Les batteries intelligentes incluent la détection de force et de pression

Des appareils électroniques aux véhicules à haut rendement, la demande des consommateurs continue de croître pour des technologies de batterie plus compactes, légères et à charge rapide avec des densités d'énergie plus élevées. Dans le même temps, les batteries doivent également être sûres, même en cas d'événements catastrophiques. Le lithium-ion (Li-ion) est devenu une technologie de batterie préférée des ingénieurs et des concepteurs car il répond à bon nombre de ces exigences et est rentable. Cependant, alors que les concepteurs de batteries continuent de repousser les limites des capacités des batteries Li-ion, bon nombre de ces exigences peuvent entrer en conflit les unes avec les autres.

Le fait de charger et de décharger une batterie Li-ion produit des changements dans la température, l'électrochimie et la mécanique de ses composants internes. Ces dynamiques provoquent également des changements de pression d'interface dans le boîtier de la batterie. Beaucoup de personnes familiarisées avec la conception d'une batterie Li-ion diront que ces changements de pression donnent l'effet d'une batterie "respirante". Au fil du temps, cela peut affecter les performances de la batterie et, dans des cas extrêmes, peut entraîner des réactions potentiellement dangereuses.

Récemment, les concepteurs de batteries ont commencé à utiliser la technologie des capteurs de force et de pression piézorésistifs pour analyser les effets de la charge et de la décharge des batteries Li-ion dans des tests de cycle de vie à long terme. Ces mêmes types de capteurs peuvent également être intégrés à l'appareil lui-même pour aider à alerter les utilisateurs finaux des pannes potentielles de la batterie.

Une technologie à cœur unique porte deux chapeaux :test de R&D et composant intégré

Même entre des surfaces relativement plates, on constate que la distribution de la pression d'interface n'est souvent pas uniforme dans des régions localisées. Que ce soit dans le cadre d'un système de cartographie de pression clé en main ou en tant que composant intégré dans un produit final, les capteurs piézorésistifs minces et flexibles offrent aux ingénieurs et aux concepteurs la possibilité de capturer les changements relatifs de force et de pression.

Les capteurs piézorésistifs sont constitués d'un matériau semi-conducteur contenu entre deux morceaux de polyester mince et flexible. Ce sont des éléments passifs qui agissent comme des résistances de détection de force dans un circuit électrique. Lorsqu'il est déchargé, le capteur a une résistance élevée (environ 2 MΩ) qui chute lorsqu'il est chargé. Si vous considérez l'inverse de la résistance (conductance), la réponse de conductance des capteurs tactiles est linéaire en fonction de la force dans la plage de force désignée du capteur.

Comme le montre la figure 1, les capteurs piézorésistifs sont produits à la fois comme capteurs de force à point unique et comme capteurs matriciels à points multiples.

Capteurs matriciels pour la cartographie de la pression

Les capteurs matriciels sont couramment utilisés dans les applications de R&D pour mesurer dynamiquement la répartition de la pression sur deux surfaces de contact - un processus connu sous le nom de cartographie de la pression. Les systèmes de cartographie de la pression se composent de capteurs, d'électronique de balayage et de logiciels.

Lorsque deux surfaces entrent en contact avec le capteur, l'électronique de balayage collecte le signal analogique du capteur et le convertit en un signal numérique. Le logiciel affiche l'activité en temps réel dans la zone de détection. Cela permet à l'utilisateur de suivre le centre de force, de localiser les régions de pression maximale et d'identifier les moments exacts des changements de pression dans un enregistrement image par image.

Les fonctionnalités supplémentaires des capteurs matriciels incluent :

• Les capteurs ont généralement environ 2 000 points de détection, mais certains capteurs peuvent être conçus avec plus de 16 000 .

• L'espacement des éléments de détection (pas) peut être aussi étroit que 0,64 mm (0,025 pouce).

• Les capteurs peuvent mesurer des plages de pression allant jusqu'à 25 000 psi (172 MPa).

• Options de capteur haute température jusqu'à 200 °C (400 °F).

• Vitesses de numérisation disponibles jusqu'à 20 000 Hz.

