DE102016224450A1

DE102016224450A1 - Batterietestzelle und Verfahren zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls

Info

Publication number: DE102016224450A1
Application number: DE102016224450.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lachmund
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezelle (1) zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls (6), wobei die Batterietestzelle (1) mindestens eine von außerhalb der Batterietestzelle (1) ansteuerbare Heizquelle aufweist, sowie ein Verfahren zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterietestzelle und ein Verfahren zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls.
Insbesondere bei Batteriemodulen, die Li-Ionen-Batteriezellen aufweisen, kann es vorkommen, dass es aufgrund eines Kurzschlusses in einer der Batteriezellen zu einer starken Wärmeentwicklung kommt, was zu einer Kettenreaktion führen kann. Dieser Effekt wird auch als thermal runaway bezeichnet. Eine häufige Ursache für solche Kurzschlüsse sind Metallteile, die beim Fertigungsprozess versehentlich zwischen die Lagen geraten und zu einer Beschädigung des Separators führen können.
Eine Herausforderung dabei ist, den Einfluss des Einzelversagens einer Batteriezelle innerhalb eines Moduls mit vielen Batteriezellen unter gleichen Bedingungen wiederholbar unter Ausschaltung anderer äußerer und/oder innerer Einflüsse bei sonst gleichen und/oder variierenden, aber definierten Bedingungen abzuprüfen.
Der Erfindung liegt dabei das technische Problem zugrunde, ein Mittel zur Verfügung zu stellen, mittels dessen ein reproduzierbarer Test des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls durchführbar ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Batterietestzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu weist die Batteriezelle zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls mindestens eine von außerhalb der Batterietestzelle ansteuerbare Heizquelle auf. Die Batterietestzelle ist dabei vorzugsweise von den geometrischen Abmessungen sowie den verwendeten Materialien für das Gehäuse genauso aufgebaut wie die Batteriezellen in dem zu testenden Batteriemodul. Auch ist die Batterietestzelle ähnlich oder genauso gekapselt wie die Batteriezellen, um so die Wärmeübertragung über die Gehäusewände möglichst realistisch zu simulieren. Vorzugsweise ist dabei die Batterietestzelle derart aufgebaut, dass diese beim Test nicht zerstört wird und wiederverwendbar ist.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Heizquelle als elektrischer Heizwiderstand ausgebildet, wobei vorzugsweise die Bestromung des Heizwiderstandes leitungsgebunden erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batteriezelle mehrere räumlich verteilt angeordnete Heizwiderstände auf. Die verschiedenen Heizwiderstände können dabei in Serie oder parallel verschaltet sein, sodass diese durch eine gemeinsame äußere Quelle bestromt werden.
In einer alternativen Ausführungsform sind die mehreren Heizwiderstände voneinander unabhängig ansteuerbar, sodass verschiedene Temperaturprofile im Raum der Batterietestzelle erzeugbar sind. Dabei sind auch Ausführungen möglich, wo einige Heizwiderstände oder Verschaltungen von Heizwiderständen voneinander unabhängig ansteuerbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Batterietestzelle mindestens einen Temperatursensor auf, um die Temperatur im Innern der Batterietestzelle zu erfassen. Die Übermittlung der Temperaturdaten kann dabei leitungsgebunden oder drahtlos erfolgen.
Insbesondere bei Ausführungsformen mit mehreren Heizwiderständen weist die Batterietestzelle mehrere Temperatursensoren auf, um ein Temperaturprofil in der Batterietestzelle zu erfassen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Heizwiderstand elektrisch isoliert zu Elektroden der Batterietestzelle ausgebildet, d.h., die Batterietestzelle ist im Innern wie eine Batteriezelle mit Elektroden und Separator aufgebaut, wobei weiter vorzugsweise die Batterietestzelle Zellpole aufweist. Dies ermöglicht es, die Batterietestzelle mit den anderen Batteriezellen im Batteriemodul elektrisch zu verschalten und zu bestromen. Gleichzeitig kann dann gezielt die Temperatur in der Batterietestzelle erhöht werden. Dies erlaubt einen Test unter nahezu realen Betriebsbedingungen.
Dabei sei weiter angemerkt, dass auch mehr als eine Batterietestzelle in dem Batteriemodul verbaut werden können.
Die Auswirkung der Temperaturerhöhung in der Batterietestzelle auf die Batteriezellen im Batteriemodul kann dann durch Erfassung von deren Temperatur erfolgen, wobei hierzu auf ohnehin vorhandene Sensorik der Batteriezellen zurückgegriffen werden kann, die üblicherweise bereits über einen Temperatursensor verfügen und Temperaturdaten an ein Steuergerät des Batteriemoduls übertragen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine Batterietestzelle in einer ersten Ausführungsform,
2 eine Batterietestzelle in einer zweiten Ausführungsform und
3 eine Batteriezelle in einem Batteriemodul.

