Slimme Batterijen Met Kracht- En Druksensoren Voor Verbeterde Veiligheid

Van elektronische apparaten tot hoge-rendements voertuigen: de consumentenvraag naar compactere, lichtere, sneller opladende batterijtechnologieën met hogere energiedichtheden groeit voortdurend. Tegelijkertijd moeten batterijen veilig zijn, zelfs in catastrofale situaties. Lithium-ionen (Li-ion) is de favoriete batterijtechnologie onder ingenieurs en ontwerpers omdat het aan veel van deze eisen voldoet en kostenefficiënt is. Naarmate batterijontwerpers de grenzen van Li-ion-mogelijkheden blijven verleggen, kunnen veel van deze eisen echter in conflict met elkaar komen.

De 'Ademende' Batterij

Het opladen en ontladen van een Li-ion-batterij produceert veranderingen in de temperatuur, electrochemie en mechanica van de interne componenten. Deze dynamiek veroorzaakt ook veranderingen in de interface-druk binnen de batterijbehuizing. Velen die bekend zijn met het ontwerp van een Li-ion-batterij zullen zeggen dat deze drukveranderingen het effect geven van een batterij die 'ademt'. In de loop van de tijd kan dit de batterijprestaties beïnvloeden en in extreme gevallen leiden tot potentiële gevaarlijke reacties.

Piezoresistieve Sensortechnologie: Twee Toepassingen in Één

Onlangs begonnen batterijontwerpers piezoresistieve kracht- en druksensortechnologie te gebruiken om de effecten van laden en ontladen van Li-ion-batterijen te analyseren in lange-termijn levenscyclus tests. Dezelfde typen sensoren kunnen ook in het apparaat zelf worden ingebouwd om eindgebruikers te waarschuwen voor potentiële batterijfalingsrisico's.

Enkele Kerntechnologie, Dubbele Functie: R&D Testen en Ingebedde Component

Zelfs tussen relatief vlakke oppervlakken is de verdeling van interface-druk vaak niet uniform in gelokaliseerde gebieden. Of als onderdeel van een complete drukkaartsysteem of als ingebedde component in een eindproduct, bieden dunne, flexibele piezoresistieve sensoren ingenieurs en ontwerpers de mogelijkheid om relatieve veranderingen in kracht en druk vast te leggen.

Piezoresistieve sensoren bestaan uit een halfgeleidend materiaal tussen twee stukken dun, flexibel polyesters. Ze zijn passieve elementen die functioneren als krachtgevoelige weerstanden in een elektrisch circuit. Onbelast heeft de sensor een hoge weerstand (ongeveer 2 MΩ) die daalt bij belasting. Als je de inverse van weerstand (geleiding) beschouwt, is de geleidingsreactie van aanrakingssensoren lineair als functie van kracht binnen het aangewezen krachtbereik van de sensor.

Zoals weergegeven in Figuur 1, worden piezoresistieve sensoren geproduceerd als zowel enkelpunt-krachtsensoren als meervoudig-punt matrixsensoren.

Matrixsensoren Voor Drukkaarting

Matrixsensoren worden veel gebruikt in R&D-toepassingen om dynamisch de drukvverdeling over twee aanliggende oppervlakken te meten — een proces bekend als drukkaarting. Drukkaartsystemen bestaan uit sensoren, scanelektronica en software.

Wanneer twee oppervlakken in contact komen met de sensor, verzamelt de scanelektronica het analoge signaal van de sensor en converteert dit naar een digitaal signaal. De software toont realtime activiteit over het meetgebied. Hierdoor kan de gebruiker het krachtscentrum volgen, piekdrukregio's lokaliseren en exacte momenten van drukverandering identificeren in een frame-voor-frame opname.

Extra kenmerken van matrixsensoren:

• Sensoren hebben doorgaans ongeveer 2000 meetpunten, maar sommige sensoren kunnen worden ontworpen met meer dan 16.000.
• Afstand tussen meetelementen (pitch) kan zo nauw zijn als 0,64 mm (0,025 inch).
• Sensoren kunnen drukbreeken meten tot 25.000 psi (172 MPa).
• Hochtemperatuursensoropties tot 200 °C (400 °F).
• Scansnelheden beschikbaar tot 20.000 Hz.

