DE102020005411A1 - Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen mit beschleunigter Alterung und mehreren Lade-/Entladezyklen.Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte (S1 bis S4):- Halten einer Temperatur der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle auf einem vorgegebenen Temperaturwert von 45 °C ± 7 °C,- Durchführen mehrerer Lade-/Entladezyklen durch wiederholtes, insbesondere schnelles, Laden und Entladen der mindestens einen Einzelzelle oder der mehreren Einzelzellen zwischen einem jeweiligen Ladezustand von 100 % und 0 % mit konstantem Strom oder konstanter Leistung, wobei dies beim Testen mehrerer Einzelzellen derart durchgeführt wird, dass eine Temperaturabweichung zwischen den Einzelzellen einen vorgegebenen Temperaturabweichungswert von 7 °C nicht überschreitet,- beim Testen mehrerer Einzelzellen Reduzieren einer jeweiligen Entladetiefe auf einen Ladezustand von 0 % bis 20 % und einer jeweiligen Ladehöhe auf einen Ladezustand von 90 % bis 100 %, falls die Temperaturabweichung zwischen mindestens zwei Einzelzellen den vorgegebenen Temperaturabweichungswert von 7 °C erreicht, und- Ermitteln einer Dicke der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen nach jedem Lade-/Entladezyklus oder Ermitteln einer durch ein Zelldickenwachstum der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachten Kraft nach jedem Lade-/Entladezyklus.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik ist, wie beschrieben in Li et al., A comparative study of model-based capacity estimation algorithms in dual estimation frameworks for lithium-ion batteries under an accelerated aging test, Applied Energy 212 (2018) 1522-1536, ein Verfahren zum Testen einer Lithium-Ionen-Batterie mit beschleunigter Alterung bekannt. Zu diesem Zweck wurden die Zellen der Batterie einer erhöhten Umgebungstemperatur ausgesetzt und ein Lade-/Entladezyklus mit hoher Stromamplitude durchgeführt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen mit beschleunigter Alterung und mehreren Lade-/Entladezyklen umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte:
    • - Halten einer Temperatur der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle auf einem vorgegebenen Temperaturwert von ca. 45 °C ± 7 °C, d. h. es wird bevorzugt ein Temperaturwert von ca. 45 °C angestrebt, wobei jedoch Abweichungen nach unten und oben von jeweils ca. 7 °C zulässig sind,
    • - Durchführen mehrerer Lade-/Entladezyklen durch wiederholtes, insbesondere schnelles, Laden und Entladen der mindestens einen Einzelzelle oder der mehreren Einzelzellen zwischen einem jeweiligen Ladezustand von 100 % und 0 % mit konstantem Strom oder konstanter Leistung, wobei dies beim Testen mehrerer Einzelzellen derart durchgeführt wird, dass währenddessen eine Temperaturabweichung zwischen den Einzelzellen einen vorgegebenen Temperaturabweichungswert von ca. 7 °C nicht überschreitet,
    • - beim Testen mehrerer Einzelzellen Reduzieren einer jeweiligen Entladetiefe auf einen Ladezustand von 0 % bis 20 % und einer jeweiligen Ladehöhe auf einen Ladezustand von 90 % bis 100 %, falls die Temperaturabweichung, insbesondere zwischen mindestens zwei Einzelzellen, den vorgegebenen Temperaturabweichungswert von ca. 7 °C erreicht, und
    • - Ermitteln, insbesondere Messen, einer Dicke der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen (Gesamtdicke aller Einzelzellen) nach jedem Lade-/Entladezyklus oder Ermitteln, insbesondere Messen, einer durch ein Zelldickenwachstum, d. h. durch ein Anschwellen, der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachten Kraft nach jedem Lade-/Entladezyklus.
  • Das Verfahren ermöglicht eine beschleunigte Alterung einer oder mehrerer Einzelzellen zur Bestimmung der Korrelation zwischen Alterung und Zelldickenwachstum. Es ermöglicht somit eine schnelle Bestimmung der Auswirkung der Alterung auf das Zelldickenwachstum der Einzelzellen, insbesondere bereits während einer Batterieentwicklung. Mittels des Verfahrens kann beispielsweise eine einzelne Einzelzelle getestet werden oder es können Einzelzellen als Bestandteil eines Batteriemoduls oder einer Batterie getestet werden.
  • Das beschriebene Verfahren bildet somit insbesondere eine Testmethode zur gerafften Alterung von Einzelzellen, Batteriemodulen und Batterien hinsichtlich des Zelldickenwachstums. Mittels dieser Testmethode kann eine Aussage bezüglich der Auswirkungen des Zelldickenwachstums auf mechanische Komponenten des Systems, insbesondere des Batteriemoduls und/oder der Batterie, sowie bezüglich der Korrelation zwischen Alterung und Kraftaufbau werden.
  • Mittels des Verfahrens können Komponenten, d. h. die Einzelzellen und/oder andere Komponenten, insbesondere mechanische Komponenten, des Batteriemodul und/oder der Batterie, deutlich früher im Entwicklungsprozess untersucht werden und Fehler werden frühzeitig erkannt. Dadurch kann noch im Entwicklungsprozess auf die Eigenschaft des Zelldickenwachstums eingegangen werden und die Komponenten dementsprechend ausgelegt und optimiert werden. Des Weiteren ist eine Absicherung und Prognose hinsichtlich Lebensdauer früher möglich.
  • Während des Verfahrens ist die zu testende mindestens eine Einzelzelle oder sind die zu testenden mehreren Einzelzellen, beispielsweise des Batteriemoduls oder der Batterie, vorteilhafterweise in einer Klimakammer angeordnet. Vorteilhafterweise erfolgt während des Verfahrens eine Fluidkühlung der mindestens einen Einzelzelle oder der mehreren Einzelzellen, um die oben genannten Kriterien zu erfüllen. Vorteilhafterweise wird bei mehreren Einzelzellen während des Verfahrens zumindest einmal oder mehrfach ein Balancing durchgeführt, d. h. ein Ladezustandsausgleich zwischen den Einzelzellen.
  • Wie oben bereits beschrieben (vierter Anstrich), werden zur Analyse und Bewertung des Zelldickenwachstums regelmäßige Zwischentests durchgeführt. Bei diesen Zwischentests, d. h. nach jedem Lade-/Entladezyklus, werden vorteilhafterweise ein Alterungszustand, auch als State of Health bezeichnet, der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle ermittelt, insbesondere gemessen, und es werden, wie oben bereits beschrieben, das Zelldickenwachstum bzw. die durch das Zelldickenwachstum verursachte Kraft und vorteilhafterweise die Auswirkungen auf ein mechanisch umgebendes System ermittelt, insbesondere gemessen.
  • Zur Bestimmung der durch das Zelldickenwachstum verursachten Kraft im Prüfling, d. h. in der Einzelzelle, im Batteriemodul oder in der Batterie, sind unterschiedliche Messverfahren möglich. Diese Messverfahren sind bzw. die Auswahl des jeweiligen Messverfahrens ist beispielsweise abhängig von der Prüflingsart (Einzelzelle, Batteriemodul oder Batterie) und von räumlichen Gegebenheiten am Prüfling. Bei sehr vielen Messverfahren kann nicht direkt die Kraft gemessen werden. Daher ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die durch das Zelldickenwachstum der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachte Kraft mittels einer Umrechnung über ein Simulationsmodell ermittelt wird, welches in einer initialen Versuchsreihe validiert wurde. D. h. zur Validierung des Simulationsmodells wird eine initiale Versuchsreihe mit dem entsprechenden Messverfahren durchgeführt.
  • Die durch das Zelldickenwachstum der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachte Kraft im Versuchsverlauf wird vorteilhafterweise je nach Testobjekt (Einzelzelle, Batteriemodul oder Batterie) unterschiedlich erfasst oder simulativ hergeleitet.
