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Die Erfindung betrifft eine Versuchsvorrichtung für eine Batterie.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden sogenannte Traktionsbatterien eingesetzt, um Energie für die Antriebsmotoren bereitzustellen. Es handelt sich üblicherweise um Hochvolt-Batterien, und die Batterien bestehen aus mehreren Batteriemodulen, welche ihrerseits jeweils aus einzelnen Batteriezellen aufgebaut sind. Üblicherweise enthalten die Batterien auch eine Elektronik für die Steuerung der Ladung und Entladung sowie für Servicefunktionen.
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Bei defekten Batteriezellen, bei einer mechanischen Verformung der Batteriezellen oder bei einer elektrischen Fehlschaltung der Batteriezellen kann es zu einer Zellentgasung kommen, und auf Grund der hohen Energiedichte können heiße Gase austreten, und es kann ein hoher Druck entstehen.
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Aus diesem Grund können in den Batteriemodulen Entgasungselemente vorgesehen werden, um einen Druckausgleich zur Umgebung hin zu ermöglichen und dem aus den Batteriezellen entweichenden Gas die Möglichkeit zum kontrollierten Austritt aus dem Batteriemodul zu geben.
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In der Praxis ist es wichtig, dass das Entgasungselement ausreichend dimensioniert ist, so dass sich der Gesamtschaden im Falle eines Gasaustritts in Grenzen hält. Zur Ermittlung einer geeigneten Geometrie ist die Nutzung einer Strömungssimulation denkbar. Hierbei müssen jedoch Annahmen bezüglich der aus der Batteriezelle ausströmenden Gasmenge, der Gastemperatur und der Gaszusammensetzung gemacht werden.
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Die
US 2014 0216 139 A1 zeigt eine Testvorrichtung zur Erkennung eines Gasaustritts aus einer Batterie. Es sind eine Stahlkammer und zwei Pumpen vorgesehen, und über die Pumpen wird der Druck in der Stahlkammer in zwei Stufen herabgesetzt. Ein Austreten des Gases wird analysiert.
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Die
WO 2011 015 554 A2 zeigt eine Detektionsvorrichtung für eine Testanlage zum Testen von Batterien. Es ist eine Prüfkammer mit einer Einrichtung zum Erfassen und Analysieren eines Prüfgases vorgesehen.
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Die
EP 2 003 435 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichtheit einer Lithiumionen-Zelle, und die zu testende Zelle kann über eine Hebe- und Senkvorrichtung innerhalb eines Behälters in eine Nachweisflüssigkeit hinein und aus dieser heraus bewegt werden.
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Die
DE 10 2013 215 003 A1 zeigt ein Batterieprüfsystem zum Prüfen einer Batterie. Die zu prüfende Batterie wird in eine Prüfkammer eingesetzt, und die Prüfkammer wird mit Inertgas geflutet. Über eine Gasabführeinrichtung kann das Inertgas wieder aus der Prüfkammer abgeführt werden.
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Die
DE 103 01 430 A1 beschreibt ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung galvanischer Elemente. Die Elemente werden in einem geschlossenen Behälter angeordnet und bei einem Test erst einem Überdruck und anschließend einem Unterdruck ausgesetzt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Versuchsvorrichtung für eine Batterie bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Durch das Vorsehen der Versuchsvorrichtung mit dem Gehäuse kann unter geometrischen Verhältnissen, welche denen der zu fertigenden Batterie entsprechen, Versuche durchgeführt werden. Man erhält so ein Versuchsergebnis, welches mit dem späteren Serien-Batteriemodul gut übereinstimmt. Gleichzeitig kann das Gehäuse mehrmals verwendet werden, und dies spart Kosten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse dazu ausgebildet, eine lösbare Verbindung des Entgasungselements am Gehäuse zu ermöglichen. Dies ermöglicht einen schnellen Wechsel ohne Zerstörung von Elementen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist am Gehäuse ein Innengewinde vorgesehen, um eine Befestigung des Entgasungselements mit einer Schraube zu ermöglichen. Mit Schrauben ist eine starke Verbindung möglich, und dies erlaubt eine große mechanische Belastung des Entgasungselements.