KR20230079153A - 적어도 하나의 배터리 셀을 테스트하기 위한 디바이스 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 배터리 셀(2), 특히 이차 배터리를 테스트하기 위한 디바이스(1)로서, 디바이스는 제1 플레이트(3) 및 제2 플레이트(4)를 포함하고, 배터리 셀(2)은 바람직하게 실질적으로 직사각형인 2개의 상기 플레이트들(3, 4) 사이에 클램핑되고, 적어도 하나의 플레이트(4)는 정의된 기계적 가압력(F)으로 상기 배터리 셀(2)에 대해 가압되며, 하나의 플레이트(3, 4) 및 상기 배터리 셀(2)과 상기 가압 디바이스(9) 사이의 반력(R)을 측정하기 위한 적어도 하나의 가압 디바이스(9) 사이에 배열된 적어도 하나의 힘-측정 요소(13)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 변위-측정 요소(15)에 의해, 바람직하게 상기 반력(R)과 동시에, 상기 배터리 셀(2)의 두께(D)의 적어도 하나의 변화가 측정될 수 있다.
Description
본 발명은 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 갖는 적어도 하나의 배터리 셀, 특히 이차 배터리를 테스트하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 배터리 셀은 실질적으로 직사각형인 2개의 플레이트들 사이에 클램핑되고, 적어도 하나의 플레이트는 정의된 기계적 가압력으로 배터리 셀에 대해 가압되며, 플레이트와 가압 디바이스 사이에 배열된 적어도 하나의 힘-측정 요소를 가지며, 힘-측정 요소는 배터리 셀과 가압 디바이스 사이의 반력(reaction force)을 측정한다. 또한, 본 발명은 이 디바이스로 적어도 하나의 배터리 셀, 특히 2차 배터리를 테스트하는 방법에 관한 것이다.
"실질적으로 직사각형"은 여기서 플레이트들이 각각 두 쌍의 평행한 에지들을 갖는 평면에서 직사각형의 형상을 갖지만, 직사각형의 코너들은 또한 둥글게 될 수 있다는 것을 의미한다.
배터리 셀들을 그들의 화학적 및 물리적 특성들의 관점에서 특성화하는 것은 배터리 팩의 설계를 위한 필수적인 개발 단계이다.
배터리 셀들의 에너지 저장 용량은 사용되는 셀 화학물질에 크게 의존한다. 셀 화학 작용과 더불어 배터리 네트워크에서의 설치 상황 등의 외부 영향도 배터리 셀의 성능에 영향을 미친다. 예를 들어, 배터리 셀은 "부유(floating)" 방식(탄성 플라스틱 구성요소가 배터리 셀들 사이에 위치됨) 또는 "강성(rigid)" 방식(셀 대 셀)으로 연결되어 배터리 팩을 형성할 수 있다.
배터리 셀들은 전기 충전 또는 방전 동안 그들의 외부 치수들, 특히 그 두께가 변화하는 성질을 갖는다. 이러한 효과는 소위 "브리딩(breathing)" 및/또는 "스웰링(swelling)" 효과로도 알려져 있다. '브리딩'이란 배터리의 충·방전 과정에서 부피에 있어서 사이클릭한 가역적인(cyclical reversible) 증가, 감소를 말한다. "스웰링"는 예를 들어 노화에 의해 비가역적으로 부피가 증가하는 것을 말한다. 셀 표면 압력과 셀의 저장 용량 사이에도 관계가 있다.
상이한 유형들의 배터리 셀들(파우치(pouch) 셀들, 각형(prismatic) 셀들)의 테스트는 보통 2개의 고정된 브레이스형 금속 플레이트들 사이에서 수행된다.
예를 들어, 파우치 셀은 셀 바디의 영역에서 2개의 금속 플레이트들 사이에 클램핑된 다음, 나사 연결 및 계산된 토크에 의해 원하는 표면 압력으로 조여진다. 셀 출력 도체는 전류에 접촉하기 위해 자유롭게 액세스 가능한 상태로 유지된다.
오직 클램핑 플레이트들의 강성 및 토크만이 이 테스트 설정에서 조절될 수 있다.
DE 2018 123 626 A1은 배터리 셀을 위치시키기 위한 제1 플레이트 및 배터리 셀을 제1 플레이트 상에 가압하기 위한 제2 플레이트를 갖는 배터리 온도 제어 디바이스를 개시한다. 배터리 셀의 온도 제어를 위해 가열 디바이스/냉각 디바이스가 제공된다. 클램핑 디바이스에 의해, 제 2 플레이트는 정의된 가압력으로 제 1 플레이트에 대해 가압될 수 있으며, 여기서 클램핑 디바이스와 제 1 플레이트 사이에 로드 셀이 배열된다.
또한, 배터리 셀의 셀 팽창을 측정하기 위한 디바이스들은 예를 들어 문헌 EP 3 377 363 A1, US 2015/188198 A1, US 2014/311223 A1, US 2014/107949 A1 또는 US 2013/323554 A1에 공지되어 있다.
종래 기술로부터 공지된 디바이스들은 모두 배터리 셀의 표면 압력 및 팽창을 동시에 측정할 수 없다는 특징을 갖는다.
