힘 센서를 사용한 기계식 배터리 시험

1 기대

자동차의 동력 원인 배터리는 보통 흑연으로 된 양극이 있는 리튬 이온 전지를 이용한 리튬 이온 시스템에 기반합니다. 충전 동안 리튬 이온이 흑연에 저장되어 부피가 커집니다

2014년, Florian Grimsmann [1]은 충전과 방전 동안 셀 두께의 변화를 측정할 수 있는 방법을 알아냈습니다. Florian Grimsmann [1]는 온도가 매우 낮거나 충전 전류가 매우 높을 때 비가역적 두께 변화 (리튬 도금)가 있어서 배터리 셀 치수가 바뀐다는 점도 성공적으로 측정했습니다.

리튬 이온 축전지의 충전과 방전에는 가역적인 기계 효과와 비가역적인 기계 효과가 관여합니다. 셀 치수가 바뀌는 것을 측정하는 방법 이외에도 충전과 방전 사이클, 리튬 도금 효과로 인한 힘의 측정이 최근에 이목을 끌고 있습니다.

열악한 기후 조건에서도 안전하게 작동하고 신뢰성 있는 센서를 사용하여 매우 긴 시간 동안에도 이러한 힘을 안정적으로 측정할 수 있습니다. 이를 위해, 시험할 셀을 힘 변환기와 직렬로 연결합니다.

2 배터리 시험의 기본 조건

배터리의 기계적 시험은 온도를 정확하게 설정한 조건에서 실시합니다.

힘 이외에도, 충전과 방전 동안 셀에서 열도 발생하여 힘 트랜스듀서가 시편과 직접 기계적으로 닿기 때문에 온도에 따른 영향도 예상됩니다. 시험은 측정 체인의 영점을 조정하지 않고 장시간동안 진행할 수 있습니다. 시험에서는 힘의 작은 변화를 확실하게 감지해야 하므로 측정 불확실도를 낮게 하는 것이 중요합니다.

시험에는 전기 측면의 전류와 전압, 변위 측정 (셀 변형)과 같은 다른 측정 변수도 보통 기록됩니다. 온도에 관한 정보도 중요합니다.

시험의 일반적인 기계 장치는 힘 프레임으로 구성합니다. 시험할 셀은 보통 힘을 측정하기 위해 힘 트랜스듀서에 기계적으로 연결합니다. 프레임에는 강성이 매우 필요합니다. 시험 장치의 예는 아래 그림에서 확인할 수 있습니다.

3 방사형 대칭 전단력 트랜스듀서 (HBK 시리즈 U10M과 C10)

U10M을 예로 사용해서, 방사형 대칭 전단력 변환기의 측정 본체를 사진에서 볼 수 있으며 그림 2에 FEM 모델로서 확인할 수 있습니다.

힘은 U10M의 내부 중앙 나사산 [1]으로 들어오고 링크 [2]를 통해 외부 플랜지 [3]로 전달됩니다. 이 외부 플랜지를 어댑터에 나사로 고정하거나 구성 부품에 직접 장착합니다 (그림 1)

 

힘을 가하면 링크에 기계적 응력이 발생하여 스트레인이 발생하게 됩니다. 스트레인 게이지는 45도 각도로 설치하여 전단 응력으로 인한 변형을 측정합니다. 측정한 스트레인 필드는 그림 4에서 확인할 수 있습니다.. 스트레인 게이지를 쉽게 사용할 수 있는 측정 영역에서 스트레인이 어디서 발생했는지는 중요하지 않습니다.

다른 측정체를 사용한 원리에서는 알려진 것처럼 뚜렷한 스트레인의 최대 값이 없습니다. 스트레인 게이지는 스트레인이 가장 크면 손상됩니다. 따라서, 스트레인 게이지를 손상시키지 않고 전단력 원리에 따라 구할 수 있는 스트레인 필드가 더욱 좋습니다.

FEM 모델은 힘을 가하면 스트레인 게이지가 설치된 부분에서만 변형이 발생하도록 되어 있습니다. (그림 2의 오른쪽 그림) – 다른 모든 기계적 응력은 더 낮습니다. 스트레인이 더 높으면 빨간색으로 표시되고 기계적 응력이 없거나 거의 없으면 파란색으로 표시됩니다. 그림에서 알 수 있듯이, 변형은 스트레인 게이지가 설치된 영역에 집중됩니다. 전반적으로 하중에 의한 변형은 매우 작습니다. 강성은 힘과 변위의 비율 (즉, 힘에 의한 변형)에서 구할 수 있으므로 방사형 대칭 전단력 변환기로 매우 높은 강성 즉, 하중에 의한 최소 변형을 구할 수 있습니다.

HBK는 힘 트랜스듀서에 일반적인 콘스탄탄 스트레인 게이지 대신 위에서 말한 크롬-니켈 스트레인 게이지만 사용합니다. 콘스탄탄은 비용이 저렴하다는 잇점이 있으나, 크롬-니켈 재료는 감도가 높고 데이터 변동이 덜 하여 이점이 훨씬 좋습니다. 힘 센서의 영점도 장기간 매우 안정적입니다.

감도 증가와 유리한 스트레인 필드로 많은 모델에서 4mV/V 이상의 매우 높은 출력 신호가 가능해서 온도와 데이터 변동의 영향이 상대적으로 낮습니다.

이 디자인으로 센서의 용접이 가능합니다. 이 용접으로 완벽히 밀봉이 가능하여 도량형 특성 측면에서 안정성이 매우 우수합니다.

