Batteries intelligentes : capteurs de force et de pression pour une sécurité renforcée

L'évolution des batteries lithium-ion : performance et sécurité

Des appareils électroniques aux véhicules à haut rendement, la demande des consommateurs ne cesse de croître pour des technologies de batteries plus compactes, légères, à charge rapide et à densité énergétique élevée. Parallèlement, la sécurité reste impérative, même en cas d'événements catastrophiques. La technologie lithium-ion (Li-ion) s'est imposée comme la favorite des ingénieurs et concepteurs car elle répond à bon nombre de ces exigences tout en étant économiquement viable. Toutefois, à mesure que les concepteurs repoussent les limites des capacités des batteries Li-ion, bon nombre de ces exigences entrent en conflit.

Le phénomène de « respiration » des batteries

L'acte de charger et décharger une batterie Li-ion produit des variations de température, d'électrochimie et de mécanique au niveau de ses composants internes. Ces dynamiques entraînent également des changements de pression d'interface au sein du boîtier de la batterie. Les concepteurs familiers avec la structure d'une batterie Li-ion décrivent souvent ces variations de pression comme un effet de « respiration » de la batterie. Au fil du temps, cela peut affecter les performances et, dans les cas extrêmes, provoquer des réactions potentiellement dangereuses.

Capteurs piézorésistifs : une technologie à double usage

Récemment, les concepteurs de batteries ont commencé à utiliser la technologie des capteurs de force et de pression piézorésistifs pour analyser les effets des cycles de charge/décharge lors de tests de durée de vie à long terme. Ces mêmes capteurs peuvent également être intégrés directement dans les dispositifs pour alerter les utilisateurs finaux d'éventuelles défaillances de la batterie.

Une technologie unique pour la R&D et l'intégration

Même entre surfaces relativement planes, la distribution de la pression d'interface n'est souvent pas uniforme localement. Qu'ils fassent partie d'un système de cartographie de pression clé en main ou qu'ils soient intégrés comme composant dans un produit final, les capteurs piézorésistifs minces et flexibles offrent aux ingénieurs la capacité de capturer les variations relatives de force et de pression.

Ces capteurs consistent en un matériau semi-conducteur contenu entre deux fines feuilles de polyester flexibles. Ce sont des éléments passifs qui agissent comme des résistances sensibles à la force dans un circuit électrique. Sans charge, le capteur présente une résistance élevée (environ 2 MΩ) qui diminue sous charge. Si l'on considère l'inverse de la résistance (la conductance), la réponse en conductance des capteurs tactiles est linéaire en fonction de la force dans la plage de force désignée du capteur.

Les capteurs piézorésistifs sont produits sous deux formes : capteurs de force monopoint et capteurs matriciels multipoints.

Capteurs matriciels pour la cartographie de pression

Les capteurs matriciels sont couramment utilisés en R&D pour mesurer dynamiquement la distribution de pression entre deux surfaces en contact — un processus appelé cartographie de pression. Ces systèmes comprennent des capteurs, une électronique de numérisation et un logiciel.

Lorsque deux surfaces entrent en contact avec le capteur, l'électronique de numérisation collecte le signal analogique et le convertit en signal numérique. Le logiciel affiche l'activité en temps réel sur la zone de détection, permettant de suivre le centre de force, localiser les zones de pression maximale et identifier les moments exacts de changements de pression image par image.

Caractéristiques principales des capteurs matriciels :

• Environ 2000 points de détection (certains modèles dépassent 16 000 points)
• Espacement des éléments de détection (pas) jusqu'à 0,64 mm
• Plages de pression mesurables jusqu'à 25 000 psi (172 MPa)
• Options haute température jusqu'à 200 °C
• Vitesses de numérisation jusqu'à 20 000 Hz

Capteurs monopoint pour applications embarquées

Les capteurs de force piézorésistifs monopoint mesurent le retour de force sur une seule zone de détection. Ce type se prête bien à l'intégration dans un produit non seulement par sa finesse et sa flexibilité, mais aussi parce qu'il peut fonctionner comme composant d'un circuit amplificateur opérationnel ou diviseur de tension. Selon la configuration, la plage de force du capteur peut être ajustée en modifiant la tension d'alimentation et la résistance de rétroaction, offrant un contrôle sur la plage de force maximale et la résolution de mesure.

Étant des composants passifs à réponse de conductance linéaire et à large plage dynamique de résistance, les capteurs piézorésistifs permettent l'utilisation d'électroniques simples ne nécessitant pas de filtrage complexe.

