Las baterías inteligentes incorporan sensores de fuerza y presión para mayor seguridad

Desde dispositivos electrónicos hasta vehículos de alta eficiencia, la demanda de los consumidores sigue creciendo en busca de tecnologías de baterías más compactas, ligeras, de carga rápida y con mayores densidades de energía. Al mismo tiempo, las baterías deben ser seguras, incluso en eventos catastróficos. El ion-litio (Li-ion) se ha convertido en la tecnología de baterías favorita entre ingenieros y diseñadores porque satisface muchas de estas demandas y es rentable. Sin embargo, a medida que los diseñadores de baterías continúan superando los límites de las capacidades de las baterías de Li-ion, muchos de estos requisitos pueden entrar en conflicto entre sí.

El desafío de la "respiración" de la batería

El acto de cargar y descargar una batería de Li-ion produce cambios en la temperatura, la electroquímica y la mecánica de sus componentes internos. Estas dinámicas también causan cambios en la presión de interfaz dentro de la carcasa de la batería. Quienes conocen el diseño de una batería de Li-ion dirán que estos cambios en la presión dan el efecto de una batería "respirando". Con el tiempo, esto puede afectar el rendimiento de la batería y, en casos extremos, puede provocar reacciones potencialmente peligrosas.

Sensores piezorresistivos: doble función en I+D y como componente integrado

Recientemente, los diseñadores de baterías han comenzado a utilizar tecnología de sensores de fuerza y presión piezorresistivos para analizar los efectos de la carga y descarga de baterías de Li-ion en pruebas de ciclo de vida a largo plazo. Estos mismos tipos de sensores también pueden integrarse dentro del propio dispositivo para alertar a los usuarios finales sobre posibles fallos de la batería.

Una tecnología central con dos aplicaciones: pruebas de I+D y componente integrado

Incluso entre superficies relativamente planas, la distribución de la presión de interfaz a menudo no es uniforme en regiones localizadas. Ya sea como parte de un sistema llave en mano de mapeo de presión, o como componente integrado en un producto final, los sensores piezorresistivos finos y flexibles ofrecen a ingenieros y diseñadores la capacidad de capturar cambios relativos en fuerza y presión.

Los sensores piezorresistivos consisten en un material semiconductor contenido entre dos láminas delgadas y flexibles de poliéster. Son elementos pasivos que actúan como resistencias sensibles a la fuerza en un circuito eléctrico. Sin carga, el sensor tiene una alta resistencia (aproximadamente 2 MΩ) que disminuye cuando se aplica carga. Si consideramos el inverso de la resistencia (conductancia), la respuesta de conductancia de los sensores táctiles es lineal en función de la fuerza dentro del rango de fuerza designado del sensor.

Como se muestra en la Figura 1, los sensores piezorresistivos se producen tanto como sensores de fuerza de un solo punto como sensores de matriz de múltiples puntos.

Sensores de matriz para mapeo de presión

Los sensores de matriz se utilizan comúnmente en aplicaciones de I+D para medir dinámicamente la distribución de presión entre dos superficies de contacto, un proceso conocido como mapeo de presión. Los sistemas de mapeo de presión consisten en sensores, electrónica de escaneo y software.

Cuando dos superficies entran en contacto con el sensor, la electrónica de escaneo recopila la señal analógica del sensor y la convierte en una señal digital. El software muestra la actividad en tiempo real a lo largo del área de detección. Esto permite al usuario rastrear el centro de fuerza, localizar regiones de presión máxima e identificar momentos exactos de cambios de presión en una grabación fotograma a fotograma.

Características adicionales de los sensores de matriz:

• Los sensores suelen tener unos 2000 puntos de detección, pero algunos pueden diseñarse con más de 16.000.
• El espaciado de los elementos de detección (paso) puede ser tan estrecho como 0,64 mm (0,025 pulg.).
• Los sensores pueden medir rangos de presión hasta 25.000 psi (172 MPa).
• Opciones de sensores de alta temperatura hasta 200 °C (400 °F).
• Velocidades de escaneo disponibles hasta 20.000 Hz.

Sensores de un solo punto para aplicaciones de detección integrada

Los sensores de fuerza piezorresistivos de un solo punto miden la retroalimentación de fuerza en un área de detección única. Este tipo de sensor se presta bien a la integración dentro de un producto o dispositivo no solo porque es delgado y flexible, sino porque puede funcionar como componente de un circuito operacional o divisor de voltaje. Dependiendo de la configuración, el rango de fuerza del sensor puede ajustarse cambiando el voltaje de alimentación y la resistencia del resistor de realimentación. Esto permite al usuario controlar parámetros como el rango de fuerza máxima y la resolución de medición dentro de ese rango.

Dado que los sensores piezorresistivos son componentes pasivos con respuesta de conductancia lineal y tienen un amplio rango dinámico de resistencia, los ingenieros que los integran pueden utilizar electrónica simple que no requiere mucho filtrado.

Un beneficio importante de esta linealidad es que los sensores piezorresistivos solo requieren calibración simple. Las aplicaciones de detección de fuerza que utilizan celdas de carga o extensómetros pueden necesitar calibración de fábrica después de uso repetido, mientras que los dispositivos con sensores piezorresistivos pueden tener su rutina de calibración integrada en el firmware del dispositivo para recalibración sobre la marcha.

