DE102014222786B4 - Method and device for leak testing of electrochemical storage in the form of batteries or individual battery cells - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung zumindest eines elektrochemischen Speichers in Form einer Batterie und/oder einer Batterieeinzelzelle, mit einem Gehäuse (100), in dem mindestens ein elektrochemischer Speicher (20) angeordnet werden kann, und das von einer Gasströmung (110) durchströmbar ist,
einem ersten Gassensor (120), der stromauf des elektrochemischen Speichers (20) angeordnet ist, und ein erstes Sensorsignal (320) erzeugen kann, mindestens einem zweiten Gassensor (130), der stromab des elektrochemischen Speichers (20) angeordnet ist und ein zweites Sensorsignal (330) erzeugen kann, und
einer Auswertevorrichtung (140), die an den ersten Gassensor (120) und den zweiten Gassensor (130) gekoppelt ist und die eingerichtet ist, um das erste Sensorsignal (320) und das zweite Sensorsignal (330) auszuwerten und in Abhängigkeit der Auswertung des ersten Sensorsignals (320) und des zumindest einen zweiten Sensorsignals (330) ein Fehlersignal zu erzeugen.
Device for leak testing at least one electrochemical storage in the form of a battery and/or an individual battery cell, with a housing (100) in which at least one electrochemical storage (20) can be arranged and through which a gas flow (110) can flow,
a first gas sensor (120) which is arranged upstream of the electrochemical storage (20) and can generate a first sensor signal (320), at least one second gas sensor (130) which is arranged downstream of the electrochemical storage (20) and a second sensor signal (330) can generate, and
an evaluation device (140) which is coupled to the first gas sensor (120) and the second gas sensor (130) and which is set up to evaluate the first sensor signal (320) and the second sensor signal (330) and depending on the evaluation of the first Sensor signal (320) and the at least one second sensor signal (330) to generate an error signal.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Speichern in Form von Batterien bzw. BatterieeinzelzellenThe invention relates to a method and a device for leak testing electrochemical storage in the form of batteries or individual battery cells
Elektrochemische Speicher können als Batterieeinzelzellen oder als Batterie vorliegen. Bei einer Batterie sind mehrere Einzelzellen miteinander in Reihe und/oder parallel verschaltet. Im Rahmen dieser Anmeldung werden unter dem Begriff Batterie bzw. Batterieeinzelzelle sowohl Primärspeicher, die nur einmal entladen werden können, als auch Sekundärspeicher verstanden, die mehrere Zyklen von Aufladung und Entladung erlauben.Electrochemical storage can be in the form of individual battery cells or as a battery. In a battery, several individual cells are connected to each other in series and/or parallel. In the context of this application, the term battery or individual battery cell is understood to mean both primary storage, which can only be discharged once, and secondary storage, which allows multiple cycles of charging and discharging.
Eine Batteriezelle beinhaltet zwei Elektroden, die in einem Elektrolyt angeordnet sind. Die Batteriezelle ist durch eine Umhüllung nach außen dicht verpackt. Durch Beschädigungen oder Fehlstellen an der Umhüllung oder durch Diffusion kann es zu einem Austritt von Elektrolyt oder von in dem Elektrolyt enthaltenen Komponenten kommen. Solche Undichtigkeiten können zu einem Ausfall der Batteriezelle oder einer Gefährdung der Umgebung führen. Zur Dichtigkeitsprüfung von Batterien bzw. Batterieeinzelzellen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt.A battery cell contains two electrodes arranged in an electrolyte. The battery cell is tightly packed on the outside by a casing. Damage or defects in the casing or due to diffusion can result in leakage of electrolyte or components contained in the electrolyte. Such leaks can lead to battery cell failure or a hazard to the surrounding area. Various methods are known from the prior art for leak testing of batteries or individual battery cells.
