Baterai Canggih kini Dilengkapi Sensor Tekanan dan Gaya untuk Keselamatan Tingkat Tinggi

Baterai Canggih kini Dilengkapi Sensor Tekanan dan Gaya untuk Keselamatan Tingkat Tinggi

Dari perangkat elektronik hingga kendaraan hemat energi, permintaan konsumen terus berkembang untuk teknologi baterai yang lebih kompak, ringan, cepat diisi ulang dengan kepadatan energi yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, baterai juga harus aman, bahkan dalam kejadian kemerosotan. Lithium-ion (Li-ion) telah menjadi teknologi baterai favorit di kalangan insinyur dan desainer karena memenuhi banyak dari permintaan ini, dan hemat biaya. Namun, seiring desainer baterai terus mendorong batas kemampuan baterai Li-ion, banyak persyaratan ini dapat bertentangan satu sama lain.

Aksi pengisian dan pengosongan baterai Li-ion menghasilkan perubahan dalam suhu, elektrokimia, dan mekanika komponen internalnya. Dinamika ini juga menyebabkan perubahan dalam tekanan antarmuka di dalam perabot baterai. Banyak yang akrab dengan desain baterai Li-ion akan mengatakan bahwa perubahan tekanan ini memberikan efek baterai "bernafas." Seiring waktu, ini dapat mempengaruhi performa baterai, dan dalam kasus ekstrem, dapat menyebabkan reaksi yang berpotensi berbahaya.

Baru-baru ini, desainer baterai mulai menggunakan teknologi sensor gaya dan tekanan piezoresistif untuk menganalisis efek pengisian dan pengosongan baterai Li-ion dalam tes siklus umur jangka panjang. Jenis sensor yang sama ini juga dapat ditanam di dalam perangkat nyata untuk membantu memperingatkan pengguna akhir tentang kegagalan baterai yang potensial.

Satu Teknologi Inti Berdua Peran: Pengujian R&D dan Komponen Tertanam

Bahkan di antara permukaan yang relatif datar, seseorang menemukan bahwa distribusi tekanan antarmuka sering tidak merata di daerah lokal. Baik sebagai bagian dari sistem pemetaan tekanan turnkey, atau sebagai komponen tertanam dalam produk akhir, sensor piezoresistif tipis dan fleksibel memberikan insinyur dan desainer kemampuan untuk menangkap perubahan relatif dalam gaya dan tekanan.

Sensor piezoresistif terdiri dari bahan semi-konduktif yang terdapat di antara dua lembar polyester tipis dan fleksibel. Mereka adalah elemen pasif yang bertindak sebagai resistor sensor gaya dalam sirkuit listrik. Saat tidak dibebani, sensor memiliki resistensi tinggi (sekitar 2MΩ) yang menurun saat dibebani. Jika Anda mempertimbangkan invers dari resistansi (konduktansi), respons konduktansi sensor sentuh linier sebagai fungsi gaya dalam jangkauan gaya yang ditetapkan sensor.

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, sensor piezoresistif diproduksi baik sebagai sensor gaya titik tunggal maupun sebagai sensor matriks multipoint.

Sensor Matriks untuk Pemetaan Tekanan

Sensor matriks biasanya digunakan dalam aplikasi R&D untuk mengukur secara dinamis distribusi tekanan di antara dua permukaan yang bersesuaian — proses yang dikenal sebagai pemetaan tekanan. Sistem pemetaan tekanan terdiri dari sensor, elektronika pemindaian, dan perangkat lunak.

Saat dua permukaan bersentuhan dengan sensor, elektronika pemindaian mengumpulkan sinyal analog dari sensor dan mengonversinya menjadi sinyal digital. Perangkat lunak menampilkan aktivitas real-time di seluruh area sensing. Ini memungkinkan pengguna untuk melacak pusat gaya, menemukan daerah tekanan puncak, dan mengidentifikasi momen tepat perubahan tekanan dalam rekaman frame demi frame.

Fitur tambahan sensor matriks meliputi:

• Sensor biasanya memiliki sekitar 2000 titik sensing, tetapi beberapa sensor dapat dirancang dengan lebih dari 16.000 .
• Jarak elemen sensing (pitch) dapat sempit hingga 0,64 mm (0,025 in.).
• Sensor dapat mengukur jangkauan tekanan hingga 25.000 psi (172 MPa).
• Opsi sensor suhu tinggi hingga 200 °C (400 °F).
• Kecepatan pemindaian tersedia hingga 20.000 Hz.

