Pin là nguồn điện cho xe cơ giới dựa trên hệ thống lithium-ion với các cell lithium-ion thường có cực dương làm bằng than chì. Trong quá trình sạc, các ion lithium được lưu trữ trong than chì, dẫn đến tăng thể tích.
Năm 2014, Florian Grimsmann đã mô tả một phương pháp cho phép đo sự thay đổi về độ dày của cell trong quá trình sạc và xả. Ông cũng đã đo thành công những thay đổi về kích thước của cell pin do những thay đổi không thể đảo ngược về độ dày (mạ lithium) ở nhiệt độ rất thấp hoặc dòng điện sạc cao.
Sạc và xả pin lithium-ion do đó tạo ra các hiệu ứng cơ học có thể đảo ngược và không thể đảo ngược. Bên cạnh việc đo lường các thay đổi về kích thước của các cell, việc đo lường các lực phát sinh từ các chu kỳ sạc và xả và hiệu ứng mạ lithium gần đây đã trở thành trọng tâm.
Các cảm biến đáng tin cậy hoạt động an toàn ngay cả trong điều kiện khí hậu bất lợi có sẵn để đo các lực này một cách đáng tin cậy – ngay cả trong thời gian rất dài. Pin đang thử nghiệm được sắp xếp theo chuỗi với bộ chuyển đổi lực.
Kiểm tra cơ học pin thường diễn ra trong điều kiện nhiệt độ được thiết lập chính xác. Nhiệt độ dưới 0 °C hoặc 80 °C cũng có thể đạt được trong các buồng khí hậu.
Ngoài lực, nhiệt cũng được tạo ra trong các cell pin trong chu kỳ sạc và xả, do đó, tác động của sự thay đổi nhiệt độ lên bộ chuyển đổi lực là điều có thể dự đoán được vì nó tiếp xúc cơ học trực tiếp với các mẫu thử nghiệm. Các thử nghiệm có thể diễn ra trong thời gian rất dài mà không có khả năng cân bằng về 0 cho chuỗi đo lường. Những thay đổi nhỏ về lực phải được phát hiện một cách đáng tin cậy, do đó, độ không chắc chắn khi đo lường ở mức thấp là rất quan trọng.
Các biến đo lường khác, chẳng hạn như dòng điện và điện áp ở phía điện và phép đo độ dịch chuyển (biến dạng của các cell) thường cũng được ghi lại. Thông tin về nhiệt độ cũng rất quan trọng.
Thiết lập cơ học điển hình bao gồm một khung lực. Tế bào được thử nghiệm thường được kết nối cơ học với một bộ chuyển đổi lực để cho phép đo lực. Cần đặt ra yêu cầu cao về độ cứng của khung. Một ví dụ về thiết lập được thể hiện trong hình bên dưới.
3. Bộ chuyển đổi lực cắt đối xứng xuyên tâm (dòng HBK U10M và C10)
Lấy ví dụ về U10M, thân đo của bộ chuyển đổi lực cắt đối xứng hướng tâm được thể hiện trong ảnh và dưới dạng mô hình FEM trong Hình 2.
Lực được đưa vào ren trung tâm bên trong của U10M [1] và truyền đến mặt bích bên ngoài [3] thông qua các liên kết [2]. Mặt bích bên ngoài này được vặn vào bộ chuyển đổi hoặc gắn trực tiếp vào một bộ phận kết cấu (Hình 1).
Việc áp dụng lực dẫn đến ứng suất cơ học lên các liên kết, từ đó dẫn đến biến dạng. Các máy đo biến dạng được lắp đặt ở góc 45 độ để đo biến dạng do ứng suất cắt. Trường biến dạng được thể hiện trong sơ đồ ở Hình 4. Không quan trọng biến dạng xảy ra ở đâu trong khu vực lưới đo, điều này có lợi cho việc sử dụng máy đo biến dạng.
Không có mức biến dạng cực đại riêng biệt, như đã biết từ các nguyên lý đo lường khác. Hư hỏng máy đo biến dạng xảy ra do biến dạng cao nhất. Do đó, trường biến dạng, có thể thu được theo nguyên lý lực cắt, đặc biệt thuận lợi.
Mô hình FEM cho thấy rằng khi lực tác dụng, biến dạng chỉ xảy ra ở những khu vực lắp đặt máy đo ứng suất (Hình 2 hình bên phải) – tất cả các ứng suất cơ học khác đều thấp hơn. Các biến dạng cao hơn được biểu thị bằng màu đỏ, màu xanh lam biểu thị không có hoặc ít ứng suất cơ học. Như có thể thấy, biến dạng tập trung ở khu vực lắp đặt máy đo ứng suất. Nhìn chung, biến dạng dưới tải rất nhỏ. Vì độ cứng thu được từ tỷ lệ lực và độ dịch chuyển (tức là biến dạng dưới lực), nên các bộ chuyển đổi lực cắt đối xứng hướng tâm đạt được độ cứng rất cao hoặc nói cách khác, biến dạng tối thiểu khi chịu tải.
