DE102017009686A1

DE102017009686A1 - Climate chamber for testing high-voltage e-mobility batteries, fuel cells or other energy storage devices or drive units equipped or connected therewith with hazardous energy content

Info

Publication number: DE102017009686A1
Application number: DE102017009686.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: AVL Deutschland GmbH
Current assignee: AVL Deutschland GmbH
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimakammer mit Temperatur- und Feuchteregelung für den Test von E-Mobilitäts-Hochvoltbatterien, Brennstoffzellen oder anderen Energiespeichern oder damit ausgerüsteten oder verbundenen Antriebseinheiten mit gefährlichem Energieinhalt.
Als gefährlicher Energieinhalt wird in diesem Zusammenhang eine Energiemenge definiert, wie sie für den Antrieb eines PKW im regulären Straßenverkehr benötig wird und die durch den Prüfling in Folge eines Defektes unkontrollierbar und innerhalb kurzer Zeit freigesetzt werden kann, so dass sie für Menschen in der näheren Umgebung eine schwere gesundheitliche oder lebensbedrohende Gefährdung darstellen bzw. umgebendes Equipment in Folge hoher Temperaturen, Gasdrücke oder Kontamination zerstören würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Klimakammer bereitzustellen, die die notwendigen Schutz- und Sicherheitstechnikanforderungen zur Prüfung von Energiespeichem im Bereich der E-Mobilität unter klimatischen Extrembedingungen während ihres Betriebes bei gleichzeitiger Erfüllung aller aktuell vorgeschriebener und zukünftiger Mess-, Prüf-, Isolations- und Ergonomieanforderungen seitens der Betreiber unter Verzicht von zukünftig verbotenen Kältemitteln erfüllt. Insbesondere ist eine Wirkung der Erfindung, dass diese im Havariefall Innen-Überdrücken >= 100 mBar und Wandinnentemperaturen von mind. 600°C mind. 90 Minuten standhält und dabei verhindert, dass signifikante Mengen von Verbrennungsprodukten und anderen während der Havarie entstehenden Giften nach außen dringen und das Leben oder die Gesundheit von Menschen gefährden.

The invention relates to a climate chamber with temperature and humidity control for the test of e-mobility high-voltage batteries, fuel cells or other energy storage or equipped or connected drive units with dangerous energy content.
As a dangerous energy content in this context, an amount of energy is defined, as it is required for the drive of a car in regular traffic and can be released by the candidate in consequence of a defect uncontrollable and within a short time, so that they are suitable for people in the vicinity pose a serious health or life-threatening hazard or destroy surrounding equipment as a result of high temperatures, gas pressures or contamination.
Object of the present invention is therefore to provide a climate chamber, the necessary protection and safety requirements for testing Energiespeichem in the field of e-mobility under extreme climatic conditions during their operation while fulfilling all currently prescribed and future measurement, testing, insulation - And ergonomic requirements on the part of the operator waiving the future prohibited refrigerants met. In particular, an effect of the invention is that in the event of an accident it can withstand internal pressures> = 100 mbar and internal temperatures of at least 600 ° C for at least 90 minutes, thereby preventing significant amounts of combustion products and other poisons arising during the accident from escaping to the outside and jeopardize the life or health of people.

Description

ErfindungsgegenstandInventive subject matter

Die Erfindung betrifft eine Klimakammer mit Temperatur- und Feuchteregelung für den Test von E-Mobilitäts-Hochvoltbatterien, Brennstoffzellen oder anderen Energiespeichern oder damit ausgerüsteten oder verbundenen Antriebseinheiten mit gefährlichem Energieinhalt.The invention relates to a climate chamber with temperature and humidity control for the test of e-mobility high-voltage batteries, fuel cells or other energy storage or equipped or connected drive units with dangerous energy content.

Unter einer Klimakammer versteht man einen von der übrigen Umgebung abgetrennten Raum oder Gebäude, dessen Hauptzweck es ist, ein definiertes Klima dauerhaft, wiederholgenau und von den Umgebungsbedingungen unabhängig zu Prüf-, Arbeits- oder Produktionszwecken einzustellen oder dieses gezielt über der Zeit wiederholbar zu verändern. Unter dem Begriff „Klima“ ist im Allgemeinen ein Temperatur-Feuchte-Zustand eines Gasgemisches, meistens Luft, bei einem definierten Druck, z.B. dem atmosphärischen Druck, in einem definierten Raum bzw. Volumen zu verstehen.
In der Prüftechnik stellen Klimakammern ein Mess- und Prüfwerkzeug zur Umweltsimulation dar. Die physikalischen Eigenschaften sämtlicher bekannter Stoffe sowie daraus gefertigter Produkte und Systeme sind maßgeblich temperaturabhängig. Je nach Oberflächenbeschaffenheit kann auch die sie umgebende, in der Luft gebundene Feuchtigkeit maßgeblichen Einfluss auf deren Verhalten und Lebensdauer haben, da sie an diesen Oberflächen kondensieren oder in den Prüfling eindringen und in der Folge Korrosion, Kurzschlüsse, unerwünschte biologische oder andere Prozesse auslösen kann. Demzufolge ist es in modernen Forschungs- und Entwicklungsprozessen zur Erzielung eines hohen Reifegrades des zukünftigen Produktes notwendig, neben anderen Belastungen auch diejenigen Umweltzustände zu simulieren, denen das spätere Serienprodukt voraussichtlich ausgesetzt sein wird. Für diese Prüfanwendung, aber auch zur gezielten Herstellung bestimmter Eigenschaften und Bedingungen in der Produktion oder zu medizinischen Anwendungen, gehören Klimakammern seit Jahrzehnten zum Stand der Technik.A climatic chamber is understood to mean a room or building separated from the rest of the environment whose main purpose is to set a defined climate permanently, repeatably and independently of environmental conditions for testing, work or production purposes or to modify it in a repeatable manner over time. The term "climate" is generally a temperature-humidity state of a gas mixture, usually air, at a defined pressure, eg the atmospheric pressure to understand in a defined space or volume.
In testing technology, climate chambers are a measuring and testing tool for environmental simulation. The physical properties of all known substances and the products and systems made from them are largely temperature-dependent. Depending on the nature of the surface, the airborne moisture surrounding it can also have a significant influence on its behavior and lifetime, since it can condense on these surfaces or penetrate the test specimen and, as a result, cause corrosion, short circuits, undesired biological or other processes. Consequently, in modern research and development processes to achieve a high degree of maturity of the future product, it is necessary to simulate, among other pressures, those environmental conditions to which the later series product is likely to be exposed. Climate control chambers have been part of the state of the art for decades for this testing application, but also for the specific production of specific properties and conditions in production or for medical applications.

In EP 2 995 929 A2 wird ein thermisch isolierender, aus standardisierten Wandelementen aufgebauter Kammerkorpus beschrieben, der jedoch keine Klimatechnik zur Temperatur- und Feuchteerzeugung enthält.
Mit WO002017157864A1 , EP000002743675A1 , DE000004336405C2 und CN000204234107U und DE 10 2015 009 795 B3 sind Prüfanlagen bekannt, die jedoch keine Klimakammern, sondern lediglich Temperaturkammern darstellen, da eine Feuchteregelung vollständig fehlt. Letztere Veröffentlichung stellt eine mobile Version im Tischformat ohne Türen für die Prüfung passiver, elektronischer (Klein-)bauteile dar, bei der der Focus auf der Ausgestaltung der Frontöffnung, realisiert durch zwei temperierte Backen, liegt.
In der Veröffentlichung DE102016200538A1 ist ein Klimaprüftruhen-Bausatz mit zusätzlicher Korrosionsprüfungsfunktion beschrieben, in den ein Prüfling von oben durch eine Klappe eingebracht wird. Die Patentansprüche umfassen aber auch hier keinerlei Feuchteregelung. Der Hintergrund hierfür ist, dass in der beschriebenen korrosiven Umgebung, die das Gerät mittels salzhaltigem Sprühnebel künstlich herstellt, Feuchtesensoren sehr schnell unbrauchbar würden. Demzufolge lässt sich die Feuchte in diesem Gerät nicht regeln. Die für die Regelung zwingend erforderliche Rückmeldung über den Istwert der Feuchte, der mit einem Feuchtesensor im der Prüfraum gemessen werden müsste, ist aus diesem Grund auch nicht beschrieben oder beansprucht. Diese Erfindung zeichnet sich zudem durch den auf Rollen gelagerten, zerlegbaren und mobilen Aufbau aus, der es ermöglicht, die Truhe durch Menschen bewegen zu lassen. Aus dieser Anforderung ergeben sich jedoch erhebliche Beschränkungen hinsichtlich der Größe des Prüfraumes und der darin prüfbaren Prüflinge, insbesondere hinsichtlich deren Gefahrenpotenzial.
DE 10 2013 014 414 A1 befasst sich mit einer Klimakammer zum Prüfen von Bauteilen, die im Inneren mit einem als Inklinationseinrichtung bezeichneten, in zwei Raumachsen verstellbaren Tisch zum Aufspannen eines Prüflings ausgestattet ist. Der Focus dieser Veröffentlichung liegt vollständig auf der neigbaren Aufspannvorrichtung innerhalb der Kammer. Die sie umgebende Klimakammer, ihr Aufbau und ihre Kernfunktion, die im Falle der Beschränkung auf nicht-energietragende Prüflinge in der Regelung von Temperatur und Feuchte liegt, wird nicht näher beschrieben.
Die Ansprüche von EP000002433761 B1 und DE 202010008616 U1 umfassen einen transportablen Klimaschrank, die wiederum im Inneren mit einem Roboter ausgestattet ist. Focus liegt hierbei auf der Verschmelzung von Roboter und Kammer zu einer Einheit, um die Einleitung von Schwingungen bei Transport oder Betrieb zu vermindern, ohne die Isolationswirkung durch Bildung von Wärmebrücken zu beeinträchtigen. Auch hier wird die technische Ausgestaltung der Klimafunktionen, d.h. Temperatur- und Feuchteerzeugung sowie deren Regelung, nicht beschrieben. Weitere mobile Klimakammern sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. DE000019818627C5 beschreibt hingegen ein mögliches Verfahren zur Klimatisierung solcher Klimaschränke.In EP 2 995 929 A2 is a thermally insulating, constructed of standardized wall elements chamber body described, however, does not contain air conditioning for temperature and humidity generation.
With WO002017157864A1 . EP000002743675A1 . DE000004336405C2 and CN000204234107U and DE 10 2015 009 795 B3 Test facilities are known, however, do not represent climatic chambers, but only temperature chambers, since a moisture control is completely absent. The latter publication is a table-top mobile version with no doors for testing passive, electronic (small) components, where the focus is on the design of the front opening, realized by two tempered jaws.
In the publication DE102016200538A1 is described a Klimaprüftruhen kit with additional corrosion test function in which a DUT is inserted from above through a flap. But the claims do not include any moisture control here. The background to this is that in the described corrosive environment, which artificially produces the device by means of saline spray mist, humidity sensors would become unusable very quickly. As a result, the humidity in this unit can not be controlled. The mandatory confirmation of the actual value of the humidity, which would have to be measured with a humidity sensor in the test room, is for this reason also not described or claimed. This invention is further characterized by the roll-up, dismountable and mobile structure which allows the chest to be moved by human beings. From this requirement, however, there are significant limitations in terms of the size of the test room and the test specimens that can be tested therein, in particular with regard to their potential dangers.
DE 10 2013 014 414 A1 deals with a climate chamber for testing components, which is equipped inside with a designated as inclination means, adjustable in two spatial axes table for mounting a test specimen. The focus of this publication lies entirely on the tiltable jig inside the chamber. The surrounding climate chamber, its structure and its core function, which is in the case of the restriction to non-energy-bearing specimens in the regulation of temperature and humidity, is not described in detail.
The claims of EP000002433761 B1 and DE 202010008616 U1 include a portable climate chamber, which in turn is equipped with a robot inside. Focus is on the merger of robot and chamber into one unit, to reduce the introduction of vibrations during transport or operation, without affecting the insulation effect by forming thermal bridges. Again, the technical design of the climate functions, ie temperature and humidity generation and their regulation, not described. Other mobile climate chambers are well known from the prior art. DE000019818627C5 describes, however, a possible method for air conditioning such climate cabinets.

