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3D-Messtechnik: Deformationen von Zelloberflächen auf der Spur

Messtechnik für Pouch Bag Akku-Zellen
Mit 3D-Messtechnik der Deformation von Zelloberflächen auf der Spur

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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.

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 Änderungen gemessen werden. Unter Berücksichtigung der angrenzenden Messstellen, kann für jeden einzelnen 3D-Punkt eine Aussage über Dehnungen oder Stauchungen gemacht werden.

Zur Erfassung der mit dem Kontrastspray vorbereiteten Oberflächen arbeitet Topometric mit dem Aramis SRX Sensor von GOM. Mit einer Auflösung von 12 Mpx pro Kamera können insbesondere bei kleineren Messvolumina sehr hohe Ortsauflösungen erreicht und dadurch die Genauigkeit gesteigert werden. Ein Messvolumen von 260 x 200 x 80 mm deckt die Fläche des zu messenden Pouch-Bag-Akkus mit den Maßen 160 x 160 mm perfekt ab.

Für den Messvorgang hat Topometric den Sensor mit einer 300 mm breiten Basis montiert, sodass ein uneingeschränkter Zugang zu der Oberfläche der Akku-Zelle besteht. Dadurch wurde auch der parallellaufende Messvorgang der Wärmebildkamera ermöglicht. Um den Kontrast in den Kameraaufnahmen zwischen Grundierung und Musterpunkten weiter zu verstärken und die Zuordnung der einzelnen Bildstufen zu verbessern, wurde die Pouch-Bag-Akku-Zelle zusätzlich mit einem speziellen LED-Licht ausgeleuchtet.

Die Messung erfolgte über einen Zeitraum von 3 h. In dieser Zeit wurde alle 5 s ein Stereobildpaar aufgenommen. Die Mess-Software wertete diese auf Basis der vorliegenden Parameter auf. Anschließend wurden die Daten hinsichtlich der Dickenänderung analysiert und zur Visualisierung als Falschfarbenvergleich über das Kamerabild gelegt. Beim Falschfarbenvergleich werden Farben verwendet, die von der eigentlichen Farbgebung abweichen. Ziel ist es, die Nuancen in einem Bild stärker unterscheidbar zu machen. Der Falschfarbenvergleich liefert schnell und umfassend Details über die Geometrie des Bauteils beziehungsweise über Segmente des Bauteils. Der Temperaturausdehnungskoeffizient für die Pouch-Bag-Zelle kann anschließend durch die Kombination von 3D-Oberflächendaten und den Aufnahmen der Wärmebildkamera errechnet werden. ■

Topometric GmbH
Wilhelm-Zwick-Straße 7
73035 Göppingen
Tel. +490716140790
www.topometric.de


Der Autor

Markus Geiger
Teamleiter
3D-Bewegungsanalyse, Optische Messtechnik
Topometric
www.topometric.de

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