用于压缩能量存储单体的至少一个区段的装置以及用于电安全性检验的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于压缩能量存储单体的至少一个区段的装置以及用于借助于所述装置检验能量存储单体的区段的电安全性的系统和方法。

背景技术：

1、现代的能量存储单体、例如锂离子蓄电池(锂离子次级电池)通常具有电极结构组件，该电极结构组件包括阳极结构、阴极结构和设置在阳极结构与阴极结构之间的分离器，该电极结构组件与电解液一起设置在能量存储单体的壳体中。阳极结构或阴极结构包括相应的通常金属的电极(例如阳极为铜，阴极为铝)，该电极用活性材料涂布(例如在阳极侧涂布石墨，在阴极侧涂布锂钴氧化物或者锂锰氧化物)。壳体(在圆柱形能量存储单体的情况下称为“罐子”)，通常在外侧涂布绝缘体。

2、绝缘体将壳体在正常情况下相对于环境电绝缘，绝缘体通常应该仅对于锂离子是可通过的。但是如果在制造这种能量存储单体时污物颗粒例如碎片或毛边从金属电极之一进入到活性材料中并且尤其是进入到分离器中，那么在阳极结构与阴极结构之间的短路的风险上升。为了在用户应用能量存储单体期间减小这种风险，能量存储单体可以在制造过程的范围内经受电安全性检验，例如在400v至800v的电压时的高电压检验(所谓的耐压检验，hipot test)。

3、用于按照电池的耐压强度来检验电池的方法例如由文献cn211293185u已知。该文献说明一种用于检测电池的耐压强度的装置，其包括载体板，该载体板具有至少两对检验探头。各检验探头对可以弹性地朝电池的单体汇流排挤压，每个检验探头对包括彼此适配的检验探头。

技术实现思路

1、在这种背景之下，本发明的任务是，提供一种装置，该装置允许在电安全性检验时有效地并且相对简单地以高精度针对由污物颗粒引起的故障来检验能量存储单体的至少一个区段。此外，本发明的任务是，提供用于能量存储单体的至少一个区段的电安全性检验的相应的系统和相应的方法。

2、所述装置设置用于压缩(即挤压/压紧)能量存储单体的至少一个区段，并且包括第一模板元件和第二模板元件，该第一模板元件具有第一接纳区段。第一接纳区段设置用于将能量存储单体的所述区段至少局部地接纳。第二模板元件可以相对于第一模板元件在敞开位置与关闭位置之间运动。在第二模板元件的敞开位置中，能量存储单体的所述区段在至少局部地接纳到第一接纳区段中的情况下能安装到所述装置中。第一模板元件和第二模板元件在关闭位置中共同确定一个包含第一接纳区段的空腔，该空腔构成用于将能量存储单体的所述区段以夹紧的方式接纳，使得所述区段基本上(仅仅)弹性地压缩。

3、按本发明的装置因此尤其是设计成，使得能量存储单体的所述区段以预定义方式被挤压，所述预定义方式在第二模板元件的关闭位置中基于能量存储单体的所述区段的尺寸通过所述空腔的尺寸适配。第二模板元件相对于第一模板元件的关闭位置可以尤其是以如下方式为特征：所述空腔占据其最小容积或者其最小尺寸；和/或第一模板元件被所述装置的限制器件阻止进一步朝第二模板元件运动。因为能量存储单体的所述区段基本上弹性压缩，在松开压缩之后，如果该区段不再夹紧在第一模板元件与第二模板元件之间，尤其是在敞开位置中，该区段基本上占据其原始形状和尺寸。“基本上弹性压缩”在此意味着弹性挤压/压紧。在这种联系中，如果所述区段的尺寸在挤压之前和之后相差最多10％或者最多5％或者最多2％，那么该区段是基本上弹性压缩的。

