WO2011015554A2 - Detektionsvorrichtung für eine testanlage - Google Patents

Detektionsvorrichtung für eine testanlage Download PDF

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Rudi Kaiser
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a detection device for a test system according to the preamble of claim 1.
  • Today, more and more Li-ion batteries are being used as an energy source for machines and devices of all kinds. During or after the production process of the lithium-ion batteries, these must be checked, at least randomly, for their correct functioning or correct production. This is done, for example, in temperature chambers in which the lithium-ion batteries are tested in a test facility. If there is a defect in the lithium-ion batteries during testing, as a rule, a high pressure within the lithium-ion battery (eg approx. 10 bar) arises within a very short time, which is controlled by an overpressure valve in the lithium-ion battery. Ion battery is degraded to the outside.
  • a high pressure within the lithium-ion battery eg approx. 10 bar
  • the resulting gases and dusts are flammable and harmful to health as a rule.
  • the escaping gases are sometimes very hot (several 100 0 C).
  • the requisite reactants are provided by the lithium-ion battery available and the fire can not be prevented by inerting.
  • the present invention seeks to further develop a detection device for a test system, in particular for a test system for testing lithium-ion batteries according to the preamble of claim 1 such that a reliable detection of a typical case of damage a lithium-ion battery is enabled.
  • This object is achieved in a detection device for a test system with the features of claim 1.
  • the invention is based on the idea that by means of a combination of a device for detecting a sudden increase in pressure and a gas sensor for the chemical analysis of a test gas, a sufficiently precise and reliable option is provided. ability to detect the failure of a lithium-ion battery.
  • the gas sensor is designed as a sensor for detecting the CO content of the test gas. It has become part of
  • the device for detecting the sudden increase in pressure is arranged in a fume hood.
  • the device can be relatively easily integrated into the existing test facility or use existing in the fume hood closure device for the detection of sudden pressure increase.
  • the means for detecting the sudden rise in pressure and the gas sensor are coupled to a control device.
  • the input signals can thus be evaluated and any necessary countermeasures, for example the activation of an extinguishing system, controlled.
  • any necessary countermeasures for example the activation of an extinguishing system, controlled.
  • FIG. 1 Facilities in question, which are designed as rupture disk, flap or valve, since these devices already respond at a relatively low pressure.
  • the test chamber is designed as a temperature chamber and that the gas sensor is preceded by a gas temperature control device. As a result of this measure, the test gas can be brought to the test temperature required for the gas sensor.
  • the gas sensor and the gas tempering device are coupled to a pump and that the test gas extracted from the test chamber after its analysis is returned to the test chamber.
  • the pressure in the test chamber can be kept constant.
  • the gas sensor is designed as a continuously operating gas sensor. This allows a short response time or reaction time of the detection device.
  • 1 is a simplified representation of a detection device for a
  • Test facility during the normal test operation of the test facility
  • FIG. 2 the detection device according to FIG. 1 when a
  • FIG. 1 shows a detection device 10 for a test facility 1 1, in particular for a test facility 1 1 for testing lithium-ion cells 1.
  • the test facility 1 1 has a test chamber 13 closed with a door 12.
  • the test chamber 13 is designed, in particular, as a temperature chamber 14 and has a housing 15.
  • a test device 17 for lithium-ion cells 1 is arranged inside the test chamber 13.
  • the test device 17 serves as an example for testing five lithium-ion cells 1.
  • the passage between the housing 15 and the fume hood 18 is closed with a closure element 19.
  • the closure element 19 serves to detect a sudden increase in pressure within the test chamber 14 and is designed, for example, as a closure flap, valve or particularly preferably as a rupture disk 20.
  • a device 21 for detecting the sudden increase in pressure is arranged on the side facing away from the housing 15 of the rupture disk 20 and the shutter member 19, a device 21 for detecting the sudden increase in pressure is arranged.
  • the device 21 is in the illustrated embodiment as a breaker wire
  • a breaker wire 22 formed in a destruction of the breaker wire 22 generates a corresponding electrical signal or interrupts the flow of current in an electrical circuit.
  • the electrical signal is supplied to a control device 23 as an input signal.
  • a switch or a differently designed switching element can be used instead of a breaker wire 22, however, a switch or a differently designed switching element can be used.
  • the control device 23 receives the input signal of a gas sensor 25 as a further input variable.
  • the gas sensor 25 is designed to determine the CO content of a test gas.
  • in the housing 15 opens a discharge line 26, via which by means of a pump 27 and a Gastemperier Nur 28 continuously present in the housing 15 gas (or the air), as so-called test gas, the gas sensor 25 is supplied. After the analysis or the passage of the test gas through the gas sensor 25, the test gas is returned via a return line 29 into the
  • Fig. 2 the case is shown in which a lithium-ion battery 1 has caught fire and explodes.
