamten Ansteuerung oder während eines Zeitabschnitts der Ansteuerung erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, das Krafterzeugungselement und/oder das Heizelement anzusteuern und im Anschluss und/oder nach einem vorgegebenen Zeitraum Messwerte zu erfassen.
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Im Rahmen der Untersuchung der Batterie oder der die Batterie nutzenden Vorrichtung kann die Batterie in die zu untersuchende Vorrichtung oder eine weitere Vorrichtung, in der die Batterie nutzbar ist, eingebaut werden. Eine die Batterie nutzende Vorrichtung kann ein einzelner Verbraucher, aber auch eine Einrichtung mit einer Vielzahl von Verbrauchern, insbesondere ein Kraftfahrzeug, sein. Alternativ können die Batterie und/oder Teile der Vorrichtung untersucht werden, indem die Batterie und insbesondere Teile der Vorrichtung im Rahmen eines „Hardware-In-The-Loop“-Verfahrens untersucht werden, bei dem das gesamte Umfeld der Batterie im Anwendungsfall oder ein Teil des Umfelds der Batterie durch Simulationseinrichtungen simuliert wird.
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Die Vergleichszelle kann eine Zelle der wiederaufladbaren Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Zelle sein. Bei der Batterie kann es sich insbesondere um eine Batterie handeln, die für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Insbesondere kann die Batterie eine Hochleistungsbatterie zur Versorgung eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs sein.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest eine Zelle der Batterie durch eine Zellattrappe ersetzt, die kein elektrochemischer Energiespeicher ist.
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Es kann eine Zellattrappe verwendet werden, die wenigstens ein Anpassungsvolumen umfasst, wobei die Wärmekapazität und/oder die Masse der Zellattrappe vor und/oder während des Erfassens der Messwerte durch Anpassen einer in dem Anpassungsvolumen aufgenommenen Menge wenigstens eines Fluids und/oder eines Mengenverhältnisses wenigstens zweier in dem Anpassungsvolumen aufgenommener Fluide an die Vergleichswärmekapazität und/oder die Vergleichsmasse angepasst wird. Das Anpassungsvolumen kann kanalförmig ausgebildet sein und insbesondere einen Teil einer Zellwickelattrappe bilden, deren geometrische Abmessungen einem Zellwickel der Vergleichszelle entsprechen.
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Als Fluid oder eines der Fluide kann eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, verwendet werden. Es ist auch möglich, dass als Fluid oder wenigstens eines der Fluide ein Gas oder ein Gasgemisch, insbesondere Luft, verwendet wird. Insbesondere ist es möglich, dass ein Anpassungsvolumen teilweise mit wenigstens einer Flüssigkeit und teilweise mit einem Gas bzw. einem Gasgemisch gefüllt ist. Um gleichzeitig eine Wärmekapazität und eine Masse anpassen zu können, können mehrere Flüssigkeiten und/oder Gase verwendet werden. Es ist auch möglich, dass eine Wärmekapazität bzw. eine Masse angepasst wird, indem die Konzentration einer Lösung variiert wird.
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Durch die Nutzung des Anpassungsvolumens ist es möglich, die Masse und/oder die Wärmekapazität der Zellattrappe nahezu beliebig genau an die Vergleichsmasse bzw. die Vergleichswärmekapazität anzupassen. Insbesondere wenn mehrere Anpassungsvolumina genutzt werden, kann auch eine lokale Verteilung der Wärmekapazität bzw. eine spezifische Wärmekapazität in bestimmten Bereichen der Zellattrappe angepasst werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren können die thermischen Eigenschaften der Zellattrappe durch experimentelle Validierung an die thermischen Eigenschaften der Vergleichszelle angepasst werden. Insbesondere können die Wärmekapazität, die spezifische Wärmekapazität in einem oder mehreren Bereichen, die Masse sowie die geometrische Abmessung durch Messungen an der Vergleichszelle und Anpassungen an der Zellattrappe, insbesondere iterativ, an die entsprechenden Vergleichswerte der Vergleichszelle angepasst werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Zellattrappe mit einem internen Aktor und/oder mit wenigstens einem Kopplungselement, mit dem das Anpassungsvolumen an einen externen Fluidkreislauf angekoppelt wird, verwendet werden, wobei ein Wärmetransport innerhalb der Vergleichszelle durch eine Ansteuerung des Aktors und/oder durch eine Fluidbewegung im Fluidkreislauf simuliert wird. Insbesondere kann eine Wärmeleitfähigkeit bzw. eine Temperaturleitfähigkeit der Vergleichszelle simuliert werden. Um eine Fluidbewegung im Fluidkreislauf zu erzeugen, können insbesondere zellattrappenexterne Aktoren, beispielsweise Pumpen, im Fluidkreislauf vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass ein Fluidtransport durch Temperaturunterschiede im Fluidkreislauf angeregt wird.
