Slimme batterijen zijn inclusief kracht- en drukdetectie

Van elektronische apparaten tot zeer efficiënte voertuigen, de vraag van de consument blijft groeien naar compactere, lichtgewicht, snelladende batterijtechnologieën met hogere energiedichtheden. Tegelijkertijd moeten batterijen ook veilig zijn, zelfs bij catastrofale gebeurtenissen. Lithium-ion (Li-ion) is een favoriete batterijtechnologie geworden onder ingenieurs en ontwerpers omdat het aan veel van deze eisen voldoet en kostenefficiënt is. Terwijl batterijontwerpers de grenzen van de mogelijkheden van Li-ionbatterijen blijven verleggen, kunnen veel van deze vereisten met elkaar in strijd zijn.

De handeling van het opladen en ontladen van een Li-ionbatterij veroorzaakt veranderingen in de temperatuur, elektrochemie en mechanica van de interne componenten. Deze dynamiek veroorzaakt ook veranderingen in de interfacedruk in de batterijbehuizing. Velen die bekend zijn met het ontwerp van een Li-ionbatterij zullen zeggen dat deze drukveranderingen het effect geven van een batterij die "ademt". Na verloop van tijd kan dit de prestaties van de batterij beïnvloeden en in extreme gevallen leiden tot mogelijk gevaarlijke reacties.

Onlangs zijn batterijontwerpers begonnen met het gebruik van piëzoresistieve kracht- en druksensortechnologie om de effecten van het opladen en ontladen van Li-ion-batterijen te analyseren in langetermijntests van de levenscyclus. Deze zelfde typen sensoren kunnen ook in het eigenlijke apparaat worden ingebouwd om eindgebruikers te waarschuwen voor mogelijke batterijstoringen.

Een enkele kerntechnologie draagt ​​twee petten:R&D-tests en ingebedde componenten

Zelfs tussen relatief vlakke oppervlakken vindt men dat de drukverdeling in het grensvlak vaak niet uniform is in gelokaliseerde gebieden. Of het nu gaat om een ​​kant-en-klaar systeem voor het in kaart brengen van druk, of als een ingebed onderdeel in een eindproduct, dunne, flexibele, piëzoresistieve sensoren bieden ingenieurs en ontwerpers de mogelijkheid om relatieve veranderingen in kracht en druk vast te leggen.

Piëzo-resistieve sensoren bestaan ​​uit een halfgeleidend materiaal tussen twee stukken dun, flexibel polyester. Het zijn passieve elementen die fungeren als krachtgevoelige weerstanden in een elektrisch circuit. In onbelaste toestand heeft de sensor een hoge weerstand (ongeveer 2MΩ) die daalt bij belasting. Als je het omgekeerde van weerstand (geleiding) beschouwt, is de geleidingsrespons van aanraaksensoren lineair als een functie van kracht binnen het door de sensor aangewezen krachtbereik.

Zoals weergegeven in afbeelding 1, worden piëzoresistieve sensoren geproduceerd als zowel enkelpunts krachtsensoren als als meerpunts matrixsensoren.

Matrixsensoren voor drukmapping

Matrixsensoren worden vaak gebruikt in R&D-toepassingen om de drukverdeling over twee pasvlakken dynamisch te meten - een proces dat bekend staat als drukmapping. Drukkarteringssystemen bestaan ​​uit sensoren, scanelektronica en software.

Als twee oppervlakken in contact komen met de sensor, verzamelt de scanelektronica het analoge signaal van de sensor en zet dit om in een digitaal signaal. De software geeft realtime activiteit weer in het detectiegebied. Hierdoor kan de gebruiker het krachtcentrum volgen, gebieden met piekdruk lokaliseren en exacte momenten van drukveranderingen identificeren in een beeld-voor-beeld opname.

Extra functies van matrixsensoren zijn onder meer:

• Sensoren hebben doorgaans ongeveer 2000 detectiepunten, maar sommige sensoren kunnen worden ontworpen met meer dan 16.000 .

• De afstand tussen de sensorelementen (pitch) kan zo smal zijn als 0,64 mm (0,025 in.).

• Sensoren kunnen drukbereiken meten tot 25.000 psi (172 MPa).

• Opties voor hoge-temperatuursensoren tot 200 °C (400 °F).

