DE102020128794A1

DE102020128794A1 - Testanordnung und Verfahren zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102020128794A1
Application number: DE102020128794.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Gert Voigt
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Testanordnung (10) zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle (12) repräsentierten Batteriezelle (48). Dabei weist die Testanordnung (10) die mindestens eine Testzelle (12) auf, welche elektrisch inert ausgebildet ist und welche ein Zellgehäuse (16) umfasst, welches ein Zellinneres (18) der Testzelle (12) von einer Umgebung (20) der Testzelle (12) trennt. Weiterhin weist die Testanordnung (10) eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14) auf, die dazu ausgelegt ist, während einer Testphase mindestens eine Kraft (F), welche in zumindest eine Richtung vom Zellinneren (18) der Testzelle (12) nach außen zur Umgebung (20) der Testzelle (12) gerichtet ist, auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses (16) auszuüben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Testanordnung zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle repräsentierten Batteriezelle. Die Erfindung betrifft des Weiteren auch ein Verfahren zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle repräsentierten Batteriezelle.
In den gängigen Hochvoltbatterien werden zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen in verschiedenen Packungsformen, zum Beispiel als Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouch-Zellen, verbaut. Alle Zelltypen altern dabei über ihre Lebensdauer und ändern dabei insbesondere ihre physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel ihre Kapazität. Um derartige Veränderungen zu erforschen und um diese spezifizieren zu können, werden für Zellmodule Lebensdauertests durchgeführt. Hierdurch sollen die Alterungserscheinungen der Zellchemie abgesichert werden. Bei solchen Tests werden die Batteriezellen wiederholt geladen und entladen. Dabei werden die Lebensdauertests mit verschiedenen zulässigen Lade- und Entladegeschwindigkeiten durchgeführt. Die Prüfzeiten betragen dabei je nach Testszenario 50 Wochen oder mehr. Dabei ist die maximale Testgeschwindigkeit von der spezifizierten elektrischen Ladegeschwindigkeit abhängig. Dadurch können solche Tests nicht beliebig beschleunigt werden. Entsprechend weisen solche Lebensdauertests sehr lange Testzeiten auf. Ein weiterer Nachteil besteht zudem darin, dass mechanische Defekte, wie zum Beispiel Brüche von Balancing-Kontakten, zu einem Testabbruch führen, was einen erneuten zeitaufwendigen Test erfordert, um die Zellchemie gemäß Spezifikation abzusichern. Wünschenswert wäre es daher, die Testzeiten solcher Tests verkürzen zu können.
Die CN 109884091 A beschreibt eine Schnelltesttechnologie für das innere Deformationsfeld einer Lithium-Ionen-Batterie. Hierbei soll ein dreidimensionaler röntgentomographischer Scan von der internen Topographie-Struktur der Batterie aufgenommen werden. Um die langen Scan-Zeiten dabei zu verkürzen, ist es vorgesehen, die jeweiligen Stromkollektoren der positiven und negativen Elektrode der Batteriezelle vorher mit zusätzlichen Identifikationspunkten zu versehen.
Die oben genannten Lebensdauertests lassen sich hierdurch jedoch nicht ersetzen und können hierdurch insbesondere auch nicht beschleunigt werden.
Die CN 110220780 A1 beschreibt ein Testsystem zum Testen der mechanischen Eigenschaften einer Lithium-Ionen-Batterie mittels einer Beanspruchungstestmaschine. Dabei wird eine Batteriezelle in eine Halterung eingespannt und über einen Druckknopf der Maschine mit Druck beaufschlagt, um die Batteriezelle zu komprimieren. Hierdurch soll ermittelt werden, um die mechanischen Eigenschaften der Batteriezelle einem Standard genügen.
Ist der Standard entsprechend hoch gesetzt, so könnte hierdurch zwar die Wahrscheinlichkeit erhöht werden, dass eine solche Batteriezelle auch einen oben beschriebenen Lebensdauertest ohne mechanische Defekte durchsteht. Die Erhöhung des Standards für Batteriezellen hat jedoch zur Folge, dass diese aufwendiger und teurer ausgestaltet werden müssen. Außerdem ist es durch eine solche Testmaschine lediglich möglich, die mechanischen Eigenschaften der Zelle selbst zu überprüfen. An Zellpole angeschlossene elektrische Kontakte können beispielsweise nicht auf ihre mechanische Belastbarkeit geprüft werden. Aber auch deren mechanische Belastbarkeit ist relevant, um oben genannte Lebensdauertests nicht durch einen Bruch solcher Kontakte unnötig in die Länge zu ziehen. Der beschriebene mechanische Beanspruchungstest bildet entsprechend reale Verhältnisse sehr schlecht ab, wodurch sich folglich keine brauchbare Aussage über die mechanische Belastbarkeit einer Batteriezelle unter realen Betriebsverhältnissen treffen lässt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Testanordnung bereitzustellen, die ein Testen einer mechanischen Belastbarkeit einer Batteriezelle möglichst schnell und unter möglichst realistischen Verhältnissen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Testanordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Testanordnung zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle repräsentierten Batteriezelle weist die mindestens eine Testzelle auf, welche elektrisch inert ausgebildet ist, und welche ein Zellgehäuse umfasst, welches ein Zellinneres der Testzelle von einer Umgebung der Testzelle trennt. Weiterhin weist die Testanordnung eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, während einer Testphase mindestens eine Kraft, welche in zumindest eine Richtung vom Zellinneren der Testzelle nach außen zur Umgebung der Testzelle gerichtet ist, auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses auszuüben.