DE 000019603509 C1 erklärt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung von Luftfeuchtigkeit in einem Prüfraum eines Umweltsimulationsgeräts, allerdings nicht, wie der Prüfraum wieder gezielt und mit ausreichender Geschwindigkeit entfeuchtet werden soll. DE000004141798A1 hingegen beschreibt eine Einrichtung zur reinen Temperaturprüfung von Erzeugnissen, insbesondere von elektronischen Baueinheiten. Eine Feuchteregelung ist hier gar nicht vorgesehen. Wie mit sicherheitskritischen Auswirkungen von Temperaturen und Feuchte auf einen in der Entwicklungsphase befindlichen und üblicherweise nicht ausgereiften Hochvolt-Energiespeicher umgegangen wird, wird in beiden vorgenannten Erfindungen nicht betrachtet.
DE102005018142B4 beschreibt eine Klimakammer mit Focus auf der Entfeuchtung der Luft. Hier wird eine Entfeuchtung mittels Zeolithen einer Entfeuchtung auf Basis des Kondensationsprinzips gegenübergestellt. insbesondere wird auf die Schnelligkeit der Feuchte- und Temperaturänderung abgestellt, wobei lediglich die Schnelligkeit der Feuchteänderung quantitativ beschrieben wird. Wie der allgemein bekannten, erheblichen technischen Herausforderung zur Erzielung einer schnellen Temperaturänderung in dieser Erfindung begegnet wird, wird nicht beschrieben, ferner wird quantitativ angegeben, was unter einer schnellen Temperaturänderung verstanden wird. DE000002721862C3 und DE000003630886C1 wiederum stellen eine mögliche technische Ausgestaltung einer Klimakammer mit Be- und Entfeuchtungsfunktion dar. Hier wird eine Konstruktion mit einer großflächigen Wasserschale gewählt, die allerdings aufgrund der dort schnell einsetzenden biologischen Prozesse und der Beschränkungen einer solchen Konstruktion bei Temperaturen unter 0°C und über 100°C nicht mehr zum aktuellen Stand der Technik gezählt werden darf. DE 000019603509 C1 explains a possible arrangement for the generation of humidity in a test room of an environmental simulation device, but not how the test room should be targeted again and dehumidified with sufficient speed. DE000004141798A1 however, describes a device for the pure temperature testing of products, in particular of electronic Units. A humidity control is not provided here. How to deal with safety-critical effects of temperature and humidity in a development phase and usually not mature high-voltage energy storage is not considered in the above two inventions.
DE102005018142B4 describes a climatic chamber with focus on the dehumidification of the air. Here a dehumidification by means of zeolites is compared to a dehumidification based on the condensation principle. in particular, the rapidity of the change in humidity and temperature is considered, with only the rapidity of the change in humidity being described quantitatively. How the generally known, considerable technical challenge to achieve a rapid temperature change is met in this invention, is not described, is also given quantitatively, which is understood by a rapid change in temperature. DE000002721862C3 and DE000003630886C1 In turn, a possible technical design of a climate chamber with humidification and dehumidification function. Here, a design with a large water bowl is selected, however, due to the rapid onset of biological processes and the limitations of such a construction at temperatures below 0 ° C and above 100 ° C may no longer be counted to the current state of the art.

Probleme beim Stand der TechnikProblems with the state of the art

Sämtliche unter 1.1 zitierten Erfindungen sowie bekannten Klimakammern sind zur Prüfung von Hochvolt-Energiespeichern mit einem gefährlichen Energieinhalt ungeeignet. Bestenfalls kommen bekannte Lösungen für die Prüfung von elektro-chemischen Energiespeichern (Batterien) mit niedrigem Energieinhalt, wie sie für mobile Telekommunikationsgeräte, Tablets oder Laptops bzw. andere Anwendungen im Niederspannungs-DC-Bereich verwendet werden, in Frage.
Als gefährlicher Energieinhalt wird in diesem Zusammenhang daher eine Energiemenge definiert, wie sie für den Antrieb eines PKW im regulären Straßenverkehr benötig wird die durch den Prüfling in Folge eines Defektes unkontrollierbar und innerhalb kurzer Zeit freigesetzt werden kann, so dass sie für Menschen in der näheren Umgebung eine schwere gesundheitliche oder lebensbedrohende Gefährdung darstellen bzw. umgebendes Equipment in Folge hoher Temperaturen, Gasdrücke oder Kontamination zerstören würde. Dieser gefährliche Energieinhalt entspricht der gespeicherten Energie eines modernen Lithium-Ionen-Akkumulators, der zum Antrieb eines PKWs geeignet ist und aktuell zwischen ca. 50 kWh und mehreren hundert kWh liegt. Diese Energiespeicher können ein Volumen von mehreren hundert Litern haben und bis zu 1000 kg wiegen.
Die Gefährdung besteht bei bekannten chemischen oder elektro-chemischen Energiespeichern in der unkontrollierten, explosions- oder verpuffungsartigen Freisetzung von Gasen, Verbrennungsprodukten, Trümmerteilen und sich sehr schnell entwickelnden hohen Temperaturen und Drücken.
In der Patentschrift WO002017139826A1 werden die Vorgänge in einem elektro-chemischen Energiespeicher, in diesem Fall einer Lithium-Ionen-Hochvolt-Batterie zum Antrieb von Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugen beschrieben, die sich abspielen, wenn eine der Batteriezellen aufgrund eines Defektes beginnt, ihre gespeicherte Energie freizusetzen und dabei hohe lokale Temperaturen entwickelt. Die hier entstehenden Temperaturen können 800°C und mehr betragen. Dies führt dazu, dass benachbarte, bislang noch intakte Zellen beschädigt werden, was zu einer Kettenreaktion innerhalb der Batterie führt. Diese äußert sich zunächst durch unkontrollierte, explosions- bzw. verpuffungsartige, giftige Rauch- und Gasbildung, die schließlich in einem Brand der gesamten Batterie mündet, der nicht löschbar ist, solange noch Energie in ihr vorhanden ist. Dabei können Leistungen im Bereich mehrerer hundert kW thermisch und chemisch freigesetzt werden. Dieser Vorgang, auch Thermal Runaway genannt, kann lediglich durch das Abschotten und intensive Kühlen der havarierenden Batterie lokal begrenzt, aber nicht gestoppt oder gelöscht werden.
Da man sich insbes. in der Automobilindustrie dieser Gefahren bewusst ist, beschreibt DE102011116740 A1 ein Verfahren und Vorrichtung zur Sicherung, insbesondere Entschärfung einer beschädigten Hochvoltbatterie eines Fahrzeugs durch Zerteilung der Batterie mit einem Wasserstrahlschneider. Dieses setzt jedoch eine gute Zugänglichkeit der Batterie, ihre Transportfähigkeit, die örtliche Nähe einer Wasserstrahlschneidanlage und insbesondere die Tatsache voraus, dass der Thermal Runaway früh genug erkannt und die Kettenreaktion noch nicht eingesetzt hat. Nicht beachtet wird in diesem Vorschlag außerdem, dass z.B. bei über Nacht laufenden Langzeittests an Energiespeiehern die Reaktionszeit des Prüfpersonals stark verlängert wäre, so dass automatisch einsetzende Gegenmaßnahmen und vor allem die räumliche Begrenzung des Havarieerignisses bereits bei der Planung des Prüfplatzes/des Labors berücksichtig werden müssen. Denn selbst wenn sich im Havariefall keine Menschen im Gefahrenbereich befänden, würde bei einem freistehenden Prüfaufbau durch die entstehenden giftigen Rauchgase und deren Reaktionsprodukte sämtliches umgebendes Equipment kontaminiert und unbrauchbar werden, was Schäden in Millionenhöhe bedeuten würde.
Da chemische und elektro-chemische Energiespeicher für den Antrieb existenter und zukünftiger Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeuge verwendet werden sollen, sind insbesondere diese Komponenten intensiv vor einer Serienfertigung zu prüfen. Das bedeutet, dass diese insbesondere mindestens unter denjenigen möglichen klimatischen Bedingungen getestet werden müssen, denen auch das spätere Fahrzeug ausgesetzt sein wird. Diese Prüfung muss auch am aktiven, d.h. unter Strom stehenden, elektrische Leistung aufnehmenden und abgebenden Batterie-Prüfling erfolgen, was die Gefahr weiter erhöht, so dass die Prüfung unter extremen Temperatur- und Feuchtebedingungen in Kombination mit elektrischer Höchstleistung des Prüflings die härteste Testanforderung für diese Komponenten - noch vor mechanischen Belastungstests - darstellt.
Während eines Thermal Runaways können stoßartige Innendrücke innerhalb des Prüfraumes sowie Temperaturen von mehreren hundert Grad - selbst bei einsetzender Kühlung - auftreten. Die möglichen Druckspitzen wirken mit enormen Kräften insbesondere auf die Türdichtungen und -scharniere sowie auf die Struktur der Kammerinnenflächen. Aus Videoaufzeichnungen ist bekannt, dass etablierte Dichtungskonzepte durch den Innendruck trotz geschlossener mittiger Türverriegelung von ihrer Dichtfläche aufgrund elastischer Verformung der Türen infolge des Druckes abhoben und Rauch sowie giftige Gase aus der Kammer austreten konnten. Dieser Umstand verlangt daher eine grundlegende Änderung der Kammerstatik und - steifigkeit. Die thermische Trägheit der Masse der metallischen Kammerinnenflächen muss jedoch von der Klimatechnik für Temperaturänderungen überwunden werden, außerdem dürfen zulässige Gesamtgewichtgrenzen nicht überschritten werden, so dass ein Kompromiss zwischen masseerhöhender Verstärkung der Kammerstruktur und Materialeinsatz gefunden werden muss, was eine genaue Untersuchung der steifigkeitserhöhenden Maßnahmen sowie numerische Berechnungen zur Optimierung der Kammerwandstruktur zwingend erforderlich macht.
Die hohen Temperaturen stellen zudem völlig neue Anforderungen an die verwendbaren Materialien zum Bau der Klimakammer. Beispielsweise können die als Stand der Technik bekannten PU-Schaum Füllungen bekannter Klimakammerkonzepte nicht verwendet werden, da dieser - je nach Ausführung - brennbar ist oder zumindest den auftretenden Wandinnentemperaturen nicht standhalten würde. Die Ausführungen der Lösch- und Kaminleitungen innerhalb und aus der Kammer heraus sind hinsichtlich Dichtungstechnologie auf diese Temperaturen abzustimmen, so dass herkömmliche Materialien, wie Elastomerdichtungen oder Quetschverbindungen ausscheiden.
Zur frühzeitigen Erkennung eines Thermal Runaway ist zudem eine spezielle Sensorik erforderlich, die die Prüfraumluft permanent analysiert.
Den daraus hervorgehenden Schutz- und Sicherheitstechnikanforderungen bei gleichzeitiger Erfüllung aller Mess-, Prüf-, Isolations- und Ergonomieanforderungen an die Prüfkammer seitens der Betreiber werden heute verfügbare Klimakammern nicht annähernd gerecht, so dass für die rasant steigenden Anforderungen der Anwendungen in der E-Mobilität grundlegend neue Klimakammerkonzepte erarbeitet werden müssen.All inventions quoted in 1.1 and known climatic chambers are unsuitable for testing high-voltage energy storage with a dangerous energy content. At best, known solutions for the testing of low-energy content electrochemical energy storage devices (batteries), such as those used for mobile telecommunication devices, tablets or laptops or other applications in the low-voltage DC range, come into consideration.
As a dangerous energy content in this context, therefore, an amount of energy is defined, as is required for the drive of a car in regular traffic that can be released uncontrollably by the examinee as a result of a defect and within a short time, so that they are suitable for people in the vicinity pose a serious health or life-threatening hazard or destroy surrounding equipment as a result of high temperatures, gas pressures or contamination. This dangerous energy content corresponds to the stored energy of a modern lithium-ion battery, which is suitable for driving a car and is currently between about 50 kWh and several hundred kWh. These energy stores can have a volume of several hundred liters and weigh up to 1000 kg.
The danger exists in known chemical or electro-chemical energy storage in the uncontrolled, explosive or deflagration-like release of gases, combustion products, debris and very rapidly developing high temperatures and pressures.
In the patent WO002017139826A1 The processes in an electro-chemical energy storage, in this case a lithium-ion high-voltage battery for driving electric, hybrid or fuel cell vehicles are described, which take place when one of the battery cells due to a defect begins to release their stored energy while developing high local temperatures. The resulting temperatures can be 800 ° C and more. As a result, adjacent cells that are still intact are damaged, resulting in a chain reaction within the battery. This manifests itself first by uncontrolled, explosive or deflagration-like, toxic smoke and gas formation, which finally leads to a fire of the entire battery, which is not extinguishable, while there is still energy in it. In this case, powers in the range of several hundred kW can be released thermally and chemically. This process, also known as thermal runaway, can only be locally limited but not stopped or extinguished by the stalling and intensive cooling of the damaged battery.
Since one is aware of these dangers, especially in the automotive industry, describes DE102011116740 A1 a method and apparatus for securing, in particular defusing a damaged high-voltage battery of a vehicle by dividing the battery with a water jet cutter. However, this requires good accessibility of the battery, its transportability, the local proximity of a water jet cutting machine and, in particular, the fact that the thermal runaway has recognized early enough and has not yet used the chain reaction. In addition, this proposal also ignores the fact that, for example, in the case of long-term energy tests over night, the response time of the test personnel would be greatly extended, so that automatically initiated countermeasures and, above all, the spatial limitation of the accident event must already be taken into account in the planning of the test facility / laboratory , Even if there were no people in the danger area in the event of an accident, any surrounding equipment would become contaminated and unusable in a stand-alone test setup due to the toxic gases and their reaction products, which would mean millions of euros worth of damage.
Since chemical and electro-chemical energy storage to drive existing and future electric, hybrid or fuel cell vehicles to be used, especially these components are to be intensively tested before a series production. This means that they in particular must be tested at least under those possible climatic conditions to which the later vehicle will also be exposed. This test must also be carried out on the active, ie live, electrical power receiving and dispense battery test piece, further increasing the hazard, so that the test under extreme temperature and humidity conditions in combination with maximum electrical performance of the test object, the hardest test requirement for this Components - even before mechanical load tests - represents.
During a thermal runaway, shock-like internal pressures within the test room and temperatures of several hundred degrees may occur, even when cooling occurs. The possible pressure peaks act with enormous forces, in particular on the door seals and hinges as well as on the structure of the chamber interior surfaces. From video recordings is known that established sealing concepts through the internal pressure despite closed central door lock from their sealing surface due to elastic deformation of the doors as a result of the pressure lifted and smoke and toxic gases could escape from the chamber. This circumstance therefore requires a fundamental change in the chamber statics and rigidity. However, the thermal inertia of the mass of the metallic interior chamber surfaces must be overcome by the air conditioning for temperature changes, also permissible total weight limits must not be exceeded, so that a compromise between mass-enhancing reinforcement of the chamber structure and material use must be found, resulting in a detailed investigation of the stiffness-increasing measures and numerical Calculations to optimize the chamber wall structure makes mandatory.
The high temperatures also make completely new demands on the materials used to build the climate chamber. For example, known as the prior art PU foam fillings known climate chamber concepts can not be used because this - depending on the version - is flammable or at least the wall internal temperatures would not withstand. The designs of the extinguishing and chimney pipes inside and out of the chamber are to be adapted to these temperatures with regard to sealing technology, so that conventional materials, such as elastomeric seals or crimped joints, are eliminated.
For the early detection of a thermal runaway, a special sensor system is required that permanently analyzes the test chamber air.
The resulting protection and safety requirements, while meeting all test, isolation, isolation and ergonomics requirements for the test chamber on the part of the operators, are nowhere near enough to cope with the climate chambers available today, which is essential for the rapidly increasing demands of e-mobility applications new climate chamber concepts have to be developed.