So schlägt die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
In der Druckschrift
Nachteilig an den druckbasierten Systemen ist, dass diese eine gewisse Mindestöffnung in der Zellwand benötigen, damit eine Undichtigkeit feststellbar ist. Eine auf Diffusionseffekte zurückzuführende Undichtigkeit kann nicht detektiert werden. Weiterhin ist bei den druckbasierten Methoden, welche ein unter Druck stehendes Fluid in die Zelle einleiten, sicherzustellen, dass dieses die galvanischen Elemente nicht beschädigt. Zudem wird die Zelle nicht im endgültigen Zustand vermessen, da die Elektrolytbefüllung und Versiegelung erst anschließend erfolgt.The disadvantage of pressure-based systems is that they require a certain minimum opening in the cell wall so that a leak can be detected. A leak due to diffusion effects cannot be detected. Furthermore, with pressure-based methods, which introduce a pressurized fluid into the cell, it must be ensured that this does not damage the galvanic elements. In addition, the cell is not measured in its final state, as the electrolyte filling and sealing only takes place afterwards.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Undichtigkeiten besteht in der Messung des Austritts eines Gases aus einer Zelle mittels Massenspektroskopie. Nachteilig sind hieran die hohen Kosten und der große Zeitaufwand.Another way to determine leaks is to measure the escape of a gas from a cell using mass spectroscopy. The disadvantages of this are the high costs and the large amount of time required.
Die Druckschrift
Die
Die
Aus der
Ein weiteres Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Batterien ist aus der Druckschrift
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Speichern anzugeben, das hinsichtlich der Bestimmbarkeit von Undichtigkeiten verbessert ist.It is therefore the object of the invention to provide a device and a method for leak testing of electrochemical storage, which is improved with regard to the ability to determine leaks.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This problem is solved by a device according to patent claim 1 and a method according to patent claim 8. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
Eine Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung zumindest eines elektrochemischen Speichers in Form einer Batteriezelle oder einer Batterie beinhaltet ein Gehäuse, in dem mindestens ein elektrochemischer Speicher angeordnet werden kann, und das von einer Gasströmung durchströmbar ist, einen ersten Gassensor, der stromauf des elektrochemischen Speichers angeordnet ist und der ein erstes Sensorsignal erzeugen kann, mindestens einen zweiten Gassensor, der stromab des elektrochemischen Speichers angeordnet ist und der ein zweites Sensorsignal erzeugen kann, und eine Auswertevorrichtung, die an den ersten Gassensor und den zweiten Gassensor gekoppelt ist und die eingerichtet ist, um das erste und zweite Sensorsignal auszuwerten und in Abhängigkeit der Auswertung ein Fehlersignal zu erzeugen.A device for leak testing at least one electrochemical storage in the form of a battery cell or a battery includes a housing in which at least one electrochemical storage can be arranged and through which a gas flow can flow, a first gas sensor which is arranged upstream of the electrochemical storage and the can generate a first sensor signal, at least one second gas sensor, which is arranged downstream of the electrochemical storage and which can generate a second sensor signal, and an evaluation device which is coupled to the first gas sensor and the second gas sensor and which is set up to detect the first and Evaluate the second sensor signal and generate an error signal depending on the evaluation.
Diese Vorrichtung ermöglicht eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung von Undichtigkeiten. Durch die Anordnung der Gassensoren stromauf bzw. stromab des elektrochemischen Speichers können Signalanteile, die nicht auf eine Undichtigkeit beruhen, nunmehr erkannt und eliminiert werden. Zudem sind nun quantitative Aussagen zum Ausmaß der Undichtigkeit möglich. Das Gehäuse muss nicht mehr gasdicht ausgeführt sein, so dass sich die Vorrichtung auch zum Testen von luftgekühlten elektrochemischen Speichern während des Betriebs eignet.This device allows for greater accuracy in determining leaks. By arranging the gas sensors upstream or downstream of the electrochemical storage, signal components that are not due to a leak can now be detected and eliminated. In addition, quantitative statements about the extent of the leak are now possible. The housing no longer needs to be gas-tight, so the device is also suitable for testing air-cooled electrochemical storage devices during operation.
