힘 센서를 사용한 기계적인 배터리 테스트

1 동기부여

자동차 동력원으로 사용되는 배터리는 리튬 이온 시스템을 기반으로 하며 리튬 이온 셀에는 일반적으로 흑연으로 만들어진 전극이 있습니다. 충전 과정에서 리튬 이온이 흑연에 저장되어 부피가 증가합니다.

2014년 Florian Grimsmann [1]은 충전 및 방전 과정에서 셀 두께의 변화를 측정할 수 있는 방법을 설명했습니다. 그는 또한 매우 낮은 온도 또는 높은 충전 전류에서 돌이킬 수 없는 두께 변화 (리튬 도금) 로 인한 배터리 셀의 크기 변화를 성공적으로 측정했습니다.

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따라서 리튬 이온 축전지의 충전 및 방전은 가역적이고 비가역적인 기계적 효과를 초래합니다. 셀 크기의 변화를 측정하는 것 외에도, 최근에는 충전 및 방전 사이클로 인한 힘과 리튬 도금의 효과를 측정하는 것이 주목받고 있습니다.

불리한 기후 조건에서도 안전하게 작동하는 신뢰할 수 있는 센서는 매우 오랜 기간 동안 이러한 힘을 안정적으로 측정할 수 있습니다. 테스트 중인 셀은 힘 변환기와 직렬로 배열되어 있습니다.

2. 배터리 테스트의 기본 조건

배터리의 기계적인 테스트는 종종 정밀하게 설정된 온도 조건에서 수행됩니다. 기후 챔버에서도 0°C 또는 80°C 미만의 온도를 달성할 수 있습니다.

그림. 1: 배터리 셀의 힘 효과를 측정하기 위한 테스트 설정의 기본 설계

힘 외에도 충전 및 방전 주기 동안 셀에서 열이 발생하므로, 힘 변환기는 테스트 샘플과 직접 기계적으로 접촉하므로 온도 기울기의 영향을 받을 것으로 예상됩니다. 측정 체인의 제로 밸런싱을 전혀 맞추지 않고도 테스트를 매우 오랫동안 실행할 수 있습니다. 힘의 작은 변화를 확실하게 감지해야 하므로 측정 불확도를 낮추는 것이 중요합니다.

전기 측면의 전류 및 전압, 변위 측정 (셀 변형) 과 같은 다른 측정 변수도 기록됩니다. 온도 정보 또한 중요합니다.

전형적인 기계 설정은 힘 프레임으로 구성됩니다. 테스트 중인 셀은 일반적으로 힘 측정을 허용하기 위해 힘 변환기에 기계적으로 연결됩니다. 프레임의 강성에 대한 요구가 높습니다. 설정의 예시가 아래 그림에 나와 있습니다.

3. 방사형 대칭 전단력 힘센서 (HBK 시리즈 U10M 및 C10)

U10M의 예를 사용하여, 방사 대칭 전단 힘 변환기의 측정 본체가 사진과 그림 2의 FEM 모델로 표시됩니다.

힘은 U10M의 내부 중앙 나사 [1]에 도입되어 링크 [2]를 통해 외부 플랜지 [3]로 전달됩니다. 이 외부 플랜지는 어댑터에 나사로 고정되거나 구성 요소에 직접 장착됩니다 (그림 1.)

그림. 2: 방사 대칭 전단 힘 변환기 U10M. 스프링 요소(왼쪽) 및 FEM 모델(오른쪽). 자세한 내용은 본문을 참조하십시오.

그림. 3: 압축력을 위한 C10 방사 대칭 전단 힘 센서. 나사식 풋 어댑터 (왼쪽) 와 측정 플랜지 (오른쪽 센서) 가 있는 버전

힘을 가하면 링크에 기계적 응력이 가해져 결국 변형이 발생합니다. 스트레인 게이지는 전단 응력으로 인한 변형을 측정하기 위해 45도 각도로 설치됩니다. 변형 필드는 그림 4의 다이어그램에 표시됩니다. 스트레인 게이지를 사용하는데 도움이 되는 측정 그리드 영역에서 스트레인이 발생하는 위치는 중요하지 않습니다.

