-
Die Erfindung betrifft einen Prüfstand bzw. eine Prüfvorrichtung für eine Batteriezelle, insbesondere um das Schwell- bzw. Ausdehn-Verhalten einer Batteriezelle zu überprüfen.
-
Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst typischerweise einen elektrischen Energiespeicher mit ein oder mehrere Batteriezellen, insbesondere mit ein oder mehrere Lithium-Ionen-basierten Batterie- bzw. Speicherzellen. Die ein oder mehrere Batteriezellen können z.B. in einem Gehäuse an einem bestimmten Bauraum des Fahrzeugs verbaut sein.
-
Die räumliche Ausdehnung einer Batteriezelle kann sich während des Betriebs der Batteriezelle verändern. Insbesondere kann das Aufladen einer Batteriezelle zu einem Anschwellen der Batteriezelle (z.B. um ca. 10%) führen, während das Entladen der Batteriezelle zu einer Kontraktion der Batteriezelle führen kann. Die Veränderung der räumlichen Ausdehnung einer Batteriezelle kann zu einer mechanischen Belastung der Batteriezelle und/oder der Umgebung der Batteriezelle (z.B. des Gehäuses der Batteriezelle oder einer in der Nähe der Batteriezelle angeordneten Komponente eines Fahrzeugs) führen.
-
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen Prüfstand bzw. eine Prüfvorrichtung bereitzustellen, mit dem das Ausdehn- und/oder Schwell-Verhalten einer Batterie- bzw. Speicherzelle in effizienter und präziser Weise überprüft werden kann.
-
Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
-
Gemäß einem Aspekt wird eine Prüfvorrichtung bzw. ein Prüfstand für zumindest eine elektrische Speicher- bzw. Batteriezelle (z.B. für eine Lithium-Ionen-basierte Speicherzelle) beschrieben. Insbesondere kann die Prüfvorrichtung ausgelegt sein, das Ausdehn- bzw. Swelling-Verhalten zumindest einer Speicherzelle entlang einer bestimmten Ausdehnungsachse zu ermitteln. Eine Speicherzelle kann z.B. quaderförmig sein, mit zwei (im Vergleich zu den anderen Seitenflächen) relativ großflächigen Seitenflächen. Die Ausdehnungsachse kann senkrecht auf den relativ großflächigen Seitenflächen stehen.
-
Die Prüfvorrichtung umfasst eine erste (z.B. metallische) Druckplatte und eine zweite (z.B. metallische) Druckplatte, die einen Zwischenraum zur Aufnahme einer Speicherzelle bilden. Insbesondere kann der Zwischenraum als Halterung für ein oder mehrere Speicherzellen eines bestimmten Zellformats (z.B. PHEV1 oder PHEV2) ausgebildet sein. Die erste Druckplatte und/oder die zweite Druckplatte können entlang der Ausdehnungsachse zueinander verschiebbar sein. Insbesondere kann die erste Druckplatte fest auf einer Basisplatte der Prüfvorrichtung befestigt sein. Die zweite Druckplatte kann dann entlang der Ausdehnungsachse, insbesondere mittels ein oder mehrerer Führungsschienen, verschiebbar sein. Die erste und die zweite Druckplatte können jeweils zumindest (oder genau) die gleiche Größe aufweisen, wie die relativ großflächigen Seitenflächen der Speicherzelle, die in dem Zwischenraum platziert werden soll.
-
Außerdem umfasst die Prüfvorrichtung einen (ggf. elektrisch betriebenen) Aktor, der eingerichtet ist, den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte entlang der Ausdehnungsachse zu verändern und/oder einzustellen. Des Weiteren ist der Aktor eingerichtet, eine auf die erste und/oder die zweite Druckplatte entlang der Ausdehnungsachse wirkende Kraft zu verändern und/oder einzustellen.
-
Der Aktor kann somit eingerichtet sein, sowohl den Abstand zwischen den Druckplatten (und damit die Ausdehnung einer Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse) als auch die Kraft auf die Druckplatten (und damit die Kraft und/oder die Spannung in einer Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse) zu verändern und/oder einzustellen. Der Aktor kann z.B. einen hydraulischen und/oder einen elektromechanischen Aktor umfassen.
-
Die Prüfvorrichtung umfasst ferner einen Abstandssensor, der eingerichtet ist, Abstandsdaten in Bezug auf den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte zu erfassen. Insbesondere können die Abstandsdaten die Ausdehnung der ein oder mehreren in dem Zwischenraum angeordneten Speicherzellen entlang der Ausdehnungsachse anzeigen. Der Abstandssensor kann in vorteilhafter Weise direkt an dem Aktor angeordnet sein.
