Quality Engineering 02.2020

:: Technik
Messtechnik für die Elektromobiliät
Deformationen von
Zelloberflächen auf der Spur
Zunehmend werden sogenannte Pouch-Bag-Akku-Zellen für die Elektromobilität verwendet.
Inwieweit sich deren Zelloberflächen im Lade- und Entladevorgang sowie unter thermischer
Belastung verändern, hat der Göppinger Messdienstleister Topometric mit Hilfe der
Deformationsanalyse geprüft.
Hier zeigt sich das Verhalten
der Zellwände bei
Temperaturänderungen
Bild: Topometric
Der Autor
Markus Geiger
Teamleiter
3D-Bewegungsanalyse,
Optische Messtechnik
Topometric
www.topometric.de
Entscheidend für den Erfolg von Elektrofahrzeugen am
Markt ist vor allem die Reichweite, die in erster Linie von
der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Akkumulatoren
abhängt. In der Elektromobilität werden Akkus in unterschiedlichen
Formaten eingesetzt. Dieses sind traditionell
Akku-Zellen mit einem runden (zylindrisch) oder
eckigen Querschnitt (prismatisch), die mit einem starren
und massiven Metallgehäuse ummantelt sind. Zunehmend
kommen aber auch sogenannte Pouch-Zellen
zum Einsatz, die meist mit flexiblen kunststoffbeschichteten
Hüllen auf Aluminiumbasis umschlossen werden.
Aus den Zell-Geometrien ergeben sich unterschiedliche
Bedarfe an das Volumen im Fahrzeug. Weitere Kriterien
wie Energiedichte, Kosten, Sicherheit, Lebensdauer, Umgebungsbedingungen,
Abmessungen, Integrationsmöglichkeiten
und Wärmeentwicklung der Zellen sind
ebenfalls zu berücksichtigen.
Eigenschaften und Form der Akkus können durch
chemische, physikalische und thermische Einflüsse verändert
werden. Äußere Krafteinwirkungen können
Stauchungen oder Dehnungen der Oberflächen verursachen.
Zylindrische und prismatische Akkus mit einem
massiven Gehäuse können einem größeren Druck ohne
Verformung standhalten. Pouch-Zellen sind jedoch aufgrund
der relativ dünnen Außenhülle gegenüber mechanischen
Beschädigungen empfindlich. Inwieweit
sich die Zelloberfläche einer Pouch-Bag-Akku-Zelle im
Lade- und Entladevorgang sowie unter thermischer Belastung
verändert, hat Topometric mit Hilfe der Deformationsanalyse
geprüft.
Die Wahl des Messverfahrens wurde aufgrund des
Beratungsgesprächs mit dem Kunden festgelegt: Im Fall
der Pouch-Bag-Akku-Zelle bestand die Anforderung darin,
sowohl die reine Bewegung als auch die Deformation
der Akku-Zelle zu prüfen. Das heißt, es müssen neben
Punkten auch Flächen dynamisch gemessen werden.
Um zu ermitteln, an welcher Position der Zelle die
Veränderungen während des Ladevorgangs auftreten,
wurde das Verfahren der 3D-Bewegungsanalyse mittels
Bildkorrelation gewählt. Hierbei werden während der
Verformung mehrere Bilder des Bauteils aufgenommen.
Durch den Einsatz von zwei Kameras können Verschiebungen
und Dehnungen dreidimensional gemessen
werden. Anhand der gewonnenen Bildinformationen
können einzelne Bildbereiche hochgenau analysiert
werden. Es wurde die Änderungen der Oberfläche in allen
Achsrichtungen erfasst, sodass daraus die lokalen
Änderungen der Fläche – wie Dehnung und Stauchung
– abgeleitet werden konnte. Der Fokus lag dabei auf der
gesamten Dickenänderung der Zelle und dem damit zusammenhängenden
Bauteilverhalten im Bereich der
Ableiter.
Selbst kleinste Änderungen können gemessen werden
Um die Flächendaten zu ermitteln, wird auf das Objekt
mit einem Farbspray ein stochastisches Muster aufgetragen.
Das heißt, es wird eine weiße Grundierung mit
einem schwarzen, zufälligen Muster versehen. Im Kamerabild
teilt die Bildverarbeitungssoftware dann die
Oberfläche des Messobjekts in viele kleine Einzelbereiche
von wenigen Pixeln ein. Durch die Eindeutigkeit des
Musters in jedem Messbereich kann nicht nur die
3D-Koordinate von jedem Bereich berechnet und somit
Bewegung festgestellt werden. Auch durch Verformung
hervorgerufene Änderungen an den einzelnen Messstellen
können durch die Musterkennung berechnet
werden. Diese Änderungen werden anhand des Kontrastunterschieds
des Musters im Bild, selbst im Subpixelbereich,
festgestellt. Dadurch können auch kleinste
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