Weißbuch: Mechanische Batterietests mit Kraftmessdosen

Mechanische Batterietests mit Kraftmessdosen

1. Motivierung

Batteries as energy source for power vehicles based on Lithium-Ionen systems. Lithium-Ionen-Zellen verfügen im Allgemeinen über Anoden aus Grafit. When the loading voltage lithium-ionen in the Graphit, that it is to an volume expansion.

2014 hat Florian Grimsmann [1] eine Methode beschrieben, mit der die Veränderung der Zelldicke bei Lade- und Entladevorgängen gemessen werden kann. It is also made in the dimensions changes of battery cells because of irreversible changes of the thickness (lithium-plating) by very tief temperature or high loading stroms messtechnisch nachzuweisen.

Lade- und Entladevorgänge von Lithium-Ionen-Akkus ziehen auch reversible und irreversible mechanische Effekte nach sich. Benin the measurement of changes of cells dimensions in last time, the measurement of auftretender power by lade- und entladezyklen and through the effect of lithium platings in the focus.

For safe measurement this forces — also over very long messtimes — are reliable sensors to available, which also under ungünstigen klimabedingungen safe work. Dabei wird die zu überprüfende Zelle in Serie mit dem Kraftaufnehmer angeordnet.

2. Rahmenbedingungen von Batterietests

Mechanische Tests von Batterien finden häufig unter genau eingestellten Temperaturbedingungen statt. Thiet can be reached in the climate chambers also temperature from under 0 Grad Celsius or 80 Grad Celsius.

When the lade- and entladecycles is in the cells, also with the effect of temperature gradienten on the power aufnehmer is to rechnen, da sich dieser in direktem mechanischer kontakt mit den prüflingen befindet.

Die Tests können ausgesprochen lange dauern, ohne dass es möglich ist, die Messkette nullzusetzen. Kleine Kraftänderungen gilt es sicher nachzuweisen, also ist eine geringe Messunsicherheit wichtig.

Weitere Messgrößen, wie z.B. Flow and voltage on the electrical page as as the measurement of ways (verformung of cells) are in der regel of the electrical page. Auch die Temperaturinformation ist von hoher Wichtigkeit. Der typische mechanische Aufbau besteht aus einem Kraftrahmen. The to testing cell is normally mechanisch with an power aufnehmer, also the power measurement is possible. An die Steifigkeit des Rahmens sind hohe Forderungen zu stellen. Ein beispielhafter Aufbau ist im Bild unten ersichtlich.

3. Radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer (HBK-Serie U10M und C10)

The messkörper a radialsymmetric scherkraftaufnehmer is as photo and model in image 2 on example of a U10M.

The power will started with model U10M in the inner central gewinde [1] and over the stege [2] and the outside flansch [3]. These outer flansch is either on a adapter or is directly in a construction element (Abb. 3).

The power effect führt zu mechanischen Spannungen auf den Stufen, in deren Folge Dehnungen auftreten. The DMS are installed under 45 Grad, it are also used the dehnungen, the because of scherspannungen.

The chart in Abbildung 4 shows the schematic dargestellte Dehnungsfeld. For use of dehnungsmessstreifen is of major advantage, that the dehning in area of the messgitter independent from location. Stark ausgeprägte Dehnungsmaxima, how they are known from other messbody principles, not exist. Schädigungen an DMS entstehen aufgrund der höchsten Dehnung. Das Dehnungsfeld, das sich nach dem Scherkraftprinzip erreichen lässt, ist auch besonders günstig.

We to see the FEM model, in the stress verformung only in the area, in the DMS are installed (Abb. 2 right display) - all other mechanischen spannungen are lower. Höhere Dehnungen sind durch die Farbe Rot kenntlich gemacht, Blau bedeutet keine oder wenig mechanische Spannung. Wie zu erkennen, konzentriert sich die Verformung auf den Bereich, in dem die DMS arbeiten. Total is the forming under last very gering. Da die Steifigkeit sich aus dem Verhältnis von Kraft und Messweg (also Verformung unter Kraft) ergibt, erreichen radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer sehr hohe Steifigkeiten, oder anders gesagt, minimale Verformungen unter Last.

HBK used on this power aufnehmern only chrom-nickel-Dehnungsmessstreifen, anstatt der üblichen Konstantan-Messstreifen. Konstantan bietet zwar Kostenvorteile, aber der Werkstoff Chrom-Nickel hat den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit und weist eine deutlich bessere Driftfreiheit auf. Der Nullpunkt der Messdose bleibt auch über lange Zeit sehr stabil.

The higher sensitivity and the good dehnungsfeld allow very high access signal of more as 4 mV/V for many models and therefore a low related influence of temperature and drift.

Die Konstruktion ermöglicht ein Verschweißen des Sensors. The dichtet ihn hermetisch ab und verleiht ihm eine sehr gute Stabilität in Bezug auf messtechnische Eigenschaften.

HBK hat die Stabilität der Sensoren in aufwändigen internen Versuchen nachgewiesen und es konnte gezeigt werden, dass die typische Drift des Nullpunkts ca. 200 ppm (vom Messbereichsendwert) in 700 Stunden beträgt. The power aufnehmer also with increasing temperature show a ausgesprochen geringe Änderung des Nullsignals, was wiederum unverfälschte Kraftmessungen erlaubt, siehe Abb. 5.

