Bei der Assemblierung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein zentraler Arbeitsschritt die Herstellung der elektrischen Verbindung von einzelnen Lithium-Ionen-Zellen in Reihen- und/oder Parallelschaltung. Dazu kommen in der Regel Überlappschweißverbindungen aus Blechen mit Dicken von unter 2 mm zum Einsatz. Typischerweise werden Eisen-, Aluminium- und Kupferwerkstoffe genutzt. Dieser Produktionsschritt ist wegen der Wichtigkeit für die gesamte Batteriefunktion in seiner Qualität zu überwachen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein dafür geeignetes Verfahren identifiziert.
Es wurden Ultraschallprüfverfahren, Durchstrahlungsverfahren, die Messung des elektrischen Widerstands sowie thermografische Verfahren auf ihre Eignung zur Prüfung derartiger Überlappschweißverbindungen hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die nach dem Stand der Technik verfügbaren Verfahren im betrachteten Anwendungsfall wegen unzureichender Zugänglichkeit, mangelnder Fähigkeit der Fehlerdetektion oder wirtschaftlicher Gründe häufig nur eingeschränkt einsetzbar sind. Demzufolge war ein neues Verfahren zur Prüfung der Schweißnähte zur elektrischen Verbindung von Zellen zu entwickeln. Als Ansatz wurde die optisch angeregte Thermografie gewählt.
Diese konnte erfolgreich eingesetzt werden, wenn ein Laser zur Anregung sowie eine Photonendetektorkamera zur Detektion genutzt wurde. Durch die Anwendung der Lockin-Thermografie konnten Rauscheinflüsse auf die Messung minimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass Lockin-Messungen auch dann ausgewertet können, wenn das gemessene Temperatursignal neben einer harmonischen Schwingung und Rauschen einen stetigen Temperaturtrend aufweist.
Die Anwendung von im Rahmen der Arbeit entwickelten Abschirmelementen, die für die Anregungsstrahlung transparent und die von der genutzten Kamera erfassten Strahlung undurchlässig sind, erlaubte die Prüfung metallischer Schweißverbindung in der Nähe von hochabsorptiven Flächen. Unter Nutzung eines neu entwickelten Auswertealgorithmus, der auf die Kompensation des Effekts lateraler Wärmeflüsse im untersuchten Bauteil zielt, konnte die Ergebnisqualität der Thermografie hinsichtlich einer besseren optischen Korrelation der Ergebnisbilder zu Referenzprüfungen sowie einer verringerten Messunsicherheit der angebundenen Fläche verbessert werden. Insgesamt zeigte sich das Verfahren in seiner weiterentwickelten Form als für die Prüfung tauglich.:1 Einleitung
1.1 Motivation und Ziel
1.2 Einführung in die Arbeit
2 Stand der Technik
2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge
2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität
2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien
2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler
2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen
2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen
2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren
2.4.3 Ultraschallprüfung
2.4.4 Durchstrahlungsprüfung
2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands
2.4.6 Oberflächenprüfung
2.4.7 Infrarotthermografie
3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung
3.1 Untersuchte Verfahren
3.2 Ultraschallverfahren
3.3 Durchstrahlungsverfahren
3.4 Messung des elektrischen Widerstands
3.5 Infrarotthermografie
3.6 Verfahrensauswahl
4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung
4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien
4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur
4.3 Techniken der optischen Anregung
4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren
4.4.1 Lockin-Thermografie
4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand
5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen
5.1 Hintergrund
5.2 Lösungsansatz
5.3 Werkstoffauswahl
5.4 Erprobung
6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme
6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss
6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme
6.2.1 Simulationsmodell
6.2.2 Simulationsresultate
6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus
6.3.1 Ansatz
6.3.2 Ergebnis
6.3.3 Sensitivitätsanalyse
6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus
6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus
6.4.1 Untersuchte Proben
6.4.2 Emissionsgradmessung
6.4.3 Ergebnisqualität
6.4.4 Grenzen des Algorithmus
7 Zusammenfassung
8 Ausblick / The electrical connection of a multitude of lithium-ion cells is of high importance for producing lithium-ion batteries. These connections are usually carried out with lap welds of steel, aluminium and copper sheets with a thickness of less than 2 mm. Due to its importance the electrical connection should be subject to non-destructive evaluation. Therefore, a suitable method was identified to evaluate the electrical connection.
