WO2024081978A1 - Testvorrichtung zur ermittlung elektrischer eigenschaften einer batterie sowie verfahren hierzu - Google Patents

Testvorrichtung zur ermittlung elektrischer eigenschaften einer batterie sowie verfahren hierzu Download PDF

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Definitions

  • Test device for determining electrical properties of a battery and method therefor
  • the invention relates to a test device for determining electrical properties of a battery, in particular for battery modeling, wherein the test device has a pressing device for exerting a variable pressing force on a battery coupled to the test device in an operating state and a tempering device for controlled tempering of the battery while the pressing force is applied to the battery.
  • the invention further relates to a method for determining electrical properties of a battery, in particular for battery modeling, wherein a battery is coupled to a test device, in particular a test device according to one of claims 1 to 12, wherein a variable pressing force is exerted on the battery with a pressing device of the test device and while the pressing force is exerted on the battery, the battery is tempered with a tempering device of the test device.
  • the electrical and mechanical behavior of a battery cell usually depends heavily on the temperature of the battery cell and the pressure acting on the battery cell.
  • a certain minimum pressure acting on the battery cell is usually required, with harmful effects on the operating efficiency and structural integrity of the battery cell increasing at a certain pressure above the minimum pressure.
  • the electrical properties of the battery cell are usually determined using a test device, whereby the test device usually has a pressing device and a heating device in order to apply a pressing force to the battery cell using the pressing device and to heat the battery cell using the heating device.
  • the test device usually has a pressing device and a heating device in order to apply a pressing force to the battery cell using the pressing device and to heat the battery cell using the heating device.
  • the accuracy of heating the battery cell with the heating device is often limited by the fact that the temperature of the battery cell depends on the heat produced by the battery cell during electrical operation of the battery cell and the heat produced or temperature of the battery cell is not distributed evenly along a surface of the battery cell.
  • a change in the temperature of the battery cell is also often associated with a change in the stiffness of the battery cell, so that an adapted control of the pressing force applied to the battery cell by the pressing device is required and the accuracy of the pressing force applied is limited. This has a detrimental effect on the accuracy of determining the electrical properties of the battery cell with the test device.
  • Test devices are known which provide for temperature control of the battery cell using a tempered air flow. Such temperature control generally has a low responsiveness to temperature changes in the battery cell and, due to the small heat capacity of the air flow, is often only of limited use in compensating for temperature differences on a surface of the battery cell. Test devices have been developed which provide for temperature control of the battery cell using a temperature control liquid, in particular water. Such temperature control is usually practical for implementing a high heat flow, but leads to a pronounced thermal inertia of the system, whereby temperature differences on a surface of the battery cell are not taken into account in the measurement.
  • the object of the invention is to provide a test device of the type mentioned at the beginning, which enables the electrical properties of a battery to be determined with high accuracy, in particular for battery modeling.
  • Another object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, which enables the electrical properties of a battery, in particular for battery modeling, to be determined with high accuracy.
  • the object is achieved according to the invention in that, in a device of the type mentioned at the outset, the temperature control device is formed with a plurality of solid-state heat pumps, wherein the solid-state heat pumps are arranged in such a way that, in the operating state, a plurality of, in particular spatially different, areas of the battery can be, in particular individually, temperature-controlled, in particular heated and/or cooled, using the solid-state heat pumps.
  • the invention is based on the idea of designing the test device in such a way that a temperature control device of the test device has a rapid reaction capability with respect to temperature changes of a battery, which is coupled to the test device in the operating state, in order to temperature control the battery with the temperature control device depending on the area, in particular to heat and/or cool it.
  • the rapid reaction capability makes it possible to react to temperature changes of the battery, in particular its surface, in a time-efficient manner with an adapted temperature control and/or an adapted application of the pressing force to the battery by the pressing device. It has been shown that this can be implemented if the temperature control device is formed with several solid-state heat pumps for temperature control of several areas of the battery.
  • a solid-state heat pump usually enables heat transfer between two different temperature reservoirs using drive energy as useful heat, whereby a solid-state effect, in particular the material effect of a solid, is used for the conversion.
  • the drive energy is usually electrical and/or magnetic energy, usually by applying an electrical and/or magnetic field.
  • the solid-state effect can be a Peltier effect or a magnetocaloric effect.
  • the solid-state heat pump is usually connected to the two temperature reservoirs in a heat-transferable manner or can be connected in a controlled manner.
  • one of the temperature reservoirs is usually formed by the battery, in particular an area of a surface of the battery, or is coupled to the battery, in particular the area of the surface of the battery, in a heat-transferable manner.
  • the other temperature reservoir is usually formed by a heat accumulator that is essentially heat-flow-decoupled from the battery or pressing device. so that in the operating state, heat transfer, in particular total heat transfer, between the temperature levels is essentially determined by the solid-state heat pump.
  • Usage state usually refers to a state of the test device in which the test device is coupled to a battery in order to determine electrical properties of the battery with the test device, in particular by applying a pressing force of the pressing device to the battery or by tempering the battery with the tempering device. Tempering can be heating and/or cooling.
  • the battery can be formed with, in particular from, a battery cell or a combination of several battery cells.
  • the battery cell can be a galvanic element, in particular a primary cell or a secondary cell or a tertiary cell.
  • the solid-state heat pumps are arranged in such a way that several areas of the battery with the solid-state heat pumps can be individually, in particular separately from one another, tempered, in particular heated and/or cooled.
  • the tempering of different areas with the solid-state heat pumps can be varied differently. This makes it possible to react to an inhomogeneous temperature distribution of the battery using the tempering device.
  • the solid-state heat pumps are usually controlled accordingly, in particular regulated, usually with a control device of the test device, in particular defined below.
  • the temperature control device in particular the solid-state heat pumps, are usually coupled to the pressing device, usually mechanically connected, in particular in such a way that when the battery is subjected to the pressing force, the solid-state heat pumps are connected to the battery in a heat-transfer manner.
  • the solid-state heat pumps are coupled to the pressing device in such a way that the solid-state heat pumps are not subjected to the pressing force when the pressing force is exerted on the battery by the pressing device. This applies in particular when in use. This can prevent the solid-state heat pumps from being impaired by the pressing force.
  • the solid-state heat pumps are coupled to the pressing device in such a way that the solid-state heat pumps are subjected to the pressing force while the pressing force is being exerted on the battery by the pressing device.
  • Such an implementation may be practical for small loads and/or robust solid-state heat pumps.
  • the solid-state heat pumps may be coupled to the pressing device in such a way that the pressing force can be exerted on the battery via the solid-state heat pumps. This applies in particular in the operating state.
  • the pressing device usually has a plurality of pressing elements that can be moved relative to one another in order to arrange the battery between pressing surfaces of the pressing elements and to apply the pressing force to the battery by moving the pressing surfaces relative to one another.
  • the pressing elements can be designed to be controlled, in particular regulated, and to be movable relative to one another, in particular displaceable.
  • the respective pressing element has a pressing surface in order to press the pressing surface against the battery, in particular a surface of the battery, in the use state for exerting the pressing force on the battery.
  • a pressure in the battery can be changed, in particular varied, by exerting and/or varying the pressing force on the battery.
  • a corresponding control, in particular regulation, of the pressing device can be carried out using a control device of the test device, in particular as defined below.
  • the pressing elements can be plate-shaped.
  • the respective pressing surface can be essentially a flat surface. It is expedient if the pressing surfaces of two pressing elements, which are opposite one another in relation to a battery arranged between the pressing surfaces in the use state, are oriented essentially parallel to one another.
  • the pressing elements are arranged in such a way that there is a variable-sized free space, in particular a distance, between the pressing surfaces for arranging a battery between the pressing surfaces, in particular in the free space.
  • the pressing device is usually designed to move the pressing elements relative to one another, in particular in a controlled, preferably regulated manner, in order to vary a size of the free space, in particular the distance.
  • the pressing force can be exerted on the battery.
  • the pressing elements are each coupled to several of the solid-state heat pumps, in particular mechanically.
  • the solid-state heat pumps are usually each connected to one of the pressing elements so that it can move with the pressing element, in particular are arranged on the latter.
  • the pressing elements are arranged such that the pressing surfaces of the pressing elements face the free space and/or each other.
  • the test device can have two pressing elements that can be moved relative to each other and which are arranged such that their pressing surfaces face each other and/or a free space of variable size for accommodating a battery is formed between their pressing surfaces.
  • the pressing surfaces of the two pressing elements can be oriented essentially parallel to each other.