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

We above described, run the testing about a long messtime under anspruchsvollen framework conditions. Das Anforderungsprofil ergibt sich wie folgt:

Hohe Sensorsteifigkeit
Geringe Drift des Nullpunkts auch über lange Testzeiträume und höhere Temperaturen
Unempfindlich gegenüber Temperarturgradienten
Hermetisch dicht, um den Einfluss der Umgebung (z. B. durch Betauungsfeuchte) möglichst gering zu halten
Sehr gute Genauigkeit auch bei geringen Kraftänderungen

Der radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer C10 erfüllt all diese Anforderungen.

Steifigkeit: Scherkraftaufnehmer weisen einen sehr geringen Messweg auf, so dass der Einfluss der Sensoren auf das Ergebnis geringer ist als die Auswirkungen des Restaufbaus.

Geringe Drift: C10 weist ein Ausgangssignal von 4 mV/V auf, so dass der Drift-Einfluss gering ist, da der Drifteingang relativ zum Endwert zu bewerten ist. Fther are the DMS based of CrNi based and also especially good to stabilize, woraus nun wieder folgt, dass sie besonders nullpunktstabil sind. Wir können einen zielführenden Bericht zur Verfügung stellen, auf dessen Grundlage die Drift for a year abschätzen lässt.

Unempfindlich gegen Temperaturgradienten: Scherkraftaufnehmer von HBK, also U10 und C10, are equipped with eight dehnungsmessstreifen per bridge. Diese DMS sind auf vier Scherstäben installiert (in Abb. 6 the positions 1-4). Dabei ist immer ein positiv wirkender und ein negativer wirkender DMS gegenüberliegend installiert. The advantage is, that the influence of temperature on any steps is kompensiert, sodass der Sensor sehr unempfindlich gegen Temperaturgradienten ist.

Hermetic dichtheit is provided, by all C10 with nominal values larger as 10 kN are different and with the
Option „Fest integriertes Kabel“ IP68 erreichen und auch bei hoher Feuchteeinwirkung stabil arbeiten.

With accurate classes of 0,02 to 0.05 are C10 to the precision power aufnehmern their class.

5. Abschätzung der Messunsicherheit

The following should be considered an test with an C10 under konstant temperature conditions of 40 Grad Celsius over 500 days.

Folgende Sensorparameter sind zu beachten:

Hysterese: _{0,04% von F nom}

Linearität: _{0,035% von F nom}

Kennwertfehler: 0,1 % des Messwertes, Einstellung des Messgeräts mit nominalem Kennwert

Temperature coefficient of the null point: 0,0750%/10 K

Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit: 0,015%/10 K

Drift/Jahr: Nach internen Untersuchungen von HBK, 0,1 % /Jahr

Kriechfehler: 0,02% des Messwerts

Umgebungsbedingungen

Temperaturverhältnisse:

Temperaturdifferenz zum Referenzwert: 40 °C (für TKC)
Temperaturstabilität: 1 °C (für TKNull)

Krafteinleitung:

Zentrische Krafteinleitung mit sehr geringer Toleranz

Es wird von einem Szenario ausgegangen, bei dem der Kraftverlauf im Laufe des Versuchs ansteigt, und zwar linear mit der Zeit, beginnend bei Kräften von etwa 100 N bis zu Kräften von 100 kN. Zum Einsatz kommt ein Kraftaufnehmer C10/100KN von HBK.

Es ist also nötig, die Fehlerrechnung an unterschiedlichen Punkten im Zeit-Kraftverlauf durchzuführen. Um das Modell einfach zu halten, sind wir von einem linear wachsenden Kraftverlauf ausgegangen (0 N am ersten Tag, 100 kN nach 500 Tagen)

Die relevanten Einzelfehler wurden in der Arbeitsmappe in Abbildung 7 dokumentiert.

Beispielhaft das Ergebnis für den hundertsten Tag, die Kraft liegt dann in etwa bei 20 kN.

Diese Rechnung kann man nun für alle Messpunkte wiederholen. Das Ergebnis ist in der Tabelle in Abbildung 8 festgehalten. Dabei fällt auf, dass auch unter den schwierigen Messbedingungen ein Messfehler von etwa 1% relativ zum Messwert erreichbar ist. Dies gilt für den absoluten Kraftwert. Kraftunterschiede (z.B. von Ladezyklus zu Ladezyklus) lassen sich mit höherer Genauigkeit nachweisen.

Auf der einen Seite steigt die Messunsicherheit, da die physikalisch begründete Drift berücksichtigt werden muss. Auf der anderen Seite steigt die Kraft, so dass der relative Einfluss auf das Messsignal unter den hier gewählten Voraussetzungen kleiner wird.

6. Schlussbetrachtung

For long time measurements of power and batteries are to set high requirements to the sensor, as a failure of the power aufnehmers with long versuchsdauer projects can avoid and major costs. Hermetisch dichte Scherkraftaufnehmer — how e.g. the C10 of HBK with high input signal and very high accuracy — are to available and meet the provided requirements safe.

Sources

[1] „Auswirkungen des Ladeprofils auf das Lithium-Plating-Verhalten von Lithium-Ionen-Zellen“, Florian Grimsmann, Masterarbeit an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, S19 ff

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Weißbuch: Mechanische Batterietests mit Kraftmessdosen

Mechanische Batterietests mit Kraftmessdosen

1. Motivierung

2. Rahmenbedingungen von Batterietests

3. Radialsymmetrische Scherkraftaufnehmer (HBK-Serie U10M und C10)

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

5. Abschätzung der Messunsicherheit

Umgebungsbedingungen

6. Schlussbetrachtung

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