• Scansnelheden beschikbaar tot 20.000 Hz.

Eenpuntssensoren voor geïntegreerde detectietoepassingen

Enkelpunts piëzoresistieve krachtsensoren meten krachtfeedback op een enkel detectiegebied. Dit sensortype leent zich goed voor integratie in een product of apparaat, niet alleen omdat het dun en flexibel is, maar ook omdat het kan functioneren als onderdeel van een opamp-circuit of spanningsdeler. Afhankelijk van de opstelling kan het krachtbereik van de sensor worden aangepast door de aandrijfspanning en weerstand van de feedbackweerstand te wijzigen. Hierdoor heeft de gebruiker controle over parameters zoals het maximale krachtbereik en de meetresolutie binnen dat bereik.

Aangezien piëzoresistieve sensoren passieve componenten zijn met een lineaire geleidingsrespons en een breed dynamisch weerstandsbereik hebben, kunnen ingenieurs die ze integreren eenvoudige elektronica gebruiken die niet veel filtering vereist.

Een belangrijk voordeel van deze lineariteit is dat piëzoresistieve sensoren slechts een eenvoudige kalibratie vereisen. Krachtgevoelige toepassingen die loadcellen of rekstrookjes gebruiken, moeten mogelijk in de fabriek worden gekalibreerd na herhaald gebruik, terwijl voor apparaten met piëzoresistieve sensoren hun kalibratieroutine kan worden ingebed in de apparaatfirmware voor on-the-fly herkalibratie.

Vanwege de flexibiliteit van deze technologie, samen met het vermogen om te werken met elektronica met laag vermogen, zijn piëzoresistieve krachtsensoren erin geslaagd veel verschillende soorten apparaten te verbeteren, zonder het ontwerp ingewikkelder te maken of problemen voor de gebruiker op te lossen.

Een nieuwe methode om de stapelspanning van Li-ionbatterijen te valideren

Hoewel batterijfabrikanten prioriteit geven aan het handhaven van een constante batterijstapelconstructie tijdens de productie, valideren velen de stapeldruk niet als onderdeel van hun kwaliteitsprocedure, noch kwantificeren ze de interne spanningen op de batterij wanneer deze wordt opgeladen of ontladen.

Uit onderzoek is echter gebleken dat hoge stapeldrukken een sterk effect kunnen hebben op de celprestaties op de lange termijn, waarbij hogere stressniveaus leiden tot hogere snelheden van capaciteitsvervaging. Na verloop van tijd kunnen aanzienlijke interne drukken leiden tot plastische vervorming en delaminatie. De mechanische uitzetting en samentrekking door temperatuurveranderingen zorgt ervoor dat de anode/kathodelagen na verloop van tijd scheiden. Wanneer die lagen scheiden, gaat de impedantie van de batterij omhoog, waardoor de capaciteit afneemt. Aan de andere kant, hoewel lagere interne drukken betere prestaties op lange termijn kunnen bieden, kan er te veel beweging zijn door thermische uitzetting in de batterijbehuizing. Daarom moeten batterijontwerpers een "sweet-spot" vinden voor de druk in de behuizing die kan worden gehandhaafd tijdens de laad- en ontlaadcycli.

Een methode om de zwelling van Li-ionbatterijen te karakteriseren tijdens het testen van de laad-/ontlaadcyclus, is met een armatuur die een loadcel bevat om zwelling te detecteren. Omdat loadcellen echter alleen gemiddelde krachtfeedback over een batterij kunnen verzamelen en geen inzicht in de positie van overmatige druk in de batterij zelf, zouden batterijontwerpers belangrijke gegevens mislopen.

Meer recentelijk hebben batterijontwerpers zich tot drukkaartsystemen gewend om uitgebreide gegevens te verzamelen tijdens het testen van Li-ionbatterijen. De dunne en flexibele reeks sensorelementen kan zich om de batterij wikkelen om een ​​360°-beeld te bieden in een testopstelling. Deze systemen kunnen worden gebruikt om drukprofielen te evalueren over duizenden laad- en ontlaadcycli, die enkele maanden kunnen duren.

Afbeelding 3 toont een voorbeeld van karakteriseringsgegevens voor laden/ontladen van een armatuur met een piëzoresistief drukmappingsysteem.

