Умные батареи теперь оснащены датчиками силы и давления для повышения безопасности

От электронных устройств до высокоэффективных транспортных средств — потребительский спрос на более компактные, легкие, быстро заряжающиеся батарейные технологии с более высокой плотностью энергии неуклонно растет. При этом батареи должны оставаться безопасными даже в катастрофических ситуациях. Литий-ионные (Li-ion) батареи стали любимой технологией инженеров и проектировщиков, так как удовлетворяют многие из этих требований и являются экономически эффективными. Однако, по мере того как разработчики батарей продолжают расширять возможности литий-ионных элементов, многие из этих требований начинают противоречить друг другу.

Процесс заряда и разряда литий-ионной батареи вызывает изменения в температуре, электрохимии и механике внутренних компонентов. Эти динамические процессы также приводят к изменениям интерфейсного давления внутри корпуса батареи. Знакомые с конструкцией Li-ion батарей часто говорят, что эти изменения давления создают эффект «дыхания» батареи. Со временем это может влиять на производительность, а в экстремальных случаях — приводить к потенциально опасным реакциям.

Недавно разработчики батарей начали использовать пьезорезистивные датчики силы и давления для анализа влияния заряда и разряда Li-ion батарей в долгосрочных циклических тестах. Те же типы датчиков можно встраивать непосредственно в устройство для оповещения конечных пользователей о потенциальных отказах батареи.

Одна базовая технология — две роли: тестирование при НИОКР и встроенный компонент

Даже между относительно плоскими поверхностями распределение интерфейсного давления часто бывает неравномерным в локальных областях. Будь то часть готовой системы картографирования давления или встроенный компонент в конечном продукте, тонкие гибкие пьезорезистивные датчики дают инженерам и проектировщикам возможность фиксировать относительные изменения силы и давления.

Пьезорезистивные датчики состоят из полупроводникового материала, заключенного между двумя слоями тонкого гибкого полиэстера. Это пассивные элементы, работающие как силовые резисторы в электрической цепи. В не нагруженном состоянии датчик имеет высокое сопротивление (около 2 МОм), которое снижается под нагрузкой. Если рассматривать величину, обратную сопротивлению (проводимость), то зависимость проводимости от силы в рабочем диапазоне датчика линейна.

Как показано на рисунке 1, пьезорезистивные датчики выпускаются как одноточечные датчики силы, так и многоточечные матричные датчики.

Матричные датчики для картографирования давления

Матричные датчики широко применяются в НИОКР для динамического измерения распределения давления между двумя сопряженными поверхностями — процесса, известного как картографирование давления. Такие системы включают датчики, сканирующую электронику и программное обеспечение.

Когда две поверхности контактируют с датчиком, сканирующая электроника собирает аналоговый сигнал и преобразует его в цифровой. Программное обеспечение отображает активность в зоне чувствительности в реальном времени. Это позволяет отслеживать центр силы, выявлять зоны пикового давления и фиксировать точные моменты изменения давления в покадровой записи.

Дополнительные особенности матричных датчиков:

• Обычно имеют около 2000 чувствительных точек, но некоторые датчики могут быть спроектированы с более чем 16 000 точками.

• Шаг чувствительных элементов (pitch) может составлять всего 0,64 мм (0,025 дюйма).

• Диапазон измеряемых давлений — до 25 000 psi (172 МПа).

• Варианты высокотемпературных датчиков до 200 °C (400 °F).

• Скорость сканирования до 20 000 Гц.

Одноточечные датчики для встроенных сенсорных приложений

Одноточечные пьезорезистивные датчики силы измеряют обратную связь по силе на одной зоне чувствительности. Этот тип датчиков идеально подходит для интеграции в продукт или устройство не только из-за своей тонкости и гибкости, но и потому, что может функционировать как компонент схемы с операционным усилителем или делителя напряжения. В зависимости от схемы, диапазон измеряемой силы можно регулировать, меняя напряжение питания и сопротивление резистора обратной связи. Это дает контроль над такими параметрами, как максимальный диапазон силы и разрешение измерения в этом диапазоне.

Так как пьезорезистивные датчики — пассивные компоненты с линейной зависимостью проводимости и широким динамическим диапазоном сопротивления, инженерам достаточно использовать простую электронику, не требующую сложной фильтрации.

Важным преимуществом этой линейности является то, что пьезорезистивные датчики требуют только простую калибровку. Приложения для измерения силы, использующие тензодатчики или весовые датчики, могут требовать заводской калибровки после повторного использования, тогда как устройства с пьезорезистивными датчиками могут иметь процедуру калибровки, встроенную в прошивку, для перекалибровки «на лету».

Благодаря гибкости этой технологии и возможности работы с низкопотребляющей электроникой, пьезорезистивные датчики силы успешно применяются для улучшения многих типов устройств, не усложняя конструкцию и не создавая трудностей для пользователя.

