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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle mit zumindest einer in einem mit Elektrolyt gefüllten Zellgehäuse angeordneten Elektrodenanordnung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, ausgebildet zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, dass eine Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit von elektrischen Einzelzellen insbesondere auch davon abhängig ist, ob innerhalb einer Elektrodenanordnung der Einzelzelle elektrische Fehler, beispielsweise Kurzschlüsse, zwischen einzelnen Lagen der Elektrodenanordnung vorliegen. Zur Erfassung solcher elektrischen Fehler sind verschiedene Verfahren bekannt, wobei eine Isolationsprüfung der Einzelzellen im nicht mit Elektrolyt befüllten Zustand durchgeführt wird. Hierbei wird unter einer definierten Prüfspannung und innerhalb einer vorgegebenen Messzeit geprüft, ob sich eine elektrische Brücke zwischen einzelnen Lagen der Elektrodenanordnung befindet. Ist das der Fall, so wird die betreffende Einzelzelle als defekt erkannt und aussortiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle mit zumindest einer in einem mit Elektrolyt gefüllten Zellgehäuse angeordneten Elektrodenanordnung wird erfindungsgemäß nach Einfüllen des Elektrolyts in das Zellgehäuse für eine vorgegebene Zeitdauer ein Verlauf einer elektrischen Zell-Ruhespannung gemessen und mit einem Sollwert verglichen, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung des Verlaufs der Zellspannung vom Sollwert auf einen elektrischen Kurzschluss innerhalb der Elektrodenanordnung geschlossen wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine einfache und exakte Funktionsüberprüfung der Einzelzelle, wobei aufgrund der Messung der Zell-Ruhespannung nach Einfüllen des Elektrolyts zusätzlich zur Erkennung von geringen Innenwiderständen zwischen einzelnen Lagen der Elektrodenanordnung auch Prozessfehler, welche während des Einfüllens des Elektrolyts auftreten können, erkannt werden können.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird innerhalb des Zellgehäuses ein Überdruck eingestellt, so dass Lagen der Elektrodenanordnung aneinander gepresst werden. Hierdurch ist es möglich, dass durch zwischen den Lagen befindliche elektrisch leitfähige Partikel hervorgerufene elektrische Kurzschlüsse zwischen den Lagen sicher detektiert werden können.
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Beispielsweise wird ein Überdruck von 30 mbar eingestellt, welcher sich als besonders vorteilhaft zur Funktionsüberprüfung der Einzelzelle herausgestellt hat.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Einzelzelle während der Messung auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise durch Anordnung der Einzelzelle in einem Ofen oder einer Vorrichtung zur Simulation verschiedener Umgebungsbedingungen, temperiert, um eine geringe Alterung der Einzelzelle und daraus folgend einen sich ändernden Verlauf der Zell-Ruhespannung zu erzeugen. Hervorgerufen durch diese Alterung entstehen signifikante Unterschiede in den zeitlichen Verläufen der Zell-Ruhespannungen fehlerfreier und fehlerbehafteter Einzelzellen, so dass eine Erkennung fehlerbehafteter Einzelzellen weiter verbessert wird.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Temperatur von 40°C eingestellt, welche sich als besonders vorteilhaft zur Funktionsüberprüfung der Einzelzelle herausgestellt hat.
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Eine mögliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass vor dem Einfüllen des Elektrolyts in das Zellgehäuse ein Isolationswiderstand zwischen Zellableitern der Einzelzelle ermittelt wird. Hierdurch ist es möglich, bereits vor dem Einfüllen des Elektrolyts insbesondere durch grobe Fertigungsfehler hervorgerufene Isolationsfehler in der Elektrodenanordnung zu detektieren und eine fehlerbehaftete Einzelzelle bereits frühzeitig im Fertigungsprozess auszusortieren.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass nach dem Einfüllen des Elektrolyts in das Zellgehäuse und vor der Messung des Verlaufs der elektrischen Zell-Ruhespannung jeweils ein Isolationswiderstand zwischen Zellableitern der Einzelzelle und dem Zellgehäuse ermittelt wird. Hierdurch ist es möglich, bereits unmittelbar nach dem Einfüllen des Elektrolyts mit Isolationsfehlern zwischen den Zellableitern und dem Zellgehäuse behaftete Einzelzellen aus dem Fertigungsprozess auszusortieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Funktionsüberprüfung der elektrischen Einzelzelle oder Ausführungsbeispielen desselben ausgebildet und zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.