-
Des Weiteren umfasst die Prüfvorrichtung einen Kraftsensor, der eingerichtet ist, Kraftdaten in Bezug auf die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte wirkende Kraft zu erfassen. Der Kraftsensor kann in vorteilhafter Weise an dem Aktor und/oder an einer Steuerung des Aktors angeordnet sein.
-
Außerdem umfasst die Prüfvorrichtung eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, während des Betriebs zumindest einer in dem Zwischenraum angeordneten Speicherzelle auf Basis der Abstandsdaten und/oder auf Basis der Kraftdaten den Aktor zu betreiben. Insbesondere kann der Aktor betrieben werden, um einen bestimmten zeitlichen Kraftverlauf und/oder um einen bestimmten zeitlichen Abstandsverlauf zu bewirken. So kann in präziser Weise ein bestimmter Betriebs- und/oder Belastungszustand der ein oder mehreren Speicherzellen simuliert werden. Beispielsweise kann der Betrieb der ein oder mehreren Speicherzellen in einem Speichermodul mit mehreren Speicherzellen simuliert werden.
-
Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, auf Basis der Abstandsdaten und/oder auf Basis der Kraftdaten Ausdehninformation in Bezug auf ein Ausdehn-Verhalten der Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse während des Betriebs der Speicherzelle zu ermitteln. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf der Ausdehnung der Speicherzelle und/oder ein zeitlicher Verlauf von Spannungen bzw. Kräften in der Speicherzelle ermittelt werden.
-
Die in diesem Dokument beschriebene Prüfvorrichtung ermöglicht es, das Ausdehn-Verhalten einer Speicherzelle in effizienter, flexibler und präziser Weise zu bestimmen. Insbesondere können durch die beschriebene Prüfvorrichtung online Kräfte und/oder Ausdehnungen einer Speicherzelle verändert werden.
-
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von den Kraftdaten den Aktor zu veranlassen, einen bestimmten zeitlichen Kraftverlauf zu bewirken, wobei der Kraftverlauf die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte wirkende Kraft als Funktion der Zeit anzeigt. Dabei kann ein Soll-Kraftverlauf vorgegeben werden, und die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Soll-Kraftverlauf einen entsprechenden Ist-Kraftverlauf zu bewirken (insbesondere einzuregeln). Es kann somit durch den Aktor eine bestimmte auf die ein oder mehreren Speicherzellen wirkende Kraft eingestellt bzw. eingeregelt werden. Dabei kann die Kraft zumindest zeitweise konstant sein und/oder sich zumindest zeitweise mit der Zeit verändern. Es kann dann auf Basis der Abstandsdaten als Ausdehninformation die (aus dem Kraftverlauf resultierende) Ausdehnung der Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse als Funktion der Zeit ermittelt werden.
-
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von den Abstandsdaten den Aktor zu veranlassen, einen bestimmten Abstandsverlauf zu bewirken, wobei der Abstandsverlauf den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte als Funktion der Zeit anzeigt. Dabei kann ein Soll-Abstandsverlauf vorgegeben werden, und die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Soll-Abstandsverlauf einen entsprechenden Ist-Abstandsverlauf zu bewirken (insbesondere einzuregeln). Es kann somit die Ausdehnung der ein oder mehreren Speicherzellen als Funktion der Zeit eingestellt bzw. eingeregelt werden. Dabei kann die Ausdehnung zumindest zeitweise konstant sein und/oder sich zumindest zeitweise mit der Zeit verändern. Es kann dann auf Basis der Kraftdaten als Ausdehninformation die (sich bei der jeweiligen Ausdehnung ergebende) Kraft ermittelt werden, die von der Speicherzelle als Funktion der Zeit auf die erste und/oder die zweite Druckplatte bewirkt wird. Alternativ oder ergänzend kann auf Basis der Kraftdaten die (sich bei der jeweiligen Ausdehnung ergebende) Spannung in den ein oder mehreren Speicherzellen als Funktion der Zeit ermittelt werden.
-
Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der Abstandsdaten und/oder auf Basis der Kraftdaten als Ausdehninformation ein Elastizitätsmodul der Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit eingerichtet sein, auf Basis der Abstandsdaten und/oder der Kraftdaten als Ausdehninformation eine Fließgrenze der Speicherzelle für eine plastische Verformung entlang der Ausdehnungsachse zu ermitteln.
-
Die Prüfvorrichtung kann somit dazu genutzt werden, detaillierte Information über das Ausdehn-Verhalten einer Speicherzelle zu ermitteln.