Das Gehäuse dient zur Aufnahme des elektrochemischen Speichers und ermöglicht das Umströmen des Speichers mit der Gasströmung. Das Gehäuse umschließt den elektrochemischen Speicher und kann z.B. mit einem Gehäusedeckel verschlossen sein. Zur Durchführung der Gasströmung weist das Gehäuse zumindest eine Strömungs-Eintrittsöffnung und eine Strömungs-Austrittsöffnung auf. Die Strömungs-Eintrittsöffnung und die Strömungs-Austrittsöffnung sind zur besseren Umströmung des elektrochemischen Speichers vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses ausgebildet.The housing serves to accommodate the electrochemical storage and allows the gas flow to flow around the storage. The housing encloses the electrochemical storage and can be closed, for example, with a housing cover. To carry out the gas flow, the housing has at least one flow inlet opening and one flow outlet opening. The flow inlet opening and the flow outlet opening are preferably formed on opposite sides of the housing for better flow around the electrochemical storage.
Die Gasströmung beinhaltet vorzugsweise Luft, z.B. Umgebungsluft des Gehäuses.The gas flow preferably includes air, e.g. ambient air of the housing.
Der erste und zweite Gassensor sind sensitiv für Bestandteile des Elektrolyts in dem elektrochemischen Speicher, wie z.B. VOCs (flüchtige organische Verbindungen). Der erste und zweite Gassensor sind vorzugsweise baugleich. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der erste Gassensor und der zweite Gassensor chemo-resistive Sensoren, wie z.B. Metalloxid-Halbleitersensoren. Bei diesem Sensortyp ändert sich die Leitfähigkeit der reaktiven Halbleiterschicht des Sensors durch Adsorption oxidierender bzw. reduzierender Gase. Der daraus resultierende veränderte Widerstand erlaubt eine direkte Bestimmung der Konzentration der Gases.The first and second gas sensors are sensitive to components of the electrolyte in the electrochemical storage, such as VOCs (volatile organic compounds). The first and second gas sensors are preferably identical in construction. In a preferred embodiment, the first gas sensor and the second gas sensor are chemo-resistive sensors, such as metal oxide semiconductor sensors. In this type of sensor, the conductivity of the reactive semiconductor layer of the sensor changes through adsorption of oxidizing or reducing gases. The resulting changed resistance allows the concentration of the gas to be determined directly.
Das erste Sensorsignal ist ein Maß für die Konzentration von zu detektierenden Gasen in dem zuströmenden Gasstrom. Es liefert Aufschluss darüber, ob die dem Behälter zugeführte Gasströmung bereits vorbelastet ist, d.h. bereits eine messbare Konzentration von zu detektierenden Stoffen enthält.The first sensor signal is a measure of the concentration of gases to be detected in the inflowing gas stream. It provides information about whether the gas flow supplied to the container is already preloaded, i.e. whether it already contains a measurable concentration of substances to be detected.
Das zweite Sensorsignal bildet die Gaskonzentration in der Gasströmung nach Kontakt mit dem elektrochemischen Speicher ab.The second sensor signal represents the gas concentration in the gas flow after contact with the electrochemical storage.
Die Auswertevorrichtung empfängt das erste und zweite Sensorsignal und kann drahtlos an die Gassensoren gekoppelt sein oder über Leitungen mit den Gassensoren verbunden sein. Die Auswertevorrichtung verarbeitet die Sensordaten und wertet diese insbesondere hinsichtlich eines Konzentrationsunterschieds vor und hinter dem elektrochemischen Speicher aus. Die Auswertung kann insbesondere die Bestimmung eines Differenzsignals von erstem und zweitem Sensorsignal beinhalten und/oder eine Kreuzkorrelation von erstem und zweitem Sensorsignal. Die Auswertevorrichtung kann z.B. ein Datenverarbeitungsgerät mit Speichereinheit sein, wie z.B. ein Computer.The evaluation device receives the first and second sensor signals and can be wirelessly coupled to the gas sensors or connected to the gas sensors via lines. The evaluation device processes the sensor data and evaluates them in particular with regard to a concentration difference in front of and behind the electrochemical storage. The evaluation can in particular include the determination of a difference signal between the first and second sensor signals and/or a cross-correlation of the first and second sensor signals. The evaluation device can be, for example, a data processing device with a storage unit, such as a computer.