Die Kraftbeaufschlagungseinrichtung kann also vorteilhafterweise dazu ausgelegt sein, eine Kraft von innen auf das Zellgehäuse der Testzelle auszuüben. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die maßgebliche mechanische Belastung einer Batteriezelle, sowie auch anderer mit der Batteriezelle gekoppelter Komponenten, während eines eingangs beschriebenen Lebensdauertests auf das sogenannte Swelling der Batteriezelle während eines solchen Lebensdauertests zurückzuführen ist. Dabei unterscheidet man ein sogenanntes ladungsbedingtes Swelling sowie ein alterungsbedingtes Swelling. Wird eine Batteriezelle wiederholt geladen und entladen, so schwillt die Batteriezelle beim Laden an und beim Entladen wieder ab. Dies stellt das ladungsbedingte Swelling der Batteriezelle dar. Weiterhin schwellen Batteriezellen auch im Laufe ihrer Lebensdauer zellchemiebedingt an. Dies stellt das alterungsbedingte Swelling dar und ist während des Lebensdauertests dem ladungsbedingten Swelling überlagert. Mit anderen Worten schwillt eine solche Batteriezelle während des Lebensdauertests wiederholt an und ab, wobei das Ausmaß des Anschwellens im Laufe des Lebensdauertests zunimmt. Dadurch wird das Zellgehäuse entsprechend beansprucht. Durch ein solches Swelling wird aber nicht nur die Batteriezelle selbst beansprucht, es kann auch zur Beanspruchung und zu mechanischen Defekten anderer Komponenten führen, die mit der Batteriezelle während eines solchen Tests gekoppelt sind, wie zum Beispiel Busbars, die durch Biege-Wechsel-Belastung beansprucht werden, Balancing-Kontakte oder Ähnliches. Diese Erkenntnis kann nun vorteilhafterweise genutzt werden, um zumindest die Batteriezelle, vorzugsweise aber auch andere mit der Batteriezelle gekoppelte Komponenten, unter besonders realistischen Verhältnissen auf ihre mechanische Belastbarkeit zu testen. Diese realistischen Verhältnisse werden folglich dadurch geschaffen, dass die Batteriezelle, insbesondere das Zellgehäuse der Testzelle, nicht äußerlich mit einer Kraft beaufschlagt wird, sondern innerlich, das heißt einer vom Inneren der Testzelle auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses der Testzelle nach außen wirkenden Kraft. Durch eine solche Kraft kann vorteilhafterweise der Swelling-Druck des oben beschriebenen Swellings simuliert werden, und es werden somit realistische Beanspruchungsverhältnisse geschaffen. Hierdurch lässt sich beispielsweise überprüfen, ob das Zellgehäuse der Testzelle, die eine reale Batteriezelle repräsentiert, einem solchen Druck beziehungsweise einer solchen Kraft standhält. Kommt es hier bereits zu einer Schädigung des Zellgehäuses, so ist davon auszugehen, dass eine solche Batteriezelle mit einem solchen Zellgehäuse auch den eingangs beschriebenen Lebensdauertest nicht ohne mechanische Defekte überleben würde. Dies wiederum ermöglicht es vorteilhafterweise, die mechanische Belastbarkeit vor Ausführung eines eingangs beschriebenen Lebensdauertests zu überprüfen und abzusichern, so dass letztendlich auch die Wahrscheinlichkeit dafür verringert werden kann, dass es in einem nachfolgenden Lebensdauertest zur Absicherung der Zellchemie der Batteriezelle zu einem mechanischen Defekt kommt. Durch die Vermeidung mechanischer Defekte während eines solchen Lebensdauertests wiederum lassen sich diese Tests in ihrer Zeit verkürzen, da Testabbrüche vermieden werden können. Zudem lässt sich die erfindungsgemäße Testanordnung besonders einfach und kostengünstig umsetzen. Insbesondere ist als Testzelle keine reale Batteriezelle erforderlich, sondern lediglich eine Zelle, welche die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Damit ist es bevorzugt, dass die Testzelle beispielsweise das gleiche Zellgehäuse aufweist wie die Batteriezelle, welche durch die Testzelle repräsentiert wird. Weiterhin kann im Inneren der Testzelle auch ein Körper, wie zum Beispiel ein Kunststoffklotz oder Ähnliches, vorgesehen sein, damit die Testzelle beispielsweise auch das gleiche Gewicht hat wie die Batteriezelle, welche sie repräsentiert.
Die Testanordnung hat zudem den weiteren großen Vorteil, dass die Testzelle auch auf einfache Weise in einem Zellverbund und/oder insbesondere in ihrer bestimmungsgemäßen Anordnung und Verschaltung innerhalb einer Batterie getestet werden kann. Somit kann beispielsweise auch getestet werden, welche Auswirkungen diese Kraftbeaufschlagung der Batteriezelle beziehungsweise der Testzelle auf an die Testzelle angeschlossene Kontakte oder Ähnliches hat. Die Absicherung der mechanischen Komponenten der Batteriezelle beziehungsweise eines Batteriemoduls beziehungsweise der gesamten Batterie kann demnach vorteilhafterweise von der Absicherung der Zellchemie vollständig entkoppelt stattfinden. Die Testzeiten zum Testen der mechanischen Belastbarkeit der Batteriezelle können damit einhergehend auch enorm verkürzt werden, insbesondere im Vergleich der typischen Testzeiten für Lebensdauertests. Mit anderen Worten muss nicht erst ein Lebensdauertest abgewartet werden, um auch die mechanischen Komponenten einer Batterie abzusichern, sondern so eine mechanische Absicherung kann bereits im Vorfeld in deutlich kürzerer Zeit durchgeführt werden, da diese Kraftbeaufschlagung nicht an irgendwelche spezifizierten elektrischen maximalen Ladegeschwindigkeiten gekoppelt ist.