  • the device 10 Due to the bursting of the rupture disk 20 and the breaker wire 22nd damaged and generates a corresponding signal in the control device 23. At the same time an increased CO content of the test gas is detected due to the outgassing 31 via the gas sensor 25 and this result is also supplied to the control device 23 as an input signal. Due to both events, the device 10 detects a failure of the lithium-ion cell 1.
  • the device 10 described so far can be modified or modified in many ways.
  • other arrangements of the gas sensor 25 and the closure element 19 are conceivable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung (10) für eine Testanlage (11), insbesondere für eine Testanlage (11) zum Testen von Lithium-Ionen-Zellen (1), wobei die Testanlage (11) eine Prüfkammer (13) und eine in der Prüfkammer (13) angeordnete Prüfeinrichtung (17) aufweist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Prüfkammer (13) eine Einrichtung (21) zur Erfassung eines plötzlichen Druckanstiegs und einen Gassensor (25) zur chemischen Analyse eines Prüfgases aufweist.

Description

Beschreibung
Detektionsvorrichtung für eine Testanlage Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für eine Testanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Heutzutage kommen mehr und mehr Lihium-Ionen-Batterien als Energiequelle für Maschinen und Vorrichtungen unterschiedlichster Art zum Einsatz. Während bzw. nach dem Fertigungsprozess der Lithium-Ionen-Batterien müssen diese, zumindest stichprobenartig, auf deren korrekte Funktionsfähigkeit bzw. korrekte Herstellung geprüft werden. Dies erfolgt z.B. in Temperaturkammern, in denen die Lithium-Ionen-Batterien in einer Prüfeinrichtung getestet werden. Kommt es zu einem Defekt an den Lithium-Ionen-Batterien während des Testens, so entsteht in der Regel innerhalb kürzester Zeit ein hoher Druck innerhalb der Lithium- Ionen-Batterie (z.B. ca. 10 bar), der über ein Überdruckventil in der Lithium- Ionen-Batterie nach außen abgebaut wird. Die dabei austretenden Gase und Stäube sind entzündlich und in der Regel auch gesundheitsschädlich. Zudem sind die austretenden Gase zum Teil sehr heiß (mehrere 1000C). Bei der Entzündung der Gase kommt es in der Folge zu einem möglichen Brand, wobei die hierfür erforderlichen Reaktionspartner durch die Lithium-Ionen-Batterie zur Verfügung gestellt werden und der Brand nicht durch Inertisierung verhindert werden kann.
Es ist bekannt, zum Erkennen von Bränden Brandmelder (Messprinzip: Licht und Temperatur), Thermodifferentialmelder (Messprinzip: Temperatur) und Rauchmelder (Messprinzip: Licht) zu verwenden. Problematisch hierbei ist jedoch, dass die genannten Meldeeinrichtungen in einem Temperaturbereich oberhalb von ca.
75°C bis 800C nicht zertifiziert sind, das heißt, dass die Prozesssicherheit zum Erkennen von Bränden der angesprochenen Lithium-Ionen-Batterie nicht möglich ist.
Weiterhin ist es bekannt, durch eine geeignete und umfangreiche Sensoreinrich- tung den Brand von Lithium-Ionen-Batterien durch Erkennen der Elektrolytbestandteile des freigesetzten Gases zu detektieren. Hierbei werden insbesondere Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe erkannt. Da das umgebende Prüfkammervolumen um die Batterie zu der Menge der austretenden Stoffe relativ gering ist, und die Detektionsgase gerade beim Einsatz in Temperaturkammern zunächst temperiert werden müssen, ist der Zeitbedarf zwischen dem Ereignis des
Versagens der Batterien und der Detektion sehr lange, zum Beispiel im Minutenbereich und somit in der Regel nicht akzeptabel um Auswirkungen wie Beschädigungen an der Testanlage zu vermeiden. Eine Explosion der Lithium-Ionen-Batterie ist mit dem Ausbringen eines erheblichen Volumenstroms an Heißgas verbunden, was mit einer möglichen Personengefährdung verbunden ist. Für die Detektion der Explosion scheiden herkömmliche Drucksensoren aus. Gerade die notwendigen Sensoren mit geeignetem Messbereich unterliegen einer starken Temperaturabhängigkeit, welche den Einsatz innerhalb einer Temperaturkammer erschwert, da Drucktransmitter und gegebenenfalls Kühlungen erforderlich sind, die relativ aufwändig und teuer sind.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Detektionsvorrichtung für eine Testanlage, insbesondere für eine Testanlage zum Testen von Lithium-Ionen-Batterien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine sichere Erkennung eines typi- sehen Schadensfalls einer Lithium-Ionen-Batterie ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bei einer Detektionsvorrichtung für eine Testanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, durch eine Kombination einer Ein- richtung zur Erfassung eines plötzlichen Druckanstiegs und einem Gassensor zur chemischen Analyse eines Prüfgases eine hinreichend genaue und sichere Mög- lichkeit zum Erkennen des Versagensfalls einer Lithium-Ionen-Batterie zu ermöglichen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung für eine Testanlage sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gassensor als Sensor zum Erfassen des CO-Gehaltes des Prüfgases ausgebildet ist. Es hat sich nämlich im Rahmen von
