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Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung für eine elektrochemische Zelle, eine Baugruppe mit einer Testvorrichtung sowie ein Verfahren zum Testen einer elektrochemischen Zelle.
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Elektrochemische Zellen werden in vielfältigen Anwendungen als Energiespeicher eingesetzt, unter anderem in der Form von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Oft werden mehrere elektrochemische Zellen zu einem Modul zusammengefasst, das dann beispielsweise als Energiespeicher in einem Fahrzeug verbaut wird.
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Damit ein Defekt einer elektrochemischen Zelle, insbesondere eine Beschädigung, die einen internen Kurzschluss in der Zelle hervorruft, nicht zu Schäden in der Umgebung der Zelle führt, werden Sicherungsmaßnahmen bekannter Art ergriffen.
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Bei einem bekannten Test wird versucht, die elektrochemische Zelle zu einem thermischen Durchgehen (im Englischen auch „thermal runaway“ genannt) zu bringen, bei dem ein lokaler Kurzschluss der internen Elektroden zu einer lokalen starken Temperaturerhöhung im Inneren der Zelle führt. Diese hat aufgrund der inhärenten Beschleunigung elektrochemische Reaktionen bei höheren Temperaturen oft eine Zerstörung der elektrochemischen Zelle zur Folge.
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Um das Verhalten einer elektromagnetischen Zelle unter kontrollierten Bedingungen zu testen, ist es notwendig, z.B. einen internen Kurzschluss in einer elektrochemischen Zelle gezielt herbeiführen zu können, vorzugsweise auch dann, wenn diese elektrochemische Zelle innerhalb eines Moduls verbaut ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Testvorrichtung und eine Baugruppe sowie ein Testverfahren bereitzustellen, mit denen zu Testzwecken in einer elektrochemischen Zelle gezielt ein interner Kurzschluss mit vorgegebenen Eigenschaften erzeugt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Testvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Diese Testvorrichtung für eine elektrochemische Zelle ist dazu vorgesehen, im Inneren der elektrochemischen Zelle angeordnet zu werden, und weist eine Schaltvorrichtung auf, die dazu vorgesehen ist, mit zwei stromführenden Elektroden der elektrochemischen Zelle mit unterschiedlicher Polarität elektrisch verbunden zu werden. Die Schaltvorrichtung weist wenigstens eine kathodische und eine anodische Teilelektrode auf, die benachbart, aber mit einem Zwischenraum angeordnet sind, wobei die Schaltvorrichtung in einem Ausgangszustand geöffnet ist, sodass kein elektrischer Strom zwischen den Teilelektroden fließen kann, und die Schaltvorrichtung in einem Kurzschlusszustand geschlossen ist, in dem der Zwischenraum zwischen den Teilelektroden überbrückt ist, sodass ein elektrischer Strom zwischen den stromführenden Elektroden der elektrochemischen Zelle und durch die Teilelektroden fließen kann.
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Bei Auslösen der Testvorrichtung wird die Schaltvorrichtung in ihren Kurzschlusszustand überführt und so gezielt ein Kurzschluss im Inneren der elektrochemischen Zelle hergestellt, anhand dessen sich das Verhalten der elektrochemischen Zelle und gegebenenfalls die Wirksamkeit der vorgesehenen Sicherungssysteme überprüfen lässt.
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Neben der durch die Verwendung der Schaltvorrichtung gegebenen Reproduzierbarkeit der Erzeugung des Kurzschlusses ist auch von Vorteil, dass der Widerstand der Schaltvorrichtung im Kurzschlusszustand exakt bekannt ist, sodass der Stromfluss im Inneren der elektrochemischen Zelle im Kurzschlusszustand erfassbar ist.
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Zu Testzwecken werden einzelne elektrochemische Zellen oder Unterzellen im Inneren einer elektrochemischen Zelle präpariert. Durch Auslösen der Testvorrichtung wird dann gezielt ein Kurzschluss in der oder den präparierten Zellen durch Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den stromführenden Elektroden herbeigeführt. Dabei kann die Reaktion der Zelle unter Testbedingungen beobachtet werden.
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Die Schaltvorrichtung sollte so ausgelegt sein, dass ein schnelles und sicheres Schließen eines Kurzschlussstromkreises möglich ist. Ein Öffnen der Schaltvorrichtung und ein Unterbrechen des Kurzschlussstromkreises müssen hingegen nicht vorgesehen sein.
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Vorzugsweise kann der Stromfluss über die Schaltvorrichtung im Kurzschlusszustand so lange aufrechterhalten werden, bis in der Zelle Bedingungen für ein thermisches Durchgehen herrschen oder, dementsprechend, bis sichergestellt ist, dass ein thermisches Durchgehen durch die eingebauten Sicherungsvorrichtungen verhindert ist.
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Die Schaltvorrichtung ist vorteilhaft möglichst einfach aufgebaut, um ein zuverlässiges Schließen zu ermöglichen. Gleichzeitig sollte sie so robust gestaltet sein, dass sie dem Kurzschlussstrom einer elektrochemischen Zelle, der mehrere 100 bis mehrere 1000 A betragen kann, über die gewünschte Zeitdauer bis hin zu einigen Sekunden standhalten kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltvorrichtung eine elektrisch leitfähige Kontaktsubstanz, die im Ausgangszustand durch einen Spalt von wenigstens einer der Teilelektroden beabstandet gehalten ist, wobei die Kontaktsubstanz so angeordnet ist, dass sie beim Übergang in den Kurzschlusszustand unter Schwerkrafteinfluss in den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Teilelektroden gelangt und diesen überbrückt und so die Schaltvorrichtung schließt. Eine komplexe Schaltmechanik kann so vermieden werden, es ist lediglich erforderlich, die Kontaktsubstanz von einem Träger zu lösen, woraufhin diese von alleine in den Zwischenraum zwischen den Teilelektroden fällt und mechanisch den Zwischenraum zwischen den Teilelektroden überbrückt, um den Kurzschlusskreis zu schließen.
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Vorzugsweise ist die Kontaktsubstanz im Ausgangszustand von sämtlichen Teilelektroden beabstandet und z.B. oberhalb eines Elektrodenpaars aufgehängt. Es wäre aber auch denkbar, die Kontaktsubstanz an einer der Teilelektroden so zu fixieren, dass sie bei Auslösen des Schaltvorrichtung aufgrund der Schwerkraft den Zwischenraum zu einer benachbarten Teilelektrode der entgegengesetzten Polarität überbrückt.