Un avantage majeur de cette linéarité : les capteurs ne nécessitent qu'un étalonnage simple. Contrairement aux cellules de charge ou jauges de contrainte qui peuvent nécessiter un étalonnage en usine après usage répété, les dispositifs avec capteurs piézorésistifs peuvent intégrer leur routine d'étalonnage dans le micrologiciel pour un réétalonnage à la volée.

Validation des contraintes de la pile de batterie Li-ion

Bien que les fabricants de batteries privilégient le maintien d'une construction de pile constante lors de la fabrication, peu valident la pression de la pile dans leurs procédures qualité, ni ne quantifient les contraintes internes lors des cycles de charge/décharge.

Des recherches ont montré que des pressions de pile élevées ont un fort effet sur la performance à long terme des cellules, des niveaux de contrainte plus élevés entraînant des taux de perte de capacité plus importants. Au fil du temps, des pressions internes significatives peuvent causer une déformation plastique et une délamination. L'expansion et la contraction mécaniques dues aux changements de température séparent progressivement les couches anode/cathode, augmentant l'impédance et réduisant la capacité. Inversement, des pressions internes trop faibles peuvent permettre un mouvement excessif dû à l'expansion thermique. Les concepteurs doivent donc trouver un « point optimal » de pression de boîtier maintenable sur les cycles.

Cartographie de pression vs cellules de charge traditionnelles

Une méthode pour caractériser le gonflement des batteries Li-ion utilise un dispositif intégrant une cellule de charge. Cependant, les cellules de charge ne fournissent qu'un retour de force moyen sur l'ensemble de l'assemblage, sans information sur la position des pressions excessives à l'intérieur même de la batterie.

Plus récemment, les concepteurs se tournent vers les systèmes de cartographie de pression pour collecter des données complètes lors des tests. Le réseau fin et flexible d'éléments de détection peut envelopper la batterie pour une vue à 360° dans un dispositif de test. Ces systèmes évaluent les profils de pression sur des milliers de cycles de charge/décharge, pouvant durer plusieurs mois.

De la R&D à une fonction de sécurité embarquée

Une équipe d'ingénieurs conçant un nouvel ordinateur portable avec une batterie Li-ion à haut rendement a trouvé une application unique inspirée de leurs efforts de R&D. Après avoir caractérisé la performance de la batterie avec un dispositif similaire, l'équipe a eu l'idée d'intégrer la même technologie de détection piézorésistive dans l'ordinateur pour surveiller le gonflement anormal de la batterie en cours d'utilisation.

L'équipe a acquis des capteurs d'échantillon, sélectionnant une variété d'encre sensible à la pression formulée pour les environnements à haute température et humidité. Grâce à leur finesse (0,203 mm) et leur fonctionnement avec une électronique à faible consommation, aucune modification majeure du design n'était nécessaire.

Pour leur prototype, deux capteurs ont été positionnés aux extrémités du compartiment batterie pour détecter les changements localisés de force. Basés sur les données de caractérisation, ils ont déterminé un seuil de force relatif signalant l'approche d'une défaillance, déclenchant une alerte à l'écran avant que la pression n'atteigne un seuil critique.

Gestion de la dérive du capteur dans les mesures relatives

La dérive du capteur fait varier progressivement la tension de sortie au fil du temps, rendant difficile l'utilisation de tensions absolues pour déterminer le gonflement. Cependant, cette application ne nécessitant que la mesure de changements relatifs de force, elle n'est pas affectée par la dérive puisque la pente de la courbe Tension vs Force reste relativement constante.

Les capteurs piézorésistifs alimentés par le circuit présenté ont généralement un taux de dérive de sortie <5% / temps logarithmique. Pour les applications de mesure relative, l'ingénieur doit surveiller la tension différentielle en fonction de la force (pente de la courbe V vs F). Pour une mesure absolue de force déclenchant une action précise, une procédure d'étalonnage différente serait nécessaire.

Outils de mesure et composants embarqués pour une conception optimale

Satisfaire les demandes des consommateurs tout en maintenant un design sûr et reproductible reste un équilibre délicat. L'augmentation de température pendant la charge provoque la lithiation, entraînant la formation de gaz. Les pressions internes dues à ces gaz peuvent causer des défaillances du boîtier ou des séparateurs, menant dans les cas extrêmes à des réactions d'emballement thermique.

La technologie de détection piézorésistive ultra-fine, qu'elle serve d'outil de test et mesure lors de la conception ou de composant embarqué dans le produit final, permet de mesurer et d'identifier les zones de pression excessive signalant des complications ou défaillances potentielles. Cela aide les concepteurs 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 produit détection embarquée, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Pour plus d'informations, contactez M. Haidar à l'adresse protégée, ou visitez le site web.