Mechanische Batterietests mit Kraftmessdosen

1. Motivation

Batterien als Energiequelle für Kraftfahrzeuge basieren auf Lithium-Ionen-Systemen. Lithium-Ionen-Zellen verfügen im Allgemeinen über Anoden aus Grafit. Während des Ladevorganges werden Lithium-Ionen in das Grafit eingelagert, sodass es zu einer Volumenvergrößerung kommt.

2014 hat Florian Grimsmann [1] eine Methode beschrieben, mit der die Änderung der Zellendicke bei Lade- und Entladevorgängen gemessen werden kann. Es ist ihm ebenfalls gelungen, die Dimensionsänderungen von Batteriezellen aufgrund von irreversiblen Änderungen der Dicke (Lithium-Plating) bei sehr tiefen Temperaturen oder hohen Ladeströmen messtechnisch nachzuweisen.

Lade- und Entladevorgänge von Lithium-Ionen-Akkumulatoren ziehen also reversible und irreversible mechanische Effekte nach sich. Neben der Messung von Änderungen der Abmessungen der Zellen rückt in letzter Zeit die Messung von entstehenden Kräften bei Lade- und Entladezyklen und durch den Effekt des Lithium-Platings in den Fokus.

Zur sicheren Messung dieser Kräfte – auch über sehr lange Messzeiten – stehen zuverlässige Sensoren zur Verfügung, die auch unter ungünstigen Klimabedingungen sicher arbeiten. 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. Dabei können in den Klimakammern auch Temperaturen von unter 0 Grad Celsius oder 80 Grad Celsius erreicht werden.

Während der Lade- und Entladezyklen entsteht neben der Kraft auch Wärme in den Zellen, sodass mit der Einwirkung eines Temperaturgradienten auf den Kraftaufnehmer zu rechnen ist, da sich dieser im unmittelbaren mechanischen 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. Strom und Spannung auf der elektrischen Seite sowie die Messung von Wegen (Verformung der Zellen) werden üblicherweise ebenso aufgezeichnet. Auch die Temperaturinformation ist von hoher Wichtigkeit. Der typische mechanische Aufbau besteht aus einem Kraftrahmen. Die zu prüfende Zelle wird üblicherweise mechanisch mit einem Kraftaufnehmer verbunden, sodass die Kraftmessung möglich wird. An die Steifigkeit des Rahmens sind hohe Forderungen zu stellen. Ein beispielhafter Aufbau ist im Bild unten ersichtlich.

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

Der Messkörper eines radialsymmetrischen Scherkraftaufnehmers ist als Foto und Modell in Abbildung 1 am Beispiel einer U10M gezeigt.

Die Kraft wird beim Modell U10M in das innere Zentralgewinde [1] eingeleitet und über die Stege [2] an den äußeren Flansch [3] weitergeleitet. Dieser äußere Flansch wird entweder auf einem Adapter verschraubt oder ist direkt an einem Konstruktionselement montiert (Abb. 2).

 

Die Krafteinwirkung führt auf den Stegen zu mechanischen Spannungen, in deren Folge Dehnungen entstehen. Die DMS sind unter 45 Grad installiert, es werden also die Dehnungen genutzt, die aufgrund von Scherspannungen entstehen.

Das schematisch dargestellte Dehnungsfeld zeigt das Diagramm in Abbildung 3. Für die Nutzung von Dehnungsmessstreifen ist von großem Vorteil, dass die Dehnung im Bereich der Messgitter unabhängig vom Ort ist. Stark ausgeprägte Dehnungsmaxima, wie sie von anderen Messkörperprinzipien bekannt sind, existieren nicht. Schädigungen an DMS entstehen aufgrund der höchsten Dehnung. Das Dehnungsfeld, das sich nach dem Scherkraftprinzip erreichen lässt, ist also besonders günstig.

