EP4179288A1 - Verfahren zur ermittlung des widerstandes eines prüfkörpers sowie prüfvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur ermittlung des widerstandes eines prüfkörpers sowie prüfvorrichtung

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EP4179288A1
EP4179288A1 EP21746329.8A EP21746329A EP4179288A1 EP 4179288 A1 EP4179288 A1 EP 4179288A1 EP 21746329 A EP21746329 A EP 21746329A EP 4179288 A1 EP4179288 A1 EP 4179288A1
Authority
EP
European Patent Office
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propellant charge
propellant
combustion products
particles
test body
Prior art date
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Pending
Application number
EP21746329.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas PFITZINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Svt Brandschutz Vertriebsgesellschaft Mbh International
Original Assignee
Svt Brandschutz Vertriebsgesellschaft Mbh International
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Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=77071150&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP4179288(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Svt Brandschutz Vertriebsgesellschaft Mbh International filed Critical Svt Brandschutz Vertriebsgesellschaft Mbh International
Publication of EP4179288A1 publication Critical patent/EP4179288A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01N3/313—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying a single impulsive force, e.g. by falling weight generated by explosives

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the resistance of a test specimen to released substances and high temperature as a result of damage or other defects in an electrical storage medium, and a device for carrying out the method.
  • Electrical storage media include rechargeable and non-rechargeable storage elements, also known as secondary and primary cells. While rechargeable storage elements are becoming increasingly important, particularly in the automotive sector, the demands placed on all storage media are constantly increasing. For example, increasing energy densities (Wh/l) and specific energies (Wh/kg) are being demanded. In addition, a high cell voltage and a long shelf life are important, without excessive self-discharge occurring.
  • lithium batteries The requirements are met in particular by lithium batteries.
  • Batteries are usually interconnected individual cells, with a series connection increasing the electrical voltage and a parallel connection increasing the capacity. In both cases the total energy content (Wh) increases.
  • a lithium ion battery consists of a cathode (eg a lithium metal oxide compound) and an anode (eg a lithium graphite) which are placed in a conductive electrolyte. There is a non-conductive separator between both poles to prevent short circuits.
  • a cathode eg a lithium metal oxide compound
  • anode eg a lithium graphite
  • electric current flows uncontrolled and high energy is released within a very short time, which is converted into heat in particular.
  • the exothermic reaction resulting from the short circuit can also heat up further, resulting in a so-called "thermal runaway”. This decomposes the electrolyte and triggers a kind of chain reaction.
  • Combustible gas such as methane, ethane, ethene or hydrogen can form from the binder of the electrolyte, which forms a flammable mixture with oxygen. If the battery cell bursts due to the excessive internal pressure, the lithium can ignite due to the humidity and in turn react strongly exothermally. In addition, the layered structure of the metal oxide can be dissolved by the resulting heat, and escaping oxygen reacts with lithium, resulting in a metal fire.
  • the emitted particles can be particles of lithium, nickel, cobalt, manganese, iron or phosphate in various concentrations, sizes and combinations, which are produced as a result of the decomposition of the cathode material.
  • Metal oxides, iron phosphate and cobalt oxide can be used as cathode materials in lithium systems.
  • thermal propagation a temperature transmission from cell to cell. If a cell is in thermal runaway and then overheats, it also gives off some of the heat to surrounding cells. Reaches the separator one of the cells reaches its melting point, a short circuit occurs in the cell and also leads to thermal runaway. Due to the enormous heat, these reactions can spread very quickly, so that all cells burst within a short time.
  • Battery housings as well as partitions for individual cells must therefore be made of a material that can withstand thermal runaway.
  • the material tests carried out for this purpose are very complex. They are based on deliberately destroying individual batteries by squeezing the anode and cathode together until they short-circuit, which creates a short-circuit. Alternatively, the anode and cathode are pierced with a conductive mandrel and thus short-circuited. However, both tests have the disadvantage that the battery must first be acted upon mechanically in order to then check how the burn-up behavior affects it.