Wirkung der ErfindungEffect of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Klimakammer bereitzustellen, die die notwendigen Schutz- und Sicherheitstechnikanforderungen zur Prüfung von Energiespeichern im Bereich der E-Mobilität unter klimatischen Extrembedingungen während ihres Betriebes bei gleichzeitiger Erfüllung aller aktuell vorgeschriebener und zukünftiger Mess-, Prüf-, Isolations- und Ergonomieanforderungen seitens der Betreiber unter Verzicht von zukünftig verbotenen Kältemitteln erfüllt. Insbesondere ist eine Wirkung der Erfindung, dass diese im Havariefall Innen-Überdrücken >= 100 mBar und Wandinnentemperaturen von mind. 600°C mind. 90 Minuten standhält und dabei verhindert, dass signifikante Mengen von Verbrennungsprodukten und anderen während der Havarie entstehenden Giften nach außen dringen und das Leben oder die Gesundheit von Menschen gefährden.
Die Wirkung der Erfindung besteht zusammengefasst darin, dass das sichere Testen von leistungsfähigen Hochvolt-Energiespeichern mit bis zu mehreren hundert Kilowattstunden Energieinhalt, wie sie aktuell von der Automobilindustrie benötigt werden, unter klimatischen Extrembedingungen möglich gemacht wird. Bislang bekannte Prüfkammern können diese Ansprüche nicht erfüllen.Object of the present invention is therefore to provide a climate chamber, the necessary protection and safety requirements for testing energy storage in the field of e-mobility under extreme climatic conditions during their operation while fulfilling all currently prescribed and future measurement, testing, insulation - And ergonomic requirements on the part of the operator waiving the future prohibited refrigerants met. In particular, an effect of the invention is that in the event of an accident it can withstand internal pressures> = 100 mbar and internal temperatures of at least 600 ° C for at least 90 minutes, thereby preventing significant amounts of combustion products and other poisons arising during the accident from escaping to the outside and jeopardize the life or health of people.
The effect of the invention is summarized in the fact that the safe testing of powerful high-voltage energy storage with up to several hundred kilowatt hours of energy content, as currently required by the automotive industry, is made possible under extreme climatic conditions. Previously known test chambers can not meet these requirements.

Lösungsolution

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Klimakammer mit den Merkmalen des Anspruches 1.The problem is solved by a climate chamber with the features of claim 1.

Aufbau und Grundelemente der KammerStructure and basic elements of the chamber

1 und 2 zeigen den grundsätzlichen Aufbau der benötigten Klimakammer. Sie ist zunächst aus den Grundelementen Kammerkorpus (1), mit einem abgeteilten, aber atmosphärisch verbundenen Bereich (21) für die Wärmetauscher und Luftumwälzung, ein atmosphärisch getrenntes Klimatechnik-Abteil (23) und den Steuer- und Regelschaltschrank der Klimakammer (24) aufgebaut. Das Klimatechnik-Abteil enthält u.a. Verdichter, Dampferzeugung, Frequenzumrichter, Verrohrung, Kältemittelreservoirs und andere Elemente der Temperatur- und Feuchteerzeugung. Das Innenvolumen des Kammerkorpus, abzüglich des Bereichs (21), ergibt den nutzbaren Prüfraum.
In diesem Prüfraum sollen mindestens 2 Energiespeicher (49), in der Folge „Prüflinge“ genannt, gleichzeitig gestestet werden können. Daher kann die Kammer zusätzlich mit einem Schwerlastregal (50) ausgerüstet werden, was den Prüfraum in so viele Etagen teilt, wie Prüflinge gleichzeitig getestet werden sollen. Das Kondenswasser muss dabei pro Etage separat aufgefangen werden, damit darunterliegende Prüflinge mit ggfs. anderen Betriebszuständen davon nicht querbeeinflusst werden. 2 zeigt das Beispiel von 2 Etagen und zwei Prüflingen. Außen an die Kammer schließen sich die Elemente Leistungsverteilungs-Schrank (12, 31), Gassensorik + Auswerteeinheit (15) an. Letztes Element muss jedoch nicht zwingend an der Kammer befestigt sein, zur Erzielung kürzestmöglicher Leitungslängen von und zum Gerät (14, 29) ist dies jedoch anzustreben.
Die Kammer ist zur Einbringung von Prüflingen mit einer zweiflügeligen Fronttür ausgestattet, deren Flügel sich > 90° öffnen können. Dabei sind die Flügel so ausgestaltet, dass zunächst ein Flügel (37) vollständig geschlossen werden muss, bevor der zweite (3) geschlossen werden kann. Aus Sicherheitsgründen bzw. aufgrund der verpuffungs- oder explosionsartigen Reaktion des havarierenden Prüflings sind Sichtfenster nicht geeignet, da sie einen strukturellen Schwachpunkt der Kammerverstärkung darstellen. Stattdessen werden Videosysteme verwendet.
Die Klimakammer selbst wird von außen mit elektrischer Energie (26), Druckluft (18), Reinwasser (DI-Wasser, 19) und Kühlwasser (20) versorgt. Die Steuerungs- und Regelelektronik der Klimakammer kommuniziert mit dem Sicherheits- und Automatisierungssystem des Prüfstandes über digitale Datenverbindungen (25) unter Verwendung aktueller Kommunikationsprotokolle, z.B. Profinet. Aktuelle Statusinformationen oder Fehlermeldungen sowie ein Bediener-Interface zur Eingabe von Sollwerten, Parametern und anderen Daten auch ohne vorhandenes Automatisierungssystem bietet ein Farb-Display an der Außenseite der Klimakammer (7). Der Kammerstatus wird außerdem über eine 3-farbige Signalleuchte (39) angezeigt.
Die Anforderungen an die Klimakammer liegen für den regulären Prüfbetrieb bei mindestens -40°C Tiefkältetemperatur und mindestens +130°C Maximaltemperatur, sowie 15 - 95 % relative Luftfeuchte. Gleichzeitig muss die Klimakammer mehrere Tonnen thermische Trägheiten der stählernen Innenwände, der Prüflinge und der für sie notwendigen Vorrichtungen überwinden und die thermischen Lasten der Prüflinge im Bereich mehrerer kW auch bei Tiefsttemperaturen kompensieren können. 1 and 2 show the basic structure of the required climate chamber. It is initially made of the basic elements chamber body ( 1 ), with a partitioned but atmospherically linked area ( 21 ) for the heat exchangers and air circulation, an atmospherically separated air-conditioning compartment ( 23 ) and the control cabinet of the climatic chamber ( 24 ) built up. The air conditioning compartment contains, among other things, compressors, steam generation, frequency converters, piping, refrigerant reservoirs and other elements of temperature and humidity generation. The internal volume of the chamber body minus the area ( 21 ), gives the usable test room.
In this test room, at least 2 energy stores ( 49 ), subsequently called "test pieces", can be tested simultaneously. Therefore, the chamber can also be equipped with a heavy-duty rack ( 50 ), which divides the test room into as many floors as DUTs are being tested simultaneously should. The condensation must be collected separately per floor, so that underlying DUTs with possibly. Other operating conditions thereof are not affected. 2 shows the example of 2 floors and two test pieces. Outside the chamber close the elements power distribution cabinet ( 12 . 31 ), Gas sensors + evaluation unit ( 15 ) on. However, the last element does not necessarily have to be fastened to the chamber in order to achieve the shortest possible cable lengths from and to the device ( 14 . 29 ), however, this should be sought.
The chamber is equipped with a double-leaf front door for the introduction of test specimens, whose wings can open> 90 °. The wings are designed so that first a wing ( 37 ) must be completely closed before the second (3) can be closed. For safety reasons or because of the deflagration or explosion-like reaction of the damaged test specimen viewing windows are not suitable because they represent a structural weak point of the chamber reinforcement. Instead, video systems are used.
The climate chamber itself is externally supplied with electrical energy ( 26 ), Compressed air ( 18 ), Pure water (DI water, 19) and cooling water ( 20 ) provided. The control and regulation electronics of the climatic chamber communicate with the safety and automation system of the test bench via digital data links ( 25 ) using current communication protocols, eg Profinet. Current status information or error messages as well as an operator interface for entering setpoints, parameters and other data even without an existing automation system provides a color display on the outside of the climate chamber ( 7 ). The chamber status is also indicated by a 3-color signal light ( 39 ) is displayed.
The requirements for the climatic chamber for the regular test operation are at least -40 ° C freezing temperature and at least + 130 ° C maximum temperature, and 15 - 95% relative humidity. At the same time, the climatic chamber must be able to overcome several tons of thermal inertia of the steel inner walls, the specimens and the devices necessary for them, and be able to compensate the thermal loads of the specimens in the range of several kW even at very low temperatures.

Durchführungen für die elektrische Leistungsbeaufschlagung des PrüflingsFeedthroughs for the electrical power application of the test object

2 zeigt die Klimakammer im Schnitt A-A von vorne. Die Schnittverlaufslinie A-A ist in 1 zu sehen. Die zu testenden Prüflinge (49) sollen während der klimatischen Belastung, die durch die Kammer aufgebracht und gemessen wird, über die DC-Anschlüsse der Kammer (48) bestromt werden.
Die hochenergetischen DC-Anschlüsse (48) der Kammer sind als Stromschienen ausgeführt, woran der Prüfling vom Betreiber mittels prüflings-spezifischer Zuleitungen (51) elektrisch leitend angeschlossen wird. Diese sind von einem nichtleitenden, aber trotzdem temperaturbeständigen Schutzgehäuse (61) innerhalb der Kammer abgedeckt, das eine Möglichkeit bietet, die Spannungsfreiheit direkt an den Stromschienen zu messen, ohne dass die Abdeckung berührt oder entfernt werden muss. Die Stromschienen sind durch Durchführungsöffnungen (47) im Kammergehäuse hindurchgeführt. Diese Durchführungen sind als gasdicht verschweißte Öffnungen des Kammerkorpus ausgeführt und mit redundant ausgeführten, ringförmig um die Durchführungsöffnungen verlegten Heizungen (46) versehen, um den Verlust an Isolationswirkung durch die Öffnung der Kammerwand an dieser Stelle zu kompensieren. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Verschluss der Durchführungen nicht verschweißt sondern demontierbar ausgeführt, um die Heizungen warten zu können. Diese Durchführungen wiederum sind mit temperaturbeständigen, demontierbaren Ausfüllungen gasdicht verschlossen und bieten nur Öffnungen für die Stromschienen, die nach deren Montage wiederum ebenfalls verschlossen sind, so dass Stromschienen und Ausfüllungen eine gasdicht geschlossene, aber demontierbare Einheit bilden. Die Stromschienen münden im Leistungsverteilungsschrank (12, 31) und durchlaufen dort verschiedene Schaltzustände, Prozesse und Messstellen (60) bis zur DC-Energiezuleitung (11, 32). Diese Durchführungen sind sowohl an der linken als auch an der rechten Kammerseite vorhanden. Ihre Anzahl entspricht der doppelten Anzahl der gleichzeitig zu testenden Prüflinge. Das Vorhandensein an beiden Seiten ermöglicht den Anschluss den Prüflings, unabhängig davon, an welcher Seite sich die Leistungsanschlüsse befinden. 2 shows the climatic chamber in section AA from the front. The section line AA is in 1 to see. The test items to be tested ( 49 ) during the climatic load, which is applied and measured by the chamber, via the DC ports of the chamber ( 48 ) are energized.
The high-energy DC connections ( 48 ) of the chamber are designed as busbars, to which the DUT from the operator by means of test-specific supply lines ( 51 ) is connected electrically conductive. These are of a non-conductive, but nevertheless temperature-resistant protective housing ( 61 ) within the chamber, which provides a means to measure the absence of voltage directly on the busbars without having to touch or remove the cover. The busbars are through feedthrough openings ( 47 ) passed in the chamber housing. These bushings are designed as gas-tight welded openings of the chamber body and with redundantly designed, annularly laid around the feedthroughs heaters ( 46 ) to compensate for the loss of insulation effect through the opening of the chamber wall at this point. In a further embodiment of the invention, the closure of the bushings is not welded but designed dismountable to wait for the heaters can. These bushings in turn are gas-tightly sealed with temperature-resistant, removable fillings and only provide openings for the busbars, which in turn are likewise closed after their mounting, so that busbars and fillings form a gas-tight closed but removable unit. The busbars open in the power distribution cabinet ( 12 . 31 ) and go through various switching states, processes and measuring points ( 60 ) to the DC power supply ( 11 . 32 ). These feedthroughs are available on both the left and right side of the chamber. Their number corresponds to twice the number of DUTs to be tested simultaneously. The presence of both sides allows connection of the test objects, regardless of which side the power connections are.

