DE102019121720A1 - Method for testing or designing an electrical energy store - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Batteriegehäuses;- Anordnen zumindest eines Expansionselements in dem Batteriegehäuse;- Aufbringen eines Innendrucks auf das Batteriegehäuse mittels des zumindest einen Expansionselements.A method for testing and / or designing an electrical energy store, comprising the steps of: providing a battery housing; arranging at least one expansion element in the battery housing; applying an internal pressure to the battery housing by means of the at least one expansion element.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, eine Anordnung zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, eine Verwendung eines Expansionselements sowie einen elektrischen Energiespeicher.The present invention relates to a method for testing and / or designing an electrical energy store, an arrangement for testing and / or designing an electrical energy store, a use of an expansion element and an electrical energy store.
Ein Fokus liegt vorliegend insbesondere auf Lithiumionenzellen. Diese sind aufgrund ihrer hohen Leistungs- und Energiedichte als elektrochemische Energiespeicher in mobilen Anwendungen weit verbreitet. Bei der Ein- und Auslagerung von Lithiumionen und durch Alterungsprozesse kommt es zu Volumenänderungseffekten in den Aktivmaterialien. Diese führen zu einer Dickenänderung der Zelle bzw. einem Kraftanstieg, wenn die Zellen vorgespannt sind. In Modulen für Elektrofahrzeuge sind in der Regel mehrere Zellen über einen entsprechenden Rahmen verspannt. Problematisch ist hierbei, dass sich dadurch unter anderem Belastungen ergeben, welche sich negativ auf die Lebensdauer der Zellen sowie deren Betriebsverhalten auswirken.One focus here is in particular on lithium-ion cells. Due to their high power and energy density, these are widely used as electrochemical energy storage devices in mobile applications. The storage and retrieval of lithium ions and aging processes lead to volume change effects in the active materials. These lead to a change in thickness of the cell or an increase in force when the cells are pretensioned. In modules for electric vehicles, several cells are usually braced over a corresponding frame. The problem here is that, among other things, this results in loads that have a negative effect on the service life of the cells and their operating behavior.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, eine Anordnung zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, eine Verwendung eines Expansionselements sowie einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, sodass insbesondere Energiespeicher bereitgestellt werden können, welche ein optimales Betriebsverhalten bei langer Lebensdauer aufweisen.It is therefore an object of the present invention to specify a method for testing and / or designing an electrical energy store, an arrangement for testing and / or designing an electrical energy store, a use of an expansion element and an electrical energy store so that in particular energy stores can be provided, which have an optimal operating behavior with a long service life.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 6, durch eine Verwendung gemäß Anspruch 12 sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.This object is achieved by a method according to claim 1, by an arrangement according to claim 6, by a use according to claim 12 and by an electrical energy store according to claim 13. Further advantages and features emerge from the subclaims as well as the description and the attached figures.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Testen und/oder Auslegen eines, insbesondere elektrischen, Energiespeichers die Schritte:
- - Bereitstellen eines Batteriegehäuses;
- - Anordnen zumindest eines Expansionselements in dem Batteriegehäuse;
- - Aufbringen eines Innendrucks auf das Batteriegehäuse mittels des zumindest einen Expansionselements, insbesondere durch eine zumindest bereichsweise Druckbeaufschlagung mittels des Expansionselements oder auch durch eine Volumenvergrößerung des Expansionselements.
- - Provision of a battery housing;
- - Arranging at least one expansion element in the battery housing;
- Applying an internal pressure to the battery housing by means of the at least one expansion element, in particular by applying pressure at least in certain areas by means of the expansion element or also by increasing the volume of the expansion element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher ein elektrischer Energiespeicher, insbesondere ein Lithiumionenspeicher. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird hierbei typischerweise zu Zellmodulen konfiguriert. Bei der Fertigung dieser Zellmodule werden die Einzelzellen mit einer definierten Kraft zusammengepresst und beispielsweise mittels Zellmodulrahmen in diesem Zustand gehalten. Während des Betriebs der Zellen entstehen, unter anderem beim Zyklisieren der Zellen (Laden/Entladen), im Inneren der Zellen sogenannte „Swelling Forces“, deren Höhe vom Ladezustand und dem Alter abhängig ist. Diese Kräfte bzw. Swelling Forces drücken von Innen gegen die Gehäuse und verursachen, abhängig von der Einbausituation, ein Ausbauchen der Zellen. Da die Einzelzellen durch den vorgenannten Rahmen gehalten sind, kann es zu starken Verspannungen kommen, insbesondere wenn beispielsweise ein derartiges Ausbauchen der Zelle(n) durch die geometrischen oder konstruktiven Verhältnisse gar nicht möglich ist. Schäden an der Zelle oder zumindest eine Verkürzung der Lebenserwartung sind in der Folge sehr wahrscheinlich. Die Verwendung des zumindest eines Expansionselements stellt einen wirkungsvollen und effektiven Ansatz dar, die vorgenannten Kräfte, insbesondere Swelling Forces, nachzubilden, um den elektrischen Speicher optimal auslegen zu können. In der Folge kann der elektrische Energiespeicher, beispielsweise in einer Prototypen- oder Entwicklungsphase, bestmöglich getestet und/oder ausgelegt werden. Insbesondere handelt es sich also auch um ein Verfahren zum Testen und/oder Auslegen eines Gehäuses für einen elektrischen Energiespeicher, wie insbesondere eine Lithiumionenzelle. Durch die Volumenvergrößerung des Expansionselements kann das Batteriegehäuse von innen exakt mit den Kräften beaufschlagt werden, wie sie sich auch im realen Betrieb ergeben bzw. ergeben würden.According to a preferred embodiment, the energy store is an electrical energy store, in particular a lithium ion store. A large number of individual cells are typically configured into cell modules. During the production of these cell modules, the individual cells are pressed together with a defined force and kept in this state, for example by means of cell module frames. During the operation of the cells, among other things, when the cells are cycled (charging / discharging), so-called swelling forces arise inside the cells, the level of which depends on the state of charge and age. These forces or swelling forces press against the housing from the inside and, depending on the installation situation, cause the cells to bulge. Since the individual cells are held by the aforementioned frame, strong tension can arise, in particular if, for example, such a bulging of the cell (s) is not possible at all due to the geometrical or structural conditions. Damage to the cell or at least a reduction in life expectancy are very likely as a result. The use of the at least one expansion element represents an effective and effective approach to simulating the aforementioned forces, in particular swelling forces, in order to be able to optimally design the electrical storage device. As a result, the electrical energy storage device can be tested and / or designed in the best possible way, for example in a prototype or development phase. In particular, it is also a method for testing and / or designing a housing for an electrical energy storage device, such as, in particular, a lithium-ion cell. By increasing the volume of the expansion element, the battery housing can be acted upon from the inside with exactly the same forces as they would or would also result in real operation.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Volumenvergrößerung bzw. der Druck im Expansionselement fluidisch erzeugt, insbesondere durch Einbringen eines Fluids, flüssig oder gasförmig, in das zumindest eine Expansionselement.According to one embodiment, the increase in volume or the pressure in the expansion element is generated fluidically, in particular by introducing a fluid, liquid or gaseous, into the at least one expansion element.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Expansionselement ein Druckkissen. Das Druckkissen weist gemäß einer Ausführungsform eine Wandung auf, welche aus einem Textil- und/oder Kunststoffmaterial gefertigt ist. Bevorzugte Werkstoffe sind auch kautschukartige Materialien und/oder Gummiwerkstoffe. Zumindest bereichsweise können für die Wandung auch metallische Werkstoffe bzw. eine Mischung der vorgenannten Materialien verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Druckkissen mehrteilig, beispielsweise zumindest zwei-, drei-, vier-, fünfteilig ausgebildet und gefügt, wobei die Fügestellen oder Verbindungs- bzw. Kontaktstellen der einzelnen Wandteile dazu genutzt werden können, einen im Expansionselement wirkenden Druck unterschiedlich auf das Batteriegehäuse zu verteilen.According to a preferred embodiment, the at least one expansion element is a pressure pad. According to one embodiment, the pressure pad has a wall which is made of a textile and / or plastic material. Preferred materials are also rubber-like materials and / or rubber materials. At least in some areas, metallic materials or a mixture of the aforementioned materials can also be used for the wall. According to a preferred embodiment, the pressure pad is constructed and joined in several parts, for example at least two, three, four, five parts, the joining points or connection or contact points of the individual wall parts can be used to distribute a pressure acting in the expansion element differently on the battery housing.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Lokal unterschiedliches Aufbringen des Innendrucks.
- - Locally different application of the internal pressure.
Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass das Batteriegehäuse im realen Betrieb keine gleichmäßige Druck- und/oder Kraftbeaufschlagung von innen erfährt, sondern diese lokal unterschiedlich ist.This takes into account the fact that the battery housing does not experience a uniform application of pressure and / or force from the inside in real operation, but that it is locally different.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Lokal unterschiedliches Aufbringen des Innendrucks über eine nur bereichsweise Anlage des Expansionselements am Batteriegehäuse.
- - Locally different application of the internal pressure via an only area-wise contact of the expansion element on the battery housing.
Dies ermöglicht eine genaue und exakte Krafteinleitung in oder an genau die Bereiche des Batteriegehäuses, welche im realen Betrieb tatsächlich eine Druck- und/oder Kraftbeaufschlagung erfahren. Gemäß einer Ausführungsform werden Simulationsdaten verwendet, um zum einen den Druck im Expansionselement festzulegen, wobei hierbei auch ein Druckprofil über der Zeit vorteilhaft verwendet werden kann, und zum anderen die örtlich unterschiedliche Anlage des Expansionselements innen am Batteriegehäuse exakt festzulegen.This enables an exact and exact introduction of force into or onto precisely those areas of the battery housing which are actually subjected to pressure and / or force in real operation. According to one embodiment, simulation data are used, on the one hand, to determine the pressure in the expansion element, in which case a pressure profile over time can also advantageously be used, and, on the other hand, to precisely determine the locally different contact of the expansion element inside the battery housing.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen einer Vielzahl von Expansionselementen in dem Batteriegehäuse.
- - Arranging a plurality of expansion elements in the battery housing.
Mit Vorteil ist es dadurch unter anderem möglich, unterschiedliche Drücke oder Druckbereiche zu realisieren. Je nach Geometrie des Batteriegehäuses ermöglicht die Verwendung mehrerer Expansionselemente auch eine leichtere Füllung des Batteriegehäuses mit dem Expansionselement.This advantageously makes it possible, among other things, to achieve different pressures or pressure ranges. Depending on the geometry of the battery housing, the use of several expansion elements also enables the battery housing to be filled more easily with the expansion element.
Zweckmäßigerweise füllt das Expansionselement das zu testende oder auszulegende Batteriegehäuse vollständig. Bevorzugt ist das Batteriegehäuse also geschlossen. Um das Expansionselement zu befüllen und/oder zu entleeren weist das Batteriegehäuse zweckmäßigerweise eine entsprechende Öffnung oder eine entsprechende Ausnehmung auf. Diese ist zweckmäßigerweise mit einem Ventil versehen. Dabei bedeutet der Ausdruck „vollständig gefüllt“ nicht, dass die Wandung des Expansionselements vollständig an der Wandung des Batteriegehäuses innen anliegen muss. Wie bereits erwähnt, kann durch ein gezieltes Nicht-Anliegen eine bessere Verteilung der im Betrieb herrschenden Kräfte bzw. Drücke realisiert werden. Typische Batteriegehäuseformen sind vorliegend beispielsweise prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen. Grundsätzlich handelt es sich bei den in Rede stehenden Batteriegehäusen insbesondere um feste Batteriegehäuse, insbesondere aus Kunststoff und/oder Metall, wie beispielsweise Aluminium. Auch elektrische Energiespeicher mit flexiblen Batteriegehäusen, wie Pouchzellen etc., sind zur Anordnung eines derartigen Expansionselements geeignet.The expansion element expediently completely fills the battery housing to be tested or designed. The battery housing is therefore preferably closed. In order to fill and / or empty the expansion element, the battery housing expediently has a corresponding opening or a corresponding recess. This is expediently provided with a valve. The expression “completely filled” does not mean that the wall of the expansion element must lie completely on the inside of the wall of the battery housing. As already mentioned, a better distribution of the forces or pressures prevailing during operation can be achieved through a targeted non-concern. Typical battery housing shapes in the present case are, for example, prismatic cells, round cells or pouch cells. Basically, the battery housings in question are in particular solid battery housings, in particular made of plastic and / or metal, such as aluminum. Electrical energy stores with flexible battery housings, such as pouch cells, etc., are also suitable for arranging such an expansion element.