본 발명의 목적은 배터리 셀 테스트의 정확성 및 정보 가치를 증가시키는 것이다.
본 발명에 의하면, 배터리 셀의 두께 변화는 적어도 하나의 변위-측정(displacement-measuring) 요소에 의해, 바람직하게 반력과 동시에 측정될 수 있다는 점에서, 상기 설정된 목적에 대한 해결책이 전술한 유형의 디바이스로 해결된다.
따라서, 반력과 배터리 셀의 두께 변화를 동시에 측정할 수 있다.
상기 반력은 가압 디바이스에 의해 프리텐션(pretension)으로서 완전히 가해지는 것이 아니라, 초기에 가해지는 가압력과 셀 바디 내부의 화학적 처리에 의해 형성되는 테스트로부터 얻어지는 배터리 셀의 작동력으로 구성된다.
힘-측정 요소와 변위-측정 요소는 바람직하게 별개의 그리고/또는 공간적으로 분리된 구성요소들에 의해 형성됨으로써, 힘 및 변위 측정들은 서로 완전히 독립적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 힘-측정 요소와 변위-측정 요소는 디바이스의 상이한 위치들에 배열될 수 있다. 따라서, 측정 결과들의 상호 간섭이 크게 회피된다.
적어도 하나의 변위-측정 요소가 셀 및/또는 적어도 하나의 플레이트의 종방향 중심 평면 및/또는 종방향 횡단(longitudinal transverse) 평면의 영역에 배열되면, 간단하고 정확한 변위 측정이 가능하다. 접촉 압력 또는 반력의 방향에 평행하게 연장되는 종방향 중심 평면 및 종방향 횡단 평면은 바람직하게 셀의 무게 중심을 통해 및/또는 제1 및/또는 제2 플레이트의 표면의 무게 중심을 통해 연장된다.
종방향 중심평면 및 횡단 중심평면의 교차선 영역에 변위-측정 요소를 배열하면 단일의 변위-측정 요소로 정확한 변위 측정이 가능하다.
본 발명의 일 실시예의 변형예에서, 제1 플레이트와 제2 플레이트는 적어도 하나의 가압 디바이스에 의해 서로 연결되는 것이 제공되며, 바람직하게 가압 디바이스는 제1 및 제2 플레이트의 코너의 영역에 배열된다.
바람직하게, 적어도 하나의 플레이트의 적어도 2개의 코너들의 영역에서, 특히 적어도 하나의 플레이트의 각각의 코너에서, 각각의 힘-측정 요소가 플레이트와 가압 디바이스 사이에 배열된다.
본 발명에 따른 일 실시예의 변형은 적어도 하나의 힘-측정 요소가 힘-측정 링으로서 설계되고, 힘-측정 링은 바람직하게 가압 디바이스의 볼트 또는 슬리브 형상 섹션에 의해 관통되는 것을 제공한다.
적어도 하나의 힘-측정 요소를 스트레인 게이지 센서(Strain Gauge Sensor)로서 설계하면, 간단하고 정확한 힘 측정이 달성될 수 있다. 스트레인 게이지 센서들(SG)은 변형에 따른 전기적 저항의 변화를 측정하는 힘-측정 디바이스이다.
변위-측정 요소는 바람직하게 유도 변위 센서로서 설계된다.
배터리 셀의 셀 바디 온도의 정확한 검출을 가능하게 하기 위해, 적어도 하나의 플레이트, 바람직하게 제 1 플레이트가, 셀 바디에 유리하게 접촉하는 적어도 하나의 열 측정 요소를 갖는 것이 유리하다. 이에 의해, 간단하고 정확하게 셀 바디의 표면 온도를 모니터링할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 플레이트, 바람직하게 제2 플레이트는 적어도 하나의 셀 극(cell pole)과 바람직하게 가요성 전력 케이블 사이의 전기적 연결을 확립하는 적어도 하나의 접촉 요소를 갖는 것이 제공된다. 제 2 플레이트에 전기 어레스터(arrester)들을 형성하는 접촉 요소들을 통합함으로써, 제 2 플레이트가 배터리 셀 위에 위치될 때 배터리 셀의 압착과 동시에 전력케이블과 셀 극들의 전기적 연결이 확립된다. 이는 배터리 셀들의 신속한 변경 및 갱신된 전기 접촉을 가능하게 한다.
온도 센서가 적어도 하나의 접촉 요소에 통합되는 경우가 특히 유리하다. 이를 통해 충전 및 방전 과정들에서 셀 극들의 온도가 지속적으로 측정될 수 있다.
전기 전압 센서가 적어도 하나의 접촉 요소에 통합되는 경우가 특히 유리하다. 이는 충전 및 방전 과정들에서 셀 극들의 전기 전압이 연속적으로 측정되도록 한다.
발명의 맥락에서, 적어도 하나의 플레이트와 배터리 셀 사이에 셀 압축 패드가 배열되는 것이 추가로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 디바이스로, 배터리 셀들의 전기화학적 및 물리적 특성들(예컨대, 강성)에 관하여 테스트하는 것이 가능하다.
