Intelligente Batterien jetzt mit Kraft- und Drucksensoren für erhöhte Sicherheit

Von elektronischen Geräten bis hin zu hocheffizienten Fahrzeugen wächst die Nachfrage der Verbraucher nach kompakteren, leichteren, schnell ladbaren Batterietechnologien mit höherer Energiedichte stetig. Gleichzeitig müssen Batterien auch bei katastrophalen Ereignissen sicher sein. Lithium-Ionen (Li-Ion) hat sich aufgrund seiner Erfüllung vieler dieser Anforderungen und seiner Kosteneffizienz als bevorzugte Batterietechnologie unter Ingenieuren und Designern etabliert. Doch je weiter Batteriedesigner die Grenzen der Li-Ion-Fähigkeiten verschieben, desto mehr können diese Anforderungen miteinander in Konflikt geraten.

Das „Atmen“ der Batterie verstehen

Das Laden und Entladen einer Li-Ion-Batterie erzeugt Veränderungen in Temperatur, Elektrochemie und Mechanik der internen Komponenten. Diese Dynamiken verursachen auch Änderungen des Grenzflächendrucks im Batteriegehäuse. Viele, die mit dem Design von Li-Ion-Batterien vertraut sind, sagen, dass diese Druckveränderungen den Effekt eines „atmenden“ Akkus erzeugen. Mit der Zeit kann dies die Batterieleistung beeinträchtigen und in extremen Fällen zu potenziell gefährlichen Reaktionen führen.

Piezoresistive Sensortechnologie für Lebensdauertests und Einbettung

Kürzlich begannen Batteriedesigner, piezoresistive Kraft- und Drucksensoren einzusetzen, um die Auswirkungen von Lade- und Entladezyklen in Langzeittests zu analysieren. Dieselbe Sensortechnologie kann auch direkt in das Gerät eingebettet werden, um Endbenutzer vor potenziellen Batterieausfällen zu warnen.

Eine Kerntechnologie für zwei Anwendungen: F&E-Tests und eingebettete Komponente

Selbst zwischen relativ flachen Oberflächen ist die Druckverteilung in lokalisierten Bereichen oft nicht gleichmäßig. Ob als Teil eines schlüsselfertigen Druckmapping-Systems oder als eingebettete Komponente im Endprodukt – dünne, flexible piezoresistive Sensoren ermöglichen Ingenieuren und Designern die Erfassung relativer Änderungen in Kraft und Druck.

Piezoresistive Sensoren bestehen aus einem halbleitenden Material, das zwischen zwei dünnen, flexiblen Polyesterfolien eingebettet ist. Sie sind passive Elemente, die als kraftempfindliche Widerstände in einem elektrischen Schaltkreis fungieren. Im unbelasteten Zustand weist der Sensor einen hohen Widerstand (ca. 2 MΩ) auf, der unter Last abfällt. Betrachtet man die Kehrwert des Widerstands (Leitwert), so ist die Leitwertantwort von Tastsensoren linear in Abhängigkeit von der Kraft innerhalb des vorgesehenen Kraftbereichs.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, werden piezoresistive Sensoren sowohl als Einzelpunkt-Kraftsensoren als auch als Mehrpunkt-Matrixsensoren hergestellt.

Matrixsensoren für Druckmapping

Matrixsensoren werden häufig in F&E-Anwendungen eingesetzt, um die Druckverteilung zwischen zwei sich berührenden Oberflächen dynamisch zu messen – ein Prozess, der als Druckmapping bekannt ist. Druckmapping-Systeme bestehen aus Sensoren, Ausleseelektronik und Software.

Wenn zwei Oberflächen mit dem Sensor in Kontakt kommen, erfasst die Ausleseelektronik das analoge Signal und wandelt es in ein digitales Signal um. Die Software zeigt die Echtzeitaktivität über den Sensorbereich an. Dies ermöglicht die Verfolgung des Kraftschwerpunkts, die Lokalisierung von Spitzenlastbereichen und die Identifizierung exakter Momente von Druckänderungen in einer bildweisen Aufzeichnung.

Zusätzliche Merkmale von Matrixsensoren:

• Sensoren verfügen typischerweise über ca. 2.000 Messpunkte, einige Designs erreichen über 16.000.
• Abstand der Messelemente (Raster) kann bis zu 0,64 mm (0,025 Zoll) betragen.
• Messbereiche bis zu 25.000 psi (172 MPa).
• Hochtemperatur-Optionen bis 200 °C (400 °F).
• Abtastraten bis zu 20.000 Hz.