Enkelpuntsensoren Voor Ingebedde Meettoepassingen

Enkelpunt piezoresistieve krachtsensoren meten krachtterugkoppeling op een enkel meetgebied. Deze sensortypen lenen zich goed voor integratie binnen een product of apparaat, niet alleen omdat ze dun en flexibel zijn, maar ook omdat ze kunnen functioneren als component van een op-amp circuit of spanningsdeler. Afhankelijk van de opstelling kan het krachtbereik van de sensor worden aangepast door de dryfspanning en de weerstand van de terugkoppelweerstand te veranderen. Dit geeft de gebruiker controle over parameters zoals maximum krachtbereik en meetresolutie binnen dat bereik.

Omdat piezoresistieve sensoren passieve componenten zijn met lineaire geleidingsreactie en een grote dynamische bereik van weerstand, kunnen ingenieurs die ze integreren eenvoudige elektronica gebruiken die niet veel filtering vereist.

Een belangrijk voordeel van deze lineariteit is dat piezoresistieve sensoren slechts een eenvoudige kalibratie vereisen. Krachtmeettoepassingen die lastcellen of rekstroken gebruiken, moeten mogelijk na herhaald gebruik in de fabriek gekalibreerd worden, terwijl apparaten met piezoresistieve sensoren hun kalibratieroutine in de firmware van het apparaat kunnen hebben ingebouwd voor on-the-fly herkalibratie.

Vanwege de flexibiliteit van deze technologie, samen met de mogelijkheid om te functioneren met lage-energie elektronica, zijn piezoresistieve krachtsensoren succesvol geweest in het verbeteren van veel verschillende typen apparaten, zonder complexiteit aan het ontwerp toe te voegen of moeilijkheden voor de gebruiker.

Een Nieuwe Methode Om Li-ion Batterij Stack Stress Te Valideren

Hoewel batterijfabrikanten prioriteit geven aan het handhaven van een constante batterij stack constructie tijdens de productie, valideren veel geen stack-druk als onderdeel van hun kwaliteitsprocedure, noch kwantificeren ze interne spanningen op de batterij tijdens laden of ontladen.

Onderzoek heeft echter aangetoond dat hoge stack-drukken een sterke invloed kunnen hebben op de lange-termijn celprestaties, met hogere spanningsniveaus die leiden tot hogere capaciteitsverval snelheden. In de loop van de tijd kunnen significante interne drukken leiden tot plastische vervorming en delaminatie. De mechanische expansie en contractie door temperatuurveranderingen zorgt ervoor dat de anode/kathode-lagen in de loop van de tijd uit elkaar gaan. Wanneer die lagen zich scheiden, stijgt de impedantie van de batterij, wat de capaciteit derateert. Aan de andere kant, terwijl lagere interne drukken betere lange-termijnprestaties kunnen bieden, kan er te veel beweging zijn door thermische expansie binnen de batterijbehuizing. Daarom moeten batterijontwerpers een 'weetje' vinden voor behuizingsdruk die kan worden gehandhaafd over de laad- en ontladingscycli.

Eén methode om Li-ion-batterij zwelling in laad/ontlaad cyclus tests te karakteriseren is met een fixture die een lastcel bevat om zwelling te detecteren. Omdat lastcellen echter alleen gemiddelde krachtterugkoppeling over een batterijmontage kunnen verzamelen, en geen inzichten in de positie van overmatige druk die in de batterij zelf optreedt, missen batterijontwerpers belangrijke data.

Meer recentelijk zijn batterijontwerpers overgeschakeld op drukkaartsystemen om uitgebreide data te verzamelen tijdens Li-ion-batterijtesten. Het dunne en flexibele array van meetelementen kan om de batterij heen worden gewikkeld om een 360°-zicht binnen een testfixture te bieden. Deze systemen kunnen gebruikt worden om drukprofielen te evalueren over duizenden laad- en ontladingscycli, die verschillende maanden kunnen duren.

Figuur 3 toont een voorbeeld van laad/ontlaad karakteriseringsdata van een fixture met een piezoresistief drukkaartsysteem.