디바이스에 의해, 배터리 셀은 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이에 클램핑되고, 적어도 하나의 플레이트는 정의된 기계적 가압력으로 배터리 셀에 대해 가압되며, 배터리 셀과 적어도 하나의 플레이트 사이의 반력이 측정된다. 상기 과제는 - 바람직하게 상기 반력과 동시에 - 배터리 셀의 두께의 적어도 하나의 변화가 또한 측정된다는 점에서 해결된다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 이 경우 적어도 두 개의 반력들이 배터리 셀의 상이한 위치들에서 측정되는 것이 제공된다.
본 발명의 추가 실시예에서, 두께 변화는 반력 보다 배터리 셀 내 상이한 위치에서 측정되는 것이 제공된다.
이를 통해 배터리 셀의 정확한 셀 확장 프로파일을 생성할 수 있다.
측정 결과들에 기초하여, 디바이스의 교란(disturbance) 및 영향 변수(influencing variables)들이 필터링되는 역 파라미터 식별(inverse parameter identification)에 의해, 디바이스의 가상 계산 모델로 모델 계산이 수행되면, 조사의 유효성(validity)의 정확성의 추가적인 증가가 달성될 수 있다.
본 발명은 도면들에 도시된 비제한적인 예시적인 실시예를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 디바이스의 액소노메트릭 표현(axonometric representation)을 나타내는 도면이다.
도 2는 디바이스를 추가 액소노메트릭 표현을 나타내는 도면이다.
도 3는 디바이스의 분해도이다.
도 4는 디바이스의 가압 디바이스의 단면 액소노메트릭 도면이다
도 5는 도 1에서 라인 V-V에 따른 디바이스의 단면도이다.
도 6은 도 3의 라인 VI-VI에 따른 제2 플레이트를 통한 디바이스의 단면도이다.
도 7는 도 6으로부터 디바이스의 상세한 단면을 도시한다.
도 8은 디바이스의 접촉 요소를 액소노메트릭 표현으로 도시한다.
도 9는 디바이스의 힘-측정 요소를 액소노메트릭 표현으로 도시한다.
도 10는 힘-측정 요소를의 측면도이다.
도 11도 5로부터의 상세 XI를 도시한다.
도 12에서는 디바이스의 응용 프로그램에 대한 테스트 스탠드를 도시한다.
도 2는 디바이스를 추가 액소노메트릭 표현을 나타내는 도면이다.
도 3는 디바이스의 분해도이다.
도 4는 디바이스의 가압 디바이스의 단면 액소노메트릭 도면이다
도 5는 도 1에서 라인 V-V에 따른 디바이스의 단면도이다.
도 6은 도 3의 라인 VI-VI에 따른 제2 플레이트를 통한 디바이스의 단면도이다.
도 7는 도 6으로부터 디바이스의 상세한 단면을 도시한다.
도 8은 디바이스의 접촉 요소를 액소노메트릭 표현으로 도시한다.
도 9는 디바이스의 힘-측정 요소를 액소노메트릭 표현으로 도시한다.
도 10는 힘-측정 요소를의 측면도이다.
도 11도 5로부터의 상세 XI를 도시한다.
도 12에서는 디바이스의 응용 프로그램에 대한 테스트 스탠드를 도시한다.
이차 배터리의 배터리 셀(2)을 테스트하기 위한 도 1 내지 도 11에 도시된 디바이스(1)는 제1 플레이트(3)와 제2 플레이트(4)를 갖는다. 배터리 셀(2)은 예를 들어, 파우치 셀 또는 각형 셀일 수 있다.
제1 플레이트(3)는 배터리 셀(2)이 삽입되는 하부 베이스 플랫폼을 형성한다. 셀 크기에 따라, 베이스 플랫폼은 상이한 크기를 가질 수 있다.
제 2 플레이트(4)는 가압 디바이스(9)를 통해 하부 베이스 플랫폼에 연결되는 가압체를 형성한다. 배터리 셀(2)은 가압체 및 베이스 플랫폼 사이에 브레이싱(braced)된다.
따라서, 셀 바디(20) 및 셀 극들(2a, 2b)을 갖는 테스트될 배터리 셀(2)은 2개의 본질적으로 직사각형인 플레이트들(3, 4) 사이에 유지 및 클램핑된다. 예시적인 실시예에서, 플레이트(3, 4)는 종방향 중심 평면(5) 및 이에 수직으로 배열된 횡단 중심 평면(6)에 대해 실질적으로 대칭으로 형성되며, 여기서 종방향 중심 평면(5) 및 횡단 중심 평면(6)은 가장 큰 영역들을 갖는 플레이트(3, 4)의 측면들의 중심(7)을 통과한다. 중심(7)을 통과하는 종방향 중심면(5)과 횡단 중심면(6)의 교차선은 참조 부호 8로 표시된다.
적어도 하나의 플레이트(3, 4)는 적어도 하나의 정의된 기계적 가압력(F)으로 배터리 셀(2)에 대해 가압되고, 여기서 2개의 플레이트들(3, 4)은 가압 디바이스(9)에 의해 프리텐션 하에서 유지된다. 가압력(F)은 도 1에 도시된 수직축(z)에 평행하게, 즉 종방향 중심면(5) 및 횡단 중심면(6)에 평행하게, 그리고 종방향 중심면(5) 및 횡단 중심면(6)의 교차선(8)에 평행하게 연장된다.