Technologies based on ultrasonic, radiographic and thermographic evaluation as well as measurement of electrical resistance have been studied regarding their potential to non-destructively test aforementioned lap welds.
It was found that in the studied case state of the art technologies are limited by restraints regarding accessibility, cycle time and detectability of ctitical flaws.
Therefore, a new technique for non-destructive testing of lap welds between cell connections, had to be be defined. Optically excited thermography was considered a promising approach.
Optically excited thermography was applied successfully using a laser as excitation source and a photon detector camera to record infrared radiation. The application of the lock-in principle allowed significant noise reduction. It was shown that the evaluation of temperature sequences using the lock-in algorithm does not depend on a temperature signal that shows strict harmonic behaviour but could also be applied when the raw temperature sequence incorporated a trend.
The application of newly developed radiation shields, which are transparent to the wavelengths of the excitation signal, but opaque to the wavelengths of infrared detection, allowed thermographic testing of metal surfaces in proximity to highly absorbing surfaces. A new algorithm was developed for evaluating thermographic sequences aimed at reducing the impact of lateral thermal flux. It was proven to increase the quality of thermographic results in terms of visual correlation to reference technologies and measurement uncertainty of the joined area. Overall, the improved technology was found to be feasible for non-destructive testing of lap welds in lithium-ion batteries.:1 Einleitung
1.1 Motivation und Ziel
1.2 Einführung in die Arbeit
2 Stand der Technik
2.1 Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge
2.1.1 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu anderen Energiespeichern in der Elektromobilität
2.1.2 Aufbau und Funktion von Lithium-Ionen-Batterien
2.2 Fertigungstechnik der Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.2.1 Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.2.2 Schweißverfahren zur Kontaktierung von Lithium-Ionen-Zellen
2.3 Schweißnahtanforderungen und -fehler
2.4 Zerstörungsfreie Prüfung von Kontaktierverbindungen
2.4.1 Qualitätssicherung von Kontaktierverbindungen
2.4.2 Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfverfahren
2.4.3 Ultraschallprüfung
2.4.4 Durchstrahlungsprüfung
2.4.5 Messung des elektrischen Widerstands
2.4.6 Oberflächenprüfung
2.4.7 Infrarotthermografie
3 Vorauswahl eines geeigneten Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung
3.1 Untersuchte Verfahren
3.2 Ultraschallverfahren
3.3 Durchstrahlungsverfahren
3.4 Messung des elektrischen Widerstands
3.5 Infrarotthermografie
3.6 Verfahrensauswahl
4 Anwendung der optisch angeregten Thermografie zur Schweißnahtprüfung
4.1 Herausforderungen bei der Messung von Kontaktierschweißverbindungen von Lithium-Ionen-Batterien
4.2 Narzisseffekt und Perspektivenkorrektur
4.3 Techniken der optischen Anregung
4.4 Signalaufbereitung durch Lockin-Verfahren
4.4.1 Lockin-Thermografie
4.4.2 Lockin-Thermografie im Nicht-Gleichgewichtszustand
5 Unterdrückung des Einflusses von Reflexionen bei der thermografischen Prüfung von Kontaktierverbindungen
5.1 Hintergrund
5.2 Lösungsansatz
5.3 Werkstoffauswahl
5.4 Erprobung
6 Kompensation des Einflusses lateraler Wärmeströme
6.1 Mehrdimensionaler Wärmefluss
6.2 Simulation des Einflusses lateraler Wärmeströme
6.2.1 Simulationsmodell
6.2.2 Simulationsresultate
6.3 Entwicklung eines Kompensationsalgorithmus
6.3.1 Ansatz
6.3.2 Ergebnis
6.3.3 Sensitivitätsanalyse
6.3.4 Fazit der simulativen Untersuchung des Kompensationsalgorithmus
6.4 Umsetzung und Verifikation des Kompensationsalgorithmus
6.4.1 Untersuchte Proben
6.4.2 Emissionsgradmessung
6.4.3 Ergebnisqualität
6.4.4 Grenzen des Algorithmus
7 Zusammenfassung
8 Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:34457 |
| Date | 09 July 2019 |
| Creators | Just, Philipp |
| Contributors | Mücklich, Silke, Meyendorf, Norbert, Technische Universität Dresden, Westsächsische Hochschule Zwickau |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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