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Es kann eine Zellattrappe verwendet werden, die zumindest in einigen Abschnitten der Zellattrappe eine vergleichbare Dichte und spezifische Wärmekapazität aufweist wie eine Vergleichsdichte und eine spezifische Vergleichswärmekapazität der Vergleichszelle. In diesem Fall wird durch eine Anpassung der Wärmeleitfähigkeit zugleich die Temperaturleitfähigkeit angepasst. In einigen Fällen kann es jedoch auch gewünscht sein, die Temperaturleitfähigkeit anzupassen und eine abweichende Wärmeleitfähigkeit zuzulassen oder umgekehrt. Eine Anpassung des Wärmetransports innerhalb der Zellattrappe an die Vergleichszelle kann experimentell und insbesondere iterativ erreicht werden.
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Eine Ansteuerung des Aktors zur Fluidbewegung bzw. eine Steuerung der Flussgeschwindigkeit im Fluidkreislauf kann insbesondere in Abhängigkeit wenigstens eines Messwertes mindestens eines Temperatursensors erfolgen. Ergänzend oder alternativ kann die Temperatur des Fluids im Fluidkreislauf, insbesondere in Abhängigkeit von Messwerten des oder eines weiteren Temperatursensors, gesteuert werden.
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Vor dem Einsetzen der Zellattrappe in das Batteriegehäuse kann die Wärmeleitfähigkeit der Zellattrappe und/oder die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit an die Vergleichszelle angepasst werden, indem in dem Zellgehäuse gegenüber einem Innenvolumen des Zellgehäuses abgeschlossene, außenseitige Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen des Zellgehäuses vorgesehen werden. Insbesondere können Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen vorgesehen werden, die in einem Vergleichsgehäuse der Vergleichszelle nicht vorgesehen sind.
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Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen des Zellgehäuses beeinflussen einerseits die Wärmekapazität der Zellattrappe, da sie die Materialmenge der Zellattrappe ändern. Andererseits wird lokal die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst und insbesondere eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit erzeugt.
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Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen des Zellgehäuses entsprechen einem Ersetzen des Materials des Zellgehäuses in diesem Bereich durch ein Gas, insbesondere Luft. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit über die Ausnehmung bzw. Durchbrechung hinweg stark beeinflusst und es wird insbesondere eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit erzeugt. Alternativ oder ergänzend können in der Zellattrappe, insbesondere an dem Gehäuse der Zellattrappe, Elemente aus einem stark wärmeleitenden Material, insbesondere einem Metall, vorgesehen werden, um ebenfalls eine Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit anzupassen.
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Als Zellattrappe kann eine Zellattrappe verwendet werden, die wenigstens eine Zellwickelattrappe, die die Geometrie und/oder die Wärmekapazität und/oder die Masse des Zellwickels der Vergleichszelle nachbildet, und/oder wenigstens eine Elektrodenattrappe, die die Geometrie und/oder Wärmekapazität und/oder die Masse einer Elektrode der Vergleichszelle nachbildet, umfasst. Die Zellwickelattrappe bzw. die Elektrodenattrappe können insbesondere keine Elektroden- bzw. Zellwickelfunktionen aufweisen.
