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。金博宝app下载金锂离子(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。

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。

矩阵传感器的附加功能包括:

  • 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。

  • 感测元件间隔(间距)可窄到0.64毫米(0.025英寸)。

  • 传感器可以测量压力范围可高达25000磅(172兆帕)。

  • 高温传感器选项高达200℃(400°F)。

  • 扫描速度可高达20000赫兹。

用于嵌入式传感应用的单点传感器

对单个感应区单点压阻式力传感器测量的力反馈。该传感器类型本身借给以及将产品或装置不仅因为它是薄且柔性内集成,但是,因为它可以作为一个运算放大器电路或分压器的部件发挥功能。根据不同的设置中,传感器的力范围可通过改变驱动电压和反馈电阻器的电阻来调整。这允许用户具有超过参数,例如最大的力的范围,以及该范围内的测量分辨率控制。

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Tekscan提供)

然而,研究发现,堆高压力可能对长期的电池性能有很大的影响,具有较高水平的压力,导致容量衰减率较高的。随着时间的推移,显著的内部压力会导致塑性变形和分层。从温度变化的机械膨胀和收缩导致的阳极/阴极层,以时间上分开。当这些层分开,在电池的阻抗上升,降额其容量。在另一方面,而较低的内部压力可更好地提供长期的性能,有可能是从该电池壳体内的热膨胀运动过多。因此,电池设计人员必须找到一个“最佳点”用于容纳压力可维持在充电和放电循环。

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,电池设计师纷纷转向压力映射系统的锂离子电池在测试过程中收集的全面数据。感测元件的薄且柔性的阵列可环绕电池以提供测试夹具内的360°视图。这些系统可以用来评估过成千上万的充放电循环,可能持续数月压力分布。

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显示了从结合有压阻式压力映射系统的固定装置的充电/放电特性数据的例子。

从R&d见解启动嵌入式电池安全特性

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的电池原型的代表性设计。两个压阻式传感器放置在电池单元测量的力反馈任一端从电池在使用时。(图片由Tekscan提供)

对于他们的原型,该球队定位在电池盒来检测力的局部变化的任一端的两个传感器,如基于电池本身的设计过程中获得该球队的表征数据示于图4,他们能够确定的相对力阈值标志着电池是接近故障。然后,他们开发了一个功能,电池的压力达到临界阈值之前,将触发警报到用户的屏幕上。

核对相对测量应用中的传感器漂移

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Tekscan提供)

当传感器与图2中所示的电路供电,我们的压阻力传感器典型地具有的输出漂移率<5%/对数时间。因此,对于相对测量的应用中,设计工程师应该寻找作为力的函数(V相对于F曲线的斜率)的差分电压输出,如图5。

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您的电池设计决策的全部范围

满足消费者的需求,同时保持一个安全的,可重复的设计,对于电池的设计师艰难的平衡。充电锂化的原因,这会导致放气期间的温度增加。从在电池中的附加的气体的内部压力可以引起外壳或隔膜的故障。这可能会导致在极端情况下的热失控反应。

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。

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