力センサを使用した機械的バッテリーテスト

1 目的

自動車の電源としての電池は、リチウムイオンシステムに基づいており、リチウムイオン電池は一般にグラファイト製のアノードを備えています。充電プロセス中、リチウムイオンはグラファイトに蓄積され、体積が増加します。

2014年、Florian Grimsmann [1]が、充電および放電プロセス中にセルの厚さの変化を測定する方法を公開しました。彼はまた、非常に低い温度または高い充電電流での厚さの不可逆的な変化(リチウムめっき)によるバッテリーセルの寸法の変化を測定することに成功しました

リチウムイオン充電池は、充電と放電により、可逆的および不可逆的な機械的変化が起きます。セルの寸法の変化の測定に加えて、充電および放電サイクルから生じる力の測定、およびリチウムめっきの影響が最近注目されています。

悪天候下でも安全に動作する信頼性の高いセンサを使用して、非常に長期間にわたってこれらの力を確実に測定できます。試験中のセルは、力センサと直列に配置されています。

2 バッテリーテストの基本条件

バッテリーの機械的試験は、通常、正確に設定された温度条件下で行われます。0°Cまたは80°C未満の温度のサーマルチャンバーでも実施できます。

力とは別に、充電および放電サイクル中にセル内でも熱が発生します。したがって、力センサは試験片と直接機械的に接触しているため、温度分布の影響が予想されます。テストは、計測チェーンのゼロ点の再確認なしで、非常に長時間実行される可能性があります。力の小さな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。

電気側の電流と電圧、変位(セルの変形)の測定など、その他の測定変数も通常は記録されます。温度情報も重要です。

典型的な機械的セットアップは、フォースフレームで構成されています。試験中のセルは、一般に、力の測定を可能にするために力センサに機械的に接続されています。フレームの剛性に高い要求を課す必要があります。次のスクリーンショットに例を示します。

3 放射状に対称なせん断力センサ(HBKシリーズU10MおよびC10)

U10Mの例を使用して、半径方向に対称なせん断力センサの測定体の写真を、FEMモデルとして図2に示します。

力はU10Mの内側中央スレッド[1]に導入され、リンク[2]を介して外側フランジ[3]に伝達されます。この外側フランジは、アダプターにねじ込むか、構造要素に直接取り付けます(図1)。

 

力を加えると、リンクに機械的応力が発生し、その結果、ひずみが発生します。ひずみゲージは45度の角度で設置され、せん断応力によるひずみを測定します。ひずみのフィールドを図4の図に示します。測定グリッドの領域のどこでひずみが発生するかは問題ではありません。これは、ひずみゲージの使用に役立ちます。

他の測定体の原理から知られているように、明確なひずみの最大値はありません。ひずみゲージの損傷は、ひずみの最大値により発生します。したがって、せん断力の原理に従って取得できるひずみ場は、特に有利です。

FEMモデルは、力が加えられたときに、ひずみゲージが取り付けられている領域でのみ変形が発生することを示しています(図2右側の図)。他のすべての機械的応力は低くなっています。より高いひずみは赤色で示され、青色は機械的応力がないかほとんどないことを示します。ご覧のように、変形はひずみゲージが設置されている領域に集中しています。全体として、荷重下での変形は非常に小さいです。剛性は力と変位の比率(つまり、力による変形)から得られるため、半径方向に対称なせん断力変換器は、非常に高い剛性、つまり、荷重下での最小の変形を実現します。

HBKは、通常のコンスタンタンひずみゲージの代わりに、これらの力センサでクロムニッケルひずみゲージのみを使用します。コンスタンタンにはコスト面での利点があります。ただし、クロムニッケル材料には、感度が高く、ドリフトが大幅に少ないという利点があります。力センサのゼロ点は、長期間非常に安定しています。

感度の向上と好ましいひずみフィールドにより、多くのモデルで4 mV/Vを超える非常に高い出力信号が可能になるため、温度とドリフトの相対的な影響が少なくなります。

この設計により、センサの溶接が可能になります。これにより、密閉され、計測特性の点で非常に優れた安定性が得られます。

HBKは、センサの安定性を証明するために複雑な内部テストを実行し、ゼロ点の一般的なドリフトは700時間で約200 ppm(フルスケール値の)であることを確認しています。電源投入後のドリフトの後、力センサは、温度が上昇した場合でもゼロ信号は非常に小さな変化を示します。これにより、純粋な力の測定が可能になります。