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Als die Zellattrappe kann eine Zellattrappe verwendet werden, die wenigstens einen Temperatursensor und/oder wenigstens einen Kraftsensor und/oder wenigstens einen Drucksensor umfasst, wobei der Temperatursensor und/oder der Kraftsensor und/oder der Drucksensor bei der Erfassung der Messwerte als der Sensor oder als wenigstens einer der Sensoren verwendet wird. Als Messwerte können somit insbesondere Drücke, Kräfte und/oder Temperaturen innerhalb der Zellattrappe erfasst werden. Da die Zellattrappe in dem erfindungsgemäßen Verfahren die thermischen Eigenschaften einer Vergleichszelle nachbilden kann, entsprechen die entsprechenden Messwerte näherungsweise solchen Temperaturen, Drücken und/oder Kräften, die in der Vergleichszelle bei den simulierten Betriebsbedingungen auftreten würden.
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Insbesondere können bei der Erfassung der Messwerte durch wenigstens zwei Temperatursensoren und/oder durch wenigstens zwei Kraftsensoren und/oder durch wenigstens zwei Drucksensoren Temperaturen und/oder Kräfte und/oder Drücke in beabstandeten und/oder benachbarten Bereichen der Zellattrappe erfasst werden. Insbesondere können zwei bis vier Temperatur- und/oder Kraft- und/oder Drucksensoren jeweils an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der Zellattrappe vorgesehen sein. Die Temperatur- und/oder Kraft- und/oder Drucksensoren können in oder an dem Zellgehäuse der Zellattrappe angeordnet sein.
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Als Zellattrappe kann insbesondere eine Zellattrappe mit mehreren Krafterzeugungselementen und/oder mehreren Heizelementen verwendet werden, die zur Beheizung und/oder zur Krafterzeugung in beabstandeten und/oder benachbarten Bereichen der Zellattrappe angesteuert werden. Insbesondere ist es möglich, die Heizelemente gezielt zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in dem Zellgehäuse bzw. an der Oberfläche des Zellgehäuses anzusteuern.
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Werden sowohl mehrere Kraft- und/oder Temperatur- und/oder Drucksensoren als auch mehrere Heizelemente und/oder Krafterzeugungselemente vorgesehen, ist es möglich, dass eine Mess- und Regeltechnik zur lokal variierten Simulation von Kräften, Drücken und Temperaturen innerhalb der Zellattrappe vorgesehen wird. Steuer- bzw. Regeleinrichtungen hierfür können innerhalb der Zellattrappe und/oder außerhalb vorgesehen sein.
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Als Zellattrappe kann eine Zellattrappe mit einer Steuereinrichtung verwendet werden, durch die zumindest eine durch eines der Krafterzeugungselemente erzeugte Kraft und/oder wenigstens eine durch eines der Heizelemente abgegebene Heizleistung gesteuert wird und/oder durch die Messwerte von zumindest einem Sensor erfasst werden. Die Sensoren oder die Teile der Sensoren, deren Messwerte durch die Steuerungseinrichtung erfasst werden, können insbesondere in oder an dem Zellgehäuse angeordnete Sensoren, beispielsweise die oben beschriebenen Temperatur-, Kraft- und/oder Drucksensoren sein.
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Die Steuereinrichtung kann in dem Zellgehäuse angeordnet sein. Durch Nutzung einer Steuereinrichtung innerhalb des Zellgehäuses der Zellattrappe kann eine Messwerterfassung mit mehreren Sensoren und/oder eine Steuerung von mehreren Heiz- und/oder Krafterzeugungselementen erfolgen, ohne dass eine aufwendige externe Verkabelung der Zellattrappe erforderlich ist.
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Insbesondere kann die Steuereinrichtung über Anschlüsse an dem Zellgehäuse bestromt werden und/oder durch die Steuereinrichtung kann mit wenigstens einer zellattrappenexternen Einrichtung über die oder weitere Anschlüsse an dem Zellgehäuse kommuniziert werden. Vorteilhaft können die Anschlüsse im Bereich der Pole der Vergleichszelle angeordnet sein. Eine Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und externen Einrichtungen ist insbesondere über einen Bus, beispielsweise über einen CAN-Bus oder über einen Modbus, möglich.