Durchführungen für Niederspannungsversorgung des Prüflings sowie für Mess- und KommunikationsleitungenFeedthroughs for low-voltage supply of the test object as well as for measuring and communication lines

Gleichzeitig zur Bestromung des Prüflings mit hochenergetischer elektrischer Leistung sollen die Steuerungssysteme des Prüflings mit Energie über Niederspannungszuleitungen (9) versorgt werden und die Messgrößen des Prüflings (z.B. Ströme, Spannungen, Temperaturen, Durchflüsse) messtechnisch über verschiedenste analoge und digitale Geräte und Sensoren erfasst und zum Automatisierungs- und Aufzeichnungssystem gesendet werden. Zudem kommuniziert die Sicherheitstechnik und das Automatisierungssystem des Prüfstandes über entsprechende digitale Kommunikationsleitungen u.a. mit dem Prüfling und der Klimakammer. Mess- und Kommunikationsleitungen sind mit den Zuleitungen (8) symbolisch dargestellt und müssen ebenfalls von außen in die Kammer geführt werden. Für diese sensiblen Leitungen (8) sowie für die LV-Versorgung des Prüflings (9) bietet die Kammer eigene Durchführungen (62) mit speziell darauf abgestimmten Dichtungssystemen. Diese Durchführungen sind in ausreichendem Abstand von mind. 300 mm zu den Durchführungen für die Stromschienen (47) angeordnet, um gem. EMV-Richtlinie elektromagnetische Einstrahlungen zu minimieren.At the same time as energizing the test object with high-energy electrical power, the control systems of the test object are to be supplied with energy via low-voltage supply lines ( 9 ) and the measured variables of the device under test (eg currents, voltages, temperatures, flows) are measured by various analogue and digital devices and sensors and sent to the automation and recording system. In addition, the safety technology and the automation system of the test bench communicate via appropriate digital communication lines with the test specimen and the climatic chamber. Measuring and communication lines are connected to the supply lines ( 8th ) symbolically represented and must also be led from the outside into the chamber. For these sensitive lines ( 8th ) as well as for the LV supply of the test object ( 9 ) the chamber offers its own executions ( 62 ) with special on it matched sealing systems. These feedthroughs must be at least 300 mm away from the busbar bushings ( 47 ) arranged to gem. EMC directive to minimize electromagnetic radiation.

Durchführungen für TemperierflüssigkeitsleitungenFeedthroughs for tempering liquid lines

Moderne, hochenergetische Energiespeicher besitzen ein eigenes Kühl- bzw. Temperiersystem, das auch im Fahrzeug, in dem der Energiespeicher verbaut werden soll, betrieben werden muss. Als Transportmedium für die thermische Energie wird i.d.R. eine Flüssigkeit verwendet, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch. Das Temperiersystem des Prüflings kann dabei mehrkreisig ausgeführt sein, so dass mehr als ein Vor- und ein Rücklauf zu versorgen ist.
Damit der Prüfling auch in der Klimakammer während des Tests mit dieser Flüssigkeit durchströmt werden kann, müssen auch diese Leitungen (34) in die Kammer durch spezielle Durchführungen (57) hindurchgeführt werden. Diese Durchführungen sind ebenfalls beheizt ausgeführt und mind. 1x pro Etage vorhanden. Die Durchführung enthält wiederum einen gasdicht montierbaren Einsatz, der eine Anzahl spezielle, leckage-frei trennende, überdruckfeste Medien-Kupplungen (54) enthält. Die Anzahl der pro Einsatz enthaltenen Medienkupplungen entspricht der doppelten Anzahl der Medienkreisläufe des Prüflings, da pro Kreislauf eine Vorlauf- und eine Rücklaufkupplung vorgesehen ist. Diese Kupplungen sind aus Sicherheitsgründen mechanisch kodiert ausgeführt, so dass ein Vertauschen unmöglich ist. An diese Kupplungen kann der Prüfling mit prüflingsspezifischen Medienleitungen (52, 53) angeschlossen werden.Modern, high-energy energy storage systems have their own cooling or temperature control system, which also has to be operated in the vehicle in which the energy store is to be installed. As a transport medium for the thermal energy usually a liquid is used, for example, a water-glycol mixture. The tempering of the test specimen can be carried out in multiple circuits, so that more than one supply and one return to supply.
So that the test specimen can also be flowed through in the climate chamber during the test with this liquid, these lines ( 34 ) into the chamber through special feedthroughs ( 57 ) are passed. These bushings are also heated and at least 1x per floor available. The bushing in turn contains a gas-tight mountable insert containing a number of special, leak-free, overpressure-resistant media couplings ( 54 ) contains. The number of media couplings per insert corresponds to twice the number of medium cycles of the test object, since one flow and one return coupler are provided per circuit. These couplings are mechanically coded for safety reasons, so that interchanging is impossible. The test specimen with test-speci fi c media lines ( 52 . 53 ) are connected.

Sicherheitseinrichtungen der KlimakammerSafety equipment of the climatic chamber

Struktureller Aufbau des KammerkorpusStructural structure of the chamber body

Bereits der strukturelle Aufbau des Kammerkorpus stellt eine wesentliche Sicherheitseinrichtung dar. Innen-Überdruckstöße von 100 mbar und mehr erzeugen Kräfte mit dem Äquivalent der Gewichtskraft von mehreren Tonnen auf die Wände der Klimakammer. Insbesondere die Flügeltüren und ihre Dichtungen stellen hierbei Schwachpunkte dar, denen mit besonderen Lösungen begegnet werden muss, da sich die Kräfte auf die Türflächen auf die Verriegelungspunkte konzentrieren.
Boden, Wände und Decke der Klimakammer sind mehrschichtig aufgebaut. Zunächst besteht der Kammerinnenraum aus einem gasdicht verschweißten Edelstahlbehälter. Die Ecken des Bodens (58) sind verstärkt ausgeführt, um die Füße des Schwerlastregales aufnehmen zu können. Aufgrund der extremen Temperaturen während eines Thermal Runaways werden für die hinter der Edelstahlwand liegende, thermische Isolation nur mineralische Spezial-Hochtemperaturwerkstoffe (44) verwendet. Die Verstärkung der Wände erfolgt durch speziell hierfür optimierte Profile (45), die vorzugsweise T-förmig ausgestaltet sind, aber auch fertigungsbedingt Viereck- oder U-form haben können. Die Gestalt, Anzahl und Anordnung der Profile wird dabei so gewählt, dass keine Wärmebrücken zur Außenwand der Klimakammer entstehen und die thermisch träge Masse der Innenwand nur so weit erhöht wird, wie es für das Abfangen der vom maximalem Energieinhalt der Prüflinge abhängigen, zu erwartenden Druckstöße im Havariefall notwendig ist. Zusätzlich erhalten die Kanten der Kammern gemäß den Ergebnissen der FEM-Analyse gewichts- und räumlich optimierte Versteifungen (59).Already the structural structure of the chamber body represents an essential safety device. Internal overpressure surges of 100 mbar and more generate forces with the equivalent of the weight force of several tons on the walls of the climatic chamber. In particular, the gullwing doors and their seals represent weak points, which must be addressed with special solutions, since the forces are concentrated on the door surfaces on the locking points.
The floor, walls and ceiling of the climatic chamber are multi-layered. First, the chamber interior consists of a gas-tight welded stainless steel container. The corners of the floor ( 58 ) are reinforced designed to accommodate the feet of the heavy duty shelves can. Due to the extreme temperatures during a thermal runaways, the thermal insulation behind the stainless steel wall is only made of special high-temperature mineral materials ( 44 ) used. The walls are strengthened by specially optimized profiles ( 45 ), which are preferably designed T-shaped, but can also have production due quadrangle or U-shape. The shape, number and arrangement of the profiles is chosen so that no thermal bridges to the outer wall of the climatic chamber arise and the thermally inert mass of the inner wall is increased only so far as it depends on the interception of the maximum energy content of the specimens, expected pressure surges in case of emergency is necessary. In addition, according to the results of the FEM analysis, the edges of the chambers receive weight-optimized and spatially optimized stiffeners ( 59 ).

Um nach einem Thermal Runaway die Kammer als Ganzes mit samt dem kontaminierten Inhalt entfernen zu können, ist die Kammer unterfahrbar gestaltet. Diese Unterfahrbarkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Kammer im Gegensatz zu Konstruktionen des Standes der Technik selbsttragend und strukturverstärkt ausgeführt wird, da er nicht mehr flächig auf dem Laborboden aufliegen kann, und dass die Kammer auf einen U-Förmigen Rahmen (38) gestellt wird, der zur Kammerfront hin offen ist und Raum (43) für die Stützgabeln des Hubgerätes bietet.
Das Merkmal der Unterfahrbarkeit bietet auch im reglulären Prüfbetrieb bei wenig Manövrierraum vor der Fronttür der Kammer Vorteile. Eine Kammer mit dieser Eigenschaft gestattet die Arbeit mit einem sich nach vorne abstützenden, elektrischen Hubgerät (E-Ameise) anstelle eines viel schwereren und größeren Staplers mit Gegengewicht auf der Rückseite.In order to be able to remove the chamber as a whole along with the contaminated contents after a thermal runaway, the chamber is designed to be accessible. This rideability is characterized in that the bottom of the chamber is carried out in contrast to constructions of the prior art self-supporting and structurally reinforced because it can no longer rest flat on the laboratory floor, and that the chamber on a U-shaped frame ( 38 ), which is open to the front of the chamber and space ( 43 ) offers for the support forks of the lifting device.
The traction feature also offers advantages in regular test mode with little maneuvering space in front of the front door of the chamber. A chamber with this feature allows you to work with a front-mounted electric (e-ant) hoist instead of a much heavier and larger counterbalanced truck on the back.

Dichtungenseals

Die Dichtungen bekannter Klimakammern sind ein- bzw. bestenfalls zweireihig ausgeführt. Um ein optimales Dichtigkeitsergebnis zu erzielen, sind diese Dichtungen aus elastomeren Werkstoffen, meist als Halbrund-Profil ausgeführt.
Aufgrund der im Havariefall auftretenden hohen Innentemperaturen von bis zu 600°C Wandinnentemperatur und mehr können diese Werkstoffe allein für die sensiblen Fronttürdichtungen nicht verwendet werden. Da selbst hochtemperaturbeständige Elastomermischungen, wie z.B. Silikone, spätestens bei 300°C thermischer Dauerbelastung versagen, ist das Dichtungskonzept hier grundlegend neu zu definieren.
Die Erfindung löst dieses Problem durch zwei mögliche Konzepte:The seals known climatic chambers are one or at best carried out in two rows. In order to achieve an optimal seal, these seals are made of elastomeric materials, usually designed as a semi-circular profile.
Due to the high indoor temperatures of up to 600 ° C internal wall temperature and more, these materials can not be used for the sensitive front door seals alone. Since even high-temperature-resistant elastomer mixtures, such as silicones, fail at the latest at 300 ° C thermal continuous load, the sealing concept is here to redefine fundamentally.
The invention solves this problem by two possible concepts:

passives Dichtungskonzeptpassive seal concept

5 zeigt zunächst den ersten (37) und zweiten Türflügel (3), die an der Klimakammerfront mit mind. 3 Scharnieren (66) angebracht sind. Der erste Türflügel ist zuerst zu schließen, da er eine vertikale Dichtungs-Auflagefläche (67) für den zweiten Türflügel bietet. Die übrigen Dichtungs-Auflageflächen werden durch die vertikalen Flächen der Kammerkorpus-Front (68) gebildet. Die Oberfläche dieser Flächen (67, 68) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Rauhtiefe R_z von 2 µm nicht überschreitet und korrosionsbeständig ausgeführt ist, um eine optimale Dichtwirkung zu erzielen. 5 first shows the first ( 37 ) and second door ( 3 ), which at the climatic chamber front with at least 3 hinges ( 66 ) are mounted. The first door should be closed first, as it has a vertical sealing bearing surface ( 67 ) for the second door. The remaining seal bearing surfaces are defined by the vertical surfaces of the chamber body front ( 68 ) educated. The surface of these surfaces ( 67 . 68 ) is characterized in that it does not exceed a roughness R _z of 2 microns and is designed to resist corrosion, in order to achieve an optimum sealing effect.