Einzelpunktsensoren für eingebettete Messanwendungen

Einzelne piezoresistive Kraftsensoren messen die Kraftrückmeldung auf einem einzigen Messbereich. Dieser Sensortyp eignet sich hervorragend zur Integration in ein Produkt oder Gerät, da er nicht nur dünn und flexibel ist, sondern auch als Komponente eines Operationsverstärker-Schaltkreises oder Spannungsteilers funktionieren kann. Je nach Aufbau lässt sich der Kraftbereich durch Änderung der Ansteuerspannung und des Widerstands des Rückkopplungswiderstands anpassen. Dies gibt dem Anwender Kontrolle über Parameter wie maximalen Kraftbereich und Messauflösung innerhalb dieses Bereichs.

Da piezoresistive Sensoren passive Komponenten mit linearer Leitwertantwort und einem großen dynamischen Widerstandsbereich sind, können Ingenieure einfache Elektronik ohne aufwendige Filterung einsetzen.

Ein wichtiger Vorteil dieser Linearität ist, dass piezoresistive Sensoren nur eine einfache Kalibrierung erfordern. Kraftmessanwendungen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Kraftmessdosen benötigen möglicherweise nach wiederholtem Gebrauch eine Werkskalibrierung, während Geräte mit piezoresistiven Sensoren ihre Kalibrierungsroutine in die Geräte-Firmware einbetten können, um eine Just-in-time-Nachkalibrierung zu ermöglichen.

Aufgrund der Flexibilität dieser Technologie und ihrer Fähigkeit, mit energiesparender Elektronik zu funktionieren, haben piezoresistive Kraftsensoren erfolgreich viele verschiedene Gerätetypen verbessert, ohne die Designkomplexität oder die Benutzerfreundlichkeit zu beeinträchtigen.

Neuartige Methode zur Validierung von Li-Ion-Batteriestapelspannungen

Obwohl Batteriehersteller die Aufrechterhaltung einer konstanten Stapelkonstruktion während der Fertigung priorisieren, validieren viele den Stapelspannung nicht als Teil ihrer Qualitätsverfahren und quantifizieren auch nicht die internen Spannungen während des Ladens oder Entladens.

Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass hohe Stapelspannungen einen starken Einfluss auf die langfristige Zellenleistung haben, wobei höhere Spannungen zu höheren Kapazitätsverlustraten führen. Im Laufe der Zeit können signifikante interne Drücke zu plastischer Verformung und Delamination führen. Die mechanische Ausdehnung und Kontraktion durch Temperaturänderungen bewirkt, dass sich Anoden-/Kathodenschichten mit der Zeit trennen. Wenn sich diese Schichten trennen, steigt der Innenwiderstand der Batterie, was ihre Kapazität verringert. Andererseits können zu niedrige interne Drücke zu übermäßiger Bewegung durch thermische Ausdehnung im Batteriegehäuse führen. Daher müssen Batteriedesigner einen „Sweet Spot“ für den Gehäusedruck finden, der über Lade- und Entladezyklen hinweg beibehalten werden kann.

Eine Methode zur Charakterisierung der Li-Ion-Batterieausdehnung in Lade-/Entladetests verwendet eine Vorrichtung mit einer Kraftmessdose zur Erfassung der Ausdehnung. Da Kraftmessdosen jedoch nur die durchschnittliche Kraftrückmeldung über einen Batterieverbund erfassen können und keine Einblicke in die Position übermäßiger Drücke innerhalb der Batterie selbst liefern, entgehen Designern wichtige Daten.

Kürzlich wandten sich Batteriedesigner Druckmapping-Systemen zu, um umfassende Daten während Li-Ion-Batterietests zu sammeln. Der dünne, flexible Array von Messelementen kann um die Batterie gewickelt werden, um eine 360°-Sicht innerhalb einer Testvorrichtung zu ermöglichen. Diese Systeme können Druckprofile über Tausende von Lade- und Entladezyklen bewerten, die mehrere Monate dauern können.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für Charakterisierungsdaten aus einer Vorrichtung mit einem piezoresistiven Druckmapping-System.