  • the automotive industry has clear requirements for the housing of batteries in electric vehicles, according to which the housing must withstand a particle impact from the first damaged cell and a subsequent fire from thermal runaway for at least a specified period of time.
  • a battery must not burn or explode within 5 minutes of a cell thermal runaway.
  • Special battery requirements also apply to electric buses.
  • the object of the present invention is therefore to provide such a method with which various test specimens in different configurations can be tested for their resistance to particle impact and high temperatures, such as occur when a battery cell and in particular a lithium battery burst.
  • the result of a Such a test should provide information as to whether the respective test specimens in their respective design are suitable for the production of housings for certain storage media and/or for sealing off individual cells of these storage media.
  • the respective object is achieved by a method with the features from the characterizing part of claim 1 or by a device with the features from the characterizing part of claim 8.
  • test specimens 2 all objects that are suitable for reducing or avoiding the effects of a particle impact and consequential fires in electrical storage media can be considered as test specimens 2 .
  • test specimens 2 are metal test specimens.
  • test specimens 2 can also consist of other materials, for example plastic or fiber-reinforced plastic.
  • the test body 2 due to the targeted action of combustion products, assumes a state that is at least partially comparable to a state that occurs when the electrical storage medium bursts.
  • Each cell can therefore cause damage to a test specimen 2 that is typical for it (a typical state).
  • cylindrical cells of types 18650, 21700, 26650 and 32600 usually produce a different damage pattern than prismatic cells or pouch cells.
  • the specific damage pattern is known, it can be used as a type of calibration sample in order to produce a propellant charge which, when it burns, produces combustion products that produce a comparable damage pattern on the test specimen 2 .
  • Tests can then be carried out with propellant charges produced in this way in order to test other test specimens 2 . If test specimens withstand the "bombardment", it can be assumed that this test specimen also offers sufficient protection against the corresponding electrical storage medium.
  • the test specimen 2 is often affected in places. As described above, when a battery cell bursts, a small hole often forms in the battery housing wall, through which hot gases and particles escape. As a result, the test specimen is damaged in places as well as by the combustion products after burning a propellant charge.
  • the propellant charge contains a propellant and bombardment particles. If only the bursting of a small cell is to be simulated, it is often sufficient to use just one propellant as the propellant charge.
  • Typical propellants are chemical substances such as black powder, which are also found in pyrotechnic products are. In order to determine the resistance of a test specimen to the phenomena occurring when larger cells burst, it may be necessary to provide the propellant charge with bombardment particles in addition to a propellant. This allows larger forces to be simulated.
  • the proportion of bombardment particles in relation to the propellant charge is 1-50% by weight, preferably 1-20% by weight, for example 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 , 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20% by weight.
  • the specified net explosive mass represents the total mass of the propellant charge that can contain bullet particles.
  • the bombardment particles are preferably metal particles, such as titanium particles, which are 0.05-0.6 mm in size.
  • the specified amount of propellant determines the burning time.
  • different calibers are used. They indicate the inner diameter of the respective propellant charge holder 5, 6.
  • Test specimens 2 do not necessarily have a flat surface. Rather, individual test specimens 2 can have surface structures or specific shapes that form special points of attack for the energy released when an electrical storage medium bursts and for particle impact.
  • the propellant charge is accommodated in an adjustable propellant charge holder 5, 6 which is open on one side and is directed towards the test body 2 with its opening 13, 14. Due to the adjustability of the propellant charge holder 5, 6, it is possible to allow combustion products to impinge on the test body 2 at different angles. As a result, test specimens 2 can also be examined for their stability at particularly critical points.
  • the burning time of the propellant charge is adjusted via the amount of propellant. This makes it possible to better simulate the so-called “thermal runaway” and to increase the temperature on the surface of the test body 2 .
  • titanium particles as bombardment particles. Although other metal particles can also be used, titanium particles offer the advantage that they only melt at 1668 °C, are very solid and have highly abrasive properties.
  • a device 1 for carrying out the method described above characterized by a holding device 3 for a test body 2, a device 4 for attaching and positioning at least one propellant charge holder 5, 6, which is designed to accommodate a propellant charge is, and a base frame 7, on which the device 4 is arranged by means of a metal profile 12 to be displaceable relative to the holding device 4.