Новый метод валидации напряжений в стеке Li-ion батареи

Хотя производители батарей приоритизируют постоянство конструкции стека при производстве, многие не валидируют давление стека в рамках процедур качества и не количественно оценивают внутренние напряжения при заряде и разряде.

Однако исследования показывают, что высокие давления в стеке сильно влияют на долгосрочную производительность элемента: более высокие уровни напряжения приводят к более быстрому падению емкости. Со временем значительные внутренние давления могут вызвать пластическую деформацию и расслоение. Механическое расширение и сжатие от изменений температуры заставляют слои анода/катода со временем разделяться. При разделении слоев импеданс батареи растет, снижая её емкость. С другой стороны, слишком низкие внутренние давления могут допускать излишнее движение от термического расширения внутри корпуса. Поэтому проектировщикам необходимо найти «золотую середину» для давления в корпусе, которое сохранялось бы в циклах заряда и разряда.

Один из методов характеристики отека Li-ion батареи в циклических тестах — прибор с тензодатчиком для обнаружения отека. Однако тензодатчики дают только среднюю силу по всей сборке, не предоставляя информации о локализации избыточного давления внутри самой батареи, что лишает проектировщиков важных данных.

Недавно разработчики обратились к системам картографирования давления для сбора комплексной информации при тестировании Li-ion батарей. Тонкий гибкий массив чувствительных элементов может обернуться вокруг батареи, обеспечивая 360° обзор внутри испытательного прибора. Эти системы позволяют оценивать профили давления за тысячи циклов заряда и разряда, длящиеся несколько месяцев.

Рисунок 3 показывает пример данных характеристики заряд/разряд от прибора с пьезорезистивной системой картографирования давления.

Инсайты из НИОКР приводят к встроенной функции безопасности батареи

Недавно команда инженеров, проектировавших новый ноутбук с высокоэффективной Li-ion батареей, нашла уникальное применение, вдохновленное их НИОКР. После характеристики производительности батареи с помощью прибора, подобного показанному на рисунке 3, команда решила встроить ту же пьезорезистивную технологию в ноутбук для мониторинга аномального отека батареи в процессе эксплуатации.

Для начала команда приобрела образцы пьезорезистивных датчиков силы, выбрав вариант с чувствительной к давлению краской, сформулированной для работы в условиях высоких температур и влажности. Поскольку пьезорезистивные датчики настолько тонки — всего 0,203 мм (0,008 дюйма) — и работают с низкопотребляющей электроникой, команде не пришлось вносить существенные изменения в конструкцию.

Для прототипа команда разместила два датчика на обоих концах отсека батареи для обнаружения локальных изменений силы, как показано на рисунке 4. На основе данных характеристики, полученных при проектировании самой батареи, они определили относительный порог силы, сигнализирующий о приближении к отказу. Затем была разработана функция, запускающая оповещение на экране пользователя до достижения критически высокого давления.

Учет дрейфа датчика в приложении относительных измерений

Поскольку дрейф датчика вызывает постепенное изменение выходного напряжения со временем, использование абсолютных значений напряжения для определения отека батареи становится проблемой. Однако данное приложение безопасности требует только измерения относительных изменений силы, на которые дрейф не влияет, так как наклон кривой «Напряжение vs Сила» остается относительно постоянным независимо от изменения выходного значения.

При питании схемой, показанной на рисунке 2, наши пьезорезистивные датчики силы обычно имеют скорость дрейфа выхода <5% / логарифмическое время. Поэтому для приложений относительных измерений инженер должен ориентироваться на дифференциальное выходное напряжение как функцию силы (наклон кривой V vs F), как показано на рисунке 5.

С другой стороны, для приложений, требующих измерения абсолютной силы для запуска действия (например, актуатор, давящий на датчик ровно с 5 фунтами, вызывает ответ «X», а 10 фунтов — «Y»), инженеру потребуется другая процедура калибровки.

Инструменты измерения и встроенные компоненты помогают понять полную картину ваших конструктивных решений по батареям

Баланс между удовлетворением потребительского спроса и поддержанием безопасного, повторяемого дизайна — сложная задача для разработчиков батарей. Повышение температуры при заряде вызывает литирование, ведущее к газообразованию. Внутренние давления от дополнительных газов могут вызвать отказы корпуса или сепаратора. В экстремальных случаях это приводит к реакциям термического разгона.

Ультратонкая пьезорезистивная сенсорная технология, будь то инструмент тестирования и измерений в процессе проектирования или встроенный компонент в конечном продукте, помогает измерять и выявлять зоны избыточного давления, сигнализирующие о проблемах или потенциальных отказах батареи. Это, в свою очередь, помогает разработчикам создавать передовые энергетические технологии для безопасного питания нашей жизни.

Статью написал Эдвард Хайдар, инженер по приложениям и менеджер по встроенным сенсорам, Tekscan, Inc. (Саут-Бостон, штат Массачусетс). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Хайдаром по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите сайт .