  • the solid-state heat pumps define a plurality of temperature control sections of the pressing surface of at least one of the pressing elements in order to temperature control the temperature control sections with the solid-state heat pumps, in particular individually, in particular to heat or cool them.
  • This preferably applies to the pressing surfaces of a plurality of the pressing elements.
  • a plurality of solid-state heat pumps are usually coupled to the respective pressing element in a heat-transfer manner, in particular arranged on the respective pressing element, in order to temperature control the temperature control sections with the solid-state heat pumps. In this way, areas of the battery that are heat-transferringly connected to the temperature control sections can be temperature-controlled, in particular heated or cooled, via the temperature control sections when in use.
  • a separate temperature control section of one of the pressing surfaces is usually assigned to the respective solid-state heat pump for temperature control of the temperature control section with the solid-state heat pump.
  • the plurality of temperature control sections of the respective pressing surface are usually spatially different sections of the pressing surface.
  • the solid-state heat pumps are individually controllable, in particular adjustable, in order to individually control the temperature control sections, in particular with individually variable temperature control outputs.
  • the temperature control outputs can be heating outputs or cooling outputs.
  • the respective solid-state heat pump and a temperature control section assigned to it for temperature control are on opposite sides of the respective Pressing element arranged in order to use the solid-state heat pump to temper the tempering section through the pressing element. This applies in particular to the top view of the pressing surface of the respective pressing element.
  • Top view of the pressing surface usually refers to a view of the pressing surface in a direction orthogonal to the pressing surface.
  • solid-state heat pumps are connected to the pressing element in a heat-transferable manner on at least one of the pressing elements on a side of the pressing element facing away from the pressing surface, in particular arranged on the pressing element. This can apply to several of the pressing elements.
  • the facing away side is preferably a side of the pressing element opposite the pressing surface of the respective pressing element.
  • One or more of the solid-state heat pumps can expediently be arranged at least partially in recesses in the pressing elements.
  • the temperature control sections of the pressing surface of the pressing element are arranged in several rows along the pressing surface.
  • the solid-state heat pumps can be suitably arranged on the respective pressing element. This applies in particular to the top view of the pressing surface of the respective pressing element.
  • the solid-state heat pumps can be suitably connected to the respective pressing element in several rows in a heat-transferable manner and/or arranged on the pressing element, in particular for this purpose. This makes it possible to implement flexible temperature control. This applies to one or more of the pressing elements.
  • the solid-state heat pumps are usually arranged on a side of the pressing element opposite the pressing surface of the respective pressing element. This means that a tempering section assigned to the respective solid-state heat pump for tempering can be tempered with the solid-state heat pump through the respective pressing element.
  • the test device can have a control device, in particular an electrical one, for controlling, in particular regulating, the solid-state heat pumps and/or the pressing device.
  • the control device is preferably designed to control the solid-state heat pumps individually, in particular separately from one another, in particular to regulate. In particular, a temperature control performance, in particular heating performance or cooling performance, of the solid-state heat pumps can be individually varied.
  • the control device is usually designed to control, in particular to regulate, the pressing force.
  • the control device can have a microcontroller for this purpose.
  • the respective solid-state heat pump is coupled to a first temperature reservoir and a second temperature reservoir in a heat-transferable manner in order to transfer heat between the temperature reservoirs with the solid-state heat pump.
  • the first temperature reservoir and second temperature reservoir usually have different temperatures from one another.
  • the first temperature reservoir can be a temperature control section assigned to the solid-state heat pump for temperature control or, in the operating state, an area of the battery.
  • the second temperature reservoir can be formed by a heat accumulator of the test device that is essentially heat-flow-decoupled from the battery or pressing device, so that in the operating state, a, in particular total, heat transfer between the temperature levels is essentially determined by the solid-state heat pump.
  • At least one or more solid-state heat pumps can expediently be implemented in this way.
  • one or more of the solid-state heat pumps are each designed with a Peltier element for temperature control.
  • the Peltier element can be implemented by several Peltier elements, in particular coupled to one another.
  • the Peltier element can be used to efficiently control the temperature of the temperature control sections or areas of the battery. In particular, this allows a rapid change in temperature, in particular with precise control.
  • several, in particular essentially all, of the solid-state heat pumps are implemented in this way.
  • the Peltier element of the respective solid-state heat pump has an electrical conductor circuit with two contact points, each between materials with different Peltier coefficients or Seebeck coefficients, so that heat is transported from one of the contact points to the other contact point based on the Peltier effect using an electric current through the electrical conductor loop.
  • One of the contact points can expediently be connected to the first temperature reservoir and the other contact point to the second temperature reservoir in a heat-transferable manner in order to transfer heat between the temperature reservoirs via the electrical conductor loop.
  • At least one of the solid-state heat pumps is a magnetocaloric heat pump, which is designed to apply a magnetic field to a magnetic material of the solid-state heat pump for temperature control, usually periodically, in order to change a temperature of the magnetic material to generate a heat flow, usually between the temperature reservoirs, in particular between the first and the second temperature reservoir.
  • a magnetocaloric heat pump which is designed to apply a magnetic field to a magnetic material of the solid-state heat pump for temperature control, usually periodically, in order to change a temperature of the magnetic material to generate a heat flow, usually between the temperature reservoirs, in particular between the first and the second temperature reservoir.
  • At least one of the solid-state heat pumps can be an elastocaloric heat pump, which is designed to deform a deformation material, in particular a shape memory material, of the solid-state heat pump, usually periodically, for temperature control in order to change a temperature of the deformation material to generate a heat flow, usually between the temperature reservoirs, in particular between the first and the second temperature reservoir.
  • a deformation material in particular a shape memory material
  • the solid-state heat pumps can be implemented in this way.
  • the test device has one or more heat exchangers which are coupled to the solid-state heat pumps in order to remove heat from the solid-state heat pumps or to supply it to them. In this way, heat can be efficiently transferred between the temperature reservoirs using the solid-state heat pumps.
  • the heat exchangers can be coupled to one or more heat storage units, in particular those mentioned above, in order to transfer heat between the solid-state heat pumps and heat storage units using the heat exchangers.
  • the second temperature reservoir of the respective Solid state heat pump with a heat exchanger and/or with the heat storage coupled to the heat exchanger.
  • the test device has several temperature sensors for determining the temperature in order to control, in particular regulate, the solid-state heat pumps depending on the measurement data from the temperature sensors.
  • the temperature of several areas of the battery and/or several of the temperature control sections can be expediently determined.
  • a temperature of several, in particular a majority, preferably all of the temperature sections can be determined, preferably separately, using the temperature sensors.
  • the temperature sensors can expediently be connected to the pressing elements, in particular the temperature control sections, in a heat-transferring manner, in particular arranged on them.
  • a temperature sensor in particular a separate one, is assigned to the respective solid-state heat pump, which temperature sensor is designed to determine a temperature of a section of the battery or temperature control section to be tempered with the solid-state heat pump.
  • the respective solid-state heat pump can thus be controlled, in particular regulated, depending on the measurement data from the respective temperature sensor.
  • a temperature sensor can be assigned to several, in particular a majority, preferably essentially all, of the solid-state heat pumps.
  • the temperature sensors can be thermocouples, for example.
  • the control device can be expediently designed to control, in particular to regulate, the solid-state heat pumps, in particular depending on a temperature determination with the temperature sensors.
  • At least one of the pressing elements is connected to a support structure of the pressing device, in particular rigidly, in order to apply the pressing force to the pressing element via the support structure.
  • a support structure of the pressing device in particular rigidly, in order to apply the pressing force to the pressing element via the support structure.
  • the pressing elements can expediently be connected to a support structure, in particular to their own.
  • the support structure is formed with interconnected beams, in particular in the form of a rod or framework. It is expedient if, in a plan view of the pressing surface of the respective pressing element, the support structure is between the corresponding solid-state heat pumps, in particular between the solid-state heat pumps arranged on the pressing element, is connected to the pressing element.
  • the support structure can have one or more, in particular bar-shaped, connecting elements which are connected to the pressing element between the solid-state heat pumps.
  • Top view of the pressing surface usually refers to a view of the pressing surface in a direction orthogonal to the pressing surface.
  • the support structure is usually formed with, in particular from, a material which has a lower thermal conductivity than a material of the pressing elements, in particular of the pressing element on which the respective support structure is arranged.
  • the pressing elements are usually formed with, in particular from, aluminum or an aluminum-based alloy or copper or a copper-based alloy.
