Mechanische Batterieprüfung mit Kraftsensoren

1 Motivation

Batterien als Energiequellen für Kraftfahrzeuge basieren auf Lithium-Ionen-Systemen, wobei die Lithium-Ionen-Zellen in der Regel Anoden aus Graphit haben. Während des Ladevorgangs werden Lithium-Ionen im Graphit gespeichert, was zu einer Volumenzunahme führt.

Im Jahr 2014 beschrieb Florian Grimsmann [1] eine Methode, die es ermöglicht, eine Änderung der Zelldicke während des Lade- und Entladevorgangs zu messen. Er vermaß auch erfolgreich die Veränderungen der Abmessungen von Batteriezellen durch irreversible Dickenänderungen (Lithium-Plating) bei sehr niedrigen Temperaturen oder hohen Ladeströmen.

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Beim Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Akkus kommt es somit zu reversiblen und irreversiblen mechanischen Effekten. Neben der Messung von Änderungen der Abmessungen der Zellen ist in letzter Zeit auch die Messung der Kräfte, die sich aus den Lade- und Entladezyklen ergeben, und die Wirkung des Lithium-Platings in den Fokus gerückt.

Um diese Kräfte zuverlässig zu messen – auch über sehr lange Zeiträume, stehen zuverlässige Sensoren zur Verfügung, die auch unter ungünstigen klimatischen Bedingungen sicher arbeiten. Die zu prüfende Zelle ist in Reihe mit dem Kraftaufnehmer angeordnet.

2 Grundbedingungen für Batterietests

Die mechanische Prüfung von Batterien findet häufig unter genau eingestellten Temperaturbedingungen statt. Auch Temperaturen von unter 0 °C oder 80 °C können in den Klimakammern erreicht werden.

FIG. 1: GRUNDKONZEPT EINES TESTAUFBAUS ZUR MESSUNG DER KRAFTWIRKUNG VON BATTERIEZELLEN

Neben der Kraft entsteht während der Lade- und Entladezyklen auch Wärme in den Zellen, so dass die Auswirkung eines Temperaturgradienten auf den Kraftaufnehmer zu erwarten ist, da dieser in direktem mechanischen Kontakt mit den Prüflingen steht. Die Tests können sehr lange laufen, ohne dass die Messkette mit Null abgeglichen werden kann. Kleine Kraftänderungen müssen zuverlässig erkannt werden, daher ist eine geringe Messunsicherheit wichtig.

Andere Messgrößen, wie Strom und Spannung auf der elektrischen Seite und die Messung der Verschiebung (Verformung der Zellen) werden in der Regel ebenfalls erfasst. Auch die Temperaturinformationen sind von Bedeutung.

Der typische mechanische Aufbau besteht aus einem Kraftrahmen. Die zu prüfende Zelle ist in der Regel mechanisch mit einem Kraftaufnehmer verbunden, um eine Kraftmessung zu ermöglichen. An die Steifigkeit des Rahmens müssen hohe Anforderungen gestellt werden. Ein Beispiel für eine Einrichtung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

3 radialsymmetrische Querkraftaufnehmer (HBK-Serie U10M und C10)

Am Beispiel eines U10M ist der Messkörper eines radialsymmetrischen Querkraftaufnehmers auf einem Foto und in Abbildung 2 als FEM-Modell dargestellt.

Die Kraft wird in das innere Mittelgewinde des U10M [1] eingeleitet und über die Glieder [2] auf den Außenflansch [3] übertragen. Dieser Außenflansch wird entweder auf einen Adapter geschraubt oder direkt auf ein Bauteil montiert (Abb. 1).

FIG. 2: RADIALLY-SYMMETRIC SHEAR-FORCE TRANSDUCER U10M. FEDERELEMENT (LINKS) UND FEM-MODELL (RECHTS). WEITERE INFORMATIONEN FINDEN SIE IM HAUPTTEXT

FIG. 3: C10 RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTSENSOR FÜR DRUCKKRÄFTE. AUSFÜHRUNGEN MIT ANGESCHRAUBTEM FUSSADAPTER (LINKS) UND ALS MESSFLANSCH (SENSOREN AUF DER RECHTEN SEITE)

Durch die Krafteinwirkung kommt es zu einer mechanischen Belastung der Glieder, die wiederum eine Dehnung zur Folge hat. Die Dehnungsmessstreifen werden in einem Winkel von 45 Grad installiert, um die Dehnung zu messen, die sich aus der Schubspannung ergibt. Das Dehnungsfeld ist im Diagramm in Abbildung 4 dargestellt. Dabei spielt es keine Rolle, wo die Dehnung im Bereich des Messgitters auftritt, was für den Einsatz von Dehnungsmessstreifen von Vorteil ist.

