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controllo qualità al 100% in frazioni di secondo

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Moduli di test e misurazione delle batterie per l'automazione, il collaudo e il laboratorio

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Che si tratti di telecomunicazioni, utensili, tempo libero o mobilità elettrica, oggi molti dispositivi e veicoli moderni funzionano indipendentemente dalla rete elettrica con batterie ricaricabili. Affinché queste funzionino in modo affidabile, le proprietà elettriche delle singole celle della batteria devono essere il più possibile omogenee e anche le loro connessioni meccaniche devono essere testate al 100%. Poiché alcune batterie di grandi dimensioni contengono centinaia di singole celle, le misure di valutazione delle celle devono essere eseguite in modo rapido, affidabile e sicuro durante il processo di produzione. A tal fine sono necessari moderni dispositivi di misura in grado di gestire l'Industria 4.0 per tutti i parametri rilevanti relativi alle singole celle.

Una batteria elettrica è costituita da singole celle raggruppate per ottenere una tensione o una capacità maggiore. Ciò significa, tuttavia, che una batteria è buona solo quanto la sua cella più debole. I produttori di batterie devono quindi testare le proprietà esatte di tutte le singole celle e dei singoli moduli preassemblati per il processo di produzione in corso e classificarli in gruppi di qualità. Una batteria per auto elettriche, ad esempio, ha solitamente diverse centinaia di celle installate in più moduli. Testare quantità così elevate nel più breve tempo possibile pone requisiti particolari alla tecnologia di misura. Sono necessari molti anni di esperienza con i metodi di misura elettrici e meccanici per combinare le proprietà chiave per la produzione di batterie in un'unica famiglia di dispositivi di misura. Questi moderni dispositivi possono essere utilizzati singolarmente o in gruppo. Sono compatibili con l'Industria 4.0 e facili da collegare ai bus di campo standard, da integrare nei sistemi di produzione o da utilizzare per scopi di ricerca e sviluppo.

Test delle proprietà elettriche delle singole celle
L'aspetto più importante del test delle celle è la determinazione delle proprietà elettriche individuali delle singole celle. Se una cella con una capacità inferiore viene collegata in serie, l'intero gruppo di celle è in grado di erogare solo la quantità di corrente inferiore. Questo può anche portare a un guasto totale, poiché la cella con capacità inferiore viene caricata completamente per prima, ma le altre continuano a essere caricate e la cella con capacità inferiore si surriscalda. La cella deviata può surriscaldarsi anche durante la scarica. Un altro problema è causato dalle diverse resistenze interne, che provocano una carica e un riscaldamento non uniformi delle celle. Per questo motivo, le celle della batteria dovrebbero avere parametri il più possibile identici (vedere le figure 1a e b). Poiché i pacchi batteria sono composti da singole celle di diverso formato (rotonde, a sacchetto, prismatiche), la tecnologia di misura deve essere in grado di testare tutte le varianti.

Con migliaia di singole celle da testare in molti casi, è essenziale un'elevata produttività. L'uso di dispositivi di misura nel collaudo automatizzato della produzione di celle per batterie, per una garanzia di qualità costante al 100% in frazioni di sezione, richiede una vasta esperienza. Il modulo all-in-one 2511 (vedi fig. 2) degli specialisti della tecnologia di misura burster (vedi box aziendale) è un dispositivo di misura sviluppato appositamente per tali compiti. Offrendo la misura della resistenza interna AC/DC con valori da 0,1 µΩ ... 300 mΩ in 4 campi di misura da 10 ... 300 mΩ, nonché un metodo di misura a quattro fili per la massima precisione, consente di generare risultati di misura e valutazione nel più breve tempo possibile. Le misure possono essere eseguite nella gamma di frequenza di 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz e con tensioni di 0 ... ±5 V CC. In pochi millisecondi, il modulo di misura a cascata per batterie fornisce informazioni sulla qualità dell'elettrolito e dell'elettrodo rispetto alle specifiche del produttore, tramite applicazioni da monocanale a multicanale e misure di temperatura. Il design compatto e le interfacce fieldbus PROFINET ed EtherCAT consentono una semplice integrazione nella produzione. Il software PC abbinato per una parametrizzazione/configurazione intuitiva facilita la creazione di programmi di misura individuali (vedi fig. 3).

Test delle connessioni ad alta corrente
All'interno di un pacco batterie, le singole celle devono essere collegate tra loro. A tale scopo si utilizzano connettori rigidi a sbarra, fili o contatti a molla che vengono premuti, avvitati, saldati o crimpati sulle celle. È importante che le resistenze di contatto specificate siano rispettate con estrema precisione, per ridurre al minimo le perdite di potenza e il riscaldamento della batteria. Con grandi quantità di produzione, i dispositivi di misura devono anche avere tempi di valutazione molto rapidi. Con un massimo di 100 misure al secondo, il modello 2311 RESISTOMAT® di burster è adatto ai requisiti delle applicazioni ad alta velocità nell'automazione (vedere le figure 4a e b). Il metodo di misura a quattro fili elimina le resistenze del cavo di prova e le resistenze di contatto. Il rilevamento integrato dei circuiti aperti controlla i puntali. Nonostante un campo di misura di 20 mΩ ... 200 kΩ con una risoluzione fino a 1 μΩ e un'accuratezza di misura ≤ 0,03 % della lettura, lo strumento di prova raggiunge misure ad alta velocità a partire da 10 ms per misura, compresa la valutazione. Un comparatore a 2 e 4 vie con uscite di commutazione esegue classificazioni e selezioni. Tutte le impostazioni del dispositivo possono essere configurate individualmente in un massimo di 32 programmi di misura diversi, opzionalmente anche tramite Ethernet, USB (standard) o interfacce fieldbus (opzionali). Il data logger integrato può memorizzare fino a 900 valori misurati per programma di misura.