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Die Kontaktsubstanz ist dabei bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit und auch bezüglich ihrer Masse natürlich so zu wählen, dass sie im Kurzschlusszustand den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Teilelektroden unterschiedlicher Polarität ausreichend füllt und die zu erwartende Strommenge unter Kurzschlussbedingungen sicher durch die Kontaktsubstanz von einer Teilelektrode zur anderen fließen kann. Die Kontaktsubstanz sollte daher einen möglichst geringen elektrischen Widerstand und ein ausreichend großes Volumen aufweisen.
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Die Kontaktsubstanz kann beliebig gewählt werden, beispielsweise in Form eines einzelnen Festkörpers oder einer Vielzahl von Festkörpern. Die Kontaktsubstanz kann auch durch eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit gebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kontaktsubstanz aus einem Material, das sich im Ausgangszustand im festen Aggregatzustand und im Kurzschlusszustand im flüssigen Aggregatzustand befindet. In diesem Fall ist sowohl eine sichere Befestigung im Ausgangszustand möglich, indem die Kontaktsubstanz als Festkörper zurückgehalten werden kann, als auch ein Auffüllen des Zwischenraums mit geringem elektrischen Widerstand an den Kontaktstellen zwischen der Kontaktsubstanz und den Teilelektroden, da in diesem Moment die Kontaktsubstanz als Flüssigkeit in den Zwischenraum fließt und somit einen flächigen elektrischen Kontakt zu den Teilelektroden ausbildet.
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Im Ausgangszustand befindet sich die Schaltvorrichtung normalerweise auf einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Kontaktsubstanz.
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Das Schließen der Schaltvorrichtung erfolgt in diesem Fall durch eine Wärmeeinwirkung auf die Kontaktsubstanz, woraufhin sich diese verflüssigt und in den Zwischenraum zwischen den Teilelektroden tropft.
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Vorzugsweise hat die Kontaktsubstanz einen Schmelzpunkt von etwa 50 bis 100 °C, was eine einfache Handhabung erlaubt.
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Ein Material mit einem derartigen Schmelzpunkt findet sich beispielsweise unter den Legierungen, die wenigstens 30 % Bismut sowie Blei, Zinn, Indium und/oder Kadmium enthalten. Bekannte Beispiele derartiger Legierungen sind Woodsches Metall, Roses Metall, Fieldsches Metall, Cerrolow 136 oder Cerrosafe.
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In der Schaltvorrichtung kann beispielsweise ein Stück eines derartigen Materials als Kontaktsubstanz im Ausgangszustand über den Teilelektroden festgeklebt sein, oder ein Träger, beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff, kann als Aufhängung in die Kontaktsubstanz eingebettet sein. Auf diese Weise lässt sich die Kontaktsubstanz einfach so anordnen, dass das Material beim Schmelzen schwerkraftbedingt in den Zwischenraum zwischen den Teilelektroden tropft oder fällt.
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In einer anderen Variante wäre es möglich, ein derartiges Material in einer Auslöseeinrichtung zu verwenden, die bei Überschreiten des Schmelzpunktes durch Verflüssigen die eigentliche Kontaktsubstanz freigibt. Die Kontaktsubstanz könnte dann ein Festkörper aus einem gut leitenden Metall mit einem höheren Schmelzpunkt sein, der beispielsweise mit dem niedrigschmelzendem Material festgeklebt ist. Es wäre auch denkbar, einen unter Druck stehenden Behälter, der eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit enthält, durch ein derartiges niedrigschmelzendes Material zu verschließen.
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Die Schaltvorrichtung umfasst beispielsweise wenigstens eine kathodische und wenigstens eine anodische Teilelektrode, die in einer horizontal ausgerichteten Ebene nebeneinander angeordnet und durch einen Zwischenraum getrennt sind. Vorteilhaft ist die Kontaktsubstanz im Ausgangszustand oberhalb der Teilelektroden platziert.
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Die Schaltvorrichtung kann von einer geschlossenen, elektrisch isolierenden Hülle oder einem Gehäuse umgeben sein. An diesem kann auch die Kontaktsubstanz im Ausgangszustand fixiert sein. Dieses Gehäuse kann auch dazu dienen, die Kontaktsubstanz im flüssigen Zustand im Zwischenraum zwischen den Teilelektroden zu halten.
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Außerdem lässt sich das Gehäuse für die elektrische Kontaktierung der Teilelektroden nutzen. Vorzugsweise sind sämtliche anodischen Teilelektroden mit einem ersten Anschlusskabel und sämtliche kathodischen Teilelektroden mit einem zweiten, separaten und vom ersten Anschlusskabel elektrisch isolierten zweiten Anschlusskabel verbunden.
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Die elektrischen Verbindungen zu den einzelnen Teilelektroden können au-ßen entlang des Gehäuses geführt sein. Diese Elektrodenverbindungen zwischen anodischen bzw. kathodischen Teilelektroden lassen sich in übereinanderliegenden Ebenen führen, die z.B. durch eine elektrisch isolierende Folie voneinander getrennt sind.
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Die Anschlusskabel sowie die Elektrodenverbinder weisen vorzugsweise das gleiche Material wie die jeweiligen Teilelektroden auf. Diese Materialien, z.B. Aluminium und Kupfer, stimmen vorteilhaft mit den Materialien der jeweiligen stromführenden Elektroden bzw. zellinternen Stromsammlern überein, mit denen die Testvorrichtung mittels der Anschlusskabel verbunden werden soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden Teilelektroden der Schaltvorrichtung einen Elektrodenkäfig, und die Kontaktsubstanz ist im Ausgangszustand innerhalb des Elektrodenkäfigs positioniert. Vorzugsweise ist der Elektrodenkäfig so ausgebildet, dass unabhängig von einer Orientierung im Raum die Kontaktsubstanz beim Übergang in den Kurzschlusszustand in den Zwischenraum zwischen einer kathodischen und einer anodischen Teilelektrode gelangt und diesen überbrückt.
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Beispielsweise können acht Teilelektroden einer Polarität in den Ecken eines Würfels angeordnet sein, während sechs Teilelektroden der anderen Polarität auf den Seitenflächen des Würfels positioniert sind. Alle Teilelektroden sind dabei durch Zwischenräume voneinander beabstandet. Die Kontaktsubstanz lässt sich in der Mitte des Elektrodenkäfigs zwischen den Teilelektroden der Seitenflächen aufhängen. Die Teilelektroden auf den Seitenflächen sind vorzugsweise erhaben ausgebildet und können vorteilhaft die Form einer Pyramide oder eines Kegels aufweisen, während die Teilelektroden in den Würfelecken tetraederförmig gestaltet und so positioniert sein können, dass jeweils eine Fläche des Tetraeders schräg eine Würfelecke abschneidet.
