力センサを使用したメカニカルバッテリテスト

1 モチベーション

自動車の電源となる電池は、リチウムイオン方式を採用しており、リチウムイオン電池の負極は一般的に黒鉛でできています。充電中は、リチウムイオンがグラファイトに蓄積され、体積が増加します。

2014年、Florian Grimsmann [1]は、充放電の過程でセルの厚みの変化を測定できる方法を紹介しました。また、極低温や高充電電流での不可逆的な厚み変化（リチウムメッキ）による電池セルの寸法変化の測定にも成功した。

力とは別に、充電と放電のサイクル中にセル内で熱が発生します。したがって、力変換器は試験片と直接機械的に接触しているため、温度勾配の影響は予想されるところです。テストは非常に長い時間実行される可能性があり、測定チェーンのゼロバランスを取る可能性はありません。小さな力の変化を確実に検出する必要があるため、測定の不確かさを低くすることが重要です。

その他、電気的な面での電流や電圧、変位（細胞の変形）の測定など、測定された変数も通常記録される。また、温度情報も重要です。

一般的なメカニカルセットアップは、フォースフレームで構成されています。被測定セルは、一般的に力変換器と機械的に接続され、力を測定することができます。フレームの剛性に高い要求が必要です。設定例を下図に示します。

3 放射状対称型せん断力変換器（HBKシリーズU10M、C10）

U10Mを例に、半径方向に対称なせん断力変換器の測定体を写真とFEMモデルで図2に示す。

力はU10Mの内側の中央ネジ部[1]に導入され、リンク[2]を介して外側フランジ部[3]に伝達されます。このアウターフランジは、アダプターにねじ込むか、構造部材に直接取り付けるかします（図1）。

力が加わると、リンクに機械的なストレスがかかり、ひずみが生じます。ひずみゲージを45度の角度で設置し、せん断応力によるひずみを測定しています。図4の図に歪みのフィールドを示す。測定グリッドの領域内のどこにひずみが発生しても構わないので、ひずみゲージを使用する上で有利です。

他の測定体の原理で知られているような、明確な歪みの最大値は存在しない。ひずみゲージの破損は、最も大きなひずみにより発生します。そのため、剪断力の原理に従って得られる歪みの場が特に好ましい。

FEMモデルでは、力が加わると、歪みゲージが設置されている部分のみ変形し（図2右図）、それ以外の機械的応力は小さくなることがわかります。高いひずみは赤色で示され、青色は機械的ストレスがない、またはほとんどないことを示します。このように、歪みゲージが設置されている部分に変形が集中していることがわかります。全体として、荷重による変形は非常に小さいです。剛性は力と変位（力による変形）の比から求められるため、ラジアル対称のせん断力変換器は非常に高い剛性、つまり荷重による変形が少ないということが言えます。

HBKでは、この力変換器に通常のコンスタンタンひずみゲージではなく、クロム・ニッケルひずみゲージのみを使用しています。コンスタンタンはコスト面で有利ですが、クロム・ニッケル素材は感度が高く、ドリフトが発生しにくいという利点があります。力センサーのゼロ点は、長い間非常に安定しています。

感度の向上と有利な歪み場により、多くのモデルで4mV/Vを超える非常に高い出力信号が得られ、その結果、温度やドリフトの影響を相対的に小さくすることができます。

センサーの溶接が可能な設計になっています。このため、密閉性が高く、計量的な安定性が極めて高い。

HBKはセンサーの安定性を証明するために複雑な内部テストを行い、700時間におけるゼロ点の典型的なドリフトが約200ppm（フルスケール値の）であることを示しました。スイッチオン・ドリフトの後、力変換器は温度が上昇してもゼロ信号の変化が極めて小さく、その結果、混じりけのない力測定が可能になります（図5参照）。

[剛性]せん断力センサーは、センサーが結果に与える影響を、残りのセットアップの影響よりも小さくするために、非常に小さな変位を持っています。

ドリフトが少ない：C10型変換器は出力信号が4mV/Vであるため、ドリフトの影響はフルスケール値に対して評価することになるため、ドリフトの影響は小さい。さらに、ひずみゲージはCrNiをベースとしているため、特に安定性が高く、その結果、ゼロ点安定性に優れています。ご要望に応じて、1年間のドリフトを推定するためのターゲットレポートを提供します。

温度勾配に鈍感： HBK製のせん断力センサー、すなわちU10とC10は、1つのブリッジに8個のひずみゲージを備えています。これらのひずみゲージは、4本のせん断梁（図6の1～4番目の位置）に設置されています。ひずみゲージは必ず2つ対向して設置し、一方はプラス、もう一方はマイナスのひずみを測定する。また、各リンクの温度の影響を補正することで、温度勾配の影響を受けにくいセンサーを実現しています。

公称荷重が10kNを超えるC10はすべて溶接されており、「ケーブル内蔵型」オプションでIP68を達成し、高湿度の影響を受けても安定して動作するため、密閉性が保証されています。C10は、0.02または0.05の精度クラスを持つ、このクラスで最も精密な力変換器の一つです。