Inzichten uit R&D Start een ingebouwde veiligheidsfunctie voor batterijen

Onlangs vond een team van ingenieurs die een nieuwe laptop met een zeer efficiënte Li-ionbatterij ontwierpen, een unieke toepassing die geïnspireerd was op hun R&D-inspanningen. Na het karakteriseren van de batterijprestaties met behulp van een armatuur die vergelijkbaar is met die in figuur 3, kwam het team op het idee om dezelfde piëzoresistieve detectietechnologie in hun laptop in te bouwen als een methode om abnormale batterijzwelling tijdens gebruik te controleren.

Om te beginnen kocht het ontwerpteam monsters voor piëzoresistieve krachtsensoren, waarbij ze specifiek een drukgevoelige inktsoort selecteerden die is samengesteld voor werkomgevingen met hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid. Omdat piëzoresistieve sensoren zo dun zijn - slechts 0,203 mm (0,008 inch) - en kunnen werken met elektronica met een laag vermogen, hoefde het team geen significante aanpassingen aan hun ontwerp aan te brengen.

Voor hun prototype plaatste het team twee sensoren aan weerszijden van het batterijcompartiment om lokale veranderingen in kracht te detecteren, zoals weergegeven in figuur 4. Op basis van de karakteriseringsgegevens die het team tijdens het ontwerp van de batterij zelf had verkregen, konden ze bepalen een relatieve krachtdrempel die aangeeft dat de batterij het bijna niet meer doet. Vervolgens ontwikkelden ze een functie die een waarschuwing op het scherm van de gebruiker zou activeren voordat de batterijdruk een kritieke drempel bereikt.

Rekening houden met sensorafwijking in de toepassing voor relatieve metingen

Omdat sensordrift ervoor zorgt dat de uitgangsspanning van de piëzoresistieve sensor in de loop van de tijd geleidelijk verandert, wordt het gebruik van absolute spanningsuitgangen om de zwelling van de batterij te bepalen een uitdaging. Deze toepassing voor batterijveiligheid vereiste echter alleen het meten van relatieve krachtveranderingen, die niet worden beïnvloed door drift, aangezien de helling van de spanning versus krachtcurve relatief constant blijft, ongeacht hoeveel de output is veranderd.

Wanneer de sensor wordt gevoed met het circuit dat wordt getoond in figuur 2, hebben onze piëzoresistieve krachtsensoren typisch een output-driftsnelheid <5% / logaritmische tijd. Daarom moet de ontwerpingenieur voor relatieve meettoepassingen zoeken naar de differentiële spanningsuitgang als een functie van kracht (de helling van de V vs F-curve) zoals weergegeven in figuur 5.

Aan de andere kant, voor een toepassing die het meten van een absolute krachtmaat vereist om een ​​soort van actie te produceren (bijvoorbeeld een actuator die op de sensor drukt met precies 5 lbs zou een "X" -respons veroorzaken, terwijl 10 lbs "Y" zou produceren reactie), dan moet de monteur een andere kalibratieprocedure volgen.

Meettools en ingebouwde componenten helpen u de volledige reikwijdte van uw beslissingen over batterijontwerp te begrijpen

Het voldoen aan de eisen van de consument met behoud van een veilig, herhaalbaar ontwerp, is een moeilijk evenwicht voor batterijontwerpers. Temperatuurstijging tijdens het opladen veroorzaakt lithiëring, wat leidt tot gasvorming. Interne drukken van de extra gassen in de batterij kunnen defecten aan de behuizing of de afscheider veroorzaken. Dit kan in extreme gevallen leiden tot thermische op hol geslagen reacties.

Ultradunne piëzoresistieve detectietechnologie, of het nu gaat om een ​​test- en meetinstrument in het ontwerpproces of een ingebed onderdeel in het eindproduct, helpt bij het meten en identificeren van gebieden met overmatige druk die complicaties of mogelijke batterijstoringen kunnen signaleren. Dit helpt batterijontwerpers op hun beurt geavanceerde energietechnologieën te ontwikkelen om ons leven veilig van stroom te voorzien.

Dit artikel is geschreven door Edward Haidar, Applications Engineer &Embedded Sensing Product Manager, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Neem voor meer informatie contact op met de heer Haidar via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien., of bezoek hier .