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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei einem Testobjekt, insbesondere einem Batteriepack, durch eine thermographische Untersuchung des Testobjekts mittels einer Thermographiekamera.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Testsystem zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei einem derartigen Testobjekt.
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Stand der Technik
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Prinzipiell sind das Verfahren und das Testsystem zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei vielen Arten von Testobjekten (Prüflingen) anwendbar, bei denen im Inneren des Testobjekts zumindest ein Innenraum im Sinne eines Hohlraums bzw. einer Kavität ausgebildet ist. Das Testobjekt ist insbesondere eine als Batteriepack bezeichnete Batterieeinheit. Diese kann dabei eine Einheit mit nur einer einzelnen galvanischen Zelle, also eine Zelleinheit, sein oder eine Einheit mit mehreren Zellen oder ein Verbund aus mehreren derartigen Einheiten. In der Regel wird im Folgenden unter einer Batterie eine wiederaufladbare Batterie, also ein Akkumulator, mit entsprechenden Batteriezellen verstanden.
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Das Batteriepack hat als Energiespeicher eine Schlüsselrolle bei der Umsetzung der Elektromobilität. Dafür sind unterschiedlichste Konzepte bereits am Markt, die sich hauptsächlich durch die verwendeten Batteriezellen und die Umsetzung der Temperierung dieser Zellen in der Gesamtbatterie, also dem Batteriepack unterscheiden.
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Einerseits sind Batteriepacks am Markt, die aus der Reihenschaltung einzelner Batteriezellen mit jeweils hoher Zellenkapazität bestehen. Dabei handelt es sich zumeist um Hochvoltbatterien. Andererseits werden Batteriepacks eingesetzt, die auf Modulebene aus der Parallelschaltung vieler Einzelzellen mit niedriger Kapazität bestehen und durch Reihenschaltung mehrere Module die nötige Spannung generieren. Dies sind in der Regel Niedrigvoltbatterien. Durch Verwendung einfacher, robuster und kostengünstiger Rundzellen - wie sie bereits in Massen für den Consumer-Markt produziert werden - sind zahlreiche Konzepte zur Niedrigvoltbatterie in der Industrialisierungsphase.
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Bei einem dieser Konzepte werden die parallel geschalteten Rundzellen in einem sogenannten Hollowblock auf möglichst kleinem Raum untergebracht und direkt von einem elektrisch nicht leitfähigen Kühlmedium im mittleren Zellenbereich umspült. Zur Abdichtung werden an beiden Enden der Zelle komplexe Dichtplatten verwendet, wodurch sich eine Vielzahl an Dichtstellen ergeben. Daher ist ein geeignetes Dichtheitsprüfverfahren notwendig, um austretendes Kühlmedium (Gefahr der Überhitzung) bzw. eindringendes Fremdmedium (Gefahr der Leitfähigkeitsänderung = Kurzschluss) zu unterbinden.
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Zur Dichtigkeitsprüfung werden typischerweise pneumatische Prüfverfahren (z.B. Druckabfall- oder Helium-Leckageprüfung) verwendet. Diese Verfahren erlauben jedoch nur eine integrale Messung der Gesamtleckage. Um eine örtliche Auflösung einzelner Leckagestellen zu erreichen müssten aufwendige und fehleranfällige Abdichtelemente, zur Unterteilung des Prüflings in verschiedene Prüfsektoren, eingesetzt werden.
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Ist dies, wie im Fall des Hollowblocks, nicht prozesssicher möglich, wird der Grenzwert einer integralen Prüfung auf den maximal zulässigen Wert eines einzelnen Lecks festgelegt. In der Realität treten aber zumeist mehrere kleine Lecks auf, die in Summe den zulässigen Wert des Einzellecks überschreiten und die Prüfung daher einen undichten Prüfling erkennt, obwohl dieser im realen Einsatzfall dicht ist, wodurch die Gefahr besteht, unnötigen „Pseudoausschuss“ zu generieren.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 213 745 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Testsystem zum Erkennen einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, wobei es im Falle einer Leckage zu einem Ausstritt wenigstens eines Gases aus dem Brennstoffzellensystem kommt, was zu einer Änderung der Temperatur im Bereich der Leckage führt, wobei mittels einer Wärmebildkamera, die auf dieses Brennstoffzellensystem gerichtet ist, zumindest ein Wärmebild erfasst wird, das es ermöglicht, die Änderung der Temperatur zu erkennen und anhand dessen auf eine Leckage zu schließen.