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Eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstands zwischen Zellableitern der Einzelzelle vor dem Einfüllen des Elektrolyts in das Zellgehäuse, so dass in einfacher Weise bereits vor dem Einfüllen des Elektrolyts insbesondere durch grobe Fertigungsfehler hervorgerufene Isolationsfehler in der Elektrodenanordnung detektierbar sind und eine fehlerbehaftete Einzelzelle bereits frühzeitig im Fertigungsprozess aussortiert werden kann.
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Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung zur Ermittlung jeweils eines Isolationswiderstands zwischen Zellableitern der Einzelzelle und dem Zellgehäuse nach dem Einfüllen des Elektrolyts in das Zellgehäuse und vor der Messung des Verlaufs der elektrischen Zell-Ruhespannung, damit bereits unmittelbar nach dem Einfüllen des Elektrolyts mit Isolationsfehlern zwischen den Zellableitern und dem Zellgehäuse behaftete Einzelzellen aus dem Fertigungsprozess aussortiert werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Vorrichtung zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle und eine Schnittdarstellung einer in der Vorrichtung angeordneten Einzelzelle nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle und eine Schnittdarstellung einer in der Vorrichtung angeordneten Einzelzelle,
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3 schematisch einen zeitlichen Verlauf elektrischer Zell-Ruhespannungen verschiedener Einzelzellen bei einer Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Funktionsüberprüfung elektrischer Einzelzellen,
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4 schematisch einen weiteren zeitlichen Verlauf elektrischer Zell-Ruhespannungen verschiedener Einzelzellen bei einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Funktionsüberprüfung elektrischer Einzelzellen,
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5 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Zell-Ruhespannungen gemäß 4,
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6 schematisch einen Ablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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7 schematisch einen mittels des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 6 ermittelten zeitlichen Verlauf elektrischer Zell-Ruhespannungen verschiedener Einzelzellen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Funktionsüberprüfung einer elektrischen Einzelzelle 2 und eine Schnittdarstellung einer in der Vorrichtung 1 angeordneten Einzelzelle 2 nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ein Widerstandsmessgerät 1.1, welches mittels elektrischer Kontakte 1.2, 1.3 mit Zellableitern 2.1, 2.2 der Einzelzelle 2 gekoppelt ist. Mittels der Zellableiter 2.1, 2.2 sind elektrische Pole einer als Elektrodenstapel ausgebildeten und innerhalb eines Zellgehäuses 2.4 angeordneten Elektrodenanordnung 2.3 durch das Zellgehäuse 2.4 nach außen geführt.
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Die Elektrodenanordnung 2.3 ist aus abwechselnd übereinander gestapelten Kupfer-Elektrodenfolien und Aluminium-Elektrodenfolien gebildet, wobei zwischen den Elektrodenfolien jeweils ein elektrisch isolierender Separator angeordnet ist. Weiterhin wird das Zellgehäuse 2.4 vor einer Siegelung mit einem in 2 dargestellten Elektrolyt 2.5 befüllt.
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Mittels des Widerstandsmessgeräts 1.1 wird eine Isolationsprüfung der Einzelzelle 2 im dargestellten, nicht mit Elektrolyt 2.5 befüllten Zustand durchgeführt, wobei unter einer definierten Prüfspannung und innerhalb einer vorgegebenen Messzeit der elektrische Widerstand zwischen den Zellableitern 2.1, 2.2 gemessen wird und anhand dessen geprüft wird, ob sich eine elektrische Brücke zwischen einzelnen Lagen der Elektrodenanordnung 2.3 befindet. Fehlerbilder, die zu einer derartigen elektrischen Brücke führen können, sind vielseitig. Zwischen den einzelnen Lagen der Elektrodenanordnung 2.3 befinden sich im nicht befüllten Zustand der Einzelzelle 2 Luftpolster, welche bei der Isolationsmessung als Isolationsschichten wirken und somit zu einer Verfälschung der Messwerte führen können. Zur Minimierung der Isolationsschichten wäre eine Druckausübung auf die Elektrodenanordnung 2.3 mit sehr hohem Druck erforderlich, welche während der Messung nicht realisierbar ist.
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Somit ist es nicht möglich, einen beispielsweise zwischen zwei Lagen der Elektrodenanordnung 2.3 in einem Luftpolster befindlichen leitfähigen Partikel zuverlässig zu detektieren. Solche Partikel wirken sich negativ auf eine Lebensdauer der Einzelzelle 2 aus, da diese den Separator durchdringen können und somit einen internen Kurzschluss zwischen den Lagen erzeugen oder zu einer erhöhten Selbstentladerate der Einzelzellen 2 führen können.
