从电子设备到高效车辆,消费者需求持续更紧凑,轻巧,快速充电的电池技术,具有更高的能量密度。与此同时,即使在灾难性的事件中,电池也应该是安全的。锂离子(锂离子)已成为工程师和设计师之间最喜欢的电池技术,因为它满足了许多这些需求,并且具有成本效益。然而,由于电池设计师继续推动锂离子电池功能的限制,因此许多这些要求可能会彼此冲突。

充电和放电的行为锂离子电池产生内部部件的温度,电化学和力学的变化。这些动态也会导致电池外壳内的界面压力变化。许多熟悉锂离子电池的设计将说这些压力变化会产生电池“呼吸”的影响。随着时间的推移,这会影响电池性能,并且在极端情况下,可以导致可能危险的反应。

最近,电池设计人员已经开始使用压阻力和压力传感器技术来分析充电和放电锂离子电池在长期生命周期测试中的影响。这些相同类型的传感器也可以嵌入在实际设备中,以帮助警报最终用户潜在电池故障。

单核技术佩戴两个帽子:研发测试和嵌入式组件

即使在相对平坦的表面之间,一个发现界面压力分布通常在局部区域中通常不均匀。无论是作为交钥匙压力映射系统的一部分,还是作为最终产品中的嵌入式组件,薄,柔性,压阻传感器都提供工程师和设计人员能够捕捉力和压力的相对变化。

压阻式传感器由两片薄的柔性聚酯之间的半导体材料组成。它们是被动元件,其充当电路中的力传感电阻。卸载时,传感器具有高电阻(约2mΩ),可在加载时下降。如果考虑阻力(电导)的倒数,则触摸传感器的电导响应是线性作为传感器指定力范围内的力的函数。

如图1所示,压阻传感器作为单点力传感器和多点矩阵传感器产生。

压力映射的矩阵传感器

矩阵传感器通常用于研发应用,以动态测量两个配合表面的压力分布 - 一种称为压力映射的过程。压力映射系统由传感器,扫描电子产品和软件组成。

由于两个表面与传感器接触,扫描电子器件从传感器收集模拟信号并将其转换为数字信号。该软件在传感区域显示实时活动。这允许用户跟踪力的中心,定位峰值压力区域,并识别逐帧记录中的压力变化的精确时刻。

矩阵传感器的其他功能包括:

  • 传感器通常具有大约2000个传感点,但有些传感器可以设计超过16,000。

  • 传感元件间距(间距)可以窄至0.64毫米(0.025英寸)。

  • 传感器的测量压力范围可达25,000 psi (172 MPa)。

  • 高温传感器选项高达200°C(400°F)。

  • 扫描速度可达20,000赫兹。

用于嵌入式传感应用的单点传感器

单点压阻力传感器测量一个单一传感区域的力反馈。这种传感器类型非常适合集成在产品或设备中,不仅因为它很薄且灵活,还因为它可以作为运放电路或分压器的组件。根据设置的不同,传感器的力范围可以通过改变驱动电压和反馈电阻的电阻来调整。这允许用户对参数进行控制,如最大力范围和该范围内的测量分辨率。

由于压阻传感器是具有线性电导响应的无源元件,并且具有宽动态的电阻范围,因此整合它们的工程师可以使用不需要大量滤波的简单电子设备。

这种线性度的一个重要益处是压阻传感器只需要简单的校准。使用负载单元或应变仪的力传感应用可能需要在重复使用后进行校准,而带压阻传感器的设备可以将其校准程序嵌入到可在线重新校准中的设备固件中。

由于该技术的灵活性,随着其使用低功耗电子设备的能力,压电力传感器已经成功增强了许多不同类型的设备,而不会增加对用户的设计或难度的复杂性。

一种验证锂离子电池堆应力的新方法

虽然,电池制造商在制造过程中保持恒定电池堆叠结构的优先级,但许多人没有作为其质量过程的一部分验证堆叠压力,也不是它们在电池上量化的内部应力,因为它充电或放电。

图2.大多数压阻式传感器可以用简单的电路供电,例如该反转的OP-AMP(双源)电路。(图片由特克斯卡纳提供)