Ergibt die Auswertung das Vorliegen einer Undichtigkeit, z.B. durch Erreichen eines vorgegebenen Wertes oder Über- oder Unterschreiten eines Grenzwertes, kann von der Auswertevorrichtung ein Signal generiert werden, dass z.B. den elektrochemischen Speicher als undicht klassifiziert oder ein Alarmsignal auslöst, wie z.B. eine akustische oder optische Warnung.If the evaluation reveals the existence of a leak, for example by reaching a predetermined value or exceeding or falling below a limit value, the evaluation device can generate a signal that, for example, classifies the electrochemical storage as leaking or triggers an alarm signal, such as an acoustic or optical one Warning.
Eine gute Messgenauigkeit wird in einer Ausgestaltung dadurch erreicht, dass der erste Gassensor im Bereich der Strömungs-Eintrittsöffnung angeordnet ist und der zweite Gassensor im Bereich der Strömungs-Austrittsöffnung angeordnet ist.Good measurement accuracy is achieved in one embodiment in that the first gas sensor is arranged in the area of the flow inlet opening and the second gas sensor is arranged in the area of the flow outlet opening.
Die Vorrichtung eignet sich zur Überprüfung von Batterien bzw. Batterieeinzelzellen während der Produktion oder während der Lagerung. In einer Ausgestaltung ist der elektrochemische Speicher an einen Verbraucher angeschlossen, wodurch eine Überprüfung auch während der Nutzung des elektrochemischen Speichers möglich ist. Der Verbraucher ist insbesondere ein Verbraucher in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.The device is suitable for checking batteries or individual battery cells during production or during storage. In one embodiment, the electrochemical storage is connected to a consumer, which means that checking is also possible while the electrochemical storage is in use. The consumer is in particular a consumer in a motor vehicle, preferably in an electric or hybrid vehicle.
Die Gasströmung beinhaltet vorzugsweise Luft, z.B. Umgebungsluft des Gehäuses.The gas flow preferably includes air, e.g. ambient air of the housing.
Zur Ausbildung einer erzwungenen Durchströmung des Behälters kann die Vorrichtung eine Fördervorrichtung beinhalten zur Erzeugung der das Gehäuse durchströmenden Gasströmung. Die Fördervorrichtung kann z.B. ein Ventilator, eine Pumpe oder eine andere zur Erzeugung der Gasströmung geeignete Vorrichtung sein. Die Fördervorrichtung ist vorzugsweise über einen Kanal mit dem Gehäuse verbunden. Es kann eine drückende Fördervorrichtung stromauf des Gehäuses oder eine saugende Fördervorrichtung stromab des Gehäuses vorgesehen sein. Die Fördervorrichtung erlaubt eine individuelle Anpassung des Volumenstroms bzw. der Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei erkannter Leckage.To create a forced flow through the container, the device can contain a conveying device to generate the gas flow flowing through the housing. The conveying device can be, for example, a fan, a pump or another device suitable for generating the gas flow. The conveying device is preferably connected to the housing via a channel. A pushing conveyor device can be provided upstream of the housing or a suction conveyor device downstream of the housing. The conveying device allows individual adjustment of the volume flow or flow speed, for example to increase the measurement accuracy when a leak is detected.
Indem in einer Ausgestaltung die Fördervorrichtung Teil einer Batteriekühlvorrichtung ist, ist eine gute Integrierbarkeit in bestehende Fahrzeugkonzepte gegeben. Die Batteriekühlvorrichtung kann z.B. ein Klimagerät mit einem Ventilator umfassen, mit der ein klimatisierter Luftstrom über die Batterie geführt wird. Eine zusätzliche Durchströmung des Gehäuses kann entfallen, indem der klimatisierte Luftstrom an den Sensoren vorbeigeleitet wird.Because in one embodiment the conveying device is part of a battery cooling device, it can be easily integrated into existing vehicle concepts. The battery cooling device can, for example, comprise an air conditioning device with a fan with which an air-conditioned air flow is directed over the battery. An additional flow through the housing can be eliminated by directing the air-conditioned air flow past the sensors.
Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstroms kann die Vorrichtung weiterhin ein Anemometer im Strömungsweg der Gasströmung aufweisen, das an die Auswertevorrichtung gekoppelt ist. Bei genügend starker Variation des ersten Sensorsignals kann die Durchflussgeschwindigkeit auch durch Korrelation des zweiten Sensorsignals bestimmt werden.To determine the flow velocity or the volume flow, the device can also have an anemometer in the flow path of the gas flow, which is coupled to the evaluation device. If the first sensor signal varies sufficiently strongly, the flow rate can also be determined by correlating the second sensor signal.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung zumindest eines elektrochemischen Speichers in Form einer Batterie oder einer Batterieeinzelzelle, der in einem Gehäuse angeordnet ist, wird das Gehäuse mit einer Gasströmung durchströmt, so dass die Gasströmung an dem elektrochemischen Speicher vorbeiströmt. Ein erstes Sensorsignal wird erfasst, das abhängig ist von einer Gaskonzentration in der Gasströmung stromauf des elektrochemischen Speichers, und zumindest ein zweites Sensorsignal wird erfasst, das abhängig ist von einer Gaskonzentration in der Gasströmung stromab des elektrochemischen Speichers. Das erste Sensorsignal und das zumindest eine zweite Sensorsignal werden ausgewertet und es wird ein Fehlersignal in Abhängigkeit der Auswertung erzeugt.In the method according to the invention for leak testing at least one electrochemical storage in the form of a battery or an individual battery cell, which is arranged in a housing, a gas flow flows through the housing, so that the gas flow flows past the electrochemical storage. A first sensor signal is detected, which is dependent on a gas concentration in the gas flow upstream of the electrochemical storage, and at least a second sensor signal is detected, which is dependent on a gas concentration in the gas flow downstream of the electrochemical storage. The first sensor signal and the at least one second sensor signal are evaluated and an error signal is generated depending on the evaluation.
Dieses Verfahren ermöglicht eine genaue Analyse der Dichtigkeit des elektrochemischen Speichers. Der Einfluss von Stoffen, die unabhängig vom Eintritt einer Undichtigkeit in dem Gasgemisch enthalten sind, lässt sich eliminieren. Solche Stoffe können z.B. aufgrund von vorausfahrenden Fahrzeugen oder durch Verunreinigung in der Umgebung der Batterie vorliegen. Eine hohe Selektivität der Sensoren ist nicht erforderlich, vielmehr können auch breitbandige Sensoren verwendet werden. Anteile in den Sensorsignale, die nicht auf eine Undichtigkeit zurückzuführen sind, können erkannt werden und bei der Bewertung der Dichtigkeit unberücksichtigt bleiben. Somit lassen sich preiswerte Gassensoren mit nur geringer Selektivität einsetzen. Darüber hinaus verhindert das Durchströmen des Gehäuses, dass die Gassensoren, insbesondere der stromab des elektrochemischen Speichers angeordnete Gassensor, verblockt.This procedure enables a precise analysis of the tightness of the electrochemical storage. The influence of substances that are contained in the gas mixture regardless of the occurrence of a leak can be eliminated. Such substances can be present, for example, due to vehicles driving in front or due to contamination in the area around the battery. A high selectivity of the sensors is not required; broadband sensors can also be used. Parts of the sensor signals that cannot be traced back to a leak can be detected and are not taken into account when assessing the tightness. This means that inexpensive gas sensors with only low selectivity can be used. In addition, the flow through the housing prevents the gas sensors, in particular the gas sensor arranged downstream of the electrochemical storage, from becoming blocked.
Die Gasströmung, die durch den Behälter geleitet wird, ist vorzugsweise eine Luftströmung. Die Luft kann weitere Bestandteile aus der Umgebung enthalten, wie z.B. Abgasrückstände oder chemische Ausdünstungen.The gas flow that is passed through the container is preferably an air flow. The air can contain other components from the environment, such as exhaust gas residues or chemical vapors.
Das Verfahren kann z.B. kontinuierlich über einen vorgegebenen Zeitraum oder in vorgegebenen Intervallen durchgeführt werden.The method can, for example, be carried out continuously over a predetermined period of time or at predetermined intervals.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Auswertung der Sensorsignale, indem aus dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal ein Differenzsignal gebildet wird. Auch können das erste und zweite Sensorsignal in einer weiteren Ausgestaltung mittels Kreuzkorrelation ausgewertet werden. Die Bildung eines Differenzsignals kann zusätzlich erfolgen. Die so ermittelten Auswerteergebnisse liefern eine Aussage über eine vorhandene Undichtigkeit am elektrochemischen Speicher und ermöglichen zudem eine quantitative Analyse der Undichtigkeit. Das Auswerteergebnis kann z.B. mit Referenzwerten verglichen werden, um zu bestimmen, ob eine undichte Zelle vorliegt.In one embodiment, the sensor signals are evaluated by forming a difference signal from the first sensor signal and the second sensor signal. In a further embodiment, the first and second sensor signals can also be evaluated using cross-correlation. A difference signal can also be formed. The evaluation results determined in this way provide information about an existing leak in the electrochemical storage and also enable a quantitative analysis of the leak. The evaluation result can be compared, for example, with reference values to determine whether there is a leaky cell.