Capteurs à point unique pour les applications de détection embarquées

Les capteurs de force piézorésistifs à point unique mesurent le retour de force sur une seule zone de détection. Ce type de capteur se prête bien à l'intégration dans un produit ou un appareil, non seulement parce qu'il est mince et flexible, mais aussi parce qu'il peut fonctionner comme un composant d'un circuit d'amplificateur opérationnel ou d'un diviseur de tension. Selon la configuration, la plage de force du capteur peut être ajustée en modifiant la tension d'entraînement et la résistance de la résistance de rétroaction. Cela permet à l'utilisateur de contrôler des paramètres tels que la plage de force maximale et la résolution de mesure dans cette plage.

Étant donné que les capteurs piézorésistifs sont des composants passifs avec une réponse de conductance linéaire et ont une large plage dynamique de résistance, les ingénieurs qui les intègrent peuvent utiliser une électronique simple qui ne nécessite pas beaucoup de filtrage.

Un avantage important de cette linéarité est que les capteurs piézorésistifs ne nécessitent qu'un simple étalonnage. Les applications de détection de force qui utilisent des cellules de charge ou des jauges de contrainte peuvent nécessiter un étalonnage en usine après une utilisation répétée, tandis que les appareils dotés de capteurs piézorésistifs peuvent avoir leur routine d'étalonnage intégrée dans le micrologiciel de l'appareil pour un réétalonnage à la volée.

En raison de la flexibilité de cette technologie, ainsi que de sa capacité à fonctionner avec des composants électroniques de faible puissance, les capteurs de force piézorésistifs ont réussi à améliorer de nombreux types d'appareils différents, sans ajouter de complexité à la conception ni de difficulté pour l'utilisateur.

Une nouvelle méthode pour valider le stress de la pile de batteries Li-ion

Bien que les fabricants de batteries accordent la priorité au maintien d'une construction de pile de batterie constante pendant la fabrication, beaucoup ne valident pas la pression de la pile dans le cadre de leur procédure de qualité, ni ne quantifient les contraintes internes sur la batterie lorsqu'elle est chargée ou déchargée.

Cependant, la recherche a montré que des pressions de cheminée élevées peuvent avoir un effet important sur les performances à long terme des cellules, avec des niveaux de stress plus élevés entraînant des taux plus élevés de perte de capacité. Au fil du temps, des pressions internes importantes peuvent entraîner une déformation plastique et un délaminage. La dilatation et la contraction mécaniques dues aux changements de température entraînent la séparation des couches anode/cathode au fil du temps. Lorsque ces couches se séparent, l'impédance de la batterie augmente, réduisant sa capacité. D'un autre côté, alors que des pressions internes plus faibles peuvent fournir de meilleures performances à long terme, il peut y avoir trop de mouvement dû à la dilatation thermique dans le boîtier de la batterie. Par conséquent, les concepteurs de batteries doivent trouver un "point idéal" pour la pression du boîtier qui peut se maintenir pendant les cycles de charge et de décharge.

Une méthode pour caractériser le gonflement de la batterie Li-ion dans les tests de cycle de charge/décharge consiste à utiliser un appareil qui intègre une cellule de charge pour détecter le gonflement. Cependant, étant donné que les cellules de charge ne peuvent collecter que le retour de force moyen sur un assemblage de batterie, et non des informations sur la position de la pression excessive se produisant dans la batterie elle-même, les concepteurs de batterie manqueraient des données importantes.

Plus récemment, les concepteurs de batteries se sont tournés vers des systèmes de cartographie de la pression pour collecter des données complètes lors des tests de batteries Li-ion. Le réseau mince et flexible d'éléments de détection peut s'enrouler autour de la batterie pour fournir une vue à 360° dans un appareil de test. Ces systèmes peuvent être utilisés pour évaluer les profils de pression sur des milliers de cycles de charge et de décharge, qui peuvent durer plusieurs mois.

La figure 3 montre un exemple de données de caractérisation de charge/décharge d'un luminaire incorporant un système de cartographie de pression piézorésistif.

