Teste de bateria mecânica usando sensores de força

1 Motivação

As baterias como fontes de energia para veículos motorizados são baseadas em sistemas de íon-lítio com as células de íon-lítio geralmente tendo ânodos feitos de grafite. Durante o processo de carregamento, os íons de lítio são armazenados na grafite, resultando em um aumento de volume.

Em 2014, Florian Grimsmann [1] descreveu um método que permite medir uma alteração na espessura da célula durante os processos de carga e descarga. Ele também mediu com sucesso as mudanças nas dimensões das células da bateria devido a mudanças irreversíveis na espessura (revestimento de lítio) em temperaturas muito baixas ou altas correntes de carga.

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O carregamento e a descarga de acumuladores de íons de lítio, portanto, resultam em efeitos mecânicos reversíveis e irreversíveis. Além da medição das mudanças nas dimensões das células, a medição das forças resultantes dos ciclos de carga e descarga e o efeito do revestimento de lítio tornou-se recentemente o foco.

Sensores confiáveis que funcionam com segurança, mesmo em condições climáticas desfavoráveis, estão disponíveis para medir essas forças de forma confiável - mesmo por longos períodos. A célula em teste é organizada em série com o transdutor de força.

2 Condições básicas de testes de bateria

Os testes mecânicos de baterias geralmente ocorrem em condições de temperatura precisamente definidas. Temperaturas inferiores a 0°C ou 80°C também podem ser alcançadas nas câmaras climáticas.

Fig. 1: Projeto básico de uma configuração de teste para medir o efeito de força das células da bateria

Além da força, o calor também é gerado nas células durante os ciclos de carga e descarga, portanto, o efeito de um gradiente de temperatura no transdutor de força é esperado, uma vez que está em contato mecânico direto com os corpos de prova. Os testes podem ser executados por muito tempo, sem a possibilidade de balanceamento zero da cadeia de medição. Pequenas mudanças na força devem ser detectadas de forma confiável, tornando importante uma incerteza de medição baixa.

Outras variáveis medidas, como corrente e tensão no lado elétrico e a medição do deslocamento (deformação das células) também são normalmente registradas. As informações de temperatura também são significativas.

A configuração mecânica típica consiste em uma estrutura de força. A célula em teste é geralmente conectada mecanicamente a um transdutor de força para permitir a medição de força. Altas demandas precisam ser colocadas na rigidez da estrutura. Um exemplo de configuração é mostrado na figura abaixo.

3 Transdutores de força de cisalhamento radialmente simétricos (HBK séries U10M e C10)

Usando o exemplo de um U10M, o corpo de medição de um transdutor de força de cisalhamento radialmente simétrico é mostrado em uma foto e como um modelo FEM na Figura 2.

A força é introduzida na rosca central interna do U10M [1] e transmitida para o flange externo [3] através dos elos [2]. Este flange externo é aparafusado em um adaptador ou montado diretamente em um elemento de construção (Fig. 1).

Fig. 2: Transdutor de força cortante radialmente simétrico U10M. Elemento de mola (esquerda) e modelo FEM (direita). Veja o texto principal para detalhes.

Fig. 3: Sensor de força de cisalhamento radialmente simétrico C10 para forças de compressão. Versões com adaptador de pé aparafusado (esquerda) e como flange de medição (sensores do lado direito)

A aplicação de força resulta em tensão mecânica nos elos, que por sua vez resulta em tensão. Os medidores de tensão são instalados em um ângulo de 45 graus para medir a deformação resultante da tensão de cisalhamento. O campo de deformação é mostrado no diagrama da Figura 4. Não importa onde a deformação ocorre na área da grade de medição, o que é benéfico para o uso de medidores de deformação.

Não há máximos distintos de deformação, conforme conhecido de outros princípios de corpos de medição. Danos aos strain gauges ocorrem devido à maior tensão. O campo de deformação, que pode ser obtido de acordo com o princípio da força cortante, é, portanto, particularmente favorável.