In der 1 ist eine erste Ausführungsform für eine Batterietestzelle 1 dargestellt. Die Batterietestzelle 1 umfasst ein Gehäuse 2, was aus dem gleichen Material besteht wie die zu testenden Batteriezellen oder aber aus einem Material mit möglichst hoher thermischer Leitfähigkeit. In der Batterietestzelle 1 sind zwei voneinander unabhängige Heizwiderstände 3 angeordnet, die durch eine nicht dargestellte externe Stromquelle bestrombar sind. Weiter sind in der Batterietestzelle 1 mehrere Temperatursensoren 4 räumlich verteilt angeordnet. Dabei kann die Batterietestzelle 1 mit entsprechender Zellchemie einer Batteriezelle ausgebildet sein oder aber als Dummy ohne Zellchemie. Wenn keine Zellchemie vorhanden ist, weist die Batterietestzelle 1 vorzugsweise im Innern ein Medium auf, das möglichst gut wärmeleitend ist, um die Wärme der Heizwiderstände 3 zu dem Gehäuse 2 zu transportieren. Die Temperatursensoren 4 können leitungsgebunden oder drahtlos ihre Daten an eine externe Testeinrichtung übermitteln, die auch die Steuerung der Stromquelle für die Heizwiderstände 3 steuert.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform einer Batterietestzelle 1 dargestellt, wobei die Ausführungsformen gemäß 1 und 2 auch kombiniert werden können. Dabei weist die Batterietestzelle 1 zwei Heizwiderstände 3 auf, die in einem gemeinsamen Stromkreis parallel verschaltet sind. Weiter kann die Batterietestzelle 1 auch Zellpole 5 aufweisen, falls in dieser eine Zellchemie mit Elektroden, Elektrolyt und Separator angeordnet ist. In diesem Fall sind die Heizwiderstände 3 durch ein geeignetes Isolationsmaterial elektrisch von den Elektroden isoliert, wobei das Isolationsmaterial möglichst gut wärmeleitend ist. Es sind aber auch Ausführungen denkbar, wo die Batterietestzelle 1 keine Zellchemie aufweist, aber Zellpole, die dann beispielsweise durchverbunden sind. Somit kann die Batterietestzelle 1 beispielsweise in einer Serienschaltung der Batteriezellen in einem Batteriemodul eingebunden werden.
In der 3 ist ein Batteriemodul 6 dargestellt, in dem eine Batterietestzelle 1 angeordnet ist. Über die nicht dargestellte externe Stromquelle wird die Batterietestzelle 1 erwärmt. Über Temperatursensoren 7 wird die resultierende Temperatur der benachbarten Batteriezellen 8 in dem Batteriemodul 6 gemessen und an ein Steuergerät 9 des Batteriemoduls 6 übermittelt. Das Steuergerät 9 kann dann diese Daten zur Auswertung an die externe Testeinrichtung übermitteln. Hierdurch kann das thermische Verhalten des Batteriemoduls 6 insbesondere im Fehlerfall einer oder mehrerer Batteriezellen getestet werden. Somit lassen sich insbesondere Schutzmaßnahmen gegen ein thermal runaway testen.

Claims

Batterietestzelle (1) zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls (6), wobei die Batterietestzelle (1) mindestens eine von außerhalb der Batterietestzelle (1) ansteuerbare Heizquelle aufweist.
Batterietestzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizquelle als elektrischer Heizwiderstand (3) ausgebildet ist.
Batterietestzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietestzelle (1) mehrere räumlich in der Batterietestzelle (1) verteilt angeordnete Heizwiderstände (3) aufweist.
Batterietestzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstände (3) voneinander unabhängig ansteuerbar sind.
Batterietestzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietestzelle (1) mindestens einen Temperatursensor (4) aufweist.
Batterietestzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Heizwiderstand (3) elektrisch isoliert zu Elektroden der Batterietestzelle (1) ausgebildet ist.
Batterietestzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterietestzelle (1) elektrische Zellpole (5) aufweist.
Verfahren zum Testen des thermischen Verhaltens eines Batteriemoduls (6), wobei in dem Batteriemodul (6) mehrere Batteriezellen (8) und mindestens eine Batterietestzelle (1) verbaut sind, wobei die Batterietestzelle (1) eine von außerhalb des Batteriemoduls (6) ansteuerbare Heizquelle aufweist, wobei die Heizquelle gezielt angesteuert wird und das thermische Verhalten der Batteriezellen (8) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezellen (8) elektrisch verschaltet sind, wobei während des Heizvorganges ein Strom durch die Batteriezellen (8) fließt.