DE102023000885A1 - Testing device for a test specimen - Google Patents

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Ahmet Uzun
Emre Gündüz
Karsten Lamp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/30—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30—Arrangements for facilitating escape of gases

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (10) für einen Prüfkörper (12), welcher in einem Bereich einer Batteriezelle (14) angeordnet ist, mit zumindest einer ersten Halteeinrichtung (16) zum Halten der Batteriezelle (14), und mit einer zweiten Halteeinrichtung (18) zum Halten des Prüfkörpers (12), wobei der Prüfkörper (12) derart in der zweiten Halteeinrichtung (18) anordenbar ist, dass eine Entlüftungseinrichtung (20) der Batteriezelle (14) dem Prüfkörper (12) zugewandt ist, und wobei eine Kraftmessdose (22) an der zweiten Halteeinrichtung (18) ausgebildet ist, so dass eine durch die Entlüftungseinrichtung (20) erzeugte und auf den Prüfkörper (12) wirkende Kraft (24) mittels der Kraftmessdose (22) messbar ist.The invention relates to a testing device (10) for a test specimen (12), which is arranged in an area of a battery cell (14), with at least one first holding device (16) for holding the battery cell (14), and with a second holding device (18 ) for holding the test specimen (12), wherein the test specimen (12) can be arranged in the second holding device (18) in such a way that a venting device (20) of the battery cell (14) faces the test specimen (12), and wherein a load cell ( 22) is formed on the second holding device (18), so that a force (24) generated by the venting device (20) and acting on the test specimen (12) can be measured by means of the load cell (22).

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für einen Prüfkörper, welcher in einem Bereich einer Batteriezelle angeordnet ist.The invention relates to a testing device for a test specimen which is arranged in an area of a battery cell.

Aus dem Stand der Technik sind bereits sogenannte Bunsenbrennertests bekannt, bei welchen beispielsweise Prüfkörper, welche sich im Bereich einer Batteriezelle befinden, überprüft werden können. Dabei kann keine dynamische Beaufschlagung mit abrasiven Partikeln abgebildet werden. Ferner kann auch ein Schadbild vom Gesamtsystemtest nicht abgebildet werden. Alternative Prüfverfahren, in denen ein Strahlgut auf den Prüfkörper einwirkt, sind ebenfalls bekannt, wobei dabei keine thermische Beaufschlagung sowie Abweichung in der Partikelgröße und Aufprallgeschwindigkeit realisiert werden kann.So-called Bunsen burner tests are already known from the prior art, in which, for example, test specimens located in the area of a battery cell can be checked. No dynamic exposure to abrasive particles can be depicted. Furthermore, a damage pattern cannot be depicted by the overall system test. Alternative test methods in which a blasting material acts on the test specimen are also known, although no thermal impact or deviation in particle size and impact speed can be realized.

Die DE 10 2020 118 072 A1 betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Widerstands eines Prüfkörpers gegenüber freigesetzten Stoffen und hoher Temperatur infolge von Beschädigungen oder anderen Mängeln an einem elektrischen Speichermedium sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man Abbrandprodukte durch Abbrennen einer Treibladung erzeugt und diese Abbrandprodukte gezielt auf den Prüfkörper einwirken lässt.The DE 10 2020 118 072 A1 relates to a method for determining the resistance of a test specimen to released substances and high temperatures as a result of damage or other defects to an electrical storage medium and to a device for carrying out the method. The process is characterized in that combustion products are produced by burning off a propellant charge and these combustion products are allowed to act specifically on the test specimen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prüfvorrichtung zu schaffen, mittels welcher realitätsnah ein Prüfkörper, welcher im Bereich einer Batteriezelle angeordnet ist, getestet werden kann.The object of the present invention is to create a testing device by means of which a test specimen which is arranged in the area of a battery cell can be tested realistically.

Diese Aufgabe wird durch eine Prüfvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.This task is solved by a testing device according to the independent patent claims. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für einen Prüfkörper, welche in einem Bereich einer Batteriezelle angeordnet ist, mit zumindest einer ersten Halteeinrichtung zum Halten der Batteriezelle, und mit einer zweiten Halteeinrichtung zum Halten des Prüfkörpers, wobei der Prüfkörper derart in der zweiten Halteeinrichtung anordenbar ist, dass eine Entlüftungseinrichtung der Batteriezelle dem Prüfkörper zugewandt ist, und wobei eine Kraftmessdose an der zweiten Halteeinrichtung ausgebildet ist, sodass eine durch die Entlüftungseinrichtung erzeugte und auf den Prüfkörper wirkende Kraft mittels der Kraftmessdose messbar ist.One aspect of the invention relates to a testing device for a test specimen, which is arranged in an area of a battery cell, with at least a first holding device for holding the battery cell, and with a second holding device for holding the test specimen, wherein the test specimen can be arranged in the second holding device in that a venting device of the battery cell faces the test specimen, and wherein a load cell is formed on the second holding device, so that a force generated by the venting device and acting on the test specimen can be measured by means of the load cell.