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Mittels der Vorrichtung 1 sind somit so genannte Soft Shorts, d. h. von einem Luftpolster überdeckte Kurzschlüsse, nicht oder nur unzureichend detektierbar. Es sind jedoch grobe Fertigungsfehler, beispielsweise leitfähige Stellen in der trockenen, nicht druckbelasteten Elektrodenanordnung 2.3 detektierbar.
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2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zur Funktionsüberprüfung der elektrischen Einzelzelle 2 und eine Schnittdarstellung der in der Vorrichtung 3 angeordneten Einzelzelle 2.
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Die Vorrichtung 3 umfasst ein Spannungsmessgerät 3.1 zur Messung einer Spannung zwischen den Zellableitern 2.1, 2.2 und elektrische Kontakte 3.2, 3.3 zur Kontaktierung des Spannungsmessgeräts 3.1 mit den Zellableitern 2.1, 2.2.
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Wird der Elektrolyt 2.5 in das Zellgehäuse 2.4 eingefüllt, so dient dieser als elektrischer Leiter zwischen den Lagen der Elektrodenanordnung 2.3.
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Mittels der Vorrichtung 3 wird nach dem Einfüllen des Elektrolyts 2.5 in das Zellgehäuse 2.4 für eine vorgegebene Zeitdauer ein Verlauf einer in 3 dargestellten elektrischen Zell-Ruhespannung U gemessen und mit einem Sollwert verglichen, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung des Verlaufs der Zell-Ruhespannung U vom Sollwert auf einen elektrischen Kurzschluss innerhalb der Elektrodenanordnung 2.3 geschlossen wird. Somit können Einzelzellen 2 mit geringem Innenwiderstand zuverlässig erkannt werden und aus einem Produktionsprozess aussortiert werden. Auch können Prozessfehler, welche während des Einfüllens des Elektrolyts 2.5 auftreten können, erkannt werden.
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Insbesondere wird während der Messung eine Temperatur von 40°C eingestellt, so dass eine geringe Alterung der Einzelzelle 2 und daraus folgend ein sich ändernder Verlauf der Zell-Ruhespannung U erzeugt werden. Hierbei wird gleichzeitig innerhalb des Zellgehäuses 2.4 ein Überdruck von beispielsweise 30 mbar eingestellt, welcher dazu führt, dass die Lagen der Elektrodenanordnung 2.3 aneinander gepresst werden.
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Aufgrund der erzeugten Alterung der Einzelzelle 2 unterscheiden sich Verläufe der Zell-Ruhespannungen U von fehlerfreien Einzelzellen 2 und fehlerbehafteten Einzelzellen 2 signifikant, so dass diese zuverlässig detektiert werden können.
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In 3 sind Verläufe elektrischer Zell-Ruhespannungen U1 bis U9 verschiedener Einzelzellen in Abhängigkeit von der Zeit t bei einer Durchführung der Funktionsüberprüfung mittels der in 2 gezeigten Vorrichtung 3 dargestellt. Das dargestellte Zeitintervall beträgt dabei beispielsweise 6 Minuten und 30 Sekunden und beginnt unmittelbar nach dem Befüllen der Einzelzellen 2 mit dem Elektrolyt 2.5.
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Diese Verläufe verdeutlichen, dass sich die Zell-Ruhespannungen U1 bis U4 fehlerfreier Einzelzellen 2 signifikant von Zell-Ruhespannungen U5 bis U9 fehlerbehafteter Einzelzellen 2 unterscheiden. Insbesondere weisen die Verläufe der Zell-Ruhespannungen U1 bis U4 der fehlerfreien Einzelzellen 2 geringere Absolutwerte als die der Verläufe der Zell-Ruhespannungen U5 bis U9 der fehlerbehafteten Einzelzellen 2 auf.
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4 zeigt einen weiteren zeitlichen Verlauf elektrischer Zell-Ruhespannungen U1 bis U10 verschiedener Einzelzellen 2 bei der Durchführung der Funktionsüberprüfung mittels der in 2 gezeigten Vorrichtung 3. In 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt der zeitlichen Verläufe dargestellt.