4 力センサの要件/このアプリケーションでせん断力センサを使用する理由

上記のように、テストは厳しい条件下で長期間にわたって実行されます。要件プロファイルは次のとおりです:

  •  高剛性のセンサ
  • 長いテスト期間や高温でもゼロ点のドリフトが少ない
  • 温度変動に鈍感
  • 環境からの影響(結露など)を最小限に抑えるために密閉されています
  • 小さな力の変動を高精度測定

 

C10放射状対称せん断力センサは、これらすべての要件を満たしています。

高剛性:せん断力センサの変位は非常に小さいため、センサの変位による他の部分への影響も小さくなります。

低ドリフト:C10トランスデューサの出力信号は4mV/Vであるため、ドリフトの影響はフルスケール値と比較して評価されるため、ドリフトの影響は小さくなります。さらに、ひずみゲージはCrNiに基づいているため、特に安定性が高く、優れたゼロ点安定性が得られます。リクエストに応じて、1年間のドリフトを予測するのに役立つターゲットレポートを提供できます。

温度変化に鈍感:HBKのせん断力センサ、つまりU10とC10には、ブリッジごとに8つのひずみゲージが装備されています。これらのひずみゲージは、4つのせん断梁(図6の位置1〜4)に取り付けられています。2つのひずみゲージは常に互いに反対側に取り付けられ、1つは正のひずみを測定し、もう1つは負のひずみを測定します。利点は、センサが温度勾配に非常に鈍感であることを確保するために、各リンクの温度の影響が補償されることです。

公称力が10kNを超えるすべてのC10が溶接され、「恒久的に結合されたケーブル」オプションでIP68を達成し、高レベルの湿度の影響を受けても安定して動作するため、気密封止が保証されます。0.02または0.05の精度クラスで、C10はそのクラスで最も正確な力センサの1つです。

5 測定の不確かさの評価

40°Cの一定温度条件下で500日間にわたってC10を使用したテストは、以下を考慮する必要があります。

次のセンサパラメータに注意してください。

ヒステリシス:Fnomの0.04 %

直線性:Fnomの0.035 % 

感度エラー:読み取り値の0.1%、調整された公称定格出力付き

ゼロ点に対する温度の影響:0.0750%/ 10 K

感度に対する温度の影響:0.015 %/ 10 K

ドリフト/年:HBK内部調査によると、0.1%/年

相対クリープ、30分間:読み値の0.02%

周囲条件

温度条件:

  • 基準値との温度差:40°C(TCCの場合)
  • 温度安定性:1°C(TCzeroの場合)

 

力アプリケーション部品:

  • 許容度が非常に低い力の中央部分への導入

約100Nの力から100kNの力まで、テスト実行中に直線的に増加する力応答のシナリオを想定します。HBKのC10/100KN力センサが使用されます。

したがって、時間/力応答のさまざまな時点での誤差を計算する必要があります。モデルを単純にするために、力が直線的に増加すると仮定しました(初日は0 N、500日後は100 kN)。

関連する個々のエラーは、図7に示す表に記載されています。

例として、約20kNの力で100日目の結果を示します。

この計算は、すべての測定ポイントに対して繰り返すことができます。結果を以下の表に示します。特に、これらの困難な測定条件下でも、測定値に対して約1%の測定誤差を達成することができます。これは絶対力値に適用されます。力の変動(例えば、充電サイクル間の変動)をより正確に検出することができます。

一方では、物理的な理由によるドリフトを考慮に入れる必要があるため、測定の不確かさが増加します。一方、力が大きくなるため、ここで選択した条件では、測定信号への相対的な影響が小さくなります。

6 結論

バッテリーにかかる力を長期間測定する場合、長いテスト期間中に力センサが故障するとプロジェクトが遅れ、かなりのコストがかかる可能性があるため、センサは高性能である必要があります。高出力信号と非常に高精度のHBKのC10などの密閉されたせん断力センサが、この要件を安全に満たします。

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