Wie im FEM-Modell zu sehen, entsteht bei Belastung Verformung nur im Bereich, in dem die DMS installiert sind (Abb. 1 rechte Darstellung) - alle anderen mechanischen Spannungen sind geringer. 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. Insgesamt ist die Verformung unter Last sehr 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 verwendet bei diesen Kraftaufnehmern nur 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.

Die höhere Empfindlichkeit und das günstige Dehnungsfeld erlauben sehr hohe Ausgangssignale von mehr als 4 mV/V für viele Modelle und dadurch einen geringen relativen Einfluss von Temperatur und Drift.

Die Konstruktion ermöglicht ein Verschweißen des Sensors. Das dichtet ihn hermetisch ab und verleiht ihm eine sehr gute Stabilität hinsichtlich messtechnischer Eigenschaften.

HBK hat die Stabilität der Sensoren in aufwendigen internen Versuchen nachgewiesen und es konnte gezeigt werden, dass die typische Drift des Nullpunktes ca. 200 ppm (vom Messbereichsendwert) in 700 Stunden beträgt. Nach erfolgter Einschaltdrift zeigen die Kraftaufnehmer auch bei erhöhten Temperaturen eine ausgesprochen geringe Änderung des Nullsignals, was wiederum unverfälschte Kraftmessungen erlaubt.

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

Wie oben beschrieben, laufen die Prüfungen über eine lange Messzeit unter anspruchsvollen Rahmenbedingungen. 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, sodass der Einfluss des Sensors auf das Ergebnis geringer ist als die Einflüsse des restlichen Aufbaus.

Geringe Drift: Die C10 weisen ein Ausgangssignal von 4 mV/V auf, sodass der Einfluss der Drift klein ist, da der Drifteinfluss relativ zum Endwert zu bewerten ist. Ferner sind die DMS auf Basis von CrNi aufgebaut und deshalb besonders gut zu stabilisieren, woraus nun wieder folgt, dass sie besonders nullpunktstabil sind. Wir können einen zielführenden Bericht zur Verfügung stellen, auf dessen Basis sich die Drift für ein Jahr abschätzen lässt.

Unempfindlich gegen Temperaturgradienten: Scherkraftaufnehmer von HBK, also U10 und C10, sind mit acht Dehnungsmessstreifen pro Brücke ausgestattet. Diese DMS sind auf vier Scherstäben installiert (in Abb. 6 die Positionen 1-4). Dabei ist immer ein positiv wirkender und ein negativer wirkender DMS gegenüberliegend installiert. Der Vorteil ist, dass der Einfluss der Temperatur auf jedem Steg kompensiert ist, sodass der Sensor sehr unempfindlich gegen Temperaturgradienten ist.

Hermetische Dichtheit ist gegeben, da alle C10 mit Nennkräften größer als 10 kN verschweißt sind und mit der 
Option „Fest integriertes Kabel“ IP68 erreichen und auch bei hoher Feuchteeinwirkung stabil arbeiten. 

Mit Genauigkeitsklassen von 0,02 bis 0,05 gehören C10 zu den präzisesten Kraftaufnehmern ihrer Klasse.

5. Abschätzung der Messunsicherheit

Im Folgenden soll ein Test mit einer C10 unter konstanten Temperaturbedingungen von 40 Grad Celsius über 500 Tage betrachtet werden.

Folgende Sensorparameter sind zu beachten:

Hysterese: 0,04 % von Fnom

Linearität: 0,035 % von Fnom 

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

Temperaturkoeffizient des Nullpunkts: 0,0750 % / 10K

Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit: 0,015 % / 10K 

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 unten 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

Für Langzeitmessungen von Kräften an Batterien sind hohe Anforderungen an den Sensor zu stellen, da ein Versagen des Kraftaufnehmers bei den langen Versuchsdauern Projekte verzögern kann und erhebliche Kosten verursacht. Hermetisch dichte Scherkraftaufnehmer – wie z.B. die C10 von HBK mit hohem Ausgangssignal und sehr hoher Genauigkeit – stehen zur Verfügung und erfüllen die gestellten Anforderungen sicher.

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