スマート電池に力・圧力センサー搭載で安全性が向上

電子機器から高効率車両まで、よりコンパクトで軽量、急速充電が可能で高エネルギー密度の電池技術への需要は高まり続けています。同時に、大惨事の際にも安全であることが求められます。リチウムイオン（Li-ion）電池は、これら多くの要求を満たし、コスト効率も良いため、エンジニアや設計者の間で好まれる電池技術となっています。しかし、電池設計者がLi-ion電池の性能限界を押し広げるにつれて、これらの要求の多くが互いに矛盾するようになってきています。

Li-ion電池の「呼吸」現象と内部圧力変化

Li-ion電池の充放電は、内部コンポーネントの温度、電気化学、力学に変化をもたらします。これらのダイナミクスは、電池ハウジング内の界面圧力にも変化を与えます。Li-ion電池の設計に精通した人であれば、これらの圧力変化が電池の「呼吸」のような効果を生むことを知っています。時間の経過とともにこれは電池性能に影響を与え、極端な場合には危険な反応を引き起こす可能性があります。

圧電抵抗型センサーによる長期ライフサイクル試験と組み込み監視

最近、電池設計者は圧電抵抗型の力・圧力センサー技術を用いて、Li-ion電池の充放電が長期ライフサイクル試験において及ぼす影響を分析し始めています。これら同じタイプのセンサーをデバイス内に組み込むことで、エンドユーザーに潜在的な電池故障を警告することも可能です。

単一コア技術が果たす二つの役割：研究開発試験と組み込みコンポーネント

比較的平らな面同士でも、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。ターンキー型圧力マッピングシステムの一部として、あるいは最終製品の組み込みコンポーネントとして、薄く柔軟な圧電抵抗型センサーは、エンジニアや設計者に力と圧力の相対的な変化を捉える能力を提供します。

圧電抵抗型センサーは、薄く柔軟なポリエステル二枚の間に半導体材料を挟んだ構造です。これらは電気回路において力検知抵抗器として機能する受動素子です。無負荷時には高抵抗（約2MΩ）を示し、負荷がかかると抵抗が低下します。抵抗の逆数であるコンダクタンスで考えると、タッチセンサーのコンダクタンス応答は、センサーの指定力範囲内で力の関数として線形になります。

図1に示すように、圧電抵抗型センサーは単点型力センサーと多点マトリックスセンサーの両方として製造されています。

マトリックスセンサーによる圧力マッピング

マトリックスセンサーは、二つの合致面全体の圧力分布を動的に測定する研究開発用途、いわゆる圧力マッピングで一般的に使用されます。圧力マッピングシステムは、センサー、スキャン用電子機器、ソフトウェアで構成されます。

二つの面がセンサーと接触すると、スキャン用電子機器がセンサーからアナログ信号を収集し、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のリアルタイム活動を表示します。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追加機能には以下が含まれます：

• センサーは通常約2,000個の検知ポイントを持ち、一部は16,000個以上で設計可能
• 検知要素間隔（ピッチ）は最小0.64mm（0.025インチ）
• 最大25,000psi（172MPa）の圧力範囲を測定可能
• 最大200℃（400°F）の高温対応オプション
• 最大20,000Hzのスキャン速度に対応

単点センサーによる組み込みセンシング用途

単点圧電抵抗型力センサーは、単一の検知領域で力フィードバックを測定します。このセンサータイプは、薄く柔軟であるだけでなく、オペアンプ回路や分圧回路のコンポーネントとして機能できるため、製品やデバイスへの統合に適しています。セットアップにより、駆動電圧とフィードバック抵抗の抵抗値を変更することで、センサーの力範囲を調整可能です。これにより、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を制御できます。

圧電抵抗型センサーは線形コンダクタンス応答と広いダイナミックレンジの抵抗を持つ受動コンポーネントであるため、多くのフィルタリングを必要としないシンプルな電子回路で使用できます。

この線形性の重要な利点は、圧電抵抗型センサーはシンプルなキャリブレーションのみで済むことです。ロードセルや歪みゲージを用いた力検知アプリケーションでは、繰り返し使用後に工場出荷時キャリブレーションが必要になる場合がありますが、圧電抵抗型センサーを搭載したデバイスでは、キャリブレーションルーチンをファームウェアに組み込んでその場で再キャリブレーションできます。

この技術の柔軟性と低消費電力電子機器で動作できる能力により、圧電抵抗型力センサーは設計に複雑さを加えることなく、ユーザーにとっても難しくない形で、多様なデバイスの機能向上に成功しています。