Die Dichtung hingegen ist in der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie mind. dreireihig ausgeführt und wie folgt aufgebaut ist:
Die innerste Dichtung (63) ist aus hochtemperaturbeständigem, gasdichtem elastomerem Material, z.B. Silikon oder EPDM, als nach außen stehendes, geschlossenes Halbrundprofil ausgeführt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat diese Dichtung ein zum Kammerinneren hin offenes Doppelprofil, das sich bei Beaufschlagung der Kammer mit Innendruck verstärkt an die Dichtflächen (67, 68) anpresst. Diese Dichtung (63) hat die Aufgabe, die nachfolgende Dichtung (64) im regulären Prüfbetrieb vor Feuchtigkeit durch Kondenswasser zu schützen. Versagt die innere Dichtung (63) im Havariefall, greift die zweite, zur ersten Dichtung parallel verlaufende Dichtung (64, gestrichelte Linie). Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mineralischem Material, das 600°C und mehr dauerhaft wiederstehen kann, aufgebaut ist. Aufgrund des Aufbaus aus mineralischem Material sind diese Dichtungen nicht vollständig gasdicht. Diese Dichtung (64) hat daher die Aufgabe, Rauchgase und vor allem dessen Temperatur von der dritten, wiederum aus gasdichtem Hochtemperatur-Elastomer ausgeführten Dichtung (65) so lange abzuschirmen, bis der havarierende Prüfling seine Energie abgegeben hat. Aufgrund dieser thermischen Abschirmung können die Temperaturen, denen die äußere Dichtung (65) während des Havariefalles ausgesetzt sein wird, unter die Versagensgrenze des elastomeren Materials, aus dem sie besteht, gedrückt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat auch diese Dichtung das oben erwähnte, zum Kammerinneren hin offene Doppelprofil.The seal, however, is characterized in the invention in that it is executed at least three rows and constructed as follows:
The innermost seal ( 63 ) is made of high-temperature resistant, gas-tight elastomeric material, such as silicone or EPDM, designed as an outwardly standing, closed half-round profile. In a further embodiment of the invention, this seal has an open towards the chamber interior double profile, which is reinforced upon application of the chamber with internal pressure to the sealing surfaces ( 67 . 68 ) presses. This seal ( 63 ) has the task, the following seal ( 64 ) in the regular test operation to protect from moisture by condensation. Fails the inner seal ( 63 ) in case of emergency, engages the second, parallel to the first seal gasket ( 64 , dashed line). This is characterized in that it is made of mineral material that can withstand 600 ° C and more permanently. Due to the construction of mineral material, these seals are not completely gas-tight. This seal ( 64 ) has therefore the task of flue gases and especially its temperature of the third, in turn made of gas-tight high-temperature elastomer seal ( 65 ) to shield until the failing candidate has given up his energy. Due to this thermal shielding, the temperatures to which the outer seal ( 65 ) during the accident, will be pushed below the failure limit of the elastomeric material of which it is made. In a further embodiment of the invention, this seal also has the above-mentioned double profile open towards the interior of the chamber.

aktives Dichtungskonzeptactive sealing concept

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das unter a) beschriebene Dichtungskonzept im Havariefall weiter thermisch entlastet werden, was dadurch gekennzeichnet ist, dass im Havariefall mind. die Dichtungs-Auflageflächen (68) aktiv gekühlt werden. Dazu werden hinter den Dichtungs-Auflageflächen (68) Kühlkörper thermisch leitend mit diesen verbunden. Diese Kühlkörper werden im Havariefall von Kühlflüssigkeit durchströmt. Die hierfür notwendigen, thermisch isolierten Kreislaufpumpen werden durch die Gas- und Brandsensorik der Klimakammer (15) ausgelöst.In a further embodiment of the invention, the sealing concept described under a) can be further thermally relieved in the event of an accident, which is characterized in that in the event of an accident at least the sealing bearing surfaces ( 68 ) are actively cooled. For this purpose, behind the seal bearing surfaces ( 68 ) Heat sink thermally conductively connected with these. These heat sinks are flowed through in the event of an accident of coolant. The thermally insulated circulation pumps required for this purpose are controlled by the gas and fire sensors of the climatic chamber ( 15 ).

Schließungenclosures

Die auftretenden Druckstöße im Havariefall erfordern neben einem ausgefeilten Dichtungskonzept auch ein geeignetes Schließungskonzept für die Türflügel (37, 3). Videoaufnahmen von Havariefällen in Klimakammern, ausgeführt im Stand der Technik, haben gezeigt, dass durch die enormen Gasdrücke im Inneren der Kammer die Türflügel selbst im verriegelten Zustand so weit aufdrücken können, dass die Dichtungen von der Dichtfläche abhoben und Gase und Verbrennungsprodukte in das Labor entweichen konnten.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Problem gelöst, indem die Anzahl der Schließungen erheblich erhöht und diese so an den Türflügeln angeordnet werden, dass die auf je einen Schließungspunkt entfallenden Spannungen unterhalb der Streckgrenze R_e des Materials, aus dem er gefertigt ist, bleiben. 3 zeigt die schematische Frontansicht der Erfindung mit insg. 7 Verriegelungspunkten (41) statt der üblichen 2 Verriegelungspunkte bei aktuellen Klimakammern. Die Herausforderung liegt hierfür darin, das Schließungskonzept trotz der erheblichen Schließpunkterhöhung auch für den regulären Prüfbetrieb handhabbar und kontrollierbar zu machen.
Diese Probleme wiederum werden mit der vorliegenden Erfindung am Beispiel der 4, die eine mögliche Ausgestaltung des im Folgenden allgemein beschriebenen Schließungskonzeptes darstellt, wie folgt gelöst:

a) Das Schließungsgetriebe, bestehend aus Rollenlagerführungen an den Verriegelungspunkten (41, 9x), Gleitlagerführungen an den Türflügeln (42, 12x), Linearschubgestänge (69), Getriebegehäuse (70) und Bedienungshebel (71) ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Schließungen der Tür mit nur einem elektronisch überwachten Türverriegelungsschalter (5, stromlos verriegelt) kontrolliert werden können, um ein wettbewerbsfähiges Produkt anbieten zu können.
b) Das Schließungsgetriebe ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Türflügel (3) erst verriegelt werden kann, nachdem der erste (37) nicht nur geschlossen, sondern auch verriegelt wurde. Dies wird durch eine im Schließungsgetriebe integrierte, mechanische Blockade der Linearbewegung des Schubgestänges des zweiten Türflügels erreicht, für den Fall, dass der erste Türflügel sich nicht in seiner Verriegelungsstellung befindet. Diese Maßnahme ist notwendig, um Fehler des Laborpersonals im regulären Betrieb sicher zu vermeiden, da eine nicht verriegelte Tür im Havariefall ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.
c) Das Schließungsgetriebe ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es außerhalb des Türflügels angeordnet wird, um den extremen klimatischen Verhältnissen innerhalb der Klimakammer nicht ausgesetzt zu sein und Wärmebrücken zu vermeiden.
d) Im Weiteren ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Zustand der Verriegelung die sicherheitstechnische Überwachung des Zustandes, ob die Türen geschlossen sind, überwacht wird, da die Verriegelung auch bei offenen Türen betätigt werden könnte. Hierfür werden geeignete Sensoren verwendet, z.B. elektronische Türkontaktschalter (40), die so montiert sind, dass eine Manipulation nicht spurlos möglich ist. Ein Start des Prüflaufes bzw. eine Aktivierung der Klimafunktionen der Kammer sowie die Aufschaltung von Strömen auf den Prüfling wird durch die Sicherheitslogik der Klimakammer erst freigegeben, wenn beide Überwachungseinheiten (5, 40) den Zustand „geschlossen“ bzw. „verriegelt“ an das Prüfstands-Automatisierungssystem melden.
e) Es wird eine reibungsoptimierte Gleit- und Rollenlagerkombination zur Führung des Schließmechanismus aus geeigneten Materialpaarungen, z.B. PTFE-Edelstahl und Bronze-Edelstahl gewählt.
f) Es werden die Schließungsöffnungsdrehmomente für den Bediener durch die kollisionsfreie Vergrößerung des Hebelarmes des Schließungshebels (43) ausreichend reduziert
g) Die Erfindung ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass eine Person, die versehentlich im Inneren der Klimakammer eingeschlossen sein sollte, jederzeit die Türflügel durch eine Entriegelungsvorrichtung (6, 4) von innen mechanisch mit entriegeln kann und jederzeit die Funktion der Klimakammer durch Betätigen eines innenliegenden Not-Stop-Tasters (35, 36) stoppen kann.

The pressure surges occurring in the event of an accident require not only a sophisticated sealing concept but also a suitable closing concept for the door wings ( 37 . 3 ). Video recordings of accidents in climate chambers, carried out in the prior art, have shown that the enormous gas pressures inside the chamber, the door even in the locked state can press so far that the seals lifted off the sealing surface and escape gases and combustion products in the laboratory could.
With the present invention, the problem is solved by the number of locks significantly increased and they are arranged on the door wings, that each account for a point of closure stresses below the yield strength R _{e of} the material from which it is made remain. 3 shows the schematic front view of the invention with a total of 7 locking points ( 41 ) instead of the usual 2 locking points in current climatic chambers. The challenge lies in making the closure concept manageable and controllable for the regular inspection operation, despite the significant increase in the number of locking points.
These problems in turn are exemplified by the present invention 4 , which represents a possible embodiment of the closing concept generally described below, as follows:

a) The closing gear consisting of roller bearing guides at the locking points ( 41 . 9x) , Sliding bearing guides on the door wings ( 42 . 12x) , Linear push rods ( 69 ), Transmission housing ( 70 ) and operating lever ( 71 ) is characterized in that all door closures with only one electronically monitored door lock switch ( 5 , electrolessly locked) can be controlled in order to offer a competitive product.
b) The closing gear is further characterized in that the second door ( 3 ) can not be locked until after the first (37) not only closed, but also locked. This is achieved by an integrated in the closing gear, mechanical blockage of the linear movement of the thrust rod of the second door leaf, in the event that the first door is not in its locking position. This measure is necessary in order to reliably avoid mistakes of the laboratory personnel in the regular enterprise, since an unlocked door in the event of an accident represents a considerable security risk.
c) The closing gear is further characterized in that it is arranged outside the door leaf to the extreme be exposed to climatic conditions within the climatic chamber and to avoid thermal bridges.
d) Furthermore, the invention is characterized in that in addition to the state of the locking, the safety monitoring of the state, whether the doors are closed, is monitored, since the lock could be operated even with open doors. Suitable sensors are used for this, eg electronic door contact switches ( 40 ), which are mounted so that a manipulation is not possible without a trace. A start of the test run or an activation of the climatic functions of the chamber and the connection of currents to the DUT is released by the safety logic of the climate chamber until both monitoring units ( 5 . 40 ) report the status "closed" or "locked" to the test bench automation system.
e) A friction-optimized sliding and roller bearing combination for guiding the locking mechanism is selected from suitable material pairings, eg PTFE stainless steel and bronze stainless steel.
f) The closing opening torques for the operator are determined by the collision-free enlargement of the lever arm of the closing lever ( 43 ) reduced sufficiently
g) The invention is also characterized in that a person who should be accidentally trapped inside the climatic chamber, at any time the door by an unlocking device ( 6 . 4 ) can unlock mechanically from inside and at any time the function of the climatic chamber by pressing an internal emergency stop button ( 35 . 36 ) can stop.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Schließpunkte auch flächig zuhaltend ausgeführt sein. Hierfür werden die Scharniere (68) durchgängig ausgeführt und die Türflügel durch Zuhalteprofile über ihre gesamte Breite oder weite Teile davon verriegelt.In a further embodiment of the invention, the closing points can also be designed to hold flat. For this, the hinges ( 68 ) consistently and locks the door by Zuhaltprofile over its entire width or large parts thereof.

Passives Abluft- und DruckentlastungssystemPassive exhaust and pressure relief system

Im Havariefall entstehen große Gasmengen innerhalb kürzester Zeit in der Klimakammer. Um den entstehenden Überdruckstoß schnell abbauen zu können, verfügt die Erfindung über mind. eine passive Druckausgleichsklappe (17). 2 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung mit 2 solcher Klappen, die bei Über- oder Unterdruck rein mechanisch aktiviert öffnen und das entstehende Gas kontrolliert einen darüber sich anschließenden hochtemperaturfest und ex-geschützt ausgeführten Abgaskamin (72) leiten. Nachdem sich der Kammerinnendruck wieder innerhalb der Öffnungsgrenzen der Klappe befindet, schließt die Klappe wieder.
Dieser Abgaskamin hat aufgrund der hochtemperaturfesten Ausführung ein erhebliches Gewicht, dass sich auf der Klimakammer abstützen muss. Dafür ist die Erfindung mit einem Trägersystem (16) ausgerüstet, das in die statische Struktur der Klimakammer integriert ist, die Gewichtskräfte des Kamins von der isolierenden Kammerdecke fernhält und diese über vertikale Verstärkungen in den Wänden in den Boden einleitet.In the event of an accident, large amounts of gas are generated within a very short time in the climatic chamber. In order to rapidly reduce the resulting overpressure surge, the invention has at least. A passive pressure equalization flap ( 17 ). 2 shows an embodiment of the invention with 2 such flaps that open purely mechanically activated at positive or negative pressure and the resulting gas controls an adjoining high-temperature resistant and ex-protected executed exhaust gas fireplace ( 72 ) conduct. After the chamber internal pressure is again within the opening limits of the flap, the flap closes again.
Due to the high-temperature-resistant design, this exhaust gas chimney has a considerable weight that has to be supported on the climate chamber. For this, the invention with a carrier system ( 16 ), which is integrated into the static structure of the climatic chamber, keeps the weight of the chimney from the insulating chamber ceiling and initiates it via vertical reinforcements in the walls in the ground.

Aktives SpülluftsystemActive purge air system

Währen des regulären Betriebes der Klimakammer können bei Energiespeicher-Prüflingen durch kleine Leckagen explosive Gasgemische entstehen, insbesondere bei hoher Dauertemperaturbelastung. Hierbei ist zu beachten, dass die Zufuhr von Außenluft in die Klimakammer insbesondere bei Tiefkälte innerhalb der Klimakammer eine erhebliche thermische Mehrbelastung für die Klimatechnik bedeuten kann, so dass eine solche Außenluft -Zufuhr stufenlos regelbar und begrenzbar sein muss.
Zudem kann es nach dem Ende eines Havariefalles notwendig sein, die Klimakammer mit Frischluft oder anderen Spülgasen zu spülen.
Schließlich stellt der Stand der Technik der Feuchteregelung bei Klimakammern, insbesondere zu schnellen Entfeuchtung des Prüfraumes, eine unbefriedigende Lösung dar, da die durch die Befeuchtungstechnik eingebrachte Luftfeuchte der Kammerluft wieder mühsam durch energieintensive Trocknungsprozesse entzogen werden muss. Hierfür werden z.B. teure Kältetrockner und ein relativ langsamer Trocknungsprozess benötigt.During normal operation of the climate chamber, explosive gas mixtures can be created by small leaks in energy storage test specimens, especially at high continuous temperature load. It should be noted that the supply of outside air into the climate chamber can mean a significant additional thermal load for the air conditioning, especially in deep freezing within the climate chamber, so that such an external air supply must be continuously adjustable and limited.
In addition, after the end of an accident, it may be necessary to flush the climate chamber with fresh air or other purge gases.
Finally, the state of the art of humidity control in climate chambers, in particular for rapid dehumidification of the test chamber, an unsatisfactory solution, since the introduced by the humidification humidity of the chamber air must again be laboriously withdrawn by energy-intensive drying processes. This requires, for example, expensive refrigeration dryers and a relatively slow drying process.