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Die Bestromung der weiteren Komponenten kann durch die Steuereinrichtung oder gemeinsam mit der Steuereinrichtung über die Anschlüsse an dem Zellgehäuse erfolgen.
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Als Krafterzeugungselement kann insbesondere ein Piezoelement verwendet werden. Alternativ kann ein Federelement, ein hydraulischer Hubzylinder oder ein elektrischer Aktor vorgesehen werden. Die Kraft, die durch das Krafterzeugungselement ausgeübt wird, kann insbesondere einstellbar sein. Hierzu kann das Krafterzeugungselement über eine externe Steuereinrichtung oder die oben beschriebene zellattrappeninterne Steuerungseinrichtung angesteuert werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, schnelle Temperaturwechsel zu simulieren und/oder eine Zellattrappe nach einem Simulationsdurchlauf schnell wieder auf niedrige Temperaturen zu kühlen. Daher ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine in oder an dem Zellgehäuse angeordnete Kühleinrichtung zur Kühlung der Zellattrappe verwendet wird. Die Kühleinrichtung kann insbesondere durch eine in der zur Attrappe angeordnete Steuereinrichtung oder eine weitere Steuereinrichtung gesteuert werden.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Zellattrappe, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Zellattrappe kann zusätzlich eines oder mehrere der Merkmale aufweisen, die mit Bezug auf die im erfindungsgemäßen Verfahren nutzbaren Zellattrappen erläutert wurden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen schematisch:
- 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 ein Batteriegehäuse, das eine erfindungsgemäße Zellattrappe umfasst,
- 3 verschiedene Detailansichten der in 2 gezeigten erfinbis 6 dungsgemäßen Zellattrappe, und
- 7 ein Zellgehäuse eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zellattrappe.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Simulation eines Zellbetriebs wenigstens einer Vergleichszelle bei einer Untersuchung wenigstens einer Batterie. Bei einer Untersuchung einer die Batterie nutzenden Vorrichtung wird analog vorgegangen, wobei zusätzlich Messwerte von Sensoren, die an weiteren Komponenten der Vorrichtung angeordnet sind, erfasst und ausgewertet werden.
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In Schritt S1 wird eine Zellattrappe bereitgestellt, die eine Zellwickelattrappe, die eine Geometrie, eine Wärmekapazität und eine Masse eines Zellwickels einer Vergleichszelle im Wesentlichen nachbildet, und eine Elektrodenattrappe, die eine Geometrie, eine Wärmekapazität und eine Masse einer Elektrode der Vergleichszelle im Wesentlichen nachbildet, umfasst. Zudem umfasst die Zellattrappe mehrere Krafterzeugungselemente und Heizelemente. Um die Masse und Wärmekapazität der Zellattrappe sowie die Wärmetransporteigenschaften der Zellattrappe weiter an die Vergleichsmasse bzw. Vergleichswärmekapazität der Vergleichszelle anzupassen und Abweichungen hinsichtlich Masse und Wärmekapazität der Zellwickelattrappe bzw. der Elektrodenattrappe auszugleichen sowie um die Gewichte und Wärmekapazitäten der Krafterzeugungselemente und Heizelemente zu kompensieren, umfasst die Zellattrappe ein Anpassungsvolumen, in das Fluide eingebracht werden können.
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Durch die Zellattrappe wird im Rahmen des Verfahrens das Verhalten einer Vergleichszelle simuliert. Um eine derartige Simulation zu ermöglichen, werden in Schritt S2 experimentell die Masse sowie die Wärmekapazität der Vergleichszelle ermittelt. Zusätzlich werden Messungen zum Wärmetransport durch die Vergleichszelle angestellt, um Daten zur Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit der Vergleichszelle sowie eine unter Umständen vorhandene Anisotropie dieser Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit zu ermitteln.