Li-ion電池スタック応力検証の新手法

電池メーカーは製造時の電池スタック構造の一定化を重視しますが、多くは品質手順の一環としてスタック圧力を検証せず、充放電時の内部応力を定量化していません。

しかし、研究により高いスタック圧力が長期セル性能に強い影響を与え、より高い応力レベルがより高い容量劣化率をもたらすことが判明しています。長期間にわたる著しい内部圧力は、塑性変形と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な膨張収縮が、時間とともに陽極/陰極層を分離させます。層が分離すると電池のインピーダンスが上昇し、容量が低下します。一方、内部圧力が低すぎると、電池ハウジング内で熱膨張による過度な動きが生じる可能性があります。したがって、電池設計者は充放電サイクルを通じ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。

Li-ion電池の膨張を充放電サイクル試験で評価する一手法として、ロードセルを組み込んだ治具で膨張を検知する方法があります。しかし、ロードセルは電池アセンブリ全体の平均力フィードバックしか取得できず、電池内部で過度な圧力が発生している位置に関する洞察が得られないため、重要なデータを逃してしまいます。

より最近では、電池設計者が圧力マッピングシステムを用いてLi-ion電池試験中に包括的なデータを収集するようになっています。薄く柔軟な検知素子アレイが電池を包み込むように配置でき、試験治具内で360°の視野を提供します。これらのシステムは、数か月にわたる数千回の充放電サイクルにおける圧力プロファイル評価に使用できます。

図3は、圧電抵抗型圧力マッピングシステムを組み込んだ治具から得られた充放電特性データの例を示しています。

研究開発からの知見が組み込み電池安全機能を実現

最近、高効率Li-ion電池を搭載した新型ノートPCを設計するエンジニアチームが、研究開発の成果から着想を得た独自の応用を見出しました。図3のような治具を用いて電池性能を評価した後、チームは同じ圧電抵抗型センシング技術をノートPCに組み込み、使用中の異常な電池膨張を監視する方法として活用することを思いつきました。

まず、設計チームはサンプルの圧電抵抗型力センサーを購入し、高温・高湿度の動作環境向けに調合された圧力感応インクタイプを選択しました。圧電抵抗型センサーはわずか0.203mm（0.008インチ）の厚さで、低消費電力電子機器で動作するため、チームは設計に大幅な変更を加える必要がありませんでした。

プロトタイプでは、図4に示すように電池コンパートメントの両端に二つのセンサーを配置し、局所的な力の変化を検知しました。電池設計時に取得した特性データに基づき、電池が故障に近づいていることを示す相対的な力の閾値を決定しました。そして、電池圧力が臨界閾値に達する前にユーザーの画面に警告を表示する機能を開発しました。

相対測定アプリケーションにおけるセンサードリフトへの対応

センサードリフトにより圧電抵抗型センサーの出力電圧が時間とともに徐々に変化するため、絶対電圧出力を用いて電池膨張を判断することは困難です。しかし、この電池安全アプリケーションでは力の相対変化のみを測定すればよく、V-F曲線の傾きは出力がどれだけ変化しても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の回路で駆動される場合、当社の圧電抵抗型力センサーの典型的な出力ドリフト率は<5%/対数時間です。したがって、相対測定アプリケーションでは、設計エンジニアは力の関数としての差動電圧出力（V-F曲線の傾き）を見るべきです（図5参照）。

一方、何らかのアクションを生成するために力の絶対値を測定するアプリケーション（例：アクチュエータがセンサーを正確に5ポンドで押したら「X」応答、10ポンドなら「Y」応答）では、異なるキャリブレーション手順が必要です。

測定ツールと組み込みコンポーネントで電池設計の全容を把握

消費者ニーズを満たしながら安全で再現性のある設計を維持することは、電池設計者にとって難しいバランス調整です。充電時の温度上昇はリチウム化を引き起こし、ガス発生につながります。電池内の追加ガスによる内部圧力は、ハウジングやセパレーターの破損を招き、極端な場合には熱暴走反応を引き起こす可能性があります。

超薄型圧電抵抗型センシング技術は、設計プロセスにおける試験・測定ツールとして、あるいは最終製品の組み込みコンポーネントとして、過度な圧力領域を測定・特定し、合併症や潜在的な電池故障の兆候を捉えます。これにより、電池設計者は私たちの生活を安全に支える先進的なエネルギー技術を開発できるようになります。

本記事は、Tekscan, Inc.（マサチューセッツ州サウスボストン）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、Edward Haidar氏によって執筆されました。詳細については、同氏までお問い合わせください。