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Nach einem Befüllen der Einzelzellen 2 mit Elektrolyt 2.5 zu einem ersten Zeitpunkt t1 erfolgt zu einem zweiten Zeitpunkt t2 die Erzeugung einer Alterung der Einzelzellen 2 durch Temperierung der Einzelzellen 2 auf eine Temperatur von 40°C bis zu einem dritten Zeitpunkt t3. Zu einem vierten Zeitpunkt t4 wurde die Messung der Zell-Ruhespannungen U1 bis U10 beendet. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem vierten Zeitpunkt t4 liegt hierbei eine Zeitdauer von ca. zwei Tagen.
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Hierbei ist deutlich erkennbar, dass die Zell-Ruhespannungen U5 bis U10 der fehlerbehafteten Einzelzellen 2 zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt zum Wert Null tendieren als die Zell-Ruhespannungen U1 bis U4 der fehlerfreien Einzelzellen 2.
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6 zeigt einen Ablauf eines möglichen zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Kopfsiegeln des Zellgehäuses 2.4 der Einzelzelle 2, d. h. ein Verschluss eines Kopfbereichs des Zellgehäuses 2.4 durchgeführt.
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Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt S2 ein Seitensiegeln des Zellgehäuses 2.4 der Einzelzelle 2, d. h. ein Verschluss von Seitenbereichen des Zellgehäuses 2.4 durchgeführt.
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In einem dritten Verfahrensschritt S3 erfolgt die in 1 beschriebene Isolationsprüfung der Einzelzelle 2, wobei bei detektierten groben Fertigungsfehlern die betreffende Einzelzelle 2 aussortiert wird.
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In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird nach bestandener Isolationsprüfung des dritten Verfahrensschritts S3 das Zellgehäuse 2.4 mit Elektrolyt 2.5 gefüllt, wobei in einem fünften Verfahrensschritt S5 eine Benetzung der Elektrodenanordnung 2.3 mit dem Elektrolyt 2.5 erfolgt.
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In einem sechsten Verfahrensschritt S6 wird mittels einer Vorrichtung 4 eine zweite Isolationsprüfung durchgeführt, wobei bei dieser Isolationsprüfung ein jeweiliger Isolationswiderstand zwischen den Zellableitern 2.1, 2.2 der Einzelzelle 2 und dem Zellgehäuse 2.4 ermittelt wird.
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Ist der im sechsten Verfahrensschritt S6 ermittelte Isolationswiderstand ausreichend groß, wird in einem siebten Verfahrensschritt S7 die in 2 beschriebene Messung der Zell-Ruhespannung U gestartet, bevor in einem achten Verfahrensschritt S8 ein Endsiegeln, d. h. ein vollständiger Verschluss des Zellgehäuses 2.4, im neunten Verfahrensschritt S9 ein Konturschnitt des Zellgehäuses 2.4, im zehnten Verfahrensschritt S10 ein Walzen zumindest von Abschnitten des Zellgehäuses 2.4 und im elften Verfahrensschritt S11 die künstliche Alterung durch Erwärmung der Einzelzelle 2 über einen vorgegebenen Zeitraum durchgeführt werden.
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In einem zwölften Verfahrensschritt S12 wird die Messung der Zell-Ruhespannung U beendet und bei fehlerfreier Einzelzelle 2 wird im dreizehnten Verfahrensschritt S13 eine Formation derselben durchgeführt.
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7 zeigt mittels der während der Verfahrensschritte S7 bis S12 durchgeführten Messung ermittelte zeitliche Verläufe einer Zell-Ruhespannung U1 einer fehlerfreien Einzelzelle 2 und einer Zell-Ruhespannung U5 einer fehlerbehafteten Einzelzelle 2, welche sich signifikant voneinander unterscheiden und somit eine zuverlässige Fehlerdetektion ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung (Stand der Technik)
- 1.1
- Widerstandsmessgerät
- 1.2
- Kontakt
- 1.3
- Kontakt
- 2
- Einzelzelle
- 2.1
- Zellableiter
- 2.2
- Zellableiter
- 2.3
- Elektrodenanordnung
- 2.4
- Zellgehäuse
- 2.5
- Elektrolyt
- 3
- Vorrichtung
- 3.1
- Spannungsmessgerät
- 3.2
- Kontakt
- 3.3
- Kontakt
- 4
- Vorrichtung
- S1 bis S13
- Verfahrensschritt
- t
- Zeit
- t1 bis t4
- Zeitpunkt
- U
- Zell-Ruhespannung
- U1 bis U10
- Zell-Ruhespannung