  • the propellant charge holder 5, 6 is arranged such that it can pivot and can be fixed in various setting positions, so that the test body 2 can be subjected to combustion products from various angles.
  • FIG. 2 shows a section A-A through the device 1 according to FIG.
  • Fig. 3 propellant holders 5, 6 in detail in a schematic side view
  • the device 1 has a holding device 3 for a test specimen 2, a device 4 for attaching and positioning at least one propellant charge holder 5, 6, which is designed to accommodate a propellant charge, and a base frame 7, on which the device 4 is arranged displaceably relative to the holding device 3 .
  • the test body 2 is not shown in this figure.
  • the holding device 3 has two horizontally arranged supports 8, 9, which are used to hold the test specimen 2.
  • the two carriers 8, 9 are connected to the base frame 7 via two metal profiles 17, 18 and can be moved up and down on the metal profiles 17, 18 and fixed in any desired position.
  • test specimens 2 of different sizes can be clamped between the carriers 8, 9.
  • the device has a metal profile 12 on which propellant charge holders 5, 6 are attached.
  • the propellant charge holders 5, 6 have openings 13, 14 which can be directed to the specimen 2.
  • the propellant charge holders 5, 6 are pivotally connected to U-profiles 15, 16.
  • the propellant charge holders 5, 6 are designed to hold propellant charges. They can be of different sizes. Internal calibers of 12 and 22 mm have proven their worth.
  • the propellant charges contain propellant and, where appropriate, bombardment particles. Regarding For further details on the propellant charges, reference is made to the above statements in connection with the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section A-A through the device 1 according to FIG. 1.
  • the device 4 for receiving the propellant charge holders 5, 6 is attached to the metal profile 12.
  • FIG. The device 4 is adjustable in height. By setting the device 4 accordingly, the individual propellant charge holders 5, 6 can be positioned such that the combustion products escaping from an individual propellant charge holder 5, 6 strike the test specimen 2 perpendicularly—also not shown in this figure. It is also possible here to vary the distance between the test body 2 and the propellant charge holder 5, 6 by moving the metal profile 12 on the base frame 7.
  • Fig. 3 shows propellant charge holders in detail in a schematic side view.
  • a plate-shaped element is shown here as the test specimen 2, the propellant charge holders 5, 6 being directed towards the middle region of this element.
  • the propellant charge holders 5, 6 are each connected to the device 4 via a holding arm 19, 20. Due to the pivotability of the propellant charge holders 5, 6, combustion products can impinge on the test body 2 at different angles.
  • FIGS. 1-3 illustrate the adjustment options for individual elements or devices.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes 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.

Description

VERFAHREN ZUR ERMITTLUNG DES WIDERSTANDES EINES PRÜFKÖRPERS SOWIE PRÜFVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes 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.
Zu elektrischen Speichermedien zählen wiederaufladbare und nicht wiederaufladbare Speicherelemente, die auch als Sekundär- und Primärzellen bekannt sind. Während wiederaufladbare Speicherelemente insbesondere im Fahrzeugbereich zunehmend an Bedeutung gewinnen, werden an sämtliche Speichermedien ständig höhere Anforderungen gestellt. Beispielsweise werden immer größere Energiedichten (Wh/1) und spezifische Energien (Wh/kg) verlangt. Darüber hinaus sind eine hohe Zellspannung sowie eine lange Lagerfähigkeit von Bedeutung, ohne dass es hierbei zu übermäßigen Selbstentladungen kommt.
Die gestellten Anforderungen werden insbesondere von Lithium-Batterien erfüllt.
Bei Batterien handelt es sich in der Regel um zusammengeschaltete Einzelzellen, wobei eine Reihenschaltung die elektrische Spannung und eine Parallelschaltung die Kapazität erhöht. In beiden Fällen steigt der Gesamtenergiegehalt (Wh).