Sensor Titik Tunggal untuk Aplikasi Sensing Tertanam

Sensor gaya piezoresistif titik tunggal mengukur umpan balik gaya pada satu area sensing. Jenis sensor ini cocok untuk integrasi dalam produk atau perangkat tidak hanya karena tipis dan fleksibel, tetapi karena dapat berfungsi sebagai komponen dari sirkuit op-amp atau pembagi tegangan. Tergantung pada pengaturan, jangkauan gaya sensor dapat disesuaikan dengan mengubah tegangan pengemudi dan resistansi resistor umpan balik. Ini memungkinkan pengguna untuk memiliki kontrol atas parameter seperti jangkauan gaya maksimum, dan resolusi pengukuran dalam jangkauan tersebut.

Karena sensor piezoresistif adalah komponen pasif dengan respons konduktansi linier dan memiliki jangkauan resistansi dinamis yang luas, insinyur yang mengintegrasikannya dapat menggunakan elektronik sederhana yang tidak memerlukan banyak pemfilteran.

Manfaat penting dari linearitas ini adalah sensor piezoresistif hanya memerlukan kalibrasi sederhana. Aplikasi sensor gaya yang menggunakan sel beban atau stensil mungkin perlu dikalibrasi di pabrik setelah penggunaan berulang, sementara perangkat dengan sensor piezoresistif dapat menyisipkan rutinitas kalibrasi ke dalam firmware perangkat untuk kalibrasi ulang segera.

Karena fleksibilitas teknologi ini, bersama dengan kemampuannya untuk berfungsi dengan elektronik daya rendah, sensor gaya piezoresistif telah berhasil meningkatkan banyak jenis perangkat, tanpa menambahkan kompleksitas pada desain atau kesulitan bagi pengguna.

Metode Baru untuk Memvalidasi Stres Tumpukan Baterai Li-ion

Meskipun produsen baterai memprioritaskan mempertahankan konstruksi tumpukan baterai yang konstan selama manufaktur, banyak yang tidak memvalidasi tekanan tumpukan sebagai bagian dari prosedur kualitas mereka, dan juga tidak mengukur stres internal pada baterai saat diisi atau dikosongkan.

Namun, penelitian telah menemukan bahwa tekanan tumpukan tinggi dapat memiliki efek yang kuat pada performa sel jangka panjang, dengan tingkat stres yang lebih tinggi menyebabkan tingkat penurunan kapasitas yang lebih tinggi. Seiring waktu, tekanan internal yang signifikan dapat menyebabkan deformasi plastis dan delaminasi. Ekspansi dan kontraksi mekanis dari perubahan suhu menyebabkan lapisan anoda/katoda terpisah seiring waktu. Ketika lapisan tersebut terpisah, impedansi baterai naik, menurunkan kapasitasnya. Di sisi lain, meskipun tekanan internal yang lebih rendah mungkin memberikan performa jangka panjang yang lebih baik, mungkin ada terlalu banyak gerakan dari ekspasi termal di dalam perabot baterai. Oleh karena itu, desainer baterai harus menemukan "titik manis" untuk tekanan perabot yang dapat dipertahankan melalui siklus pengisian dan pengosongan.

Salah satu metode untuk karakterisasi pembengkakan baterai Li-ion dalam pengujian siklus pengisian/pengosongan adalah dengan pemasang yang menyelimuti sel beban untuk mendeteksi pembengkakan. Namun, karena sel beban hanya dapat mengumpulkan umpan balik gaya rata-rata di seluruh rangkaian baterai, dan tidak memberikan wawasan tentang posisi tekanan berlebih yang terjadi dalam baterai itu sendiri, desainer baterai akan kehilangan data penting.

Baru-baru ini, desainer baterai beralih ke sistem pemetaan tekanan untuk mengumpulkan data komprehensif selama pengujian baterai Li-ion. Array elemen sensing yang tipis dan fleksibel dapat melilit baterai untuk memberikan tampilan 360° dalam pemasang pengujian. Sistem ini dapat digunakan untuk mengevaluasi profil tekanan selama ribuan siklus pengisian dan pengosongan, yang dapat berlangsung beberapa bulan.