  • the support structure is usually formed with, in particular from, an iron-based alloy, in particular steel.
  • a method for determining electrical properties of a battery in particular for battery modeling, is implemented, wherein a battery is coupled to a test device, in particular a test device described in this document, wherein a variable pressing force is exerted on the battery using a pressing device of the test device and while the pressing force is exerted on the battery, the battery is tempered using a tempering device of the test device, characterized in that the tempering device is formed with several solid-state heat pumps, wherein the solid-state heat pumps are arranged in such a way that several areas of the battery are tempered, in particular individually, using the solid-state heat pumps in the operating state.
  • electrical properties of the battery can be determined with high accuracy in this way.
  • a pressure in the battery can be set, in particular varied. This can be done by deforming a surface of the battery. Electrical properties of the battery cell can thus be determined depending on a pressure acting on the battery cell. and a temperature of the battery cell. The electrical properties determined can be used to carry out a model of the battery cell, in particular a hardware-simulated and/or computer-simulated one. This allows application conditions for the battery cell to be determined and/or optimized.
  • the method can be designed according to the features and effects described in this document in the context of a test device, in particular above. The same applies to the test device with regard to the method.
  • the battery is charged or discharged, in particular electrically, in order to determine the electrical properties of the battery.
  • the charging or discharging of the battery can be controlled, in particular regulated, by the control device or the control device can be designed accordingly.
  • the solid-state heat pumps are controlled, in particular regulated, in such a way that a temperature gradient is generated along a pressing surface of at least one pressing element of the pressing device, with which pressing surface the pressing force is applied to the battery.
  • the temperature gradient can be essentially linear. It has proven useful if the solid-state heat pumps are controlled, in particular regulated, in such a way that a predetermined non-uniform temperature distribution is generated along a pressing surface of at least one pressing element of the pressing device, with which pressing surface the pressing force is applied to the battery.
  • the temperature gradient or the temperature distribution can be implemented by controlled, in particular regulated, tempering of tempering sections of the pressing surface of the respective pressing element.
  • the tempering sections are individually tempered, in particular heated or cooled, with the solid-state heat pumps, or the solid-state heat pumps corresponding to the tempering sections are individually controlled, in particular regulated.
  • the temperature gradient or the temperature distribution can each refer to the temperature of the tempering sections as data points. Usually Neighboring data points correspond to spatially adjacent tempering sections of the respective pressing surface.
  • the temperature gradient and/or the temperature distribution can be formed along one or more temperature setting directions parallel to the respective pressing surface.
  • the multiple temperature setting directions can be two temperature setting directions that are at an angle to one another, in particular orthogonal. Such a temperature gradient and/or such a temperature distribution can expediently be generated on pressing surfaces of several of the pressing elements.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a test device with a battery inserted between pressing elements of the test device;
  • Fig. 2 is a schematic representation of a pressing element of the test device of Fig. 1 with solid-state heat pumps arranged on the pressing element.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a test device 1 for determining the electrical properties of a battery 2.
  • the test device 1 has a pressing device with two pressing elements 4 that can be moved relative to one another in order to exert a variable pressing force F on a battery 2 arranged between the pressing elements 4 in the use state by moving the pressing elements 4. This allows a defined pressure to be exerted on the battery 2 and/or set in the battery 2.
  • the pressing elements 4 have pressing surfaces 6 facing one another, between which the battery 2 can be arranged.
  • the test device 1 has a temperature control device formed with several solid-state heat pumps 3, wherein the solid-state heat pumps 3 are connected to the pressing elements 4 in such a way that, in the use state, several areas of the battery 2 can be temperature-controlled, in particular heated or cooled, preferably individually.
  • several solid-state heat pumps 3 are arranged on the respective pressing element 4, so that the solid-state heat pumps 3 define several tempering sections 7 of the pressing surface 6 of the pressing element 4 in order to temper the tempering sections 7, in particular individually, with the solid-state heat pumps 3.
  • Each tempering section 7 can expediently be assigned a own solid-state heat pump 3 for tempering the tempering section 7.
  • the solid-state heat pumps 3 are arranged on a side of the pressing element 4 opposite the pressing surface 6 on the respective pressing element 4.
  • the tempering section 7 corresponding to a solid-state heat pump 3 is that section of the pressing surface 6 which is opposite the solid-state heat pump 3 on the respective pressing element 4.
  • the respective solid-state heat pump 3 can be used to temper the respective tempering section 7 through the respective pressing element 4 or with a heat flow W in the respective pressing element 4 between the solid-state heat pump 3 and the tempering section 7.
  • the respective solid-state heat pump 3 is preferably formed by one, in particular several, Peltier elements in order to temper the respective tempering section 7 with the Peltier elements, in particular to heat or cool it.
  • the respective pressing element 4 is usually connected to a support structure 5 of the pressing device in order to apply the pressing force F to the pressing element 4 by applying force to the support structure 5. It is advantageous if, in a plan view of the pressing surface 6 of the respective pressing element 4, the support structure 5 is connected to the pressing element 4 between the solid-state heat pumps 3 arranged on the pressing element 4.
  • FIG. 2 one of the pressing elements 4 of the test device 1 of Fig. 1 is shown schematically with solid-state heat pumps 3 arranged on the pressing element 4.
  • the support structure 5 is not shown in Fig. 2 in order to clearly show an arrangement of the solid-state heat pumps 3.
  • the solid-state heat pumps 3 are arranged in several rows on the pressing element 4 on a side of the pressing element 4 opposite the pressing surface 6.
  • the respective solid-state heat pump 3 is connected to the pressing element 4 in a heat-transferring manner.
  • the temperature control sections 7 of the pressing surface 6 are arranged in several rows corresponding to the solid-state heat pumps 3.
  • solid-state heat pumps 3 can be arranged in several rows on the other pressing element 4.
  • the respective pressing element 4 can, for example, have a longitudinal extension and/or a width extension of between 10 cm and 500 cm, in particular between 20 cm and 100 cm, preferably 40 cm.
  • the respective solid-state heat pump 3, in particular its Peltier element, or a contact surface of this with the pressing element 4 for heat transfer can, for example, have a longitudinal extension and/or a width extension of between 1 cm and 10 cm, in particular between 2 cm and 7 cm, preferably 5 cm.
  • the longitudinal extension and the width extension of the pressing element 4 or the solid-state heat pump 3 are usually oriented essentially parallel to the pressing surface 6 of the respective pressing element 4.
  • the temperature control device is formed with several solid-state heat pumps 3, so that in the operating state several areas of the battery 2 or several temperature control sections 7 of the pressing surface 6 of the respective pressing element 4 can be temperature controlled, in particular individually, a temperature control of several areas of the battery 2, in particular its surface, is possible with rapid reaction.
  • This makes it possible to react in a time-efficient manner to temperature changes in the battery 2, in particular if the temperature changes occur inhomogeneously distributed on the battery 2, with an adapted temperature control and/or with an adapted application of the pressing force F to the battery 2 by the pressing device.
  • This enables the electrical properties of the battery 2 to be determined as a function of the temperature and pressing force F with high accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung (1) zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie (2), insbesondere zur Batteriemodellierung, wobei die Teststation eine Presseinrichtung zum Äusüben einer variierbaren Presskraft (F) auf eine in einem Einsatzzustand mit der Testvorrichtung (1) gekoppelte Batterie (2) und eine Temperierungseinrichtung zum gesteuerten Temperieren der Batterie (2) während einer Beaufschlagung der Batterie (2) mit der Presskraft (F) aufweist. Zur Erreichung einer hohen Genauigkeit ist vorgesehen, dass die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen (3) gebildet ist, wobei die Festkörperwärmepumpen (3) derart angeordnet sind, dass mit den Festkörperwärmepumpen (3) im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie (2), insbesondere individuell, temperierbar sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie (2).

Description

Testvorrichtung zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie sowie Verfahren hierzu
Die Erfindung betrifft eine Testvorrichtung zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie, insbesondere zur Batteriemodellierung, wobei die Testvorrichtung eine Presseinrichtung zum Ausüben einer variierbaren Presskraft auf eine in einem Einsatzzustand mit der Testvorrichtung gekoppelte Batterie und eine Temperierungseinrichtung zum gesteuerten Temperieren der Batterie während einer Beaufschlagung der Batterie mit der Presskraft aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie, insbesondere zur Batteriemodellierung, wobei eine Batterie mit einer Testvorrichtung, insbesondere einer Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekoppelt ist, wobei mit einer Presseinrichtung der Testvorrichtung eine variierbare Presskraft auf die Batterie ausgeübt wird und während des Ausübens der Presskraft auf die Batterie die Batterie mit einer Temperierungseinrichtung der Testvorrichtung temperiert wird.
