스마트 배터리, 힘·압력 센서 탑재로 안전성 강화

전자기기부터 고효율 차량까지, 더 작고 가벼우며 급속 충전이 가능하고 에너지 밀도가 높은 배터리 기술에 대한 소비자 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 동시에 배터리는 최악의 상황에서도 안전해야 합니다. 리튬이온(Li-ion) 배터리는 이러한 요구 사항을 다수 충족하면서 비용 효율적이기 때문에 엔지니어와 설계자들 사이에서 선호되는 배터리 기술이 되었습니다. 그러나 배터리 설계자들이 리튬이온 배터리의 성능 한계를 계속 넓혀감에 따라, 이러한 요구 사항들 중 다수가 서로 상충할 수 있습니다.

리튬이온 배터리의 충전과 방전은 내부 구성 요소의 온도, 전기화학, 역학에 변화를 일으킵니다. 이러한 역학은 배터리 하우징 내부의 계면 압력 변화도 유발합니다. 리튬이온 배터리 설계에 익숙한 사람이라면 이러한 압력 변화가 배터리가 '숨쉬는' 효과를 준다고 말할 것입니다. 시간이 지남에 따라 이는 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 극단적인 경우에는 잠재적으로 위험한 반응으로 이어질 수 있습니다.

최근 배터리 설계자들은 압전 저항 방식의 힘 및 압력 센서 기술을 사용하여 리튬이온 배터리의 충방전이 장기 수명 주기 테스트에서 미치는 영향을 분석하기 시작했습니다. 동일한 유형의 센서를 실제 장치에 내장하여 최종 사용자에게 잠재적 배터리 고장을 알리는 데에도 활용할 수 있습니다.

단일 코어 기술, 두 가지 역할 수행: R&D 테스트 및 임베디드 구성 요소

비교적 평평한 표면 사이에서도 국소 영역에서 계면 압력 분포가 균일하지 않은 경우가 많습니다. 턴키 압력 매핑 시스템의 일부로 사용되든, 최종 제품의 임베디드 구성 요소로 사용되든, 얇고 유연한 압전 저항 센서는 엔지니어와 설계자에게 힘과 압력의 상대적 변화를 포착할 수 있는 능력을 제공합니다.

압전 저항 센서는 두 장의 얇고 유연한 폴리에스터 사이에 반도체 물질을 포함합니다. 이들은 전기 회로에서 힘 감지 저항소자 역할을 하는 수동 소자입니다. 무부하 상태에서 센서는 높은 저항(약 2MΩ)을 가지며, 부하가 가해지면 저항이 감소합니다. 저항의 역수인 컨덕턴스를 고려하면, 터치 센서의 컨덕턴스 응답은 센서의 지정된 힘 범위 내에서 힘의 선형 함수입니다.

[그림 1]과 같이 압전 저항 센서는 단일 포인트 힘 센서와 다중 포인트 매트릭스 센서로 모두 생산됩니다.

압력 매핑을 위한 매트릭스 센서

매트릭스 센서는 두 개의 맞닿은 표면 사이의 압력 분포를 동적으로 측정하는 R&D 응용 분야에서 흔히 사용되며, 이 과정을 압력 매핑이라고 합니다. 압력 매핑 시스템은 센서, 스캐닝 전자장치, 소프트웨어로 구성됩니다.

두 표면이 센서와 접촉하면 스캐닝 전자장치가 센서로부터 아날로그 신호를 수집하여 디지털 신호로 변환합니다. 소프트웨어는 센싱 영역 전체에서 실시간 활동을 표시합니다. 이를 통해 사용자는 힘의 중심을 추적하고, 피크 압력 영역을 찾으며, 프레임별 기록에서 압력 변화의 정확한 순간을 식별할 수 있습니다.

매트릭스 센서의 추가 기능은 다음과 같습니다:

• 센서는 일반적으로 약 2,000개의 감지 포인트를 가지지만, 일부 센서는 16,000개 이상으로 설계될 수 있습니다.
• 감지 소자 간격(피치)은 최소 0.64mm(0.025인치)까지 좁힐 수 있습니다.
• 센서는 최대 25,000psi(172MPa)의 압력 범위를 측정할 수 있습니다.
• 최대 200°C(400°F)까지 견디는 고온 센서 옵션이 있습니다.
• 최대 20,000Hz의 스캔 속도를 제공합니다.