가압 디바이스(9)는 종방향 평면(5) 및 횡단 평면(6)에 대해 대칭적으로 배열된 나사 연결(10)에 의해 형성되며, 여기서 나사 연결(10)의 볼트 또는 슬리브 형상 섹션(11)은 플레이트(3, 4) 내의 개구(12)를 통해 안내되고 이들을 통과한다. 이러한 맥락에서, 개구(12)는 각각의 나사 연결(10)을 수용하기 위해 플레이트(3, 4)의 각각의 코너(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)에 배열된다. 플레이트들(3, 4)의 코너(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)는 예를 들어, 도 1 내지 3으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이 둥글게 될 수 있다.
가압력(F)은 베이스 플랫폼 - 제 1 플레이트(3) - 및 가압체- 제 2 플레이트(4) - 사이의 나사 연결(10)에 의해, 예를 들어 스터드 볼트들로서 설계된 볼트- 또는 슬리브-형상 섹션들(11)을 통해 셀 바디(20)에 인가된다. 이때, 힘-측정 요소(13)는 반력(R)을 측정하기 위해 나사 연결(10)마다 하나씩 구비된다. 상기 반력(R)은 상기 가압수단(9)에 의해 초기에 프리텐션으로 가해지는 가압력(F)과, 테스트 조건에서의 온도와 충방전 과정에 따른 배터리 셀의 작동력으로 구성된다. 작동력은 본질적으로 셀 바디 내부의 화학적 과정에 기인한다.
이 힘-측정 요소(13)는 현재의 나사력과 그에 따른 배터리 셀(2) 상의 표면 압력을 측정한다. 따라서, 하나의 힘-측정 요소(13)는 각각의 경우에 적어도 하나의 플레이트 - 예를 들어, 제2 플레이트(4) - 와 각각의 가압 디바이스(9) 사이에 배열된다. 힘-측정 요소(13) - 예를 들어 스트레인 게이지 센서 - 는 예를 들어 가압 디바이스(9)의 볼트 또는 슬리브 형상 섹션에 의해 관통되는 힘 측정 링(14)으로서 설계된다. 적어도 하나의 플레이트(3, 4)의 각각의 코너(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)에서, 각각의 힘-측정 요소(13)가 플레이트(3, 4)와 가압 디바이스(9) 사이에 배열되는 경우, 정확한 힘 측정이 달성될 수 있다. 도 9 및 도 10은 힘-측정 요소(13)의 일례를 도시한다.
연장으로서, 적어도 하나의 스프링 - 더 이상 도시되지 않음 - 이 제1 플레이트(3)와 제2 플레이트(4) 사이의 각각의 나사 연결(10)에 통합될 수 있다. 이는 배터리 조립체 내의 배터리 셀(2)의 "부유" 장착을 시뮬레이션하는 역할을 하고, 베이스 플랫폼, 즉 제1 플레이트(3)에 대한 제2 플레이트(4)에 대한 가압체의 상대 이동을 허용한다.
대안적으로 - 또는 추가적으로 - 스프링들에, 예를 들어 탄성 매트에 의해 형성된 적어도 하나의 셀 압축 패드가 배터리 셀(2)과 제2 플레이트(4) 사이에 위치될 수 있다(도면에 도시되지 않음).
스프링과 셀 압착 패드 모두는 응용에 적합하도록 그들의 강성의 관점에서 정의될 수 있고, 따라서 배터리 팩에서의 설치 상황에 대한 실제 매치(real match)를 나타낸다.
디바이스(1)의 강성은 상이한 강성의 스프링들에 의해 가변적으로 조정될 수 있어서, 300N 내지 10kN의 전체 팽창 범위에 걸쳐 일정한 힘이 실현될 수 있다.
또한, 예를 들어, 프로파일들에 의해 형성된 강성 요소들(stiffening elements)을 제1 판(3) 및/또는 제2 판(4)의 측면 에지들에 나사 체결하는 것이 가능하며, 이는 추가의 가변 강성을 허용한다. 예를 들어, 제2 판(4)에 의해 형성된 가압체의 강성은 더 이상 도시되지 않은 상이한 높이의 측방향 프로파일을 부착함으로써 개별 단계로 증가될 수 있다. 가장 단단한 변형예에서, 따라서 예를 들어, 최대 40kN 반력이 가능하다.
또한, 디바이스(1)는 배터리 셀(2)의 두께(D)(도 5)의 변화를 측정할 수 있는(도 1) 적어도 하나의 변위-측정 요소(15)를 갖는다. 두께 변화는 도 1에서 그려진 세로축(z) 방향, 즉 본 실시예에서는 셀 바디(20)의 최소 연장 방향으로 측정된다. 변위-측정 요소(15)는, 예를 들어, 종방향 중심 평면(5)과 횡단 중심 평면(6) 사이의 교차선(8)의 영역에 배열되는 유도 변위 센서로서 설계될 수 있다.