In einer Ausgestaltung wird zur Quantifizierung einer Undichtigkeit und zur weiteren Analyse der Sensordaten die Strömungsgeschwindigkeit der Gasströmung gemessen und in die Auswertung einbezogen.In one embodiment, to quantify a leak and to further analyze the sensor data, the flow velocity of the gas flow is measured and included in the evaluation.
Das Verfahren ermöglicht eine Überprüfung von elektrochemischen Speichern während der Produktion und während einer Lagerung. Zusätzlich ist eine Kontrolle von elektrochemischen Speichern während des Betriebs möglich. Hierzu kann die in dem Gehäuse angeordnete Batterie und/oder Batteriezelle in einer weiteren Ausgestaltung an einen Verbraucher angeschlossen sein, z.B. kann sie innerhalb eines Fahrzeugs als Starterbatterie oder Antriebsbatterie verwendet werden. Gefährliche Situationen aufgrund einer Undichtigkeit der Batterie lassen sich somit frühzeitig erkennen bzw. vermeiden.The process enables electrochemical storage to be checked during production and storage. In addition, electrochemical storage is checked possible during operation. For this purpose, the battery and/or battery cell arranged in the housing can be connected to a consumer in a further embodiment, for example it can be used within a vehicle as a starter battery or drive battery. Dangerous situations due to a battery leak can therefore be detected or avoided at an early stage.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Durchströmung des Gehäuses mittels einer Fördervorrichtung erzwungen. Die Parameter der Durchströmung, wie z.B. In a preferred embodiment, the flow through the housing is forced by means of a conveying device. The parameters of the flow, such as
Volumenstrom oder Geschwindigkeit, lassen sich somit regulieren. Wenn das Gehäuse in einem Fahrzeug eingebaut ist, so kann die Durchströmung des Gehäuses alternativ auch durch den Fahrtwind erfolgen.Volume flow or speed can thus be regulated. If the housing is installed in a vehicle, the flow through the housing can alternatively also be carried out by the wind.
Bei luftgekühlten Batterien lässt sich das Verfahren besonders einfach in das bestehende Fahrzeugkonzept integrieren, indem die Durchströmung des Gehäuses durch den zur Batterie-Kühlung vorgesehenen Luftstrom erfolgt.With air-cooled batteries, the process can be particularly easily integrated into the existing vehicle concept by allowing the airflow intended for battery cooling to flow through the housing.
Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich insbesondere zur Dichtigkeitsprüfung von Lithiumionen-Akkumulatoren, können bei geeigneter Wahl der Gassensoren jedoch auch für andere Arten von Batterien verwendet werden, wie z.B. Blei-Säure Batterien.The device and the method are particularly suitable for leak testing of lithium-ion batteries, but with a suitable choice of gas sensors they can also be used for other types of batteries, such as lead-acid batteries.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren bieten Vorteile durch die geringen Kosten für die Gassensoren. Die Überprüfung der Dichtigkeit umfasst nun auch mögliche Diffusion. Zudem kann die Dichtigkeit der Zellen nach dem kompletten Zusammenbau überprüft werden, somit im Auslieferungszustand. Die Überprüfung kann somit auch beim Kunden und während des Betriebs der Batterie erfolgen. Das Verfahren kann auch auf größere Gebinde angewandt werden. Es können mehrere Zellen gleichzeitig überprüft werden und der Durchsatz kann gesteigert werden.The device and the method according to the invention offer advantages due to the low costs for the gas sensors. Checking the tightness now also includes possible diffusion. In addition, the tightness of the cells can be checked after complete assembly, i.e. in the delivery condition. The check can therefore also be carried out at the customer's site and during operation of the battery. The process can also be applied to larger containers. Multiple cells can be checked simultaneously and throughput can be increased.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The characteristics, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will be more clearly and clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments. If the term “can” is used in this application, it refers to both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung von elektrochemischen Speichern entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung -
2 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel -
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf von erstem und zweitem Sensorsignal über die Zeit.