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Versuchsvorrichtung ein Volumenkörper zugeordnet, welcher in dem Gehäuse zusätzlich zur Batteriezelle positionierbar ist, um das Vorhandensein zusätzlicher Batteriezellen zu simulieren. Einerseits können so die räumlichen Verhältnisse simuliert werden, es müssen hierfür aber nicht im ganzen räumlichen Bereich Batteriezellen angeordnet werden, die bei der Entgasung beschädigt werden können. Dies reduziert die Kosten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse aus Stahl ausgebildet ist. Hierdurch erhält man ein sehr stabiles Gehäuse, das häufig wiederverwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gehäuse einen Gehäusekörper, an welchem ein Gehäusedeckel lösbar zu befestigen ist. Hierdurch ist es nicht erforderlich, das Entgasungselement so groß auszubilden, dass eine Befüllung des Gehäuses durch die Gehäuseöffnung erfolgen muss. Zudem können auch seriennahe Gehäusedeckel getestet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Versuchsvorrichtung eine Mehrzahl von unterschiedlichen Entgasungselementen zugeordnet, um unterschiedliche Entgasungselemente testen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Versuchsvorrichtung mindestens eine Entgasungsvorrichtung in Form einer Lochblende zugeordnet. Lochblenden sind gut geeignet, um den erforderlichen Querschnitt der Öffnung zu bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Entgasungsvorrichtung in Form einer Membran zugeordnet. Solche Membranen werden auch in Batteriemodulen verwendet, und man kann daher realitätsnahe Lösungen testen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Auslösevorrichtung elektrische Leitungen, welche an der Batteriezelle anschließbar sind, um ein Auslösen einer Entgasung über die elektrischen Leitungen zu ermöglichen. Eine elektrische Auslösevorrichtung ist gut ansteuerbar, und elektrische Leitungen können gut abgedichtet durch Gehäuse geführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Auslösevorrichtung einen Stempel mit einem Stempelkopf, welcher Stempel dazu ausgebildet ist, eine mechanische Verformung einer Batteriezelle im Gehäuse zu ermöglichen, um eine Entgasung der Batteriezelle auszulösen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Versuchsvorrichtung eine Auswertevorrichtung zugeordnet, welche Auswertevorrichtung dazu ausgebildet ist, bei einem Versuch das Signal des Drucksensors auszuwerten. Man kann so sehr schnell zu einem Versuchsergebnis kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung dazu ausgebildet, Werte des Drucksensors zu speichern. Hierdurch können auch zu einem späteren Zeitpunkt die Messergebnisse überprüft und ausgewertet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Versuchsvorrichtung im Inneren einen Temperatursensor, um während eines Versuchs mindestens eine Erfassung eines Temperaturwerts im Gehäuse zu ermöglichen. Auch die Temperatur lässt sich durch die richtige Auslegung des Entgasungselements beeinflussen, und die Auswertung des Temperatursensors kann die Sicherheit erhöhen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Auslösevorrichtung in einem vorgegebenen Gehäusebereich durch das Gehäuse hindurch, wobei das Gehäuse in diesem vorgegebenen Gehäusebereich abgedichtet ist, um zumindest ein Entweichen eines Gases durch diesen Gehäusebereich und damit eine größere Verfälschung des Versuchs zu verhindern.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
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1 im Längsschnitt eine Versuchsvorrichtung für eine Batterie,
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2 eine Draufsicht auf die Versuchsvorrichtung,
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3 in einem Querschnitt entlang der Linie III-III von 1 die Versuchsvorrichtung,
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4 in einem Querschnitt entlang der Linie IV-IV von 1 die Versuchsvorrichtung,
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5 in einem Längsschnitt die Versuchsvorrichtung von 1 mit einem elektrischen Auslöser, und
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6 in einem Längsschnitt die Versuchsvorrichtung von 1 mit einem mechanischem Auslöser.
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1 zeigt eine Versuchsvorrichtung 10 für eine Batterie. Die Versuchsvorrichtung 10 hat ein Gehäuse 12 mit einer Gehäuseöffnung 14. An der Gehäuseöffnung 14 ist ein Entgasungselement 40 angeordnet. Es sind zwei Möglichkeiten zur lösbaren Verbindung des Entgasungselements 40 am Gehäuse 12 gezeigt. Das Gehäuse 12 hat ein Innengewinde 43, und das Entgasungselement 40 ist über eine Schraube 42, welche mit dem Innengewinde 43 verbunden ist, am Gehäuse 12 befestigt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Klemmvorrichtung 44 am Gehäuse vorgesehen sein, um das Entgasungselement 40 zu halten. Ein Sensor 81 ist im Inneren des Gehäuses 12 angeordnet und über eine Sensorsignalleitung 82 mit einer Auswertevorrichtung 83 verbunden. Der Sensor 81 kann bspw. ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor sein.