Ein elektrisches und mechanisches Verhalten einer Batteriezelle, insbesondere bei Auslegung der Batteriezelle für eine Anwendung in einem Industriebereich oder Automotive-Bereich, hängt üblicherweise stark von einer Temperatur der Batteriezelle und einem auf die Batteriezelle wirkenden Druck ab. Für einen effizienten Betrieb der Batteriezelle ist üblicherweise ein bestimmter auf die Batteriezelle wirkender Minimaldruck erforderlich, wobei ab einem bestimmten Druck oberhalb des Minimaldrucks für eine Betriebseffizienz und strukturelle Integrität der Batteriezelle schädliche Effekte zunehmen.
Um praktikable Anwendungsbedingungen für eine Batteriezelle festzulegen, werden elektrische Eigenschaften der Batteriezelle üblicherweise mit einer Testvorrichtung ermittelt, wobei die Testvorrichtung in der Regel eine Presseinrichtung und eine Heizeinrichtung aufweist, um mit der Presseinrichtung eine Presskraft auf die Batteriezelle auszuüben und mit der Heizeinrichtung die Batteriezelle zu heizen. Damit können elektrische Eigenschaften der Batteriezelle abhängig von einem auf die Batteriezelle wirkenden Druck und einer Temperatur der Batteriezelle ermittelt werden, um mit den ermittelten elektrischen Eigenschaften eine Modellierung der Batteriezelle zur Bestimmung und Optimierung von Anwendungsbedingungen für die Batteriezelle bzw. eine Auslegung der Batteriezelle durchzuführen.
Eine Genauigkeit eines Heizens der Batteriezelle mit der Heizeinrichtung wird häufig dadurch begrenzt, dass eine Temperatur der Batteriezelle abhängig von einer Wärmeproduktion der Batteriezelle im elektrischen Betrieb der Batteriezelle ist und die Wärmeproduktion bzw. Temperatur der Batteriezelle entlang einer Oberfläche der Batteriezelle nicht homogen verteilt ist. Häufig ist eine Änderung der Temperatur der Batteriezelle außerdem mit einer Änderung einer Steifigkeit der Batteriezelle verbunden, sodass eine angepasste Steuerung einer Presskraftbeaufschlagung der Batteriezelle durch die Presseinrichtung erforderlich ist und eine Genauigkeit der Presskraftbeaufschlagung begrenzt wird. Dies wirkt sich nachteilig auf eine Genauigkeit einer Ermittlung von elektrischen Eigenschaften der Batteriezelle mit der Testvorrichtung aus.
Bekannt sind Testvorrichtungen, welche ein Temperieren der Batteriezelle mittels temperierten Luftstroms vorsehen. Eine derartige Temperierung weist in der Regel eine kleine Reaktionsfähigkeit in Bezug auf Temperaturänderung der Batteriezelle auf und ist aufgrund einer kleinen Wärmekapazität des Luftstromes häufig nur begrenzt zum Ausgleich von Temperaturdifferenzen auf einer Oberfläche der Batteriezelle geeignet. Es wurden Testvorrichtungen entwickelt, welche eine Temperierung der Batteriezelle mit einer Temperierungsflüssigkeit, insbesondere mit Wasser, vorsehen. Eine solche Temperierung ist üblicherweise praktikabel zur Umsetzung eines hohen Wärmeflusses, führt allerdings zu einer ausgeprägten Wärmeträgheit des Systems, wobei Temperaturunterschiede auf einer Oberfläche der Batteriezelle einer messtechnischen Berücksichtigung entzogen werden.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Testvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie, insbesondere zur Batteriemodellierung, mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie, insbesondere zur Batteriemodellierung, mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen gebildet ist, wobei die Festkörperwärmepumpen derart angeordnet sind, dass mit den Festkörperwärmepumpen im Einsatzzustand mehrere, insbesondere räumlich verschiedene, Bereiche der Batterie, insbesondere individuell, temperierbar, insbesondere heizbar und/oder kühlbar, sind.
Grundlage der Erfindung ist die Idee, die Testvorrichtung derart auszugestalten, dass eine Temperierungseinrichtung der Testvorrichtung eine schnelle Reaktionsfähigkeit in Bezug auf Temperaturänderungen einer Batterie, welche im Einsatzzustand mit der Testvorrichtung gekoppelt ist, aufweist, um die Batterie bereichsabhängig mit der Temperierungseinrichtung zu temperieren, insbesondere zu heizen und/oder zu kühlen. Durch die schnelle Reaktionsfähigkeit wird ermöglicht, auf Temperaturänderungen der Batterie, insbesondere deren Oberfläche, zeiteffizient mit einer angepassten Temperierung und/oder einer angepassten Beaufschlagung der Batterie mit der Presskraft durch die Presseinrichtung zu reagieren. Es hat sich gezeigt, dass dies umsetzbar ist, wenn die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen zur Temperierung von mehreren Bereichen der Batterie gebildet ist.
Eine Festkörperwärmepumpe ermöglicht üblicherweise eine Wärmeübertragung zwischen zwei unterschiedlichen Temperaturreservoirs unter Nutzung einer Antriebsenergie als Nutzwärme, wobei zur Umsetzung ein Festkörpereffekt, insbesondere Materialeffekt eines Festkörpers, genutzt wird. Die Antriebsenergie ist üblicherweise eine elektrische und/oder magnetische Energie, üblicherweise durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes. Der Festkörpereffekt kann ein Peltier-Effekt oder ein magnetokalorischer Effekt sein. Die Festkörperwärmepumpe ist üblicherweise mit den beiden Temperaturreservoirs wärmeübertragbar verbunden bzw. gesteuert verbindbar. Im Einsatzzustand ist eines der Temperaturreservoirs üblicherweise durch die Batterie, insbesondere einem Bereich einer Oberfläche der Batterie gebildet, oder mit der Batterie, insbesondere dem Bereich der Oberfläche der Batterie, wärmeübertragbar gekoppelt. Das andere Temperaturreservoir ist üblicherweise durch einen von der Batterie bzw. Presseinrichtung im Wesentlichen wärmeflussentkoppelten Wärmespeicher gebildet, sodass im Einsatzzustand eine, insbesondere gesamte, Wärmeübertragung zwischen den Temperaturniveaus im Wesentlichen durch die Festkörperwärmepumpe bestimmt wird.
Einsatzzustand bezeichnet üblicherweise einen Zustand der Testvorrichtung, in welchem die Testvorrichtung mit einer Batterie gekoppelt ist, um elektrische Eigenschaften der Batterie mit der Testvorrichtung, insbesondere unter Beaufschlagung der Batterie mit einer Presskraft der Presseinrichtung bzw. Temperierung der Batterie mit der Temperierungseinrichtung, zu ermitteln. Temperierung kann ein Heizen und/oder Kühlen sein. Die Batterie kann mit, insbesondere aus, einer Batteriezelle oder einem Verbund von mehreren Batteriezellen gebildet sein. Die Batteriezelle kann ein galvanisches Element, insbesondere eine Primärzelle oder eine Sekundärzelle oder eine Tertiärzelle, sein.
Vorzugsweise sind die Festkörperwärmepumpen derart angeordnet, dass mehrere Bereiche der Batterie mit den Festkörperwärmepumpen individuell, insbesondere gesondert voneinander, temperierbar, insbesondere heizbar und/oder kühlbar, sind. Vorzugsweise kann eine Temperierung verschiedener der Bereiche mit den Festkörperwärmepumpen unterschiedlich variiert werden. Dadurch kann mit der Temperierungseinrichtung auf eine inhomogene Temperaturverteilung der Batterie reagiert werden. Üblicherweise werden die Festkörperwärmepumpen entsprechend gesteuert, insbesondere geregelt, in der Regel mit einer, insbesondere nachfolgend definierten, Steuerungseinrichtung der Testvorrichtung.
Die Temperierungseinrichtung, insbesondere die Festkörperwärmepumpen, sind üblicherweise mit der Presseinrichtung gekoppelt, in der Regel mechanisch verbunden, insbesondere derart, dass während einer Beaufschlagung der Batterie mit der Presskraft die Festkörperwärmepumpen wärmeübertragend mit der Batterie verbunden sind.