Dabei stellt es eine weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kraftbeaufschlagungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Kraft als zeitlich variierende Kraft, insbesondere als periodisch abwechselnd zunehmende und abnehmende Kraft bereitzustellen. Gerade durch eine solche zyklische zeitliche Variation der Kraft, nämlich eine zyklisch zunehmende und abnehmende Kraft kann das oben beschriebene Swelling einer Batteriezelle für die Testzelle simuliert werden. Die Frequenz des Wechsels zwischen zu- und abnehmender Kraft kann dabei im Prinzip beliebig hoch gewählt werden, im Gegensatz zur Durchführung elektrischer Ladezyklen, die durch die spezifizierte maximale elektrische Ladegeschwindigkeit begrenzt sind. Entsprechend lassen sich durch die Testanordnung vorteilhafterweise die Swelling-Beanspruchung der Testzelle und damit auch der repräsentierenden Batteriezelle sowie insbesondere an diese angeschlossene Systeme über die gesamte Lebensdauer hinweg in deutlich verkürzter Zeit testen. Bei einer durchschnittlichen Batteriezelle werden beispielsweise beispielsweise bei einem Lebensdauertest circa 1600 Lade- und Entladezyklen gefahren, was bei durchschnittlichen Ladegeschwindigkeiten 50 Wochen dauert. Wird die Testzelle zur Simulation des Swellings periodisch mit einer zunehmenden und wieder abnehmenden Kraft beaufschlagt, wobei diese Kraft zum Beispiel während einer Dauer von einer Minute zunimmt und unmittelbar im Anschluss während der Dauer einer weiteren Minute wieder abnimmt, so benötigt man für die Umsetzung dieser genannten 1600 Zyklen etwas mehr als zwei Tage. Selbst wenn die zyklische Kraftbeaufschlagung nur halb so schnell durchgeführt werden würde, so könnte ein solcher mechanischer Belastungstest für 1600 Zyklen innerhalb nur einer Woche durchgeführt weren. Hieraus wird der enorme Zeitvorteil, welcher durch die Testanordnung zum Absichern der mechanischen Belastbarkeit der Testzelle bereitgestellt werden kann, ersichtlich. Da sich also die mechanische Absicherung von Batteriezellen durch die Testanordnung derart schnell bereitstellen lässt, wird es zudem auch möglich, den mittels der Testanordnung ausgeführten Tests als Test-to-Fail auszuführen, das heißt die Testzelle so lange mit einer Kraft, insbesondere einer periodisch variierenden Kraft, zu beaufschlagen, bis es zu einem Versagen zumindest einer Komponente der Testzelle, zum Beispiel des Zellgehäuses, oder insbesondere auch einer anderen, mit der Testzelle gekoppelten Komponente kommt, anstatt den Test nur für eine vorbestimmte Anzahl an Zyklen durchzuführen, die der durchschnittlichen für die Batteriezelle zu erwartenden Lebensdauer entspricht. Mit einem Test-to-Fail lässt sich also vorteilhafterweise die maximal mögliche Lebensdauer, insbesondere hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit, der Batteriezelle beziehungsweise des Batteriemoduls oder des gesamten Batteriesystems ermitteln, und zwar in äußerst kurzer Zeit.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kraftbeaufschlagungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Kraft auf zumindest zwei Bereiche des Zellgehäuses auszuüben, welche gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses zugeordnet sind. Besonders bevorzugt ist die Kraftbeaufschlagungseinrichtung dazu ausgelegt, die Kraft auf alle Seiten des Zellgehäuses auszuüben. Dadurch lassen sich äußerst realistische Verhältnisse umsetzen, da auch der Swelling-Druck von innen auf alle Seiten des Zellgehäuses wirkt. Dies gilt im Übrigen auch für zylinderförmig ausgebildete Rundzellen. Dies lässt sich durch folgende Ausgestaltungen der Erfindung auf besonders einfache und vorteilhafte Weise umsetzen:

Dabei ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Kraftbeaufschlagungseinrichtung als eine pneumatische und/oder hydraulische Einrichtung ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Kraft durch einen pneumatischen und/oder hydraulischen Druck in der Zelle bereitzustellen. Durch einen solchen pneumatischen und/oder hydraulischen Druck kann vorteilhafterweise eine Kraft auf alle Zellgehäusebereiche von innen ausgeübt werden. Zu diesem Zweck kann die Testzelle mit einem Druckanschluss versehen sein, über welchen der Zelle ein Fluid, zum Beispiel ein Gas, insbesondere Luft, oder auch eine Flüssigkeit zuführbar ist. Dabei ist die Zelle, insbesondere im Bereich des Druckanschlusses, in Bezug auf eine Dichtheit gegenüber diesem Fluid abgedichtet. Dieses Fluid kann über eine Druckleitung zuführbar sein. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Kraftbeaufschlagungseinrichtung eine Druckleitung aufweist, über welche ein Fluid zur Druckerzeugung in das Zellinnere einführbar ist. Hierdurch lässt sich also eine Testzelle auf besonders einfache Weise mit einem zyklisch variierenden Druck, der insbesondere vom Zellinneren nach außen wirkt, beaufschlagen. Die dabei wirkenden Drücke beziehungsweise Kräfte können in ihrem Ausmaß den Kräften oder Wegen entsprechen, um welche die Zellgehäusewände bewegt werden, die in Vorabtests ermittelt wurden oder als Erfahrungswerte vorliegen. Dadurch lassen sich noch realistischere Verhältnisse schaffen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Testzelle zumindest zwei Zellpole auf, wobei einer der Zellpole eine von außen in das Zellinnere führende Durchgangsöffnung aufweist, mit welcher die Druckleitung gekoppelt ist, insbesondere an welche die Druckleitung angeschlossen ist, zum Beispiel über den Druckanschluss der Testzelle, oder durch welche die Druckleitung von außen in das Zellinnere eingeführt ist. Den Anschluss der Druckleitung an einem der Zellpole vorzusehen, zum Beispiel unmittelbar neben einem entsprechenden Zellpolanschluss, hat den großen Vorteil, dass die dort üblicherweise vorhandenen dicken Metallkontakte genutzt werden können, um auf einfache Weise ein Loch in das Zellinnere der Testzelle zu bohren, so dass durch die dickwandige metallische Umgebung des Lochs in diesem Bereich ein stabiler Druckanschluss bereitgestellt werden kann. Ein Loch durch das Zellgehäuse beispielsweise könnte eine künstlich erzeugte Schwachstelle des Gehäuses erzeugen, so dass der mechanische Test keine zuverlässigen Ergebnisse mehr liefern könnte. Grundsätzlich können auch beide Zellpolanschlüsse einer Testzelle zum Anschließen einer Druckleitung genutzt werden. Das Anschließen einer einzelnen Druckleitung ist aber vollkommen ausreichend.
Eine Kraftbeaufschlagung von innen muss aber nicht notwendigerweise auf pneumatische und/oder hydraulische Weise erfolgen, sondern es kann auch jede beliebige andere Vorrichtung genutzt werden. Beispielsweise könnte auch ein Elektromotor im Zellinneren vorgesehen sein, der zyklisch zwei mit gegenüberliegenden Seiten des Zellgehäuses der Testzelle gekoppelte Druckplatten gegen diese Zellgehäuseseiten bewegt. Ein solcher Elektromotor könnte dann zum Beispiel durch eine integrierte Batterie betrieben werden, insbesondere so dass die gesamte Kraftbeaufschlagungseinrichtung in die Testzelle integriert ist, oder der Elektromotor könnte durch eine in die Testzelle geführte elektrische Leitung mit Energie versorgt werden. Denkbar wäre auch die Integration eines Elements oder einer Substanz in das Zellinnere, welche bei Temperaturänderung eine starke Ausdehnung oder ein starkes Zusammenziehen erfahren, gegebenenfalls auch gekoppelt mit einem Phasenübergang. Dann könnte durch Variation der Umgebungstemperatur ebenfalls eine Variation der von innen auf die Zellwände wirkenden Kraft erzeugt werden. Die Krafterzeugung und -änderung kann dabei im Allgemeinen hydraulischer, pneumatischer, elektrischer, elektromechanischer, magnetischer, elektromagnetischer und/oder chemischer Natur sein.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Testanordnung ein Batteriemodul mit mehreren Testzellen, umfassend die mindestens eine Testzelle, und ein Modulgehäuse, in welchem die Testzellen angeordnet sind und insbesondere befestigt sind, wobei die Testanordnung weiterhin zumindest an einem Teil eines Batteriegehäuses mehrere Batteriemodule aufweist und das Batteriemodul an zumindest einem Teil des Batteriegehäuses befestigt ist. Mit anderen Worten soll das Zellmodul mit den Testzellen so aufgebaut und befestigt sein, wie es auch im bestimmungsgemäßen realen Betrieb innerhalb einer Hochvoltbatterie mit realen Batteriezellen letztendlich zum Einsatz kommen soll. Auch die Zellen innerhalb des Moduls sollen sich in Originalaufspannung befinden und können entsprechend so zueinander angeordnet oder miteinander verspannt und befestigt sein, wie sie auch in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb zueinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind. Dadurch lassen sich nicht nur reale Testverhältnisse schaffen, sondern auch die Auswirkungen des Swellings auf andere Batteriekomponenten, insbesondere auf andere Testzellen, auf das gesamte Modul sowie auf Befestigungsmittel und andere Bauteile der Hochvoltbatterie überprüfen. Insbesondere können dabei alle Zellen eines Moduls gleichzeitig in analoger Weise getestet werden, das heißt so, wie es zuvor zur mindestens einen Testzelle beschrieben wurde.
Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Testanordnung ein Batteriemodul mit mehreren Testzellen, umfassend die mindestens eine Testzelle, aufweist, wobei die Kraftbeaufschlagungseinrichtung dazu ausgelegt ist, während einer Testphase alle der Testzellen mit einer Kraft, welche in zumindest eine Richtung vom jeweiligen Zellinneren der jeweiligen Testzelle zur Umgebung der jeweiligen Testzelle gerichtet ist, auf zumindest einen jeweiligen Bereich des jeweiligen Zellgehäuses der jeweiligen Testzelle zu beaufschlagen. Beispielsweise kann also jede Testzelle eines Zellmoduls mit einer zeitlich variierenden Kraft beziehungsweise mit einem entsprechenden zeitlich variierenden Druck, zum Beispiel über eine Druckleitung, beaufschlagt werden. Damit lässt sich infolgedessen auch testen, ob auch andere Modulkomponenten, wie zum Beispiel das Modulgehäuse, Verspanneinrichtungen, Schrauben und so weiter ausreichend mechanisch belastbar sind, insbesondere über die gesamte Lebensdauer einer Batteriezelle hinweg.
Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Testanordnung, wie bereits erwähnt, mehrere Testzellen, umfassend die mindestens eine Testzelle aufweist, wobei die Testzellen miteinander elektrisch verschaltet sind, insbesondere in Form einer Serien- und/oder Parallelschaltung. Zur Verschaltung der einzelnen Testzellen kann eine Schaltungsanordnung verwendet werden, wie sie auch im bestimmungsgemäßen Betrieb des Batteriemoduls beziehungsweise der Hochvoltbatterie verwendet wird. Beispielsweise können die einzelnen Testzellen und/oder auch mehrere Batteriemodule über Busbars, das heißt Stromschienen, miteinander verschaltet sein. Hierdurch lässt sich beispielsweise testen, ob die einzelnen elektrischen Kontakte an den Testzellen, die anderen Zellpolen angeordnet sind, sowie auch die Busbars den entsprechenden Biege-Wechsel-Belastungen standhalten können. Mit anderen Worten können somit vorteilhafterweise auch elektrische Kontakte auf ihre mechanische Belastbarkeit getestet und abgesichert werden.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Testanordnung eine elektrische und/oder elektronische Schaltung aufweist, die zumindest während der Testphase mit der wenigstens einen Testzelle elektrisch verbunden ist, wobei die elektrische und/oder elektronische Schaltung derart eingerichtet ist, dass sie während der Testphase elektrisch betrieben wird, und insbesondere zumindest eine Messung durchführt. Diese elektrische beziehungsweise elektronische Schaltung kann zum Beispiel als Balancing-Schaltung ausgebildet sein und/oder Teil eines Batteriemanagementsystems sein oder sogar das gesamte Batteriemanagementsystem darstellen. Neben dem Zellbalancing übernimmt ein solches System zahlreiche weitere Mess- und Überwachungsaufgaben. Dazu werden normalerweise regelmäßig Messungen an den Batteriezellen durchgeführt, wie Strom- und/oder Spannungsmessungen, die Bestimmung des Innenwiderstands, eine Messung der Ruhespannung oder Ähnliches. Weiterhin kann es in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Testzelle durch einen elektrischen Widerstand überbrückt wird, um sozusagen eine reale Batteriezelle zu simulieren. Zwar können anhand eines solchen Überbrückungswiderstands keine realistischen Messergebnisse bereitgestellt werden, nichtsdestoweniger kann hierdurch dennoch festgestellt werden, ob Messungen über die gesamte Lebensdauer hinweg grundsätzlich möglich sind oder ob es eventuell bedingt durch mechanische Beschädigungen zu Kurzschlüssen kommt, zum Beispiel in der Isolation oder zu Brüchen von Kabeln, Leitern, Stromschienen oder Kontakten oder Ähnlichem. Derartige Brüche und/oder Kurzschlüsse können dann gleichfalls mit der Messschaltung, das heißt der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, detektiert werden. Dadurch lässt sich also vorteilhafterweise auch die mechanische Belastbarkeit einer gesamten mit den Testzellen gekoppelten, elektrischen beziehungsweise elektronischen Schaltung überprüfen. Um einen solchen Überbrückungswiderstand zu integrieren, kann dieser zum Beispiel mit den beiden metallischen Zellpolen einer Testzelle gekoppelt werden. Mit anderen Worten können die beiden Zellpole entweder außerhalb der Testzelle oder auch im Zellinneren über einen solchen Überbrückungswiderstand miteinander verbunden sein. Die elektrischen Kontakte können, wie auch bei herkömmlichen Batteriezellen üblich, mit den Zellpolen der Testzelle verbunden sein. Dadurch können die realen Gegebenheiten bei realen Batteriezellen und Batteriemodulen möglichst genau nachgebildet werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Testverfahren zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle repräsentierten Batteriezelle. Dabei wird die mindestens eine Testzelle bereitgestellt, welche elektrisch inert ausgebildet ist und welche ein Zellgehäuse umfasst, welches ein Zellinneres der Testzelle von einer Umgebung der Testzelle trennt. Weiterhin wird während einer Testphase eine Kraft, welche in zumindest eine Richtung vom Zellinneren der Testzelle nach außen zur Umgebung der Testzelle gerichtet ist, auf zumindest auf einen Bereich des Zellgehäuses ausgeübt.
Die für die erfindungsgemäße Testanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Testverfahren. Darüber hinaus ermöglichen die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Testanordnung und ihren Ausführungsformen genannten gegenständlichen Merkmale die Weiterbildung des erfindungsgemäßen Testverfahrens durch weitere korrespondierende Verfahrensschritte. Entsprechend gehören zur Erfindung also auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Testanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Testanordnung mit einer Testzelle und einer Kraftbeaufschlagungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Testanordnung aus 1 in einem Zustand der Testzelle, in welchem diese von der Kraftbeaufschlagungseinrichtung mit einer Kraft beaufschlagt wird;
3 eine schematische Darstellung eines Diagramms zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der von der Kraftbeaufschlagungseinrichtung auf die Innenwände der Testzelle ausgeübten Kraft beziehungsweise des ausgeübten Drucks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Testzelle mit einer Kraftbeaufschlagungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Testanordnung mit mehreren Testzellen in Form eines Batteriemoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Testanordnung mit mehreren Testzellen in Form eines Batteriemoduls vor und nach der Kraft- bzw. Druckbeaufschlagung durch die Kraftbeaufschlagungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls vor und nach dem Swelling;
8 eine schematische Darstellung einer Testanordnung mit mehreren innen versteiften Testzellen in Form eines Batteriemoduls vor und nach der Kraft- bzw. Druckbeaufschlagung durch die Kraftbeaufschlagungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9 eine schematische Darstellung einer Testanordnung mit mehreren Testzellen in Form eines Batteriemoduls und einer Kraftbeaufschlagungseinrichtung mit in den Testzellen integrierten Aktuator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Testanordnung 10 mit einer Testzelle 12 und einer Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Testzelle 12 repräsentiert dabei eine reale Batteriezelle und bildet diese insbesondere hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften nach. Dabei ist die Testzelle 12 weiterhin elektrisch inert ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, indem die Zellchemie aus der Batteriezelle entfernt wird, um so die Testzelle 12 bereitzustellen. Die Testzelle 12 weist weiterhin ein Zellgehäuse 16 auf. Diese Zellgehäuse 16 separiert also das Zellinnere 18 von einer Umgebung 20, das heißt also einem äußeren der Testzelle 12. Vorzugsweise ist dieses Zellgehäuse 16 identisch zu dem einer realen zu testenden Batteriezelle ausgebildet. Um zudem auch das Gewicht der realen Batteriezelle zu simulieren, kann die Batteriezelle 12 weiterhin im Inneren einen entsprechenden Körper 22 aufweisen, der hier exemplarisch nur gestrichelt veranschaulicht ist. Dieser Körper 22 kann zum Beispiel als Kunststoffklotz oder Ähnliches ausgebildet sein. Weiterhin weist auch die Testzelle Zellpole 12a, 12b auf, an denen jedoch keine Spannung anliegt. Auch das Material des Zellgehäuses 16 sowie der Pole 12a, 12b ist das gleiche wie bei einer realen Batteriezelle, die auf ihre mechanische Belastbarkeit gemäß dieser Anordnung 10 getestet werden soll.
Die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 ist im Allgemeinen dazu ausgelegt, während einer Testphase eine Kraft F, die in 1 lediglich schematisch veranschaulicht ist, auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses 16 auszuüben, und zwar eine Kraft F, die vom Zellinneren 18 nach außen in Richtung der Umgebung 20 der Testzelle 12 gerichtet ist. Insbesondere wirkt diese Kraft F von innen auf eine Wand des Zellgehäuses 16, vorzugsweise auf zwei gegenüberliegende Wände oder auch auf alle Seitenwände der Batteriezelle beziehungsweise Testzelle 12 gleichermaßen. Durch eine solche Kraft F lässt sich damit vorteilhafterweise der Swelling-Druck simulieren, der ein Anschwellen von Batteriezellen im Laufe ihrer Lebensdauer sowie auch ein zyklisches An- und Abschwellen beim Laden und Entladen von Batteriezellen bewirkt. 2 zeigt dabei schematisch die Testzelle 12 im angeschwollenen Zustand, wie dies durch die Kraft F, die von der Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 hervorgerufen wurde, bewirkt wird.
3 zeigt schematisch einen exemplarischen zeitlichen Verlauf einer solchen Kraft F beziehungsweise eines korrespondierenden Drucks p im Zellinneren 18 der Testzelle 12. Dieser Druck p beziehungsweise die Kraft F auf die entsprechenden Seitenflächen der Testzellen 12 variiert dabei vorzugsweise zyklisch im Laufe der Zeit und nimmt pro Zyklus einmal zu und einmal ab. Die Amplitude der maximalen Kraft während eines Zyklus kann dabei von Zyklus zu Zyklus zunehmen, insbesondere auch die Amplitude der minimalen Kraft, wodurch das alterungsbedingte Swelling simuliert wird. Das konkrete Ausmaß des Drucks p beziehungsweise der Kräfte F, mit welchen das Zellgehäuse 16 beaufschlagt wird, kann dabei den Kräften beziehungsweise Wegen entsprechen, die zum Beispiel in Vorabtests mit realen Batteriezellen ermittelt wurden oder als Erfahrungswerte ohnehin vorliegen.
Der Druck p kann zum Beispiel im Bereich zwischen 0 Mpa bis ca. 6 Mpa liegen und die Swellingwege, d.h. die Wege, um welche ein Bereich des Zellgehäuses 16 der Testzelle 12 maximal bewegt wird, zum Beispiel im Bereich von 0,6 mm bis 2 mm. Die Swellingwege sind dabei insbesondere abhängig von der Zellchemie und der Zelldicke der Batteriezelle, die durch die betreffende Testzelle 12 repräsentiert wird. Beträgt die Zelldicke der Batteriezelle und damit auch der Testzelle 12, die diese Batteriezelle repräsentiert, im nicht angeschwollenen Zustand zum Beispiel 25 mm, so kann der Swellingweg der Testzelle 12, um welchen zum Beispiel eine Gehäusewand des Zellgehäuses 16 der Testzelle 12 zyklisch nach außen gedrückt wird, zu Beginn der Lebensdauer zum Beispiel 0,6 mm betragen und über die Lebensdauer, deren Ende zum Beispiel durchschnittlich nach 1600 Zyklen erreicht sein kann, auf 1 mm anwachsen. Dadurch lässt sich das Vergrößern des Volumens über die Lebensdauer von Zellen sehr realistisch nachbilden. Insbesondere kann eine solche Simulation für alle Zelltypen in gleicher Weise bereitgestellt werden, das heißt für Rundzellen, prismatische Zellen und/oder Pouch-Zellen, wenngleich hier auch nur prismatische Zellen als Beispiel dargestellt sind.