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Vier Seitenflächen des Gehäuses 12 sind mit den Bezugszeichen 22, 24, 25 und 26 bezeichnet. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Volumenkörper 60 angeordnet, und zusätzlich ist eine Batteriezelle 61 im Inneren des Gehäuses 12 positioniert. Die Batteriezelle 61 hat eine Entgasungsöffnung 62, aus der bei einer Entgasung Gas austreten kann.
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Das austretende Gas ist mit Strömungslinien 50 schematisch dargestellt, und es kann aus dem Gehäuse 12 durch die Gehäuseöffnung 14 und das Entgasungselement 40 entweichen.
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Das Gehäuse 12 wird bevorzugt stabil aufgebaut, bspw. aus Metall mit ausreichender Wandstärke, insbesondere aus Stahl. Durch das Gehäuse 12 können die geometrischen Verhältnisse der Batterie oder eines Segments der Batterie nachgebildet werden. Das Gehäuse 12 wird also bevorzugt in einer Größe ausgebildet, die der Größe der im geplanten Serienmodell verwendeten Struktur entspricht.
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Der Volumenkörper 60 dient dazu, das Volumen der übrigen Batteriezellen 61 der Batterie zu simulieren und damit die Strömungsquerschnitte und Luftvolumina innerhalb der Batterie besser nachzubilden. Hierdurch können Kosten gespart werden, denn für den Test ist nur die Untersuchung einer Entgasung einer Batteriezelle 61 notwendig. Sollte im Einzelfall die Untersuchung mehrerer Batteriezellen 61 erforderlich sein, müsste ein entsprechend kleinerer Volumenkörper 60 gewählt werden. Inwieweit die Nachbildung der Verhältnisse durch den Volumenkörper 60 mit größerer oder geringerer Genauigkeit erfolgt oder ob aber weitere Batteriezellen 61 für die Messung verwendet werden, muss für den jeweiligen Versuch definiert werden. Dabei wird bei den ersten Messungen die Verwendung des Volumenkörpers 60 ausreichend sein, und bei einer Messung kurz vor Beginn der Serienfertigung kann bspw. noch eine Messung mit Batteriezellen 61 und ohne Volumenkörper 60 erfolgen.
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Für den eigentlichen Versuch wird anschließend die Batteriezelle 61 zur Entgasung gebracht, bspw. elektrisch oder mechanisch.
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Das Gas kann über die Gehäuseöffnung 14 und das Entgasungselement 40 entweichen, und über die Sensoren 81 können Messwerte detektiert und anschließend ausgewertet werden. Es kann anschließend bspw. überprüft werden, ob der im Gehäuse 12 auftretende Maximaldruck größer als ein vorgegebener Grenzdruck und damit zu groß ist, um so die Eignung des Entgasungselements 40 zu überprüfen. Auch die im Gehäuse 12 auftretenden Temperaturen können als Kriterium für die Eignung des Entgasungselements 40 herangezogen werden.
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Um nun ein geeignetes Entgasungselement 40 zu bestimmen, können Versuche mit unterschiedlichen Entgasungselementen 40 durchgeführt werden. Hierbei kommt es insbesondere auf den Querschnitt der Öffnung 41 an. Naturgemäß können bei einem größeren Querschnitt Gase schneller entweichen, und damit wird die Belastung auf das Batteriegehäuse verringert. Als Entgasungselemente 40 können auch Membranen verwendet werden, die einerseits Gase nach außen durchlassen, andererseits jedoch ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Batteriegehäuse verhindert bzw. zumindest verringern.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Gehäuse 12 in Richtung der Seitenfläche 22. Es sind auch die Seitenflächen 21, 25, 23 und 24 bezeichnet. Das Gehäuse 12 hat einen Gehäusekörper 15, welcher mit einem Gehäusedeckel 13 verbunden ist. Über dem Gehäusedeckel 13 sind der Volumenkörper 60 und die Batteriezelle 61 im Gehäuse 12 positionierbar. Das Entgasungselement 40 mit der Öffnung 41 ist in diesem Ausgangsbeispiel über sechs Schrauben 42 am Gehäuse 12 befestigt.