Bevorzugt ist es, wenn die Festkörperwärmepumpen derart mit der Presseinrichtung gekoppelt sind, dass die Festkörperwärmepumpen während eines Ausübens der Presskraft mit der Presseinrichtung auf die Batterie nicht mit der Presskraft beaufschlagt sind. Dies gilt insbesondere im Einsatzzustand. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Festkörperwärmepumpen durch die Presskraft vermieden werden. Wenngleich weniger bevorzugt, kann es zweckmäßig sein, wenn die Festkörperwärmepumpen derart mit der Presseinrichtung gekoppelt sind, dass die Festkörperwärmepumpen während eines Ausübens der Presskraft mit der Presseinrichtung auf die Batterie mit der Presskraft beaufschlagt sind. Eine solche Umsetzung kann bei kleinen Lasten und/oder robusten Festkörperwärmepumpen praktikabel sein. Im Besonderen können die Festkörperwärmepumpen derart mit der Presseinrichtung gekoppelt sein, dass die Presskraft über die Festkörperwärmepumpen auf die Batterie ausübbar ist. Dies gilt insbesondere im Einsatzzustand.
Üblicherweise weist die Presseinrichtung mehrere relativ zueinander bewegbare Presselemente auf, um die Batterie zwischen Pressflächen der Presselemente anzuordnen und mit Bewegen der Pressflächen relativ zueinander die Presskraft auf die Batterie aufzubringen. Die Presselemente können gesteuert, insbesondere geregelt, relativ zueinander bewegbar, insbesondere verschiebbar, ausgebildet sein. Üblicherweise weist das jeweilige Presselement eine Pressfläche auf, um im Einsatzzustand zum Ausüben der Presskraft auf die Batterie die Pressfläche presskraftbeaufschlagt gegen die Batterie, insbesondere eine Oberfläche der Batterie, zu pressen. Im Einsatzzustand kann mit Ausüben und/oder Variieren der Presskraft auf die Batterie ein Druck in der Batterie geändert, insbesondere variiert, werden. Eine entsprechende Steuerung, insbesondere Regelung, der Presseinrichtung kann mit einer, insbesondere nachfolgend definierten, Steuerungseinrichtung der Testvorrichtung erfolgen.
Die Presselemente können plattenförmig ausgebildet sein. Die jeweilige Pressfläche kann im Wesentlichen eine ebene Fläche sein. Zweckmäßig ist es, wenn die Pressflächen von zwei Presselementen, welche in Bezug auf eine im Einsatzzustand zwischen den Pressflächen angeordnete Batterie einander gegenüberliegen im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.
In der Regel sind die Presselemente derart angeordnet, dass zwischen den Pressflächen ein größenvariierbarer Freiraum, insbesondere Abstand, zur Anordnung einer Batterie zwischen den Pressflächen, insbesondere im Freiraum, vorhanden ist. Die Presseinrichtung ist üblicherweise ausgebildet, die Presselemente relativ zueinander, insbesondere gesteuert, bevorzugt geregelt, zu bewegen, um eine Größe des Freiraums, insbesondere des Abstands, zu variieren. Mit Variieren einer Größe des Freiraumes, insbesondere Abstandes, zwischen den Pressflächen kann die Presskraft auf die Batterie ausgeübt werden. In der Regel sind die Presselemente jeweils mit mehreren der Festkörperwärmepumpen, insbesondere mechanisch, gekoppelt. Üblicherweise sind die Festkörperwärmepumpen jeweils mit einem der Presselemente mitbewegbar mit dem Presselement verbunden, insbesondere an diesem angeordnet. In der Regel sind die Presselemente derart angeordnet, dass die Pressflächen der Presselemente dem Freiraum und/oder einander zugewandt sind. Beispielsweise kann die Testvorrichtung zwei relativ zueinander bewegbare Presselemente aufweisen, welche derart angeordnet sind, dass deren Pressflächen einander zugewandt sind und/oder zwischen deren Pressflächen ein größenvariierbarer Freiraum zur Aufnahme einer Batterie gebildet ist. Die Pressflächen der beiden Presselemente können im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sein.
In der Regel definieren die Festkörperwärmepumpen mehrere Temperierungsabschnitte der Pressfläche zumindest eines der Presselemente, um die Temperierungsabschnitte mit den Festkörperwärmepumpen, insbesondere individuell, zu temperieren, insbesondere zu heizen oder zu kühlen. Vorzugsweise gilt dies für die Pressflächen von mehreren der Presselemente. Üblicherweise sind hierzu mehrere Festkörperwärmepumpen mit dem jeweiligen Presselement wärmeübertragbar gekoppelt, insbesondere am jeweiligen Presselement angeordnet, um die Temperierungsabschnitte mit den Festkörperwärmepumpen zu temperieren. Auf diese Weise können im Einsatzzustand mit den Temperierungsabschnitten wärmeübertragend verbundene Bereiche der Batterie über die Temperierungsabschnitte temperiert, insbesondere geheizt oder gekühlt, werden. Üblicherweise ist der jeweiligen Festkörperwärmepumpe ein eigener Temperierungsabschnitt einer der Pressflächen zur Temperierung des Temperierungsabschnittes mit der Festkörperwärmepumpe zugeordnet. Die mehreren Temperierungsabschnitte der jeweiligen Pressfläche sind üblicherweise räumlich verschiedene Abschnitte der Pressfläche. Vorzugsweise sind die Festkörperwärmepumpen individuell steuerbar, insbesondere regelbar, ausgebildet, um die Temperierungsabschnitte individuell, insbesondere mit individuell variierbaren Temperierungsleistungen, zu temperieren. Die Temperierungsleistungen können Heizleistungen oder Kühlleistungen sein. Üblicherweise sind die jeweilige Festkörperwärmepumpe und ein dieser zur Temperierung zugeordneter Temperierungsabschnitt an einander gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Presselementes angeordnet, um mit der Festkörperwärmepumpe den Temperierungsabschnitt durch das Presselement hindurch zu temperieren. Dies gilt insbesondere in Draufsicht auf die Pressfläche des jeweiligen Presselementes. Draufsicht auf die Pressfläche bezeichnet üblicherweise eine Sicht auf die Pressfläche in einer Richtung orthogonal zur Pressfläche.
Praktikabel ist es, wenn an zumindest einem der Presselemente Festkörperwärmepumpen an einer von der Pressfläche abgewandten Seite des Presselementes mit dem Presselement wärmeübertragbar verbunden, insbesondere am Presselement angeordnet, sind. Dies kann für mehrere der Presselemente gelten. Die abgewandte Seite ist vorzugsweise eine der Pressfläche des jeweiligen Presselementes gegenüberliegende Seite des Presselementes. Zweckmäßig können ein oder mehrere der Festkörperwärmepumpen zumindest teilweise in Vertiefungen der Presselemente angeordnet sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Temperierungsabschnitte der Pressfläche des Presselementes in mehreren Reihen entlang der Pressfläche angeordnet sind. Zweckmäßig können die Festkörperwärmepumpen am jeweiligen Presselement entsprechend angeordnet sein. Dies gilt insbesondere in Draufsicht auf die Pressfläche des jeweiligen Presselementes. Zweckmäßig können, insbesondere hierzu, die Festkörperwärmepumpen in mehreren Reihen wärmeübertragbar mit dem jeweiligen Presselement verbunden und/oder am Presselement angeordnet sein. Dadurch ist eine flexible Temperierung umsetzbar. Dies gilt für ein oder mehrere der Presselemente.
Die Festkörperwärmepumpen sind üblicherweise an einer der Pressfläche des jeweiligen Presselementes gegenüberliegenden Seite des Presselementes angeordnet. Dadurch kann ein der jeweiligen Festkörperwärmepumpe für eine Temperierung zugeordneter Temperierungsabschnitt mit der Festkörperwärmepumpe durch das jeweilige Presselement hindurch temperiert werden.
Die Testvorrichtung kann eine, insbesondere elektrische, Steuerungseinrichtung zur Steuerung, insbesondere Regelung, der Festkörperwärmepumpen und/oder der Presseinrichtung aufweisen. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, die Festkörperwärmepumpen individuell, insbesondere gesondert voneinander, zu steuern, insbesondere zu regeln. Insbesondere kann eine Temperierungsleistung, insbesondere Heizleistung oder Kühlleistung, der Festkörperwärmepumpen individuell variiert werden. Die Steuerungseinrichtung ist üblicherweise ausgebildet, die Presskraft zu steuern, insbesondere zu regeln. Die Steuereinrichtung kann hierzu einen Mikrocontroller aufweisen.