然而,研究发现,高堆栈压力会对电池的长期性能产生强烈影响,压力水平越高,容量衰退的速度就越快。随着时间的推移,显著的内部压力会导致塑性变形和分层。随着时间的推移,由于温度变化引起的机械膨胀和收缩导致阳极/阴极层分离。当这些层分开时,电池的阻抗就会上升,从而降低其容量。另一方面,虽然较低的内部压力可能提供更好的长期性能,但可能有太多的运动从热膨胀电池外壳。因此,电池设计者必须找到一个“最佳压力点”,以便在充放电循环期间保持外壳压力。

用于表征充电/放电循环测试中锂离子电池膨胀的一种方法是用夹具结合载荷电池来检测膨胀。然而,因为负载电池只能在电池组件上收集平均力反馈,而不是对电池本身发生的过度压力的位置的洞察,因此电池设计人员将遗漏在重要数据上。

最近,电池设计者已经转向压力测绘系统来收集锂离子电池测试期间的全面数据。这种薄而灵活的传感元件阵列可以包裹在电池周围,在测试夹具内提供360°视角。这些系统可用于评估数千次充放电循环的压力分布,可持续数月。

图3.五小时充电/放电循环测试的示例。顶部两个图像显示放置在夹具中的电池,而屏幕截图显示压力输出。(图片由特克斯卡纳提供)

图3显示了一个包含压阻压力映射系统的夹具的充放电特性数据示例。

启动嵌入式电池安全功能

最近,一支设计具有高效锂离子电池的新笔记本电脑的工程师团队发现了由他们的研发努力启发的独特应用。使用类似于图3所示的固定装置的电池性能进行了表征后,该团队有一个想法将与其笔记本电脑嵌入相同的压阻式传感技术,以作为在使用中监测异常电池膨胀的方法。

首先,设计团队购买了样品压阻力传感器,专门选择用于高温和高湿度操作环境的压敏油墨品种。由于压阻传感器如此薄 - 只有0.203毫米(0.008英寸) - 并且可以用低功耗电子产品,团队不需要对其设计进行任何重大调整。

图4。代表性的电池原型设计。安装在电池两端的两个压阻传感器在使用过程中测量来自电池的力反馈。(图片由特克斯卡纳提供)

对于他们的原型,研究小组在电池室的两端放置了两个传感器,以检测局部力的变化,如图4所示。根据团队在电池本身设计过程中获得的特性数据,他们能够确定一个相对力阈值,表明电池正在接近故障。然后他们开发了一项功能,在电池压力达到临界阈值之前,会向用户的屏幕发出警报。

核对相对测量应用中的传感器漂移

由于传感器漂移将导致压阻传感器的输出电压随时间逐渐变化,因此使用绝对电压输出来确定电池膨胀成为挑战。然而,这种电池安全应用仅需要测量的力的相对变化,这不受漂移的影响,因为电压Vs力曲线的斜率保持相对恒定,而不管输出改变了多少。

图5.由于这种电池安全应用仅需要测量相对力 - 不是绝对力 - 工程师可以容易地容纳由传感器漂移引起的电压输出的变化。(图片由特克斯卡纳提供)

当传感器使用如图2所示的电路供电时,我们的压阻力传感器的输出漂移率通常小于5% /对数时间。因此,对于相对测量应用,设计工程师应该寻找差电压输出作为力的函数(V vs F曲线的斜率),如图5所示。

On the other hand, for an application requiring measuring an absolute measure of force to produce some sort of an action (e.g., an actuator pressing on the sensor at exactly 5 lbs would cause “X” response, while 10 lbs would produce “Y” response), then the engineer would need to follow a different calibration procedure.

测量工具和嵌入式组件帮助您全面了解您的电池设计决策

对于电池设计师来说,既要满足消费者的需求,又要保持安全、可重复的设计,这是一个很难平衡的问题。充电过程中温度升高会导致锂化,从而导致气化。来自电池中额外气体的内部压力会导致外壳或分离器故障。在极端情况下,这可能导致热失控反应。

超薄压阻式传感技术,无论是设计过程中的测试和测量工具,还是最终产品中的嵌入式组件,有助于测量和识别过度压力的区域,可以发出信号并发症或潜在的电池故障。反过来,这有助于电池设计师开发先进的能源技术,以安全地为我们的生活供电。

本文是由Edward Haidar,Application Engineer&Embedded Sension产品经理,Tekscan,Inc。(南波士顿,MA)编写。有关更多信息,请联系Haidar先生此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


传感器技术杂志

本文首先出现在6月份,2021年问题传感器技术杂志。

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