Insbesondere kann somit eine realitätsnahe Beaufschlagung von Prüfkörpern auf der Komponentenebene durchgeführt werden. Es kann ferner ein Abgleich mit alternativen Testverfahren durch die emittierenden Ventinggaskräfte, welche insbesondere dem aus der Entlüftungseinrichtung austretenden Ventinggas entspricht, auf die Probe durchgeführt werden. Des Weiteren kann eine Charakterisierung des Ventingstrahls der verwendeten Batteriezelle mittels der Kraftmessung durchgeführt werden.In particular, a realistic loading of test specimens can be carried out at the component level. Furthermore, a comparison with alternative test methods can be carried out on the sample using the emitted venting gas forces, which correspond in particular to the venting gas emerging from the venting device. Furthermore, a characterization of the venting jet of the battery cell used can be carried out by means of force measurement.

Dadurch ist insbesondere eine schnellere Bewertung der Materialprobe im Vergleich zu Teilsystemtests in einer Box oder Gesamtbatterietests ermöglicht. Des Weiteren kann eine Analyse von Schadmechanismen, zum Beispiel von dem Partikelimpuls, Temperatur, sowie der Partikelgeschwindigkeit durchgeführt werden. Ebenfalls kann ein Vergleich unterschiedlicher Batteriezellen hinsichtlich der Ventinggasdynamik und deren Auswirkungen auf das Probenmaterial realisiert werden.In particular, this enables faster evaluation of the material sample compared to partial system tests in a box or entire battery tests. Furthermore, an analysis of damage mechanisms, for example particle momentum, temperature and particle speed, can be carried out. A comparison of different battery cells with regard to the venting gas dynamics and their effects on the sample material can also be realized.

Somit kann eine Komponentenabsicherung von Material im Zusammenhang mit dem sogenannten Thermal Runaway und Thermal Propagation realisiert werden. Die Vorrichtung erlaubt es, dass der Prüfkörper insbesondere das zu prüfende Material mit verschiedenen Batteriezelltypen, beispielsweise Hardcase oder Rundzellen, beaufschlagt wird. Die Triggermethode der Batteriezelle ist variabel und kann mit beispielsweise einem Heizer oder Nageleindringverfahren zum Thermal Runaway ausgeführt werden.In this way, component protection of material can be realized in connection with the so-called thermal runaway and thermal propagation. The device allows the test specimen, in particular the material to be tested, to be loaded with different types of battery cells, for example hard cases or round cells. The triggering method of the battery cell is variable and can be carried out using, for example, a heater or nail penetration method for thermal runaway.

Insbesondere wird somit zwischen dem Probenkörper und der Vorrichtung im Oberteil eine Kraftmessdose dazwischengeschaltet. Dabei besteht die Möglichkeit, die auf das Material einwirkende Vertikalkraft durch das Ventinggas und die darin enthaltenen Partikel zu ermitteln.In particular, a load cell is thus interposed between the test body and the device in the upper part. It is possible to determine the vertical force acting on the material by the venting gas and the particles it contains.

Diverse Temperaturmessstellen und Spannungsabgriffe ermöglichen eine detaillierte Testüberwachung. Aufgrund der freien Ansicht der Vorrichtung ist eine optische Bewertung während eines Thermal Runaways mit zusätzlichen Kamerasystemen möglich.Various temperature measuring points and voltage taps enable detailed test monitoring. Due to the unobstructed view of the device, an optical assessment during a thermal runaway is possible with additional camera systems.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die erste Halteeinrichtung und die zweite Halteeinrichtung an einem gemeinsamen Gehäuse der Prüfvorrichtung angeordnet.According to an advantageous embodiment, the first holding device and the second holding device are arranged on a common housing of the testing device.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die erste Halteeinrichtung zum Halten einer Rundzelle und/oder einer Feststoffzelle ausgebildet ist.It is also advantageous if the first holding device is designed to hold a round cell and/or a solid cell.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform sieht vor, dass die Prüfvorrichtung zusätzlich eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur aufweist.A further advantageous embodiment provides that the testing device additionally has a temperature detection device for detecting a temperature.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Prüfvorrichtung zusätzlich eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Spannung der Batteriezelle aufweist.Furthermore, it has proven to be advantageous if the testing device also has a chip voltage detection device for detecting a voltage of the battery cell.

Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Prüfvorrichtung zusätzlich eine optische Erfassungseinrichtung aufweist.It is also advantageous if the testing device additionally has an optical detection device.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of to abandon invention.

Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Prüfvorrichtung; und
  • 2 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform der Prüfvorrichtung.
Show:
  • 1 a schematic sectional view of an embodiment of a testing device; and
  • 2 a schematic perspective view of an embodiment of the testing device.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Prüfvorrichtung 10. Die Prüfvorrichtung 10 ist für einen Prüfkörper 12 bereitgestellt, welcher im Bereich einer Batteriezelle 14 angeordnet ist. Die Prüfvorrichtung 10 weist zumindest eine erste Halteeinrichtung 16 zum Halten der Batteriezelle 14 auf. Ferner weist die Prüfvorrichtung 10 eine zweite Halteeinrichtung 18 auf, wobei die zweite Halteeinrichtung 18 zum Halten des Prüfkörpers 12 ausgebildet ist. Der Prüfkörper 12 ist derart in der zweiten Halteeinrichtung 18 anordenbar, dass eine Entlüftungseinrichtung 20 der Batteriezelle 14 dem Prüfkörper 12 zugewandt ist, und wobei eine Kraftmessdose 22 an der zweiten Halteeinrichtung 12 ausgebildet ist, sodass eine durch die Entlüftungseinrichtung 20 und auf den Prüfkörper 12 wirkende Kraft 24 mittels der Kraftmessdose 22 messbar ist. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a testing device 10. The testing device 10 is provided for a test specimen 12, which is arranged in the area of a battery cell 14. The testing device 10 has at least a first holding device 16 for holding the battery cell 14. Furthermore, the testing device 10 has a second holding device 18, the second holding device 18 being designed to hold the test specimen 12. The test body 12 can be arranged in the second holding device 18 in such a way that a venting device 20 of the battery cell 14 faces the test body 12, and a load cell 22 is formed on the second holding device 12, so that a load cell 20 acts through the venting device 20 and onto the test body 12 Force 24 can be measured by means of the load cell 22.

Die 1 zeigt insbesondere ferner, dass beispielsweise eine Keramikhülse 26 vorgesehen sein kann, welche zur thermischen Entkopplung zwischen dem Prüfkörper 12 und der Kraftmessdose 22 ausgebildet ist.The 1 in particular further shows that, for example, a ceramic sleeve 26 can be provided, which is designed for thermal decoupling between the test body 12 and the load cell 22.

Insbesondere kann beispielsweise die zweite Halteeinrichtung 18 auch als Probenhalter bezeichnet werden.In particular, for example, the second holding device 18 can also be referred to as a sample holder.

1 zeigt ferner, dass die erste Halteeinrichtung 16 und die zweite Halteeinrichtung 18 an einem gemeinsamen Gehäuse 28 angeordnet sind. 1 further shows that the first holding device 16 and the second holding device 18 are arranged on a common housing 28.

1 zeigt ferner, dass die erste Halteeinrichtung 16 zum Halten einer Feststoffzelle beziehungsweise Hardcasezelle ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann die erste Halteeinrichtung 16 auch zum Halten einer Rundzelle ausgebildet sein. 1 also shows that the first holding device 16 is designed to hold a solid cell or hardcase cell. Alternatively or additionally, the first holding device 16 can also be designed to hold a round cell.

Ferner kann vorgesehen sein, dass beispielsweise eine Temperaturerfassungseinrichtung 30 zum Erfassen einer Temperatur ausgebildet ist. Des Weiteren kann eine Spannungserfassungseinrichtung 32 zum Erfassen einer Spannung der Batteriezelle 14 bereitgestellt werden.Furthermore, it can be provided that, for example, a temperature detection device 30 is designed to detect a temperature. Furthermore, a voltage detection device 32 for detecting a voltage of the battery cell 14 can be provided.

2 zeigt eine schematische Perspektivansicht gemäß einer Ausführungsform der Prüfvorrichtung 10, insbesondere gemäß 1. Insbesondere ist gezeigt, dass beispielsweise das Gehäuse 28 mittels einer transparenten Verglasung oder ähnlichen Materialien umgeben ist, sodass eine optische Erfassungseinrichtung 34, beispielsweise eine Kamera, einen Prüfvorgang entsprechend aufnehmen kann. 2 shows a schematic perspective view according to an embodiment of the testing device 10, in particular according to 1 . In particular, it is shown that, for example, the housing 28 is surrounded by transparent glazing or similar materials, so that an optical detection device 34, for example a camera, can record a test process accordingly.