임베디드 센싱 응용을 위한 단일 포인트 센서

단일 포인트 압전 저항 힘 센서는 단일 감지 영역에서 힘 피드백을 측정합니다. 이 센서 유형은 얇고 유연할 뿐만 아니라 연산 증폭기 회로나 전압 분배기의 구성 요소로 기능할 수 있어 제품이나 장치 내부에 통합하기에 적합합니다. 설정에 따라 구동 전압과 피드백 저항의 저항을 변경하여 센서의 힘 범위를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 최대 힘 범위, 해당 범위 내 측정 해상도 등의 매개변수를 제어할 수 있습니다.

압전 저항 센서는 선형 컨덕턴스 응답과 넓은 동적 저항 범위를 가진 수동 소자이므로, 많은 필터링을 필요로 하지 않는 단순한 전자 회로로 통합할 수 있습니다.

이러한 선형성의 중요한 이점은 압전 저항 센서가 단순한 캘리브레이션만 필요로 한다는 것입니다. 로드 셀이나 스트레인 게이지를 사용하는 힘 감지 응용 분야는 반복 사용 후 공장 캘리브레이션이 필요할 수 있지만, 압전 저항 센서를 사용하는 장치는 캘리브레이션 루틴을 장치 펌웨어에 내장하여 실시간 재캘리브레이션이 가능합니다.

이 기술의 유연성과 저전력 전자장치와의 작동 능력 덕분에 압전 저항 힘 센서는 설계에 복잡성을 더하거나 사용자 어려움을 주지 않으면서 다양한 유형의 장치 성능 향상에 성공적으로 활용되어 왔습니다.

리튬이온 배터리 스택 응력 검증을 위한 새로운 방법

배터리 제조업체들은 제조 과정에서 일정한 배터리 스택 구조를 유지하는 것을 최우선으로 하지만, 많은 업체가 품질 절차의 일부로 스택 압력을 검증하지 않으며, 충방전 시 배터리 내부의 내부 응력을 정량화하지도 않습니다.

그러나 연구에 따르면 높은 스택 압력은 장기 셀 성능에 강한 영향을 미치며, 더 높은 응력 수준은 더 높은 용량 저하율로 이어집니다. 시간이 지남에 따라 상당한 내부 압력은 소성 변형과 박리를 초래할 수 있습니다. 온도 변화로 인한 기계적 팽창과 수축은 시간이 지남에 따라 양극/음극 층을 분리시킵니다. 이 층들이 분리되면 배터리의 임피던스가 증가하여 용량이 저하됩니다. 반면, 낮은 내부 압력이 장기 성능에는 더 좋을 수 있지만, 배터리 하우징 내 열팽창으로 인한 움직임이 너무 클 수 있습니다. 따라서 배터리 설계자들은 충방전 주기 동안 유지할 수 있는 하우징 압력의 '최적 지점(sweet-spot)'을 찾아야 합니다.

리튬이온 배터리 팽창을 충방전 사이클 테스트에서 특성화하는 한 가지 방법은 로드 셀을 통합한 고정구를 사용하여 팽창을 감지하는 것입니다. 그러나 로드 셀은 배터리 어셈블리 전체에 걸친 평균 힘 피드백만 수집할 수 있을 뿐, 배터리 내부에서 과도한 압력이 발생하는 위치에 대한 통찰력은 제공하지 못하므로 배터리 설계자들은 중요한 데이터를 놓치게 됩니다.

최근 배터리 설계자들은 리튬이온 배터리 테스트 중 포괄적인 데이터를 수집하기 위해 압력 매핑 시스템으로 눈을 돌렸습니다. 얇고 유연한 감지 소자 어레이가 배터리를 감싸며 테스트 고정구 내에서 360° 뷰를 제공합니다. 이러한 시스템은 수천 번의 충방전 사이클(수개월 소요)에 걸친 압력 프로파일을 평가하는 데 사용될 수 있습니다.

[그림 3]은 압전 저항 압력 매핑 시스템을 통합한 고정구에서 얻은 충방전 특성화 데이터의 예시를 보여줍니다.