  • Beispielsweise werden ein oder mehrere Zelltests durchgeführt. Dabei wird die jeweilige Einzelzelle zwischen zwei Platten eingespannt. Beispielsweise messen dann ein oder mehrere Drucksensoren und/oder Kraftsensoren die langsam steigende Kraft, welche die Einzelzelle auf die äußeren Platten ausübt. Alternativ wird eine durch die Platten auf die Einzelzelle wirkende Gegenkraft stetig konstant auf einem vorgegebenen Wert gehalten, wodurch die Platten aufgrund des zunehmenden Zelldickenwachstums und der dadurch verursachten und auf die Platten wirkenden Kraft auseinandergedrückt werden. Das Zelldickenwachstum und/oder die dadurch verursachte Kraft können dann durch die Messung des sich bildenden Spaltes zwischen den Platten ermittelt werden.
  • Des Weiteren kann, beispielsweise alternativ oder zusätzlich ein Modultest oder ein Batterietest durchgeführt werden. Hierfür sind beispielsweise Drucksensoren und/oder Kraftsensoren zwischen den Einzelzellen angeordnet, welche die durch das Zelldickenwachstum verursachte auftretende Kraft im Batteriemodul bzw. in der Batterie messen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mittels Kraft- und/oder Dehnungssensoren eine Verformung des Batteriemoduls bzw. der Batterie gemessen wird und daraus die durch das Zelldickenwachstum verursachte Kraft ermittelt wird. Dies kann alternativ auch durch optische Messtechnik erfolgen. Anhand von Simulationen und Referenzversuchen kann auf die im Zellblock herrschende Kraft zurückgerechnet werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigt:
    • 1 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Verfahrens zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen mit beschleunigter Alterung und mehreren Lade-/Entladezyklen. Das Verfahren umfasst vorteilhafterweise mindestens die im Folgenden beschriebenen Schritte S1 bis S4, oder, wenn nur eine einzelne Einzelzelle getestet wird, mindestens die Schritte S1, S2 und S4, wobei diese Schritte S1 bis S4 nicht zwangsläufig nacheinander erfolgen müssen und jeweils vor dem nachfolgenden Schritt S1 bis S4 abgeschlossen sein müssen, sondern es können beispielsweise auch mehrere oder alle Schritte S1 bis S4 teilweise oder vollständig gleichzeitig ablaufen und/oder es können sich einer oder mehrere Schritte S1 bis S4 einmal oder mehrfach wiederholen.
  • Gemäß Schritt S1 wird eine Temperatur der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle auf einem vorgegebenen Temperaturwert von ca. 45 °C ± 7 °C gehalten, d. h. es wird bevorzugt ein Temperaturwert von ca. 45 °C angestrebt, wobei jedoch Abweichungen nach unten und oben von jeweils ca. 7 °C zulässig sind.
  • Gemäß Schritt S2 werden mehrere Lade-/Entladezyklen durch wiederholtes, insbesondere schnelles, Laden und Entladen der mindestens einen Einzelzelle oder der mehreren Einzelzellen zwischen einem jeweiligen Ladezustand von 100 % und 0 % mit konstantem Strom oder konstanter Leistung durchgeführt, wobei dies beim Testen mehrerer Einzelzellen derart durchgeführt wird, dass währenddessen eine Temperaturabweichung zwischen den Einzelzellen einen vorgegebenen Temperaturabweichungswert von ca. 7 °C nicht überschreitet.
  • Gemäß Schritt S3 wird beim Testen mehrerer Einzelzellen eine jeweilige Entladetiefe auf einen Ladezustand von 0 % bis 20 % und eine jeweilige Ladehöhe auf einen Ladezustand von 90 % bis 100 % reduziert, falls die Temperaturabweichung, insbesondere zwischen mindestens zwei Einzelzellen, den vorgegebenen Temperaturabweichungswert von ca. 7 °C erreicht.
  • Gemäß Schritt S4 wird eine Dicke der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen (Gesamtdicke aller Einzelzellen) nach jedem Lade-/Entladezyklus ermittelt, insbesondere gemessen, oder es wird eine durch ein Zelldickenwachstum, d. h. durch ein Anschwellen, der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachte Kraft nach jedem Lade-/Entladezyklus ermittelt, insbesondere gemessen.
  • Das Zelldickenwachstum ist eine normale Reaktion der jeweiligen Einzelzelle bei Alterung. Aufgrund chemischer Reaktionen bilden sich Reaktionsprodukte, welche ein mechanisches Wachstum beobachten lassen. Eine Ausprägung des Wachstums ist abhängig von der Zusammensetzung der Einzelzelle, einer Zellgeometrie und einer Nutzung.
  • Ein Hauptfaktor des Zelldickenwachstums sind eine Bildung und ein Wachstum einer SEI-Schicht (solid elektrolyte interface). Neben anderen Effekten, beispielsweise Plating oder Gasung, stellt die SEI im normalen Betrieb der Einzelzelle den Hauptteil zum Wachstum dar.
  • Je nach elektrischem Betrieb der Einzelzelle kann die Bildung und die Ausprägung der SEI-Schicht eher langsam oder schneller forciert werden. Mittels des hier beschriebenen Verfahren, insbesondere mittels der im Folgenden beschriebenen Tests, wird das Zelldickenwachstum in kurzer Zeit erzeugt und kann zur frühzeitigen Auslegung und Validierung von Subkomponenten und dem gesamten System Batterie/Batteriemodul herangezogen werden.
  • Hauptfaktor zur Bildung von SEI ist erhöhte Temperatur bei elektrischer Belastung. Die Belastung besteht insbesondere aus Zyklen mit hoher Entladetiefe (DOD). Durch stetige Wiederholung solcher Zyklen kann ein beschleunigtes Wachstum der SEI erreicht werden.
  • Zur Absicherung des Themas Zelldickenwachstum kann ein Testprogramm auf mehreren Ebenen (Einzelzelle, Batteriemodul, Batterie) durchgeführt werden. Dieses Testprogramm besteht vorteilhafterweise aus einer Testspur Zelldickenwachstum, welche in eine Teststrategie zur Absicherung des Zelldickenwachstums integriert ist. Zur gezielten Alterung einer Komponente, d. h. der Einzelzelle oder des Batteriemoduls oder der Batterie und somit mehrerer Einzelzellen hinsichtlich Zelldickenwachstums wird das hier beschriebene Verfahren, insbesondere der im Folgenden beschriebene Test, verwendet.
  • Dieses Verfahren, insbesondere dieser Test, kann auf Einzelzellen, Batteriemodule und Batterien angewendet werden. Der Test besteht aus einer elektrischen Belastung in einer thermisch kontrollierten Umgebung. Die elektrische Belastung unterteilt sich, wie oben bereits erwähnt, in eine Entlade- und Ladephase bei konstantem Strom oder konstanter Leistung. Hierbei sind die elektrischen Grenzen des Betriebsfensters der Komponente, d. h. der Einzelzelle, des Batteriemoduls oder der Batterie, zu beachten. Die thermische Umgebung ist jeweils so auszulegen und zu regeln, dass in dieser Komponente stets eine möglichst homogene und gleichbleibende Temperaturverteilung herrscht, wie oben ebenfalls bereits beschrieben.
  • Beim Testen mehrerer Einzelzellen, insbesondere im Verbund eines Batteriemoduls oder einer Batterie, ist darauf zu achten, dass sich die Einzelzellen bezüglich ihrer Spannung im Verlaufe des Tests nicht zu weit auseinander bewegen. Vorteilhafterweise sind daher entsprechende Zeiten des Balancings vorgesehen, während derer das Balancing, d. h. ein Ladezustandsausgleich zwischen den Einzelzellen, durchgeführt wird.
  • Zusätzlich sind vorteilhafterweise je nach verwendeter Software des Battery Management Systems oder des Modul Management Systems entsprechende Pausen zur Rekalibrierung des Ladezustandes vorgesehen.
  • Zur Analyse und Bewertung des Zelldickenwachstums werden vorteilhafterweise regelmäßige Zwischentests vorgenommen. Bei diesen Zwischentests werden vorteilhafterweise der Alterungszustand (SOH) und das Zelldickenwachstum bzw. die entstandene, d. h. durch das Zelldickenwachstum verursachte, Kraft und die Auswirkungen auf das mechanisch umgebende System ermittelt, insbesondere gemessen.
  • Zur Bestimmung der entstehenden, d. h. durch das Zelldickenwachstum verursachten, Kraft im Prüfling, d. h. in der Einzelzelle, im Batteriemodul oder in der Batterie, sind unterschiedliche Verfahren möglich. Diese sind abhängig von der Prüflingsart (Einzelzelle, Batteriemodul oder Batterie) und von räumlichen Gegebenheiten am Prüfling. Bei fast allen Messverfahren kann nicht direkt die Kraft gemessen werden. Daher wird eine Umrechnung über ein Simulationsmodell benötigt. Zur Validierung des Simulationsmodells wird eine initiale Versuchsreihe mit der entsprechenden Messmethode durchgeführt.
  • Der Test wird in der Testspur Zelldickenwachstum durchgeführt. Hierbei ist zu beachten, dass für den Test unter Umständen eine speziell präparierte Batterie oder ein speziell präpariertes Batteriemodul oder ein Zellteststand benötigt wird, um die Kraft im Block, d. h. in der Batterie oder im Batteriemodul, messen zu können. Je nach Messmethode sind andere Voraussetzungen an den Prüfling zu stellen. Aufgrund geometrischer Bedingungen können nicht immer alle Verfahren angewendet werden. Je nach Prüfling wird daher die am besten durchführbare Methode ausgewählt.
  • Die Testmethode fordert unterschiedliche generische Richtlinien zur Auslegung des gerafften Alterungstests hinsichtlich Zelldickenwachstum. Der Test ist allgemein nach folgenden Auslegungsrichtlinien zu erstellen:
    • · Der elektrische Betrieb der Komponente, d. h. der Einzelzelle, Batterie oder des Batteriemoduls erfolgt in deren Betriebsfenster.
    • · Es erfolgt eine konstante elektrische Belastung, d. h. ein Laden und Entladen mit konstantem Strom oder konstanter Leistung. Es ist zu vermeiden, dass eine zu hohe Belastung gewählt wird und vom Betriebsfenster eingegrenzt wird.
    • · Der Betrieb sollte eine durchgehend hohe Entladetiefe (DOD) beinhalten. Je nach Anwendungsfall im Feld ist der Ladezustandsverlauf 100 % -> 0 % -> 100 % anzustreben
    • · Die Betriebstemperatur wird auf konstant ca. 45 °C eingestellt.
    • · Die Temperatur im Prüfling, d. h. in der Einzelzelle, Batterie oder im Batteriemodul, sollte homogen verteilt sein. Auf Batterieebene ist eine Temperaturabweichung von minimaler zu maximaler gemessener Temperatur von 7 K anzustreben. Auch in kurzen Peaks, d. h. in kurzen Temperaturspitzen, sollte die Temperaturabweichung unter 10 K bleiben.
    • · Falls das thermische Verhalten, d. h. insbesondere die Erwärmung im Randbereich des Ladezustands, d. h. 0 % bis 20 % oder 90 % bis 100 %, zu stark ausgeprägt ist, so ist die Entladetiefe (DOD) zu verringern, um stets eine gleichbleibende Temperierung sicherzustellen.
  • Mittels einer Batteriesimulation können Werte für Strom und Temperatur, insbesondere für eine Klimakammer und ein Temperierfluid, ermittelt werden. In der Validierungsphase mit dem realen Prüfling erfolgt die letzte Anpassung dieser Werte.
  • Zeitliche Temperaturschwankungen aufgrund des thermischen Verhaltens bei elektrischem Betrieb werden über eine externe Temperierung, insbesondere mittels des Temperierfluids ausgeglichen. Wird der Ladestrom bei hohem Ladezustand durch das Betriebsfenster eingegrenzt, so wird eine Fluidtemperatur des Temperierfluids erhöht, um eine gleichbleibende Temperatur im Prüfling zu erreichen. Ist das thermische Verhalten beim Entladen stärker, so ist die Fluidtemperatur des Temperierfluids entsprechend abzusenken, im Gegensatz zum Ladefall.