Insbesondere ist somit vorgesehen, dass zur Komponentenabsicherung von Materialien im Zusammenhang mit Thermal Runaway und Thermal Propagation die Prüfvorrichtung 10 ausgebildet ist. Die Prüfvorrichtung 10 erlaubt, dass der Prüfkörper 12 beziehungsweise das zu prüfende Material mit verschiedenen Batteriezelltypen, insbesondere Hardcase oder Rundzellen, beaufschlagt wird. Die Triggermethode der Batteriezelle 14 ist variabel und kann mit einem Heizer oder Nageleindringverfahren zum Thermal Runaway ausgeführt werden.In particular, it is therefore provided that the testing device 10 is designed for component protection of materials in connection with thermal runaway and thermal propagation. The testing device 10 allows the test body 12 or the material to be tested to be loaded with different types of battery cells, in particular hard cases or round cells. The triggering method of the battery cell 14 is variable and can be carried out using a heater or nail penetration method for thermal runaway.

Zwischen dem Prüfkörper 12 und dem Vorrichtungsoberteil ist die Kraftmessdose 22 dazwischengeschaltet. Dabei besteht die Möglichkeit, die auf das Material einwirkende Vertikalkraft durch das Ventinggas und die darin enthaltenen Partikel zu ermitteln.The load cell 22 is interposed between the test specimen 12 and the upper part of the device. It is possible to determine the vertical force acting on the material by the venting gas and the particles it contains.

Diverse Temperaturmesseinrichtungen und Spannungsabgriffe ermöglichen eine detaillierte Testüberwachung. Aufgrund der freien Ansicht der Vorrichtung ist eine optische Bewertung während eines Thermal Runaways mit zusätzlichen Kamerasystemen möglich.Various temperature measuring devices and voltage taps enable detailed test monitoring. Due to the unobstructed view of the device, an optical assessment during a thermal runaway is possible with additional camera systems.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
PrüfvorrichtungTesting device
1212
PrüfkörperTest specimen
1414
BatteriezelleBattery cell
1616
erste Halteeinrichtungfirst holding device
1818
zweite Halteeinrichtungsecond holding device
2020
EntlüftungseinrichtungVentilation device
2222
Kraftmessdoseload cell
2424
KraftPower
2626
KeramikkörperCeramic body
2828
GehäuseHousing
3030
TemperaturerfassungseinrichtungTemperature detection device
3232
SpannungserfassungseinrichtungVoltage detection device
3434
optische Erfassungseinrichtungoptical detection device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102020118072 A1 [0003]DE 102020118072 A1 [0003]

Claims (6)

Prüfvorrichtung (10) für einen Prüfkörper (12), welcher in einem Bereich einer Batteriezelle (14) angeordnet ist, mit zumindest einer ersten Halteeinrichtung (16) zum Halten der Batteriezelle (14), und mit einer zweiten Halteeinrichtung (18) zum Halten des Prüfkörpers (12), wobei der Prüfkörper (12) derart in der zweiten Halteeinrichtung (18) anordenbar ist, dass eine Entlüftungseinrichtung (20) der Batteriezelle (14) dem Prüfkörper (12) zugewandt ist, und wobei eine Kraftmessdose (22) an der zweiten Halteeinrichtung (18) ausgebildet ist, so dass eine durch die Entlüftungseinrichtung (20) erzeugte und auf den Prüfkörper (12) wirkende Kraft (24) mittels der Kraftmessdose (22) messbar ist.Testing device (10) for a test specimen (12), which is arranged in an area of a battery cell (14), with at least a first holding device (16) for holding the battery cell (14), and with a second holding device (18) for holding the Test body (12), wherein the test body (12) can be arranged in the second holding device (18) in such a way that a venting device (20) of the battery cell (14) faces the test body (12), and a load cell (22) on the second holding device (18) is formed, so that a force (24) generated by the venting device (20) and acting on the test specimen (12) can be measured by means of the load cell (22). Prüfvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halteeinrichtung (16) und die zweite Halteeinrichtung (18) an einem gemeinsamen Gehäuses (28) der Prüfvorrichtung (10) angeordnet sind.Test device (10). Claim 1 , characterized in that the first holding device (16) and the second holding device (18) are arranged on a common housing (28) of the testing device (10). Prüfvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halteeinrichtung (16) zum Halten einer Rundzelle und/oder einer Feststoffzelle ausgebildet ist.Test device (10). Claim 1 or 2 , characterized in that the first holding device (16) is designed to hold a round cell and/or a solid cell. Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (10) zusätzlich eine Temperaturerfassungseinrichtung (30) zum Erfassen einer Temperatur aufweist.Testing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the testing device (10) additionally has a temperature detection device (30) for detecting a temperature. Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (10) zusätzlich eine Spannungserfassungseinrichtung (32) zum Erfassen einer Spannung der Batteriezelle (14) aufweist.Testing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the testing device (10) additionally has a voltage detection device (32) for detecting a voltage of the battery cell (14). Prüfvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (10) zusätzlich eine optische Erfassungseinrichtung (34) aufweist.Testing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the testing device (10) additionally has an optical detection device (34).
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