Untersuchungen bzw. chemischen Analysen herausgestellt, dass neben den bereits erwähnten Kohlenwasserstoffverbindungen u.a. erhebliche Mengen an leicht nachweisbarem CO freigesetzt wird, während Kohlenwasserstoffverbindungen nur relativ schwer in der vorhandenen Konzentration nachweisbar sind. Dadurch eignet sich ein CO-Sensor besonders gut als Nachweis für die Havarie einer Lithium-Ionen-Batterie.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs in einem Abzugskamin ange- ordnet ist. Damit lässt sich die Einrichtung relativ einfach in die bestehende Testanlage integrieren bzw. eine im Abzugskamin vorhandene Verschließeinrichtung für die Erkennung des plötzlichen Druckanstiegs nutzen.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erfassung des plötzli- chen Druckanstiegs und der Gassensor mit einer Steuereinrichtung gekoppelt sind. Mittels der Steuereinrichtung lassen sich somit die Eingangssignale auswerten und gegebenenfalls erforderliche Gegenmaßnahmen, beispielsweise das Aktivieren einer Löschanlage, steuern. Als Einrichtung zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs kommen bevorzugt
Einrichtungen in Frage, welche als Berstscheibe, Klappe oder Ventil ausgebildet sind, da diese Einrichtungen bereits bei einem relativ geringen Überdruck ansprechen. Insbesondere ist es dabei in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass beim Ansprechen der Einrichtung zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs ein Schalter oder ein Schaltelement betätigt, oder ein als Schaltelement dienender Unterbrecherdraht zerstört wird. Dadurch lässt sich bei geringem Aufwand eine hohe Betriebssicherheit der Detektionsvorrichtung erreichen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Prüfkammer als Temperaturkammer ausgebildet ist und, dass dem Gassensor eine Gastemperierungseinrichtung vorgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme lässt sich das Prüfgas auf die für den Gassensor erforderliche Prüftemperatur bringen. Um insbesondere bei einer geschlossenen Temperaturkammer einen ansonsten durch das Absaugen des Prüfgases entstehenden Unterdruck zu vermeiden, ist es darüber hinaus in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Gassensor und die Gastemperiereinrichtung mit einer Pumpe gekoppelt sind und, dass das aus der Prüfkammer abgesaugte Prüfgas nach seiner Analyse wieder in die Prüf- kammer eingeleitet wird. Dadurch lässt sich der Druck in der Prüfkammer konstant halten.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Gassensor als kontinuierlich arbeitender Gassensor ausgebildet ist. Dadurch wird eine kurze Ansprechzeit bzw. Reak- tionszeit der Detekionsvorrichtung ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Detektionsvorrichtung für eine
Testanlage während des normalen Testbetriebes der Testanlage und
Fig. 2 die Detektionsvorrichtung gemäß der Fig. 1 beim Auftreten eines
Schadensfalls an einer Lithium-Ionen-Batterie.
In der Fig. 1 ist eine Detektionsvorrichtung 10 für eine Testanlage 1 1 , insbeson- dere für eine Testanlage 1 1 zum Testen von Lithium-Ionen-Zellen 1 dargestellt.
Die Testanlage 1 1 weist eine mit einer Tür 12 verschlossene Prüfkammer 13 auf. Die Prüfkammer 13 ist insbesondere als Temperaturkammer 14 ausgebildet und hat ein Gehäuse 15. Innerhalb der Prüfkammer 13 ist eine Prüfeinrichtung 17 für Lithium-Ionen-Zellen 1 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Prüfeinrichtung 17 beispielhaft zum Testen von fünf Lithium-Ionen-Zellen 1 . Im Deckenbereich des Gehäuses 15 mündet ein Abzugskamin 18, über den Gase an die Umgebung ausgeleitet werden können. Der Durchgang zwischen dem Gehäuse 15 und dem Abzugskamin 18 ist mit einem Verschlusselement 19 geschlossen. Das Verschlusselement 19 dient zum Erkennen eines plötzlichen Druckanstiegs innerhalb der Prüfkammer 14 und ist beispielsweise als Verschlussklappe, Ventil oder besonders bevorzugt als Berstscheibe 20 ausgebildet. Auf der dem Gehäuse 15 abgewandten Seite der Berstscheibe 20 bzw. des Verschlusselements 19 ist eine Einrichtung 21 zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs angeordnet. Die Einrichtung 21 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Unterbrecherdraht
22 ausgebildet, die bei einer Zerstörung des Unterbrecherdrahts 22 ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt bzw. den Stromfluss in einer elektrischen Schaltung unterbricht. Das elektrische Signal wird einer Steuereinrichtung 23 als Eingangssignal zugeführt. Anstelle eines Unterbrecherdrahts 22 kann jedoch auch ein Schalter oder auch ein andersartig ausgebildetes Schaltelement Verwendung finden.