HBK는 센서의 안정성을 입증하기 위해 복잡한 내부 시험을 했는데, 일반적인 영점 변동이 700 시간 동안 약 200ppm (전체 눈금 값에 대해) 밖에 되지 않았습니다. 전원 투입 시의 변동 후, 힘 트랜스듀서는 온도가 올라가도 영점 신호가 매우 작게 변해서 순수한 힘 측정이 가능합니다.

4 힘 트랜스듀서에 대한 요구 사항 : 이 응용 분야에 전단력 트랜스듀서를 사용해야 하는 이유

위에서 설명한 것처럼 시험은 까다로운 조건에서 장기간 진행합니다. 요구 사항의 개요는 다음과 같습니다.

  • 센서의 강성이 높을 것
  • 긴 시험 기간과 온도 증가에도 영점 변동이 작을 것
  • 온도 변화에 민감하지 않을 것
  • 환경 영향 (예: 응결로 인해)을 최소화하기 위해 밀봉할 것
  • 최소한의 힘 변화에도 정확도가 탁월할 것

C10 방사형 대칭 전단력 트랜스듀서는 이러한 모든 요구 사항을 만족시켜 드립니다.

강성: 전단력 센서는 결과에 대한 센서의 영향이 나머지 장치의 영향보다 작도록 하기 위해 변위가 매우 작습니다.

낮은 변동: C10 트랜스듀서는 출력 신호가 4mV/V이어서 측정 데이터 변동의 영향이 전체 눈금 값으로 평가하기 때문에 그 영향이 작습니다. 또한, 스트레인 게이지가 CrNi을 기반으로 하기 때문에 특히 잘 안정화되어 영점이 매우 안정합니다. 요청 시, HBK가 1 년 동안 측정 데이터 변동 추정에 도움이 되는 목표 보고서를 드릴 수 있습니다.

온도 변화에 민감하지 않음: HBK의 전단력 센서 (예: U10 및 C10)에는 브릿지 당 8개의 스트레인 게이지가 장착되어 있습니다. 이들 스트레인 게이지는 4 개의 전단 빔에 설치합니다 (그림 6의 1-4위치). 이 중, 두 개의 스트레인 게이지는 항상 서로 마주 보게 되는데, 하나는 + 스트레인이고 다른 하나는 - 스트레인입니다. 이렇게 하는 장점은 각 링크에 대해 온도의 영향을 보상하여 센서가 온도 변화에 크게 민감하지 않도록 한다는 점입니다.

10kN 이상의 공칭 힘을 가진 모든 C10을 용접하고 "영구적으로 통합된 케이블" 옵션을 사용해서 IP68을 달성하며 습도가 높은 경우에도 안정적으로 작동하므로 완전한 밀봉을 보장합니다. 0.02 또는 0.05인 정확도 등급을 사용해서 C10은 동일 등급 내에서 가장 정밀한 힘 트랜스듀서 중 하나입니다.

5 측정 불확실도 평가

500일간 40 °C의 항온 조건에서 C10을 이용한 시험을 다음과 같이 고려해야 합니다.

다음 센서 파라미터를 참고하십시오.

Hysteresis: 0.04 % of Fnom

Linearity: 0.035 % of Fnom 

감도 오차: 공칭 정격 출력 시 눈금 값의 0.1 %,

영점의 온도 계수: 0.0750 %/10 K

감도의 온도 계수: 0.015 %/10 K

Drift/year: HBK 내부 조사에 따르면 0.1 %/년

30 분간의 상대 크리프: 눈금 값의 0.02 %

주변 조건

온도 조건 :

  • 기준 값과의 온도 차이: 40 °C (for TCC)
  • 온도 안정성: 1 °C (for TCzero)

힘 적용:

  • 매우 낮은 공차와 함께 중앙으로 힘 도입

약 100N의 힘에서 최대 100kN의 힘까지 시험 작동 동안 힘 응답이 선형적으로 증가하는 시나리오를 가정해 보겠습니다. 이 시험에는 HBK의 C10/100KN 힘 변환기를 사용합니다.

따라서, 시간-힘 응답에 대해 서로 다른 지점에서 오차를 계산해야 합니다. 모델을 단순하게 유지하기 위해, 힘이 선형적으로 증가할 것으로 (첫날 0 N, 500일 후 100kN) 가정했습니다.

관련된 개별 오차를 그림 7의 표에 기록했습니다.

백일째에 대한 결과를 약 20kN의 힘으로 예시로서 나타냅니다.

이제 이 계산을 모든 측정점에 대해 반복할 수 있습니다. 도출된 결과를 아래 표에 나타냅니다. 특히, 이러한 어려운 측정 조건에서도 측정 값 대비 측정 오차는 약 1 %이었습니다. 이것은 절대 힘 값에 적용합니다. 힘 변화 (예: 충전주기에서 충전주기까지)는 더 정확하게 감지할 수 있습니다.

한편, 물리적 이유로 인한 측정 데이터 변동을 고려하면 측정 불확실도는 증가합니다. 다른 한편으로, 여기에서 선택한 조건에서는 힘이 증가하여 측정 신호에 대한 상대적 영향이 작아집니다.

6 결론

배터리에 가해지는 힘의 장기간 측정인 경우, 긴 시험 기간 동안 힘 트랜스듀서가 고장 나서 프로젝트가 지연되고 상당한 비용이 발생할 수 있으므로 센서에 대한 요구 수준이 높습니다. 이러한 곳에 높은 출력 신호와 매우 높은 정확도를 가진 HBK의 C10과 같이 완전히 밀봉된 전단력 센서를 사용할 수 있는데 이러한 센서는 지정된 요구 사항을 안전하게 만족할 수 있습니다.

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