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Die Druckschriften
WO 2013/153223 A2 ,
DE 10 2012 215 117 A1 ,
WO 2013/087346 A1 ,
DE 10 2012 212 644 A1 und
DE 10 2007 057 944 A1 beschreiben thermographische Prüfverfahren aus dem Bereich Automotive allgemein und im Zusammenhang mit der Prüfung von elektrischen Energiespeichern. Der Artikel »D. Kuchenbecker, „Ohne Vakuum keine Energiespeicher“; P&A Web-Magazin - INDUSTR.com (01.09.2016)« beschreibt unter anderem die Leckagesuche bei Lithium-Ionen-Batterien mittels des Testgases Helium.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass auch eine Leckage mit mehreren kleinen Lecks sicher als solche erkannt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei einem Testobjekt, insbesondere einem Batteriepack, durch eine thermographische Untersuchung des Testobjekts mittels einer Thermographiekamera ist vorgesehen, dass ein Testfluid in einen Innenraum des Testobjekts eingebracht wird, ein Fluidfluss des Testfluides in das Testobjekt hinein und/oder ein Fluidfluss des Testfluides über zumindest eine Leckage aus dem Testobjekt heraus detektiert wird und neben dem Ergebnis der thermographischen Untersuchung auch das Ergebnis der Detektion des Fluidflusses bei der Leckage-Bestimmung eingeht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit eine Dichtheitsprüfung des Testobjekts mittels einer Multisensorik, wobei die Fluidflussdetektion für eine integrale und die Thermographie für eine ortsaufgelöste Leckagebestimmung genutzt wird. Diese Sensorik-Kombination ist für die bei vielen Testobjekten (unter anderem auch bei Batteriepacks) auftretende Leckage-Situation besonders sinnvoll. In der Regel ist das Testfluid ein Testgas. Prinzipiell könnte das Testfluid jedoch auch eine Testflüssigkeit oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch sein. Bei Nutzung eines Testgases ergeben sich völlig analoge Begriffe zur Beschreibung der Leckage-Bestimmung, wie Gasfluss, etc. Die Prüfung mittels Testgas ist eine pneumatische Prüfung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung absorbiert das Testfluid Wärmestrahlung in einem oder mehreren Spektralbereichen, wobei ein zur Leckage-Bestimmung genutzter spektraler Detektionsbereich der Thermographiekamera auf diesen Spektralbereich oder zumindest einen dieser Spektralbereiche abgestimmt ist. Mit Vorteil entspricht dabei der spektrale Detektionsbereich der Thermographiekamera dem Spektralbereich oder zumindest einem dieser Spektralbereiche oder liegt innerhalb dieses Spektralbereichs.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Testfluid derart temperiert, dass es eine von der Temperatur des Testobjekts signifikant abweichende Fluidtemperatur aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
- (i) die Überwachung des Fluidflusses des Testfluides in das Testobjekt per Druckabfallprüfung erfolgt und/oder
- (ii) die Überwachung des Fluidflusses des Testfluides aus dem Testobjekt heraus per fluidartspezifischer Konzentrationsmessung der Konzentration des Testfluides in der Umgebung erfolgt.
Das Testfluid ist -wie bereits erwähnt- in der Regel ein Testgas. Ein Beispiel für eine fluidartspezifische Konzentrationsmessung ist der sogenannte Helium-Lecktest.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass mittels der Thermographiekamera die Wärmestrahlung der Außenfläche des Testobjekts ortsaufgelöst untersucht wird, wobei Bereiche mit lokal abweichender Wärmestrahlung als potentielle Leckage-Bereiche identifiziert werden.
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Das Verfahren zur örtlichen Leckage-Bestimmung ist insbesondere ein automatisiertes Verfahren.
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Die Erfindung betrifft dementsprechend ein Computerprogrammprodukt umfassend Programmteile, die in einem Prozessor eines Computersystems geladen zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet sind. Mittels dieses Computerprogrammprodukts und eines Computersystems kann das Verfahren zur örtlichen Leckage-Bestimmung computerbasiert automatisiert durchgeführt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Testsystem zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei einem Testobjekt, insbesondere einem Batteriepack, welches eine Thermographiekamera zur thermographischen Untersuchung des Testobjekts umfasst, ist vorgesehen, dass das Testsystem ein Fluidausgabe-System zum Einbringen von Testfluid in einen Innenraum des Testobjekts und eine Detektions-Einrichtung zur Detektion eines Fluidflusses des Testfluides in das Testobjekt und/oder eines Fluidflusses des Testfluides über zumindest eine Leckage aus dem Testobjekt heraus umfasst, wobei das Testsystem eingerichtet ist, das Ergebnis der thermographischen Untersuchung und das Ergebnis der Detektion des Fluidflusses bei der Leckage-Bestimmung eingehen zu lassen. Dazu weist das Testsystem insbesondere eine computerbasierte Steuer- und Auswerteeinrichtung auf, die signaltechnisch mit der Thermographiekamera, der Detektionseinrichtung und einer Dosiereinrichtung des Fluidausgabe-Systems verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testsystems ist vorgesehen, dass dieses Testsystem weiterhin eine Temperiervorrichtung zum temperieren des Testfluides umfasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testsystems ist vorgesehen, dass die Detektions-Einrichtung zur Detektion des Fluidflusses des Testfluides in das Testobjekt eine Einrichtung zur Druckabfallprüfung ist oder dass die Detektions-Einrichtung zur Überwachung des Fluidflusses des Testfluides aus dem Testobjekt heraus eine Detektions-Einrichtung für eine fluidartspezifische Konzentrationsmessung des Testfluides ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, wobei die beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein können, insoweit sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
- 1 ein als Batteriepack ausgebildetes Testobjekt und ein Testsystem zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei dem Testobjekt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 das Batteriepack in einer Detaildarstellung,
- 3 das Batteriepack und ein Testsystem zur Durchführung eines abgewandelten Testverfahrens und
- 4 das Batteriepack und ein Testsystem gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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Die 1 zeigt ein Testsystem 10 zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei einem Testobjekt 12 und ein entsprechendes Testobjekt 12 in Form eines Batteriepacks. Das Testsystem 10 umfasst ein Fluidausgabe-System 14 zum Einbringen von Testfluid in einen Innenraum des Testobjekts 12 sowie eine Thermographiekamera 16 zur thermographischen Untersuchung des Testobjekts 12. Das Fluidausgabe-System 14 seinerseits umfasst einen Fluidbehälter 18 mit dem Testfluid, eine Detektions-Einrichtung 20 zur Detektion eines Fluidflusses des Testfluides in das Testobjekt 12 sowie eine (nicht dargestellte) Dosiereinrichtung, über die das Testfluid schließlich in den Innenraum des Testobjekts 12 eingebracht wird. Das Testfluid ist in den hier gezeigten Beispielen ein Testgas. Daher ist im Folgenden in der Regel auch von einer pneumatischen Prüfung die Rede. Die in der 1 gezeigte Fluidfluss-Detektions-Einrichtung 20 ist eine Einrichtung zur Druckabfall-Prüfung 22.
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Das Testsystem 10 ist also bei Testobjekten 12 anwendbar, bei denen im Inneren des Testobjekts 12 zumindest ein Innenraum im Sinne eines Hohlraums bzw. einer Kavität ausgebildet ist. Das hier im Beispiel als Batteriepack ausgebildete Testobjekt 12 umfasst einen Grundkörper 24 in dem eine Vielzahl von wiederaufladbaren Batteriezellen 26 aufgenommen sind. Der Grundkörper 24 ist als sogenannter Hollowblock und die Batteriezellen 26 sind im gezeigten Beispiel als Rundzellen ausgebildet, wobei die Form der Zelle eine untergeordnete Rolle spielt und auch andere Zellformen möglich sind. Im Grundkörper 24 sind nun (nicht gezeigte) Kanäle eines Kühlsystems ausgebildet, die gemeinsam einen Innenraum im Testobjekt 12 bilden. Über einen Anschluss 28 wird nun das Testfluid aus dem Fluidbehälter 18 über die Fluidfluss-Detektionseinrichtung 20 in den Innenraum des Testobjekts 12 eingebracht (Pfeile 30).