R&D 통찰력이 임베디드 배터리 안전 기능으로 이어지다

최근 고효율 리튬이온 배터리를 탑재한 새로운 노트북을 설계하던 엔지니어 팀은 R&D 노력에서 영감을 받아 독특한 응용을 발견했습니다. [그림 3]과 유사한 고정구를 사용하여 배터리 성능을 특성화한 후, 팀은 동일한 압전 저항 센싱 기술을 노트북에 내장하여 사용 중 비정상적인 배터리 팽창을 모니터링하는 방법으로 활용할 아이디어를 얻었습니다.

먼저 설계 팀은 샘플 압전 저항 힘 센서를 구매했으며, 특히 고온 및 고습 작동 환경을 위해 제조된 압력 감지 잉크 유형을 선택했습니다. 압전 저항 센서는 두께가 0.203mm(0.008인치)에 불과하고 저전력 전자장치로 작동할 수 있기 때문에 팀은 설계에 큰 조정을 할 필요가 없었습니다.

프로토타입에서 팀은 [그림 4]와 같이 배터리 칸 양쪽 끝에 두 개의 센서를 배치하여 국소적인 힘 변화를 감지했습니다. 배터리 자체 설계 중에 획득한 특성화 데이터를 기반으로, 배터리가 고장에 가까워지고 있음을 나타내는 상대적 힘 임계값을 결정했습니다. 그런 다음 배터리 압력이 임계 임계값에 도달하기 전에 사용자 화면에 경고를 트리거하는 기능을 개발했습니다.

상대 측정 응용에서의 센서 드리프트 고려

센서 드리프트로 인해 압전 저항 센서의 출력 전압이 시간이 지남에 따라 점차 변하기 때문에, 절대 전압 출력을 사용하여 배터리 팽창을 판단하는 것은 어려운 과제입니다. 그러나 이 배터리 안전 응용 분야에서는 힘의 상대적 변화만 측정하면 되는데, 출력 전압이 얼마나 변했는지에 관계없이 전압-힘 곡선의 기울기가 상대적으로 일정하게 유지되기 때문에 드리프트의 영향을 받지 않습니다.

[그림 2]의 회로로 센서에 전원을 공급할 때, 우리의 압전 저항 힘 센서는 일반적으로 로그 시간당 <5%의 출력 드리프트율을 보입니다. 따라서 상대 측정 응용 분야에서 설계 엔지니어는 [그림 5]에 표시된 것처럼 힘의 함수로서 차동 전압 출력(전압-힘 곡선의 기울기)을 봐야 합니다.

반면, 어떤 동작을 유발하기 위해 절대적인 힘 측정이 필요한 응용 분야(예: 액추에이터가 센서를 정확히 5lbs로 누르면 'X' 반응, 10lbs면 'Y' 반응을 유발하는 경우)에서는 엔지니어가 다른 캘리브레이션 절차를 따라야 합니다.

측정 도구와 임베디드 구성 요소로 배터리 설계 결정의 전체 범위 이해하기

소비자 요구를 충족하면서 안전하고 반복 가능한 설계를 유지하는 것은 배터리 설계자에게 어려운 균형 잡기입니다. 충전 중 온도 상승은 리튬화를 유발하고, 이는 가스 발생으로 이어집니다. 배터리 내 추가 가스로 인한 내부 압력은 하우징이나 분리막 고장을 일으킬 수 있으며, 극단적인 경우 열폭주 반응으로 이어질 수 있습니다.

초박형 압전 저항 센싱 기술은 설계 과정에서 테스트 및 측정 도구로 사용되든, 최종 제품의 임베디드 구성 요소로 사용되든, 합병증이나 잠재적 배터리 고장을 알릴 수 있는 과도한 압력 영역을 측정하고 식별하는 데 도움이 됩니다. 이는 차례로 배터리 설계자들이 우리의 삶을 안전하게 구동할 첨단 에너지 기술을 개발하는 데 도움을 줍니다.

이 기사는 Tekscan, Inc.(미국 매사추세츠주 사우스 보스턴)의 애플리케이션 엔지니어 겸 임베디드 센싱 제품 매니저인 Edward Haidar가 작성했습니다. 자세한 정보는 이메일(스팸 방지를 위해 자바스크립트 필요) 또는 여기를 방문하세요.