Es gibt keine eindeutigen Dehnungsmaxima, wie man sie von anderen Messkörperprinzipien kennt. Beschädigungen von Dehnungsmessstreifen treten durch die höchste Dehnung auf. Das Dehnungsfeld, das nach dem Scherkraftprinzip erhalten werden kann, ist daher besonders günstig.

Das FEM-Modell zeigt, dass bei Krafteinwirkung die Verformung nur in den Bereichen auftritt, in denen die Dehnungsmessstreifen eingebaut sind (Abb. 2 rechte Abbildung) – alle anderen mechanischen Spannungen sind geringer. Höhere Dehnungen werden durch die Farbe Rot angezeigt, wobei Blau keine oder geringe mechanische Belastung anzeigt. Wie zu sehen ist, konzentrieren sich die Verformungen auf den Bereich, in dem die Dehnungsmessstreifen installiert sind. Insgesamt ist die Verformung unter Last sehr gering. Da sich die Steifigkeit aus dem Verhältnis von Kraft und Weg (d.h. der Verformung unter Kraft) ergibt, erreichen radialsymmetrische Querkraftaufnehmer eine sehr hohe Steifigkeit, d.h. eine minimale Verformung unter Last.

HBK verwendet in diesen Kraftaufnehmern ausschließlich Chrom-Nickel-Dehnungsmessstreifen anstelle der üblichen Constantan-Dehnungsmessstreifen. Constantan bietet Kostenvorteile; Chrom-Nickel-Material hat jedoch den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit und einer deutlich besseren Driftfreiheit. Der Nullpunkt des Kraftsensors bleibt über lange Zeit sehr stabil.

FIG. 4: RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTAUFNEHMER: DEHNUNGSFELD IM BEREICH DER MESSGITTER DER EINGEBAUTEN DEHNUNGSMESSSTREIFEN

FIG. 5: RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTAUFNEHMER: LANGZEITSTABILITÄT BEI ERHÖHTER TEMPERATUR (40 °C). NACH ABLAUF DER EINFAHRPHASE WEISEN ALLE KRAFTAUFNEHMER EIN SEHR STABILES VERHALTEN AUF – DIE GERINGE DRIFT ERMÖGLICHT ES, MESSUNGEN ÜBER LANGE ZEITRÄUME OHNE NULLAUSGLEICH DURCHZUFÜHREN

Die erhöhte Empfindlichkeit und das günstige Dehnungsfeld ermöglichen bei vielen Modellen sehr hohe Ausgangssignale von über 4 mV/V und damit einen geringen relativen Einfluss von Temperatur und Drift.

Die Konstruktion ermöglicht das Schweißen des Sensors. Diese dichtet hermetisch ab und verleiht ihm eine extrem gute Stabilität in Bezug auf seine messtechnischen Eigenschaften.

HBK hat komplexe interne Tests durchgeführt, um die Stabilität der Sensoren nachzuweisen, und es wurde gezeigt, dass die typische Drift des Nullpunkts über 700 Stunden etwa 200 ppm (des Skalenendwerts) beträgt. Nach einer Einschaltdrift zeigen die Kraftaufnehmer auch bei erhöhten Temperaturen eine extrem geringe Änderung des Nullsignals, was wiederum unverfälschte Kraftmessungen ermöglicht (siehe Abb. 5).

4 Anforderungen an den Kraftaufnehmer/Warum Scherkraftaufnehmer in dieser Anwendung verwenden?

Wie oben beschrieben, werden Tests über einen langen Zeitraum unter anspruchsvollen Bedingungen durchgeführt. Das Anforderungsprofil sieht wie folgt aus:

Hohe Sensorsteifigkeit
Geringe Drift des Nullpunkts auch über lange Testzeiten und bei erhöhten Temperaturen
Unempfindlich gegen Temperaturgradienten
Hermetisch abgedichtet zur Minimierung von Umwelteinflüssen (z.B. durch Kondenswasser)
Hervorragende Genauigkeit auch bei minimalen Kraftschwankungen

Der radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer C10 erfüllt all diese Anforderungen

Steifigkeit: Scherkraftsensoren haben eine sehr kleine Verschiebung, um sicherzustellen, dass der Einfluss des Sensors auf das Ergebnis geringer ist als der Einfluss des restlichen Aufbaus.

Geringe Drift: Die C10-Wandler haben ein Ausgangssignal von 4 mV/V, daher ist der Einfluss der Drift gering, da der Drifteinfluss relativ zum Skalenendwert zu beurteilen ist. Darüber hinaus basieren die Dehnungsmessstreifen auf CrNi und können daher besonders gut stabilisiert werden, was zu einer hervorragenden Nullpunktstabilität führt. Ein gezielter Bericht, der hilft, die Abdrift für ein Jahr abzuschätzen, kann auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden.

Unempfindlich gegen Temperaturgradienten: Die Scherkraftsensoren von HBK, d.h. U10 und C10, sind mit acht Dehnungsmessstreifen pro Brücke ausgestattet. Diese Dehnungsmessstreifen sind auf vier Scherbalken montiert (Positionen 1–4 in Abb. 6). Es werden immer zwei Dehnungsmessstreifen gegenüberliegend installiert, von denen einer die positive und der andere die negative Dehnung misst. Der Vorteil besteht darin, dass der Einfluss der Temperatur auf jedes Glied kompensiert wird, so dass der Sensor sehr unempfindlich gegenüber Temperaturgradienten ist.

Hermetische Abdichtungist gewährleistet, da alle C10 mit Nennkräften größer 10 kN verschweißt sind und mit der Option "fest integriertes Kabel" IP68 erreichen und auch bei hoher Luftfeuchtigkeit stabil arbeiten. Mit Genauigkeitsklassen von 0,02 oder 0,05 gehören C10 zu den genauesten Kraftaufnehmern ihrer Klasse.

FIG. 6: POSITIONEN DER DEHNUNGSMESSSTREIFEN IN EINEM U10/C10. JE EIN DEHNUNGSMESSSTREIFEN, DER EINE POSITIVE UND EINE NEGATIVE KRAFT MISST, BEFINDET SICH IN DEN POSITIONEN 1 BIS 4. DIE DEHNUNGSMESSSTREIFEN WERDEN IN DIE LÖCHER GEKLEBT. ES IST LEICHT ZU ERKENNEN, DASS DIE MECHANISCHEN BELASTUNGEN UNTER BELASTUNG NUR IN DEN BEREICHEN AUFTRETEN, IN DENEN DIE DEHNUNGSMESSSTREIFEN EINGEBAUT SIND (ROTE BEREICHE BEI DEN LINKS)

5 Beurteilung der Messunsicherheit

Eine Prüfung mit einem C10 unter konstanten Temperaturbedingungen von 40 °C über 500 Tage ist im Folgenden zu berücksichtigen.

Bitte beachten Sie folgende Sensorparameter:

Hysterese: 0,04 % von F_Nom

Linearität: 0,035 % von F_Nom

Empfindlichkeitsfehler: 0,1 % des Messwerts, bei angepasster Nennleistung

Temperaturkoeffizient des Nullpunkts: 0,0750 %/10 K

Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit: 0,015 %/10 K

Abdrift/Jahr: Laut HBK-internen Untersuchungen 0,1 %/Jahr

Relatives Kriechen über 30 Minuten: 0,02 % des Messwerts

Umgebungsbedingungen

Temperaturbedingungen:

Temperaturdifferenz zum Referenzwert: 40 °C (für TCC)
Temperaturstabilität: 1 °C (für TCzero)

Kraftangriff:

Zentrale Krafteinleitung mit sehr geringer Toleranz

Nehmen wir ein Szenario mit einer Kraftreaktion an, die über den Testlauf linear zunimmt, beginnend mit Kräften von etwa 100 N bis hin zu Kräften von 100 kN. Zum Einsatz kommt ein Kraftaufnehmer C10/100KN von HBK.

Es ist daher notwendig, den Fehler zu verschiedenen Zeitpunkten über die Zeit-Kraft-Reaktion zu berechnen. Um das Modell einfach zu halten, haben wir einen linearen Kraftanstieg angenommen (0 N am ersten Tag, 100 kN nach 500 Tagen).

Die relevanten Einzelfehler sind in der Tabelle in Abbildung 7 dokumentiert.

Als Beispiel ist das Ergebnis für den hundertsten Tag mit einer Kraft von ca. 20 kN dargestellt.

FIG. 7: ARBEITSBLATT ZUR BERECHNUNG DER MESSUNSICHERHEIT ZU EINEM BESTIMMTEN ZEITPUNKT DES TESTS (20 KN NACH 100 TAGEN). NEBEN DEN TEMPERATURFEHLERN WERDEN AUCH DIE SENSORDRIFT, DER LINEARITÄTSFEHLER UND DIE UNSICHERHEIT DER EMPFINDLICHKEIT BERÜCKSICHTIGT. DIESE BERECHNUNG WIRD FÜR MEHRERE PUNKTE AUF DER ZEITACHSE WIEDERHOLT

Diese Berechnung kann nun für alle Messpunkte wiederholt werden. Das Ergebnis ist in der folgenden Tabelle dargestellt (siehe Abb. 8). Insbesondere kann auch unter diesen schwierigen Messbedingungen eine Messabweichung von ca. 1 % bezogen auf den Messwert erreicht werden. Dies gilt für den absoluten Kraftwert. Kraftschwankungen (z. B. von Ladezyklus zu Ladezyklus) können mit höherer Genauigkeit erkannt werden.

Zum einen steigt die Messunsicherheit, da die physikalisch bedingte Drift berücksichtigt werden muss. Zum anderen nimmt die Kraft zu, so dass der relative Einfluss auf das Messsignal unter den hier gewählten Bedingungen kleiner wird.

FIG. 8: ERGEBNISTABELLE DER MESSUNSICHERHEITSANALYSE MIT EINEM LINEAREN KRAFTANSTIEG ÜBER 500 TAGE VON 100 N AUF 100 KN

Fazit

Für Langzeitmessungen von Kräften auf Batterien müssen hohe Anforderungen an den Sensor gestellt werden, da ein Ausfall des Kraftaufnehmers während der langen Testzeiträume Projekte verzögern und erhebliche Kosten verursachen kann. Hermetisch dichte Scherkraftsensoren – wie der C10 von HBK mit hohem Ausgangssignal und sehr hoher Genauigkeit – stehen zur Verfügung und erfüllen die spezifizierten Anforderungen sicher.

Möchten Sie mehr erfahren?

Sehen Sie sich die Webinar-Aufzeichnung zum Thema mechanische Batterieprüfung an: Physikalische Einzelzellprüfung

Die Sitzung konzentriert sich auf die Kraftmessung als Werkzeug, um die Batteriealterung und physikalische Veränderungen zu verstehen. Es geht um die Erkennung selbst kleinster Kraftänderungen, um sich über Folgendes zu informieren:

Auswirkungen von Laden und Entladen
Einflüsse auf die Messung
Messunsicherheit

Oder beziehen Sie sich auf die anderen Vorträge aus dem Webinar-Reihe zum Testen von Batterien.

Quellen

[1] "Auswirkungen des Ladeprofils auf das Lithium-Plating-Verhalten von Lithium-Ionen-Zellen", Florian Grimsmann, Masterarbeit, Carl von Ossietzky Universität, Oldenburg, Deutschland, S. 19 ff

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2 Grundbedingungen für Batterietests

FIG. 1: GRUNDKONZEPT EINES TESTAUFBAUS ZUR MESSUNG DER KRAFTWIRKUNG VON BATTERIEZELLEN

3 radialsymmetrische Querkraftaufnehmer (HBK-Serie U10M und C10)

FIG. 2: RADIALLY-SYMMETRIC SHEAR-FORCE TRANSDUCER U10M. FEDERELEMENT (LINKS) UND FEM-MODELL (RECHTS). WEITERE INFORMATIONEN FINDEN SIE IM HAUPTTEXT

FIG. 3: C10 RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTSENSOR FÜR DRUCKKRÄFTE. AUSFÜHRUNGEN MIT ANGESCHRAUBTEM FUSSADAPTER (LINKS) UND ALS MESSFLANSCH (SENSOREN AUF DER RECHTEN SEITE)

FIG. 4: RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTAUFNEHMER: DEHNUNGSFELD IM BEREICH DER MESSGITTER DER EINGEBAUTEN DEHNUNGSMESSSTREIFEN

FIG. 5: RADIALSYMMETRISCHER SCHERKRAFTAUFNEHMER: LANGZEITSTABILITÄT BEI ERHÖHTER TEMPERATUR (40 °C). NACH ABLAUF DER EINFAHRPHASE WEISEN ALLE KRAFTAUFNEHMER EIN SEHR STABILES VERHALTEN AUF – DIE GERINGE DRIFT ERMÖGLICHT ES, MESSUNGEN ÜBER LANGE ZEITRÄUME OHNE NULLAUSGLEICH DURCHZUFÜHREN

4 Anforderungen an den Kraftaufnehmer/Warum Scherkraftaufnehmer in dieser Anwendung verwenden?

5 Beurteilung der Messunsicherheit

Umgebungsbedingungen

FIG. 8: ERGEBNISTABELLE DER MESSUNSICHERHEITSANALYSE MIT EINEM LINEAREN KRAFTANSTIEG ÜBER 500 TAGE VON 100 N AUF 100 KN

Fazit

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Quellen

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