In der Regel ist die jeweilige Festkörperwärmepumpe mit einem ersten Temperaturreservoir und einem zweiten Temperaturreservoir wärmeübertragbar gekoppelt, um mit der Festkörperwärmepumpe Wärme zwischen den Temperaturreservoirs zu übertragen. Das erste Temperaturreservoir und zweite Temperaturreservoir weisen üblicherweise voneinander verschiedene Temperaturen auf. Das erste Temperaturreservoirs kann ein der Festkörperwärmepumpe zur Temperierung zugeordneter Temperierungsabschnitt bzw. im Einsatzzustand ein Bereich der Batterie sein. Das zweite Temperaturreservoir kann durch einen von der Batterie bzw. Presseinrichtung im Wesentlichen wärmeflussentkoppelten Wärmespeicher der Testvorrichtung gebildet sein, sodass im Einsatzzustand eine, insbesondere gesamte, Wärmeübertragung zwischen den Temperaturniveaus im Wesentlichen durch die Festkörperwärmepumpe bestimmt wird. Zweckmäßig können zumindest ein oder mehrere Festkörperwärmepumpen derart umgesetzt sein.
Von Vorteil ist es, wenn eine oder mehrere der Festkörperwärmepumpen zur Temperierung jeweils mit einem, insbesondere als, Peltier-Element ausgebildet sind. Das Peltier-Element kann durch mehrere, insbesondere miteinander gekoppelte, Peltier- Elemente umgesetzt sein. Mit dem Peltier-Element kann eine effiziente Temperierung der Temperierungsabschnitte bzw. Bereiche der Batterie umgesetzt werden. Im Besonderen kann dadurch eine schnelle Änderung der Temperierung, insbesondere mit genauer Steuerung, erfolgen. Üblicherweise sind mehrere, insbesondere im Wesentlichen sämtliche, der Festkörperwärmepumpen derart umgesetzt. In der Regel weist das Peltier-Element der jeweiligen Festkörperwärmepumpe einen elektrischen Leiterkreis mit zwei Kontaktstellen jeweils zwischen Materialien unterschiedlicher Peltier-Koeffizienten bzw. Seebeck-Koeffizienten auf, sodass mit einem elektrischen Strom durch die elektrische Leiterschleife Wärme von einer der Kontaktstellen zur andere Kontaktstelle basierend auf dem Peltier-Effekt transportiert wird. Zweckmäßig kann eine der Kontaktstellen mit dem ersten Temperaturreservoir und die andere Kontaktstelle mit dem zweiten Temperaturreservoir wärmeübertragbar gekoppelt sein, um über die elektrische Leiterschleife Wärme zwischen den Temperaturreservoirs zu übertragen.
Alternativ oder kumulativ ist es günstig, wenn zumindest eine der Festkörperwärmepumpen eine magnetokalorische Wärmepumpe ist, welche ausgebildet ist, zur Temperierung ein magnetisches Material der Festkörperwärmepumpe, in der Regel periodisch, mit einem Magnetfeld zu beaufschlagen, um eine Temperatur des magnetischen Materials zur Generierung eines Wärmeflusses, üblicherweise zwischen den Temperaturreservoirs, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturreservoir, zu ändern. Es können mehrere, insbesondere im Wesentlichen sämtliche, der Festkörperwärmepumpen derart umgesetzt sein.
Alternativ oder kumulativ kann zumindest eine der Festkörperwärmepumpen eine elastokalorische Wärmepumpe sein, welche ausgebildet ist, zur Temperierung ein Verformungsmaterial, insbesondere ein Formgedächtnismaterial, der Festkörperwärmepumpe, in der Regel periodisch, zu verformen, um eine Temperatur des Verformungsmaterials zur Generierung eines Wärmeflusses, üblicherweise zwischen den Temperaturreservoirs, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturreservoir, zu ändern. Es können mehrere, insbesondere im Wesentlichen sämtliche, der Festkörperwärmepumpen derart umgesetzt sein.
Mit derartigen Umsetzungen von Festkörperwärmepumpen kann eine effiziente Temperierung sowie schnelle Änderung der Temperierung, insbesondere Heizung und/oder Kühlung, der Temperierungsabschnitte bzw. der Bereiche der Batterie mit den Festkörperwärmepumpen erreicht werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Testvorrichtung ein oder mehrere Wärmetauscher aufweist, welche mit den Festkörperwärmepumpen gekoppelt sind, um mit den Wärmetauschern Wärme von den Festkörperwärmepumpen abzuführen oder diesen zuzuführen. Auf diese Weise kann mit den Festkörperwärmepumpen Wärme effizient zwischen den Temperaturreservoirs übertragen werden. Die Wärmetauscher können mit einem oder mehreren, insbesondere vorgenannten, Wärmespeichern gekoppelt sein, um mit den Wärmetauschern Wärme zwischen den Festkörperwärmepumpen und Wärmespeichern zu übertragen. Zweckmäßig kann das zweite Temperaturreservoir der jeweiligen Festkörperwärmepumpe mit einem Wärmetauscher und/oder mit dem mit dem Wärmetauscher gekoppelten Wärmespeicher gebildet sein.
Günstig ist es, wenn die Testvorrichtung mehrere Temperatursensoren zur Temperaturbestimmung aufweist, um eine Steuerung, insbesondere Regelung, der Festkörperwärmepumpen abhängig von Messdaten der Temperatursensoren durchzuführen. Dabei kann zweckmäßig die Temperatur von mehreren Bereichen der Batterie und/oder mehreren der Temperierungsabschnitte bestimmt werden. Vorteilhaft ist es, wenn mit den Temperatursensoren eine Temperatur von mehreren, insbesondere einem Großteil, vorzugsweise sämtlichen der Temperaturabschnitte, vorzugsweise gesondert, bestimmbar ist. Zweckmäßig können die Temperatursensoren wärmeübertragend mit den Presselementen, insbesondere den Temperierungsabschnitten, verbunden sein, insbesondere an diesen angeordnet sein. Günstig ist es, wenn der jeweiligen Festkörperwärmepumpe ein, insbesondere eigener, Temperatursensor zugeordnet ist, welcher Temperatursensor ausgebildet ist, eine Temperatur eines mit der Festkörperwärmepumpe zu temperierenden Abschnittes der Batterie bzw. Temperierungsabschnittes zu bestimmen. Dadurch kann die jeweilige Festkörperwärmepumpe abhängig von Messdaten des jeweiligen Temperatursensors gesteuert, insbesondere geregelt, werden. Zweckmäßig können mehreren, insbesondere einer Mehrheit, vorzugsweise im Wesentlichen sämtlichen, der Festkörperwärmepumpen ein solcher Temperatursensor zugeordnet sein. Die Temperatursensoren können beispielsweise Thermoelemente sein. Zweckmäßig kann die Steuerungseinrichtung ausgebildet sein, die Festkörperwärmepumpen, insbesondere abhängig von einer Temperaturbestimmung mit den Temperatursensoren, zu steuern, insbesondere zu regeln.
Üblicherweise ist zumindest eines der Presselemente mit einer Stützstruktur der Presseinrichtung, insbesondere starr, verbunden, um über die Stützstruktur die Presskraft auf das Presselement aufzubringen. Zweckmäßig können mehrere der Presselemente mit einer, insbesondere eigenen, Stützstruktur verbunden sein. Zur Reduzierung von ungewollten Wärmeflüssen über die Stützstruktur ist es günstig, wenn die Stützstruktur mit miteinander verbundenen Balken, insbesondere in Form eines Stabwerkes oder Fachwerkes, gebildet ist. Zweckmäßig ist es, wenn in Draufsicht auf die Pressfläche des jeweiligen Presselementes die Stützstruktur zwischen den zum Presselement korrespondierenden Festkörperwärmepumpen, insbesondere zwischen den am Presselement angeordneten Festkörperwärmepumpen, mit dem Presselement verbunden ist. Dadurch kann eine Beeinträchtigung der Festkörperwärmepumpen durch die Stützstruktur, insbesondere ein Aufbringen der Presskraft über die Stützstruktur, reduziert, insbesondere vermieden, werden. Beispielsweise kann die Stützstruktur ein oder mehrere, insbesondere balkenförmige, Anschlusselemente aufweisen, welche zwischen den Festkörperwärmepumpen mit dem Presselement verbunden sind. Draufsicht auf die Pressfläche bezeichnet üblicherweise eine Sicht auf die Pressfläche in einer Richtung orthogonal zur Pressfläche.