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In Schritt S3 werden die zu Schritt S2 beschriebenen Messungen für die in Schritt S1 bereitgestellte Zellattrappe durchgeführt, um eine anfängliche Abweichung der Masse bzw. der Wärmekapazität der Zellattrappe von der Vergleichsmasse bzw. der Vergleichswärmekapazität der Zellattrappe zu ermitteln. Zudem werden in Schritt S3 Unterschiede zwischen den Wärmeleitfähigkeiten der Zellattrappe und der Vergleichszelle ermittelt.
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In Schritt S4 erfolgt eine Korrektur der Wärmeleitfähigkeit, indem, soweit die Messungen im Schritt S3 eine entsprechende Notwendigkeit zeigen, in das Zellgehäuse der Zellattrappe gegenüber einem Innenvolumen des Zellgehäuses abgeschlossene, außenseitige Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen des Zellgehäuses eingebracht werden, die in dem Vergleichsgehäuse der Vergleichszelle nicht vorgesehen sind. Durch entsprechende Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen wird die Wärmeleitfähigkeit der Zellattrappe in den entsprechenden Bereichen reduziert, da die umgebende Luft schlechter wärmeleitfähig ist als das Zellgehäuse. Durch eine entsprechende Formgebung der Ausnehmungen bzw. Durchbrechungen kann eine Anisotropie des Wärmetransportes innerhalb der Zellattrappe bzw. entlang der Oberfläche der Zellattrappe an die Vergleichszelle angepasst werden.
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In Schritt S5 wird die Befüllung des Anpassungsvolumens durch Fluide angepasst, um die Wärmekapazität und die Masse der Zellattrappe an die Vergleichswärmekapazität und die Vergleichsmasse anzupassen. Als Fluide werden Wasser und Luft verwendet. Zunächst ist das Anpassungsvolumen ausschließlich durch Luft befüllt. Durch Anpassung des Befüllungsgrades mit Wasser können zugleich die Wärmekapazität sowie die Masse der Zellattrappe erhöht werden. Um die Masse und die Wärmekapazität unabhängig voneinander zu variieren, kann eine weitere Flüssigkeit, beispielsweise Öl mit einem Emulgator oder Alkohol, genutzt werden oder es können beispielsweise Salze in dem Wasser gelöst werden.
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Im erläuterten einfachen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird nur ein einzelnes Anpassungsvolumen genutzt. Um eine lokale Wärmekapazität bzw. eine spezifische Wärmekapazität der Zellattrappe anzupassen, können jedoch auch mehrere Anpassungsvolumina vorgesehen werden, die insbesondere mit verschiedenen Fluiden oder verschiedenen Fluidzusammensetzungen befüllt werden. Die Befüllung des Anpassungsvolumens wird solange variiert, bis sowohl die Masse als auch die Wärmekapazität der Zellattrappe um weniger als 5 % von der Vergleichswärmekapazität bzw. der Vergleichsmasse abweichen.
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In Schritt S6 wird die Zellattrappe in ein Batteriegehäuse der Batterie eingesetzt. Die Zellattrappe wird anstelle der jeweiligen Vergleichszelle eingesetzt. Wird eine Batterie mit mehreren Zellen genutzt, so können alle, einige oder auch nur eine einzelne Zellen durch Zellattrappen ersetzt werden.
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Anschließend wird in Schritt S7 die Zellattrappe an einen zellattrappenexternen Fluidkreislauf angekoppelt. Hierzu sind an der Zellattrappe Kopplungselemente vorgesehen, mit denen das Anpassungsvolumen an den externen Fluidkreislauf ankoppelbar ist. Der externe Fluidkreislauf umfasst eine Pumpe, um eine Fluidbewegung im Fluidkreislauf zu erzeugen. In einer Weiterbildung des Verfahrens können separate Fluidkreisläufe für die einzelnen Fluide und/oder die einzelnen Anpassungsvolumen von Zellattrappen vorgesehen sein.
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Zudem erfolgt in Schritt S7 eine Verbindung der Steuereinrichtung der Zellattrappe mit einer Stromversorgung und einem Steuersignal. Die Anschlüsse für das Steuersignal und die Stromversorgung sind an den Positionen angeordnet, die den Positionen der Zellpole der Vergleichszelle entsprechen. Das Steuersignal wird über einen CAN-Bus bereitgestellt. Die Bestromung der Heiz- und Krafterzeugungselemente erfolgt durch die Steuereinrichtung.