-
Der Aktor kann einen Hydraulikzylinder, insbesondere einen Differenzialzylinder, mit einer Kolbenstange umfassen. Die Kolbenstange kann durch einen Kolben in dem Hydraulikzylinder angetrieben werden. Die Kolbenstange kann derart angeordnet sein, dass die Kolbenstange auf die erste und/oder die zweite Druckplatte einwirkt, um den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte zu verändern und/oder einzustellen, und/oder um die Kraft auf die erste und/oder die zweite Druckplatte zu verändern und/oder einzustellen. Die Verwendung eines Hydraulikzylinders als Aktor ermöglicht eine kosteneffiziente und präzise Umsetzung eines Kraft- und/oder eines Abstandsverlaufs.
-
Der Kraftsensor kann einen Drucksensor umfassen, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf den Druck von Flüssigkeit in dem Hydraulikzylinder zu erfassen. So können die Kraftdaten und damit die Spannungen in einer Speicherzelle in effizienter und präziser Weise erfasst werden.
-
Die Prüfvorrichtung kann eine Hydraulik-Schaltung (z.B. mit einer Pumpe) umfassen, die eingerichtet ist, Flüssigkeit (z.B. Wasser oder Öl) in den Hydraulikzylinder hinein und/oder aus dem Hydraulikzylinder heraus zu pumpen, um die Kolbenstange zu bewegen oder um die Kolbenstange an einer bestimmten Position zu halten, und/oder um die von der Kolbenstange bewirkte Kraft zu verändern oder zu halten. Insbesondere kann durch Verändern der Flüssigkeitsmenge ein Kraftverlauf und/oder ein Abstandsverlauf in präziser Weise eingestellt werden (z.B. durch Verwendung eines Regelkreises).
-
Der Abstandssensor kann einen Sensor umfassen, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf die Position der Kolbenstange und/oder in Bezug auf die Position des Kolbens des Hydraulikzylinders zu erfassen. So können die Abstandsdaten und damit die Ausdehnung der Speicherzelle in effizienter und präziser Weise ermittelt werden.
-
Die Prüfvorrichtung kann derart aufgebaut sein, dass der Zwischenraum zur Aufnahme einer Speicherzelle für einen Test einer Speicherzelle in einer Klimakammer platziert werden kann, während zumindest die Steuereinheit und/oder der Kraftsensor außerhalb der Klimakammer angeordnet sind. Die Prüfvorrichtung kann somit in mehreren Teilen aufgebaut sein, so dass nur ein Teil der Prüfvorrichtung zusammen mit den ein oder mehreren Speicherzellen in einer Klimakammer platziert werden muss, um das Ausdehn-Verhalten der ein oder mehreren Speicherzellen unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen testen zu können. Da sich die Prüfvorrichtung zumindest teilweise außerhalb der Klimakammer befindet, kann die Güte der ermittelten Ausdehninformation erhöht werden. Des Weiteren kann die Belastung der Prüfvorrichtung reduziert werden.
-
Wie bereits oben dargelegt, können die erste Druckplatte und der Aktor fest auf einer Basisplatte der Prüfvorrichtung befestigt sein. Die zweite Druckplatte kann dann entlang der Ausdehnungsachse verschiebbar sein. Ein derartiger Aufbau ermöglicht es, für den Test von Speicherzellen mit unterschiedlichen Formaten (z.B. PHEV1 bzw. PHEV2) ggf. nur die zweite Druckplatte (und nicht die erste Düsenplatte) austauschen zu müssen.
-
Die Prüfvorrichtung kann (ggf. austauschbare) Seitenplatten umfassen, die den Zwischenraum zur Aufnahme einer Speicherzelle in einer Richtung senkrecht zu der Ausdehnungsachse begrenzen. Durch die Seitenplatten kann eine passgenaue Halterung für ein oder mehrere Speicherzellen eines bestimmten Zellformats bereitgestellt werden. Die Seitenplatten können dabei einen festen Abstand zueinander entlang der Richtung senkrecht zu der Ausdehnungsachse aufweisen. Um Halterungen für Speicherzellen unterschiedlichen Formats bereitzustellen, können die Seitenplatten ausgetauscht werden. Alternativ oder ergänzend kann ggf. der Abstand zwischen den Seitenplatten veränderbar sein. So kann eine Prüfvorrichtung bereitgestellt werden, die in flexibler und effizienter Weise an unterschiedliche Formate von Speicherzellen angepasst werden kann.
-
Die Prüfvorrichtung kann eine (graphische bzw. bildbasierte) Benutzerschnittstelle aufweisen, die eingerichtet ist, die Ausdehninformation für einen Nutzer der Prüfvorrichtung auszugeben. Alternativ oder ergänzend kann die Benutzerschnittstelle eingerichtet sein, es einem Nutzer der Prüfvorrichtung zu ermöglichen, einen Kraftverlauf und/oder einen Abstandsverlauf für einen Test einer Speicherzelle festzulegen. So kann eine effiziente und komfortable Nutzung der Prüfvorrichtung ermöglicht werden.