Die Erfindung löst alle diese Probleme durch ein aktives Spülluftsystem. Dieses führt der Klimakammer Frischluft über eine dicht schließende, normal geschlossene und regelbare Zuluftklappe (2) zu. Der Unterdruck für die Ansaugung von Frischluft wird durch einen drehzahlgeregelten Spülluftventilator erzeugt, der sich außerhalb der Klimakammer im Spülluftrohrsystem befindet und daher in 1 und 2 nicht dargestellt ist. Der Spülluftstrom verlässt die Erfindung wieder über eine entsprechende Abluftklappe (27), die über die gleichen Eigenschaften wie die Zuluftklappe verfügt und mit der Regelung der Zuluftklappe synchronisiert ist. Eine thermische Mehrbelastung der Klimatechnik wird durch die Regelbarkeit und Begrenzbarkeit des Klappenantriebes bereitgestellt. Somit kann die Ansammlung eines explosiven Gasgemisches in der Klimakammer ausgeschlossen werden.
Dieses Spülluftsystem kann zudem zur effizienten Entfeuchtung des Prüfraumes verwendet werden. Anstatt die in der Klimakammer befindliche feuchte Luft zu trocknen, kann diese mit dem Spülluftsystem zunächst aus dem Prüfraum gesaugt und gegen Außenluft aus dem bereits klimatisierten Laborbereich getauscht werden, was innerhalb weniger Sekunden erfolgen kann. Der Entzug der Restfeuchte aus diesem Luftvolumen kann dann mit viel weniger Energie und deutlich schneller erfolgen.The invention solves all these problems by an active purge air system. This leads the climate chamber fresh air through a tight-fitting, normally closed and controllable inlet flap ( 2 ) too. The negative pressure for the intake of fresh air is generated by a speed-controlled scavenging air fan, which is located outside of the climate chamber in the purge air pipe system and therefore in 1 and 2 not shown. The purge air flow leaves the invention again via a corresponding exhaust air flap ( 27 ), which has the same characteristics as the supply damper and is synchronized with the inlet damper control. A thermal load of the air conditioning technology is provided by the controllability and limitability of the damper drive. Thus, the accumulation of an explosive gas mixture in the climate chamber can be excluded.
This purge air system can also be used for efficient dehumidification of the test room. Instead of drying the humid air in the climate chamber, this can be done with the scavenging air system initially sucked out of the test room and exchanged for outside air from the already air-conditioned laboratory area, which can be done within a few seconds. The removal of residual moisture from this volume of air can then be done with much less energy and much faster.

Konstruktive Vermeidung von Zündquellen innerhalb der KammerConstructive avoidance of ignition sources within the chamber

Die Erfindung ist insbesondere wegen der Gefahr der Bildung von explosiven Gasgemischen durch Leckagen der Prüflinge so ausgelegt, dass alle elektrischen Elemente innerhalb der Kammer kontaktlos schalten und insbesondere elektrische Antriebe, wie z.B. die der Luftumwälzungsventilatoren (22) außerhalb der Kammer liegen oder ex-geschützt ausgeführt sind.The invention is designed in particular because of the risk of the formation of explosive gas mixtures by leaks of the specimens so that all electrical elements within the chamber contactless switch and in particular electrical drives, such as the air circulation fans ( 22 ) are outside the chamber or ex-protected.

Gas- und BranddetektionGas and fire detection

Im Falle von Lithium-Ionen-Batterien sind spezifische Kohlenwasserstoffe und andere Gase bekannt, die Anzeichen von Problemen des Prüflings sein können. Hierzu zählt eine ungewöhnlich hohe O₂-Konzentration. Ein Havariefall oder Brand hingegen kündigt sich i.d.R. zunächst durch Rauchbildung an. Am Markt verfügbare Klimakammern verfügen nicht über eine solche spezialisierte Gas-Sensorik, die überdies den Temperaturen des regulären Prüfbetriebes gewachsen sein muss.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Sensorsystems (15), das auf die Prüfung von chemischen und elektrochemischen Energiespeichern abgestimmt ist.
Dieses Sensorsystem besteht zunächst aus einem Gasansaugsystem, das kontinuierlich über eine entsprechende Ansaugleitung (14) aus der Kammer eine geringe Menge Gas ansaugt, die thermische Energie des Gases mit einem Wärmetauschersystem reduziert und diese mindestens mittels einem speziell auf die Prüfanforderung abgestimmten HC-, O2- und Rauchsensors in Echtzeit analysiert, um sie schließlich über eine Rücklaufleitung (29) der Klimakammer wieder zuzuführen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können H₂, CO-, NO_x- und weitere Gassensoren hinzukommen. Bei Überschreiten einer kritischen Konzentration, die als ein Anteil der unteren Explosionsgrenze (UEG) definiert ist, löst das System Voralarm aus. Bei weiter steigender Konzentration leitet das System nach Überschreiten einer zweiten Schwelle, die ebenfalls noch von der UEG entfernt ist, die Abschaltung des Prüfstandes sowie Brandbekämpfungsmaßnahmen ein. Zudem wird unmittelbar Alarm ausgelöst.In the case of lithium-ion batteries, specific hydrocarbons and other gases are known, which may be indications of problems of the test sample. This includes an unusually high O ₂ concentration. An accident or fire, however, usually announces itself first by smoke. Climate chambers available on the market do not have such a specialized gas sensor system, which must also be able to cope with the temperatures of the regular test operation.
The invention solves this problem by providing a sensor system ( 15 ), which is tailored to the testing of chemical and electrochemical energy storage.
This sensor system initially consists of a gas intake system, which is continuously connected via a corresponding intake line ( 14 ) draws a small amount of gas from the chamber, reduces the thermal energy of the gas with a heat exchanger system and at least analyzed by means of a specially tailored to the test requirement HC, O2 and smoke sensor in real time, finally to a return line ( 29 ) to recycle the climate chamber. In a further embodiment of the invention H ₂ , CO, NO _x - and other gas sensors can be added. If a critical concentration, defined as a fraction of the lower explosion limit (LEL), is exceeded, the system triggers a pre-alarm. If the concentration continues to rise, the system initiates the shutdown of the test bench and firefighting measures after exceeding a second threshold, which is also still away from the LEL. In addition, an alarm is triggered immediately.

BrandbekämpfungssystemeFire fighting systems

Im Havariefall ist eine sofortige Kühlung des im Thermal Runaway befindlichen Prüflings erforderlich. Eine Löschung ist nicht mehr möglich. Auch ein Sauerstoffentzug (Ersticken) hilft nicht, da eine havarierende Batterie diesen selbst erzeugt. Um den Schaden so gering wie möglich zu halten, ist der Brand so schnell und effizient wie möglich zu bekämpfen, da in der verhältnismäßig kleinen Klimakammer ansonsten sehr schnell sehr hohe Temperaturen erreicht werden könnten.
Die Erfindung löst dieses Problem durch den Einsatz einer Sprühvernebelungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass diese von einem Reinwasserreservoir über die Zuleitungen (13, 30) gespeist wird und als Vernebelungsgas z.B. Argon verwendet wird. Mit diesem nicht-toxischen und reaktionsträgen Edelgas wird das Löschwasser vor dem Austritt aus der Düse (56) sehr fein zerstäubt, was die Oberfläche des Löschwassers maximiert und damit einen besseren Energieabtransport vom Brandherd durch die Verdunstungswärme des Kühlmediums erzielt. Gleichzeitig wird der Sauerstoff im Prüfraum von dem Zerstäubungsgas verdrängt und somit eine Inertisierungswirkung zusätzlich zur Kühlwirkung erzeugt. CO₂-Löschanlagen eignen sich aufgrund der Toxizität und der Reaktionsfähigkeit des Gases und der damit verbundenen Gefährdung von Personen bei der Größe des Prüfraumes der Erfindung ebensowenig wie Löschsysteme, die mit Stickstoff arbeiten, da Stickstoff im Brandfall mit den Batteriebestandteilen Lithium und Magnesium reagieren kann. Das Reinwasserreservoir für die Sprühvernebelung ist in der Erfindung so dimensioniert, dass die vom brennenden Prüfling abgegebene Energie der Kühlungs- und Verdunstungsenergie des Kühlmediums entspricht.
Sollte das Havarieereignis nach Aufbrauchen des Reinwasserreservoirs trotzdem nicht beendet sein, bietet die Erfindung Anschlussstellen für Feuerwehr-Schläuche, die reguläres Hydrantenwasser zu in der Erfindung zusätzlich vorhandenen, herkömmlichen Sprinklerdüsen (55) über entsprechende Zuleitungen (10, 33) leiten um die Kühlung fortzusetzen. Um auf jeder Etage der Prüfkammer ein optimales Brandbekämpfungsergebnis zu erzielen, bietet die Erfindung auf jeder Etage seitlich angebrachte Sprühvernebelungs- und Sprinklerdüsen (55, 56).
Um die berechnete Kühlwirkung garantieren zu können, muss sichergestellt sein, dass die Löschwasserleitungen (30, 13) und Düsen (55,56) in der Klimakammer, die dem Brand unmittelbar ausgesetzt sind, gerade in diesem Fall funktionsfähig bleiben. Das wiederum bedeutet, dass herkömmliche Dichtungswerkstoffe für Rohrleitungsverbindungen wie PTFE oder polymere Kleber oder Kunststoffe ausscheiden, da diese bei den hohen Brandtemperaturen versagen würden. Zusätzlich erfordern die extremen klimatischen Bedingungen, denen die Löschdüsen und -leitungen im regulären Betrieb der Klimakammer dauerhaft und für viele Jahre ausgesetzt sind, besondere Materialeigenschaften und Konstruktionsvorgaben. Die enormen Temperatursprünge bewirken zudem sehr hohe thermische Wärmedehnungen der Leitungen, die Möglichkeit der Bildung von Kondenswasser an den Leitungen grenzt die Materialauswahl weiter ein.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Verwendung rein formschlüssiger Rohrverbindungen mit hochtemperaturfesten Dichtflächen. Zudem werden ausschließlich Edelstähle verwendet, um einen Verschleiß durch Korrosion auszuschließen. Darüber hinaus werden die Rohre in elastomeren Lagerungen aufgehängt, um die enormen Wärmedehnungen zu kompensieren und die Leitungen zudem elektrisch von den Wänden zu isolieren.In the event of an emergency, immediate cooling of the specimen in the thermal runaway is required. A deletion is no longer possible. Even a withdrawal of oxygen (asphyxiation) does not help, as a damaged battery generates it itself. In order to minimize the damage as much as possible, the fire is to be combated as quickly and efficiently as possible, since in the relatively small climatic chamber otherwise very high temperatures could be reached very quickly.
The invention solves this problem by the use of a spray misting system, characterized in that this from a pure water reservoir via the supply lines ( 13 . 30 ) is fed and as nebulizing gas, for example, argon is used. With this non-toxic and inert inert gas, the extinguishing water before exiting the nozzle ( 56 ) very finely atomized, which maximizes the surface of the extinguishing water and thus achieves a better energy removal from the fire by the heat of evaporation of the cooling medium. At the same time, the oxygen in the test chamber is displaced by the atomizing gas and thus generates an inerting effect in addition to the cooling effect. CO ₂ extinguishing systems are due to the toxicity and reactivity of the gas and the associated risk to persons in the size of the test room of the invention as little as extinguishing systems that work with nitrogen, since nitrogen can react in case of fire with the battery components lithium and magnesium. The pure water reservoir for spray misting is dimensioned in the invention so that the energy emitted by the burning test specimen corresponds to the cooling and evaporation energy of the cooling medium.
Should the accident event after consumption of the pure water reservoir still not be completed, the invention provides connection points for fire brigade hoses, the regular hydrant water to additionally present in the invention, conventional sprinkler nozzles ( 55 ) via corresponding supply lines ( 10 . 33 ) to continue cooling. In order to achieve an optimum firefighting result on each floor of the test chamber, the invention offers on each floor laterally attached spray misting and sprinkler nozzles ( 55 . 56 ).
In order to guarantee the calculated cooling effect, it must be ensured that the extinguishing water pipes ( 30 . 13 ) and nozzles ( 55 . 56 ) in the climatic chamber, which are directly exposed to the fire, remain functional in this case. This, in turn, means that conventional sealing materials will segregate pipe joints such as PTFE or polymeric adhesives or plastics, as they would fail at high fire temperatures. In addition, the extreme climatic conditions to which the extinguishing nozzles and pipes are exposed during regular operation of the climate chamber permanently and for many years require special material properties and design specifications. The enormous temperature jumps also cause very high thermal expansion of the Lines, the possibility of formation of condensation on the lines further limits the choice of materials.
The invention solves this problem by the use of purely positive-fit pipe connections with high temperature resistant sealing surfaces. In addition, only stainless steels are used to prevent wear due to corrosion. In addition, the tubes are suspended in elastomeric bearings to compensate for the enormous thermal expansion and also to electrically isolate the leads from the walls.