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In Schritt S8 wird ein externes Steuersignal an die Steuereinrichtung bereitgestellt, um die Krafterzeugungselemente und die Heizelemente zur Simulation des Betriebs der Vergleichszelle anzusteuern. Entsprechende Ansteuerungsprogramme können durch experimentelle Untersuchungen an der Vergleichszelle oder durch theoretische Vorüberlegungen ermittelt bzw. parametrisiert werden.
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Parallel zum Ansteuern der Krafterzeugungselemente und Heizelemente, also während des Simulationsbetriebes, werden in Schritt S9 Messwerte von in der Zellattrappe angeordneten Temperatur- und Kraftsensoren erfasst. Ergänzend werden durch externe Sensoren die Strömungsgeschwindigkeit im Fluidkreislauf sowie die Temperatur des strömenden Fluids gemessen. Die Messwerterfassung für die zellattrappeninternen Sensoren erfolgt durch die Steuereinrichtung.
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In Schritt S10 wird, um die Simulation des Wärmetransports innerhalb der Vergleichszelle durch die Zellattrappe zu verbessern, die Pumpe des externen Fluidkreislaufs sowie ein im externen Fluidkreislauf angeordnetes Heizelement in Abhängigkeit von Temperaturwerten der zellattrappeninternen und der zellattrappenexternen Temperatursensoren angesteuert. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten von einem oder mehreren Kanälen des Anpassungsvolumens wird ein Wärmetransport entgegen der Strömungsrichtung verhindert und ein Wärmetransport in Strömungsrichtung gefördert. Somit kann eine Anisotropie des Wärmetransportes simuliert werden. Zusätzliche Wärmeeinträge oder Wärmeausträge aufgrund der Fluidströmung können verhindert werden, indem die Temperatur des die Zellattrappe durchfließenden Fluids in Abhängigkeit der Temperaturmesswerte der Temperatursensoren angepasst wird.
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Nach Abschluss eines Simulationsprogramms, das heißt nachdem ein vorgegebener Ablauf von Ansteuerungen der Krafterzeugungselemente und der Heizelemente durchgeführt wurde und unter Umständen weitere zellattrappenexterne Komponenten entsprechend angesteuert wurden, ist es vorteilhaft, die Zellattrappe schnell wieder auf eine vorgegebene Anfangstemperatur zu kühlen. Daher wird in Schritt S11 das an den Fluidkreislauf angeschlossene Anpassungsvolumen als Kühleinrichtung genutzt. Durch den externen Fluidkreislauf wird gekühltes Fluid in die Zellattrappe eingeleitet, um diese auf eine vorgegebene Temperatur zu kühlen. Bei Erreichen der vorgegebenen Anfangstemperatur kann ein weiterer Messzyklus, umfassend die Schritte S8 bis S11, gestartet werden oder die Zellattrappe kann aus dem Versuchsaufbau entfernt werden, da sie auf eine gut handhabbare Temperatur gekühlt wurde.
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2 zeigt eine Batterie, wie sie im beschriebenen Verfahren nutzbar ist. In das Batteriegehäuse 2 sind mehrere Zellen 7 sowie eine Zellattrappe 5 eingesetzt. Am Zellgehäuse 6 der Zellattrappe 5 sind an den Positionen, an denen bei den Zellen 7 die Pole 8 vorgesehen sind, Elektrodenattrappen 12 vorgesehen, an denen randseitig nicht gezeigte Anschlüsse zur Kontaktierung einer zellattrappeninternen Steuereinrichtung vorgesehen sind, und die im zentralen Bereich einen Hohlraum aufweisen, der ein nicht gezeigtes Kopplungselement zu einen Anpassungsvolumen bildet.
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Die 3 bis 6 zeigen verschiedene Detailansichten der Zellattrappe 5. Die Zellattrappe 5 ist mehrschichtig aufgebaut. In dem Zellgehäuse 6 der Zellattrappe 5 ist eine Zellwickelattrappe 11 angeordnet, die über Elektrodenattrappen 12 mit dem Zellgehäuse 6 gekoppelt ist. An der Zellwickelattrappe 11 sind Temperatursensoren 13 sowie Kraftsensoren 14 vorgesehen, die in Ausnehmungen der Zellwickelattrappe 11 angeordnet sind und über Anschlussleitungen 3 mit der Steuerungseinrichtung 9 verbunden sind. Die Bestromung der Steuereinrichtung 9 sowie eine Kommunikation der Steuerungseinrichtung 9 über einen CAN-Bus mit externen Einrichtungen erfolgt über Anschlüsse 15, die an den Elektrodenattrappen 12 außenseitig angeordnet sind und sich somit im Bereich der Pole einer Vergleichszelle befinden. Daher muss der Aufbau der Batterie 1 nur geringfügig modifiziert werden, um eine Bestromung der Steuereinrichtung 9, eine Steuerung bzw. ein Auslesen der Temperatursensoren 13, der Kraftsensoren 14, der nicht gezeigten Heizelemente sowie der nicht gezeigten Druckerzeugungselemente zu ermöglichen.
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Wie in 3 im Randbereich der Zellwickelattrappe 11 zu erkennen und in 4 in einer geschnittene Ansicht der Zellwickelattrappe 11 gezeigt ist, sind im Inneren der Zellwickelattrappe 11 drei Kanäle 18 vorgesehen, die gemeinsam mit dem die Zellwickelattrappe 11 umgebenden Volumen zwischen Zellwickelattrappe 11 und Zellgehäuse 6 ein Anpassungsvolumen 10 bilden, das Fluide aufnehmen kann, um eine Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Masse der Zellattrappe 5 anzupassen. Die Kanäle 18 weisen unterschiedliche Durchmesser auf, die so ausgebildet sind, dass eine Vergleichswärmekapazität und/oder eine Vergleichsmasse der Vergleichszelle möglichst gut erreicht werden kann. Insbesondere können durch die Formgebung und die Anordnung der Kanäle 18 lokale Wärmeleitfähigkeiten bzw. Wärmekapazitäten der Zellattrappe 5 angepasst werden. Das Anpassungsvolumen 10 ist über die Kopplungselemente 4 mit einem Fluidkreislauf koppelbar, der beispielsweise mit einer Pumpe, eines oder mehrere Fluide durch das Anpassungsvolumen 10 führen kann, um eine Wärmeleitfähigkeit der Zellattrappe 5 zu simulieren und/oder die Zellattrappe 5 nach einem Messzyklus bzw. während eines Messzyklus zu kühlen. Die Kopplungselemente 4 sind an den Elektrodenattrappen 12 angeordnet. Hierzu sind die Elektrodenattrappen 12 hohl ausgeführt, so dass das Fluid durch sie hindurch in das Anpassungsvolumen 10 geführt werden kann.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den 3 und 4 die Heizelemente und die Krafterzeugungselemente der Zellattrappe 5 nicht dargestellt. Diese sind als weitere Schichten auf den in 3 und 4 dargestellten Grundkörper der Zellwickelattrappe 11 aufgebracht.
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5 zeigt vier auf einer Seite der Zellwickelattrappe 11 aufgebrachte Heizelemente 16, die als resistive Heizelemente, nämlich als Heizfolien ausgebildet sind. Die Heizelemente 16 sind jeweils über zwei Anschlussleitungen 22 mit der Steuereinrichtung 9 verbunden und werden durch diese bestromt.
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Auf die in 5 dargestellten Heizelemente 16 ist eine nicht gezeigte Schutzschicht aufgebracht. Zwischen der Schutzschicht und dem Zellgehäuse 6 sind die in 6 dargestellten Krafterzeugungselemente 17 angeordnet, die als Piezoaktoren ausgebildet sind. Bei einer Bestromung durch die Steuereinrichtung 9 über die Steuerleitungen 19 wird eine Kraft 23 zwischen der Zellwickelattrappe 11 und dem Zellgehäuse 6 ausgeübt, durch die die bei einer Arbeit eines Zellwickels einer Vergleichszelle entstehenden Kräfte simutiert werden können.