Neben dem Signal des Unterbrecherdrahts 22 erhält die Steuereinrichtung 23 als weitere Eingangsgröße das Eingangssignal eines Gassensors 25. Der Gassen- sor 25 ist dazu ausgebildet, den CO-Gehalt eines Prüfgases zu ermitteln. Hierzu mündet in dem Gehäuse 15 eine Abzugsleitung 26, über die mittels einer Pumpe 27 und einer Gastemperiereinrichtung 28 kontinuierlich das in dem Gehäuse 15 vorhandene Gas (bzw. die Luft), als so genanntes Prüfgas, dem Gassensor 25 zugeführt wird. Nach der Analyse bzw. dem Durchströmen des Prüfgases durch den Gassensor 25 wird das Prüfgas über eine Rückführleitung 29 wieder in das
Gehäuse 15 der Prüfkammer 13 eingeleitet.
In der Fig. 2 ist der Fall dargestellt, bei dem eine Lithium-Ionen-Batterie 1 in Brand geraten ist und explodiert. Man erkennt eine Ausgasung 31 , die zu einem Bersten der Berstscheibe 20 aufgrund des plötzlichen Druckanstiegs geführt hat.
Aufgrund des Berstens der Berstscheibe 20 wird auch der Unterbrecherdraht 22 beschädigt und ein entsprechendes Signal in der Steuereinrichtung 23 erzeugt. Gleichzeitig wird aufgrund der Ausgasung 31 über den Gassensor 25 ein erhöhter CO-Gehalt des Prüfgases detektiert und dieses Ergebnis ebenfalls der Steuereinrichtung 23 als Eingangssignal zugeführt. Aufgrund beider Ereignisse er- kennt die Vorrichtung 10 einen Versagensfall der Lithium-Ionen-Zelle 1.
Es wird erwähnt, dass die soweit beschriebene Vorrichtung 10 in vielfältiger Weise modifiziert bzw. abgewandelt werden kann. Insbesondere sind andere Anordnungen des Gassensors 25 und des Verschlusselements 19 denkbar.

Claims

Ansprüche
1. Detektionsvorrichtung (10) für eine Testanlage (11 ), insbesondere für eine Testanlage (1 1 ) zum Testen von Lithium-Ionen-Zellen (1 ), wobei die Testan- läge (1 1 ) eine Prüfkammer (13) und eine in der Prüfkammer (13) angeordnete Prüfeinrichtung (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkammer (13) eine Einrichtung (21 ) zur Erfassung eines plötzlichen Druckanstiegs und einen Gassensor (25) zur chemischen Analyse eines Prüfgases aufweist.
2. Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gassensor (25) als Sensor zum Erfassen des CO-Gehaltes des Prüfgases ausgebildet ist.
3. Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (21 ) zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs in einem Abzugskamin (18) angeordnet ist.
4. Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (21 ) zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs und der Gassensor (25) Signale erzeugen, die einer Steuereinrichtung (23) als Eingangsgrößen zugeführt werden.
5. Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtung (21 ) zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs als Berstscheibe (22), Klappe oder Ventil ausgebildet ist.
6. Detektionsvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Ansprechen der Einrichtung (21 ) zur Erfassung des plötzlichen Druckanstiegs ein Schalter oder ein Schaltelement betätigt, oder ein als Schaltelement dienender Unterbrecherdraht (22) zerstört wird.
7. Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Prüfkammer (13) als Temperaturkammer (14) ausgebildet ist und, dass dem Gassensor (25) eine Gastemperiereinrichtung (28) vorgeschaltet ist.
8. Detektionsvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gassensor (25) und die Gastemperiereinrichtung (28) mit einer als
Pumpe (27) ausgebildeten Absaugeinrichtung gekoppelt sind und, dass das aus der Prüfkammer (13) abgesaugte Prüfgas nach seiner Analyse wieder in die Prüfkammer (13) eingeleitet wird.
9. Detektionsvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Gassensor (25) als kontinuierlich arbeitender Gassensor (25) ausgebildet ist.
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