다른 측정 본체 원리에서 알려진 것처럼 뚜렷한 변형 최대값은 없습니다. 가장 높은 변형으로 인해 변형 게이지에 손상이 발생합니다. 따라서 전단력 원리에 따라 얻을 수 있는 변형률 영역이 특히 유리합니다.

FEM 모델은 힘이 가해지면 스트레인 게이지가 설치된 부분에서만 변형이 발생한다는 것을 보여줍니다 (그림 2. 오른쪽 그림). 다른 모든 기계적 응력은 더 낮습니다. 변형률이 높을수록 빨간색으로 표시되고 파란색은 기계적 응력이 없거나 거의 없음을 나타냅니다. 보시다시피, 변형은 변형 게이지가 설치된 영역에 집중되어 있습니다. 전반적으로 하중에 의한 변형은 매우 작습니다. 강성은 힘과 변위 (즉, 힘에 의한 변형) 의 비율에서 얻어지기 때문에 방사상 대칭 전단력 트랜스듀서는 매우 높은 강성, 즉 하중에 따른 변형을 최소화합니다.

HBK는 이러한 힘 센서에 일반적인 콘스탄탄 스트레인 게이지 대신 크롬-니켈 스트레인 게이지만 사용합니다. 콘스탄탄은 비용상의 이점을 제공하지만 크롬-니켈 소재는 감도가 높고 드리프트가 훨씬 이점이 있습니다. 힘 센서의 영점은 오랫동안 매우 안정적으로 유지됩니다.

그림. 4: 방사상 대칭 전단력 센서 : 설치된 스트레인 게이지의 측정 그리드 영역의 스트레인 필드

그림. 5: 방사형 대칭 전단력 변환기: 상승된 온도 (40°C) 에서의 장기 안정성. 운전 기간이 완료된 후, 모든 힘 변환기는 매우 안정적인 동작을 보입니다 - 낮은 드리프트로 인해 장기간 동안 제로 밸런싱 없이 측정이 가능합니다.

증가된 감도와 유리한 스트레인 필드는 많은 모델에서 4mV/V 이상의 매우 높은 출력 신호를 허용하므로 온도와 드리프트의 상대적 영향을 낮출 수 있습니다.

이 설계는 센서의 용접을 허용합니다. 이것은 밀폐되어 있으며 계측 특성 측면에서 매우 좋은 안정성을 제공합니다.

HBK는 센서의 안정성을 입증하기 위해 복잡한 내부 테스트를 수행했으며, 일반적인 영점 드리프트는 700시간 동안 약 200ppm (전체 값) 인 것으로 나타납니다. 스위치 온 드리프트 후 힘 센서는 온도가 상승하더라도 제로 신호의 변화가 극히 적기 때문에 순수한 힘 측정이 가능합니다 (그림 5서. 참조)

4. 힘 센서에 대한요구 사항/이 애플리케이션에서 전단력 센서를 사용하는 이유는 무엇입니까?

위에서 설명한 것처럼 테스트는 까다로운 조건에서 장기간에 걸쳐 실행됩니다. 요구 사항 프로필은 다음과 같습니다.

높은 센서 강성
테스트 기간이 길고 온도가 높아도 영점 드리프트가 적음
온도 구배에 둔감함
밀폐형으로 인한 환경 영향 최소화 (예 : 결로 인한 영향)
최소 힘 변동에도 뛰어난 정확도

C10 방사상 대칭 전단력 센서는 이러한 모든 요구 사항을 충족합니다.

강성: 전단력 센서는 변위가 매우 작기 때문에 센서가 결과에 미치는 영향이 나머지 설정의 영향보다 작습니다.