O modelo FEM mostra que, quando a força é aplicada, a deformação ocorre apenas nas áreas onde os strain gauges estão instalados (Fig. 2 figura à direita) - todas as outras tensões mecânicas são menores. As deformações mais altas são indicadas pela cor vermelha, com o azul indicando nenhum ou pouco estresse mecânico. Como pode ser visto, as deformações estão concentradas na área onde os strain gauges estão instalados. No geral, a deformação sob carga é muito pequena. Uma vez que a rigidez é obtida a partir da razão de força e deslocamento (ou seja, deformação sob força), os transdutores de força de cisalhamento radialmente simétricos atingem uma rigidez muito alta, ou, em outras palavras, deformação mínima sob carga.

HBK usa apenas strain gauges de cromo-níquel nesses transdutores de força, em vez dos strain gauges Constantan usuais. Constantan oferece vantagens de custo; no entanto, o material de cromo-níquel tem o benefício de maior sensibilidade e significativamente melhor liberdade de deriva. O ponto zero do sensor de força permanece muito estável por um longo tempo.

Fig. 4: Transdutor de força de cisalhamento radialmente simétrico: Campo de tensão na área das grades de medição dos strain gauges instalados

Fig. 5: Transdutor de força de cisalhamento radialmente simétrico: Estabilidade de longo prazo em temperatura elevada (40°C). Após a conclusão do período de amaciamento, todos os transdutores de força apresentam um comportamento muito estável - a baixa deriva permite realizar medições por longos períodos sem balanceamento zero.

A sensibilidade aumentada e o campo de deformação favorável permitem sinais de saída muito altos de mais de 4 mV / V para muitos modelos e, portanto, uma influência relativa baixa de temperatura e deriva.

O design permite a soldagem do sensor. Isso sela hermeticamente e lhe confere uma estabilidade extremamente boa em termos de suas propriedades metrológicas.

A HBK realizou testes internos complexos para provar a estabilidade dos sensores, e foi demonstrado que o desvio típico do ponto zero é de aproximadamente 200 ppm (do valor de escala total) ao longo de 700 horas. Após um desvio de ativação, os transdutores de força mostram uma mudança extremamente pequena no sinal zero mesmo em temperaturas elevadas que, por sua vez, permitem medições de força não adulteradas.

4 Requisitos do transdutor de força / Por que usar transdutores de força de cisalhamento nesta aplicação?

Conforme descrito acima, os testes são executados por um longo tempo sob condições exigentes. O perfil de requisitos é o seguinte:

Alta rigidez do sensor
Baixa deriva do ponto zero, mesmo durante longos períodos de teste e em temperaturas elevadas
Insensível a gradientes de temperatura
Selado hermeticamente para minimizar as influências ambientais (por exemplo, devido à condensação)
Excelente precisão, mesmo com variações mínimas de força

O transdutor de força de cisalhamento radialmente simétrico C10 atende a todos esses requisitos

Rigidez : Os sensores de força de cisalhamento têm um deslocamento muito pequeno para garantir que a influência do sensor no resultado seja menor do que a influência da configuração restante.

Baixa deriva Os transdutores C10 têm um sinal de saída de 4 mV / V, portanto, a influência do desvio é pequena porque a influência do desvio deve ser avaliada em relação ao valor de escala completa. Além disso, os strain gauges são baseados em CrNi e podem, portanto, ser particularmente bem estabilizados, o que resulta em excelente estabilidade de ponto zero. Um relatório direcionado que ajudará a estimar a variação de um ano pode ser fornecido mediante solicitação.

Insensível a gradientes de temperatura : Os sensores de força de cisalhamento da HBK, ou seja, U10 e C10, são equipados com oito strain gauges por ponte. Esses strain gauges são instalados em quatro vigas de cisalhamento (posições 1–4 na Fig. 6). Dois strain gauges são sempre instalados opostos um ao outro, um medindo a deformação positiva e o outro, a deformação negativa. A vantagem é que a influência da temperatura em cada link é compensada para verificar se o sensor é altamente insensível aos gradientes de temperatura.