Gambar 3 menunjukkan contoh data karakterisasi pengisian/pengosongan dari pemasang yang menyelimuti sistem pemetaan tekanan piezoresistif.

Wawasan dari R&D Memulai Fitur Keselamatan Baterai Tertanam

Baru-baru ini, tim insinyur yang merancang laptop baru dengan baterai Li-ion hemat energi menemukan aplikasi unik yang diinspirasi oleh upaya R&D mereka. Setelah mengkarakterisasi performa baterai menggunakan pemasang yang mirip dengan yang ditunjukkan dalam Gambar 3, tim memiliki ide untuk menyisipkan teknologi sensing piezoresistif yang sama ke dalam laptop mereka untuk berfungsi sebagai metode untuk memantau pembengkakan baterai yang abnormal saat digunakan.

Untuk memulai, tim desain membeli sampel sensor gaya piezoresistif, khususnya memilih varian tinta sensitif tekanan yang diformulasikan untuk lingkungan operasi suhu tinggi dan kelembaban tinggi. Karena sensor piezoresistif sangat tipis — hanya 0,203 mm (0,008 in.) — dan dapat berfungsi dengan elektronik daya rendah, tim tidak perlu melakukan penyesuaian signifikan pada desain mereka.

Untuk prototipe mereka, tim memasang dua sensor di setiap ujung kompartemen baterai untuk mendeteksi perubahan gaya lokal, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4. Berdasarkan data karakterisasi yang diperoleh tim selama desain baterai itu sendiri, mereka dapat menentukan ambang gaya relatif yang menandakan baterai mendekati kegagalan. Kemudian mereka mengembangkan fitur yang akan memicu peringatan ke layar pengguna sebelum tekanan baterai mencapai ambang kritis.

Mengakomodasi Drift Sensor dalam Aplikasi Pengukuran Relatif

Karena drift sensor akan menyebabkan output tegangan sensor piezoresistif berubah secara bertahap seiring waktu, menggunakan output tegangan mutlak untuk menentukan pembengkakan baterai menjadi tantangan. Namun, aplikasi keselamatan baterai ini hanya memerlukan pengukuran perubahan relatif dalam gaya, yang tidak terpengaruh oleh drift karena lereng kurva Tegangan vs Gaya tetap relatif konstan terlepas dari seberapa banyak output yang telah berubah.

Ketika sensor diisi daya dengan sirkuit yang ditunjukkan dalam Gambar 2, sensor gaya piezoresistif kami biasanya memiliki tingkat drift output <5% / waktu logaritmik. Oleh karena itu, untuk aplikasi pengukuran relatif, insinyur desain harus mencari output tegangan diferensial sebagai fungsi gaya (lereng kurva V vs F) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.

Di sisi lain, untuk aplikasi yang memerlukan pengukuran ukuran gaya mutlak untuk menghasilkan suatu tindakan (misalnya, aktuator menekan sensor pada tepat 5 lbs akan menyebabkan respons "X", sementara 10 lbs akan menghasilkan respons "Y"), maka insinyur akan perlu mengikuti prosedur kalibrasi yang berbeda.

Alat Pengukuran dan Komponen Tertanam Membantu Anda Memahami Skala Penuh Keputusan Desain Baterai Anda

Memenuhi permintaan konsumen sambil mempertahankan desain yang aman dan dapat diulang, adalah keseimbangan yang sulit untuk desainer baterai. Peningkatan suhu selama pengisian menyebabkan litiasi, yang mengakibatkan penggas. Tekanan internal dari gas tambahan dalam baterai dapat menyebabkan kegagalan perabot atau pemisah. Ini dapat menyebabkan reaksi thermal runaway dalam kasus ekstrem.

Teknologi sensing piezoresistif ultra-tipis, baik sebagai alat pengujian dan pengukuran dalam proses desain, atau sebagai komponen tertanam dalam produk akhir, membantu mengukur dan mengidentifikasi daerah tekanan berlebih yang dapat menandakan komplikasi atau kegagalan baterai yang potensial. Ini, pada gilirannya, membantu desainer baterai mengembangkan teknologi energi canggih untuk memancarkan daya kehidupan kami dengan aman.

Artikel ini ditulis oleh Edward Haidar, Applications Engineer & Embedded Sensing Product Manager, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bapak Haidar di alamat email ini, atau kunjungi di sini.