낮은 드리프트: C10 트랜스듀서의 출력 신호는 4mV/V이므로 전체 값을 기준으로 드리프트 영향을 평가해야 하므로 드리프트의 영향이 작습니다. 또한, 변형 게이지는 CrNi를 기반으로 하여 특히 잘 안정화될 수 있어 뛰어난 제로 포인트 안정성을 제공합니다. 요청 시 1년 간의 편차를 추정하는 데 도움이 되는 대상 보고서를 제공할 수 있습니다.

온도 변화에 민감하지 않음 : HBK의 전단력 센서, 즉 U10 및 C10은 브리지당 8개의 변형 게이지가 장착되어 있습니다. 이 변형 게이지는 네 개의 전단 빔(그림 6의 위치 1-4)에 설치되어 있습니다. 두 개의 변형 게이지는 항상 서로 마주보게 설치되며, 하나는 양의 변형을 측정하고 다른 하나는 음의 변형을 측정합니다. 장점은 센서가 온도 기울기에 매우 민감하지 않다는 것을 확인하기 위해 각 링크에 대한 온도의 영향을 보정한다는 것입니다.

밀폐는 보장되며, 10 kN 이상의 정격 힘을 가진 모든 C10은 용접되어 IP68을 달성하며 "영구 통합 케이블" 옵션으로 높은 습도에 영향을 받아도 안정적으로 작동합니다. 정확도 등급이 0.02 또는 0.05인 C10은 그 클래스에서 가장 정밀한 힘 변환기 중 하나입니다.

그림. 6: U10/C10의 변형 게이지 위치. 각각 양의 힘과 음의 힘을 측정하는 변형 게이지가 위치 1-4에 있습니다. 변형 게이지는 구멍에 접착되어 있습니다. 하중을 받는 기계적 응력은 스트레인 게이지가 설치된 영역 (링크의 빨간색 영역) 에서만 발생한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

5. 측정 불확실도 평가

40 °C의 일정한 온도 조건에서 500일 동안 C10으로 테스트한 내용을 아래에서 고려합니다.

다음 센서 매개변수를 참고하십시오:

히스테리시스: 0.04 %의 F_nom

선형성 : 0.035 %의 F_nom

민감도 오류 : 조정된 명목 정격 출력으로 읽기의 0.1 %

제로 포인트의 온도 계수: 0.0750 %/10 K

감도에 대한 온도 계수: 0.015 %/10 K

드리프트/연도: HBK 내부 조사에 따르면 연간 0.1%

30분 동안의 상대 크리프: 판독값의 0.02%

주변 조건

온도 조건:

기준 값과의 온도 차이 : 40°C (TCC의 경우)
온도 안정성 : 1 °C (TCzero의 경우)

포스 애플리케이션:

매우 낮은 허용 오차로 힘을 중앙에서 도입

약 100N의 힘에서 시작하여 최대 100kN의 힘까지 시험 실행 중에 힘 반응이 선형적으로 증가하는 시나리오를 가정해 보겠습니다. HBK의 C10/100KN 힘 변환기가 사용됩니다.

따라서 시간-힘 응답의 여러 지점에서의 오차를 계산해야 합니다. 모델을 단순하게 유지하기 위해 힘의 선형 증가 (첫날에는 0N, 500일 후 100kN) 를 가정했습니다.

관련 개별 오류는 그림 7에 표시된 표에 문서화되었습니다.

약 20kN의 힘을 가한 100일 동안의 결과가 예로 나와 있습니다.

그림. 7: 주어진 시험 시점 (100일 후 20 KN) 의 측정 불확도를 계산하기 위한 워크시트 온도 오차 외에도 센서 드리프트, 선형성 오류 및 민감도의 불확실성이 고려됩니다. 이 계산은 시간 축의 여러 지점에 대해 반복됩니다.