Die Stützstruktur ist in der Regel mit, insbesondere aus, einem Material gebildet, welches eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als ein Material der Presselemente, insbesondere des Presselementes, an welchem die jeweilige Stützstruktur angeordnet ist, aufweist. Die Presselemente sind üblicherweise mit, insbesondere aus, Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung oder Kupfer oder einer Kupferbasislegierung gebildet. Die Stützstruktur ist üblicherweise mit, insbesondere aus, einer Eisenbasislegierung, insbesondere Stahl, gebildet.
Von Vorteil ist es, wenn ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie, insbesondere zur Batteriemodellierung, umgesetzt ist, wobei eine Batterie mit einer Testvorrichtung, insbesondere einer in diesem Dokument beschriebenen Testvorrichtung, gekoppelt ist bzw. wird, wobei mit einer Presseinrichtung der Testvorrichtung eine variierbare Presskraft auf die Batterie ausgeübt wird und während des Ausübens der Presskraft auf die Batterie die Batterie mit einer Temperierungseinrichtung der Testvorrichtung temperiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen gebildet ist, wobei die Festkörperwärmepumpen derart angeordnet sind, dass mit den Festkörperwärmepumpen im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie, insbesondere individuell, temperiert werden. Wie vorstehend in diesem Dokument beschrieben, können auf diese Weise elektrische Eigenschaften der Batterie mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Durch Ausüben, insbesondere Variieren, der Presskraft kann ein Druck in der Batterie eingestellt, insbesondere variiert werden. Dies kann mit Verformen einer Oberfläche der Batterie erfolgen. Damit können elektrische Eigenschaften der Batteriezelle abhängig von einem auf die Batteriezelle wirkenden Druck und einer Temperatur der Batteriezelle ermittelt werden. Mit den ermittelten elektrischen Eigenschaften kann eine, insbesondere hardwaresimulierte und/oder computersimulierte, Modellierung der Batteriezelle durchgeführt werden. Dadurch können Anwendungsbedingungen für die Batteriezelle bestimmt und/oder optimiert werden.
Das Verfahren kann, entsprechend den Merkmalen und Wirkungen, welche im Rahmen einer Testvorrichtung, insbesondere vorstehend, in diesem Dokument beschrieben sind, ausgebildet sein. Analoges gilt auch für die Testvorrichtung im Hinblick auf das Verfahren.
Üblicherweise wird im Einsatzzustand während einer Beaufschlagung der Batterie mit der Presskraft durch die Presseinrichtung und einer Temperierung der Batterie mit der Temperierungseinrichtung die Batterie, insbesondere elektrisch, geladen oder entladen, um die elektrischen Eigenschaften der Batterie zu bestimmen. Das Laden oder das Entladen der Batterie kann mit der Steuerungseinrichtung gesteuert, insbesondere geregelt, werden bzw. die Steuerungseinrichtung entsprechend ausgebildet sein.
Bevorzugt ist es, wenn mehrere Bereiche der Batterie, insbesondere deren Oberfläche, individuell mit den Festkörperwärmepumpen temperiert, insbesondere geheizt oder gekühlt, werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Festkörperwärmepumpen derart gesteuert, insbesondere geregelt, werden, dass ein Temperaturgradient entlang einer Pressfläche zumindest eines Presselementes der Presseinrichtung, mit welcher Pressfläche die Presskraft auf die Batterie aufgebracht wird, erzeugt wird. Der Temperaturgradient kann im Wesentlichen linear sein. Bewährt hat es sich, wenn die Festkörperwärmepumpen derart gesteuert, insbesondere geregelt, werden, dass eine vorgegebene ungleichmäßige Temperaturverteilung entlang einer Pressfläche zumindest eines Presselementes der Presseinrichtung, mit welcher Pressfläche die Presskraft auf die Batterie aufgebracht wird, erzeugt wird. Der Temperaturgradient bzw. die Temperaturverteilung kann durch gesteuerte, insbesondere geregelte, Temperierung von Temperierungsabschnitten der Pressfläche des jeweiligen Presselementes umgesetzt sein. Vorzugsweise werden die Temperierungsabschnitte mit den Festkörperwärmepumpen individuell temperiert, insbesondere geheizt oder gekühlt, bzw. zu den Temperierungsabschnitten korrespondierende Festkörperwärmepumpen individuell gesteuert, insbesondere geregelt. Der Temperaturgradient bzw. die Temperaturverteilung kann sich jeweils auf die Temperatur der Temperierungsabschnitte als Datenpunkte beziehen. Üblicherweise korrespondieren benachbarte Datenpunkte zu räumlich benachbarten Temperierungsabschnitten der jeweiligen Pressfläche. Der Temperaturgradient und/oder die Temperaturverteilung kann jeweils entlang einer oder mehreren zur jeweiligen Pressfläche parallelen Temperatureinstellrichtungen gebildet werden. Insbesondere können die mehreren Temperatureinstellrichtungen zwei zueinander winklige, insbesondere orthogonale, Temperatureinstellrichtungen sein. Zweckmäßig kann an Pressflächen von mehreren der Presselemente ein solcher Temperaturgradient und/oder eine solche Temperaturverteilung erzeugt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Testvorrichtung mit einer zwischen Presselementen der Testvorrichtung eingefügten Batterie;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Presselementes der Testvorrichtung der Fig. 1 mit auf dem Presselement angeordneten Festkörperwärmepumpen.
In Fig. 1 ist eine Testvorrichtung 1 zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie 2 schematisch dargestellt. Die Testvorrichtung 1 weist eine Presseinrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Presselementen 4 auf, um mit Bewegen der Presselemente 4 eine variierbare Presskraft F auf eine im Einsatzzustand zwischen den Presselementen 4 angeordnete Batterie 2 auszuüben. Dadurch kann ein definierter Druck auf die Batterie 2 ausgeübt und/oder in der Batterie 2 eingestellt werden. Die Presselemente 4 weisen einander zugewandte Pressflächen 6 auf, zwischen welchen die Batterie 2 anordenbar ist. Die Testvorrichtung 1 weist eine mit mehreren Festkörperwärmepumpen 3 gebildete Temperierungseinrichtung auf, wobei die Festkörperwärmepumpen 3 derart mit den Presselementen 4 verbunden sind, dass im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie 2, vorzugsweise individuell, temperierbar, insbesondere heizbar oder kühlbar, sind. Hierzu sind am jeweiligen Presselement 4 mehrere Festkörperwärmepumpen 3 angeordnet, sodass die Festkörperwärmepumpen 3 mehrere Temperierungsabschnitte 7 der Pressfläche 6 des Presselementes 4 definieren, um mit den Festkörperwärmepumpen 3 die Temperierungsabschnitte 7, insbesondere individuell, zu temperieren. Zweckmäßig kann jedem Temperierungsabschnitt 7 eine eigene Festkörperwärmepumpe 3 zur Temperierung des Temperierungsabschnitts 7 zugeordnet sein.
Die Festkörperwärmepumpen 3 sind an einer der Pressfläche 6 gegenüberliegenden Seite des Presselementes 4 am jeweiligen Presselement 4 angeordnet. Der zu einer Festkörperwärmepumpe 3 korrespondierende Temperierungsabschnitt 7 ist jener Abschnitt der Pressfläche 6, welche der Festkörperwärmepumpe 3 am jeweiligen Presselement 4 gegenüberliegt. Dadurch kann mit der jeweiligen Festkörperwärmepumpe 3 eine Temperierung des jeweiligen Temperierungsabschnitts 7 durch das jeweilige Presselement 4 hindurch bzw. mit einem Wärmefluss W im jeweiligen Presselement 4 zwischen der Festkörperwärmepumpe 3 und dem Temperierungsabschnitt 7 umgesetzt werden. Vorzugsweise ist die jeweilige Festkörperwärmepumpe 3 jeweils durch ein, insbesondere mehrere, Peltier-Elemente gebildet, um mit den Peltier-Elementen den jeweiligen Temperierungsabschnitt 7 zu temperieren, insbesondere zu heizen oder zu kühlen.
Das jeweilige Presselement 4 ist üblicherweise mit einer Stützstruktur 5 der Presseinrichtung verbunden, um durch Kraftbeaufschlagung der Stützstruktur 5 die Presskraft F auf das Presselement 4 aufzubringen. Vorteilhaft ist es, wenn in Draufsicht auf die Pressfläche 6 des jeweiligen Presselementes 4 die Stützstruktur 5 zwischen den am Presselement 4 angeordneten Festkörperwärmepumpen 3 mit dem Presselement 4 verbunden ist.