Determinare i valori di misura meccanici
Anche i parametri meccanici sono importanti nella produzione di batterie. Misurando le coppie di serraggio e le forze di serraggio, è possibile garantire che le superfici di contatto siano saldamente fissate e che la resistenza di contatto sia ridotta al minimo. Quando si inseriscono a pressione i contatti ad alta corrente sui PCB o si inseriscono le singole celle nei tubi o nelle scatole di contenimento, è altrettanto necessario misurare le forze che si verificano. La registrazione e la convalida delle forze di giunzione rivela immediatamente eventuali difetti di giunzione. Il monitoraggio della forza/spostamento in press-fit con tecniche a finestra e ad inviluppo consente, ad esempio, di registrare i valori di picco minimo/massimo e i valori medi della forza entro un intervallo di tolleranza specificato. Questi metodi di prova sono facili da implementare con il controllore di processo DIGIFORCE® 9307 X/Y (vedi fig. 5). Con un'interfaccia PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP ed Ethernet UDP, il modulo supporta un controllo di processo flessibile e l'acquisizione dei dati di misura. Fino a 128 programmi di misura consentono un elevato grado di varianza del prodotto. Ad esempio, quando si monitora la forza/spostamento per l'inserimento di singole piastre/blocchi di cellule in un alloggiamento per celle, è sempre possibile unire più unità contemporaneamente per ottimizzare il tempo di ciclo, e ogni singola piastra può essere misurata e valutata con l'ausilio di controllori DIGIFORCE® in cascata.

Monitoraggio a lungo termine del comportamento di espansione delle celle della batteria
Ma non sono importanti solo le misure critiche in linea di produzione. I dispositivi di misura sono necessari anche per le misure di laboratorio del comportamento delle celle e delle batterie, ad esempio per lo sviluppo o per i controlli a campione. Questi dispositivi possono anche essere utilizzati per ottenere facilmente valori di misura meccanici per il monitoraggio a lungo termine, ad esempio dell'espansione durante i cicli di carica e scarica, o per determinare le forze che si verificano con il monitoraggio della temperatura, o per ottimizzare la distribuzione della pressione e la durata di vita. Grazie alle sue dimensioni ridotte e ai tre fori di fissaggio, la cella di carico a compressione burster 8526 è adatta a compiti come questi in diverse aree di applicazione (vedere fig. 6). Anche gli errori angolari nell'applicazione del carico, con una deviazione fino a 3° dall'asse di misura, hanno un'influenza trascurabile sul risultato della misurazione. L'ampia scelta di campi di misura, da 0 ... 100 N a 0 ... 1 MN, consente di misurare con precisione forze o forze di un certo tipo. 1 MN consente di misurare con precisione le forze o l'espansione con la temperatura - non solo per le celle delle batterie - ad esempio quando le celle vengono caricate e scaricate. Ciò consente di valutare con precisione il comportamento a lungo termine e il processo di invecchiamento.

Didascalie delle immagini:
Figg. 1a, b: Le celle delle batterie dovrebbero avere parametri il più possibile identici (fonte: burster).

Fig. 2: Il modulo all-in-one 2511 è ideale per l'uso nei test di produzione automatizzati di celle di batterie agli ioni di litio per una garanzia di qualità costante al 100% in pochi millisecondi (fonte: burster).
Fig. 3: Il software PC abbinato per una parametrizzazione/configurazione intuitiva facilita la creazione di programmi di misura individuali (fonte: burster).
Figg. 4a, b: Il modello 2311 RESISTOMAT® è progettato per soddisfare i requisiti delle applicazioni ad alta velocità nell'automazione (fonte: burster).
Fig. 5: Quando si registrano e si convalidano le forze di giunzione con il controllore di processo DIGIFORCE® 9307 X/Y, eventuali difetti di giunzione vengono rilevati immediatamente (fonte: fresa).
Fig. 6: Valori di misura meccanici per il monitoraggio a lungo termine dell'espansione durante i cicli di carica e scarica, o per determinare le forze che si verificano (fonte: burster).
(Tutte le immagini sono riportate nel link)

Box aziendale: Informazioni su burster
burster fornisce tecnologie di misura che vanno dai singoli sensori alle soluzioni di sistema. I suoi clienti sono principalmente l'ingegneria meccanica e impiantistica, l'automazione, l'industria automobilistica e i suoi fornitori, l'ingegneria elettrica ed elettronica e l'industria chimica. La gamma comprende strumenti di misura e tester, nonché sensori standard per valori di misura meccanici ed elettrici, come celle di carico, sensori di pressione, coppia e spostamento, milli- e megaohmmetri e scatole di decadi di resistenza. Inoltre, sono possibili soluzioni OEM personalizzate, anche per molti altri settori e mercati futuri come l'ingegneria medica, le biotecnologie e la mobilità elettrica. Molti anni di esperienza nella progettazione e costruzione di strumenti di misura e sensori garantiscono sempre soluzioni ottimali. Sviluppati e prodotti in Germania, i sensori burster, gli amplificatori e i moduli trasmettitori, gli strumenti di precisione e i sistemi di misura per l'elaborazione dei segnali dei sensori vengono spediti ai clienti di tutto il mondo.

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