Baterai Cerdas Termasuk Penginderaan Kekuatan dan Tekanan

Dari perangkat elektronik hingga kendaraan berefisiensi tinggi, permintaan konsumen terus meningkat untuk teknologi baterai yang lebih ringkas, ringan, dan pengisian cepat dengan kepadatan energi yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, baterai juga harus aman, bahkan dalam peristiwa bencana. Lithium-ion (Li-ion) telah menjadi teknologi baterai favorit di kalangan insinyur dan desainer karena memenuhi banyak tuntutan ini, dan hemat biaya. Namun, karena perancang baterai terus mendorong batas kemampuan baterai Li-ion, banyak dari persyaratan ini dapat bertentangan satu sama lain.

Tindakan pengisian dan pengosongan baterai Li-ion menghasilkan perubahan suhu, elektrokimia, dan mekanika komponen internalnya. Dinamika ini juga menyebabkan perubahan tekanan antarmuka di dalam rumah baterai. Banyak yang akrab dengan desain baterai Li-ion akan mengatakan bahwa perubahan tekanan ini memberikan efek "bernapas" baterai. Seiring waktu, hal ini dapat memengaruhi kinerja baterai, dan, dalam kasus ekstrem, dapat menyebabkan reaksi yang berpotensi berbahaya.

Baru-baru ini, perancang baterai mulai menggunakan gaya piezoresistif dan teknologi sensor tekanan untuk menganalisis efek pengisian dan pengosongan baterai Li-ion dalam uji siklus hidup jangka panjang. Jenis sensor yang sama ini juga dapat disematkan di dalam perangkat yang sebenarnya untuk membantu memperingatkan pengguna akhir tentang potensi kegagalan baterai.

Teknologi Inti Tunggal Memakai Dua Topi:Pengujian R&D dan Komponen Tertanam

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

Sensor piezoresistif terdiri dari bahan semi-konduktif yang terkandung di antara dua potong poliester tipis dan fleksibel. Mereka adalah elemen pasif yang bertindak sebagai resistor penginderaan gaya dalam rangkaian listrik. Saat diturunkan, sensor memiliki resistansi tinggi (sekitar 2MΩ) yang turun saat dimuat. Jika Anda mempertimbangkan kebalikan dari resistansi (konduktansi), respons konduktansi sensor sentuh adalah linier sebagai fungsi gaya dalam rentang gaya yang ditentukan sensor.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, sensor piezoresistif diproduksi sebagai sensor gaya titik tunggal dan sebagai sensor matriks titik ganda.

Sensor Matriks untuk Pemetaan Tekanan

Sensor matriks biasanya digunakan dalam aplikasi R&D untuk mengukur distribusi tekanan secara dinamis di dua permukaan yang saling berhubungan — sebuah proses yang dikenal sebagai pemetaan tekanan. Sistem pemetaan tekanan terdiri dari sensor, pemindai elektronik, dan perangkat lunak.

Saat dua permukaan bersentuhan dengan sensor, elektronik pemindaian mengumpulkan sinyal analog dari sensor dan mengubahnya menjadi sinyal digital. Perangkat lunak ini menampilkan aktivitas waktu nyata di seluruh area penginderaan. Hal ini memungkinkan pengguna untuk melacak pusat gaya, menemukan daerah tekanan puncak, dan mengidentifikasi momen yang tepat dari perubahan tekanan dalam rekaman frame-by-frame.

Fitur tambahan dari sensor matriks meliputi:

• Sensor biasanya memiliki sekitar 2000 titik penginderaan, tetapi beberapa sensor dapat dirancang dengan lebih dari 16.000 .

• Jarak elemen sensor (pitch) bisa sesempit 0,64 mm (0,025 inci).

• Sensor dapat mengukur rentang 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 Penginderaan Tertanam

Sensor gaya piezoresistif titik tunggal mengukur umpan balik gaya pada area penginderaan tunggal. Jenis sensor ini cocok untuk integrasi dalam produk atau perangkat tidak hanya karena tipis dan fleksibel, tetapi karena dapat berfungsi sebagai komponen rangkaian op-amp atau pembagi tegangan. Tergantung pada pengaturannya, rentang gaya sensor dapat disesuaikan dengan mengubah tegangan penggerak dan resistansi resistor umpan balik. Hal ini memungkinkan pengguna untuk memiliki kontrol atas parameter seperti rentang gaya maksimum, dan resolusi pengukuran dalam rentang tersebut.

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

Manfaat penting dari linearitas ini adalah bahwa sensor piezoresistif hanya memerlukan kalibrasi sederhana. Aplikasi penginderaan paksa yang menggunakan sel beban atau pengukur regangan, mungkin perlu dikalibrasi di pabrik setelah digunakan berulang kali, sementara perangkat dengan sensor piezoresistif dapat memiliki rutinitas kalibrasi yang disematkan ke dalam firmware perangkat untuk kalibrasi ulang secara langsung.