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Das hier gezeigte Testobjekt 12 ist -wie gesagt- eine als Batteriepack bezeichnete Batterieeinheit. Eine solche Batterieeinheit kann sehr unterschiedlich ausgestaltet sein. Sie kann eine Einheit mit nur einer einzelnen Batteriezelle, also eine Zelleinheit, sein oder eine Einheit mit mehreren Zellen oder ein Verbund aus mehreren derartigen Einheiten.
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Es ergibt sich folgende Funktion:
- Zur örtlichen Leckage-Bestimmung bei dem Testobjekt wird,
- (i) das Testfluid über das Fluidausgabe-System 14 in den Innenraum des Testobjekts eingebracht, wobei mittels der Detektions-Einrichtung 20 der Fluidfluss des Testfluides in das Testobjekt 12 hinein detektiert wird,
- (ii) das Testobjekt 12 mittels der Thermographiekamera 16 thermographisch untersucht wird und
- (iii) anschließend mittels einer (nicht gezeigten) computerbasierten Steuer- und Auswerteeinrichtung bestimmt wird, ob eine Leckage vorliegt oder nicht, wobei sowohl das Ergebnis der thermographischen Untersuchung als auch das Ergebnis der Detektion des Fluidflusses bei dieser Leckage-Bestimmung eingeht.
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Bei dieser Variante werden eine pneumatische Prüfung und eine Thermographieprüfung parallel durchgeführt. Die Thermographiekamera 16 wird so auf das Testfluid abgestimmt, dass die Thermographiekamera 16 nur in dem Spektralbereich Strahlung detektiert, in dem das Testfluid die größte Absorption von Wärmestrahlung besitzt. Ein geeignetes Fluid ist beispielsweise das Gas SF6 (Schwefelhexafluorid), da es als Medium für die pneumatische Prüfung geeignet ist und da es Thermografie-Kameras gibt, die SF6 detektieren können.
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Die 2 zeigt das als Batteriepack ausgebildete Testobjekt 12 aus 1 noch einmal im Detail. Dieses ist -wie gesagt- als Batteriepack einer Traktionsbatterie für ein (nicht gezeigtes) Kraftfahrzeug ausgebildet. Neben dem als Hollowblock ausgebildeten Grundkörper 24 und den als Rundzellen ausgestalteten Batteriezellen 26 (deren Minuspole hier sichtbar sind) ist auch ein Kühlmittelverbinder (schwarzer Kreis) 34 am Grundkörper 24 ausgebildet, der als Anschluss 28 zum Einbringen des Testfluides genutzt werden kann.
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Die 3 und 4 zeigen weitere Ausgestaltungen des Testverfahrens bzw. des Testsystems 10, die im Wesentlichen mit dem in 1 gezeigten Testsystem übereinstimmen, sodass lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Die 3 zeigt das als Batteriepack ausgebildete Testobjekt 12 sowie ein alternativ ausgestaltetes Testsystem 10 zur örtlichen Leckage-Bestimmung beim Testobjekt 12 für eine sequentielle Abfolge von pneumatischer Prüfung (z.B. durch Druckabfallmessung) und Thermographie mit temperiertem Testfluid: In einem ersten Schritt S1 erfolgt eine übliche Druckabfallprüfung mit einem Testfluid (z.B. Druckluft), die durchaus auf bekannte Weise durchgeführt werden kann. In einem nachgeschalteten zweiten Schritt S2 erfolgt die Thermographieprüfung unter Verwendung eines Testfluides mit abweichender, beispielsweise deutlich höherer Temperatur. Mit anderen Worten hat das Testfluid im ersten Schritt S1 Raumtemperatur und im zweiten Schritt S2 eine demgegenüber deutlich erhöhte Temperatur. Dazu weist das Fluidausgabe-System 14 beispielsweise eine zuschaltbare Heizung oder eine andere Temperiervorrichtung auf.