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Die in den 2 bis 6 dargestellte Zellattrappe ist im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelebene aufgebaut. Insbesondere sind an beiden Seitenflächen der Zellwickelattrappe 11 die gezeigten Temperatursensoren 13, Drucksensoren 14, Heizelemente 16 und Krafterzeugungselemente 17 angeordnet.
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In einer nicht gezeigten Alternative kann in der Zellwickelattrappe ein geschlossener Fluidkreislauf vorgesehen sein, der einen oder mehrere Aktoren, insbesondere Pumpen, zur Umwälzung des oder der im geschlossenen Fluidkreislauf enthaltenden Fluide umfasst. Es ist auch möglich, mehrere Anpassungsvolumina vorzusehen, die mit separaten Kopplungselementen mit separaten externen Fluidkreisläufen gekoppelt sind, so dass unterschiedliche Strömungen in unterschiedlichen Anpassungsvolumen vorgesehen werden können, um eine Wärmeleitung innerhalb der Zellattrappe besser zu simulieren. Auch in diesem Fall können Kopplungselemente an den Elektrodenattrappen vorgesehen sein. Insbesondere kann ein durch die Elektrodenattrappen geführter Hohlraum in mehrere Unterhohlräume unterteilt sein, die jeweils mit einem der Anpassungsvolumen gekoppelt sind.
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7 zeigt eine weitere Möglichkeit, um die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit der Zellattrappe 5 anzupassen. Das Zellgehäuse 6 der Zellattrappe entspricht im Wesentlichen einem Zellgehäuse einer Vergleichszelle, um eine leichte mechanische Austauschbarkeit zwischen der Vergleichszelle und der Zellattrappe 5 zu erreichen. Um ein Gewicht oder eine Wärmekapazität anzupassen, kann das Zellgehäuse 6 jedoch modifiziert werden. 7 zeigt ein derart modifiziertes Zellgehäuse 6, in das vier Durchbrechungen 24 eingebracht sind. Entgegen dem mit Bezug auf 2 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es bei dem Vorsehen von Durchbrechungen im Gehäuse vorteilhaft, in der Zellattrappe ein Anpassungsvolumen vorzusehen, das gegenüber dem Zellgehäuse 6 abgeschlossen ist. Beispielsweise könnten die seitlichen Öffnungen der oben beschriebenen Zellwickelattrappe 11 geschlossen sein. Alternativ könnte eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die zwischen dem Zellgehäuse 6 und der Zellwickelattrappe 11 angeordnet ist.
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Alternativ können statt der Durchbrechungen des Zellgehäuses außenseitige Ausnehmungen am Zellgehäuse vorgesehen werden, die gegenüber dem Innenvolumen des Zellgehäuses 6 abgeschlossen sind.
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Durch eine entsprechende Wahl der Position der Durchbrechung 19 bzw. der Ausnehmung sowie der Breite 21 und der Länge 20 der jeweiligen Durchbrechung 19 bzw. Ausnehmung wird die lokale Wärmeleitfähigkeit stark beeinflusst, da die umgebende Luft typischerweise deutlich weniger wärmeleitend ist als das Zellgehäuse 6 selbst. Für viele Experimente ist es wesentlich, dass das thermische Verhalten der Zellattrappe gegenüber benachbarter Zellen oder anderer Elemente simuliert wird, weshalb insbesondere die Wärmeleitung im Bereich der Oberfläche des Zellgehäuses 6 möglichst exakt an eine Vergleichszelle angepasst werden soll. Durch einen experimentellen Vergleich der Wärmeleitung im Bereich der Oberfläche zwischen der Vergleichszelle und der Zellattrappe können Unterschiede der Anisotropie der Wärmeleitung an der Oberfläche des Zellgehäuses 6 ermittelt werden und durch das Vorsehen von Durchbrechungen 19 bzw. Ausnehmungen verringert werden.
