힘 및 압력 감지가 포함된 스마트 배터리

전자 장치에서 고효율 차량에 이르기까지 에너지 밀도가 더 높고 더 작고 가벼우며 급속 충전되는 배터리 기술에 대한 소비자 요구가 계속해서 증가하고 있습니다. 동시에 배터리는 재난 상황에서도 안전해야 합니다. 리튬 이온(Li-ion)은 이러한 많은 요구 사항을 충족하고 비용 효율적이기 때문에 엔지니어와 설계자 사이에서 선호하는 배터리 기술이 되었습니다. 그러나 배터리 설계자가 리튬 이온 배터리 기능의 한계를 계속 밀어붙임에 따라 이러한 요구 사항 중 많은 부분이 서로 충돌할 수 있습니다.

리튬 이온 배터리를 충전 및 방전하는 작업은 내부 구성 요소의 온도, 전기화학 및 역학을 변화시킵니다. 이러한 역학은 또한 배터리 하우징 내 인터페이스 압력의 변화를 일으킵니다. 리튬 이온 배터리의 설계에 익숙한 많은 사람들은 이러한 압력 변화가 배터리 "호흡"의 효과를 제공한다고 말할 것입니다. 이는 시간이 지남에 따라 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있으며 극단적인 경우 잠재적으로 위험한 반응으로 이어질 수 있습니다.

최근 배터리 설계자들은 장기간 수명 주기 테스트에서 리튬 이온 배터리의 충전 및 방전 효과를 분석하기 위해 압저항력 및 압력 센서 기술을 사용하기 시작했습니다. 이와 동일한 유형의 센서를 실제 기기에 내장하여 최종 사용자에게 잠재적인 배터리 오류를 경고할 수도 있습니다.

단일 핵심 기술은 R&D 테스트와 임베디드 구성 요소라는 두 가지 역할을 합니다.

비교적 평평한 표면 사이에서도 경계면 압력 분포가 국부적인 영역에서 종종 균일하지 않다는 것을 알 수 있습니다. 턴키 압력 매핑 시스템의 일부로든 최종 제품에 포함된 구성 요소로든 얇고 유연한 압저항 센서는 엔지니어와 설계자에게 힘과 압력의 상대적인 변화를 포착할 수 있는 기능을 제공합니다.

압저항 센서는 두 개의 얇고 유연한 폴리에스터 사이에 포함된 반도체 재료로 구성됩니다. 전기 회로에서 힘을 감지하는 저항기 역할을 하는 수동 요소입니다. 부하가 없을 때 센서는 부하가 걸리면 떨어지는 높은 저항(약 2MΩ)을 갖습니다. 저항(컨덕턴스)의 역수를 고려하면 터치 센서의 컨덕턴스 응답은 센서의 지정된 힘 범위 내에서 힘의 함수로 선형입니다.

그림 1과 같이 압저항 센서는 단일점 힘 센서와 다중점 매트릭스 센서로 생산됩니다.

압력 매핑을 위한 매트릭스 센서

매트릭스 센서는 일반적으로 두 개의 결합 표면(압력 매핑으로 알려진 프로세스)에 걸쳐 압력 분포를 동적으로 측정하기 위해 R&D 애플리케이션에서 사용됩니다. 압력 매핑 시스템은 센서, 스캐닝 전자 장치 및 소프트웨어로 구성됩니다.

두 개의 표면이 센서와 접촉하면 스캐닝 전자 장치가 센서에서 아날로그 신호를 수집하여 디지털 신호로 변환합니다. 소프트웨어는 감지 영역 전반에 걸쳐 실시간 활동을 표시합니다. 이를 통해 사용자는 힘의 중심을 추적하고 최고 압력 영역을 찾고 프레임별 기록에서 압력 변화의 정확한 순간을 식별할 수 있습니다.

매트릭스 센서의 추가 기능은 다음과 같습니다.

• 센서에는 일반적으로 약 2000개의 감지 지점이 있지만 일부 센서는 16,000개 이상으로 설계될 수 있습니다.

• 감지 요소 간격(피치)은 0.64mm(0.025인치)만큼 좁을 수 있습니다.

• 센서는 최대 25,000psi(172MPa)의 압력 범위를 측정할 수 있습니다.