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3 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 25 entlang der Schnittlinie III-III. Die Kontur des Volumenkörpers 60 ist zu sehen, und im Bereich außerhalb des Volumenkörpers 60 kann das Gas in Richtung zur Gehäuseöffnung 14 entweichen. Als Gehäusedeckel 13 ist ein stabiler Gehäusedeckel vorgesehen, der beim Versuch nicht zerstört wird. Dies ist vorteilhaft, um bei den jeweiligen Versuchen nur die Batteriezelle 61 zu zerstören, nicht jedoch die Versuchsvorrichtung 10.
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Der Gehäusedeckel 13 kann bevorzugt mit dem Gehäusekörper 15 lösbar verbunden werden, bspw. durch eine Schraubverbindung oder eine Schnappverbindung.
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4 zeigt eine Variante der Versuchsvorrichtung 10, bei der anstelle des Gehäusedeckels 13 von 3 ein dünnerer Gehäusedeckel 113 am Gehäusekörper 15 befestigt ist. Der Gehäusedeckel 113 ist bevorzugt der Gehäusedeckel für die geplante Serienfertigung, und er ist üblicherweise dünner und weniger stabil als der Gehäusedeckel 13 von 3. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann der Gehäusedeckel 113 bspw. auch aus Kunststoff oder aus einem Verbundstoff gefertigt sein. Es ist vorteilhaft, dass auch der Gehäusedeckel 113 mit dem Gehäusekörper 15 verbunden werden kann. Dies ermöglicht auch einen Test des Gehäusedeckels 113 für die Serienfertigung. Wenn bspw. der Querschnitt der Öffnung 41 des Entgasungselements 40 zu klein ist, verformt sich der Gehäusedeckel 113 unzulässig oder wird undicht. In diesem Fall muss davon ausgegangen werden, dass ein größerer Querschnitt der Öffnung 41 notwendig ist oder die geometrischen Verhältnisse in der Umgebung der Batteriezelle 61 ungünstig sind.
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5 zeigt die Versuchsanordnung 10 von 1, wobei elektrische Leitungen 92 vorgesehen sind, welche sich durch eine Kabeldurchführung 91 in das Gehäuse 12 erstrecken. Die elektrischen Leitungen 92 können mit der Batteriezelle 61 verbunden werden, und hierdurch kann die Batteriezelle 61 mithilfe der elektrischen Leitungen 92 zur Entgasung gebracht werden. Dies ist bspw. möglich durch Kurzschluss der elektrischen Leitungen 92 oder durch Anschließen einer Spannungsquelle 93.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Versuchsvorrichtung 10, bei welcher eine mechanische Auslösevorrichtung vorgesehen ist. Ein Stempel 102 erstreckt sich durch eine Öffnung 101 des Gehäuses 12, und am Stempel 102 ist ein Stempelkopf 103 vorgesehen, welcher durch den Stempel 102 gegen die im Gehäuse 12 angeordnete Batteriezelle 61 bewegbar ist. Zum Auslösen der Entgasung kann der Stempel 102 in Richtung zur Batteriezelle 61 bewegt werden, und die mechanische Zerstörung der Batteriezelle 61 führt zum Auftreten der Entgasung.
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Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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Die Auslösevorrichtung 91, 92, 93; 101, 102, 103 erstreckt sich als Kabel bzw. als Stempel in einem vorgegebenen Gehäusebereich durch das Gehäuse 12 hindurch. Um ein Entweichen eines Gases durch diesen Gehäusebereich und damit eine Verfälschung des Versuchs zu verhindern, ist das Gehäuse 12 in diesem vorgegebenen Gehäusebereich bevorzugt abgedichtet. Dies kann beispielsweise durch eine Labyrinthdichtung oder eine elektrische Durchführbuchse erfolgen, oder der Bereich kann verklebt (bei Kabeln) oder durch eine sehr genaue Führung abgedichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20140216139 A1 [0006]
- WO 2011015554 A2 [0007]
- EP 2003435 B1 [0008]
- DE 102013215003 A1 [0009]
- DE 10301430 A1 [0010]