4、按本发明的装置允许，按预定义方式挤压能量存储单体的所述区段、尤其是卷绕的电极结构组件(电极卷)，而不损害或者甚至破坏该区段，所述预定义方式适配于所述区段的尺寸。本发明尤其是基于以下认识：通过压缩而主要地挤压能量存储单体的多孔的软的层、尤其是分离器或者绝缘层。处于这些层中的异物例如毛边或金属颗粒(它们在能量存储单体的寿命期间可能导致短路并且最终导致火灾事件)比分离器或绝缘层明显更刚性，并且因此总是仅仅微小地压缩。

5、通过所述区段的基本上弹性的压缩，在异物与阳极结构之间的距离以及在异物与阴极结构之间的距离可以被减小，使得在较小电压时能够执行电安全性检验、尤其是耐压检验或者高压检验(耐压检验，hipot test)。能量存储单体的所述区段可以更完好地被检验。此外，本发明考虑以下情况：能量存储单体在寿命上略微地膨胀，其中，在单体中的内压上升并且尤其是分离器被挤压。因此本发明按协同方式允许，在高压检验期间模拟这种状态并且可靠地确定有故障的能量存储单体、尤其是具有提高的短路风险的能量存储单体。

6、本发明尤其是可以应用于圆柱形的能量存储单体或者棱柱形的能量存储单体。在每一种情况下，所述空腔(在关闭位置中)可以在其尺寸和几何形状方面在能量存储单体的所述区段的最终的基本上弹性压缩的状态中基本上与能量存储单体的所述区段对应。换言之，所述空腔的形状和尺寸基本上对应于能量存储单体的压缩的区段的形状和尺寸。尤其是可以规定，所述空腔与能量存储单体的所述区段具有相同的对称性。

7、能量存储单体的所述区段可以包括或者是：能量存储单体的电极结构组件、能量存储单体的具有外侧的绝缘层的壳体、或者能量存储单体的具有外侧的绝缘层以及具有设置在壳体中的电极结构组件的壳体。所述区段可以还通过整个能量存储单体构成。所述绝缘层可以是聚对苯二酸乙二醇酯膜(pet膜)。所述电极结构组件可以尤其是堆叠的，或者可以卷绕成圆柱形的或者平坦的电极卷(所谓的芯卷，jelly roll)。它可以包含阳极结构、阴极结构以及设置在阳极结构与阴极结构之间的分离器。在这些情况之中的每一种情况下，所述区段的弹性压缩可以包括：所述分离器在关于其中心主平面的横向方向上挤压。在本技术的上下文中，这种横向方向不仅在圆柱形的能量存储单体中而且在棱柱形的能量存储单体中也称为径向方向。在后一情况下，因此，径向方向可以对应于与能量存储单体的主延伸方向成横向的方向。

8、所述装置可以构成为箱形的或者棺材形的。优选地，所述第一模板元件和第二模板元件具有相同的形状和/或相同的横截面。尤其是可以规定，第二模板元件具有第二接纳区段。在这种情况下，所述空腔可以不仅包括第一接纳区段而且包括第二接纳区段。第一和/或第二接纳区段优选地构成为在第一/第二模板元件中的凹部，使得能量存储单体的所述区段在第二模板元件的敞开位置中能够定位在第一/第二接纳区段中。另外，第一模板元件和第二模板元件可以在关闭位置中关于在第一模板元件与第二模板元件之间居中地延伸的对称平面以面对称的方式构成。

9、在一种方案中，第一和第二模板元件构成为两个优选(基本上)相同的半壳。能量存储单体的所述区段在敞开位置中不定位在一个模板元件中，该模板元件可以因此简单地翻开到或者安放到能量存储单体的所述区段以及相应的另一个模板元件上，以便将第二模板元件置于其关闭状态中。第一和第二模板元件可以具有c形横截面。尤其是一个圆柱形的能量存储单体按这种方式相对简单地沿着其整个外周可以被挤压。

