使用力传感器的机械电池测试

1 激励

作为机动车动力源的电池以锂离子系统为基础，锂离子电池的阳极一般由石墨制成。在充电过程中，锂离子被储存在石墨中，导致体积增加。

2014年，Florian Grimsmann[1]描述了一种方法，能够在充电和放电过程中测量电池厚度的变化。他还成功地测量了在非常低的温度或高的充电电流下，由于厚度的不可逆变化（镀锂）而导致的电池单元的尺寸变化。

因此，锂离子蓄电池的充电和放电会导致可逆和不可逆的机械效应。除了对电池尺寸变化的测量外，对充电和放电循环产生的力以及镀锂的影响的测量最近也成为焦点。

即使在不利的气候条件下也能安全工作的可靠传感器，可以可靠地测量这些力--甚至在很长的时间内。被测电池与力传感器串联排列。

2 电池测试的基本条件

电池的机械测试通常是在精确设定的温度条件下进行的。在气候室中也可以达到低于0℃或80℃的温度。

除了力之外，在充电和放电周期中电池也会产生热量，因此，温度梯度对力传感器的影响是可以预期的，因为它与测试样品有直接的机械接触。测试可能会运行很长时间，没有可能对测量链进行零点平衡。力的微小变化必须被可靠地检测出来，因此低的测量不确定度很重要。

其他测量变量，如电方面的电流和电压以及位移（细胞的变形）的测量，通常也会被记录。温度信息也很重要。

典型的机械设置包括一个力架。被测电池一般与力传感器机械地连接，以便进行力的测量。需要对框架的刚度提出高要求。下图显示了一个设置的例子。

3个径向对称的剪切力传感器（HBK系列U10M和C10）。

以U10M为例，径向对称剪切力传感器的测量体以照片和有限元模型的形式显示在图2。

力被引入U10M的内部中心螺纹[1]，并通过链接[2]传递到外部凸缘[3]。这个外法兰可以拧在一个适配器上，也可以直接安装在一个结构件上（图1）。

力的应用导致链接的机械应力，这反过来又导致了应变。应变片以45度的角度安装，以测量剪切应力产生的应变。应变场在图4的图中显示。在测量网格的区域内，应变发生的位置并不重要，这对使用应变片是有利的。

没有明显的应变最大值，这一点从其他测量体的原理中可以得知。应变片的损坏是由于最高的应变发生的。因此，根据剪切力原理可以得到的应变场是特别有利的。

有限元模型显示，当受力时，仅在安装应变片的区域发生变形（图2右图）--所有其他机械应力都较低。较高的应变用红色表示，蓝色表示没有或很少机械应力。可以看出，变形主要集中在安装应变片的区域。总的来说，负载下的变形是非常小的。由于刚度是由力和位移的比率（即在力的作用下的变形）获得的，径向对称的剪切力传感器可以获得非常高的刚度，或者说，在负载下的变形最小。

HBK在这些力传感器中只使用铬镍应变片，而不是通常的康斯坦丁应变片。康斯坦丁具有成本优势；然而，铬镍材料具有更高的灵敏度和明显更好的不漂移性。力传感器的零点在很长一段时间内保持非常稳定。

灵敏度的提高和有利的应变场使得许多型号的输出信号非常高，超过4 mV/V，因此，温度和漂移的相对影响很低。

该设计允许对传感器进行焊接。这种密封性使其在计量特性方面具有极好的稳定性。

HBK已经进行了复杂的内部测试来证明传感器的稳定性，结果表明，在700小时内，零点的典型漂移约为200ppm（满量程值）。在开机漂移后，即使在温度升高的情况下，力传感器的零点信号也显示出极小的变化，这反过来又使得力的测量不受影响（见图5）。

4 对力传感器的要求/为什么在此应用中使用剪切力传感器？

如上所述，测试是在苛刻的条件下长时间运行的。要求简介如下：

高的传感器刚度
即使在长时间的测试和温度升高的情况下，零点的漂移也很低
对温度梯度不敏感
密封的，以尽量减少环境影响（例如，由于凝结）。
即使受力变化很小，也有很好的准确性