-
Des Weiteren kann die Prüfvorrichtung eine Speichereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Ausdehninformation zu speichern. Ferner kann die Prüfvorrichtung eine Datenschnittstelle umfassen, die eingerichtet ist, die Ausdehninformation an eine von der Prüfvorrichtung separaten Einheit zu senden. So wird eine effiziente Auswertung der ermittelten Ausdehninformation ermöglicht.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung von Ausdehninformation in Bezug auf ein Ausdehn-Verhalten einer Speicherzelle mittels der in diesem Dokument beschriebenen Prüfvorrichtung beschrieben. Das Verfahren umfasst, während des Betriebs einer in dem Zwischenraum angeordneten Speicherzelle, das Erfassen von Kraftdaten und/oder Abstandsdaten. Während des Betriebs der Speicherzelle kann die Speicherzelle geladen und/oder entladen werden. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Betreiben des Aktors der Prüfvorrichtung in Abhängigkeit von den Kraftdaten und/oder den Abstandsdaten, um einen bestimmten (Soll-) Kraftverlauf und/oder einen bestimmten (Soll-) Abstandsverlauf zu bewirken. Der Kraftverlauf kann dabei die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte wirkende Kraft als Funktion der Zeit anzeigen. Der Abstandsverlauf kann den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte als Funktion der Zeit anzeigen. Außerdem umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis der Kraftdaten und/oder der Abstandsdaten, von Ausdehninformation in Bezug auf das Ausdehn-Verhalten der Speicherzelle entlang der Ausdehnungsachse.
-
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a und 1b eine beispielhafte prismatische Batteriezelle;
- 1c ein beispielhaftes Speichermodul mit mehreren prismatischen Batteriezellen;
- 2a einen beispielhaften Prüfstand in einer perspektivischen Ansicht;
- 2b einen beispielhaften Prüfstand in einer Seitenansicht;
- 3 eine beispielhafte Hydraulik-Schaltung für einen Prüfstand; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Überprüfung einer (prismatischen) Speicherzelle.
-
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der präzisen und zuverlässigen Überprüfung des Schwell- bzw. Ausdehn-Verhaltens einer Batteriezelle. In diesem Zusammenhang zeigt 1a eine beispielhafte (prismatische) Batterie- bzw. Speicherzelle 100 in einer Seitenansicht. Die Speicherzelle 100 umfasst in dem dargestellten Beispiel einen Zellwickel 101, d.h. eine aufgewickelte Anordnung aus Kathode, Separator und Anode. Der Zellwickel 101 ist in einem Gehäuse 102 angeordnet, an dem sich die elektrischen Anschlüsse 103 zur elektrischen Kontaktierung des Zellwickels 101 befinden. 1a zeigt die Speicherzelle 100 in einer Seitenansicht. Der Zellwickel 101 ist um die auf der Bildebene senkrecht stehenden dritten Achse 113 (z.B. der z-Achse) gewickelt. Des Weiteren kann der Zellwickel 101 eine relativ große Seitenfläche in einer auf der Ausdehnungsachse 112 (z.B. der y-Achse) senkrecht stehenden Ebene (d.h. der durch die Achse 111 (z.B. der x-Achse) und der Achse 113 gebildeten Ebene) aufweisen. 1b zeigt eine beispielhafte Speicherzelle 100 in einer perspektivischen Ansicht.
-
1c zeigt ein beispielhaftes Speichermodul 120 mit einer Mehrzahl von Speicherzellen 100. Die Speicherzellen 100 können durch Enddruckplatten 121, die über Zuganker 122 miteinander verbunden sind, zusammengepresst werden.
-
Die räumliche Ausdehnung einer Speicherzelle 100 und insbesondere eines Zellwickels 101 kann sich während des Betriebs einer Speicherzelle 100 verändern. Insbesondere kann es dabei zu einer Ausdehnung 110 entlang der Ausdehnungsachse 112 (d.h. senkrecht zu der relativ großen Seitenfläche des Zellwickels 101) kommen. Die Ausdehnung 110 kann aufgrund von Faltenbildung mit der Lebensdauer der Speicherzelle 100 zunehmen. Des Weiteren kann das Aufladen der Speicherzelle 100 zu einer erhöhten Ausdehnung 110 führen, während das Entladen der Speicherzelle 100 zu einer reduzierten Ausdehnung 110 führen kann.