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Beim Auslösen der Schaltvorrichtung und dem Übergang in den Kurzschlusszustand löst sich dann die Kontaktsubstanz von ihrer Fixierung und fällt in den Zwischenraum zwischen einer kathodischen und einer anodischen Teilelektrode, der sich gerade in Vertikalrichtung unterhalb der Kontaktsubstanz befindet, und überbrückt diesen, unabhängig von der räumlichen Orientierung des Elektrodenkäfigs zum Zeitpunkt der Auslösung der Testvorrichtung.
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Dies erlaubt es, die elektrochemische Zelle, in der die Testvorrichtung verbaut ist, für den Test in einer beliebigen Orientierung im Raum anzuordnen. Selbstverständlich kann der Elektrodenkäfig auch jede andere geeignete Konfiguration von Teilelektroden aufweisen, mit der sich dieser Effekt erzielen lässt.
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Wenn ein Träger verwendet wird, um die Kontaktsubstanz zwischen den Teilelektroden zu fixieren, so ist dieser vorzugsweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff gefertigt.
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Insbesondere bei der Verwendung eines niedrigschmelzenden Materials als Kontaktsubstanz oder zur Fixierung einer Kontaktsubstanz ist es möglich, gezielt die Umgebungstemperatur der elektrochemischen Zelle zu verändern, um die Schaltvorrichtung auszulösen und in den Kurzschlusszustand zu überführen. Hierzu wird beispielsweise die elektrochemische Zelle oder das gesamte Modul, in dem die elektrochemische Zelle verbaut ist, in einem Testaufbau gezielt einer erhöhten Umgebungstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes der niedrigschmelzenden Substanz ausgesetzt. Ist diese Temperatur im Inneren der Testzelle erreicht, so geht die Schaltvorrichtung in den Kurzschlusszustand über und die elektrochemische Zelle bzw. das Modul kann unter Kurzschlussbedingungen getestet werden.
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Um ein Auslösen der Schaltvorrichtung auch unabhängig von einer erhöhten Umgebungstemperatur zu ermöglichen, kann jedoch die Schaltvorrichtung auch eine Heizvorrichtung umfassen, die insbesondere in Kontakt mit den Teilelektroden ist, und über die gezielt eine Temperatur der Schaltvorrichtung erhöht werden kann. Durch Einschalten der Heizvorrichtung lässt sich also unabhängig von der Umgebungstemperatur die Schaltvorrichtung betätigen und die Testvorrichtung in den Kurzschlusszustand überführen.
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Die Heizvorrichtung kann beispielsweise als stromdurchflossenes Heizelement realisiert sein. In einer Variante sind dann elektrische Kabel, die Strom zur Heizvorrichtung zuführen, aus der elektrochemischen Zelle, in der die Testvorrichtung eingesetzt ist, herausgeführt und werden extern bestromt.
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In einer anderen Variante umfasst die Heizvorrichtung eine Induktionsspule, die von außerhalb der elektrochemischen Zelle angeregt wird. Hierzu wird vorteilhaft ein Hochfrequenzfeld verwendet, um die Eindringtiefe zu erhöhen und somit auch Testzellen im Inneren eines Moduls und nicht nur an dessen Randplätzen überprüfen zu können. In diesem Fall sind keine externen Zuleitungen erforderlich. Außerdem lässt sich der Wärmeeintrag in die elektrochemische Zelle, der zum Auslösen der Testvorrichtung nötig ist, gering halten.
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Die Induktionsspule kann beispielsweise aus Litzendraht gewickelt sein.
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Denkbar wäre auch, den Strom zum Betrieb der Heizvorrichtung aus der zu testenden elektrochemischen Zelle selbst zu entnehmen und zu diesem Zweck einen gegebenenfalls funkgesteuerten Schalter im Stromkreis der Heizvorrichtung vorzusehen, der geschlossen wird, um die Heizvorrichtung zu betätigen.
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Generell wird auch hier die Schaltvorrichtung durch eine Wärmeeinwirkung ausgelöst, sodass beispielsweise eine der oben beschriebenen Elektrodenanordnungen verwendet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zur Heizvorrichtung an der Schaltvorrichtung kann in der Testvorrichtung eine von der Schaltvorrichtung separate Heizvorrichtung vorgesehen sein, über die eine lokale Temperaturerhöhung im Inneren der elektrochemischen Zelle erzielt werden kann. Durch diese Heizvorrichtung kann beispielsweise eine lokale Temperaturerhöhung, wie sie einem Kurzschluss vorausgehen kann, simuliert werden.
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Außerdem ist es so möglich, in der Testzelle lokal einen Elektrolyten zum Verdampfen zu bringen und somit eine Druckerhöhung in der Zelle hervorzurufen. Hierzu lässt sich die separate Heizvorrichtung vorteilhaft auf mindestens 80 °C erwärmen.
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Alternativ oder zusätzlich zur der oder den Heizvorrichtungen kann auch eine Vorrichtung zur Freisetzung einer chemischen Substanz vorgesehen sein, die ebenfalls in der Testvorrichtung angeordnet ist. Diese Vorrichtung zur Freisetzung einer chemischen Substanz lässt sich allerdings vorteilhaft mit der separaten Heizvorrichtung koppeln und kann durch diese auslösen. Beispielsweise kann ein flüssiger Elektrolyt oder ein Lösungsmittel eines Elektrolyten verdampft werden, um beispielsweise eine Druckerhöhung im Inneren der elektrochemischen Zelle hervorzurufen bzw. das Verdampfen eines Elektrolyten zu simulieren.
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Als chemische Substanz lässt sich zum Beispiel EC (Ethylencarbonat) oder DMC (Dimethylcarbonat) verwenden. Dies sind gebräuchliche Elektrolytlösungsmittel in elektrochemischen Zellen. Andere Beispiele für Substanzen, deren Einsatz denkbar ist, sind: Dimethylsulfoxid, Diethylcarbonat, Propylencarbonat, Tetrahydofuran, Dioxan, Diethylether, Propylacetat, Wasser, Ethalon, Methanol, Octan oder Hexadecan.