-
1 a schematic representation of a device for leak testing of electrochemical storage according to an exemplary embodiment of the invention -
2 a schematic diagram of a device for leak testing according to a second exemplary embodiment -
3 shows an exemplary course of the first and second sensor signals over time.
Eine Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein Gehäuse 100, in dem ein elektrochemischer Speicher 20 in Form einer Batterie aufgenommen ist. Die Batterie umfasst sechszehn in Reihe geschaltete Batterieeinzelzellen 200, von denen aus Gründen der Anschaulichkeit nur fünf dargestellt sind. Jedoch kann das Gehäuse 100 auch eine Batterie mit anderer Zellenzahl und/oder -verschaltung oder nur eine Batterieeinzelzelle 200 enthalten. Die Pole der Batterie können über (nicht dargestellte) Leitungen mit einem (nicht dargestellten) Verbraucher außerhalb des Gehäuses 100 verbunden sein.A
Das Gehäuse 100 umschließt die Batterie. Das Gehäuse 100 weist vorzugsweise einen Deckel auf zur leichteren Positionierung der Batterie 20. Das Gehäuse 100 weist eine Strömungs-Eintrittsöffnung 102 und eine Strömungs-Austrittsöffnung 104 auf und kann durch diese von einer Gasströmung 110 durchströmt werden. Die Gasströmung 110 in Form eines Luftstroms durchströmt das Gehäuse 100 von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite und überströmt dabei den elektrochemischen Speicher 20. Vorzugsweise ist die Strömungs-Eintrittsöffnung 102 in einer Seitenwand des Gehäuses 100 ausgebildet und die Strömungs-Austrittsöffnung 104 ist in einer gegenüberliegenden Seitenwand des Gehäuses 100 ausgebildet.The
Ein erster Gassensor 120 in Form eines Metalloxid-Sensors ist stromauf der Batterie 20 im Bereich der Strömungs-Eintrittsöffnung 102 angeordnet. Ein zweiter Gassensor 130 in Form eines Metalloxid-Sensors ist stromab der Batterie 20 im Bereich der Strömungs-Austrittsöffnung 104 angeordnet. Die Gassensoren 120 und 130 sind baugleiche Sensoren. Die Gassensoren sind sensitiv für Bestandteile des Elektrolyts der Batterie 20. Gelangen solche Bestandteile an die Sensorhalbleiterschicht, so ändert sich der Widerstand des SensorsA
Die das Gehäuse durchströmende Gasströmung wird zunächst an dem ersten Sensor 120 vorbeigeleitet, strömt dann am elektrochemischen Speicher 20 vorbei und wird anschließend am zweiten Sensor 130 vorbeigeleitet.The gas flow flowing through the housing is first directed past the
Wenn der elektrochemische Speicher 20 eine Undichtigkeit oder eine erhöhte Diffusion von Elektrolytbestandteilen durch seine Umhüllung aufweist, so gelangen Elektrolytbestandteile, wie z.B. VOC in die Luft im Gehäuse 100. Diese Verunreinigungen werden mit der Gasströmung 110 mittransportiert. Sie gelangen zu dem zweiten Gassensor 130, wo sie detektiert werden und das zweite Sensorsignal verändern. Da die Gasströmung 110, bevor sie an der Batterie 20 vorbeigeführt wurde, bereits an dem ersten Sensor 120 vorbeigeleitet wurde, liegen nun zwei Sensorsignale vor. Das erste und zweite Sensorsignal werden an eine Auswertevorrichtung 140 übermittelt, die mittels Leitungen 122 und 132 mit dem ersten bzw. zweiten Gassensor 120 bzw. 130 verbunden ist. Die Auswertevorrichtung 140 wertet die Signale hinsichtlich einer Zunahme der Konzentration der detektierbaren Gase in der Gasströmung aus.If the
Optional weist die Vorrichtung 10 ein thermoelektrisches Anemometer 150 auf, mit dem die Fließgeschwindigkeit der Gasströmung durch den Behälter und damit der Volumenstrom bestimmbar ist. Das Anemometer 150 ist gemäß