Hohe Energiegehalte bedeuten jedoch auch eine Gefahr, insbesondere bei Lithium-Ionen- Akkus, die explodieren können. Ein Lithium -Ionen- Akku besteht aus einer Kathode (z.B. einer Lithium-Metalloxid-Verbindung) und einer Anode (z.B. einem Lithium-Graphit), die in einen leitfähigen Elektrolyten eingebracht sind. Zwischen beiden Polen befindet sich ein nicht leitender Separator, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Kommt es jedoch zu einem Kurzschluss innerhalb des Akkus, weil zwischen den beiden Polen (Elektroden) eine metallische Verbindung entsteht, fließt elektrischer Strom unkontrolliert, und es wird innerhalb kürzester Zeit hohe Energie frei, die insbesondere in Wärme umgesetzt wird. Die infolge des Kurzschlusses entstandene exotherme Reaktion kann sich auch noch weiter erhitzen, so dass es zu einem so genannten "Thermal Runaway" kommt. Hierdurch wird der Elektrolyt zersetzt und eine Art Kettenreaktion ausgelöst.
Aus dem Bindemittel des Elektrolyten kann brennbares Gas wie Methan, Ethan, Ethen oder Wasserstoff entstehen, welches mit Sauerstoff ein brandgefährliches Gemisch bildet. Sollte die Akku-Zelle aufgrund des zu hohen Innendruckes bersten, kann sich das Lithium aufgrund der Luftfeuchtigkeit entzünden und wiederum stark exotherm reagieren. Darüber hinaus kann sich durch die entstehende Hitze die Schichtstruktur des Metalloxids auflösen, und austretender Sauerstoff reagiert mit Lithium, was einen Metallbrand zur Folge hat.
Beim Bersten einer Akku-Zelle entsteht sehr oft in der Gehäusewand ein kleines Loch, durch das, wie aus einer Düse, heiße Gase und Partikel entweichen. Dieser "First Impact" dauert meist nur 10-20 Sekunden. Danach treten weiterhin unter starker Hitzeentwicklung Flammen aus, und die Reaktionen in der Zelle nehmen langsam ab. Das geschossartige Austreten von Partikeln, wie auch die damit einhergehende und anschließende Flammenausbreitung, stellen das eigentliche Problem beim Bersten einer Akku-Zelle dar.
Bei den austretenden Partikeln kann es sich, je nach verwendetem Material für Anode und Kathode, um Partikel aus Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen oder Phosphat in verschiedenen Konzentrationen, Größen und Kombinationen handeln, die infolge einer Zersetzung des Kathodenmaterials entstehen. Als Kathodenmaterial bei Lithium-Systemen kommen u.a. Metalloxide, Eisenphosphat und Kobaltoxid in Betracht.
Gleichzeitig kommt es zu einem enormen Temperaturanstieg, der nicht zuletzt auf einen Metallbrand des Lithiums zurückzuführen ist. Die Temperatur kann im Inneren der Akku-Zelle auf über 2000 °C ansteigen. Nach Austritt der Flamme und der Partikel verringert sich die Temperatur sehr schnell und je nach Größe der Akku-Zelle auf z. B. 1200 °C bis 1400 °C.
Ein weiteres Problem besteht in der so genannten "Thermal Propagation", einer Temperaturweiterleitung von Zelle zu Zelle. Befindet sich eine Zelle im Thermal Runaway und überhitzt dann, gibt sie auch einen Teil der Wärme an umliegende Zellen ab. Erreicht der Separator einer der Zellen seinen Schmelzpunkt, entsteht ein Kurzschluss in der Zelle und führt ebenfalls zu einem Thermal Runaway. Durch die enorme Hitze können sich diese Reaktionen sehr schnell ausbreiten, so dass innerhalb kurzer Zeit sämtliche Zellen bersten.
In Anbetracht der aufgezeigten Gefahren insbesondere im Umgang mit Lithium-Batterien ist es nur allzu verständlich, dass nach geeigneten Materialien und Vorrichtungen gesucht wird, um die Auswirkungen eines Partikelschlags sowie Folgebrände zu vermeiden. Einhausungen von Batterien aber auch Abschottungen einzelner Zellen müssen daher aus einem solchen Material bestehen, das einem Thermal Runaway standhält.
