スマートバッテリーには、力と圧力の検知が含まれます

電子機器から高効率車まで、より高いエネルギー密度を備えた、よりコンパクトで軽量な急速充電バッテリー技術に対する消費者の需要は増え続けています。同時に、壊滅的な事態が発生した場合でも、バッテリーは安全である必要があります。リチウムイオン（Li-ion）は、これらの要求の多くを満たし、コスト効率が高いため、エンジニアや設計者の間で人気のあるバッテリー技術になっています。ただし、バッテリー設計者はLi-ionバッテリーの機能の限界を押し上げ続けているため、これらの要件の多くは互いに矛盾する可能性があります。

リチウムイオン電池を充電および放電するという行為は、その内部コンポーネントの温度、電気化学、および機構に変化をもたらします。これらのダイナミクスは、バッテリーハウジング内のインターフェース圧力の変化も引き起こします。リチウムイオン電池の設計に精通している多くの人は、これらの圧力の変化が電池の「呼吸」の効果を与えると言うでしょう。時間の経過とともに、これはバッテリーのパフォーマンスに影響を与える可能性があり、極端な場合には、潜在的に危険な反応を引き起こす可能性があります。

最近、バッテリー設計者は、ピエゾ抵抗力および圧力センサー技術を使用して、長期ライフサイクルテストでリチウムイオンバッテリーの充電および放電の影響を分析し始めました。これらの同じタイプのセンサーを実際のデバイスに組み込んで、エンドユーザーに潜在的なバッテリー障害を警告することもできます。

シングルコアテクノロジーは2つの帽子をかぶっています：R＆Dテストと組み込みコンポーネント

比較的平坦な表面間でも、局所的な領域では界面圧力分布が均一でないことがよくあります。ターンキー圧力マッピングシステムの一部として、または最終製品に組み込まれたコンポーネントとして、薄くて柔軟なピエゾ抵抗センサーは、エンジニアと設計者に力と圧力の相対的な変化をキャプチャする機能を提供します。

ピエゾ抵抗センサーは、2枚の薄くて柔軟なポリエステルの間に含まれる半導電性材料で構成されています。これらは、電気回路の力検出抵抗として機能するパッシブエレメントです。無負荷時のセンサーの抵抗は高く（約2MΩ）、負荷がかかると低下します。抵抗（コンダクタンス）の逆数を考慮すると、タッチセンサーのコンダクタンス応答は、センサーの指定された力の範囲内の力の関数として線形になります。

図1に示すように、ピエゾ抵抗センサーは、シングルポイントフォースセンサーとマルチポイントマトリックスセンサーの両方として製造されています。

圧力マッピング用のマトリックスセンサー

マトリックスセンサーは、R＆Dアプリケーションで一般的に使用され、2つの合わせ面全体の圧力分布を動的に測定します。これは圧力マッピングと呼ばれるプロセスです。圧力マッピングシステムは、センサー、スキャン電子機器、およびソフトウェアで構成されています。

2つの表面がセンサーに接触すると、スキャン電子機器がセンサーからアナログ信号を収集し、それをデジタル信号に変換します。ソフトウェアは、センシングエリア全体でリアルタイムのアクティビティを表示します。これにより、ユーザーは力の中心を追跡し、ピーク圧力の領域を特定し、フレームごとの記録で圧力変化の正確な瞬間を特定できます。

マトリックスセンサーのその他の機能は次のとおりです。

• センサーには通常、約2000の検出ポイントがありますが、一部のセンサーは16,000を超えるセンサーを設計できます。

• 検出要素の間隔（ピッチ）は、0.64 mm（0.025インチ）まで狭くすることができます。

• センサーは、最大25,000 psi（172 MPa）の圧力範囲を測定できます。

• 最大200°C（400°F）の高温センサーオプション。

• 最大20,000Hzで利用可能なスキャン速度。

組み込みセンシングアプリケーション用のシングルポイントセンサー

シングルポイントピエゾ抵抗力センサーは、単一の検出領域で力のフィードバックを測定します。このセンサータイプは、薄くて柔軟性があるだけでなく、オペアンプ回路または分圧器のコンポーネントとして機能できるため、製品またはデバイス内での統合に適しています。設定に応じて、駆動電圧とフィードバック抵抗の抵抗を変更することにより、センサーの力の範囲を調整できます。これにより、ユーザーは最大力範囲やその範囲内の測定分解能などのパラメーターを制御できます。

ピエゾ抵抗センサーは、線形コンダクタンス応答を備えたパッシブコンポーネントであり、ダイナミックレンジの広い抵抗を備えているため、それらを統合するエンジニアは、多くのフィルタリングを必要としない単純な電子機器を使用できます。

この直線性の重要な利点は、ピエゾ抵抗センサーが簡単なキャリブレーションのみを必要とすることです。ロードセルまたはひずみゲージを使用する力検出アプリケーションは、繰り返し使用した後に工場で校正する必要がある場合がありますが、ピエゾ抵抗センサーを備えたデバイスでは、オンザフライで再校正するために校正ルーチンをデバイスファームウェアに組み込むことができます。

このテクノロジーの柔軟性と、低電力電子機器で機能する能力により、ピエゾ抵抗力センサーは、設計を複雑にしたり、ユーザーを困難にしたりすることなく、さまざまな種類のデバイスを強化することに成功しています。

リチウムイオン電池のスタック応力を検証するための新しい方法

バッテリーメーカーは、製造中に一定のバッテリースタック構造を維持することを優先していますが、多くのメーカーは、品質手順の一環としてスタック圧力を検証しておらず、充電または放電時のバッテリーの内部応力を定量化していません。