변위-측정 요소(15)는 별도의 구성요소에 의해 형성되고 힘-측정 요소(13)로부터 국부적으로 분리된다. 변위-측정 요소(15)는 디바이스(1)에 직접 부착될 수 있다. 변위-측정 요소(15)는 상이한 충전 상태들의 충전 또는 방전 동안 및 상이한 온도들에서 셀 바디(20)의 부피(브리딩)의 변화를 측정하기 위해 사용된다. 변위-측정 요소(15)는 충전 또는 방전 동안 상이한 온도에서 배터리 셀(2)의 브리딩을 측정하기 위해 사용된다. 배터리 셀(2)의 노화에 따른 셀 바디(20)의 스웰링도 변위-측정 소자(15)를 이용하여 측정할 수 있다.
힘-측정 요소(13) 및 변위-측정 요소(15)의 상이한 위치로 인해, 힘 및 변위 측정들이 동시에 수행될 수 있고, 따라서 조사 중인 배터리 셀(2)의 정확한 셀 팽창 프로파일이 생성될 수 있다.
배터리 셀(2)의 셀 극들(2a, 2b)의 영역에서, 접촉 요소들(16)이 제2 플레이트(4) 내에 배열되고, 각각은 셀 극들(2a, 2b)과 가요성 전력 케이블(18) 사이의 전기 접촉을 확립하는 압축 스프링(17a)에 의해 프리텐셔닝된 전기 접촉 핀들(17)을 갖는다. 접촉 요소들(16) 중 적어도 하나에 온도 센서(19)가 통합된다. 정확한 온도 모니터링을 위해, 하나의 온도 센서(19)가 각각의 전기 접촉 요소(16)에 대해 제공되면 특히 편리하다. 전기 전압은 또한 예를 들어 라인 손실들에 대한 보상을 가능하게 하기 위해 접촉 요소(16)를 통해 측정될 수 있다.
제2 플레이트(4) 내의 접촉 요소들(16)의 고정된 통합으로 인해, 빠른 변화 및 갱신된 신속한 접촉이 가능하다.
방열 및 셀 극 냉각(도 6)을 위해서 방열판(23)이 구비될 수도 있다.
또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 중앙 영역에서 아래로부터 배터리 셀(2)에 대해 가압되는 제1 플레이트(3) 내에 스프링-부하식 열 측정 요소(21)가 배열된다. 배터리 셀(2)의 셀 바디 온도는 열 측정 요소(21)를 통해 측정될 수 있다.
모든 측정들(전류, 전압, 압축력, 상대 운동)이 기록되고, 작동 중에 직접 비교될 수 있다. 스프링들 또는 셀 압축 패드들의 강성은 필요에 따라 선택되어야 한다.
디바이스(1)는 예를 들어 약 -30°C 내지 +70°C 사이의 온도를 갖는 온도 챔버 내의 테스트 환경에 적합하다.
디바이스(1)의 컴팩트한 크기는 온도 챔버에서 여러 개의 테스트 시편들의 테스트를 허용하거나 용이하게 한다. 신뢰할 수 있는 결과를 얻으려면 최소한 3번 이상 반복하여 12개 이상의 서로 다른 테스트 구성이 필요하다. 따라서, 금전적 이점과 경제적 이점을 모두 누릴 수 있다.
적은 테스트 자원들(온도 챔버들/기후 챔버들)이 이용 가능하고, 예를 들어, 각각의 배터리 셀(2)이 연속적으로 테스트되어야 한다면, 컴팩트한 설계는 원하는 테스트 결과들을 획득하기 위한 상당한 시간 이점을 제공한다.
힘과 스트레인을 동시에 측정함으로써, 사이클링/에이징 중의 임의의 지점에서의 배터리 셀(2)의 강성뿐만 아니라 테스트 환경의 강성을 결정할 수 있다. 배터리 강성은 전기 사이클링의 과정 중에 변화하기 때문에, 이는 모듈을 형성하기 위한 다중 배터리 셀들(2)의 복합체(composite)의 기계적 설계에 필수적인 파라미터이다. 이러한 양태는 종래의 알려진 디바이스에서 고려되지 않았고, 불충분한 데이터를 초래했다.
본 디바이스(1)의 크기는 특히 콤팩트하여, 상업적으로 이용 가능한 셀 테스트 챔버 내에 여러 개의 디바이스(1)를 수용할 수 있다. 이는 상이한 주변 온도들의 영향이 또한 고려될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이는 많은 배터리 셀들을 병렬로 테스트할 수 있게 하며, 이는 셀 스웰링 및/또는 셀 브리딩 거동을 적절하게 특성화하는 데 필요하다.
디바이스(1)는 하드웨어 테스트를 수반하거나 보완하기 위해 모델 계산이 수행될 수 있는 가상 계산 모델에 의해 편리하게 보완된다. 디바이스(1)의 가상 계산 모델에 의해, 배터리 셀(2)의 순수한 셀 특성들을 얻을 수 있고, 측정 장치(measurement apparatus)의 모든 간섭 영향들을 필터링할 수 있다. 이것은 디바이스(1)에 의해 생성된 데이터가 디바이스(1) 및 측정 설정 자체에 의해 왜곡되는 것을 방지한다. 이를 통해 기존의 방식에 비해 정확도가 높고 정보적 가치가 높아진다.
디바이스 1로 다음 검사를 수행할 수 있다.
1.