이제 모든 측정점에 대해 이 계산을 반복할 수 있습니다. 결과는 아래 표에 나와 있습니다 (그림 8. 참조) 특히, 이러한 어려운 측정 조건에서도 측정값 대비 약 1% 의 측정 오차를 달성할 수 있습니다. 이는 절대 힘 값에 적용됩니다. 힘 변화 (예: 충전 주기에서 충전 주기까지) 를 더 정확하게 감지할 수 있습니다.

한편으로는 물리적 원인으로 인한 드리프트를 고려해야 하기 때문에 측정 불확실성이 증가합니다. 다른 한편으로는 힘이 증가하므로 여기서 선택한 조건에서는 측정 신호에 미치는 상대적 영향이 작아집니다.

그림. 8: 100N에서 100KN까지 500일 동안 힘이 선형적으로 증가하는 측정 불확실성 분석 결과 표

6 결론

배터리에 가해지는 힘을 장기간 측정하려면 긴 테스트 기간 동안 힘 센서가 고장나면 프로젝트가 지연되고 상당한 비용이 발생할 수 있으므로 센서에 대한 요구가 높아야 합니다. 밀폐된 전단력 센서 – 높은 출력 신호와 매우 높은 정확도를 가진 HBK의 C10과 같은 – 는 사용 가능하며 지정된 요구 사항을 안전하게 충족합니다.

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기계식적 배터리 테스트에 관한 웨비나 녹화물을 시청하십시오. 물리적 단일 셀 테스트

이 세션에서는 배터리 노후화와 물리적 변화를 이해하기 위한 도구로서의 힘 측정에 중점을 둡니다. 가장 작은 변화라도 감지하여 알아내는 것이 관건입니다.

충전 및 방전의 효과
측정에 미치는 영향
측정 불확실성

또는 배터리 테스트 웨비나 시리즈의 다른 프레젠테이션도 참조하십시오.

출처

리튬 이온 셀의 리튬 플레이트 형성 행동에 대한 충전 프로파일의 영향, 플로리안 그림스만, 석사 논문, 칼 폰 오시엣스키 대학교, 올덴부르크, 독일, 19쪽 이후

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힘 센서를 사용한 기계적인 배터리 테스트

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2. 배터리 테스트의 기본 조건

그림. 1: 배터리 셀의 힘 효과를 측정하기 위한 테스트 설정의 기본 설계

3. 방사형 대칭 전단력 힘센서 (HBK 시리즈 U10M 및 C10)

그림. 2: 방사 대칭 전단 힘 변환기 U10M. 스프링 요소(왼쪽) 및 FEM 모델(오른쪽). 자세한 내용은 본문을 참조하십시오.

그림. 3: 압축력을 위한 C10 방사 대칭 전단 힘 센서. 나사식 풋 어댑터 (왼쪽) 와 측정 플랜지 (오른쪽 센서) 가 있는 버전

그림. 4: 방사상 대칭 전단력 센서 : 설치된 스트레인 게이지의 측정 그리드 영역의 스트레인 필드

그림. 5: 방사형 대칭 전단력 변환기: 상승된 온도 (40°C) 에서의 장기 안정성. 운전 기간이 완료된 후, 모든 힘 변환기는 매우 안정적인 동작을 보입니다 - 낮은 드리프트로 인해 장기간 동안 제로 밸런싱 없이 측정이 가능합니다.

4. 힘 센서에 대한요구 사항/이 애플리케이션에서 전단력 센서를 사용하는 이유는 무엇입니까?

5. 측정 불확실도 평가

주변 조건

그림. 7: 주어진 시험 시점 (100일 후 20 KN) 의 측정 불확도를 계산하기 위한 워크시트 온도 오차 외에도 센서 드리프트, 선형성 오류 및 민감도의 불확실성이 고려됩니다. 이 계산은 시간 축의 여러 지점에 대해 반복됩니다.

그림. 8: 100N에서 100KN까지 500일 동안 힘이 선형적으로 증가하는 측정 불확실성 분석 결과 표

6 결론

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