  • Damit eine gleichbleibende homogene Temperaturverteilung innerhalb des Prüflings sichergestellt ist, wird eine Fluidtemperierung, insbesondere eine Fluidkühlung, mittels des Temperierfluids vorteilhafterweise aktiv geregelt. Dazu werden die Temperaturen an mehreren Stellen innerhalb des Prüflings erfasst und die externe Fluidkühlung entsprechend geregelt.
  • Vorteilhafterweise ist der Prüfling, d. h. die mindestens eine Einzelzelle, das Batteriemodul oder die Batterie, während des Verfahrens in einer Klimakammer angeordnet. Die Klimakammer kann das Temperaturniveau im Test, d. h. während des Verfahrens, konstant halten und die Wärme, welche durch den allgemeinen elektrischen Betrieb entsteht, über ein Gehäuse, beispielsweise ein Batteriegehäuse, abführen. Durch eine indirekte thermische Ankopplung der elektrisch betriebenen Einzelzellen beispielsweise in der Batterie, beispielsweise über Zellrahmen, das Batteriemodul und das Gehäuse an eine Umgebungsluft ergibt sich ein zeitlich träges Verhalten. Somit kann die Klimakammer kurze Temperaturspitzen im Test durch eine variierende elektrische Leistung nicht ausgleichen. Daher wird eine Kammertemperatur der Klimakammer über den Test, d. h. während des Verfahrens, vorteilhafterweise konstant gehalten. Temperaturvariationen werden vorteilhafterweise über die Fluidkühlung des Prüflings ausgeglichen.
  • Des Weiteren wird vorteilhafterweise ein zu großer Temperaturunterschied zwischen der Betriebstemperatur des Prüfling und der Umgebungsluft in der Klimakammer vermieden. Je nach Prüflingsart kann dieser Temperaturunterschied größer gewählt werden. Bei Batterien ist beispielsweise ein Temperaturunterschied im Bereich von 40 K möglich, beispielsweise Umgebungstemperatur 0 °C und Fluidkühlung 40 °C bei einer Pluginbatterie.
  • In der Testvalidierung ist darauf zu achten, dass die äußeren Einzelzellen über die Umgebungsluft nicht zu stark abgekühlt werden. Eine homogene Temperaturverteilung im Prüfling ist stets anzustreben.
  • Da beim Test der Batterie oder des Batteriemoduls die Batterie oder das Batteriemodul kontinuierlich betrieben wird, laufen die Zellspannungen der Einzelzellen im Zeitverlauf auseinander. Um dem entgegen zu wirken, wird auf Modul- und Batterieebene vorteilhafterweise ein Balancing durchgeführt. Eine Anzahl und Dauer von Balancingpausen ist abhängig von der verwendeten Einzelzelle. Der Balancingbedarf wird vorteilhafterweise im Vorfeld grob ermittelt. Zusätzlich wird vorteilhafterweise im Prüfstand eine Analyse des Zellspreads, d. h. einer Abweichung der Ladezustände der Einzelzellen, zu programmieren. Da sich der Balancingbedarf über die Lebensdauer erhöht, wird hier vorteilhafterweise eine dynamische Anpassung der Balancingzeit berücksichtigt.
  • Je nach Musterstand benötigt die Software des Batteriemanagementsystems und/oder des Modulmanagementsystems zwischen Lade- und Entladezyklus eine kurze Pause ohne Strombelastung, um den Ladezustand korrekt zu berechnen. Hier wird vorteilhafterweise eine feste Pause im Sekunden- oder Minutenbereich vorgegeben, jeweils nach Laden oder Entladen. Alternativ wird eine dynamische Integration von Pausen eingefügt, welche vom Prüfstand geregelt wird. Dieser analysiert eine Ruhespannung in kurzen Pausen, vergleicht den vom Batteriemanagementsystem und/oder Modulmanagementsystem berechneten Ladezustand und aktiviert bei zu großen Differenzen eine zusätzliche Pause zur Rekalibirierung des batteriemanagementsysteminternen und/oder modulmanagementsysteminternen Ladezustands.