배터리 셀(2)의 셀 바디 상의 표면 압력의 시뮬레이션, 예를 들어 최대 40kN 또는 그 초과. 이를 통해, 배터리 셀이 어느 정도의 프리텐션 압력에 의해 최고 성능을 달성하는지를 조사할 수 있다. 이를 위해, 4개의 힘-측정 요소들(13)을 이용하여 실시간 표면 압력 측정을 수행한다. 또한, 재현 가능한 표면 압력은 각각의 테스트 및 각각의 배터리 셀(2)에 대해 힘-측정 요소(13)에 의해 결정된다. 마지막으로, 온도 측정이 한편으로는 배터리 셀(2)의 셀 바디(20) 상에서 그리고 다른 한편으로는 접촉 요소들(16) 상에서 또한 수행된다.
2.
배터리 셀(2)의 셀 팽창(브리딩, 스웰링)을 보상하기 위한 상이한 강성의 시뮬레이션. 이를 통해 배터리 셀들의 팽창과 관련하여 배터리 복합체가 어떻게 설계되어야 하는지 조사할 수 있다. 이는, 예를 들어, 판(3, 4)과 배터리 셀(2) 사이에 셀 압축 패드 및/또는 스프링을 통합함으로써 수행될 수 있다.
3.
서로 다른 배터리 충전 상태 및 온도에서 배터리 셀 팽창을 확인함. 이는 배터리 셀(2)의 기하학적 구조(두께)가 상이한 충전 상태들 및 상이한 온도들에서 어떻게 변화되는지를 조사할 수 있게 한다. 이는 적어도 하나의 변위-측정 요소(15)에 의한 추가적인 변위 측정들에 의해 수행된다.
본 디바이스(1)는 배터리 셀들(2)(파우치 셀들 및 각형 셀 유형들)의 셀 브리딩 및/또는 셀 스웰링(전기 사이클링 동안 전기-화학적 전환 과정으로 인한 셀 두께 성장)을 완전히 특성화하도록 상세하게 설계된다. 이렇게 생성된 데이터로, 이어서 배터리 복합체(예를 들어, 배터리 모듈)의 상세한 기계적 설계를 수행할 수 있다.
이를 위해, 디바이스(1)의 가상 계산 모델이 제공된다. 디바이스(1)를 가상 계산 모델과 결합함으로써, (측정 장치의 영향을 위해 조정된) 실제 셀 특성들이 역 파라미터 식별의 도움으로 최종적으로 결정될 수 있고, 각각의 경우에 테스트된 배터리 셀(2)의 브리딩 거동 및/또는 스웰링 거동에 대한 시뮬레이션 모델이 생성될 수 있다.
배터리 셀(2)의 브리딩 거동 및/또는 스웰링 거동을 완전히 특성화하기 위해, 다음의 종속성이 테스트되어야 한다:
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(환경 강성의 함수로서) 전기 사이클 수에 걸친 배터리 셀(2)의 두께(D)의 변화: 배터리 셀(2)의 두께(D)의 변화는 셀 바디(20)의 중앙의 변위-측정 요소(15)에 의해 측정된다. 이 변위-측정 요소(15)는 기본적으로 2개의 플레이트들(3, 4) 사이의 상대 변위를 측정한다. 그 다음, 측정된 변위 값(측정된 힘 값과 함께)은 배터리 셀(2)의 두께(D)의 순수 변화뿐만 아니라, 연관된 셀 강성, 팽창 프로파일 및 압력 의존성을 획득하기 위해 가상 계산 모델을 사용하여 추가로 처리된다.
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(환경 강성의 함수로서) 전기 사이클 수에 걸친 배터리 셀(2)의 두께(D) 변화에 따른 힘 증가: 배터리 셀(2)의 두께 변화에 따른 힘 증가를 측정하기 위해, 힘 측정 링(14)에 의해 형성된 4개의 힘-측정 요소(15)가 플레이트들(3, 4)의 외측 코너들(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)에 설치된다. 힘-측정 요소(15)들의 위치 설정으로 인해, 평균 힘 증가의 측정이 가능할 뿐만 아니라, 국부적인 차이도 측정될 수 있다. 그 다음, 측정된 힘 값(측정된 변위 값과 함께)은 배터리 셀(2)의 두께(D)의 순수 변화 및 연관된 셀 강성, 팽창 프로파일 및 압력 의존성을 획득하기 위해 가상 계산 모델을 사용하여 추가로 처리된다.
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전기 사이클 수에 의한 배터리 셀(2)의 강성 변화: 사이클화 도중에만 힘 증가 및 두께(D)의 변화를 측정하면, 셀 강성에 대한 정보는 얻어지지 않고, 소자(1)의 강성에 대한 진술만 얻어진다. 이는 배터리 셀(2)의 셀 강성과 순수한 두께 변화 쌍들이 많다는 것을 의미하며, 이는 복합적으로 동일한 측정 결과를 제공한다. 이러한 이유로, 특정 수의 사이클들에서, 전기 사이클링은 방해되어야 하고, 셀 강성도는 측정되어야 한다. 배터리 셀(2)은, 예를 들어, 다른 측정 디바이스에 제거 및 설치할 필요가 없는데, 이는 결과를 위조할 수 있다는 것이 중요하다. 본 디바이스(1)는 이러한 목적을 위해 정밀하게 설계되고, 따라서 동시 힘 및 변위 측정의 가능성을 제공한다. 또한, 힘-측정 요소(15)를 언제라도 나사 연결(10)에 위치시킴으로써, 셀 강성은 모든 나사 연결(10)을 동시에 느슨하게 하거나/조임으로써 힘 제어 방식으로 측정될 수 있다. 즉, 배터리 셀(2)을 제거할 필요 없이 전기 사이클링이 정지된 상태에서 나사 연결(10)의 다중-단계 풀림 또는 조임이 수행된다. 이는 힘/변위 곡선들을 제공하며, 이는 이어서 순수 셀 강성을 추출하기 위해 가상 계산 모델을 사용하여 더 미세화된다. 이 과정에서 장치 강성의 영향은 필터링된다. 이제 사이클들의 수와 관련된 셀 강성이 알려지면, 측정된 힘 증가가 달성될 수 있는 셀 두께 성장의 단지 하나의 값이 존재한다. 이 조합을 통해서만 테스트로부터 실제 배터리 특성을 결정할 수 있다.