C10径向对称剪切力传感器满足所有这些要求

僵硬性：剪力传感器有一个非常小的位移，以确保传感器对结果的影响小于其余设置的影响。

漂移率低：C10传感器的输出信号为4 mV/V，因此，漂移的影响很小，因为漂移的影响要相对于满量程的值来评估。此外，应变片是以铬镍为基础的，因此可以特别好地稳定，从而获得出色的零点稳定性。可以根据要求提供一份有针对性的报告，帮助估计一年的漂移情况。

对温度梯度不敏感：来自HBK的剪切力传感器，即U10和C10，每座桥配备了八个应变片。这些应变片被安装在四个剪力梁上（图6中的1-4位置）。两个应变片总是相对安装，一个测量正应变，另一个测量负应变。其优点是补偿了温度对每个环节的影响，以确定该传感器对温度梯度高度不敏感。

密封性得到保证，因为所有标称力大于10千牛的C10都是焊接的，通过 "永久集成电缆 "选项达到IP68，即使受到高湿度影响也能稳定工作。C10的精度等级为0.02或0.05，是同类产品中最精确的力传感器之一。

5 测量不确定度的评估

下面应考虑用C10在40℃的恒温条件下进行500天的试验。

请注意以下传感器参数：

滞后性：0.04%的_Fnom

线性度：0.035%的_Fnom

敏感度误差：读数的0.1 %，调整后的额定输出量

零点的温度系数：0.0750 %/10 K

灵敏度的温度系数：0.015 %/10 K

漂流/年：根据HBK的内部调查，0.1％/年

30分钟内的相对蠕变：0.02%的读数

Ambient conditions

Temperature conditions:

Temperature difference to the reference value: 40 °C (for TCC)
Temperature stability: 1 °C (for TCzero)

Force application:

Central introduction of force with very low tolerance

Let’s assume a scenario with a force response that increases linearly over the test run, starting with forces of about 100 N up to forces of 100 kN. A C10/100KN force transducer from HBK is used.

It is, therefore, necessary to calculate the error at different points over the time-force response. To keep the model simple, we assumed a linear increase in force (0 N on the first day, 100 kN after 500 days).

The relevant individual errors were documented in the table shown in Figure 7.

The result for the hundredth day is shown as an example, with a force of approximately 20 kN.

This calculation can now be repeated for all of the measuring points. The result is presented in the table below (see fig. 8). Notably, a measurement error of about 1 % relative to the measured value can be achieved even under these difficult measuring conditions. This applies to the absolute force value. Force variations (e.g., from charging cycle to charging cycle) can be detected with higher accuracy.

On the one hand, the measurement uncertainty increases because the drift due to physical reasons has to be taken into account. On the other, the force increases, so that the relative influence on the measuring signal becomes smaller under the conditions selected here.

6 结论

对于电池受力的长期测量，必须对传感器提出很高的要求，因为力传感器在长期测试期间的故障会延误项目并造成相当大的成本。密封的剪切力传感器--如HBK公司的C10，具有高输出信号和非常高的精度--是可用的，并能安全地满足指定要求。

想了解更多吗？

观看关于机械电池测试的网络研讨会录音：物理单细胞测试

本次会议的重点是将测力作为了解电池老化和物理变化的工具。这是关于检测哪怕是最小的力的变化来发现的：

充电和放电的影响
影响测量的因素
测量的不确定性

或参考电池测试网络研讨会系列的其他演讲。

资料来源

[1] "Auswirkungen des Ladeprofils auf das Lithium-Plating-Verhalten von Lithium-Ionen-Zellen", Florian Grimsmann, 硕士论文, Carl von Ossietzky University, Oldenburg, Germany, p 19 ff

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使用力传感器的机械电池测试

1 激励

2 电池测试的基本条件

3个径向对称的剪切力传感器（HBK系列U10M和C10）。

4 对力传感器的要求/为什么在此应用中使用剪切力传感器？

5 测量不确定度的评估

Ambient conditions

6 结论

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