Die hierzu bislang durchgeführten Materialprüfungen sind sehr aufwändig. Sie beruhen darauf, einzelne Batterien gezielt zu zerstören, indem Anode und Kathode bis zum Kurzschluss zusammengedrückt werden, wodurch ein Kurzschluss entsteht. Alternativ werden Anode und Kathode mit einem leitfähigen Dorn durchstoßen und somit kurzgeschlossen. Beide Tests haben jedoch den Nachteil, dass auf die Batterie zunächst mechanisch eingewirkt werden muss, um anschließend zu prüfen, wie sich das Abbrandverhalten auswirkt.
Andererseits werden von der Automobilindustrie klare Anforderungen an die Einhausung von Batterien bei Elektrofahrzeugen gestellt, wonach die Einhausungen einem Partikelschlag aus der ersten havarierten Zelle sowie einem Folgebrand durch den Thermal Runaway zumindest für eine vorgegebene Zeit standhalten muss. So darf zum Beispiel gemäß Sicherheitsanforderungen für Power-Batterien eine Batterie innerhalb von 5 Minuten nach einem "Thermal Runaway" einer Zelle nicht brennen oder explodieren. Besondere Anforderungen an Batterien gelten darüber hinaus bei elektrischen Bussen.
Bisherige Prüfmethoden sind insbesondere für den Partikelschlag ungeeignet, weil dieser bislang nicht standardisierbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein solches Verfahren bereitzustellen, mit dem verschiedene Prüfkörper in unterschiedlicher Ausgestaltung auf ihre Beständigkeit gegenüber Partikelschlag und hohen Temperaturen, wie sie beim Bersten einer Akku-Zelle und insbesondere eines Lithium-Akkus auftreten, geprüft werden können. Das Ergebnis einer solchen Prüfung soll darüber Aufschluss geben, ob die jeweiligen Prüfkörper in ihrer jeweiligen Ausgestaltung zur Herstellung von Einhausungen für bestimmter Speichermedien oder/und zur Abschottung einzelner Zellen dieser Speichermedien geeignet sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe das Prüfverfahren durchführbar ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der jeweiligen Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8.
Das Erzeugen von Abbrandprodukten durch Abbrennen einer Treibladung sowie das gezielte Einwirkenlassen dieser Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 bieten einen entscheidenden Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren. Während bislang Einhausungen von Batterien oder Abschottungen einzelner Zellen in aufwändigen Versuchen durch das Zerstören jeweils einzelner Speichermedium untersucht werden mussten, kann durch das vorliegende Verfahren auf Einzeltests mit Speichermedien verzichtet werden. Vielmehr ist es nunmehr möglich, die durch das Bersten zum Beispiel einer Akku-Zelle auftretenden Zerstörungspotenziale zu simulieren. Setzt man ein zum Beispiel hinsichtlich Größe und Aufbau bzw. Zusammensetzung bestimmtes Material der Wirkung einer berstenden Akku-Zelle aus, kann das dadurch entstehende Schadbild als Grundlage dafür dienen, Treibladungen zu definieren, die durch Abbrennen ebensolche Wirkungen erzeugen. Mit Hilfe dieser so definierten Treibladungen können anschließend andere Materialien oder alternative Ausgestaltungen von Prüfkörpern, insbesondere von Einhausungen oder Abschottungen geprüft werden.
Als Prüfkörper 2 kommen grundsätzlich alle Gegenstände in Betracht, die geeignet sind, Auswirkungen eines Partikelschlags sowie Folgebrände bei elektrischen Speichermedien zu reduzieren oder zu vermeiden. In der Regel handelt es sich bei derartigen Prüfkörpern 2 um Metallprüfkörper. Prüfkörper 2 können aber auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Prüfkörper 2 durch die gezielte Einwirkung von Abbrandprodukten einen Zustand ein, der zumindest stellenweise vergleichbar ist mit einem solchen Zustand, der durch Bersten des elektrischen Speichermediums entsteht.