-
Die Ausdehnung 110 der ein oder mehreren Speicherzellen 100 eines Speichermoduls 120 kann zu einer mechanischen Belastung der einzelnen Speicherzellen 100 und/oder der mechanischen Komponenten 121, 122 des Speichermoduls 120 führen. Insbesondere können die auf eine Speicherzelle 100 wirkende Kraft zu einer plastischen Verformung der Speicherzelle 100 und damit zu einer Beeinträchtigung der Speicherzelle 100 führen.
-
Die 2a und 2b zeigen einen beispielhaften Prüfstand 200 (in diesem Dokument auch als Prüfvorrichtung bezeichnet), mit dem das Ausdehn- bzw. Schwell-Verhalten (auf Englisch „Swelling“) einer Speicherzelle 100 ermittelt werden kann. Insbesondere können mit dem in den 2a und 2b dargestellten Prüfstand 200 in flexibler Weise
- • die Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100 ermittelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von einer (ggf. variablen) äußeren Kraft, die auf die Speicherzelle 100 einwirkt;
- • die bei der Ausdehnung 110 bewirkten Kräfte und/oder Spannungen ermittelt werden, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100;
- • das Elastizitätsmodul einer Speicherzelle 100 ermittelt werden; und/oder
- • eine Fließgrenze einer Speicherzelle 100 zu ermitteln.
-
Der Prüfstand 200 umfasst eine rückwärtige (erste) Druckplatte 201 und seitliche Druckplatten bzw. Seitenplatten 202, die einen Zwischenraum bzw. eine Halterung zur Aufnahme von ein oder mehreren Speicherzellen 100 bilden. Eine sich innerhalb der durch die Achsen 111, 113 aufgespannten Ebene erstreckende Rückseite einer Speicherzelle 100 liegt an der rückwärtigen Druckplatte 201 an, wenn die Speicherzelle 100 in den Prüfstand 200 eingesetzt ist. Eine Seitenplatte 202 wirkt auf eine sich innerhalb der durch die Achsen 111, 112 aufgespannten Ebene erstreckende Seite einer Speicherzelle 100 ein. Die Druckplatten 201, 202 können auf einer Basisplatte 210 befestigt sein, wobei sich die Basisplatte 210 innerhalb der durch die Achsen 112, 113 aufgespannten Ebene erstreckt.
-
Des Weiteren umfasst der Prüfstand 200 eine verschiebbare (zweite) Druckplatte 204, die auf die sich innerhalb der durch die Achsen 111, 113 aufgespannten Ebene erstreckende Vorderseite einer Speicherzelle 100 einwirken kann. Die verschiebbare Druckplatte 204 kann anhand von Führungsschienen 203 auf den Zwischenraum zur Aufnahme von ein oder mehreren Speicherzellen 100 zugeführt bzw. von dem Zwischenraum zur Aufnahme von ein oder mehreren Speicherzellen 100 weggeführt werden.
-
Die verschiebbare Druckplatte 204 kann mittels eines Aktors 206 gegen die Vorderseite einer Speicherzelle 100 gepresst werden. Der Aktor 206 kann mittels einer Halterung 207 an einer festen Position relativ zu der rückwärtigen Druckplatte 201 befestigt sein. Der Aktor 206 kann ausgebildet sein,
- • die verschiebbare Druckplatte 204 an eine bestimmte Position zu bewegen und/oder an einer bestimmten Position zu halten; und/oder
- • die auf die verschiebbare Druckplatte 204 wirkende Kraft zu verändern und/oder auf einen bestimmten Wert einzustellen.
-
Der Aktor 206 umfasst in dem in den 2a und 2b dargestellten Beispiel einen Hydraulikzylinder, insbesondere einen Differenzialzylinder. Der Hydraulikzylinder 206 umfasst einen ersten Anschluss 208, über den Flüssigkeit in eine erste Kammer 218 des Hydraulikzylinders 206 geführt werden kann, sowie einen zweiten Anschluss 209, über den Flüssigkeit in eine zweite Kammer 219 des Hydraulikzylinders 206 geführt werden kann. Die erste Kammer 218 und die zweite Kammer 219 sind durch den Kolben 217 des Hydraulikzylinders voneinander getrennt. Durch Einstellen des Flüssigkeitsdrucks in der ersten und der zweiten Kammer 218, 219 können der Kolben 217 und die an dem Kolben 217 befestigte Kolbenstange 216 bewegt werden. Die Kolbenstange 216 kann (ggf. über eine Zwischenplatte 205) auf die verschiebbare Druckplatte 204 einwirken.