• 최대 200°C(400°F)의 고온 센서 옵션.

• 최대 20,000Hz의 스캔 속도를 사용할 수 있습니다.

임베디드 감지 애플리케이션을 위한 단일 포인트 센서

단일 지점 압저항 힘 센서는 단일 감지 영역에서 힘 피드백을 측정합니다. 이 센서 유형은 얇고 유연할 뿐만 아니라 연산 증폭기 회로 또는 전압 분배기의 구성 요소로 기능할 수 있기 때문에 제품 또는 장치 내 통합에 적합합니다. 설정에 따라 피드백 저항의 구동 전압과 저항을 변경하여 센서의 힘 범위를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 최대 힘 범위 및 해당 범위 내의 측정 분해능과 같은 매개변수를 제어할 수 있습니다.

압저항 센서는 선형 컨덕턴스 응답이 있는 수동 부품이고 저항의 동적 범위가 넓기 때문에 이를 통합하는 엔지니어는 많은 필터링이 필요하지 않은 간단한 전자 장치를 사용할 수 있습니다.

이 선형성의 중요한 이점은 압저항 센서가 간단한 교정만 필요하다는 것입니다. 로드 셀 또는 스트레인 게이지를 사용하는 힘 감지 응용 프로그램은 반복 사용 후에 공장에서 보정해야 할 수 있지만 압저항 센서가 있는 장치는 즉석 재보정을 위해 장치 펌웨어에 보정 루틴을 내장할 수 있습니다.

이 기술의 유연성과 저전력 전자 장치와 함께 작동할 수 있는 능력으로 인해 압저항 힘 센서는 설계를 복잡하게 하거나 사용자에게 어려움을 가하지 않으면서 다양한 유형의 장치를 향상시키는 데 성공했습니다.

리튬 이온 배터리 스택 스트레스를 검증하는 새로운 방법

배터리 제조업체는 제조 과정에서 배터리 스택 구성을 일정하게 유지하는 것을 우선시하지만, 많은 업체가 품질 절차의 일부로 스택 압력을 검증하지 않으며 배터리가 충전 또는 방전될 때 내부 스트레스를 정량화하지도 않습니다.

그러나 연구에 따르면 높은 스택 압력은 장기적인 전지 성능에 강한 영향을 미칠 수 있으며 스트레스 수준이 높을수록 용량 감소 속도가 더 빨라집니다. 시간이 지남에 따라 상당한 내부 압력으로 인해 소성 변형 및 박리가 발생할 수 있습니다. 온도 변화로 인한 기계적 팽창 및 수축으로 인해 시간이 지남에 따라 양극/음극 층이 분리됩니다. 이러한 층이 분리되면 배터리의 임피던스가 올라가 용량이 감소합니다. 반면에 내부 압력이 낮을수록 더 나은 장기적 성능을 제공할 수 있지만 배터리 하우징 내부의 열팽창으로 인해 너무 많은 움직임이 있을 수 있습니다. 따라서 배터리 설계자는 충전 및 방전 주기 동안 유지할 수 있는 하우징 압력에 대한 "스위트 스폿"을 찾아야 합니다.

충전/방전 주기 테스트에서 리튬 이온 배터리 팽창을 특성화하는 한 가지 방법은 팽창을 감지하기 위해 로드 셀을 통합하는 고정 장치를 사용하는 것입니다. 그러나 로드 셀은 배터리 어셈블리 전체의 평균 힘 피드백만 수집할 수 있고 배터리 자체에서 발생하는 과도한 압력의 위치에 대한 통찰력은 수집할 수 없기 때문에 배터리 설계자는 중요한 데이터를 놓치게 됩니다.

보다 최근에 배터리 설계자는 리튬 이온 배터리 테스트 중에 포괄적인 데이터를 수집하기 위해 압력 매핑 시스템으로 전환했습니다. 감지 요소의 얇고 유연한 어레이는 배터리를 감싸서 테스트 장치 내에서 360° 보기를 제공할 수 있습니다. 이러한 시스템은 몇 개월 동안 지속될 수 있는 수천 번의 충전 및 방전 주기에 대한 압력 프로파일을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

그림 3은 압저항 압력 매핑 시스템을 통합한 고정 장치의 충전/방전 특성화 데이터의 예를 보여줍니다.