In Fig. 2 ist eines der Presselemente 4 der Testvorrichtung 1 der Fig. 1 mit auf dem Presselement 4 angeordneten Festkörperwärmepumpen 3 schematisch dargestellt. Die Stützstruktur 5 ist in Fig. 2 nicht dargestellt, um eine Anordnung der Festkörperwärmepumpen 3 ersichtlich darzustellen. Die Festkörperwärmepumpen 3 sind am Presselement 4 auf einer der Pressfläche 6 gegenüberliegende Seite des Presselementes 4 in mehreren Reihen angeordnet. Die jeweilige Festkörperwärmepumpe 3 ist wärmeübertragend mit dem Presselement 4 verbunden. Dadurch sind korrespondierend zu den Festkörperwärmepumpen 3 die Temperierungsabschnitte 7 der Pressfläche 6 in mehreren Reihen angeordnet. In analoger Weise können am anderen Presselement 4 Festkörperwärmepumpen 3 in mehreren Reihen angeordnet sein. Das jeweilige Presselement 4 kann beispielsweise eine Längserstreckung und/oder eine Breitenerstreckung jeweils zwischen 10 cm und 500 cm, insbesondere zwischen 20 cm und 100 cm, bevorzugt 40 cm, aufweisen. Die jeweilige Festkörperwärmepumpe 3, insbesondere deren Peltier-Element, bzw. eine Kontaktfläche dieser mit dem Presselement 4 zur Wärmeübertragung kann beispielsweise eine Längserstreckung und/oder eine Breitenerstreckung jeweils zwischen 1 cm und 10 cm, insbesondere zwischen 2 cm und 7 cm, bevorzugt 5 cm, aufweisen. Üblicherweise sind die Längserstreckung und die Breitenerstreckung des Presselementes 4 bzw. der Festkörperwärmepumpe 3 jeweils im Wesentlichen parallel zur Pressfläche 6 des jeweiligen Presselementes 4 orientiert.
Wenn die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen 3 gebildet ist, sodass im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie 2 bzw. mehrere Temperierungsabschnitte 7 der Pressfläche 6 des jeweiligen Presselementes 4, insbesondere individuell, temperierbar sind, ist eine Temperierung mehrerer Bereiche der Batterie 2, insbesondere deren Oberfläche, mit schneller Reaktionsfähigkeit ermöglicht. Dadurch kann auf Temperaturänderungen der Batterie 2, insbesondere wenn die Temperaturänderungen inhomogen verteilt auf der Batterie 2 erfolgen, mit einer angepassten Temperierung und/oder mit einer angepassten Beaufschlagung der Batterie 2 mit der Presskraft F durch die Presseinrichtung, zeiteffizient reagiert werden. Dies ermöglicht eine Ermittlung von elektrischen Eigenschaften der Batterie 2 in Abhängigkeit von der Temperatur und Presskraft F mit hoher Genauigkeit.

Claims

Patentansprüche
1 . Testvorrichtung (1) zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie (2), insbesondere zur Batteriemodellierung, wobei die Testvorrichtung (1) eine Presseinrichtung zum Ausüben einer variierbaren Presskraft (F) auf eine in einem Einsatzzustand mit der Testvorrichtung (1) gekoppelte Batterie (2) und eine Temperierungseinrichtung zum gesteuerten Temperieren der Batterie (2) während einer Beaufschlagung der Batterie (2) mit der Presskraft (F) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen (3) gebildet ist, wobei die Festkörperwärmepumpen (3) derart angeordnet sind, dass mit den Festkörperwärmepumpen (3) im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie (2), insbesondere individuell, temperierbar sind.
2. Testvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperwärmepumpen (3) derart mit der Presseinrichtung gekoppelt sind, dass die Festkörperwärmepumpen (3) während eines Ausübens der Presskraft (F) auf die Batterie (2) nicht mit der Presskraft (F) beaufschlagt sind.
3. Testvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Presseinrichtung mehrere relativ zueinander bewegbare Presselemente (4) aufweist, um die Batterie (2) zwischen Pressflächen (6) der Presselemente (4) anzuordnen und mit Bewegen der Pressflächen (6) relativ zueinander die Presskraft (F) auf die Batterie (2) aufzubringen, wobei die Festkörperwärmepumpen (3) mehrere Temperierungsabschnitte (7) der Pressfläche (6) zumindest eines der Presselemente (4) definieren, um die Temperierungsabschnitte (7) mit den Festkörperwärmepumpen (3), insbesondere individuell, zu temperieren.
4. Testvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsabschnitte (7) der Pressfläche des Presselementes in mehreren Reihen entlang der Pressfläche angeordnet sind.
5. Testvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperwärmepumpen (3) an einer von der Pressfläche (6) abgewandten Seite des Presselementes (4) mit dem Presselement (4) verbunden sind.
6. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Festkörperwärmepumpen (3) zur Temperierung mit einem Peltier-Element ausgebildet sind.
7. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Festkörperwärmepumpen (3) eine magnetokalorische Wärmepumpe ist, welche ausgebildet ist, zur Temperierung ein magnetisches Material der Festkörperwärmepumpe (3) mit einem Magnetfeld zu beaufschlagen, um eine Temperatur des magnetischen Materials zur Generierung eines Wärmeflusses zu ändern.
8. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Festkörperwärmepumpen (3) eine elastokalorische Wärmepumpe ist, welche ausgebildet ist, zur Temperierung ein Verformungsmaterial, insbesondere ein Formgedächtnismaterial, zu verformen, um eine Temperatur des Verformungsmaterials zur Generierung eines Wärmeflusses zu ändern.
9. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Testvorrichtung (1) ein oder mehrere Wärmetauscher aufweist, welche mit den Festkörperwärmepumpen (3) gekoppelt sind, um mit den Wärmetauschern Wärme von den Festkörperwärmepumpen (3) abzuführen oder diesen zuzuführen.
10. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Testvorrichtung (1) mehrere Temperatursensoren zur Temperaturbestimmung aufweist, um eine Steuerung, insbesondere Regelung, der Festkörperwärmepumpen (3) abhängig von Messdaten der Temperatursensoren durchzuführen.
11. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Testvorrichtung (1) eine Steuerungseinrichtung aufweist, welche ausgebildet ist, die Festkörperwärmepumpen (3), insbesondere abhängig von einer Temperaturbestimmung mit Temperatursensoren, zu steuern, insbesondere zu regeln.
12. Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Presselemente (4) mit einer Stützstruktur (5) der Testvorrichtung (1) verbunden ist, um über die Stützstruktur (5) die Presskraft (F) auf das Presselement (4) aufzubringen, wobei die Stützstruktur (5) mit miteinander verbundenen Balken, insbesondere in Form eines Stabwerkes oder Fachwerkes, gebildet ist.
13. Verfahren zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften einer Batterie (2), insbesondere zur Batteriemodellierung, wobei eine Batterie (2) mit einer Testvorrichtung (1), insbesondere einer Testvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekoppelt ist, wobei mit einer Presseinrichtung der Testvorrichtung (1) eine variierbare Presskraft (F) auf die Batterie (2) ausgeübt wird und während des Ausübens der Presskraft (F) auf die Batterie (2) die Batterie (2) mit einer Temperierungseinrichtung der Testvorrichtung (1) temperiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung mit mehreren Festkörperwärmepumpen (3) gebildet ist, wobei die Festkörperwärmepumpen (3) derart angeordnet sind, dass mit den Festkörperwärmepumpen (3) im Einsatzzustand mehrere Bereiche der Batterie (2), insbesondere individuell, temperiert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperwärmepumpen (3) derart gesteuert, insbesondere geregelt, werden, dass ein Temperaturgradient entlang einer Pressfläche (6) zumindest eines Presselementes (4) der Presseinrichtung, mit welcher Pressfläche (6) die Presskraft (F) auf die Batterie (2) aufgebracht wird, erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperwärmepumpen (3) derart gesteuert, insbesondere geregelt, werden, dass eine vorgegebene ungleichmäßige Temperaturverteilung entlang einer Pressfläche (6) zumindest eines Presselementes (4) der Presseinrichtung, mit welcher Pressfläche (6) die Presskraft (F) auf die Batterie (2) aufgebracht wird, erzeugt wird.
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