-
Der Prüfstand 200 umfasst einen Wegsensor 215, der eingerichtet ist, Sensordaten (in diesem Dokument als Abstandsdaten bezeichnet) in Bezug auf die Position der verschiebbaren Druckplatte 204, in Bezug auf die Position der Kolbenstange 216 und/oder in Bezug auf die Position des Kolbens 217 zu erfassen.
-
Die auf die verschiebbare Druckplatte 204 wirkende Kraft kann durch den Differenzdruck zwischen dem Druck in der ersten Kammer 218 und dem Druck in der zweiten Kammer 219 verändert werden, bzw. auf Basis des Differenzdrucks zwischen dem Druck in der ersten Kammer 218 und dem Druck in der zweiten Kammer 219 ermittelt werden.
-
3 zeigt eine beispielhafte Hydraulik-Schaltung 300, mit der der Hydraulikzylinder 206 des Prüfstand 200 betrieben werden kann. Die Hydraulik-Schaltung 300 umfasst ein Hydraulik-Aggregat 305 mit einer Pumpe 306, die eingerichtet ist, Flüssigkeit aus einer ersten Leitung 308 in eine zweite Leitung 309 zu pumpen. Die erste Leitung 308 und/oder die zweite Leitung 309 können über ein Mehr-Wege-Ventil 302 in unterschiedlicher Weise mit der ersten Kammer 218 bzw. mit der zweiten Kammer 219 des Hydraulikzylinders 206 verbunden werden oder davon entkoppelt werden.
-
Insbesondere kann das Mehr-Wege-Ventil 302 eine Stellung aufweisen, über die die zweite Leitung 309 mit der ersten Kammer 218 und die erste Leitung 308 mit der zweiten Kammer 219 gekoppelt werden kann, um die auf die verschiebbare Druckplatte 204 wirkende Kraft zu erhöhen. Des Weiteren kann das Mehr-Wege-Ventil 302 eine Stellung aufweisen, über die die zweite Leitung 309 mit der zweiten Kammer 219 und die erste Leitung 308 mit der ersten Kammer 218 gekoppelt werden kann, um die auf die verschiebbare Druckplatte 204 wirkende Kraft zu reduzieren. Außerdem kann das Mehr-Wege-Ventil 302 eine Stellung aufweisen, mit der die erste Kammer 218 und die zweite Kammer 219 entkoppelt werden können, um eine gleichbleibende Menge an Flüssigkeit in der jeweiligen Kammer 218, 219 einzuschließen.
-
Die Hydraulik-Schaltung 300 umfasst einen Drucksensor 303, der eingerichtet ist, Sensordaten (in diesem Dokument auch als Kraftdaten bezeichnet) in Bezug auf den Flüssigkeitsdruck in der zweiten Leitung 309 zu erfassen. Des Weiteren umfasst die Hydraulik-Schaltung 300 ein Druckregelventil 304, das von einem Regler verwendet werden kann, um auf Basis der Kraftdaten den Druck in der zweiten Leitung 309 einzustellen. Der Regler kann z.B. durch eine Steuereinheit 311 der Hydraulik-Schaltung 300 implementiert werden.
-
Der Prüfstand 200 ist bevorzugt derart ausgelegt, dass der Prüfstand 200 in einer Klimakammer 301 platziert werden kann, um das Ausdehn-Verhalten einer Speicherzelle 100 unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen testen zu können. Die Hydraulik-Schaltung 300 kann dabei außerhalb der Klimakammer 301 angeordnet sein.
-
Wie eingangs dargelegt, kann beim Zyklisieren von Lithium-Ionen-Zellen 100 (d.h. beim Betrieb von Speicherzellen 100) während den Lade- und Entladephasen eine mechanische Deformation beobachtet werden. Dieses als „Swelling“ bezeichnete Phänomen kann mithilfe des in diesem Dokument beschriebenen Prüfstands 200 beobachtet und/oder gezielt beeinflusst werden, um den Einfluss des „Swelling“ auf die Leistungsfähigkeit von Speicherzellen 100 mit unterschiedlichen Zelldesigns und/oder mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen bewerten zu können.
-
Der Prüfstand 200 kann ausgelegt sein, ein oder mehrere Batteriezellen 100 im Format PHEV1 und/oder PHEV2 aufzunehmen. Des Weiteren kann ein Betrieb des Prüfstands 200 und/oder der Batteriezellen 100 z.B. in einem Temperaturbereich von -10 °C bis 45 °C ermöglicht werden. Der Prüfstand 200 kann eingerichtet sein, eine konstante Wegregelung bzw. Abstandsregelung während dem Zyklisieren einer Batteriezelle 100 zu ermöglichen. Beispielhafte Initial- und Kompensationskräfte, die in dem Prüfstand 200 bewirkt werden können, können in einem Bereich zwischen 0,5 kN und liegen 20 kN. Eine bevorzugte Auflösung der Kraftmessung liegt bei 100 N oder genauer. Eine bevorzugte Auflösung der Weg- bzw. Abstandsmessung liegt bei 0,1 mm oder genauer.