임베디드 배터리 안전 기능을 시작하는 R&D의 통찰력

최근에 고효율 리튬 이온 배터리가 탑재된 새 노트북을 설계하는 엔지니어 팀이 R&D 노력에서 영감을 받은 독특한 애플리케이션을 발견했습니다. 그림 3에 표시된 것과 유사한 고정 장치를 사용하여 배터리 성능을 특성화한 후 팀은 동일한 압저항 감지 기술을 랩톱에 내장하여 사용 중 비정상적인 배터리 팽창을 모니터링하는 방법으로 사용할 생각을 했습니다.

시작하기 위해 설계 팀은 샘플 압저항 힘 센서를 구입했으며 특히 고온 및 고습 작동 환경에 맞게 제조된 다양한 압력 감지 잉크를 선택했습니다. 압저항 센서는 매우 얇고(0.203mm(0.008인치)) 저전력 전자 장치와 함께 작동할 수 있기 때문에 팀은 설계를 크게 조정할 필요가 없었습니다.

그들의 프로토타입을 위해 팀은 그림 4에서와 같이 힘의 국부적인 변화를 감지하기 위해 배터리 구획의 양쪽 끝에 두 개의 센서를 배치했습니다. 팀은 배터리 자체를 설계하는 동안 획득한 특성 데이터를 기반으로 다음을 결정할 수 있었습니다. 배터리가 고장에 가까워지고 있음을 나타내는 상대 힘 임계값. 그런 다음 배터리 압력이 임계값에 도달하기 전에 사용자 화면에 경고를 표시하는 기능을 개발했습니다.

상대 측정 애플리케이션의 센서 드리프트 계산

센서 드리프트로 인해 압저항 센서의 출력 전압이 시간이 지남에 따라 점진적으로 변경되기 때문에 절대 전압 출력을 사용하여 배터리 팽창을 결정하는 것이 어렵습니다. 그러나 이 배터리 안전 애플리케이션은 힘의 상대적인 변화만 측정하면 되며, 전압 대 힘 곡선의 기울기는 출력이 얼마나 변했는지에 관계없이 상대적으로 일정하게 유지되기 때문에 드리프트의 영향을 받지 않습니다.

그림 2에 표시된 회로로 센서에 전원을 공급할 때 압저항 힘 센서는 일반적으로 출력 드리프트 비율이 <5%/대수 시간입니다. 따라서 상대 측정 애플리케이션의 경우 설계 엔지니어는 그림 5와 같이 힘의 함수(V 대 F 곡선의 기울기)로 차동 전압 출력을 찾아야 합니다.

다른 한편으로, 어떤 종류의 동작을 생성하기 위해 힘의 절대 측정을 측정해야 하는 애플리케이션의 경우(예:정확히 5lbs에서 센서를 누르는 액추에이터는 "X" 응답을 일으키고 10lbs는 "Y"를 생성합니다. 응답), 엔지니어는 다른 보정 절차를 따라야 합니다.

측정 도구 및 내장 구성요소는 배터리 설계 결정의 전체 범위를 이해하는 데 도움이 됩니다.

안전하고 반복 가능한 설계를 유지하면서 소비자 요구를 만족시키는 것은 배터리 설계자에게 어려운 균형입니다. 충전 중 온도 상승은 리튬화를 일으켜 가스 발생으로 이어집니다. 배터리의 추가 가스로 인한 내부 압력으로 인해 하우징 또는 분리기 고장이 발생할 수 있습니다. 이는 극단적인 경우 열폭주 반응으로 이어질 수 있습니다.

초박형 압전 저항 감지 기술은 설계 프로세스의 테스트 및 측정 도구든 최종 제품의 임베디드 구성 요소든 상관없이 합병증이나 잠재적인 배터리 오류를 알릴 수 있는 과도한 압력 영역을 측정하고 식별하는 데 도움이 됩니다. 이는 차례로 배터리 설계자가 우리의 삶에 안전하게 전력을 공급하는 고급 에너지 기술을 개발하는 데 도움이 됩니다.

이 기사는 Tekscan, Inc.(매사추세츠주 사우스 보스턴)의 애플리케이션 엔지니어 및 임베디드 센싱 제품 관리자인 Edward Haidar가 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Mr. Haidar에게 문의하십시오. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .