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Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung zum Bestimmen des Verhaltens einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer elektrochemischen Zelle für den Einsatz in Fahrzeugen, sowie einen Teststand umfassend eine solche Testvorrichtung.
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Elektrochemische Zellen sind Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, die insbesondere wieder aufladbar sind und angepasst sind, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen.
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In der Entwicklung elektrochemischer Zellen besteht ein Bedarf, möglichst frühzeitig deren Verhalten bei mechanischen und/oder thermischen Belastungen zu charakterisieren wie sie am angedachten Einsatzort auftreten, also möglichst nahe an den angedachten Einsatzbedingungen.
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Von besonderer Bedeutung ist es, das Verhalten von elektrochemischen Zellen im Fall eines Fehlerfalles, zum Beispiel mechanische Beschädigungen oder zellinterne Kurzschlüsse, zu kennen, da in diesem Fall ein sogenanntes „thermisches Ereignis“ (auch als „thermal runaway“ bezeichnet) auftreten kann, bei welchem brennbare Gase, Flüssigkeiten und feste Bestandteile aus der fehlerhaften elektrochemischen Zelle austreten können.
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Üblicherweise werden mehrere elektrochemische Zellen zu einem elektrischen Energiespeicher verbunden, der eine Vielzahl von parallel und/oder in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen aufweist, wobei die einzelnen elektrochemischen Zellen in einem gemeinsamen Gehäuse des elektrischen Energiespeichers aufgenommen sind. Die einzelnen elektrochemischen Zellen können auch zu einzelnen Zellmodulen zusammengefasst sein, die wiederum im Gehäuse des elektrischen Energiespeichers aufgenommen sind.
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Daraus ergibt sich das Problem, dass sich das Verhalten einer einzelnen elektrochemischen Zelle wesentlich vom Verhalten der gleichen elektrochemischen Zelle unterscheiden kann, wenn diese im elektrischen Energiespeicher eingebaut ist. Dieser Effekt wird darauf zurückgeführt, dass benachbarte elektrochemische Zellen, Fixierungselemente oder weitere Komponenten mechanisch und/oder thermisch auf die elektrochemische Zelle einwirken können. Mit anderen Worten kann die Messung mit einer einzelnen elektrochemischen Zelle zu Verfälschungen in den Messergebnissen führen.
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Um kostspielige und langwierige Entwicklungsprozesse zu beschleunigen, ist es jedoch wünschenswert, bereits basierend auf dem einzelnen elektrischen Energiespeicher dessen Verhalten in einem angedachten Einsatzszenario zuverlässig bestimmen oder wenigstens abschätzen zu können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, das Verhalten einer elektrochemischen Zelle in einem elektrischen Energiespeicher lediglich anhand der einzelnen elektrochemischen Zelle bestimmen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Testvorrichtung zum Bestimmen des Verhaltens einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine Aufnahmevorrichtung mit einem Aufnahmeraum zum Einsetzen der elektrochemischen Zelle in die Testvorrichtung, wobei der Aufnahmeraum zwischen einer Frontplatte und einer Rückplatte der Aufnahmevorrichtung gebildet ist. Die Aufnahmevorrichtung weist wenigstens eine Öffnung zum Einbringen eines mechanischen Elements in die im Aufnahmeraum eingesetzte elektrochemische Zelle auf. Die Testvorrichtung umfasst ein Kraftbeaufschlagungsmittel, das dazu eingerichtet ist, die Aufnahmevorrichtung mit einer vorgegebenen Kraft zu beaufschlagen. Zudem umfasst die Testvorrichtung ein Kraftmesselement, das dazu eingerichtet ist, die vom Kraftbeaufschlagungsmittel aufgebrachte Kraft zu messen.
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Die erfindungsgemäße Testvorrichtung ermöglicht es, dass mittels des Kraftbeaufschlagungsmittels eine definierte mechanische Belastung der in der Aufnahmevorrichtung eingesetzten elektrochemischen Zelle erzeugt werden kann.
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Anders ausgedrückt ist es mit der erfindungsmäßen Testvorrichtung möglich, die am angedachten Einsatzort der elektrochemischen Zelle tatsächlich vorhandenen mechanischen Belastungen nachzustellen, ohne weitere elektrochemische Zellen und/oder Bauteile verwenden zu müssen.
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Es werden sozusagen die erwarteten Bedingungen am Einsatzort „simuliert“, ohne dass tatsächlich ein vollständiger elektrischer Energiespeicher, umfassend mehrere elektrochemische Zellen, bereitgestellt werden muss.
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Auf diese Weise reduzieren sich der Aufwand sowie die Kosten in der Entwicklung und Bewertung von elektrochemischen Zellen, und unterschiedliche geeignete Zelldesigns, das heißt Zellchemien und/oder Zellformate, können schnell und auf einfache Weise identifiziert werden.
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Das Kraftbeaufschlagungsmittel ist beispielsweise eine Gewindestange.
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Auf die Gewindestange können Befestigungsmittel aufgesetzt sein, durch deren Einstellposition die vorgegebene Kraft einstellbar ist.
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Um eine gleichmäßige Verteilung der Kraftbeaufschlagung zu ermöglichen, können auch mehrere Kraftbeaufschlagungsmittel vorgesehen sein.
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Über das Kraftmesselement ist die tatsächlich beaufschlagte Kraft zuverlässig bestimmbar, sodass eine genaue Kontrolle der Messbedingungen erzielt werden kann.
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Als Kraftmesselement kann eine Kraftmessdose eingesetzt werden. Kraftmessdosen sind weltweit kostengünstig verfügbar und liefern ausreichend präzise Messergebnisse.
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Das mechanische Element dient dazu, eine mechanische Beschädigung der elektrochemischen Zelle zu simulieren. Indem das mechanische Element in die im Aufnahmeraum eingesetzte elektrochemische Zelle eingeführt wird, können interne Kurzschlüsse innerhalb der elektrochemischen Zelle erzeugt werden, die gegebenenfalls zu einem thermischen Ereignis führen können.
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Mit anderen Worten können mittels der erfindungsgemäßen Testvorrichtung insbesondere mechanische Beschädigungen, aber auch zellinterne Kurzschlüsse, thermisch verursachte Defekte und/oder durch Materialfehler hervorgerufene Defekte der elektrochemischen Zelle simuliert beziehungsweise nachgebildet werden.
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Das mechanische Element ist beispielsweise ein Nagel.
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Selbstverständlich kann die Aufnahmevorrichtung auch eine Vielzahl an Öffnungen aufweisen, in die das mechanische Element eingeführt werden kann, sodass das Verhalten der elektrochemischen Zelle für eine Vielzahl von unterschiedlichen Beschädigungsbedingungen getestet werden kann.
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Sofern mehrere Öffnungen vorhanden sind, kann jede aktuell nicht zum Einbringen eines mechanischen Elements genutzte Öffnung jedoch eine ungewünschte Sollbruchstelle der zu testenden elektrochemischen Zelle darstellen, die das Messergebnis verfälschen kann. Daher ist je nach elektrochemischer Zelle ein Kompromiss zu wählen zwischen einerseits der Mindestanzahl an Öffnungen, um das Verhalten der elektrochemischen Zelle ausreichend genau charakterisieren zu können, und andererseits der Schaffung von Testbedingungen, die möglichst ähnlich zu den Bedingungen am angedachten Einsatzort der elektrochemischen Zelle sind.
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Das Zellformat der elektrochemischen Zelle ist nicht weiter eingeschränkt, sodass alle üblichen Zellformate in Frage kommen.
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Beispielsweise ist die elektrochemische Zelle eine prismatische Zelle, eine Pouch-Zelle oder eine zylindrische Zelle.
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Es versteht sich, dass die vorgegebene Kraft an das jeweilige Zellformat angepasst werden kann.
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Insbesondere im Fall von Pouch-Zellen ist aufgrund des flexiblen Gehäuses derartiger elektrochemischer Zellen lediglich eine geringere Kraft aufzubringen als für prismatische Zellen mit starren Gehäusen, um eine Beschädigung allein durch vom Kraftbeaufschlagungsmittel erzeugte Kraft zu vermeiden, es sei denn, dass das Verhalten der Pouch-Zelle rein im Hinblick auf die mechanische Belastung im Aufnahmeraum charakterisiert werden soll.
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Die elektrochemische Zelle kann jedwede Art von Zellchemie nutzen. Bevorzugt handelt es sich bei der elektrochemischen Zelle um eine Lithiumionenzelle.
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Der Begriff „Lithiumionenzelle“ wird synonym für alle im Stand der Technik gebräuchlichen Bezeichnungen für Lithium enthaltende galvanische Elemente bzw. elektrochemische Zellen verwendet. Insbesondere sind wieder aufladbare elektrochemische Zellen (Sekundärzellen) inbegriffen.
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Lithiumionenzellen haben sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte in einer Vielzahl von Anwendungen durchgesetzt, unter anderem in Hochvoltspeichern für Fahrzeuge. Derartige Hochvoltspeicher weisen eine hohe Kapazität auf, die entscheidend für die erzielbare Reichweite des Fahrzeugs mit einem derartigen Hochvoltspeicher ist. Jedoch können viele Arten von Lithiumionenzellen bei mechanischer Beschädigung in ein unerwünschtes thermisches Ereignis übergehen. Es ist daher von besonderer Bedeutung, das Verhalten einer Lithiumionenzelle unter Einsatzbedingungen zuverlässig zu charakterisieren.
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Der Aufnahmeraum der Aufnahmevorrichtung kann ferner durch eine Bodenplatte und Seitenplatten definiert sein.
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Die Bodenplatte und/oder die Seitenplatten können Bestandteil der Frontplatte und/oder der Rückplatte sein.
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Bevorzugt sind die Bodenplatte und/oder die Seitenplatten jedoch unabhängig, das heißt als eigene Bauteile, zwischen der Frontplatte und der Rückplatte angeordnet.
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Zwischen der Bodenplatte und wenigstens einer der Seitenplatten ist insbesondere ein Spalt vorgesehen. Auf diese Weise ist die elektrochemische Zelle, obwohl sie im Aufnahmeraum eingesetzt ist, an der Stelle, an der der Spalt vorhanden ist, nicht durch eine Platte abgedeckt. Auf diese Weise wird eine Sollbruchstelle der elektrochemischen Zelle vorgegeben, sodass das Verhalten bei Beschädigungen der elektrochemischen Zelle in Richtung des Spalts simuliert werden kann.
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Bevorzugt ist die Aufnahmevorrichtung modular ausgebildet und die Frontplatte und/oder die Rückplatte der Aufnahmevorrichtung sind zerstörungsfrei lösbar.
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In dieser Variante sind, sofern als separate Bauteile vorhanden, die Bodenplatte und/oder die Seitenplatten ebenfalls zerstörungsfrei lösbar.
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In dieser Variante kann die Aufnahmevorrichtung als Baukastensystem ausgebildet sein, das heißt, es sind eine Vielzahl von unterschiedlich ausgestalteten Platten bereitgestellt, um unterschiedliche Zellformate und Testbedingungen untersuchen zu können.
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Der Begriff „Platten“ umfasst hier und im Folgenden die Frontplatte, die Rückplatte, die Bodenplatte sowie die Seitenplatten.
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Beispielsweise sind die Platten des Baukastensystems an verschiedene Zellformate angepasst, das heißt an die Größe und/oder Bauform der jeweiligen elektrochemischen Speicherzelle.
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Zudem können die verschiedenen Platten des Baukastensystems eine verschiedene Anzahl und/oder Anordnung der wenigstens einen Öffnung zum Einbringen des mechanischen Elements aufweisen, sodass verschiedene Beschädigungsszenarien auf einfache Weise getestet werden können.
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Das Kraftmesselement kann zwischen der Rückplatte der Aufnahmevorrichtung und einer Endplatte der Testvorrichtung angeordnet sein, wobei das Kraftbeaufschlagungsmittel mit der Endplatte verbunden ist und/oder auf die Endplatte einwirkt. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, auf einfache und zuverlässige Art und Weise mittels des Kraftmesselements die tatsächlich vom Kraftbeaufschlagungsmittel erzeugte Kraft bestimmen zu können.
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Um die thermische Situation der elektrochemischen Zelle am angedachten Einsatzort simulieren zu können, kann an einer zum Aufnahmeraum weisenden Innenseite der Frontplatte und/oder der Rückplatte eine thermische Isolierung und/oder ein Heizelement angeordnet sein.
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Auf diese Weise kann das Verhalten der elektrochemischen Zelle über den gesamten Temperaturbereich, dem die elektrochemische Zelle am angedachten Einsatzort ausgesetzt sein kann, simuliert werden. Mit anderen Worten kann das Verhalten der elektrochemischen Zelle temperaturabhängig bestimmt werden.
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Typischerweise reicht der Temperaturbereich von Minusgraden bis zu einer Höchsttemperatur, bei der auch bei fehlender mechanischer Beschädigung ein thermisches Ereignis ausgelöst wird. Beispielsweise verläuft der Temperaturbereich unter Betriebsbedingungen der elektrochemischen Zelle von -30 °C bis 80 °C oder von -30 °C bis 60 °C.
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Das Heizelement ermöglicht auch eine graduelle Temperierung der elektrochemischen Zelle, d. h. das innerhalb der elektrochemischen Zelle ein Temperaturgradient simuliert werden kann.
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Es versteht sich, dass auch mehrere thermische Isolierungen und/oder Heizelemente vorhanden sein können.
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Zudem kann auch auf einer zum Aufnahmeraum weisenden Innenseite der Bodenplatte und/oder der Seitenplatten eine thermische Isolierung und/oder ein Heizelement angeordnet sein.
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Die thermische Isolierung kann aus einem mineralischen Material sein, beispielsweise aus Glimmer, auch als Mica bezeichnet. Derartige Materialien sind mechanisch ausreichend stabil, um den im Aufnahmeraum zu erwartenden mechanischen Belastungen zu widerstehen und sind kostengünstig verfügbar.
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In einer Variante ist zwischen der Rückplatte der Aufnahmevorrichtung und dem Kraftmesselement ein Kraftübertragungselement zum Verteilen der auf die Rückplatte der Aufnahmevorrichtung aufgebrachten Kraft angeordnet.
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Beispielsweise ist das Kraftübertragungselement eine Stahlplatte.
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Um das Kraftmesselement thermisch von der Aufnahmevorrichtung zu trennen, kann zwischen der Rückplatte der Aufnahmevorrichtung und dem Kraftmesselement eine Isolierung angeordnet sein. Auf diese Weise können Beschädigungen des Kraftmesselements vermieden oder zumindest reduziert werden, sodass sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Kraftmesselements weiter erhöht und die Kosten für Ersatzteile der Testvorrichtung reduziert sind.
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Die Isolierung kann aus einem Material sein, das weniger resistent gegenüber mechanischen Belastungen ist als die thermische Isolierung innerhalb des Aufnahmeraums, da auf die Isolierung nicht die gleichen mechanischen Kräfte einwirken.
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Beispielsweise ist die Isolierung eine Rigipsplatte.
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In einer weiteren Variante verfügt die Testvorrichtung über ein Abschirmelement, welches das Kraftmesselement wenigstens teilweise verdeckt.
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Tritt beim Testen der elektrochemischen Zelle ein thermisches Ereignis ein, kann aus der elektrochemischen Zelle heißes Material austreten, welches in Kontakt mit weiteren Bestandteilen der Testvorrichtung treten und diese beschädigen kann. Das Abschirmelement dient dazu, dass in diesem Fall das von der elektrochemischen Zelle abgegebene Material lediglich auf das Abschirmelement treffen kann, insbesondere nicht auf das Kraftmesselement trifft und dieses beschädigt.
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Das Abschirmelement verdeckt insbesondere eine Oberseite des Kraftmesselements, die parallel zu einer offenen Oberseite des Aufnahmeraums verläuft.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann das Abschirmelement ein Anschlussmittel des Kraftelements abdecken. Das Anschlussmittel ist beispielsweise ein Kabel, über welches das Kraftmesselement mit Strom versorgt wird und/oder über welches Daten vom beziehungsweise zum Kraftmesselement übermittelt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch einen Teststand zum Bestimmen des Verhaltens einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine Testvorrichtung wie zuvor beschrieben.
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Die Merkmale und Eigenschaften der Testvorrichtung gelten entsprechend in analoger Weise für den Teststand und umgekehrt.
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Der Teststand verfügt insbesondere über einen Aktuator, der dazu eingerichtet ist, die Bewegung des mechanischen Elements zu steuern. Auf diese Weise kann das mechanische Element ferngesteuert in die elektrochemische Zelle eingebracht werden. Zudem kann die Bewegung des mechanischen Elements besonders präzise kontrolliert werden.
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Der Teststand kann über eine Temperiervorrichtung verfügen, in welchem zumindest die Aufnahmevorrichtung der Testvorrichtung aufgenommen ist, insbesondere die gesamte Testvorrichtung.
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Unter einer Temperiervorrichtung wird in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung verstanden, die in einem Innenraum der Temperiervorrichtung eine Temperatur in einem gewünschten Temperaturbereich erzeugen kann, das heißt insbesondere dazu eingerichtet ist, im Innenraum vorhandene Gegenstände sowohl kühlen als auch heizen zu können.
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Die Temperiervorrichtung dient dazu, wenigstens die Aufnahmevorrichtung, insbesondere die gesamte Testvorrichtung, auf eine vorgegebene Temperatur zu bringen, um das Verhalten der elektrochemischen Zelle bei der vorgegebenen Temperatur bestimmen zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden sollen, sowie den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Teststand umfassend eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Testvorrichtung,
- - 2 eine perspektivische Darstellung der Testvorrichtung aus 1 von schräg oben,
- - 3 eine weitere perspektivische Darstellung der Testvorrichtung aus 1 von schräg vorne,
- - 4 eine Seitenansicht der Testvorrichtung aus 1,
- - 5 eine perspektivische Unteransicht der Testvorrichtung aus 1,
- - 6 eine schematische Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Testvorrichtung, und
- - 7 eine schematische Seitenansicht der Testvorrichtung nach 6.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Teststand 10 umfassend eine erfindungsgemäße Testvorrichtung 12.
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Der Teststand 10 verfügt über einen Aktuator 14, auf dem mittels einer gesteckten Führungshülse 16 ein mechanisches Element 18 befestigt ist.
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Das mechanische Element 18 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Nagel mit einem Durchmesser von 1 mm.
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Es versteht sich, dass auch ein Nagel mit geringerem oder größerem Durchmesser verwendet werden kann, beispielsweise mit einem Durchmesser von bis zu 3 mm.
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In 1 ist lediglich ein einzelner Aktuator 14 und ein einzelnes mechanisches Element 18 dargestellt. Grundsätzlich können jedoch auch mehrere Aktuatoren 14 und/oder mehrere mechanische Elemente 18 vorhanden sein.
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Der Aktuator 14 kann innerhalb des Teststands verfahren werden, wie durch die Pfeile in 1 angedeutet ist, um das mechanische Element 18 an eine gewünschte Position an der Testvorrichtung 12 zu bewegen.
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Der Teststand 10 verfügt ferner über ein Steuerungselement 20, über welches der Betrieb des Teststands gesteuert werden kann.
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Das Steuerungselement 20 ist signalübertragend mit dem Aktuator 14 verbunden, sodass die Bewegung des Aktuators 14 vom Steuerungselement 20 steuerbar ist.
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Das Steuerungselement 20 kann über ein (nicht dargestelltes) Mensch-Maschinen-Interface oder über ein externes Terminal, beispielsweise einen Computer, der signalübertragend mit dem Steuerungselement 20 verbunden ist, von einem Benutzer des Teststands 10 angesteuert werden.
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Zudem ist eine Auswerteeinheit 22 vorgesehen, in welchem im Betrieb des Teststands 10 erhaltene Messdaten und/oder Betriebsdaten gespeichert und/oder ausgewertet werden können.
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Die Auswerteeinheit 22 ist daher signalübertragend mit der Testvorrichtung 12 und mit dem Steuerungselement 20 verbunden.
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Grundsätzlich können das Steuerungselement 20 und die Auswerteeinheit 22 auch Bestandteil der Testvorrichtung 12 sein.
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Die Testvorrichtung 12 ist innerhalb einer Temperiervorrichtung 24 des Teststands 10 angeordnet, nämlich in einem Innenraum der Temperiervorrichtung, sodass die Komponenten der Testvorrichtung 12 mittels der Temperiervorrichtung 24 auf eine vorgegebene Temperatur gekühlt oder geheizt werden können.
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Grundsätzlich kann der Teststand 10 auch über (in den Figuren nicht dargestellte) Überwachungsmittel und Sensoren verfügen, die die Testvorrichtung 12 und die weiteren Komponenten des Teststands 10 überwachen.
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Beispielsweise kann der Teststand 10 über eine Kamera verfügen, die signalübertragend mit der Auswerteeinheit 22 verbunden ist.
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In 2 ist eine perspektivische Darstellung der Testvorrichtung 12 gezeigt.
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Die Testvorrichtung 12 verfügt über eine Aufnahmevorrichtung 26, welche eine Frontplatte 28, eine Rückplatte 30, eine Bodenplatte 32 sowie zwei Seitenplatten 34 umfasst, die mittels mehrerer Kraftbeaufschlagungsmittel 36 miteinander verbunden sind.
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Die Kraftbeaufschlagungsmittel 36 sind in der gezeigten Ausführungsform als Gewindestangen ausgebildet und verlaufen durch die Frontplatte 28, die jeweils zugeordnete Bodenplatte 32 beziehungsweise Seitenplatte 34 und die Rückplatte 30 hindurch.
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Die Kraftbeaufschlagungsmittel 36 sind über zugeordnete Arretierungsmittel 38 fixiert, wobei die Arretierungsmittel 38 in der gezeigten Ausführungsform Muttern sind.
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Umschlossen von der Frontplatte 28, der Rückplatte 30, der Bodenplatte 32 und den Seitenplatten 34 ist ein Aufnahmeraum 40 gebildet, in den eine elektrochemische Zelle 42 eingesetzt ist, deren Verhalten mittels der Testvorrichtung 12 beziehungsweise des Teststands 10 bestimmt werden soll, wie später noch ausführlicher beschrieben wird.
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Die elektrochemische Zelle 42 ist eine prismatische Lithiumionenzelle. Grundlegend kann die elektrochemische Zelle 42 jedoch auch eine Pouch-Zelle oder eine zylindrische Zelle sein, sofern der Aufnahmeraum 40 durch entsprechende Platten passend ausgelegt ist. Ebenso kann die elektrochemische Zelle 42 auch eine andere Art von Zellchemie aufweisen.
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Die Frontplatte 28 weist mehrere Öffnungen 44 auf, welche komplementär zum mechanischen Element 18 ausgeführt sind, sodass das mechanische Element 18 durch mindestens eine der Öffnungen 44 hindurch in die elektrochemische Zelle 42 eingeführt werden kann.
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Die Öffnungen 44 sind beispielsweise in die Frontplatte 28 gefräst.
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In der gezeigten Ausführungsform verfügt die Frontplatte 28 über insgesamt fünf Öffnungen 44. Es versteht sich jedoch, dass auch weniger oder mehr Öffnungen 44 vorhanden sein können.
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Zwischen den Seitenplatten 34 und der Bodenplatte 32 ist ein Spalt 46 ausgebildet, der sich bis in den Aufnahmeraum 40 hinein und somit bis zur elektrochemischen Zelle 42 erstreckt.
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Der Aufnahmeraum 40 ist an einer Oberseite offen. In Richtung dieser Oberseite ist auch eine Oberseite der elektrochemischen Zelle 42 angeordnet, der insbesondere elektrische Kontakte 47 (vgl. 7) und/oder eine (nicht dargestellte) Berstmembran der elektrochemischen Zelle zugeordnet sein können.
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An einer Rückseite der Rückplatte 30 ist ein Abschirmelement 48 vorgesehen, das insbesondere aus Metall ist, beispielsweise aus Edelstahl.
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Das Abschirmelement 48 weist ein Seitenelement 50 auf, welches parallel zu der in 2 rechts dargestellten Seitenplatte 34 verläuft und zwar über die gesamte Höhe der Aufnahmevorrichtung 26 entlang einer Höhenrichtung H.
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Am entgegengesetzten Ende entlang einer zur Höhenrichtung H senkrecht verlaufenden Längsrichtung L weist das Abschirmelement 48 einen Vorsprungsbereich 52 auf, der sich über die Aufnahmevorrichtung 26 hinaus erstreckt.
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Wie in 3 gut zu erkennen ist, weist das Abschirmelement 48, seitlich betrachtet, abgesehen vom Seitenelement 50, eine im Wesentlichen L-förmige Kontur auf.
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In 4 ist eine Seitenansicht der Testvorrichtung 12 dargestellt, in der die weiteren Komponenten der Testvorrichtung 12, welche in 2 und 3 vom Abschirmelement 48 verdeckt bzw. teilweise verdeckt werden, besser zu sehen sind.
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Die Testvorrichtung 12 verfügt über ein Kraftmesselement 54, das in der gezeigten Ausführungsform als Kraftmessdose ausgebildet ist.
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Das Kraftmesselement 54 ist zwischen der Rückplatte 30 der Aufnahmevorrichtung 26 und einer Endplatte 56 der Testvorrichtung 12 angeordnet.
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Zwischen dem Kraftmesselement 54 und der Rückplatte 30 ist zudem eine Isolierung 58 und ein Kraftübertragungselement 60 angeordnet.
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Die Isolierung 58 ist eine Rigipsplatte und dient zur thermischen Isolation des Kraftmesselements 54 vom Aufnahmeraum 40.
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Das Kraftübertragungselement 60 ist eine Stahlpatte und sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung der auf das Kraftmesselement 54 einwirkenden Kraft.
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Aus 4 wird noch besser ersichtlich, dass das Kraftbeaufschlagungsmittel 36 durch die Frontplatte 28, die Seitenplatte 34, die Rückplatte 30 und das Abschirmelement 48 hindurch verläuft und sich an der Endplatte 56 abstützt.
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Grundsätzlich könnte statt des Kraftbeaufschlagungsmittels 36 jedoch auch ein Befestigungsstift die Komponenten der Aufnahmevorrichtung 26 miteinander verbinden.
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In diesem Fall kann das Kraftbeaufschlagungsmittel 36 derart ausgestaltet sein, dass die vorgegebene Kraft durch Einwirken auf die vom Kraftmesselement 54 abgewandte Seite der Endplatte 56 erzeugt wird.
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In 5 ist eine perspektivische Unteransicht der Testvorrichtung 12 dargestellt.
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In dieser Darstellung wird deutlich, dass auch die Bodenplatte 32 über Öffnungen 44 zum Einführen des mechanischen Elements 18 aufweist.
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Zudem ist zu erkennen, dass das Kraftmesselement 54 in eine Aufnahme 62 der Endplatte 56 eingreift und auf diese Weise gegen Verrutschen gesichert ist.
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Das Kraftmesselement 54 verfügt zudem über ein Anschlussmittel 64, über welches das Kraftmesselement 54 mit Strom versorgt wird und über welches das Kraftmesselement 54 Messdaten übermitteln kann, insbesondere an die Auswerteeinheit 22 des Teststands 10 (vgl. 1).
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Das Anschlussmittel 64 ist in den Figuren zur besseren Übersichtlichkeit lediglich verkürzt dargestellt, erstreckt sich jedoch in die Richtung des Vorsprungsbereichs 52 des Abschirmelements 48.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Testvorrichtung 12 beziehungsweise des Teststands 10 sowie ein Messverfahren zum Bestimmen des Verhaltens der elektrochemischen Zelle 42 beschrieben.
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Zunächst wird die Testvorrichtung 12 bereitgestellt, wobei der Aufnahmeraum 40 dadurch gebildet wird, dass die Frontplatte 28, die Rückplatte 30, die Bodenplatte 32 und die Seitenplatten 34 mittels der Kraftbeaufschlagungsmittel 36 miteinander verbunden werden.
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In den so gebildeten Aufnahmeraum 40 wird anschließend die elektrochemische Zelle 42 eingesetzt, indem diese in die offene Oberseite des Aufnahmeraums 40 und in Richtung der Bodenplatte 32 eingeschoben wird.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die elektrochemische Zelle 42 bereits auf die Rückplatte 30 und/oder die Bodenplatte 32 in ihre vorgesehene Position gebracht wird, bevor die Frontplatte 28 aufgesetzt und befestigt wird.
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Optional kann mittels der Temperiervorrichtung 24 die Testvorrichtung 12 auf eine vorgegebene Temperatur gekühlt oder erwärmt werden, um das Verhalten der elektrochemischen Zelle 42 bei der vorgegebenen Temperatur zu untersuchen. Die vorgegebene Temperatur liegt insbesondere im Bereich -30 °C bis 80 °C oder -30 °C bis 60 °C.
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Grundsätzlich ist es empfehlenswert, bei Raumtemperatur oder einer höheren Temperatur die Messung durchzuführen, da im Allgemeinen erwartet werden kann, dass eine elektrochemische Zelle 42, die bei einer höheren Temperatur keine Reaktion auf eine mechanische Beschädigung zeigt, auch bei einer niedrigeren Temperatur keine Reaktion zeigen wird. Es versteht sich jedoch, dass bei Erstellen eines Verhaltensprofils für eine bestimmte Art an elektrochemischer Zelle 42 die Temperatur auch systematisch variiert werden kann.
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Die Steuerung der Temperiervorrichtung 24 erfolgt durch das Steuerungselement 20 des Teststands 10.
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Anschließend wird die Aufnahmevorrichtung 26, und somit die im Aufnahmeraum 40 enthaltene elektrochemische Zelle 42, mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagt.
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In der gezeigten Ausführungsform erfolgt dies, in dem die Arretierungsmittel 38 angezogen werden, bis das Kraftmesselement 54 anzeigt, dass die vorgegebene Kraft erreicht ist.
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Die vorgegebene Kraft beträgt insbesondere 30 kN oder weniger, beispielsweise 15 kN oder weniger.
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Grundsätzlich sollte die vorgegebene Kraft so gewählt werden, dass sie derjenigen Kraft entspricht, die auf die elektrochemische Zelle 42 einwirken würde, wenn sie an ihrem angedachten Einsatzort verbaut wäre, beispielsweise innerhalb eines Hochvoltspeichers eines Fahrzeugs.
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Bevorzugt wird dabei diejenige Kraft gewählt, die am Ende der Lebenszeit der elektrochemischen Zelle 42 zu erwarten wäre, da in diesem Fall die höchste Wahrscheinlichkeit besteht, dass bei einer mechanischen Beschädigung der elektrochemische Zelle ein thermisches Ereignis ausgelöst wird.
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Es versteht sich jedoch, dass bei Erstellen eines Verhaltensprofils für eine bestimmte Art an elektrochemischer Zelle 42 auch jede beliebige mittels des Kraftbeaufschlagungsmittels 36 erzielbare Kraft gewählt werden kann.
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Das mechanische Element 18 wird nun mittels des Aktuators 14 zu einer der Öffnungen 44 der Aufnahmevorrichtung 26 bewegt und anschließend mit einer vorgegebenen Eindringgeschwindigkeit in die Öffnung 44 eingeführt, bis das mechanische Element 18 in die elektrochemische Zelle 42 eindringt und eine vorgegebene Eindringtiefe erreicht.
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Die Eindringtiefe kann in Abhängigkeit der elektrochemischen Zelle 42 sowie der zu untersuchenden Belastungsart gewählt werden. Beispielsweise beträgt die Eindringtiefe 2 bis 10 mm.
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Die Eindringgeschwindigkeit beträgt insbesondere 0,1 bis 10 mm/s. Grundsätzlich kann die Eindringgeschwindigkeit auch nach einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil während des Eindringens variiert werden.
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Wie in 3 und 5 angedeutet, können auch mehrere mechanische Elemente 18 gleichzeitig oder hintereinander in die elektrochemische Zelle 42 eingebracht werden.
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Während des Eindringvorgangs kann ein Benutzer der Testvorrichtung 12 bzw. des Teststands 10 das Verhalten der elektrochemischen Zelle 42 beobachten, beispielsweise über ein Beobachtungsfenster der Temperiervorrichtung 24, insbesondere ob ein thermisches Ereignis eintritt, welches die elektrochemische Zelle 42 beschädigt.
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Grundsätzlich kann der Teststand auch über die (in den Figuren nicht dargestellten) Überwachungsmittel und Sensoren das Verhalten der elektrochemischen Zelle 42 verfolgen und erhaltene Messdaten in der Auswerteeinheit 22 hinterlegen.
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Auch kann die elektrochemische Zelle 42, nachdem das mechanische Element 18 eingeführt wurde, für eine festgelegte Beobachtungszeit überwacht werden, um ein erst zeitverzögert auftretendes thermisches Ereignis registrieren zu können.
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Tritt ein solches auf, können Bestandteile der elektrochemischen Zelle 42 aus dieser austreten, beispielweise indem ein Gehäuse der elektrochemischen Zelle 42 aufplatzt.
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Für diesen Fall stellt das Abschirmelement 48 stellt sicher, dass diese Bestandteile, insbesondere heiße Flüssigkeiten und Feststoffe, nicht in direkten Kontakt mit dem Kraftmesselement 54 und/oder dem Anschlussmittel 64 kommen.
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Die offene Oberseite des Aufnahmeraums 40 sowie der Spalt 46, aber auch die nicht zum Einführen des mechanischen Elements 18 genutzten Öffnungen 44 stellen in dieser Hinsicht Sollbruchstellen für die elektrochemische Zelle 42 dar, sodass in die Richtungen, in denen diese Elemente zeigen, eine Beschädigung der elektrochemischen Zelle am wahrscheinlichsten ist.
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In diesem Zusammenhang kann je nach gewünschtem Untersuchungsergebnis zum Verhalten der elektrochemischen Zelle 42, die Anzahl und Anordnung der Öffnungen 44 sowie die Größe des Spalts 46 angepasst werden, beispielsweise indem eine Frontplatte 28, eine Bodenplatte 32 oder mindestens eine Seitenplatte 34 mit abweichender Größe und/oder Anzahl von Öffnungen 44 verwendet werden. Auch können die Seitenplatten 34 so bemessen sein, dass kein Spalt 46 verbleibt.
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Somit kann die Aufnahmevorrichtung 26 als Baukastensystem realisiert sein, mit einer Vielzahl an die jeweilige elektrochemische Zelle 42 sowie mögliche Belastungsprofile angepassten Frontplatten 28, Rückplatten 30, Bodenplatten 32 und Seitenplatten 34.
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Die verschiedenen Platten können in diesem Zusammenhang auch abweichende Formen aufweisen.
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Beispielsweise kann der Aufnahmeraum auch zylindrisch ausgebildet sein, wenn eine zylindrische elektrochemische Zelle 42 untersucht werden soll. In diesem Fall kann der Aufnahmeraum auch lediglich von der Frontplatte 28, der Rückplatte 30 und der Bodenplatte 32 gebildet sein, wobei die Frontplatte 28 und die Rückplatte 30 halbschalenförmig ausgebildet sind.
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Die erfindungsgemäße Testvorrichtung 12 und der erfindungsgemäße Teststand 10 zeichnen sich somit durch eine hohe Flexibilität bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit und niedrigen Kosten aus.
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In 6 ist eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Testvorrichtung 12 schematisch dargestellt.
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Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, sodass im Folgendem lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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In 6 ist das Abschirmelement 48 zur besseren Übersichtlichkeit transparent dargestellt.
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In der zweiten Ausführungsform verfügt das Abschirmelement 48 nicht über den Vorsprungsbereichs 52, sodass eine noch kompaktere Anordnung der Testvorrichtung 12 resultiert.
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Zudem ist an einer zum Aufnahmeraum 40 weisenden Innenseite der Frontplatte 28 eine thermische Isolierung 66 angeordnet, welche äußere thermische Einflüsse auf das Verhalten der elektrochemischen Zelle 42 minimiert.
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Die thermische Isolierung 66 ist aus einem keramischen Material, insbesondere Glimmer, gebildet.
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Auf einer zum Aufnahmeraum 40 weisenden Innenseite der Rückplatte 30 ist ein Heizelement 68 angeordnet, mittels dem die elektrochemische Zelle 42 auf eine vorgegebene Temperatur geheizt werden kann.
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Das Heizelement 68 ist insbesondere mit dem Steuerungselement 20 des Teststands 10 (vgl. 1) signalübertragend verbunden.
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Es versteht sich, dass auch lediglich die thermische Isolierung 66 oder das Heizelement 68 vorhanden sein kann, ebenso wie mehrere thermische Isolierungen 66 und/oder Heizelemente 68 im Aufnahmeraum 40 vorhanden sein können.
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Zudem kann auf der zum Aufnahmeraum 40 weisenden Innenseite der Seitenplatten 34 oder der Bodenplatte 32 ebenso eine thermische Isolierung 66 und/oder ein Heizelement 68 angeordnet sein.
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7 zeigt eine schematische Seitenansicht der zweiten Ausführungsform der Testvorrichtung 12.
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In dieser Seitenansicht wird ersichtlich, dass sich das Abschirmelement 48 in dieser Ausführungsform nicht wie in der ersten Ausführungsform über die gesamte Höhe der Testvorrichtung 12 entlang der Höhenrichtung H erstreckt, sondern lediglich so weit, dass das Abschirmelement 48 über ein zweites Arretierungsmittel 70 gesichert ist, welches auf dem Kraftbeaufschlagungsmittel 36 verstellbar angeordnet ist.
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Durch Festziehen des zweiten Arretierungsmittels 70 kann, analog zu den Arretierungsmitteln 38, zudem die auf die Aufnahmevorrichtung 26 einwirkende Kraft festgelegt werden.
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Ebenso ist in 7 zu erkennen, dass in der zweiten Ausführungsform auch in der Seitenplatte 34 Öffnungen 44 vorgesehen sind, in die ein mechanisches Element 18 (hier nicht gezeigt) eingebracht werden kann.