ただし、研究によると、スタックの圧力が高いと、セルの長期的なパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があり、ストレスのレベルが高くなると、容量の低下率が高くなります。時間の経過とともに、大きな内圧が塑性変形や層間剥離を引き起こす可能性があります。温度変化による機械的膨張と収縮により、アノード/カソード層が時間の経過とともに分離します。これらの層が分離すると、バッテリーのインピーダンスが上昇し、容量が低下します。一方、より低い内圧はより良い長期性能を提供するかもしれませんが、バッテリーハウジング内の熱膨張からの動きが多すぎるかもしれません。したがって、バッテリーの設計者は、充電と放電のサイクル全体にわたって維持できるハウジング圧力の「スイートスポット」を見つける必要があります。

充電/放電サイクルテストでリチウムイオン電池の膨張を特徴付ける1つの方法は、膨張を検出するためのロードセルを組み込んだフィクスチャを使用することです。ただし、ロードセルはバッテリーアセンブリ全体の平均的な力のフィードバックしか収集できず、バッテリー自体に発生する過度の圧力の位置に関する洞察は収集できないため、バッテリーの設計者は重要なデータを見逃してしまいます。

最近では、バッテリーの設計者は、リチウムイオンバッテリーのテスト中に包括的なデータを収集するために圧力マッピングシステムに目を向けています。センサー要素の薄くて柔軟なアレイは、バッテリーを包み込み、テストフィクスチャ内で360°のビューを提供できます。これらのシステムを使用して、数か月続く可能性のある数千回の充電および放電サイクルにわたる圧力プロファイルを評価できます。

図3は、ピエゾ抵抗圧力マッピングシステムを組み込んだフィクスチャからの充電/放電特性データの例を示しています。

R＆Dからの洞察により、組み込みバッテリーの安全機能が開始されます

最近、高効率のリチウムイオン電池を搭載した新しいラップトップを設計するエンジニアのチームが、研究開発の取り組みに触発された独自のアプリケーションを見つけました。チームは、図3に示すような器具を使用してバッテリーの性能を特性評価した後、使用中の異常なバッテリーの膨張を監視する方法として、同じピエゾ抵抗センシング技術をラップトップに組み込むことを考えました。

まず、設計チームはサンプルのピエゾ抵抗力センサーを購入しました。具体的には、高温多湿の動作環境向けに配合された感圧インクの種類を選択しました。ピエゾ抵抗センサーは非常に薄く（わずか0.203 mm（0.008インチ））、低電力電子機器で機能できるため、チームは設計に大きな調整を加える必要はありませんでした。

プロトタイプでは、図4に示すように、チームはバッテリーコンパートメントの両端に2つのセンサーを配置して、力の局所的な変化を検出しました。チームがバッテリー自体の設計中に取得した特性データに基づいて、決定することができました。バッテリーが故障に近づいていることを示す相対的な力のしきい値。次に、バッテリーの圧力が臨界しきい値に達する前に、ユーザーの画面にアラートをトリガーする機能を開発しました。

相対測定アプリケーションでのセンサードリフトの説明

センサーのドリフトにより、ピエゾ抵抗センサーの出力電圧が時間の経過とともに徐々に変化するため、絶対電圧出力を使用してバッテリーの膨張を判断することが課題になります。ただし、このバッテリー安全アプリケーションでは、力の相対的な変化を測定するだけで済みます。これは、出力がどれだけ変化したかに関係なく、電圧と力の曲線の傾きが比較的一定に保たれるため、ドリフトの影響を受けません。

図2に示す回路でセンサーに電力を供給する場合、当社のピエゾ抵抗力センサーの出力ドリフト率は通常5％/対数時間未満です。したがって、相対測定アプリケーションの場合、設計エンジニアは、図5に示すように、力（V対F曲線の傾き）の関数として差動電圧出力を探す必要があります。

一方、ある種のアクションを生成するために力の絶対測定値を測定する必要があるアプリケーションの場合（たとえば、アクチュエータがセンサーを正確に5ポンドで押すと、「X」応答が発生し、10ポンドは「Y」が生成されます。応答）、エンジニアは別のキャリブレーション手順に従う必要があります。

測定ツールと組み込みコンポーネントは、バッテリー設計の決定の全範囲を理解するのに役立ちます

安全で再現性のある設計を維持しながら消費者の要求を満たすことは、バッテリー設計者にとって難しいバランスです。充電中の温度上昇によりリチウム化が起こり、ガス発生につながります。バッテリー内の追加のガスによる内圧は、ハウジングまたはセパレーターの故障を引き起こす可能性があります。これは、極端な場合に熱暴走反応を引き起こす可能性があります。

設計プロセスのテストおよび測定ツールとして、または最終製品に組み込まれたコンポーネントとして、超薄型ピエゾ抵抗センシングテクノロジーは、合併症や潜在的なバッテリー障害の兆候となる可能性のある過剰な圧力の領域を測定および特定するのに役立ちます。これは、バッテリー設計者が私たちの生活を安全に動かすための高度なエネルギー技術を開発するのに役立ちます。

この記事は、Tekscan、Inc.（サウスボストン、マサチューセッツ州）のアプリケーションエンジニア兼組み込みセンシング製品マネージャーであるEdwardHaidarによって執筆されました。詳細については、ハイダー氏にお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、こちらにアクセスしてください 。