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Eine Freisetzung der chemischen Substanz kann vor dem Überführen der Schaltvorrichtung in den Kurzschlusszustand oder gleichzeitig damit erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist auch eine Baugruppe aus einer elektrochemischen Zelle und einer Testvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgesehen, wobei eine Testvorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, verwendbar ist. Die Testvorrichtung ist so insbesondere in einem Deckel der elektrochemischen Zelle innerhalb eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle angeordnet, dass die Schaltvorrichtung in elektrischem Kontakt mit den beiden nach außen führenden elektrischen Elektroden der elektrochemischen Zelle ist. Somit fließt im Kurzschlusszustand der gesamte Strom, der in der elektrochemischen Zelle produziert wird, über die Schaltvorrichtung. Die elektrochemische Zelle ist insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator.
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Im diesem Fall ist die elektrochemische Zelle vorzugsweise nach dem Swiss-Roll-Prinzip aufgebaut, bei dem zwei anfänglich übereinanderliegende Elektroden zu einer Rolle aufgewickelt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Elektroden in der Zelle übereinander gestapelt und durch Separatoren getrennt.
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In der einfachsten Ausführung kann die Kontaktsubstanz am Deckel über den Teilelektroden der Schaltvorrichtung festgeklebt sein.
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Eine Auslösung der Schaltvorrichtung kann wie oben beschrieben prinzipiell durch Erhöhen der Umgebungstemperatur der elektrochemischen Zelle bzw. des gesamten Moduls, in dem die elektrochemische Zelle angeordnet ist, erfolgen.
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Die Auslösetemperatur lässt sich durch die Wahl des Materials der Kontaktsubstanz variieren.
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Bei Verwenden einer Heizvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, ist die Auslösung unabhängig von der Umgebungstemperatur und der Innentemperatur der elektrochemischen Zelle möglich.
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Besteht die elektrochemische Zelle aus einem aus einzelnen, miteinander verbundenen Unterzellen aufgebauten Zellstapel, so kann die Testvorrichtung im Inneren des Gehäuses der elektrochemischen Zelle auch so angeordnet sein, dass die Schaltvorrichtung in elektrischem Kontakt mit zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität einer einzelnen Unterzelle ist. Hier werden also nicht die beiden Strom nach außen abführenden Hauptelektroden der elektrochemischen Zelle kurzgeschlossen, sondern es wird ein Kurzschluss zwischen den stromführenden Elektroden einer der Unterzellen des Zellenstapels, die insgesamt die elektrochemische Zelle bilden, hervorgerufen. Dies erlaubt einen noch gezielteren, ortsabhängigen Test des Innenaufbaus der elektrochemischen Zelle.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Testen einer elektrochemischen Zelle, das die folgenden Schritte umfasst:
- - eine Testvorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, wird im Inneren der elektrochemischen Zelle mit zwei stromführenden Elektroden der elektrochemischen Zelle mit unterschiedlicher Polarität so verbunden, dass jeweils zumindest eine Teilelektrode der Schaltvorrichtung in direktem elektrischen Kontakt mit einer der stromführenden Elektroden ist, und
- - die Schaltvorrichtung wird geschlossen, wobei sie vom Ausgangszustand in den Kurzschlusszustand überführt wird.
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Die stromführenden Elektroden können dabei wie oben beschrieben, die Strom nach außen ableitenden Hauptelektroden der Zelle oder Elektroden einer Unterzelle sein, die elektrisch mit den Hauptelektroden verbunden sind.
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Außer dem Einsetzen der Testvorrichtung an die gewünschte Stelle innerhalb der elektrochemischen Zelle, um diese zu präparieren, und gegebenenfalls dem Einfügen der präparierten elektrochemischen Zelle in ein Modul mit anderen elektrochemischen Zellen an der beabsichtigten Position sind keine Vorbereitungen für den Test erforderlich.
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Die Schaltvorrichtung wird dabei vorzugsweise durch Wärmeeinwirkung geschlossen, sodass auf mechanisch bewegte Teile außer z.B. der durch Schwerkraft bewegten Kontaktsubstanz verzichtet werden kann. Die Wärmeeinwirkung kann dabei im einfachsten Fall durch eine Erhöhung der Umgebungstemperatur der präparierten elektrochemischen Zelle erfolgen oder gezielt durch ein Einschalten einer Heizvorrichtung, die lokal die Schaltvorrichtung erwärmt.
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So lässt sich bei der gewünschten Temperatur oder zum gewünschten Zeitpunkt die Schaltvorrichtung in den Kurzschlusszustand überführen, und die präparierte Zelle wird einem künstlich hervorgerufenen Kurzschluss unterworfen.
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Optional kann über die zusätzliche Heizvorrichtung in der präparierten Zelle lokal innerhalb der elektrochemischen Zelle die Temperatur erhöht werden, um eine zusätzliche Testbedingung zu schaffen.
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Alternativ oder zusätzlich kann optional ein Gas in der Zelle freigesetzt werden, um eine Druckerhöhung in der Zelle beispielsweise durch das Verdampfen eines Elektrolyten zu simulieren und die Zelle unter dieser Bedingung zu testen.
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Ist die elektrochemische Zelle in ein Modul mit einer Vielzahl anderer elektrochemischer Zellen eingesetzt, so weisen diese anderen elektrochemischen Zellen im Normalfall keine Testvorrichtung auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einer elektrochemischen Zelle, in die eine erfindungsgemäße Testvorrichtung eingesetzt ist, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- - 2 eine schematische Darstellung einer Schaltvorrichtung einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung;
- - 3 eine Schaltvorrichtung einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform in einem Ausgangszustand;
- - 4 die Schaltvorrichtung aus 3, geschlossen in einem Kurzschlusszustand;
- - 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Elektrodenkäfigs einer Schaltvorrichtung einer Testvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- - 6 eine schematische Darstellung des Elektrodenkäfigs aus 5 in einer Frontansicht;
- - 7 eine schematische Darstellung des Elektrodenkäfigs aus 5 in einer Seitenansicht;
- - 8 und 9 schematische Darstellungen von Elektrodenverbindungen des Elektrodenkäfigs aus 5;
- - 10 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung, wobei die Schaltvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst und die Heizvorrichtung als Heizwiderstand ausgebildet ist;
- - 11 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung, wobei die Schaltvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst und die Heizvorrichtung als Induktionsspule ausgebildet ist;
- - 12 eine schematische Schnittansicht einer Baugruppe aus einer Unterzelle eines Zellstapels der elektrochemischen Zelle mit einer erfindungsgemä-ßen Testvorrichtung;
- - 13 die Baugruppe aus 12 mit einer Testvorrichtung mit einer zusätzlichen, von der Schaltvorrichtung separaten Heizvorrichtung; und
- - 14 die Baugruppe aus 13 mit einer Testvorrichtung mit einer zusätzlichen Vorrichtung zur Freisetzung einer chemischen Substanz.