Karena fleksibilitas teknologi ini, bersama dengan kemampuannya untuk berfungsi dengan elektronik berdaya rendah, sensor gaya piezoresistif telah berhasil menyempurnakan berbagai jenis perangkat, tanpa menambah kerumitan pada desain atau kesulitan bagi pengguna.

Metode Baru untuk Memvalidasi Tegangan Tumpukan Baterai Li-ion

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

Namun, penelitian telah menemukan bahwa tekanan tumpukan yang tinggi dapat memiliki efek yang kuat pada kinerja sel jangka panjang, dengan tingkat stres yang lebih tinggi menyebabkan tingkat memudarnya 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 dari waktu ke waktu. Ketika lapisan-lapisan itu terpisah, impedansi baterai naik, menurunkan kapasitasnya. Di sisi lain, sementara tekanan internal yang lebih rendah dapat memberikan kinerja jangka panjang yang lebih baik, mungkin ada terlalu banyak gerakan dari ekspansi termal di dalam wadah baterai. Oleh karena itu, perancang baterai harus menemukan "titik manis" untuk tekanan housing yang dapat mempertahankan siklus pengisian dan pengosongan.

Salah satu metode untuk mengkarakterisasi pembengkakan baterai Li-ion dalam pengujian siklus pengisian/pengosongan adalah dengan perlengkapan yang menggabungkan sel beban untuk mendeteksi pembengkakan. Namun, karena sel beban hanya dapat mengumpulkan umpan balik gaya rata-rata di seluruh unit baterai, dan bukan wawasan tentang posisi tekanan berlebihan yang terjadi di baterai itu sendiri, perancang baterai akan kehilangan data penting.

Baru-baru ini, perancang baterai telah beralih ke sistem pemetaan tekanan untuk mengumpulkan data komprehensif selama pengujian baterai Li-ion. Susunan elemen sensor yang tipis dan fleksibel dapat membungkus baterai untuk memberikan tampilan 360° dalam perlengkapan 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 perlengkapan yang menggabungkan sistem pemetaan tekanan piezoresistif.

Insight dari R&D Memulai Fitur Keamanan Baterai Tertanam

Baru-baru ini, tim insinyur yang merancang laptop baru dengan baterai Li-ion berefisiensi tinggi menemukan aplikasi unik yang terinspirasi oleh upaya R&D mereka. Setelah mengkarakterisasi kinerja baterai menggunakan perlengkapan yang serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3, tim memiliki ide untuk menyematkan teknologi penginderaan piezoresistif yang sama ke dalam laptop mereka sebagai metode untuk memantau pembengkakan baterai yang tidak normal saat digunakan.

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

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

Akuntansi Sensor Drift dalam Aplikasi Pengukuran Relatif

Karena penyimpangan sensor akan menyebabkan tegangan keluaran sensor piezoresistif berubah secara bertahap dari waktu ke waktu, menggunakan keluaran tegangan absolut untuk menentukan pembengkakan baterai menjadi sebuah tantangan. Namun, aplikasi keamanan baterai ini hanya memerlukan pengukuran perubahan gaya relatif, yang tidak terpengaruh oleh penyimpangan karena kemiringan kurva Tegangan vs Gaya tetap relatif konstan terlepas dari seberapa banyak keluaran telah berubah.

Ketika sensor diberi daya dengan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2, sensor gaya piezoresistif kami biasanya memiliki tingkat penyimpangan keluaran <5% / waktu logaritmik. Oleh karena itu, untuk aplikasi pengukuran relatif, insinyur desain harus mencari keluaran tegangan diferensial sebagai fungsi gaya (kemiringan kurva V vs F) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Di sisi lain, untuk aplikasi yang membutuhkan pengukuran gaya absolut untuk menghasilkan semacam tindakan (misalnya, aktuator yang menekan sensor dengan tepat 5 lbs akan menyebabkan respons "X", sementara 10 lbs akan menghasilkan "Y" respon), maka insinyur harus mengikuti prosedur kalibrasi yang berbeda.

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

Memuaskan permintaan konsumen sambil mempertahankan desain yang aman dan dapat diulang, merupakan keseimbangan yang sulit bagi perancang baterai. Peningkatan suhu selama pengisian menyebabkan litiasi, yang mengarah ke penyerangan dengan gas beracun. Tekanan internal dari gas tambahan dalam baterai dapat menyebabkan kegagalan housing atau separator. Hal ini dapat menyebabkan reaksi pelarian termal dalam kasus-kasus ekstrem.

Teknologi penginderaan piezoresistif ultra-tipis, baik sebagai alat uji dan pengukuran dalam proses desain, atau komponen yang disematkan pada produk akhir, membantu mengukur dan mengidentifikasi daerah dengan tekanan berlebih yang dapat menandakan komplikasi atau potensi kegagalan baterai. Hal ini, pada gilirannya, membantu perancang baterai mengembangkan teknologi energi canggih untuk memberi daya pada kehidupan kita dengan aman.

Artikel ini ditulis oleh Edward Haidar, Applications Engineer &Embedded Sensing Product Manager, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Haidar di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya., atau kunjungi di sini .