Die beim Bersten eines elektrischen Speichermediums auftretenden Phänomene (zum Beispiel freigesetzte Energie und Partikelschlag) variieren stark nach Art der jeweiligen Zelle. Bei einer kleineren Zelle sind die Auswirkungen grundsätzlich geringer als bei einer größeren Zelle, selbst wenn auftretende Temperaturen punktuell vergleichbar sein können. Je größer die spezifische Energie (Wh/kg) einer Zelle ist, desto größer ist in der Regel die von dieser Zelle ausgehende Gefahr.
Jede Zelle kann daher ein für sie typisches Schadbild (einen typischen Zustand) an einem Prüfkörper 2 verursachen. So erzeugen zylindrische Zelle zum Beispiel der Bauformen 18650, 21700, 26650 und 32600 in der Regel ein anderes Schadbild als prismatische Zellen oder Pouchzellen. Ist das spezifische Schadbild einmal bekannt, kann dieses als Art eines Eichmusters verwendet werden, um eine Treibladung herzustellen, die beim Abbrennen Abbrandprodukte entstehen lässt, die am Prüfkörper 2 ein vergleichbares Schadbild erzeugen. Mit so hergestellten Treibladungen lassen sich dann Versuche durchführen, um andere Prüfkörper 2 zu testen. Halten Prüfkörper dem "Beschuss" stand, kann davon ausgegangen werden, dass dieser Prüfkörper auch einen ausreichenden Schutz gegenüber dem entsprechenden elektrischen Speichermedium bietet.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren kommt es häufig zu stellenweisen Einwirkungen auf den Prüfkörper 2. Wie oben beschrieben, entsteht beim Bersten einer Akku-Zelle sehr oft in der Gehäusewand des Akkus ein kleines Loch, durch das heiße Gase und Partikel entweichen. Hierdurch wird der Prüfkörper stellenweise beschädigt ebenso wie durch die Abbrandprodukte nach Abbrennen einer Treibladung.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Treibladung ein Treibmittel sowie Beschusspartikel. Soll nur das Bersten einer kleinen Zelle simuliert werden, reicht es häufig aus, als Treibladung lediglich ein Treibmittel zu verwenden. Typische Treibmittel sind chemische Substanzen wie Schwarzpulver, die auch in pyrotechnischen Produkten zu finden sind. Zur Ermittlung des Widerstandes eines Prüfkörpers gegenüber den beim Bersten größerer Zellen auftretenden Phänomenen kann es erforderlich sein, die Treibladung zusätzlich zu einem Treibmittel mit Beschusspartikeln zu versehen. Hierdurch lassen sich größere Kräfte simulieren.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil an Beschusspartikeln in Bezug auf die Treibladung 1 - 50 Gew.%, vorzugsweise 1 - 20 Gew.%, zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 Gew.%.
Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über unterschiedliche Bauformen von elektrischen Speichermedien, deren Energien sowie zugeordnete Treibladungen:
Zellform Treibladung
18650 (zylindrisch) Kal.12 10s NEM 8,8 g 0-10 Gew.% Partikel 21700 (zylindrisch) Kal.12 10s NEM 8,8 g 0-10 Gew.% Partikel 26650 (zylindrisch) Kal.12 10s NEM 15,1 g 0-20 Gew.% Partikel Kal.22 10s NEM 42,0 g 0-10 Gew.% Partikel
32600 (zylindrisch) Kal.12 10s NEM 15,1 g 0-20 Gew.% Partikel Kal.22 10s NEM 42,0 g 0-10 Gew.% Partikel
Prismatisch Kal22. 20s NEM: 49,0 g 0-20 Gew.% Partikel
Pouch Kal22. 20s NEM: 49,0 g 0-10 Gew.% Partikel
Die angegebene Netto-Explosiv-Masse (NEM) stellt die Gesamtmasse der Treibladung dar, die Beschusspartikel enthalten kann. Bei den Beschusspartikeln handelt es sich vorzugsweise um Metallpartikel wie Titanpartikel, die 0,05 - 0,6 mm groß sind. Die angegebene Menge der Treibladung bestimmt die Abbranddauer. Wie aus der Tabelle ebenfalls ersichtlich, werden unterschiedliche Kaliber verwendet. Sie geben den Innendurchmesser der jeweiligen Treibsatzhalterung 5, 6 an.