LöschwasserentsorgungExtinguishing cleansing

Nach einem Havarieereignis ist das Löschwasser durch Verbrennungs- und andere Reaktionsprodukte kontaminiert und kann nicht ohne weiteres ins Abwasserssystem geleitet werden.
Die Erfindung wird dieser Anforderung gerecht, indem sie einen Löschwasserauffang im Kammerinneren und eine gezielte Ableitungsmöglichkeit, z.B. ein Ablassventil, vorsieht. Über dieses Ablassventil kann dann das kontaminierte Löschwasser in vom Betreiber vorzuhaltende Behälter geleitet und mit diesen dann einer fachgerechten Entsorgung zugeführt werden.After a disaster, the extinguishing water is contaminated by combustion and other reaction products and can not be easily fed into the sewage system.
The invention meets this requirement by providing an extinguishing water intake in the chamber interior and a targeted derivation possibility, eg a drain valve. About this drain valve, the contaminated extinguishing water can then be passed to be kept in containers by the operator and then supplied to a professional disposal.

Energieautarker, außenliegender TemperatursensorEnergy-autonomous, external temperature sensor

Da die Kammer aus Sicherheitsgründen ohne Fenster ausgestattet ist und die für den regulären Betrieb vorgesehenen Videosysteme der Erfindung im Havariefall ebenfalls schnell versagen werden, muss der eintreffenden Feuerwehr zur Bewertung der Ereignisse im Kammerinneren, aus denen sich unmittelbar die Vorgehensoptionen ableiten, zumindest die Kammer-Innentemperatur als Information bereitgestellt werden. Diese Information wird insbesondere für die Entscheidung benötigt, wann die Kammer von der Feuerwehr geöffnet werden kann.
Die Erfindung löst dieses Problem durch einen Temperatursensor (28), dadurch gekennzeichnet, dass dieser an der Außenseite der Klimakammer angebracht ist, auch bei Wegnahme der Spannungsversorgung oder Stromausfall noch ausreichend lange funktioniert, von einem Computersystem unabhängig ist und ein hochtemperaturfestes Temperaturmessprinzip besitzt sowie über eine gasdicht und überdruckfest verschlossene Durchführung in das Kammerinnere direkt mit den dort herrschenden Temperaturen in Berührung ist.Since the chamber is equipped for security reasons without windows and the intended for regular operation video systems of the invention in the event of an accident also quickly fail, the incoming fire department to assess the events inside the chamber, from which directly derive the options, at least the chamber internal temperature be provided as information. This information is needed in particular for the decision as to when the chamber can be opened by the fire department.
The invention solves this problem by a temperature sensor ( 28 ), which is mounted on the outside of the climate chamber, even for removal of the power supply or power failure still works long enough, is independent of a computer system and has a high temperature resistant temperature measurement principle and a gas-tight and overpressure sealed execution in the chamber directly with the temperatures prevailing there are in contact.

Unabhängiger TemperaturbegrenzerIndependent temperature limiter

Auch Fehlbedienungen oder Fehlfunktionen der Klimakammer können einen Havariefall eines geladenen Energiespeichers durch Übertemperatur auslösen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch einen Temperaturschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, dass dieser von der Klimakammer-Temperaturlimitierung unabhängig und redundant ausgeführt ist sowie mindestens über die thermische Sicherheitsklasse 2 verfügt und die Klimakammer bei Überschreiten der einstellbaren Grenzen abschaltet.Incorrect operation or malfunction of the climate chamber can cause an accident of a charged energy storage due to overheating.
The invention solves this problem by a temperature protection switch, characterized in that it is designed to be independent of the climate chamber temperature limitation and redundant and at least on the thermal safety class 2 and switches off the climate chamber when the adjustable limits are exceeded.

Automatische Abschaltung von Prüflingen und FremdgerätenAutomatic switch-off of test items and third-party devices

Verbleiben nach Beendigung des Prüflaufes eingeschaltete elektrische Verbraucher in einer abgeschalteten Klimakammer, sorgen diese aufgrund des geschlossenen Volumens und der guten Isolation der Klimakammer für einen raschen Anstieg der Temperatur, was zur Zerstörung dieser Geräte, wie z.B. teures Messgerät, und/oder des Prüflings führen kann.If electrical consumers switched on at the end of the test run remain in a climate chamber which has been switched off, they cause a rapid increase in the temperature due to the closed volume and the good insulation of the climate chamber, which leads to the destruction of these devices, e.g. expensive meter, and / or the test object.

Die Erfindung löst dieses Problem durch Bereitstellung eines potenzialfreien Kontaktes für den Anschluss dieser Geräte, der beim Abschalten der Klimakammer ebenfalls zu einem Abschalten des angeschlossenen Gerätes führt.The invention solves this problem by providing a potential-free contact for the connection of these devices, which also leads to a shutdown of the connected device when switching off the climatic chamber.

Klimatisierungstechnikclimate control technology

TemperierungstechnikTemperierungstechnik

Die Beheizung des Prüfraumes über elektrische Wärmetauscher entspricht dem Stand der Technik und stellt für die Maximaltemperaturen des regulären Prüfbetriebes keine technische Herausforderung dar. Auch sind Temperaturen von bis zu 200 °C ohne weiteres mit Temperaturänderungsgeschwindigkeiten von > 2 K/min ohne weiteres erreichbar und dauerhaft haltbar, ohne das die Kammer Schaden nähme. Bei Klimakammern bildet vielmehr die Kältetechnik die technische Herausforderung, da diese im Gegensatz zum Aufheizen gegen eine positive thermische Last des Prüflings, also einen Wärmeeintrag in die Kammer im Bereich mehrerer kW, arbeiten muss. Diese thermische Last strahlt der Prüfling auch nach Erreichen der tiefstmöglichen Raumtemperatur ab. Anforderung an die Kältetechnik ist hier, diese Temperatur trotz der Wärmeabstrahlung des Prüflings konstant zu halten. Gleichzeitig sinkt jedoch die Abkühlgeschwindigkeit physikalisch bedingt mit fallenden Minustemperaturen aufgrund des sinkenden ΔTs zwischen Wärmetauscheroberfläche und Prüfraum. Hinzu kommt die thermische Trägheit der im Prüfraum befindlichen Massen, einschließlich der Kammerinnenwand selbst samt ihrer Verstärkung, die sich durch die geometrischen Dimensionen der vorliegenden Erfindung auf mehrere Tonnen Stahl/Metall plus Prüflingsmasse aufsummieren kann. Forderungen der Industrie nach hohen Abkühlgeschwindigkeiten von mehreren K/min erfordern neue Konzepte, um mit dem zur Verfügung stehenden Bauraum und den erlaubten Kältemitteln wettbewerbsfähige Produkte anbieten zu können. Aktuell sind die weit verbreiteten und seit vielen Jahren eingesetzten Kältemittel R23 und R404 A für Neukonstruktionen ab 2020 nach der F-Gase-Verordnung verboten und deren Verfügbarkeit in der Zukunft daher nicht mehr gesichert. Weniger umweltschädliche Ersatzstoffe haben andere thermodynamische Eigenschaften, die in neuen Temperierungskonzepten für Klimakammern berücksichtigt werden müssen und zu grundlegenden Neudimensionierungen und /oder Neukonzeptionierungen, wie in der vorliegenden Erfindung der Fall, führen können.
Bei Klimakammern, ausgeführt im Stand der Technik, kommen konventionelle thermostatische Einspritzventile, meist in Kombination mit einer hohen Anzahl herkömmlicher Magnetschaltventile sowie in weiter Verbreitung die Kältemittel R404 A und /oder R23 zum Einsatz. Die Überhitzung des Kältemittels kann pro Ventil dort nur für einen ganz bestimmten Temperaturbeharrungspunkt eingestellt werden. Das bedeutet, wenn das Ventil im Kälte-Teillastbereich betrieben wird, kann ein sog. „Pendeln“ („Hunting“) der Regelung auftreten. Hierdurch wird die Regelung unsauber und Energie geht verloren. Zusätzlich steht die Energie, die zum Öffnen der Gegendruckfeder der Expansionsventile aufgewendet werden muss, nicht dem Prozess zur Verfügung. Zudem wird die Fläche des Verdampfers nicht vollständig ausgenutzt, was längere Laufzeiten des Verdichters und andere Nachteile bedingt. Insbesondere sinkt die Energieeffizienz der Klimakammer signifikant.
Die Erfindung löst dieses Problem durch Einsatz eines anwendungsspezifisch konstruierten, neuartigen Systems von elektronischen, druck - und temperaturgeregelten Expansionsventilen, dadurch gekennzeichnet, dass mit diesen ein geringeres Δp als mit konventionellen thermostatischen Ventilen benötigt und eine genaue Anpassung an die Grenzwertlinie des Verdampfers möglich wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass sich die Überhitzung des Kältemittels dann automatisch pro Ventil für den jeweils benötigten Temperaturpunkt anpassen kann. Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem über eine adaptive Regelung verfügt und dadurch eine optimale Befüllung und damit Flächenausnutzung des Verdampfers selbst bei großen Saugdruckschwankungen gewährleistet werden kann, was erhebliche Energieeinsparungen bei gleicher Leistung wie konventionelle Klimakammern zur Folge hat. Auch kann mit dieser Technik auf die verbotenen Kältemittel R404A und R23 verzichtet werden.
Die Kältetechnik der Erfindung kann dabei sowohl mit einem Verdichter, als auch als Kaskade aus mehreren Verdichtern ausgeführt sein. Weiterhin kann das Ventilsystem der Erfindung selbstlernend ausgeführt sein und ist pro Ventil mit Schaugläsern ausgerüstet, was die Wartungsfreundlichkeit erheblich steigert, da die Qualität der Flüssigkeit (Verschmutzungen, Kavitation, Flüssigkeitsstand, etc.) ventilspezifisch visuell beurteilt werden kann.The heating of the test chamber via electrical heat exchangers corresponds to the prior art and does not represent a technical challenge for the maximum temperatures of the regular test. Also, temperatures of up to 200 ° C readily with temperature change rates of> 2 K / min easily accessible and durable without which the chamber would be harmed. In the case of climatic chambers, refrigeration technology is the technical challenge because, in contrast to heating up, it must work against a positive thermal load of the test object, ie a heat input into the chamber in the range of several kW. This thermal load radiates the DUT even after reaching the lowest possible room temperature. Demands on the refrigeration technology is here to keep this temperature constant despite the heat radiation of the specimen. At the same time, however, the cooling rate decreases physically due to falling minus temperatures due to the decreasing ΔT between the heat exchanger surface and the test chamber. Added to this is the thermal inertia of the masses located in the test chamber, including the chamber inner wall itself, together with its reinforcement, which can be summed up by the geometric dimensions of the present invention to several tons of steel / metal plus DUT mass. Industrial demands for high cooling rates of several K / min require new concepts in order to be compatible with the available Space and the permitted refrigerants to be able to offer competitive products. Currently, the widely used and used for many years refrigerants R23 and R404 A banned for new constructions from 2020 according to the F-gas regulation and their availability in the future therefore no longer secured. Less polluting substitutes have other thermodynamic properties that must be considered in new conditioning concepts for climatic chambers and may lead to fundamental redimensioning and / or redesigns as is the case in the present invention.
In climate chambers, carried out in the prior art, come conventional thermostatic injectors, usually in combination with a large number of conventional solenoid valves and in widespread use of the refrigerant R404 A and / or R23 for use. The overheating of the refrigerant can be adjusted per valve there only for a very specific Temperaturbeharrungspunkt. This means that when the valve is operated in the cold partial load range, a so-called "hunting" of the control can occur. As a result, the scheme is dirty and energy is lost. In addition, the energy that must be used to open the counterpressure spring of the expansion valves, not the process available. In addition, the area of the evaporator is not fully utilized, resulting in longer run times of the compressor and other disadvantages. In particular, the energy efficiency of the climate chamber drops significantly.
The invention solves this problem by employing an application specific, novel system of electronic, pressure and temperature controlled expansion valves, characterized in that it requires a lower Δp than conventional thermostatic valves and allows accurate adjustment to the evaporator limit line. This opens up the possibility that the overheating of the refrigerant can then automatically adjust per valve for each required temperature point. The invention is further characterized in that the valve system has an adaptive control and thereby optimal filling and thus area utilization of the evaporator can be ensured even with large Saugdruckschwankungen, resulting in significant energy savings with the same performance as conventional climatic chambers result. Also, using this technique on the banned refrigerant R404A and R23 be waived.
The refrigeration technique of the invention can be carried out both with a compressor, as well as a cascade of several compressors. Furthermore, the valve system of the invention can be designed to be self-learning and is equipped per valve with sight glasses, which greatly increases the ease of maintenance, since the quality of the liquid (contamination, cavitation, liquid level, etc.) can be assessed visually valve-specific.

Be- und EntfeuchtungHumidification and dehumidification

Bei Klimakammern, ausgeführt im Stand der Technik, erfolgt die Befeuchtung des Prüfraumes über Dampferzeuger, die den Dampf über sog. Lanzen in den Prüfraum leiten. Diese Dampferzeuger sind Zukauf-Module und entsprechen dem Stand der Technik.In climate chambers, carried out in the prior art, the humidification of the test chamber via steam generator, which conduct the steam via so-called lances in the test room. These steam generators are additional modules and correspond to the state of the art.