Die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 ist also dazu ausgelegt, die Batteriezelle, insbesondere die Testzelle 12, genauer gesagt das Zellgehäuse 16 der Testzelle 12, mit einem zyklischen Kraftanstieg und Kraftabfall zu beaufschlagen, wie dieser bei realen Zellen beim ladungsbedingten Swelling sowie alterungsbedingten Swelling auftritt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Testanordnung 10, insbesondere der Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14, kann der Swelling-Druck und der Swelling-Weg, der im konventionalen Testfall durch das Laden und/oder Entladen der Zellchemie entsteht, durch einen hydraulischen oder pneumatischen Druck in der Testzelle 12 ersetzt werden. Die Testzelle 12 wird hierbei elektrisch nicht betrieben, da diese ohnehin elektrisch inert ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 beispielsweise eine Druckleitung 24 aufweisen, über welche dem Zellinneren 18 der Batteriezelle 12 ein Fluid zuführbar ist, über welches mittels der Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 ein vorbestimmter Druck p in der Testzelle 12, insbesondere ein zeitlich variierender Druck p, einstellbar ist. Das Fluid kann dabei ein Gas und/oder eine Flüssigkeit darstellen. Zum Anschließen der Druckleitung 24 weist die Testzelle einen Druckanschluss 26 auf, der vorzugsweise im Bereich eines der Zellpole mit betreffenden Zellpolanschlüssen 12a, 12b angeordnet ist, vorzugsweise neben einem der Zellpolanschlüsse 12a, 12b angeordnet ist. Beispielsweise kann eine Durchgangsbohrung neben einem der Zellpolanschlüsse 12a, 12b vorgesehen sein, über welche das Fluid in das Zellinnere 18 der Testzelle 12 einführbar ist. Dieses Fluid kann dann entsprechend den vom Körper 22 verschiedenen, im Zellinneren 18 befindlichen Hohlraum ausfüllen. Mit anderen Worten kann die Testzelle 12 bis auf den vorhandenen Körper 22 hohl ausgebildet sein, wobei dieser Hohlraum vollständig vom Fluid zur Druckbeaufschlagung der Testzelle 12 von innen gefüllt werden kann. Ist die Testzelle 12 mit diesem Fluid gefüllt, so kann durch weiteres zyklisches Zu- und Abführen des Fluids über die Druckleitung 24 ein zyklischer Druckanstieg und -abfall innerhalb der Testzelle 12 im Verlauf der Zeit bereitgestellt werden.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Druckleitung 24 in das Innere 18 der Testzelle 12 führt, wo diese in eine elastische, reversibel dehnbare Blase mündet, wie dies schematisch in 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In diesem Beispiel ist also im Inneren 18 der Testzelle 12 eine solche elastische Blase 28 angeordnet, die mit der Druckleitung 24 gekoppelt ist, die wiederum durch einen der Zellpole neben dem Zellpolanschluss 12a, 12b in das Innere der Testzelle 12 geführt ist. Diese elastische Blase 28 kann beispielsweise mit im Inneren der Testzelle 12 angeordneten Druckplatten 30 gekoppelt sein, die zum Beispiel an gegenüberliegenden Wänden des Zellgehäuses 16 angeordnet sein können, vorzugsweise im Falle einer prismatischen Zelle, den flächenmäßig größten Wänden. Über diese Druckplatten 30 lässt sich der über die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 im Inneren der Blase 28 mittels des Fluids 32 bereitgestellte Druck p als korrespondierende Kraft F auf das Zellgehäuse 16 übertragen.
Zum Bereitstellen einer zeitlich zyklisch variierenden Kraft F auf das Innere des Zellgehäuses 16 sind aber noch zahlreiche andere Ausgestaltungen und Möglichkeiten denkbar.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein solcher Test in Originalaufspannung mehrerer Testzellen 12 erfolgt, wie dies exemplarisch in 5 dargestellt ist. 5 zeigt dabei eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls 34, welches mehrere nebeneinander angeordnete Testzellen 12 aufweist, die jeweils mit der Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 gekoppelt sind. Diese können wiederum als pneumatische und/oder hydraulische Einrichtungen ausgebildet sein und mit den betreffenden Testzellen 12 über korrespondierende Druckleitungen 24 verbunden sein. Insbesondere können die Testzellen 12 sowie auch die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14, wie zuvor bereits beschrieben, ausgebildet sein. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise auch Beanspruchungen von den Testzellen 12 verschiedener Komponenten eines solchen Zellmoduls 34 testen, wie zum Beispiel die Belastbarkeit von Spanneinrichtungen zum Verspannen der Batteriezellen 12, Befestigungen zum Befestigen des Zellmoduls 34 in einem Batteriegehäuse oder Ähnlichem. Auch ist es vorteilhaft, wenn der Test in Originalverschaltung der Batteriezellen 12 erfolgt. Beispielsweise können an die Batteriezellen beziehungsweise Testzellen 12, genauer gesagt an deren Zellpolanschlüssen 12a, 12b, Abgriffe, beispielsweise in Form von Balancing-Kontakten, angeordnet sein, über welche die jeweiligen Testzellen 12 mit einer Balancing-Schaltung oder im Allgemeinen einer Messschaltung gekoppelt sind. Auch können die Testzellen wie in einem Originalmodul miteinander verschaltet sein, zum Beispiel in einer Serien- und/oder Reihenschaltung. Auf diese Weise kann ein solches Zellmodul 34 auch auf andere Beanspruchungen hin getestet und überprüft werden, ob es im Laufe der Lebensdauer zu Brüchen von Balancing-Kontakten oder Deformationen von Busbars durch Biege-Wechsel-Belastung kommt, oder zu Kurzschlüssen in der Isolation oder sogar Brüchen von Busbars oder Balancing-Kontakten oder Ähnlichem.