Einblicke aus der F&E führen zu einer eingebetteten Batteriesicherheitsfunktion

Kürzlich fand ein Ingenieurteam, das einen neuen Laptop mit einer hocheffizienten Li-Ion-Batterie entwickelte, eine einzigartige Anwendung, inspiriert durch ihre F&E-Bemühungen. Nach der Charakterisierung der Batterieleistung mit einer Vorrichtung ähnlich der in Abbildung 3 gezeigten, hatte das Team die Idee, dieselbe piezoresistive Sensortechnologie in ihren Laptop einzubetten, um anormale Batterieausdehnungen während des Betriebs zu überwachen.

Zunächst erwarb das Team piezoresistive Kraftsensoren, speziell eine druckempfindliche Tintenformulierung für Hochtemperatur- und Hochfeuchte-Umgebungen. Da piezoresistive Sensoren nur 0,203 mm (0,008 Zoll) dünn sind und mit energiesparender Elektronik funktionieren, waren keine signifikanten Designanpassungen erforderlich.

Für ihren Prototyp positionierte das Team zwei Sensoren an den beiden Enden des Batteriefachs, um lokale Krafänderungen zu erfassen, wie in Abbildung 4 dargestellt. Basierend auf den Charakterisierungsdaten, die während des Batteriedesigns gewonnen wurden, konnten sie einen relativen Kraftschwellenwert bestimmen, der anzeigt, dass sich die Batterie einem Ausfall nähert. Sie entwickelten dann eine Funktion, die eine Warnung auf dem Benutzerbildschirm auslöst, bevor der Batteriedruck einen kritischen Schwellenwert erreicht.

Berücksichtigung von Sensordrift bei der relativen Messanwendung

Da Sensordrift die Ausgangsspannung des piezoresistiven Sensors allmählich über die Zeit ändert, wird die Verwendung absoluter Spannungswerte zur Bestimmung der Batterieausdehnung zur Herausforderung. Diese Batteriesicherheitsanwendung erforderte jedoch nur die Messung relativer Krafänderungen, die nicht von Drift betroffen sind, da die Steigung der Spannung-Kraft-Kurve relativ konstant bleibt, unabhängig davon, wie stark sich der Ausgang geändert hat.

Wenn der Sensor mit dem in Abbildung 2 gezeigten Schaltkreis betrieben wird, weisen unsere piezoresistiven Kraftsensoren typischerweise eine Ausgangsdriftrate von <5 % / logarithmische Zeit auf. Daher sollte der Entwicklungsingenieur bei relativen Messanwendungen die differentielle Spannungsausgabe als Funktion der Kraft (die Steigung der V-F-Kurve) betrachten, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Andererseits würde für eine Anwendung, die eine absolute Krafteinmessung erfordert, um eine Aktion auszulösen (z. B. ein Aktuator, der mit genau 5 lbs auf den Sensor drückt, verursacht Reaktion „X“, während 10 lbs Reaktion „Y“ erzeugen), ein anderes Kalibrierungsverfahren erforderlich sein.

Messwerkzeuge und eingebettete Komponenten helfen, den vollen Umfang Ihrer Batteriedesignentscheidungen zu verstehen

Die Befriedigung der Verbrauchernachfrage bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines sicheren, reproduzierbaren Designs ist ein schwieriger Balanceakt für Batteriedesigner. Temperaturanstieg beim Laden verursacht Lithiierung, was zu Gasbildung führt. Interne Drücke durch die zusätzlichen Gase können Gehäuse- oder Separatorausfälle verursachen, was in extremen Fällen zu thermischen Ausbruchsreaktionen führen kann.

Ultradünne piezoresistive Sensortechnologie – ob als Test- und Messwerkzeug im Designprozess oder als eingebettete Komponente im Endprodukt – hilft, Bereiche übermäßigen Drucks zu messen und zu identifizieren, die auf Komplikationen oder potenzielle Batterieausfälle hinweisen. Dies unterstützt Batteriedesigner dabei, fortschrittliche Energietechnologien zu entwickeln, die unser Leben sicher mit Energie versorgen.

Dieser Artikel wurde von Edward Haidar, Applications Engineer & Embedded Sensing Product Manager, Tekscan, Inc. (South Boston, MA) verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Haidar unter dieser E-Mail-Adresse (JavaScript erforderlich) oder besuchen Sie hier.