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1 zeigt eine Baugruppe 10 aus einer elektrochemischen Zelle 12, insbesondere einem Lithium-Ionen-Akkumulator, und einer Testvorrichtung 14, die in das Innere der elektrochemischen Zelle 12 eingesetzt ist.
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Die elektrochemische Zelle 12 umfasst ein äußeres Gehäuse 16, das die Zelle 12 nach außen zur Umgebung abschließt. Aus dem Gehäuse 16 heraus führen zwei Elektroden 18a, 18b unterschiedlicher Polarität (im Folgenden auch als Kathode 18a bzw. Anode 18b bezeichnet), die die Hauptelektroden der elektrochemischen Zelle 12 darstellen und über die der in der elektrochemischen Zelle 12 erzeugte Strom nach außen abgegeben wird.
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Die Testvorrichtung 14 ist im dargestellten Beispiel im Inneren der elektrochemischen Zelle 12 elektrisch mit den beiden Elektroden 18a, 18b verbunden.
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Die Elektroden 18a, 18b sind im Inneren der elektrochemischen Zelle 12 mit einem auf bekannte Weise ausgebildeten, nicht näher dargestellten Innenaufbau verbunden, der stromerzeugende Elektroden in Kontakt mit einem Elektrolyten, geeignete Trennmittel und weitere Komponenten enthält.
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Bei einem Lithium-Ionen-Akkumulator ist die Kathode 18a mit einem Stromsammler 19a des Innenaufbaus aus Kupfer und die Anode 18b mit einem Stromsammler 19b aus Aluminium verbunden, die wiederum die stromerzeugenden Elektroden des Innenaufbaus der elektrochemischen Zelle 12 kontaktieren.
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Der Innenaufbau kann nach dem Prinzip der sogenannten „Jelly Roll“ ausgebildet sein, bei dem übereinanderliegende, gegenpolige, aufgerollte Elektroden eingesetzt werden. Alternativ kann der Innenaufbau auch als Zellstapel mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten, miteinander verschalteten Unterzellen gestaltet sein, die jeweils eigene stromführende Elektroden 40a, 40b aufweisen (siehe 12 bis 14). Die Testvorrichtung 14 kann grundsätzlich in beiden Fällen in gleicher Weise zwischen den Elektroden 18a, 18b oder den Elektroden 40a, 40b eingesetzt werden.
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Die Testvorrichtung 14 umfasst eine Schaltvorrichtung 20, die wenigstens eine kathodische Teilelektrode 22a und wenigstens eine anodische Teilelektrode 22b umfasst.
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Die Testvorrichtung 14 ist so in die elektrochemische Zelle 12 eingesetzt, dass alle vorhandenen kathodischen Teilelektroden 22a der Schaltvorrichtung 20 über ein erstes Anschlusskabel 23a unmittelbar mit der Kathode 18a und alle vorhandenen anodischen Teilelektroden 22b über ein zweites Anschlusskabel 23b unmittelbar mit der Anode 18b elektrisch gut leitend verbunden sind.
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Ist die Testvorrichtung 14 in eine Unterzelle eingesetzt, sind die Anschlusskabei 23a, 23b stattdessen entsprechend mit den Elektroden 40a, 40b direkt verbunden.
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Die Teilelektroden 22a, 22b sowie die Anschlusskabel 23a, 23b bestehen hier aus dem jeweiligen Metall, das auch die Elektroden 18a, 18b bzw. 40a, 40b aufweisen, mit denen sie elektrisch verbunden sind, also beispielsweise Kupfer und Aluminium.
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Die 3 und 4 zeigen die Schaltvorrichtung 20 in einer ersten Ausführungsform und die 5 bis 9 in einer zweiten Ausführungsform.
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In der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform sind genau zwei Teilelektroden 22a, 22b vorgesehen, die durch einen Zwischenraum 24 voneinander beabstandet sind. Der Zwischenraum 24 isoliert die beiden Teilelektroden 22a, 22b elektrisch gegeneinander und ist beispielsweise luftgefüllt.
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Die 3 und 4 zeigen die Schaltvorrichtung 20 in ihrer vorgegebenen Einbaulage. Die beiden Teilelektroden 22a, 22b sind in einer gemeinsamen horizontal ausgerichteten Ebene E positioniert, in der sich auch der Zwischenraum 24 befindet. Zum Zwischenraum 24 hin sind die Teilelektroden 22a, 22b in Vertikalrichtung V abgeschrägt und weisen zum Zwischenraum 24 hin geneigte Schrägflächen 9 auf.
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In einem Ausgangszustand der Testvorrichtung 14 ist in Vertikalrichtung V oberhalb des Zwischenraums 24 eine Kontaktsubstanz 26 angeordnet, die durch einen Spalt 28 von wenigstens einer der Teilelektroden 22a, 22b beabstandet ist. Durch die Schaltvorrichtung 20 fließt in diesem Zustand kein Strom, ihr ohmscher Widerstand ist durch den Zwischenraum 24 bestimmt.
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Die Testvorrichtung 14 weist ein Gehäuse 30 auf, das die Teilelektroden 22a, 22b sowie die Kontaktsubstanz 26 umgibt. Der Zwischenraum 24 ist unten durch das Gehäuse 30 flüssigkeitsdicht begrenzt.
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Die Anschlusskabel 23a, 23b sind aus dem Gehäuse 30 herausgeführt, sodass sie mit der Kathode 18a bzw. der Anode 18b elektrisch leitend verbunden werden können.
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Im Ausgangszustand ist die Kontaktsubstanz 26 innen an einer Oberseite 32 des Gehäuses 30 fixiert, beispielsweise festgeklebt.
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Es wäre auch denkbar, die Kontaktsubstanz 26 direkt an einer Innenseite eines Deckels des Gehäuses 16 der elektrochemischen Zelle 12 zu fixieren. Auch in diesem Fall muss jedoch der Zwischenraum 24 flüssigkeitsdicht nach unten begrenzt sein.
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In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht die Kontaktsubstanz 26 jeweils aus einem niedrigschmelzenden Material mit einem Schmelzpunkt, der etwa zwischen 50 und 100 °C liegt. Im Ausgangszustand befindet sich die Kontaktsubstanz im festen Aggregatszustand.