Prüfkörper 2 verfügen nicht notwendiger Weise über eine ebene Oberfläche. Vielmehr können einzelne Prüfkörper 2 Oberflächenstrukturen oder bestimmte Formen aufweisen, die für die beim Bersten eines elektrischen Speichermediums freigesetzte Energie und einen Partikelschlag besondere Angriffspunkte bilden. Insofern hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Treibladung in einer verstellbaren Treibsatzhalterung 5, 6 untergebracht ist, die einseitig offen und mit ihrer Öffnung 13, 14 auf den Prüfkörper 2 gerichtet ist. Durch die Verstellbarkeit der Treibsatzhalterung 5, 6 ist es möglich, Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 in unterschiedlichen Winkeln auftreffen zu lassen. Hierdurch können Prüfkörper 2 auch an besonders kritischen Stellen auf ihre Beständigkeit hin untersucht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Abbranddauer der Treibladung über die Menge des Treibmittels eingestellt. Hierdurch ist es möglich, den so genannten "Thermal Runaway" besser zu simulieren und die Temperatur an der Oberfläche des Prüfkörpers 2 zu erhöhen.
Darüber hinaus hat es sich bewährt, als Beschusspartikel Titanpartikel zu verwenden. Wenngleich auch andere Metallpartikel einsetzbar sind, bieten Titanpartikel den Vorteil, dass diese erst bei 1668 °C schmelzen, sehr fest sind und über stark abrasive Eigenschaften verfügen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung 3 für einen Prüfkörper 2, eine Einrichtung 4 zur Anbringung und Positionierung von mindestens einer Treibsatzhalterung 5, 6, die zur Aufnahme einer Treibladung ausgebildet ist, sowie einem Grundgestell 7, auf dem die Einrichtung 4 mittels eines Metallprofils 12 verschieblich gegenüber der Haltevorrichtung 4 angeordnet ist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Treibsatzhalterung 5, 6 schwenkbar angeordnet und in verschiedenen Einstellpositionen fixierbar, so dass der Prüfkörper 2 aus verschiedenen Winkeln mit Abbrandprodukten beaufschlagt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 die Vorrichtung 1 in einer schematischen Seitenansicht,
Fig. 2 einen Schnitt A-A durch die Vorrichtung 1 gemäß Fig.1 sowie
Fig. 3 Treibsatzhalterungen 5, 6 im Detail in einer schematischen Seitenansicht
Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 weist eine Haltevorrichtung 3 für einen Prüfkörper 2 auf, eine Einrichtung 4 zur Anbringung und Positionierung von mindestens einer Treibsatzhalterung 5, 6, die zur Aufnahme einer Treibladung ausgebildet ist, sowie ein Grundgestell 7, auf dem die Einrichtung 4 verschieblich gegenüber der Haltevorrichtung 3 angeordnet ist. Der Prüfkörper 2 ist in dieser Figur nicht dargestellt. Die Haltevorrichtung 3 verfügt über zwei horizontal angeordnete Träger 8, 9, die zur Halterung des Prüfkörpers 2 dienen. Die beiden Träger 8, 9 sind über zwei Metallprofile 17, 18 mit dem Grundgestell 7 verbunden und lassen sich an den Metallprofilen 17, 18 auf- und abwärts bewegen und an beliebigen Positionen festlegen. So können Prüfkörper 2 unterschiedlicher Größe zwischen den Trägem 8, 9 eingespannt werden. Seitliche Wände 10, 11, zum Beispiel aus Acrylglas, schirmen die Vorrichtung 1 ab.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung ein Metallprofil 12 auf, an dem Treibsatzhalterungen 5, 6 angebracht sind. Die Treib satzhalterungen 5, 6 verfügen über Öffnungen 13, 14, die auf den Prüfkörper 2 gerichtet werden können. Hierzu sind die Treib satzhalterungen 5, 6 schwenkbar mit U-Profilen 15, 16 verbunden.