  • Vorteilhafterweise werden in kurzen Abständen kurze Zwischentests (PuK) zur Analyse der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des Widerstands und der Kapazität, durchgeführt. Umfangreichere Tests (RPT) werden vorteilhafterweise mit größerem Abstand durchgeführt. Anhand der kurzen Zwischentests und der Analyse der Kapazität werden vorteilhafterweise je nach Kraft-Messverfahren zusätzliche Messungen eingeplant.
  • Eine gesamte Laufzeit des Zelldickenwachstumstests, insbesondere des hier beschriebenen Verfahrens, ist abhängig von der Alterung bzw. dem Zelldickenwachstum der jeweiligen Einzelzelle. Der Test wird spätestens gestoppt, sobald eine kritische Kraft erreicht wird. Anhand vorheriger Tests an einer oder mehreren Einzelzellen, Batteriemodul und Batterie kann das Kriterium der kritischen Kraft durch eine Analyse von sicherheitsrelevanten Eigenschaften definiert werden. Eine Abschätzung der gesamten Laufzeit des Zelldickenwachstumstests, insbesondere des hier beschriebenen Verfahrens, ist stets abhängig von einer Zielkonfiguration des Systems.
  • Bezugszeichenliste
  • S1 bis S4
    Schritte

Claims (3)

  1. Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen mit beschleunigter Alterung und mehreren Lade-/Entladezyklen, gekennzeichnet durch die Schritte (S1 bis S4): - Halten einer Temperatur der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle auf einem vorgegebenen Temperaturwert von 45 °C ± 7 °C, - Durchführen mehrerer Lade-/Entladezyklen durch wiederholtes, insbesondere schnelles, Laden und Entladen der mindestens einen Einzelzelle oder der mehreren Einzelzellen zwischen einem jeweiligen Ladezustand von 100 % und 0 % mit konstantem Strom oder konstanter Leistung, wobei dies beim Testen mehrerer Einzelzellen derart durchgeführt wird, dass eine Temperaturabweichung zwischen den Einzelzellen einen vorgegebenen Temperaturabweichungswert von 7 °C nicht überschreitet, - beim Testen mehrerer Einzelzellen Reduzieren einer jeweiligen Entladetiefe auf einen Ladezustand von 0 % bis 20 % und einer jeweiligen Ladehöhe auf einen Ladezustand von 90 % bis 100 %, falls die Temperaturabweichung zwischen mindestens zwei Einzelzellen den vorgegebenen Temperaturabweichungswert von 7 °C erreicht, und - Ermitteln einer Dicke der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen nach jedem Lade-/Entladezyklus oder Ermitteln einer durch ein Zelldickenwachstum der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachten Kraft nach jedem Lade-/Entladezyklus.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Lade-/Entladezyklus ein Alterungszustand der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle ermittelt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Zelldickenwachstum der mindestens einen Einzelzelle oder der jeweiligen Einzelzelle oder aller Einzelzellen verursachte Kraft mittels einer Umrechnung über ein Simulationsmodell ermittelt wird, welches in einer initialen Versuchsreihe validiert wurde.
DE102020005411.0A 2020-09-04 2020-09-04 Verfahren zum Testen mindestens einer elektrochemischen Einzelzelle oder mehrerer elektrochemischer Einzelzellen Pending DE102020005411A1 (de)

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FR3124270A1 (fr) * 2022-07-19 2022-12-23 Verkor Appareil et procédé d’inspection d’une cellule secondaire
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DE102021118000A1 (de) 2021-07-13 2023-01-19 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zum Bestimmen von Alterungsprozessen einer Batterieanordnung sowie Computerprogrammprodukt und computerlesbarer Datenträger

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