HBK chỉ sử dụng cảm biến ứng suất crom-niken trong các bộ chuyển đổi lực này, thay vì cảm biến ứng suất Constantan thông thường. Constantan có lợi thế về chi phí; tuy nhiên, vật liệu crom-niken có lợi thế là độ nhạy cao hơn và chống trôi tốt hơn đáng kể. Điểm không của cảm biến lực vẫn rất ổn định trong thời gian dài.
Độ nhạy tăng lên và trường ứng suất thuận lợi cho phép tín hiệu đầu ra rất cao, trên 4 mV/V cho nhiều mô hình và do đó, ảnh hưởng tương đối thấp của nhiệt độ và độ trôi.
Thiết kế cho phép hàn cảm biến. Điều này làm kín hoàn toàn và mang lại độ ổn định cực kỳ tốt về mặt tính chất đo lường của cảm biến.
HBK đã thực hiện các thử nghiệm nội bộ phức tạp để chứng minh tính ổn định của cảm biến và đã chứng minh được rằng độ trôi điển hình của điểm không là khoảng 200 ppm (giá trị toàn thang đo) trong hơn 700 giờ. Sau khi chuyển sang chế độ trôi, bộ chuyển đổi lực cho thấy sự thay đổi cực kỳ nhỏ trong tín hiệu không ngay cả ở nhiệt độ tăng, điều này cho phép đo lực không bị pha tạp (xem hình 5).
Như đã mô tả ở trên, các bài kiểm tra được chạy trong thời gian dài trong điều kiện khắt khe. Hồ sơ yêu cầu như sau:
Bộ chuyển đổi lực cắt đối xứng xuyên tâm C10 đáp ứng tất cả các yêu cầu này
Độ cứng : Cảm biến lực cắt có độ dịch chuyển rất nhỏ để đảm bảo rằng ảnh hưởng của cảm biến đến kết quả nhỏ hơn ảnh hưởng của thiết lập còn lại.
Độ trôi thấp : Các bộ chuyển đổi C10 có tín hiệu đầu ra là 4 mV/V, do đó, ảnh hưởng của độ trôi là nhỏ vì ảnh hưởng của độ trôi phải được đánh giá so với giá trị toàn thang đo. Hơn nữa, các máy đo ứng suất dựa trên CrNi và do đó có thể được ổn định đặc biệt tốt, mang lại độ ổn định điểm không tuyệt vời. Một báo cáo có mục tiêu sẽ giúp ước tính độ trôi trong một năm có thể được cung cấp theo yêu cầu.
Không nhạy cảm với các thay đổi nhiệt độ : Các cảm biến lực cắt từ HBK, tức là U10 và C10, được trang bị tám máy đo ứng suất cho mỗi cầu. Các máy đo ứng suất này được lắp trên bốn dầm cắt (vị trí 1–4 trong Hình 6). Hai máy đo ứng suất luôn được lắp đối diện nhau, một máy đo ứng suất dương và máy còn lại đo ứng suất âm. Ưu điểm là ảnh hưởng của nhiệt độ lên mỗi liên kết được bù trừ để đảm bảo rằng cảm biến không nhạy cảm với các thay đổi nhiệt độ.
Đảm bảo độ kín, vì tất cả C10 có lực danh nghĩa lớn hơn 10 kN đều được hàn và đạt IP68 với tùy chọn "cáp tích hợp vĩnh viễn" và hoạt động ổn định ngay cả khi bị ảnh hưởng bởi độ ẩm cao. Với các lớp chính xác 0,02 hoặc 0,05, C10 là một trong những bộ chuyển đổi lực chính xác nhất trong cùng loại.
5. Đánh giá độ không chắc chắn của phép đo
Một thử nghiệm với C10 trong điều kiện nhiệt độ không đổi là 40 °C trong 500 ngày sẽ được xem xét dưới đây.
Xin lưu ý các thông số cảm biến sau:
Độ trễ: 0,04% của F danh nghĩa
Độ tuyến tính: 0,035% của F danh nghĩa
Lỗi độ nhạy: 0,1% giá trị đọc, với công suất định mức danh nghĩa đã điều chỉnh
Hệ số nhiệt độ của điểm không: 0,0750 %/10 K
Hệ số nhiệt độ nhạy cảm: 0,015 %/10 K
Trôi dạt/năm: Theo điều tra nội bộ của HBK, 0,1%/năm
Độ biến dạng tương đối trong 30 phút: 0,02% giá trị đọc
Điều kiện nhiệt độ:
