Mechanische Batterieprüfung mit Kraftsensoren

1 Motivation

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

Im Jahr 2014 beschrieb Florian Grimsmann [1] eine Methode, mit der eine Veränderung der Zelldicke während des Lade- und Entladevorgangs gemessen werden kann. Er hat auch erfolgreich die Veränderungen in den Abmessungen von Batteriezellen gemessen, die auf irreversible Veränderungen der Dicke (Lithium-Plating) bei sehr niedrigen Temperaturen oder hohen Ladeströmen zurückzuführen sind.

Abgesehen von der Kraft wird in den Zellen während der Lade- und Entladezyklen auch Wärme erzeugt. Daher ist die Auswirkung eines Temperaturgradienten auf den Kraftaufnehmer zu erwarten, da er in direktem mechanischen Kontakt mit den Prüfkörpern steht. Die Tests können sehr lange laufen, ohne dass ein Nullabgleich der Messkette möglich ist. Kleine Kraftänderungen müssen zuverlässig erkannt werden, weshalb eine geringe Messunsicherheit wichtig ist.

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

Der typische mechanische Aufbau besteht aus einem Kraftrahmen. Die zu testende 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. Die folgende Abbildung zeigt ein Einrichtungsbeispiel.

3 Radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer (HBK-Serien U10M und C10)

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

Die Kraft wird in das innere Zentralgewinde [1] des U10M eingeleitet und über die Gelenke [2] auf den äußeren Flansch [3] übertragen. Dieser äußere Flansch wird entweder auf einen Adapter geschraubt oder direkt auf ein Bauelement montiert (Abb. 1).

Die Anwendung von Kraft führt zu einer mechanischen Beanspruchung der Verbindungen, die wiederum zu einer Dehnung führt. Die Dehnungsmessstreifen sind in einem Winkel von 45 Grad angebracht, um die durch Scherspannung verursachte Dehnung zu messen. Das Belastungsfeld ist im Diagramm in Abbildung 4 dargestellt. Es spielt keine Rolle, wo die Dehnung im Bereich des Messgitters auftritt, was für die Verwendung von Dehnungsmessstreifen von Vorteil ist.

Es gibt keine ausgeprägten Dehnungsmaxima, wie sie von anderen Messkörperprinzipien bekannt sind. Schäden an Dehnungsmessstreifen entstehen durch die höchste Belastung. Das Dehnungsfeld, das nach dem Scherkraftprinzip gewonnen werden kann, ist daher besonders günstig.

Das FEM-Modell zeigt, dass bei Krafteinwirkung eine Verformung nur in den Bereichen auftritt, in denen die Dehnungsmessstreifen installiert sind (Abb. 2, rechte Abbildung) - alle anderen mechanischen Spannungen sind geringer. Höhere Dehnungen sind durch die Farbe Rot gekennzeichnet, während Blau keine oder nur geringe mechanische Belastung anzeigt. Wie Sie sehen können, 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 Scherkraftaufnehmer eine sehr hohe Steifigkeit oder, anders ausgedrückt, eine minimale Verformung unter Last.

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

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

Das Design ermöglicht das Schweißen des Sensors. Dadurch wird es hermetisch verschlossen und erhält eine extrem gute Stabilität in Bezug auf seine messtechnischen Eigenschaften.

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

Steifheit: Scherkraftsensoren haben eine sehr kleine Auslenkung, um sicherzustellen, dass der Einfluss des Sensors auf das Ergebnis kleiner ist als der Einfluss der übrigen Einrichtung.

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

Unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen: Die Scherkraftsensoren von HBK, d.h. U10 und C10, sind mit acht Dehnungsmessstreifen pro Brücke ausgestattet. Diese Dehnungsmessstreifen sind an vier Scherbalken installiert (Positionen 1-4 in Abb. 6). Es werden immer zwei Dehnungsmessstreifen gegenüberliegend installiert, wobei einer die positive und der andere die negative Dehnung misst. Der Vorteil ist, dass der Einfluss der Temperatur auf jede Verbindung kompensiert wird, um sicherzustellen, dass der Sensor sehr unempfindlich gegenüber Temperaturgradienten ist.

Die hermetische Abdichtung ist garantiert, da alle C10 mit Nennkräften über 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 die C10 zu den präzisesten Kraftaufnehmern in ihrer Klasse.