-
Der Prüfstand 200 kann eine Benutzerschnittstelle 312 aufweisen, über die eine zu bewirkende Kompensationskraft angezeigt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann der Prüfstand 200 eine Speichereinheit 313 umfassen, die eingerichtet ist, Messdaten (in Bezug auf die Kompensationskraft und/oder in Bezug auf die Ausdehnung 110) zu speichern.
-
Als Aktor 206 kann ein Hydraulikzylinder verwendet werden, der auf eine Batteriezelle 100 drückt, um die Ausdehnung 110 der Batteriezelle 100 auf ein konstantes, einstellbares Maß zu limitieren. Dieses Maß der Ausdehnung 110 kann mittels eines (in den Hydraulikzylinder integrierten) Wegmesssensors 215 ermittelt und ggf. über einen Regler (der z.B. in der Steuereinheit 311 implementiert ist) auf das bestimmte Maß geregelt werden. Die zum Halten einer bestimmten Ausdehnung 110 aufzubringende Kraft kann über einen Drucksensor 303 ermittelt und ggf. gespeichert und/oder angezeigt werden. Insbesondere können die Messwerte auf der Speichereinheit 313 gespeichert und nach Abschluss der Messung über eine Datenschnittstelle ausgelesen werden.
-
Der Prüfstand 200 kann in einer Klimakammer 301 angeordnet sein. Außerhalb der Klimakammer 301 befindet sich dann z.B. ein Hydraulikaggregat 305, die hydraulische Schalttechnik 302, 304 und der Drucksensor 303 zur Kraftmessung. Diese Komponenten sind somit nicht den Temperaturänderungen innerhalb der Klimakammer 301 ausgesetzt.
-
Der beschriebene Prüfstand 200 ermöglicht es, in flexibler Weise die auf eine Speicherzelle 100 wirkende Kraft während eines laufenden Tests zu verändern und/oder zu messen. Des Weiteren ermöglicht es der beschriebene Prüfstand 200, in flexibler Weise die Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100 während eines laufenden Tests zu verändern und/oder zu messen.
-
Der Prüfstand 200 kann eine relativ kompakte Bauweise aufweisen, so dass der Prüfstand 200 platzsparend in einem Klimaschrank 301 (insbesondere in einer einzigen Einschubposition eines Klimaschranks 301) angeordnet werden kann. Der mechanische Aufbau des Prüfstands 200 ermöglicht einen Dauerbetrieb für Langzeit-Tests an einer Speicherzelle 100.
-
Die auf eine Zelle 100 wirkende Belastung, welche von einer externen Kraftquelle 206 geliefert wird, kann somit über eine Druckplatte 100 in die Zelle 100 eingebracht werden. Kraft und Weg bzw. Ausdehnung 110 können dabei über Messsysteme 215, 303 erfasst werden. Abhängig vom jeweiligen Untersuchungszweck - konstante Kraft, konstanter Weg oder Kraft-Weg-Kennlinie - kann mittels einer Regelung einer versuchsabhängigen Führungsgröße gefolgt werden (z.B. einen Kraft- und/oder Abstandsverlauf). Des Weiteren können durch das Wechseln der (verschiebbaren) Druckplatte 204 und des Halterahmens 202 Speicherzellen 100 mit unterschiedlichen prismatischen Zellformaten untersucht werden. Außerdem ist der beschriebene Prüfstand 200 in der Lage, nicht nur eine einzige Zelle 100, sondern auch mehrere (entlang der Ausdehnungsrichtung 112) hintereinanderstehende Zellen 100 zu untersuchen.
-
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Ermittlung von Ausdehninformation in Bezug auf das Ausdehn-Verhalten zumindest einer (prismatischen) Speicherzelle 100. Das Verfahren 400 kann mittels des in diesem Dokument beschriebenen Prüfstands 200 ausgeführt werden. Die Ausdehninformation kann z.B. anzeigen: das Elastizitätsmodul einer Speicherzelle 100; die Fließgrenze für plastische Verformungen einer Speicherzelle 100; die Kraft, die bei einer Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100 bewirkt wird; und/oder das Ausmaß der Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100 (ggf. als Funktion der auf die Speicherzelle 100 wirkenden Kraft).