Dem Gehäuse 100 wird ein Gasstrom in Form von Zuluft aus der Umgebung des Gehäuses zugeführt. Solange die Zuluft frei von detektierbaren Gasen ist, weist das erste Sensorsignal 320 einen Ausgangswert S0 auf. Zum Zeitpunkt t1 tritt eine Störung von außen auf, d.h. der zugeführte Luftstrom 110 ist bereits mit Gasen vorbelastet, für die der erste Sensor 120 sensitiv ist, z.B. durch die Abgase eines vorausfahrenden Fahrzeugs oder durch in der Luft enthaltene Lösungsmittel o.ä. Die Störung wird von dem ersten Sensor 110 detektiert und bewirkt einen Anstieg des ersten Sensorsignals 320 auf einen Wert S1. Zum Zeitpunkt t2 verschwindet die Störung von außen, die zugeführte Luft ist wieder frei von detektierbaren Gasen. Daraufhin sinkt der Wert des ersten Sensorsignals 320 zurück auf den Ausgangswert S0.A gas stream in the form of supply air from the surroundings of the housing is supplied to the
Das zweite Sensorsignal 330 weist zu Beginn der Messung ebenfalls den Ausgangswert S0 auf und steigt aufgrund der äußeren Störung ebenfalls auf den Wert S1 an. Da der zweite Sensor 130 stromab des ersten Sensors 120 angeordnet ist, findet der Anstieg des zweiten Sensorsignals 330 zeitversetzt zum ersten Sensorsignal 320 statt, siehe Zeitpunkt t3. Zusätzlich tritt nun zum Zeitpunkt t2 eine Undichtigkeit an dem elektrochemischen Speicher 20 im Gehäuse 100 auf. Die austretenden Gase werden von dem zweiten Sensor 130 detektiert, das zweite Sensorsignal 330 steigt auf den Wert S2 an. Mit Verschwinden der Störung von außen, sinkt das zweite Sensorsignal 330 auf den Wert S3 ab.The
Das erste Sensorsignal 320 wird durch die Undichtigkeit des elektrochemischen Speichers 20 nicht verändert. Das erste Sensorsignal 320 kann verwendet werden, um äußere Störungen zu detektieren und bei der Auswertung zu eliminieren. Durch Bildung eines Differenzsignals zwischen erstem und zweitem Sensorsignal ist es z.B. möglich, die Signaländerung von denjenigen Anteilen zu befreien, die auf die Störung zurückgehen. Somit kann die tatsächlich durch die Undichtigkeit verursachte Signaländerung erhalten werden. Eine quantitative Analyse der Unidchtigkeit wird möglich. Die Sensorsignale 320, 330 können auch mittels Kreuzkorrelation ausgewertet werden, um z.B. den Zeitversatzes zwischen dem ersten und zweiten Sensorsignal zu eliminieren.The
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The exemplary embodiments are not to scale and are not limiting. Modifications are possible within the scope of professional action.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 10, 10A10, 10A
- Vorrichtung zur DichtigkeitsprüfungLeak testing device
- 100100
- GehäuseHousing
- 102102
- Strömungs-EintrittsöffnungFlow inlet opening
- 104104
- Strömungs-AustrittsöffnungFlow outlet opening
- 110110
- GasströmungGas flow
- 120, 130120, 130
- GassensorGas sensor
- 122, 132122, 132
- LeitungLine
- 140140
- AuswertevorrichtungEvaluation device
- 150150
- Anemometeranemometer
- 152152
- LeitungLine
- 160160
- FördervorrichtungConveyor device
- 2020
- elektrochemischer Speicherelectrochemical storage
- 200200
- BatterieeinzelzelleSingle battery cell
- 320, 330320, 330
- SensorsignalSensor signal
- S0, S1, S2, S3S0, S1, S2, S3
- Werte der SensorsignaleValues of the sensor signals
- t1, t2, t3t1, t2, t3
- Zeitpunktepoints in time
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