6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines weiteren als Testmodul ausgeführten Batteriemoduls 34, welches zum Beispiel wie zu 5 beschreiben ausgebildet sein kann. Hierbei sind nun aus Gründen der Übersichtlichkeit weniger Testzellen 12 dargestellt, dafür jedoch weitere nachfolgend noch erläuterte Komponenten. Auf der linken Seite der 6 zeigt die Darstellung die Testzellen 12 des Batteriemoduls 34 im entspannten Zustand, und in der rechten Darstellung in 6 im mit Druck p durch die Kraftbeaufschlagungseinricihtung 14 beaufschlagten Zustand. Weiterhin zeigt 6 hier zusätzlich noch die Kontaktierung der Zellpolanschlüsse 12a, 12b mittels Busbar 36, d.h. einer Stromschiene 36, sowie das Modulgehäuse 38, welches über Schrauben an einer Grundplatte 41 des Modulgehäuses 38 oder eines Gesamtbatteriegehäuses befestigte Seitenwände 42 aufweisen kann.
Wie in der rechten Darstellung deutlich zu erkennen ist, ergeben sich durch das Anschwellen der Testzellen 12 auch im Bereich des Modulgehäuses 38, der Befestigungen, der Kontaktierungen und der Busbars 36 zahlreiche Stellen, die einer hohen Beanspruchung bzw. mechanischem Stress ausgesetzt sind. Diese mechanisch stark beanspruchten Stellen 44 sind in 6 in der rechten Darstellung durch Blitze 44 veranschaulicht. Durch die vorliegende Testanordnung ist es vorteilhafterweise möglich, nicht nur durch die Testzellen 12 repräsentierte Batteriezellen auf ihre mechanische Belastbarkeit zu testen, sondern vorteilhafterweise auch zahlreiche andere elektrische und mechanische mit den Testzellen 12 gekoppelten Komponenten, die auch in eine realen Batteriemodul 46 (vgl. 7) mit den Batteriezellen 48 gekoppelt sind. Der Doppelpfeil 45 veranschaulicht im Übrigen die Zu- und Abfuhr des Fluids 32 zum Einstellen des entsprechenden das Swelling simulierenden Drucks p im Zellinneren 18, der zum Beispiel in einem Bereich von Null bis mehreren Megapascal liegen kann, zum Beispiel von 0 Mpa bis ca. 6 Mpa. Swellingwege, d.h. die Wege, um welche ein Bereich des Zellgehäuses 16 der Testzelle 12 maximal bewegt wird, sind abhängig von der Zellchemie und der Zelldicke der Batteriezelle 48, die durch die betreffende Testzelle 12 repräsentiert wird. Diese Wege liegen vorzugweise in der Größenordnung von Millimetern, zum Beispiel von 0,6mm-2mm.
Zum Vergleich illustriert 7 schematisch ein reales Batteriemodul 46, d.h. mit elektrisch nicht inerten Batteriezellen 48, wobei in der linken Darstellung das Batteriemodul 46 vor dem Swelling, d.h. Aufblähen, dargestellt ist, und in der rechten Darstellung das Batteriemodul 46 nach dem Swelling, d.h. dem lade- und/oder alterungsbedingten Aufblähen, dargestellt ist. Ebenso zeigt 7 die Kontaktierung der Zellpole 12a, 12b mittels Busbar 36, sowie das Modulgehäuse 38, welches ebenfalls über Schrauben an der Grundplatte 41 des Modulgehäuses 38 oder des Gesamtbatteriegehäuses befestigte Seitenwände 42 aufweisen kann. Insbesondere können all diese Komponenten wie zuvor mit Bezug auf die Testanordnung 10 beschrieben ausgebildet sein. Gerade im direkten Vergleich von 6 und 7 ist deutlich zu erkennen, dass sich durch die Testanordnung 10 die realen mechanischen Gegebenheiten des Swellings sehr realistisch nachbilden und simulieren lassen.
8 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Testanordnung 10, die bis auf die nachfolgend erläuterten Unterschiede, wie die zu 8 beschriebene Testanordnung 10 ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Beispiel weisen die Testzellen 12 jeweils noch eine Versteifung 50 auf. Diese Versteifung ist insbesondere im Zellinneren 18 angeordnet. Vorzugsweise ist diese Versteifung mit Wänden des Zellgehäuses 16 gekoppelt, um diese zu versteifen. Die Versteifung 50 kann beispielsweise als zwei Platten ausgebildet sein, die an den beiden flächenmäßig größten Seitenwänden des Zellgehäuses 16 einer jeweiligen Testzelle 12 angeordnet sind. Die Versteigung kann weiterhin aus Metall und/oder Kunststoff und/oder einem Elastomer gebildet sein oder ein solches Material umfassen. Durch eine solche Versteifung 50 kann vorteilhafterweise das Deformationsverhalten des Zellgehäuses 16 beeinflusst werden bzw. gezielt eingestellt werden. So können solche Versteifungen 50 einerseits verwendet werden, um das reale Swellingverhalten des Zellgehäuses 16 noch realistischer nachzubilden, andererseits können solche Versteifungen 50 auch verwendet werden, um das Zellgehäuse 16 gegen mechanische Beanspruchungen belastbarer auszugestalten, zum Beispiel wenn in einem vorhergehenden Testverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Defekt eines nicht versteiften Zellgehäuses 18 festgestellt wurde.
9 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Testanordnung 10, die bis auf die nachfolgend erläuterten Unterschiede, wie die zu 8 beschriebene Testanordnung 10 ausgebildet sein kann. In diesem Beispiel ist die Kraftbeaufschlagungseinrichtung 14 anders ausgebildet. Diese umfasst in diesem Beispiel einen Aktuator 52, zum Beispiel einen Druckkolben 52, der die zwei Platten 54, auseinander presst, und der elektrisch und/oder hydraulisch und/oder pneumatisch angesteuert wird. Die Steueranschlüsse sind hierbei mit 26a bezeichnet. Weiterhin ist dieser Aktuator 52, und insbesondere auch die Platten 54 exemplarisch nur für eine Testzelle 12 dargestellt, die anderen Testzellen 12 können jedoch genauso ausgebildet sein.
