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。

锂离子电池的充放电行为会使其内部部件的温度、电化学和力学发生变化。这些动态也会引起电池外壳内界面压力的变化。许多熟悉锂离子电池设计的人会说,这些压力的变化给了电池“呼吸”的效果。随着时间的推移,这会影响电池的性能,在极端情况下,可能会导致潜在的危险反应。

最近,电池设计者开始使用压阻力和压力传感器技术来分析锂离子电池在长期生命周期测试中充放电的影响。这些相同类型的传感器也可以嵌入到实际设备中,以帮助提醒终端用户潜在的电池故障。

单核心技术兼两职:研发测试和嵌入式组件

即使在相对平坦的表面之间,界面压力的分布在局部区域也往往不均匀。无论是作为交钥匙压力映射系统的一部分,还是作为最终产品的嵌入式组件,薄而灵活的压阻传感器为工程师和设计师提供了捕捉力和压力相对变化的能力。

压阻式传感器由两片薄而柔软的聚酯片之间的半导电材料组成。它们是在电路中充当力敏电阻的无源元件。当卸载时,传感器有一个高电阻(2MΩ左右),加载时下降。如果考虑电阻(电导)的倒数,那么在传感器指定的力范围内,触摸传感器的电导响应作为力的函数是线性的。

如图1所示,压阻传感器既可以作为单点力传感器,也可以作为多点矩阵传感器。

压力映射矩阵传感器

矩阵传感器通常用于研发应用,动态测量两个配合表面的压力分布,这一过程被称为压力映射。压力测绘系统由传感器、扫描电子设备和软件组成。

当两个表面与传感器接触时,扫描电子设备从传感器收集模拟信号并将其转换为数字信号。该软件显示整个传感区域的实时活动。这使得用户能够跟踪力的中心,定位峰值压力区域,并在逐帧记录中确定准确的压力变化时刻。

矩阵传感器的其他特点包括:

  • 传感器通常有大约2000个传感点,但有些传感器可以设计超过16000个。

  • 传感元件间距(间距)可窄至0.64 mm(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。

嵌入式传感应用的单点传感器

单点压阻式力传感器测量单个传感区域的力反馈。这种类型的传感器很适合集成到产品或设备中,不仅因为它很薄和灵活,还因为它可以作为运放电路或电压分压器的组件。根据设置,可以通过改变反馈电阻的驱动电压和电阻来调整传感器的力范围。这允许用户控制参数,如最大力范围,和测量分辨率在该范围内。

由于压阻式传感器是具有线性电导响应的无源元件,并且电阻的动态范围很广,因此集成它们的工程师可以使用不需要大量滤波的简单电子元件。

这种线性的一个重要好处是压阻传感器只需要简单的校准。使用测压元件或应变片的力传感应用可能需要在重复使用后进行出厂校准,而带有压阻传感器的设备可以将其校准程序嵌入到设备固件中,以便实时重新校准。

由于这种技术的灵活性,以及它在低功耗电子设备上的功能,压阻式力传感器已经成功地增强了许多不同类型的设备,而没有增加设计的复杂性或用户的难度。

锂离子电池堆应力验证的新方法

尽管电池制造商在制造过程中优先考虑保持恒定的电池组结构,但许多制造商并没有将电池组压力作为其质量程序的一部分进行验证,也没有在电池充电或放电时量化其内部压力。

图2。大多数压阻传感器可以用简单的电路供电,比如这个反向运算放大器(双源)电路。(图片由Tekscan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,更高水平的压力会导致更高的容量衰减率。随着时间的推移,巨大的内部压力会导致塑性变形和分层。温度变化引起的机械膨胀和收缩导致阳极/阴极层随着时间的推移而分离。当这些层分离时,电池的阻抗增加,使其容量降额。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电池外壳的热膨胀。因此,电池设计者必须找到一个“甜蜜点”的外壳压力,可以维持在充放电周期。

在充放电循环测试中,描述锂离子电池膨胀特性的一种方法是使用一种带有检测膨胀的测压元件的夹具。然而,由于测压元件只能收集电池组件的平均力反馈,而不能洞察电池本身产生的过度压力的位置,电池设计者将会错过重要的数据。

最近,电池设计人员转向压力测绘系统,在锂离子电池测试期间收集全面的数据。这种薄而灵活的传感元件阵列可以围绕电池,在测试夹具内提供360°视角。这些系统可用于评估数千个充放电周期的压力剖面,这些充放电周期可持续数月。

图3。5小时充放电循环测试的例子。顶部两张图片显示电池放置在夹具中,而截图显示压力输出。(图片由Tekscan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,一个工程师团队在设计一款新型笔记本电脑时,发现了一种独特的应用,这种应用受到了他们的研发工作的启发。在使用一种类似于图3所示的夹具描述电池性能后,该团队有了一个想法,将相同的压阻传感技术嵌入他们的笔记本电脑,作为一种监测电池使用时异常膨胀的方法。

首先,设计团队购买了压阻力传感器样品,特别选择了针对高温高湿操作环境而设计的压敏墨水品种。由于压阻式传感器非常薄,只有0.203毫米(0.008英寸),而且可以与低功耗的电子器件一起工作,所以该团队不需要对他们的设计进行任何重大调整。

图4。电池原型的代表性设计。放置在电池两端的两个压阻传感器测量电池在使用时的力反馈。(图片由Tekscan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,以检测力的局部变化,如图4所示。根据团队在电池设计过程中获得的特性数据,他们能够确定一个表明电池即将失效的相对力阈值。然后,他们开发了一种功能,可以在电池压力达到临界阈值之前,向用户的屏幕发出警报。

在相对测量应用中考虑传感器漂移

由于传感器漂移会导致压阻传感器的输出电压随着时间的推移而逐渐变化,使用绝对电压输出来确定电池膨胀成为一个挑战。然而,这种电池安全应用只需要测量力的相对变化,而不受漂移的影响,因为电压与力曲线的斜率保持相对恒定,不管输出发生了多少变化。

图5。由于这种电池安全应用只需要测量相对力而不是绝对力,工程师可以很容易地适应传感器漂移引起的电压输出变化。(图片由Tekscan提供)

当传感器使用如图2所示的电路供电时,压阻式力传感器的输出漂移率通常小于5% /对数时间。因此,对于相关的测量应用,设计工程师应该寻找作为力的函数的差分电压输出(V vs F曲线的斜率),如图5所示。

另一方面,应用程序需要测量绝对测量的力产生某种操作(例如,一个执行机构按5磅的传感器将导致“X”反应,而10磅会产生“Y”响应),然后工程师需要遵循不同的校准过程。

测量工具和嵌入式组件帮助您了解电池设计决策的全部范围

对电池设计师来说,在满足消费者需求的同时保持安全、可重复的设计是一个困难的平衡。充电过程中温度升高导致锂化,锂化导致充气。来自电池内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。

超薄压阻传感技术,无论是作为设计过程中的测试和测量工具,还是作为最终产品中的嵌入式组件,都有助于测量和识别可能预示并发症或潜在电池故障的过度压力区域。这反过来也有助于电池设计师开发先进的能源技术,为我们的生活提供安全的动力。

本文作者是Edward Haidar, Tekscan, Inc. (South Boston, MA)的应用工程师和嵌入式传感产品经理。如需了解更多信息,请联系Haidar先生此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。,或者访问在这里


传感器技术杂志

本文首次发表于2021年6月号传感器技术杂志。

阅读更多本期文章在这里

阅读更多的档案文章在这里