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung bzw. Vorrichtung zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines Batteriegehäuses, umfassend zumindest ein Expansionselement, angeordnet oder anordenbar in einem Batteriegehäuse, sowie eine Druckerzeugungseinheit, wodurch das Batteriegehäuse über das zumindest eine Expansionselement mit Druck beaufschlagt werden kann. Bei dem Druck kann es sich insbesondere auch um ein Druckprofil handeln, also um einen Druckverlauf, mit welchem das Expansionselement über der Zeit beaufschlagt wird. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend für die Anordnung gelten, sowie umgekehrt. Die Druckerzeugungseinheit ist gemäß einer Ausführungsform eine geeignete Pumpe oder ein Kompressor. Als Mittel zur Druckerzeugung kann ein Gas, wie Luft, oder eine Flüssigkeit, wie Wasser oder Öl, verwendet werden.The invention also relates to an arrangement or device for testing and / or designing an electrical energy store, in particular a battery housing, comprising at least one expansion element, arranged or mountable in a battery housing, as well as a pressure generation unit, whereby the battery housing is pressurized via the at least one expansion element can be. The pressure can in particular also be a pressure profile, that is to say a pressure curve with which the expansion element is acted upon over time. At this point it should be mentioned that the advantages and features mentioned in connection with the method apply analogously and correspondingly to the arrangement, and vice versa. According to one embodiment, the pressure generating unit is a suitable pump or a compressor. A gas, such as air, or a liquid, such as water or oil, can be used as the means for generating pressure.
Zweckmäßigerweise weist das Expansionselement eine Wandung auf, wobei die Wandung zumindest bereichsweise, oder vollständig, flexibel ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine optimale Anlage der Wandung innen am Batteriegehäuse, unabhängig insbesondere von dessen Geometrie.The expansion element expediently has a wall, the wall being at least partially or completely flexible. This enables the wall to rest optimally on the inside of the battery housing, in particular regardless of its geometry.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wandung ausgelegt, im expandierten Zustand nur bereichsweise am Batteriegehäuse anzuliegen. Zweckmäßigerweise können dadurch die im Betrieb auftretenden Kräfte, Drücke bzw. Swelling Forces optimal nachgebildet werden. Diese bereichsweise Anlage kann unter anderem auch dadurch realisiert werden, dass die Wandung nur zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet ist.According to one embodiment, the wall is designed to rest against the battery housing only in areas in the expanded state. The forces, pressures or swelling forces occurring during operation can expediently be optimally simulated. This area-wise system can also be implemented, inter alia, in that the wall is designed to be flexible only at least in areas.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wandung lokal verstärkt und/oder versteift bzw. gerade nicht flexibel, wodurch eine Form der Wandung beim Expandieren eingestellt werden kann.According to one embodiment, the wall is locally reinforced and / or stiffened or precisely not flexible, as a result of which a shape of the wall can be set during expansion.
Gemäß einer Ausführungsform sind die vorgenannten Verstärkungen oder Versteifungen durch Nähte- und/oder Klebebereiche gebildet. Ein derartiges Prinzip ist beispielsweise von Luftmatratzen bekannt. Durch die Kombination von Nähten und Klebestellen kann eine sehr gute Dichtigkeit erzielt werden. Insbesondere kann durch ein gezieltes Einbringen von Nähten, die Form des Expansionselements im expandierten Zustand eingestellt werden. Mit Vorteil können dadurch „Kammern“ gebildet werden.According to one embodiment, the aforementioned reinforcements or stiffeners are formed by seam and / or adhesive areas. Such a principle is known, for example, from air mattresses. A very good seal can be achieved through the combination of seams and glued joints become. In particular, the shape of the expansion element in the expanded state can be adjusted through the targeted introduction of seams. In this way, “chambers” can advantageously be formed.
Bevorzugte Drücke im expandierten Zustand des Expansionselements liegen in einem Bereich von etwa 6-12 bar. Die vorgenannten Klebestellen bzw. Nahtstellen können, insbesondere bevorzugt in Kombination, diesen Drücken standhalten. Wie bereits erwähnt, ist das Expansionselement bevorzugt ein Druckkissen. Dieses ist bevorzugt aus einer Vielzahl von Einzelteilen oder Einzelelementen zusammengesetzt, wobei bereits durch diesen Aufbau eine Form des Expansionselements bzw. des Druckkissens, insbesondere im expandierten Zustand, eingestellt werden kann. Die vorgenannten Naht- oder Klebebereiche können dabei insbesondere zusätzlich zu Formgebung verwendet werden.Preferred pressures in the expanded state of the expansion element are in a range of approximately 6-12 bar. The aforementioned adhesive points or seams can, particularly preferably in combination, withstand these pressures. As already mentioned, the expansion element is preferably a pressure pad. This is preferably composed of a large number of individual parts or individual elements, it being possible to set a shape of the expansion element or the pressure pad, in particular in the expanded state, through this structure. The aforementioned seam or adhesive areas can in particular be used in addition to shaping.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Wandung zumindest bereichsweise Formelemente auf, und wobei die Formelemente als Vor- und/oder Rücksprünge ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise sind die Formelemente ausgelegt, eine zumindest lokal unterschiedliche Durck- oder Krafteinleitung in das Batteriegehäuse zu ermöglichen. Gemäß einer Ausführungsform sind die Formelemente als Noppen, Rillen, Stege bzw. entsprechend korrespondierend ausgebildete Rücksprünge ausgebildet, wodurch sehr gezielt und lokal eine Krafteinwirkung auf das Batteriegehäuse von Innen nachgebildet werden kann.According to one embodiment, the wall has at least regionally shaped elements, and the shaped elements are designed as projections and / or recesses. The shaped elements are expediently designed to enable an at least locally different introduction of pressure or force into the battery housing. According to one embodiment, the shaped elements are designed as knobs, grooves, webs or correspondingly designed recesses, whereby a force action on the battery housing from the inside can be simulated in a very targeted and local manner.