Les informations issues de la R&D lancent une fonction de sécurité de la batterie intégrée

Récemment, une équipe d'ingénieurs concevant un nouvel ordinateur portable avec une batterie Li-ion à haute efficacité a trouvé une application unique inspirée par leurs efforts de R&D. Après avoir caractérisé les performances de la batterie à l'aide d'un dispositif similaire à celui illustré à la figure 3, l'équipe a eu l'idée d'intégrer la même technologie de détection piézorésistive dans leur ordinateur portable pour servir de méthode pour surveiller le gonflement anormal de la batterie pendant son utilisation.

Pour commencer, l'équipe de conception a acheté des échantillons de capteurs de force piézorésistifs, en sélectionnant spécifiquement une variété d'encre sensible à la pression formulée pour les environnements de fonctionnement à haute température et à forte humidité. Étant donné que les capteurs piézorésistifs sont si fins (seulement 0,203 mm (0,008 pouce)) et peuvent fonctionner avec des composants électroniques à faible consommation, l'équipe n'a pas eu besoin d'apporter d'ajustements importants à leur conception.

Pour leur prototype, l'équipe a positionné deux capteurs à chaque extrémité du compartiment de la batterie pour détecter les changements localisés de force, comme le montre la figure 4. Sur la base des données de caractérisation acquises par l'équipe lors de la conception de la batterie elle-même, ils ont pu déterminer un seuil de force relative signifiant que la batterie approchait de la panne. Ils ont ensuite développé une fonctionnalité qui déclencherait une alerte sur l'écran de l'utilisateur avant que la pression de la batterie n'atteigne un seuil critique.

Compte rendu de la dérive du capteur dans l'application de mesure relative

Étant donné que la dérive du capteur entraînera une modification progressive de la tension de sortie du capteur piézorésistif au fil du temps, l'utilisation de sorties de tension absolue pour déterminer le gonflement de la batterie devient un défi. Cependant, cette application de sécurité de la batterie nécessitait uniquement de mesurer les changements relatifs de force, qui ne sont pas affectés par la dérive puisque la pente de la courbe Tension vs Force reste relativement constante, quelle que soit la variation de la sortie.

Lorsque le capteur est alimenté avec le circuit illustré à la figure 2, nos capteurs de force piézorésistifs ont généralement un taux de dérive de sortie <5 % / temps logarithmique. Par conséquent, pour les applications de mesure relative, l'ingénieur de conception doit rechercher la sortie de tension différentielle en fonction de la force (la pente de la courbe V vs F) comme illustré à la Figure 5.

D'autre part, pour une application nécessitant la mesure d'une mesure absolue de force pour produire une sorte d'action (par exemple, un actionneur appuyant sur le capteur à exactement 5 lbs provoquerait une réponse « X », tandis que 10 lbs produiraient « Y » réponse), l'ingénieur devra alors suivre une procédure d'étalonnage différente.

Les outils de mesure et les composants intégrés vous aident à comprendre l'étendue de vos décisions de conception de batterie

Satisfaire les demandes des consommateurs tout en maintenant une conception sûre et reproductible est un équilibre difficile pour les concepteurs de batteries. L'augmentation de la température pendant la charge provoque une lithiation, ce qui conduit à un dégagement gazeux. Les pressions internes des gaz supplémentaires dans la batterie peuvent provoquer des défaillances du boîtier ou du séparateur. Cela peut entraîner des réactions d'emballement thermique dans des cas extrêmes.

La technologie de détection piézorésistive ultra-mince, que ce soit en tant qu'outil de test et de mesure dans le processus de conception ou en tant que composant intégré dans le produit final, aide à mesurer et à identifier les régions de pression excessive qui peuvent signaler des complications ou des défaillances potentielles de la batterie. Ceci, à son tour, aide les concepteurs de batteries à développer des technologies énergétiques avancées pour alimenter nos vies en toute sécurité.

Cet article a été rédigé par Edward Haidar, ingénieur d'applications et responsable des produits de détection embarqués, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Pour plus d'informations, contactez M. Haidar à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la voir., ou visitez ici .