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Eine gleichzeitige pneumatische Prüfung mit beispielsweise heißer Luft zur parallelen Erkennung der Leckagestellen mittels Thermographie scheitert in der Regel an der hohen Temperaturabhängigkeit der pneumatischen Prüfung. Daher werden diese Prüfungen sequentiell durchgeführt.
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Denkbar ist hier, die bei der pneumatischen Prüfung auffällig gewordenen Testobjekte 12 über die Thermographieprüfung als „nicht in Ordnung“ (NIO) zu verifizieren, wenn bei der Thermographie eine auffällig Großleckage erkannt wird bzw. als „in Ordnung“ (IO) zu werten, wenn bei der Thermographie mehrere Kleinleckagen ohne Auffälligkeit erkennt werden. Bei dieser ThermographiePrüfung wird die Temperatur des Testobjekts 12 ausgewertet und keine Detektion des Testfluides durchgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass Standard-Thermografiekomponenten verwendet werden können, für die bereits eine Software-Schnittstelle für eine Automatisierung vorhanden ist.
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Die 4 zeigt das als Batteriepack ausgebildete Testobjekt 12 sowie ein alternativ ausgestaltetes Testsystem 10 zur örtlichen Leckage-Bestimmung beim Testobjekt 12, bei der die Detektions-Einrichtung 20 eine Detektions-Einrichtung zur Detektion eines Fluidflusses des Testfluides über zumindest eine Leckage aus dem Testobjekt 12 heraus ist.
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Mittels einer Glocke 36, die gegenüber einem Boden 38 über eine Dichtung 40 abgedichtet ist, wird ein fluiddicht abgeschlossener Innenraum 42 innerhalb der Glocke 36 geschaffen, in dem das Testobjekt 12, die Thermographiekamera 16 sowie ein Lüfter 44 zum Durchmischen der Luft bzw. des Fluides im Innenraum 42 angeordnet sind. Die Glocke 36 weist diverse abgedichtete Durchbrüche auf, über die Fluidleitungen und Kabel des Testsystems von außen in den Innenraum 42 hinein verlaufen. Dies sind die Fluidleitungen des Fluidausgabe-Systems 14 (Pfeil 30) und eine Fluidleitung 48, die vom Innenraum 42 bis zur Detektions-Einrichtung 20 reicht, wobei diese Detektions-Einrichtung 20 als eine Detektions-Einrichtung 46 für eine fluidartspezifische Konzentrationsmessung des Testfluides, hier konkret ein Helium-Leckdetektor, ausgestaltet ist.
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Mittels dieses Testsystems 10 erfolgt eine parallele Durchführung von pneumatischer Prüfung (als fluidsensitiver Nachweis) und Thermographieprüfung mit temperiertem Testfluid.
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Neben einfachen pneumatischen Prüfmethoden wie der Druckabfallprüfung sind auch fluidsensitive Prüfmethoden wie die Heliumleckagemessung unter Atmosphäre möglich. Bei dieser spielt die Temperatur des Testobjekts 12 kaum eine Rolle. Somit kann die Heliumleckageprüfung zeitgleich zur Thermographieprüfung erfolgen.
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Alternativ zu den in den 1, 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ergeben sich durch folgende Überlegungen:
- 1. Bei hohen Leckagen führt die Gasreibung beim Austritt aus dem Testobjekt 12 zu einer Erwärmung der Leckagestelle. Abhängig vom Temperaturgradienten kann diese Reibungswärme allein bereits zur örtlichen Detektion der Leckagestelle ausreichend sein. Eine Erwärmung des Testgases wäre dann nicht mehr notwendig.
- 2. Gerade bei im realen Einsatzfall fluiddurchströmten Testobjekten kann das Verfahren auch mit hydraulischen Prüfmedien angewendet werden (thermisch detektierbare bzw. temperierte Flüssigkeit).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014213745 A1 [0009]
- WO 2013/153223 A2 [0010]
- DE 102012215117 A1 [0010]
- WO 2013/087346 A1 [0010]
- DE 102012212644 A1 [0010]
- DE 102007057944 A1 [0010]