10、已说明的是，所述装置优选可以设有用于最小空腔容积的限制器件。该限制器件可以例如构成为在第一模板元件与第二模板元件之间的接触区段，两个模板元件在该接触区段上处于(直接的或间接的)接触中。如果第一模板元件和第二模板元件具有c形横截面，那么所述接触区段优选地——在横截面中观察——设置在从基础区段延伸出的支腿上，尤其是设置在这些支腿的与基础区段背离的端部上。限制器件可以还包括设置在第一或第二模板元件的外侧上的固定器件，所述固定器件可以构造用于，将第二模板元件保持在关闭位置中。所述固定器件可以例如包括一个或多个铰链、插栓和/或弹簧锁。

11、所述限制器件优选具有功能：将能量存储单体的所述区段通过第一模板元件和第二模板元件的压缩基本上限制直至能量存储单体的所述区段的弹性极限。如果能量存储单体的所述区段包括多个层(尤其是金属电极、活性材料和分离器)，该弹性极限可以针对所有层的整体或者替选地针对所述区段的具有最低弹性模量的层、尤其是分离器或者在能量存储单体的外周面上的绝缘层。基本上直至弹性极限，在此意味着，关于在径向方向上挤压的弹性极限可以完全不超过或者最大5％，或者最大10％。因此，在最后两种情况下发生可忽略地小的塑性挤压。

12、压缩通过限制器件来限制，可以借助于施加到能量存储单体的所述区段上的作用力/应力的直接限制和/或借助于通过限制位移来直接限制挤压而实现。如果圆柱形的能量存储单体的所述区段例如具有厚度x的分离器并且电极结构包括n个圈(围绕电极卷的纵轴线的绕圈)，假设金属电极和活性材料的压缩是可忽略的，那么所述区段由于压缩10％而减小了直径差d＝x*n*0.1。在50个圈和分离器的厚度为20μm的情况下，该差值例如为100μm。

13、在第二模板元件的关闭位置中，所述能量存储单体的所述区段基本上完全处于所述空腔中，也就是说被限定所述空腔的壁包围。所述空腔可以是基本上封闭的。尤其是第一模板元件和第二模板元件可以分别具有限定所述空腔的、基本上优选封闭的内壁，所述内壁可以与能量存储单体的所述区段处于接触中。这尤其是在以下情况是有利的：所述空腔的几何形状基本上对应于所述能量存储单体的所述区段(尤其是在夹紧的/基本上弹性压缩的状态中)的几何形状。第一和/或第二接纳区段优选设置用于，在敞开位置中形锁合地接纳所述能量存储单体的所述区段，这种形锁合的接纳可以通过将第二模板元件置于其关闭位置中而改变成在两个模板元件之间的力锁合的接纳。

14、能量存储单体在压缩状态中(如果第二模板元件处于关闭位置中)的尺寸通过空腔的尺寸确定。因此，所述装置设计成用于与能量存储单体的确定的区段(例如电极卷或者带有绝缘层的壳体)一起应用。因此，(未压缩的或者压缩的)能量存储单体的尺寸定义所述空腔的尺寸。所述空腔可以——尤其是径向地、即在垂直于能量存储单体的所述区段的主延伸方向的方向上——设计尺寸，使得所述能量存储单体的所述区段在该方向上弹性压缩一个预定的尺度，如果第二模板元件处于关闭位置中的话。在此也明确地公开按本发明的装置与能量存储单体的配属的区段的组合体。

15、所述装置可以还包括可膨胀的软管元件，该软管元件优选沿着一个在关闭位置中在第一与第二模板元件之间延伸的平面或者轴线能导入到一个在第一与第二模板元件之间的区域中。为此，第一和/或第二模板元件在一个或两个端面上设有相应一个与软管元件对应的开口/钻孔。导入到第一与第二模板元件之间的区域中的可膨胀的软管元件限制所述空腔，优选地如此限制所述空腔，使得所述空腔在这种情况下在软管元件的外周面与第一和第二模板元件的内周面之间延伸。

16、如果所述能量存储单体的所述区段是围绕卷轴线卷绕的电极结构组件(圆柱形的卷或者扁卷)，所述软管元件优选与卷轴线平行地或者沿着卷轴线在卷绕的电极结构组件的内室中延伸，优选穿过卷绕的电极结构组件。可膨胀的软管元件优选设置用于，尤其是通过提高在其内部中的介质的压力，增大其直径(外直径)。该软管元件因此可以将能量存储单体的所述区段在径向外部朝第一和/或第二模板元件的方向挤压，以便有助于期望的压缩。

17、能量存储单体的所述区段的压缩优选通过减小在第一与第二模板元件之间的可供能量存储单体的所述区段使用的容积、尤其是所述空腔的容积来实现。这种减小可以如上所述仅仅通过第一与第二模板元件在运动到关闭位置中时的共同作用(没有软管元件)来提供。替选地，所述能量存储单体的所述区段可以安装到第一模板元件与第二模板元件之间，并且第二模板元件可以在没有压缩能量存储单体的所述区段的情况下置于其关闭位置中。在这种情况下，可膨胀的软管元件可以导入到能量存储单体的所述区段中、尤其是导入到所述区段的芯部中，并且膨胀，使得软管元件将能量存储单体的所述区段在径向外部朝第一和第二模板元件的内壁挤压。

18、另外，已提及的两种压缩机制可以相互组合，使得一部分压缩通过第二模板元件运动到关闭位置中而实现，并且另一部分压缩通过软管元件的膨胀并且相应地将能量存储单体的所述区段在径向外部朝第一和第二模板元件的内壁挤压而实现。在具有19mm～21mm的外直径的圆柱形的能量存储单体的情况下(例如类型为21700、20650或者19650)，用于压缩卷绕的电极结构组件的压缩力优选在4kn与20kn之间，极其优选大约6kn；并且对于压缩能量存储单体的具有外侧绝缘层的壳体，压缩力优选在4kn与40kn之间，极其优选大约15kn。如果在应用可膨胀的软管元件的情况下实现压缩，那么软管元件的为此应用的内压力优选在0.5巴与3巴之间，极其优选在1巴与2巴之间，分别超过环境压力。

19、在此建议的系统设置用于能量存储单体的区段的电安全性检验，并且包括在上文中详细地说明的用于压缩能量存储单体的至少一个区段的装置以及用于电安全性检验的装置。优选地，电安全性检验是高压检验或者耐压检验。相应地，所述装置尤其是包含高压检验设备。该高压检验设备可以设置用于，在能量存储单体的区段上，尤其是以在50v至100v的预定电压，执行电安全性检验。如在上文中已解释的，如果能量存储单体的区段借助于本发明的装置压缩，那么相对低的电压足够用于检验耐压性。

20、按本发明的方法用于能量存储单体的区段的电安全性检验，并且包括以下步骤：提供上述的用于压缩能量存储单体的至少一个区段的装置或者上述的具有该装置的系统，其中，第二模板元件处于敞开位置中；将能量存储单体的所述区段的至少一个区域定位在第一接纳区段中；通过将第二模板元件从其敞开位置运动到其关闭位置上，关闭所述装置，其中，所述能量存储单体的所述区段夹紧在所述空腔中，使得所述能量存储单体的所述区段被基本上弹性压缩；并且在能量存储单体的弹性压缩的区段上执行电安全性检验、尤其是耐压检验。

21、如果所述装置包括可膨胀的软管元件，该软管元件可以在所述方法中——尤其是与卷轴线平行地——导入到能量存储单体的所述区段中，优选导入到能量存储单体的芯部中。所述空腔的容积、尤其是所述空腔在径向方向上的延伸尺寸可以通过将软管元件的内部容积置于压力之下而减小，以便将能量存储单体的所述区段朝第一和/或第二模板元件的方向挤压/压缩。在一种优选方案中，耐压检验在小于200v、尤其是小于150v、优选最大100v的最大电压的情况下执行。

22、此外，该方法可以具有任意在上文中结合所述装置和/或所述系统说明的特征。尤其是，所述方法可以包含所述装置或所述系统以及它们的组成部分的任意功能，作为方法步骤。