Inzichten Uit R&D Leiden Tot Een Ingebedde Batterijveiligheidsfunctie

Onlangs vond een team ingenieurs die een nieuwe laptop ontwierp met een hoog-rendement Li-ion-batterij een unieke toepassing geïnspireerd door hun R&D-inspanningen. Na het karakteriseren van de batterijprestaties met een fixture vergelijkbaar met die in Figuur 3, had het team het idee om dezelfde piezoresistieve sensortechnologie in hun laptop in te bouwen als methode om abnormale batterijzwelling tijdens het gebruik te monitoren.

Als begin kocht het ontwerpteam steekproef piezoresistieve krachtsensoren, specifiek een drukgevoelige inktvariant geformuleerd voor hoge-temperatuur en hoge-vochtigheids omgevingsomstandigheden. Omdat piezoresistieve sensoren zo dun zijn — slechts 0,203 mm (0,008 inch) — en kunnen functioneren met lage-energie elektronica, hoefde het team geen significante aanpassingen aan hun ontwerp te maken.

Voor hun prototype positioneerde het team twee sensoren aan beide uiteinden van het batterijcompartiment om gelokaliseerde veranderingen in kracht te detecteren, zoals weergegeven in Figuur 4. Op basis van de karakteriseringsdata die het team verwierf tijdens het ontwerp van de batterij zelf, konden ze een relatieve krachtdrempel bepalen die aangeeft dat de batterij een falingsrisico nadert. Vervolgens ontwikkelden ze een functie die een waarschuwing op het scherm van de gebruiker activeert voordat de batterij-druk een kritieke drempel bereikt.

Rekening Houden Met Sensor Drift In De Relatieve Meetapplicatie

Omdat sensor drift ervoor zorgt dat de uitgangsspanning van de piezoresistieve sensor geleidelijk in de loop van de tijd verandert, wordt het gebruik van absolute spanninguitgangen om batterijzwelling te bepalen een uitdaging. Echter, deze batterijveiligheidsapplicatie vereiste alleen het meten van relatieve veranderingen in kracht, wat niet beïnvloed wordt door drift aangezien de helling van de Spanning vs Kracht curve relatief constant blijft, ongeacht hoeveel de uitgang is veranderd.

Wanneer de sensor wordt gevoed met het circuit zoals getoond in Figuur 2, hebben onze piezoresistieve krachtsensoren doorgaans een uitgangsdriftsnelheid van <5% / logaritmische tijd. Daarom moet de ontwerpend ingenieur bij relatieve meettoepassingen kijken naar de differentiële spanninguitgang als functie van kracht (de helling van de V vs F curve) zoals getoond in Figuur 5.

Aan de andere kant, voor een applicatie die een absolute krachtmeting vereist om een actie te produceren (bijv. een actuator die op de sensor drukt met precies 5 lbs zou "X" respons veroorzaken, terwijl 10 lbs "Y" respons zou produceren), zou de ingenieur een andere kalibratieprocedure moeten volgen.

Meethulpmiddelen En Ingebedde Componenten Helpen Je De Volledige Omvang Van Je Batterijontwerpbeslissingen Te Begrijpen

Het voldoen aan consumenteneisen tegelijkertijd met het handhaven van een veilig, herhaalbaar ontwerp, is een moeilijke balans voor batterijontwerpers. Temperatuurstijging tijdens het laden veroorzaakt lithiatie, wat leidt tot gasvorming. Interne drukken door de additionele gassen in de batterij kunnen leiden tot behuizings- of scheiderfalingen. Dit kan in extreme gevallen leiden tot thermische ontloop reacties.

Ultra-dunne piezoresistieve sensortechnologie, ofwel als test- en meethulpmiddel in het ontwerpproces, ofwel als ingebedde component in het eindproduct, helpt meten en identificeren van regio's met overmatige druk die complicaties of potentiële batterijfalingsrisico's kunnen signaleren. Dit helpt batterijontwerpers geavanceerde energietechnologieën te ontwikkelen om ons leven veilig te stroomvoorzien.

Dit artikel is geschreven door Edward Haidar, Applications Engineer & Embedded Sensing Product Manager, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Voor meer informatie, neem contact op met Mr. Haidar via dit e-mailadres (beschermd tegen spambots, JavaScript vereist), of bezoek hier.