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Hierbei können beispielsweise geeignete Bismut-Legierungen zum Einsatz kommen, die einen Bismut-Gehalt von wenigstens 30 Gewichtsprozent aufweisen. Geeignete Legierungen sind in der unten aufgeführten Tabelle beispielhaft genannt. Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozenten.
| | Schmelzpunkt | Eutektisches Gemisch | Bismut | Blei | Zinn | Indium | Kadmium |
| Cerrolow 136 | 58°C | ja | 49 | 18 | 12 | 21 | - |
| Woodsches Metall | 70°C | ja | 50 | 26,7 | 13,3 | - | 10 |
| Fieldsches Metall | 62°C | ja | 32,5 | - | 16,5 | 51 | - |
| Roses Metall | 94°C | nein | 50 | 25 | 25 | - | - |
| Cerrosafe | 74°C | nein | 42,5 | 37,7 | 11,3 | - | 8,5 |
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Wird die Testvorrichtung 14 aktiviert, wobei die Schaltvorrichtung 20 geschlossen wird, so wird durch eine Temperaturerhöhung die im Ausgangszustand noch feste Kontaktsubstanz 26 erhitzt und in den flüssigen Aggregatzustand überführt.
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Aufgrund der Verflüssigung löst sich die Kontaktsubstanz 26 von ihrer Befestigung z.B. an einem Träger und überwindet unter Schwerkrafteinfluss den Spalt 28. Die Schrägflächen 29 leiten die flüssige Kontaktsubstanz 26 in den Zwischenraum 24 zwischen den beiden Teilelektroden 22a, 22b. Die Kontaktsubstanz 26 füllt den Zwischenraum 24 so weit auf, dass sie den Zwischenraum 24 überbrückt und die beiden Teilelektroden 22a, 22b elektrisch leitend miteinander verbindet. Dies ist der Kurzschlusszustand der Testvorrichtung 14.
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Da die beiden Teilelektroden 22a, 22b elektrisch leitend mit den Hauptelektroden 18a, 18b der elektrochemischen Zelle 12 verbunden sind, fließt nun ein Kurzschlussstrom zwischen der Kathode 18a und der Anode 18b, und die elektrochemische Zelle 12 ist kurzgeschlossen.
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Die Kontaktsubstanz 26 ist natürlich in einer ausreichenden Menge bereitzustellen, um den Zwischenraum 24 ausreichend zu füllen und einen guten elektrischen Kontakt zu den Teilelektroden 22a, 22b herzustellen. Der ohmsche Widerstand der Schaltvorrichtung 20 ist nun im Wesentlichen durch den Widerstand der Teilelektroden 22a, 22b und der Kontaktsubstanz 26 bestimmt und ist generell so niedrig, dass der gesamte Kurzschlussstrom der elektrochemischen Zelle 12 für eine für die Testmessung ausreichende Zeitdauer durch die Schaltvorrichtung 20 fließen kann, ohne diese zu zerstören.
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In dem Testaufbau kann nun überprüft werden, wie sich die elektrochemische Zelle 12 oder auch das gesamte Modul, in dem die präparierte elektrochemische Zelle 12 eingebaut ist, verhält.
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Die 5 bis 9 zeigen eine zweite Ausführungsform der Schaltvorrichtung 20 der Testvorrichtung 14.
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In dieser Ausführungsform weist die Schaltvorrichtung 20 einen Elektrodenkäfig 34 auf, der aus mehreren kathodischen und anodischen Teilelektroden 22a, 22b zusammengesetzt ist, die so angeordnet sind, dass jeweils eine kathodische Teilelektrode 22a benachbart zu einer anodischen Teilelektrode 22b liegt und wobei sämtliche Teilelektroden 22a, 22b jeweils durch einen Zwischenraum 24 voneinander beabstandet sind.
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Die Teilelektroden 22a, 22b sind so im Raum angeordnet, dass unabhängig von der räumlichen Orientierung des Elektrodenkäfigs 34 an einem in Vertikalrichtung V unteren Ende des Elektrodenkäfigs 34 eine kathodische Teilelektrode 22a benachbart zu einer anodischen Teilelektrode 22b, getrennt durch einen Zwischenraum 24, platziert ist.
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Die Kontaktsubstanz 26 ist in diesem Beispiel im Ausgangszustand in der Mitte des Elektrodenkäfigs 34 angeordnet. Dort wird sie beispielsweise durch einen Träger 35 gehalten, solange sich die Kontaktsubstanz 26 in ihrem festen Aggregatzustand befindet.
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Der Träger 35 ist in den 6 und 7 in Form von diagonal durch die Mitte des Elektrodenkäfigs 34 gespannten Drähten realisiert. Jedes andere geeignete Mittel könnte natürlich auch eingesetzt werden, um die Kontaktsubstanz 26 in ihrem festen Aggregatszustand von den Zwischenräumen 24 beabstandet zu halten. Der Träger 35 besteht hier aus einem elektrisch nichtleitenden Material.
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Die Außenfläche des Elektrodenkäfigs 34 ist würfelförmig. Die Teilelektroden 22a sind in allen Ecken des Würfels angeordnet und sind in dem hier gezeigten Beispiel tetraederförmig, wobei eine der Tetraederflächen eine die jeweilige Ecke abschneidenden Schrägfläche 29 bildet.
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In der Mitte jeder der Seitenflächen des Würfels ist jeweils eine Teilelektrode 22b positioniert. Die Teilelektroden 22b sind hier pyramiden- oder kegelförmig gestaltet und ragen in das Innere des Elektrodenkäfigs 34 hinein. Somit sind auch an den Teilelektroden 22b Schrägflächen 29 ausgebildet. Die Schrägflächen 29 von zwei benachbarten Teilelektroden 22a, 22b unterschiedlicher Polarität sind wie in der ersten Ausführungsform jeweils zu dem zwischen den Teilelektroden 22a, 22b liegenden Zwischenraum 24 hin geneigt.
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Zwischen den Teilelektroden 22a, 22b besteht jeweils ein Zwischenraum 24. Das Gehäuse 30 umgibt den Elektrodenkäfig 34 so, dass alle Zwischenräume 24 flüssigkeitsdicht durch das Gehäuse 30 und die Teilelektroden 22, 22b begrenzt sind, die sich aktuell in Vertikalrichtung V unten befinden.
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5 zeigt die Anordnung der Teilelektroden 22a, 22b für eine Seitenfläche des Elektrodenkäfigs 34. Die fünf anderen Seiten des Elektrodenkäfigs sind analog ausgebildet, aber aus Gründe der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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In der Mitte des Elektrodenkäfigs 34 ist am Träger 35 die Kontaktsubstanz 26 aufgehängt, sodass sie von allen Teilelektroden 22a, 22b durch einen Spalt 28 beabstandet ist. In einer besonderen Ausführung kann für den Träger 35 ein induktionsbasierter Widerstand, beispielsweise ein Litzendraht oder ein RFID-basierter Widerstandskreis, verwendet werden.