Insbesondere ermöglichen solche Testanordnungen 10 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung vorteilhafterweise einen Schnelltest zur vorgelagerten Absicherung der mechanischen Belastung, insbesondere der einzelnen durch die Testzellen 12 repräsentierten Batteriezellen 48, sowie auch des gesamten Zellmoduls 34, sowie auch einer gesamten Hochvoltbatterie, inklusive all ihrer mechanischen und elektrischen Komponenten. Ein solcher Schnelltest zur vorgelagerten Absicherung der mechanischen Belastung kann dabei zudem unabhängig von der Absicherung von der Zellchemiealterung erfolgen. Dies ermöglicht erst die ungemeine Verkürzung der Testzeit von 50 Wochen auf zum Beispiel circa 1 Woche. Die Absicherung der mechanischen Komponenten kann dann bereits als sogenannter DV-Test, das heißt Design-Validation-Test, erfolgen, gemäß welchem zunächst eine Abstimmung der konstruktiven Eigenschaften einer Vorrichtung, in diesem Fall einer Hochvoltbatterie, erfolgt, selbst wenn die Serien-Zellchemie noch nicht zur Verfügung steht. Aufgrund der hohen Testgeschwindigkeiten ist zudem ein sogenannter Test-to-Fail möglich, bei welchem der Test, das heißt die zyklische Beanspruchung der Testzellen 12, so lange erfolgt, bis es zu einem mechanischen Defekt kommt. Nach einer Absicherung der mechanischen Komponenten im Zuge eines solchen Tests kann dann die Absicherung der Zellchemiealterung gemäß herkömmlicher Testverfahren erfolgen. Auch diese lassen sich dadurch kürzer ausführen, da dann keine mechanischen Defekte in der Anordnung mehr zu erwarten sind, die durch diesen vorgelagerten Test bereits abgesichert wurden. Wird im Zuge des vorliegenden Testverfahrens beispielsweise ein Defekt einer mechanischen Komponente, zum Beispiel ein Riss des Zellgehäuses 16, detektiert, so können entsprechende Verbesserungsmaßnahmen hinsichtlich der defekten Komponenten erfolgen und der Test mit der so verbesserten Komponente erneut durchgeführt werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Verfahren zum beschleunigten Test von Mechanikkomponenten in Zellmodulen bereitgestellt werden kann, welches eine enorme Verkürzung der Testzeiten erlaubt, die Absicherung von mechanischen Komponenten unabhängig von der Absicherung der Zellchemiealterung ermöglicht, und damit als vorgelagerte Absicherung der mechanischen Belastung ausgeführt werden kann. Auch eine Überprüfung der elektrischen Komponenten in Form einer elektrischen Überwachung auf Kurzschlüsse in der Isolation und Brüchen von Busbars oder elektrischen Kontakten, wie den Balancing-Kontakten, kann durch dieses Testverfahren und die Anordnung vorteilhafterweise bereitgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 109884091 A [0003]
CN 110220780 A1 [0005]

Claims

Testanordnung (10) zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle (12) repräsentierten Batteriezelle (48), dadurch gekennzeichnet, dass die Testanordnung (10) aufweist: - Die mindestens eine Testzelle (12), welche elektrisch inert ausgebildet ist und welche ein Zellgehäuse (16) umfasst, welches ein Zellinneres (18) der Testzelle (12) von einer Umgebung (20) der Testzelle (12) trennt; und - eine Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14), die dazu ausgelegt ist, während einer Testphase mindestens eine Kraft (F), welche in zumindest eine Richtung vom Zellinneren (18) der Testzelle (12) nach außen zur Umgebung (20) der Testzelle (12) gerichtet ist, auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses (16) auszuüben.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Kraft (F) als zeitlich variierende Kraft (F), insbesondere als periodisch abwechselnd zunehmende und abnehmende Kraft (F) bereitzustellen.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14) als eine pneumatische und/oder hydraulische Einrichtung (14) ausgebildet ist, die dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Kraft (F) durch einen pneumatischen und/oder hydraulischen Druck in der Testzelle (12) bereitzustellen.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14) eine Druckleitung (24, 24a) aufweist, über welche ein Fluid (32) zur Druckerzeugung in das Zellinnere (18) einführbar ist.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testzelle (12) zumindest zwei Zellpolanschlüsse (12a, 12b) aufweist, wobei einer der Zellpolanschlüsse (12a, 12b) eine von außen in das Zellinnere (18) führende Durchgangsöffnung aufweist, mit welcher die Druckleitung (24, 24a) gekoppelt ist, insbesondere an welche die Druckleitung (24, 24a) angeschlossen ist oder durch welche die Druckleitung (24, 24a) von außen in das Zellinnere (18) eingeführt ist.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testanordnung (10) ein Batteriemodul (34) mit mehreren Testzellen (12) umfassend die mindestens eine Testzelle (12) und ein Modulgehäuse (38) aufweist, in welchem die Testzellen (12) angeordnet und insbesondere befestigt sind, insbesondere wobei die Testanordnung (10) weiterhin zumindest einen Teil (41) eines Batteriegehäuses für mehrere Batteriemodule (34) aufweist und das Batteriemodul (34) am zumindest einen Teil (41) des Batteriegehäuses befestigt ist.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testanordnung (10) mehreren Testzellen (12) umfassend die mindestens eine Testzelle (12) aufweist, wobei die Testzellen miteinander elektrisch verschaltet sind, insbesondere in Form einer Serien- und/oder Parallelschaltung.
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testanordnung (10) eine elektrische und/oder elektronische Schaltung aufweist, die zumindest während der Testphase mit der mindestens eine Testzelle (12) elektrisch verbunden ist, wobei die elektrische und/oder elektronische Schaltung derart eingerichtet ist, dass sie während der Testphase elektrisch betrieben wird, und insbesondere zumindest eine Messung durchführt..
Testanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Testanordnung (10) ein Batteriemodul (34) mit mehreren Testzellen (12) umfassend die mindestens eine Testzelle (12) aufweist, wobei die Kraftbeaufschlagungseinrichtung (14) dazu ausgelegt ist, während einer Testphase alle der Testzellen (12) mit einer Kraft (F), welche in zumindest eine Richtung vom jeweiligen Zellinneren der jeweiligen Testzelle (12) zur Umgebung (20) der jeweiligen Testzelle (12) gerichtet ist, auf zumindest einen jeweiligen Bereich des jeweiligen Zellgehäuses (16) der jeweiligen Testzelle (12) zu beaufschlagen.
Testverfahren zum Testen einer mechanischen Belastbarkeit mindestens einer durch eine Testzelle (12) repräsentierten Batteriezelle (48), gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen der mindestens einen Testzelle (12), welche elektrisch inert ausgebildet ist und die ein Zellgehäuse (16) umfasst, welches ein Zellinneres (18) der Testzelle (12) von einer Umgebung (20) der Testzelle (12) trennt; und - während einer Testphase Ausüben einer Kraft (F), welche in zumindest eine Richtung vom Zellinneren (18) der Testzelle (12) nach außen zur Umgebung (20) der Testzelle (12) gerichtet ist, auf zumindest einen Bereich des Zellgehäuses (16).