-
Der Prüfstand 200 kann eine erste (z.B. rückwärtige) Druckplatte 201 und eine zweite (z.B. verschiebbare) Druckplatte 204 umfassen, wobei die Druckplatten 201, 204 einen Zwischenraum zur Aufnahme einer Speicherzelle 100 bilden. Der Zwischenraum kann derart ausgebildet sein, dass (passgenau) ein oder mehrere Speicherzellen 100 mit einem PHEV1 oder einem PHEV2 Format aufgenommen werden können.
-
Die erste Druckplatte 201 und/oder die zweite Druckplatte 204 können entlang einer Ausdehnungsachse 112 zueinander verschiebbar sein. Dabei kann insbesondere die zweite Druckplatte 204 verschiebbar sein, während die erste Druckplatte 201 feststeht.
-
Des Weiteren umfasst der Prüfstand 200 einen Aktor 206 (z.B. einen Hydraulikzylinder oder einen elektromechanischen Aktor), der eingerichtet ist, den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte 201, 204 entlang der Ausdehnungsachse 112 zu verändern und/oder einzustellen. Des Weiteren kann der Aktor 206 eingerichtet sein, die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte 201, 204 entlang der Ausdehnungsachse 112 wirkende Kraft zu verändern und/oder einzustellen. Der Aktor 206 kann somit dazu verwendet werden, sowohl die Ausdehnung 110 einer Speicherzelle 100 entlang der Ausdehnungsachse 112 als auch die in einer Speicherzelle 100 wirkenden Kräfte bzw. Spannungen entlang der Ausdehnungsachse 112 zu verändern und/oder einzustellen.
-
Ferner umfasst der Prüfstand 200 einen Abstandssensor 215, der eingerichtet ist, Abstandsdaten in Bezug auf den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte 201, 204 zu erfassen. Außerdem umfasst der Prüfstand 200 einen Kraftsensor 303, der eingerichtet ist, Kraftdaten in Bezug auf die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte 201, 204 wirkende Kraft zu erfassen.
-
Das Verfahren 400 umfasst, während des Betriebs einer in dem Zwischenraum angeordneten Speicherzelle 100, das Erfassen 401 von Kraftdaten und/oder Abstandsdaten (mittels des Kraftsensors 303 und/oder des Abstandssensors 215). Die Kraftdaten können dabei die Kraft als Funktion der Zeit (während des Betriebs der Speicherzelle 100) anzeigen. Die Abstandsdaten können den Abstand als Funktion der Zeit (während des Betriebs der Speicherzelle 100) anzeigen.
-
Außerdem umfasst das Verfahren 400 das Betreiben 402 des Aktors 206 in Abhängigkeit von den Kraftdaten und/oder den Abstandsdaten, um einen Kraftverlauf und/oder einen Abstandsverlauf zu bewirken. Dabei umfasst der Kraftverlauf die auf die erste und/oder die zweite Druckplatte 201, 204 wirkende Kraft als Funktion der Zeit. Der Abstandsverlauf umfasst den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Druckplatte 201, 204 als Funktion der Zeit.
-
Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 403, auf Basis der Kraftdaten und/oder der Abstandsdaten, von Ausdehninformation in Bezug auf das Ausdehn-Verhalten der Speicherzelle 100 entlang der Ausdehnungsachse 112. Insbesondere kann als Ausdehninformation ermittelt werden, welcher Abstandsverlauf (und damit welcher zeitliche Verlauf der Ausdehnung 110 der Speicherzelle 100) sich für einen bestimmten Kraftverlauf einstellt. Alternativ oder ergänzend kann als Ausdehninformation ermittelt werden, welcher Kraftverlauf sich für einen bestimmten Abstandsverlauf (und damit für einen bestimmten zeitlichen Verlauf der Ausdehnung 110 der Speicherzelle 100) einstellt.
-
Mit der in diesem Dokument beschriebenen Prüfvorrichtung 200 können somit in flexibler Weise mehrere unterschiedliche Swelling-Versuche für eine Speicherzelle 100 durchgeführt werden werden, insbesondere konstante Kraft-, konstanter Weg- bzw. konstante Ausdehnung- 110 und/oder Kennlinien-Versuche. Des Weiteren können mit der beschriebenen Prüfvorrichtung 200 mehrere unterschiedliche Zellformate untersucht werden. Außerdem ergibt sich eine erhebliche Zeitersparnis beim Umbau von einem Zellformat auf ein anderes Zellformat, da jeweils nur die verschiebbare Druckplatte 204 und die Zellhalterung 202 ausgetauscht werden müssen. Ferner können mit der beschriebenen Prüfvorrichtung 200 Einzel- und Mehr-Zellenversuche durchgeführt werden.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