Moderne Prüfanforderungen machen jedoch immer schnellere Feuchteänderungen innerhalb des Prüfraumes notwendig, da der Prüfling in möglichst kurzer Zeit unterschiedlichsten Klimaprofilen ausgesetzt ein soll. DE102005018142B4 beschreibt zwar ein mögliches Prinzip einer schnellen Entfeuchtung, jedoch sind hierfür sog. Zeolithe erforderlich. Dieses recycelbare mineralische Material wird in dieser Erfindung in Körben in den Luftkanal eingebracht und muss von dort auch wieder entnommen und nach der Anwendung in separaten Trocknungsgeräten recycelt werden.
Für die vorgenannte Anwendung, die Prüfung von chemischen und elektrochemischen Energiespeichern ist dieses Entfeuchtungsprinzip nicht geeignet. Die hochautomatisierten Prüfläufe sind auf flexible Entfeuchtungsprinzipen angewiesen und können sich nicht von der Feuchteaufnahmekapazität von Zeolithen abhängig machen. DE102005018142B4 beschreibt auch nicht, wie die in den Zeolithen verbliebene Rest-Feuchteaufnahmekapazität gemessen wird. Ein solcher Wert ist jedoch eine Information, die zur Planung eines oftmals mehrtägigen Prüflaufes in einer Klimakammer grundlegend notwendig wäre. Andere Lösungen arbeiten mit bauraumintensiven Kältetrocknern zusätzlich zur Klimatisierungstechnik, die die eingebrachte Feuchte der Prüfraumluft wieder energieintensiv und zwangläufig sehr langsam entziehen müssen, weil ein Lufttausch diesen Klimakammern nicht möglich ist.
Die Erfindung löst dieses Problem durch Nutzung des unter 1.4.5.5 beschriebenen Sicherheitstechnikmerkmals „aktives Spülluftsystem“. Diese primär für die Verhinderung der Bildung von explosionsfähigen Gasgemischen vorgesehene Eigenschaft der Klimakammer kann aufgrund seiner stufenlosen Regelbarkeit auch zur schnellen Entfeuchtung des Prüfraumes durch Austausch der feuchten Prüfraumluft gegen trockene Labor- oder Außenluft genutzt werden. Die verbliebene Restfeuchte kann mittels Heißgasabtauung des Verdampfers oder durch Einsatz der Elektroheizungen, je nach angeforderten Klimaprofil, erfolgen. Dadurch wird eine schnelle und ressourcen-unabhängige, flexible Entfeuchtung möglich, wie sie für moderne Prüfanforderungen notwendig ist. Zudem können kosten- und bauraumintensive Kältetrockner entfallen.However, modern test requirements make ever faster changes in humidity within the test room necessary, since the test specimen in the shortest possible time a variety of climatic profiles exposed. DE102005018142B4 Although it describes a possible principle of rapid dehumidification, so-called zeolites are required for this purpose. This recyclable mineral material in this invention is placed in baskets in the air duct and must be removed from there again and recycled after use in separate drying equipment.
For the aforementioned application, the testing of chemical and electrochemical energy storage this dehumidification principle is not suitable. The highly automated test runs rely on flexible dehumidification principles and can not depend on the moisture absorption capacity of zeolites. DE102005018142B4 Nor does it describe how the residual moisture uptake capacity remaining in the zeolites is measured. However, such a value is information that would be fundamentally necessary for planning an often multi-day test run in a climate chamber. Other solutions work with space-intensive refrigeration dryers in addition to the air conditioning technology, which must withdraw the introduced humidity of the test chamber again energy-intensive and inevitably very slowly, because an air exchange these climatic chambers is not possible.
The invention solves this problem by using the safety feature "active purging air system" described in 1.4.5.5. Due to its stepless controllability, this characteristic of the climatic chamber, which is primarily intended to prevent the formation of explosive gas mixtures, can also be used for rapid dehumidification of the test chamber by replacing the moist test chamber air with dry laboratory or outside air. The remaining residual moisture can be done by hot gas defrosting the evaporator or by using the electric heaters, depending on the requested climate profile. This enables fast and resource-independent, flexible dehumidification, which is necessary for modern test requirements. In addition, costly and space-intensive refrigerant dryer can be omitted.

Abtauung defrosting

Werden Klimakammern, ausgeführt im Stand der Technik, unterhalb von +4°C über längere Zeit betrieben und kann dabei Luftfeuchtigkeit wiederholt eindringen, z.B. durch Undichtigkeiten, häufiges Öffnen der Türen oder Feuchtigkeit, die durch den Prüfling selbst eingebracht wird, kann es zu einer Vereisung des Verdampfers kommen. Um diesen abzutauen, müssen solche Klimakammern in gewissen Zeitabständen manuell auf höhere Raumtemperaturen aufgeheizt werden. Dies erfordert genaue Kenntnisse des Prüfstandsbetreibers von der Kältetechnik der Klimakammer, die nicht immer vorausgesetzt werden können, so dass es zu unerwünschten Ausfällen der Kammer und Stillständen des Prüfbetriebes kommen kann.
Die Erfindung löst dieses Problem durch eine in der Software der Klimakammer berücksichtigte Funktion, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Abtaubegrenzungsfühlers automatisch die Abtauung gestartet und beendet wird sowie dadurch gekennzeichnet, dass die Abtauung ausschließlich durch eine Heißgaszufuhr zum Verdampfer und nicht durch den Einsatz von Elektroheizungen durchgeführt wird, so dass die Raumtemperatur dadurch nicht steigt und der Verdampfer unmittelbar eisfrei wird. Dies ermöglicht die automatische Integration der Abtauung in das Prüflaufprofil, so dass keine Stillstandszeiten hierdurch bedingt werden.If climatic chambers, carried out in the prior art, operated below + 4 ° C for a long time and can penetrate humidity repeatedly, eg by leaks, frequent opening of the doors or moisture, which is introduced by the examinee itself, it can lead to icing come of the evaporator. In order to defrost this, such climatic chambers must be manually heated to higher room temperatures at certain intervals. This requires precise knowledge of the test bed operator of the refrigeration of the climate chamber, which can not always be assumed, so that it can lead to unwanted chamber failures and shutdowns of the test operation.
The invention solves this problem by a function taken into account in the software of the climatic chamber, characterized in that the defrost is started and stopped automatically by means of a defrost limit sensor and characterized in that the defrost carried out exclusively by a hot gas supply to the evaporator and not by the use of electric heaters so that the room temperature does not rise and the evaporator immediately becomes ice-free. This allows the automatic integration of defrosting in the test run profile, so that no downtime caused by this.

Erreichte VorteileAchieved benefits

Mit der vorliegenden Erfindung wird der Vorteil erreicht, dass das sichere Testen von leistungsfähigen Hochvolt-Energiespeichern mit bis zu mehreren hundert Kilowattstunden Energieinhalt und Spannungen von bis zu 1000 V unter klimatischen Extrembedingungen, wie es aktuell Aufgabe der Automobilindustrie ist, überhaupt erst möglich gemacht wird. Bislang bekannte Prüfkammern können diese Ansprüche, insbesondere solche an die Überdruck- und Temperaturfestigkeit im Havariefall, bei gleichzeitiger Erfüllung aller aktuell vorgeschriebener und zukünftiger Mess-, Prüf-, Isolations- und Ergonomieanforderungen seitens der Betreiber nicht erfüllen.With the present invention, the advantage is achieved that the safe testing of powerful high-voltage energy storage with up to several hundred kilowatt hours of energy and voltages of up to 1000 V under extreme climatic conditions, as is currently the task of the automotive industry, is made possible in the first place. Previously known test chambers can not meet these requirements, in particular those on the overpressure and temperature resistance in the event of an accident, while at the same time fulfilling all currently prescribed and future measurement, test, isolation and ergonomic requirements on the part of the operator.

Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther embodiment of the invention

Weitere Ausgestaltungen der besonderen Merkmale der Erfindung sind der Beschreibung der einzelnen Merkmale unter 1.4 jeweils angefügt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann als sog. „Abuse-Prüfkammer“ bezeichnet werden. In einer solchen Ausgestaltung sind sogenannte „Abusetests“, also Tests, bei denen der Prüfling gezielt und kontrolliert zur Havarie gebracht wird um die dann stattfindenden Vorgänge zu studieren, wiederholbar möglich.Further embodiments of the special features of the invention are the description of the individual features under 1.4 respectively added.
Another embodiment of the invention may be referred to as a so-called "Abuse test chamber". In such a configuration are so-called "Abusetests", ie tests in which the candidate is deliberately and controlled brought to the accident to study the then occurring processes, repeatable possible.

Hierfür sind sämtliche Dichtungen (63, 64, 65) hochtemperaturfest und demontierbar gestaltet, da diese regelmäßig bei solchen Tests verschleißen werden. Die Robustheit des Kammerkorpus ist durch Verstärkung der unter 1.4.1 beschriebenen Versteifungsmaßnahmen (45) gesteigert. Ebenfalls sind die Wärmetauscher, die sich im mit dem Prüfraum verbundenen Bereich (21) befinden, thermisch robust zu gestaltet und demontierbar/modular ersetzbar ausgeführt. Zusätzlich weist die Kammer in den Kanten (59) und Ecken (58) weitere 45°-Querverstrebungen auf, um einen Verzug durch die wiederholte, extreme Temperaturbeaufschlagung zu verhindern. Sämtliche Elemente der Durchführungen für Stromschienen (47), Medien (57) und Niedervolt-/Datenleitungen (62) sind einfach tauschbar gestaltet.For this purpose, all seals ( 63 . 64 . 65 ) designed high temperature resistant and removable, as they are regularly wear out in such tests. The robustness of the chamber body can be improved by reinforcing the stiffening measures described under 1.4.1 ( 45 ) increased. Likewise, the heat exchangers located in the area connected to the test room ( 21 ), designed to be thermally robust and designed to be removable / modular replaceable. In addition, the chamber in the edges ( 59 ) and corners ( 58 ) further 45 ° cross struts to prevent distortion by repeated, extreme temperature exposure. All elements of busbar bushings ( 47 ), Media ( 57 ) and low-voltage / data cables ( 62 ) are designed to be exchangeable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2995929 A2
WO 00/2017157864 A1 [0003]
EP 000002743675 A1 [0003]
DE 000004336405 C2 [0003]
CN 000204234107 U [0003]
DE 102015009795 B3 [0003]
DE 102016200538 A1 [0003]
DE 102013014414 A1 [0003]
EP 000002433761 B1 [0003]
DE 202010008616 U1 [0003]
DE 000019818627 C5 [0003]
DE 000019603509 C1 [0004]
DE 000004141798 A1 [0004]
DE 102005018142 B4 [0004, 0033]
DE 000002721862 C3 [0004]
DE 000003630886 C1 [0004]
WO 002017139826 A1 [0005]
DE 102011116740 A1 [0005]

Claims

Climate chamber with temperature and humidity control for the test of e-mobility high-voltage batteries, fuel cells or other energy storage or equipped or connected drive units with hazardous energy content, characterized by the following features: a) chamber volume, suitable for at least. A battery under test, the drive energy mind b) internally gas-tight welded, overpressure and high-temperature resistant chamber body acc. Patent description, which is completely crossed with reinforcing T, U or 4-corner hollow profiles (45) on the walls, floor and ceiling, without forming thermal bridges to the outside and exclusively with mineral, high-temperature resistant, non-flammable, or fusible insulating material is filled, which is able to withstand internal wall temperatures in the event of an accident of at least 600 ° C min. 90 min and pressure surges> = 100 mBar c) heavy duty shelf or Prüflingsaufnahme inside the chamber with at least one floor and condensate drainage d ) overpressure and high temperature resistant bushings for supply and return of electrical power (47), cooling media (57) and low voltage / data lines (62) for at least one test object e) drive-in (38, 43) f) at least one power distributor, which provides the electrical power inside the chamber to busbars or other designed connections g) hochtemperaturfes Protective devices (61) which allow the operator to determine the free of voltage of the busbars / power connections without removing the protective device. h) Three - row high - profile door seals (63, 64, 65) with closed profile, which may also be actively cooled in 5 i) electronically monitored closures with at least 7 locking points ( 3 and 4 ), j) electronically monitored door conditions (40) k) emergency opening function for persons locked in (4,6) I) passive, reversible exhaust and pressure relief system (16, 17, 73) m) active scavenging air system (2, 27) n) constructive avoidance ignition sources through contactless or explosion-proof components in contact with the test chamber atmosphere o) Gas and fire detection system for battery-specific hydrocarbons, oxygen and smoke (14, 15, 29). p) Non-toxic argon water spray misting system (56) and additional sprinkler system (30, 55) q) Extinguishing water collection and drainage option r) Self-powered, external temperature sensor (28) s) Independent temperature limiter t) Automatic shutdown of test items and third-party equipment u ) Controllability by an external automation and safety system via a current communication protocol v) energy-efficient air conditioning technology, characterized in that it - a system of electronic, adaptively pressure- and temperature-controlled expansion valves, which can be self-learning - temperature change rates of at least 2 K. / min on the average or higher with simultaneous radiant heat compensation of the test object of several kW and the compensation of thermal inertia of several tons of steel and the test object can realize - a refrigeration system containing a single compressor the required temperature - the defrosting of the evaporator can be done automatically and without significantly increasing the test chamber temperature - without the new R404A and R23 refrigerants, which are banned in Germany from 2020 onwards

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that the air conditioning system comprises a compressor system comprising a plurality of smaller compressors (cascade)

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that the hinges (68) running continuously and the door leaves (37, 3) can be locked by Zuhalteprofile over its entire width or large parts thereof

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that the gas sensor for analyzing the chamber internal air (14, 15, 29) to sensors for CO, and / or NO _x -, and / or H ₂ compounds is extended

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that the chamber due to the reinforcing measures described in 1.6 repeatable for deliberately caused accident states of specimens, so-called. "Abuse tests" can be used

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that the bushings also for the passage of process gases and gaseous reaction products of the taking place in the test specimen Process are suitable or are extended to couplings for such

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that it has its own safety technology control cabinet with safety PLC in addition to their own control cabinet (24)

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that it does not have a fire extinguishing system in a cost-optimized variant, but only a smoke and / or gas warning system

Climatic chamber after Claim 1 , characterized in that it does not have a refrigeration technique with a system of electronic, pressure and temperature controlled expansion valves in a cost optimized variant, but is equipped with conventional thermostatic injectors

Climatic chamber after Claim 1 and 8th , characterized in that it is equipped in a cost-optimized variant with the banned since 2020 in Germany in new designs refrigerant R404A and / or R23