-)
배터리 셀(2)의 팽창 프로파일: 배터리 셀(2)의 두께(D) 변화는 전체 표면에 걸쳐 균일하게 일어나지 않는다. 대신에, 셀 주변부에 비해 셀의 중심부에서 두께(D)의 더 큰 변화를 통상 인지한다. 이러한 영향은 배터리 셀(2)을 셀 네트워크에 통합하는 데 결정적이다. 이러한 효과를 측정하기 위해, 본 디바이스(1)에서, 힘-측정 요소(13)는 배터리 셀(2)의 가장자리에서 플레이트들(3, 4)의 4개의 코너들(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)에 부착되고, 셀 팽창을 측정하기 위한 변위-측정 요소(15)는 배터리 셀(2)의 중심에 부착된다. 이제 힘의 증가는 크지만 변위의 변화는 작으면, 배터리 셀(2) 가장자리에서 두께 성장이 두드러진다. 변위의 변화가 크고 힘의 변화가 작으면, 배터리 셀(2)의 중심에서 두께 성장이 두드러진다. 이와 같이, 평균 셀 두께 성장을 특징으로 할 수 있을 뿐만 아니라, 팽창 프로파일도 또한 특성화될 수 있다. 힘-측정 요소(13) 및 변위-측정 요소(15)의 적절한 위치 설정에 추가하여, 힘 및 변위의 동시 측정이 이를 위해 필요하다.
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전기 사이클링에 걸친 배터리 셀(2)의 두께(D)의 변화의 압력 의존성: 배터리 셀(2)의 팽창은 일반적으로 전기 사이클링 동안 셀 표면에 작용하는 기계적 압력에 의존한다. 이러한 효과를 특성화하기 위해, 본 디바이스(1)는 조정 가능한 프리텐션 및 또한 강성도에 대해 매우 가요성이도록 설계된다. 예를 들어, 프리텐션 범위는 약 100 N 내지 약 40 kN이다.
압력 의존성을 완전히 특성화하기 위하여, 초기 응력만을 제어하는 것은 충분하지 않다. 뿐만 아니라, 배터리 셀(2)의 두께 성장으로 인한 사이클링 동안의 힘/압력 변동의 제어도 필요하다. 이를 위해, 본 디바이스(1)는 강성이 다른 스프링을 통해 셀 클램핑 디바이스의 강성을 가변시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 이러한 방식으로, 전체 전기 사이클화에 걸쳐 일정한 클램핑 상황을 달성할 수 있다. 상이한 스프링 강성을 갖는 스프링을 사용함으로써, 상이한 압력 레벨이 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 압력 레벨들에 대해 셀 두께 성장이 획득된다. 또한, 사이클링 동안 변화하는 압력의 영향을 추가로 특성화하기 위해, 디바이스(1) 내의 배터리 셀(2)은 또한 나사 연결(10)에 의해 견고하게 클램핑될 수 있다. 이 경우, 힘/압력 증가는 플레이트들(3, 4)의 강성에 의존한다. 다시, 측면 프로파일들을 2단계로 추가로 장착함으로써 플레이트들(3, 4)의 강성들을 변화시킬 가능성이 제공된다. 이는 디바이스(1)와의 셀 복합체에서 모든 가능한 브레이싱 상황을 재현하기 위해 충분한 변형 옵션을 제공한다.
도 12는 상이한 응용 상태에 있는 여러 개의 배터리 셀들(2)을 테스트하기 위한 2개의 디바이스(1)를 갖는 테스트 스탠드를 도시한다. 전경에 도시된 우측 디바이스(1)는 아직 조립되지 않았고, 좌측 디바이스(1)는 이미 완전히 조립되었다.
디바이스(1)의 준비는 하기 단계에서 수행된다:
-
제1 플레이트(3)에 의해 형성된 베이스 플랫폼에 배터리 셀(2)을 삽입하는 단계;
-
선택적으로 배터리 셀(2) 상에 배터리 압축 패드를 위치시키는 단계;
-
상기 제2 플레이트(4)를 배터리 셀(2) 또는 셀 압착 패드 상에 위치시키는 단계;
-
힘-측정 요소(13)와 나사 연결(10)의 부착;
-
힘-측정 요소(13)를 측정 유닛(22)에 연결하는 단계;
-
나사 연결(10)을 여러 단계로 비스듬하게 조이는 단계로서, 셀 극들(2a, 2b)은 접촉 요소(16)에 의해 자동으로 접촉됨;
-
각각의 나사 연결(10)에서 대칭력 증가를 모니터링하는 단계.
Claims (17)
- 제1 플레이트(3) 및 제2 플레이트(4)를 갖는 적어도 하나의 배터리 셀(2), 특히 이차 배터리를 테스트하기 위한 디바이스(1)로서 - 상기 배터리 셀(2)은 바람직하게 실질적으로 직사각형인 2개의 상기 플레이트들(3, 4) 사이에 클램핑되고, 적어도 하나의 플레이트(4)는 정의된 기계적 가압력(F)으로 상기 배터리 셀(2)에 대해 가압됨 -, 하나의 플레이트(3, 4) 및 적어도 하나의 가압 디바이스(9) 사이에 배열된 상기 배터리 셀(2)과 상기 가압 디바이스(9) 사이의 반력(R)을 측정하기 위한 적어도 하나의 힘-측정 요소(13)를 갖고,
적어도 하나의 변위-측정 요소(15)에 의해, 바람직하게 상기 반력(R)과 동시에, 상기 배터리 셀(2)의 두께(D)의 적어도 하나의 변화가 측정될 수 있는 것을 특징으로 하는,
디바이스(1). - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 힘-측정 요소(13) 및 적어도 하나의 변위-측정 요소(15)는 별개의 및/또는 국부적으로 분리된 구성요소들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
적어도 하나의 변위-측정 요소(15)가 상기 배터리 셀(2) 및/또는 적어도 하나의 플레이트(3, 4)의 종방향 중심 평면(5) 및/또는 횡단 중심 평면(6)의 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위-측정 요소(15)는 상기 배터리 셀(2) 및/또는 적어도 하나의 플레이트(3, 4)의 종방향 중심면(5)과 횡단 중심면(6) 사이의 교차선(8)의 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 플레이트(3)와 상기 제2 플레이트(4)가 상기 적어도 하나의 가압 디바이스(9)에 의해 서로 연결되고, 상기 가압 디바이스(9)는 바람직하게 상기 제1 플레이트(3) 및 상기 제2 플레이트(4)의 코너(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)의 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 플레이트(3, 4)의 적어도 2개의 코너들(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)의 영역에서, 바람직하게 적어도 하나의 플레이트(3, 4)의 각각의 코너(3a, 3b, 3c, 3d; 4a, 4b, 4c, 4d)에서, 힘-측정 요소(13)가 각각의 경우에 상기 플레이트(3, 4)와 상기 가압 디바이스(9) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 힘-측정 요소(13)가 힘 측정 링(14)으로서 설계되고, 바람직하게, 상기 힘 측정 링(14)은 상기 가압 디바이스(9)의 볼트 또는 슬리브 형상 섹션(11)에 의해 관통되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 힘-측정 요소(13)가 스트레인 게이지 센서로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변위-측정 요소(15)는 유도 변위 센서로 설계되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 플레이트(3, 4), 바람직하게 상기 제1 플레이트(3)는 상기 배터리 셀(2)의 상기 셀 바디 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열 측정 요소(21)를 갖는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 플레이트(3, 4), 바람직하게 상기 제2 플레이트(4)가 적어도 하나의 셀 극(2a, 2b)과 바람직하게 가요성 전력 케이블(18) 사이의 전기적 연결을 수립하는 적어도 하나의 접촉 요소(16)를 갖는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제11항에 있어서,
온도 센서(19) 및/또는 전압 센서가 적어도 하나의 접촉 요소(16)에 통합되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
정의된 강성을 갖는 적어도 하나의 셀 압축 패드 및/또는 적어도 하나의 스프링이 적어도 하나의 플레이트(3, 4)와 상기 배터리 셀(2) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는, 디바이스(1). - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 디바이스(1)를 갖는 적어도 하나의 배터리 셀(2), 특히 이차 배터리를 테스트하는 방법으로서 - 상기 배터리 셀(2)은 제1 플레이트(3)와 제2 플레이트(4) 사이에 클램핑되고, 적어도 하나의 플레이트(4)는 정의된 기계적 가압력(F)으로 상기 배터리 셀(2)에 대해 가압되며, 배터리 셀(2)과 적어도 하나의 플레이트(4) 사이의 적어도 하나의 반력(R)이 측정됨 -, 상기 배터리 셀(2)의 상기 두께(D)에서 적어도 하나의 변화가 또한, 바람직하게 상기 반력(R)과 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는, 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 배터리 셀(2)의 서로 다른 위치에서 상기 배터리 셀(2)의 적어도 하나의 반력(R) 및 두께(D)에서의 적어도 하나의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제14항 또는 제15항에 있어서,
적어도 2개의 반력(R)이 상기 배터리 셀(2)의 상이한 위치들에서 측정되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 결과들에 기초하여, 모델 계산은 상기 디바이스(1) 및/또는 상기 배터리 셀(2)의 가상 계산 모델을 이용하여, 바람직하게 역 파라미터 식별(inverse parameter identification)에 의해 수행되고, 상기 디바이스(1)의 교란 변수들 및 영향 변수들은 필터링되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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