A vedação hermética é garantida, pois todos os C10 com forças nominais superiores a 10 kN são soldados e atingem IP68 com a opção "cabo integrado permanentemente" e funcionam de forma estável mesmo se afetados por altos níveis de umidade. Com classes de precisão de 0,02 ou 0,05, C10 está entre os transdutores de força mais precisos em sua classe.

Fig. 6: Posições dos strain gauges em um U10 / C10. Um strain gauge, cada um medindo uma força positiva e negativa, está localizado nas posições 1–4. Os strain gauges são colados nos orifícios. É fácil perceber que as tensões mecânicas sob carga ocorrem apenas nas áreas onde os strain gauges estão instalados (áreas vermelhas nos links).

5 Avaliação da incerteza de medição

Um ensaio com um C10 sob condições de temperatura constante de 40°C durante 500 dias deve ser considerado abaixo.

Observe os seguintes parâmetros do sensor:

Histerese: 0,04% de F _nom

Linearidade: 0,035% de F _nom

Erro de sensibilidade: 0,1% da leitura, com saída nominal ajustada

Coeficiente de temperatura do ponto zero: 0,0750% / 10 K

Coeficiente de sensibilidade de temperatura: 0,015% / 10 K

Desvio / ano: De acordo com as investigações internas do HBK, 0,1% / ano

Fluência relativa ao longo de 30 minutos: 0,02% da leitura

Condições ambientais

Condições de temperatura:

Diferença de temperatura em relação ao valor de referência: 40°C (para TCC)
Estabilidade de temperatura: 1°C (para TCzero)

Forçar aplicação:

Introdução central de força com tolerância muito baixa

Vamos supor um cenário com uma resposta de força que aumenta linearmente ao longo do teste executado, começando com forças de cerca de 100 N até forças de 100 kN. Um transdutor de força C10 / 100KN da HBK é usado.

É, portanto, necessário calcular o erro em diferentes pontos ao longo da resposta tempo-força. Para manter o modelo simples, assumimos um aumento linear na força (0 N no primeiro dia, 100 kN após 500 dias).

Os erros individuais relevantes foram documentados na tabela mostrada na Figura 7.

O resultado do centésimo dia é mostrado como exemplo, com uma força de aproximadamente 20 kN.

Fig. 7: Planilha para cálculo da incerteza de medição em um determinado momento do teste (20 kN após 100 dias). Além dos erros de temperatura, são considerados o desvio do sensor, o erro de linearidade e a incerteza da sensibilidade. Este cálculo é repetido para vários pontos no eixo do tempo.

Este cálculo agora pode ser repetido para todos os pontos de medição. O resultado é apresentado na tabela a seguir. Notavelmente, um erro de medição de cerca de 1% em relação ao valor medido pode ser alcançado mesmo sob essas difíceis condições de medição. Isso se aplica ao valor absoluto da força. As variações de força (por exemplo, do ciclo de carregamento para o ciclo de carregamento) podem ser detectadas com maior precisão.

Por outro lado, a incerteza da medição aumenta porque o desvio devido a razões físicas deve ser levado em consideração. Por outro lado, a força aumenta, de modo que a influência relativa no sinal de medição se torna menor nas condições selecionadas aqui.

Fig. 8: Tabela de resultados da análise de incerteza de medição com um aumento linear de força ao longo de 500 dias de 100 N a 100 kN

6 Conclusão

Para medições de longo prazo de forças em baterias, altas demandas devem ser colocadas no sensor, pois a falha do transdutor de força durante longos períodos de teste pode atrasar projetos e causar custos consideráveis. Sensores de força de cisalhamento hermeticamente selados - como o C10 da HBK com um sinal de saída alto e precisão muito alta - estão disponíveis e atendem aos requisitos especificados com segurança.