Die Erfindung richtet sich auch auf die Verwendung eines Expansionselements, insbesondere eines Druckkissens, zum Nachbilden bzw. Simulieren von Drücken, insbesondere Swelling Forces, in einem Batteriegehäuse. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren sowie der Anordnung erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für die Verwendung bzw. umgekehrt.The invention is also directed to the use of an expansion element, in particular a pressure pad, for emulating or simulating pressures, in particular swelling forces, in a battery housing. The advantages and features mentioned in connection with the method and the arrangement apply analogously and correspondingly to the use or vice versa.
Weiter richtet sich die Erfindung auf einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Lithiumionenzelle, beispielsweise mit einem prismatischen Batteriegehäuse oder einem zylindrischen Gehäuse (Rundzelle), oder auch ausgebildet als Pouchzelle, welcher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt bzw. hergestellt ist.The invention is also directed to an electrical energy store, in particular a lithium-ion cell, for example with a prismatic battery housing or a cylindrical housing (round cell), or also designed as a pouch cell, which is designed or manufactured according to the method according to the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des Verfahrens bzw. von Anordnungen zum Testen und/oder Auslegen eines elektrischen Energiespeichers mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Dabei können verschiedene Merkmale im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.Further advantages and features emerge from the following description of embodiments of the method or of arrangements for testing and / or designing an electrical energy store with reference to the attached figures. Different features can be combined with one another within the scope of the invention.
Es zeigen:
-
1 : eine schematische Ansicht eines Batteriegehäuses sowie eines Expansionselements in einer Schnittansicht; -
2 : zwei Seitenansichten von Expansionselementen, von außen gesehen; -
3 : eine weitere Ausführungsform eines Expansionselements in einer Seitenansicht, sowie eine entsprechend skizzierte Schnittdarstellung, -
4 : zwei weitere Ansichten von Expansionselementen mit unterschiedlich angeordneten Klebe- bzw. Nahtbereichen; -
5 : eine weitere Ausführungsform eines Expansionselements mit Formelementen, von außen gesehen, wobei eine Wandung des Expansionselements mehrere Formelemente aufweist.
-
1 : a schematic view of a battery housing and an expansion element in a sectional view; -
2 : two side views of expansion elements, seen from the outside; -
3 : Another embodiment of an expansion element in a side view, as well as a correspondingly sketched sectional view, -
4th : two further views of expansion elements with differently arranged adhesive or seam areas; -
5 : Another embodiment of an expansion element with shaped elements, seen from the outside, wherein a wall of the expansion element has several shaped elements.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- BatteriegehäuseBattery case
- 2222nd
- VentilValve
- 2424
- WandungWall
- 2525th
- erstes Wandteilfirst wall part
- 2626th
- zweites Wandteilsecond wall part
- 2828
- Klebestelle, KlebebereichGlue point, glue area
- 3030th
- Nahtstelle, NahtbereichSeam, seam area
- 3232
- FormelementForm element
- x, y, zx, y, z
- KoordinatenCoordinates
Claims (13)
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DE3529727A1 (en) * | 1985-08-20 | 1987-03-05 | Varta Batterie | Method for bracing accumulator cells, arranged in a row |
DE102014114019A1 (en) * | 2014-09-26 | 2016-03-31 | Obrist Technologies Gmbh | battery system |
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2019
- 2019-08-13 DE DE102019121720.2A patent/DE102019121720A1/en active Pending
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