Die Treib satzhalterungen 5, 6 sind zur Aufnahme von Treibladungen ausgebildet. Sie können unterschiedlich groß sein. Bewährt haben sich Innenkaliber von 12 und 22 mm. Die Treibladungen enthalten Treibmittel sowie gegebenenfalls Beschusspartikel. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu den Treibladungen wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt A-A durch die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1. An dem Metallprofil 12 ist die Einrichtung 4 zur Aufnahme der Treibsatzhalterungen 5, 6 angebracht. Die Einrichtung 4 ist höhenverstellbar. Durch entsprechende Einstellung der Einrichtung 4 lassen sich die einzelnen Treibsatzhalterungen 5, 6 so positionieren, dass die aus einer einzelnen Treibsatzhalterung 5, 6 austretenden Abbrandprodukte senkrecht auf den - in dieser Figur ebenfalls nicht dargestellten - Prüfkörper 2 treffen. Hierbei ist es ebenfalls möglich, auch den Abstand zwischen Prüfkörper 2 und Treibsatzhalterung 5, 6 zu variieren, indem das Metallprofil 12 auf dem Grundgestell 7 verschoben wird.
Fig. 3 zeigt Treibsatzhalterungen im Detail in einer schematischen Seitenansicht. Als Prüfkörper 2 ist hier ein plattenförmiges Element dargestellt, auf dessen mittleren Bereich die Treibsatzhalterungen 5, 6 gerichtet sind. Die Treibsatzhalterungen 5, 6 sind jeweils über einen Haltearm 19, 20 mit der Einrichtung 4 verbunden sind. Aufgrund der Schwenkbarkeit der Treibsatzhalterungen 5, 6 können Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 in unterschiedlichen Winkeln auftreffen.
Die in den Figuren 1 - 3 dargestellten Richtungspfeile verdeutlichen die Verstellmöglichkeiten für einzelne Elemente bzw. Einrichtungen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Prüfkörper
3 Haltevorrichtung
4 Einrichtung
5 Treibsatzhalterung
6 Treibsatzhalterung
7 Grundgestell
8 Träger
9 Träger Wand Wand Metallprofil Öffnung Öffnung U-Profil U-Profil Metallprofil Metallprofil Haltearm Haltearm

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes eines Prüfkörpers (2) gegenüber freigesetzten Stoffen und hoher Temperatur infolge von Beschädigungen oder anderen Mängeln an einem elektrischen Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass man Abbrandprodukte durch Abbrennen einer Treibladung erzeugt und diese Abbrandprodukte gezielt auf den Prüfkörper (2) einwirken lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (2) durch die gezielte Einwirkung von Abbrandprodukten einen Zustand einnimmt, der zumindest stellenweise vergleichbar ist mit einem solchen Zustand, der durch Bersten des elektrischen Speichermediums entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibladung ein Treibmittel sowie Beschusspartikel enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Beschusspartikeln in Bezug auf die Treibladung 1 - 50 Gew.%, vorzugsweise 1 - 20 Gew.% beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibladung in einer verstellbaren Treibsatzhalterung (5, 6) untergebracht ist, die einseitig offen und mit ihrer Öffnung (13, 14) auf den Prüfkörper (2) gerichtet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbranddauer der Treibladung über die Menge des Treibmittels eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Titanpartikel als Beschusspartikel verwendet werden.
8. Vorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (3) für einen Prüfkörper (2), eine Einrichtung (4) zur Anbringung und Positionierung von mindestens einer Treibsatzhalterung (5, 6), die zur Aufnahme einer Treibladung ausgebildet ist, sowie einem Grundgestell (7), auf dem die Einrichtung (4) mittels eines Metallprofils (12) verschieblich gegenüber der Haltevorrichtung (3) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibsatzhalterung (5, 6) schwenkbar angeordnet und in verschiedenen Einstellpositionen fixierbar ist, so dass der Prüfkörper (2) aus verschiedenen Winkeln mit Abbrandprodukten beaufschlagt werden kann.
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