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Bei Auslösen der Testvorrichtung 14 wechselt die Kontaktsubstanz 26 ihren Aggregatzustand und wird flüssig und tropft dann in Vertikalrichtung V nach unten auf die aktuell den Boden des Elektrodenkäfigs 34 bildende Seitenfläche.
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Von den Schrägflächen 29 der Teilelektrode 22b direkt unterhalb der Kontaktsubstanz 26 wird die verflüssigte Kontaktsubstanz 26 in einen oder mehrere der Zwischenräume 24 zwischen der Teilelektrode 22b und den vier Teilelektroden 22a in den Ecken der Bodenfläche geleitet und füllt einen oder mehrere der Zwischenräume 24 so weit auf, dass diese überbrückt werden und der elektrische Kontakt zwischen den Teilelektroden 22a, 22b geschlossen wird. Die Wirkungsweise ist somit dieselbe wie bei der ersten Ausführungsform.
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Aufgrund des identischen Aufbaus aller Seitenflächen des Elektrodenkäfigs 34 kann die Schaltvorrichtung 20 dieser Ausführungsform in unterschiedlichen Orientierungen eingesetzt werden, unabhängig davon, welche Seitenfläche des Elektrodenkäfigs 34 gerade dessen Bodenfläche bildet.
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Es ist auch möglich, die Menge der Kontaktsubstanz 26 so groß zu wählen, dass ein Kurzschluss durch Auffüllen eines der Zwischenräume 24 sogar dann gewährleistet ist, wenn der Elektrodenkäfig 34 bis zu 45° schräg steht.
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Die elektrochemische Zelle 12, in der die Testvorrichtung 14 eingebaut ist, kann daher in beliebiger Lage im Raum getestet werden.
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Selbstverständlich könnten bei gleicher Funktion auch die Teilelektroden 22b in den Ecken und die Teilelektroden 22a in der Mitte der Seitenflächen angeordnet sein.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Teilelektroden 22a, 22b sind in diesem Beispiel elektrisch leitfähige Elektrodenverbinder 36a, 36b vorgesehen, die jeweils alle Teilelektroden 22a, 22b einer einzigen Polarität elektrisch miteinander verbinden. Die Elektrodenverbinder 36a, 36b sind hier aus dem Material der jeweiligen Teilelektroden 22a, 22b gefertigt. Jeder der Elektrodenverbinder 36a, 36b ist mit dem jeweiligen Anschlusskabel 23a, 23b verbunden (siehe 8 und 9)
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Die Elektrodenverbinder 36a, 36b verlaufen auf der Außenseite des Gehäuses 30 und sind durch dieses vom Innenraum des Elektrodenkäfigs 34 isoliert.
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In dem hier dargestellten Beispiel verlaufen die Elektrodenverbinder 36a entlang einiger oder aller Kanten des Gehäuses 30 des Elektrodenkäfigs 34 und verbinden alle Teilelektroden 22a (siehe 8).
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Die Elektrodenverbinder 36b verlaufen dagegen zwischen den Ecken des Elektrodenkäfigs 34 über die Seitenflächen, parallel zu den Kanten, und verbinden alle Teilelektroden 22b (siehe 9).
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Zur elektrischen Isolierung der Elektrodenverbinder 36a, 36b gegeneinander ist zwischen diesen eine elektrisch isolierende Folie vorgesehen (nicht dargestellt).
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Im Bereich der Teilelektroden 22a, 22b ist jeweils ein Kontaktpunkt 38 vorgesehen, an dem das Gehäuse 30 durchbrochen ist und eine elektrisch leitende Verbindung zu exakt der darunterliegenden Teilelektrode 22a, 22b gebildet ist. Dies ist in der 5, 8 und 9 dargestellt.
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Der hier gezeigte Elektrodenkäfig 34 ist beispielhaft gewählt. Natürlich kann jede geeignete geometrische Anordnung von Teilelektroden 22a, 22b verwendet werden, mit der sich der beschriebene Effekt erreichen lässt, dass ein Zwischenraum 24 zwischen zwei Teilelektroden 22a, 22b unterschiedlicher Polarität in unterschiedlichen Orientierungen der Schaltvorrichtung 20 bei Aktivierung der Testvorrichtung 14 geschlossen wird.
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Eine mögliche Option zur Auslösung der Testvorrichtung 14 und zum Schlie-ßen der Schaltvorrichtung 20 ist es, die Umgebungstemperatur der elektrochemischen Zelle 12 bis zu einem Wert zu erhöhen, bei dem der Schmelzpunkt der Kontaktsubstanz 26 erreicht ist.
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Durch eine geeignete Wahl des Schmelzpunktes kann die Umgebungstemperatur, bei der ein Auslösen der Testvorrichtung 14 erfolgt, in einem gewissen Rahmen eingestellt werden.
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Eine andere Option ist in den 10 und 11 dargestellt. In diesem Fall ist eine aktive Heizvorrichtung 41 vorgesehen, die Kontaktsubstanz 26 über deren Schmelzpunkt aufheizen kann. Beispielsweise ist die Heizvorrichtung 41 so angeordnet, dass sie die Teilelektroden 22a, 22b und die Kontaktsubstanz 26 umfangsmäßig umgibt.
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Durch gezieltes Einschalten der Heizvorrichtung 41 kann somit lokal die Temperatur der Schaltvorrichtung 20 so weit erhöht werden, dass der Schmelzpunkt der Kontaktsubstanz 26 überschritten wird. Dies führt wie oben beschrieben zum Schmelzen der Kontaktsubstanz 26, sodass diese einen der Zwischenräume 24 zwischen zwei Teilelektroden 22a, 22b füllt und den Kurzschlusszustand herbeiführt.
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Im Fall der 10 ist die Heizvorrichtung 41 als ein elektrischer Heizdraht 42 oder ein anderer Heizwiderstand ausgebildet, mit dem das Gehäuse 30 und der Elektrodenkäfig 34 umwickelt sind. Der Heizdraht 42 weist Zuleitungen 44 auf, die aus der elektrochemischen Zelle 12 hinausgeführt sind. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms kann die Heizvorrichtung 41 somit von außerhalb der elektrochemischen Zelle 12 eingeschaltet werden, um die Testvorrichtung 14 unabhängig von der Umgebungstemperatur der elektrochemischen Zelle 12 auszulösen.
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Im Fall der 11 ist die Heizvorrichtung 41 als Induktionsspule 46 ausgebildet, die über ein Hochfrequenzfeld mit Energie versorgt werden kann, um die Kontaktsubstanz 26 mit nur sehr geringem Wärmeeintrag in die Schaltvorrichtung 20 aufzuheizen. In diesem Fall ist keine externe Verkabelung notwendig. Die Frequenz der Induktionsspule sowie die Feldstärke des Hochfrequenzfeldes sind dabei natürlich so zu wählen, dass ein ausreichender Stromfluss für die gewünschte Temperaturerhöhung erzielt wird.
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Als Induktionsspule kann beispielsweise ein Litzendraht verwendet werden oder ein RFID-basierter Widerstandskreis.
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Alle beschriebenen Arten der Auslösung der Schaltvorrichtung 20 sind natürlich mit allen beschriebenen Ausführungen der Schaltvorrichtung 20 kombinierbar.
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In allen hier beschriebenen Ausführungsformen erfolgt ein Schließen der Schaltvorrichtung 20 durch Wärmeeinwirkung. Selbstverständlich wäre es aber alternativ auch möglich, die Schaltvorrichtung 20 auf einem anderen Weg, beispielsweise mechanisch, zu schließen. Es ist auch denkbar, nur einen Auslöser einzusetzen, der durch Wärmeeinwirkung ausgelöst wird und der dann eine mechanische Vorrichtung, beispielsweise einen Federmechanismus, betätigt, um die Kontaktsubstanz 26 in den Zwischenraum 24 zu bewegen. In diesem Fall könnte beispielsweise der Auslöser ein niedrigschmelzendes Material aufweisen, während die Kontaktsubstanz 26 aus einem Material besteht, das elektrisch leitet, aber einen höheren Schmelzpunkt hat und somit auch im Kurzschlusszustand im festen Aggregatzustand verbleibt.
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12 zeigt eine Baugruppe 10', bei der die Testvorrichtung 14 nicht zwischen den Hauptelektroden der elektrochemischen Zelle 12, sondern an inneren Elektroden 40a, 40b einer Unterzelle 48 eines (nicht dargestellten) Stapels von Unterzellen 48 angeordnet ist.
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Der Einsatz und die Wirkungsweise der Testvorrichtung 14 ist identisch zu der oben beschriebenen Ausführungsform, wobei anstelle der Elektroden 18a, 18b die Elektroden 40a, 40b verwendet werden. Da die Testvorrichtung 14 in diesem Beispiel nur in einer einzigen Unterzelle 48 angeordnet ist, lässt sich ein sehr genau lokalisierter Kurzschluss erzeugen.
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Als Schaltvorrichtung 20 ist beispielsweise eine der oben beschriebenen Vorrichtungen eingesetzt.
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Die Funktionsweise ist identisch zu der oben beschriebenen, mit der Ausnahme, dass bei Auslösen der Schaltvorrichtung 20 nicht die gesamte elektrochemische Zelle 12 kurzgeschlossen wird, sondern lediglich die präparierte Unterzelle 48.
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13 zeigt eine Variante der Baugruppe 10' aus 12, bei der die Testvorrichtung 14 zusätzlich zur Schaltvorrichtung 20 eine separate Heizvorrichtung 50 aufweist, über die eine lokale Temperaturerhöhung im Inneren der elektrochemischen Zelle 12 erzielt werden kann, beispielsweise von über 80 °C.
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So lässt sich eine weitere Testbedingung schaffen, bei der eine lokale Temperaturerhöhung simuliert wird, die bei einem Defekt auftreten kann. Die mit der separaten Heizvorrichtung 50 erreichbare Wärmeentwicklung ist hierbei so hoch gewählt, dass ein Elektrolyt im Inneren der Unterzelle 48 bzw. der elektrochemischen Zelle 12 verdampfen kann, was unter anderem eine Druckerhöhung im Inneren der elektrochemischen Zelle 12 zur Folge hat.
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Die Heizvorrichtung 48 kann beispielsweise durch ein Widerstandsheizelement realisiert sein. Auch hier wäre natürlich eine induktive Heizung möglich.
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14 zeigt eine weitere Variante, bei der eine Vorrichtung 52 vorgesehen ist, die zur Freisetzung einer chemischen Substanz dient. Die chemische Substanz kann beispielsweise ein geeignetes Gas sein, ein Elektrolyt oder ein Lösungsmittel eines Elektrolyten, beispielsweise Ethylencarbonat (EC) oder Dimethylcarbonat (DMC). Weitere geeignete Subtanzen sind z.B.: Dimethylsulfoxid, Diethylcarbonat, Propylencarbonat, Tetrahydofuran, Dioxan, Diethylether, Propylacetat, Wasser, Ethalon, Methanol, Octan oder Hexadecan.
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In dem in 14 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung 52 mit der separaten Heizvorrichtung 50 gekoppelt, sodass bei Anschalten der Heizvorrichtung 50 die erzeugte Wärme einen Flüssigkeitsvorrat in der Vorrichtung 52 erwärmt und zum Verdampfen bringt, woraufhin die chemische Substanz im gasförmigen Zustand aus der Vorrichtung 52 in das Innere der elektrochemischen Zelle 12 entweichen kann.
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Natürlich könnte die Vorrichtung 52 auch separat von der Heizvorrichtung 50 und unabhängig von dieser eingesetzt werden. Zum Freisetzen der chemischen Substanz kann ein beliebiger geeigneter bekannter Auslösemechanismus verwendet werden.
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In den 13 und 14 sind die separate Heizvorrichtung 50 bzw. die Vorrichtung 52 zur Freisetzung einer chemischen Substanz mit der Schaltvorrichtung 20 in Reihe geschaltet dargestellt. Zur Reduzierung des elektrischen Widerstandes wäre auch eine Parallelschaltung möglich.
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Hier ist zu beachten, dass bei Verwendung einer externen Stromversorgung die Heizvorrichtung 50 und die Vorrichtung 52 überhaupt nicht in einem Stromkreis, der die Elektroden 18a, 18b oder 40a, 40b der elektrochemischen Zelle 12 einschließt, angeordnet sein müssen.
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Die separate Heizvorrichtung 50 sowie die Vorrichtung 52 zur Freisetzung einer chemischen Substanz können selbstverständlich auch verwendet werden, wenn die Testvorrichtung 14 zwischen den Hauptelektroden 18a, 18b der elektrochemischen Zelle 12 angeordnet ist.