Debido a la flexibilidad de esta tecnología, junto con su capacidad para funcionar con electrónica de bajo consumo, los sensores de fuerza piezorresistivos han tenido éxito en mejorar muchos tipos diferentes de dispositivos, sin añadir complejidad al diseño ni dificultad para el usuario.

Un método novedoso para validar el estrés en la pila de baterías de Li-ion

Aunque los fabricantes de baterías priorizan mantener una construcción constante de la pila de baterías durante la fabricación, muchos no validan la presión de la pila como parte de su procedimiento de calidad, ni cuantifican los esfuerzos internos en la batería mientras se carga o descarga.

Sin embargo, la investigación ha encontrado que las altas presiones de apilamiento pueden tener un fuerte efecto en el rendimiento a largo plazo de la celda, con niveles más altos de estrés que conducen a mayores tasas de desvanecimiento de capacidad. Con el tiempo, presiones internas significativas pueden llevar a deformación plástica y deslaminación. La expansión y contracción mecánica por cambios de temperatura hace que las capas de ánodo/cátodo se separen con el tiempo. Cuando esas capas se separan, la impedancia de la batería aumenta, reduciendo su capacidad. Por otro lado, aunque presiones internas más bajas pueden proporcionar mejor rendimiento a largo plazo, puede haber demasiado movimiento por expansión térmica dentro de la carcasa de la batería. Por tanto, los diseñadores de baterías deben encontrar un "punto óptimo" para la presión de la carcasa que pueda mantenerse a lo largo de los ciclos de carga y descarga.

Un método para caracterizar la hinchazón de baterías de Li-ion en pruebas de ciclos de carga/descarga es con un dispositivo que incorpora una celda de carga para detectar la hinchazón. Sin embargo, como las celdas de carga solo pueden recopilar retroalimentación de fuerza promedio a lo largo de un ensamblaje de batería, y no información sobre la posición de presión excesiva que ocurre en la propia batería, los diseñadores de baterías se perderían datos importantes.

Más recientemente, los diseñadores de baterías han recurrido a sistemas de mapeo de presión para recopilar datos exhaustivos durante las pruebas de baterías de Li-ion. La delgada y flexible matriz de elementos de detección puede envolver la batería para proporcionar una vista de 360° dentro de un dispositivo de prueba. Estos sistemas pueden usarse para evaluar perfiles de presión a lo largo de miles de ciclos de carga y descarga, que pueden durar varios meses.

La Figura 3 muestra un ejemplo de datos de caracterización de carga/descarga de un dispositivo que incorpora un sistema de mapeo de presión piezorresistivo.

Los conocimientos de I+D inician una función de seguridad de batería integrada

Recientemente, un equipo de ingenieros que diseñaba una nueva computadora portátil con una batería de Li-ion de alta eficiencia encontró una aplicación única inspirada por sus esfuerzos de I+D. Después de caracterizar el rendimiento de la batería usando un dispositivo similar al mostrado en la Figura 3, el equipo tuvo la idea de integrar la misma tecnología de detección piezorresistiva en su computadora portátil para servir como método de monitoreo de hinchazón anormal de la batería mientras está en uso.

Para comenzar, el equipo de diseño compró sensores de fuerza piezorresistivos de muestra, seleccionando específicamente una variedad de tinta sensible a la presión formulada para entornos operativos de alta temperatura y alta humedad. Como los sensores piezorresistivos son tan delgados —solo 0,203 mm (0,008 pulg.)— y pueden funcionar con electrónica de bajo consumo, el equipo no necesitó hacer ajustes significativos a su diseño.

Para su prototipo, el equipo posicionó dos sensores en cada extremo del compartimento de la batería para detectar cambios localizados en la fuerza, como se muestra en la Figura 4. Basándose en los datos de caracterización que el equipo adquirió durante el diseño de la propia batería, pudieron determinar un umbral de fuerza relativo que significaba que la batería se acercaba al fallo. Luego desarrollaron una función que activaría una alerta en la pantalla del usuario antes de que la presión de la batería alcanzara un umbral crítico.

Consideración de la deriva del sensor en la aplicación de medición relativa

Como la deriva del sensor hará que el voltaje de salida del sensor piezorresistivo cambie gradualmente con el tiempo, usar salidas de voltaje absoluto para determinar la hinchazón de la batería se vuelve un desafío. Sin embargo, esta aplicación de seguridad de batería solo requería medir cambios relativos en la fuerza, lo cual no se ve afectado por la deriva ya que la pendiente de la curva Voltaje vs Fuerza se mantiene relativamente constante independientemente de cuánto haya cambiado la salida.

Cuando el sensor se alimenta con el circuito mostrado en la Figura 2, nuestros sensores de fuerza piezorresistivos típicamente tienen una tasa de deriva de salida <5% / tiempo logarítmico. Por lo tanto, para aplicaciones de medición relativa, el ingeniero de diseño debe buscar la salida de voltaje diferencial en función de la fuerza (la pendiente de la curva V vs F) como se muestra en la Figura 5.

Por otro lado, para una aplicación que requiera medir una medida absoluta de fuerza para producir algún tipo de acción (por ejemplo, un actuador presionando el sensor a exactamente 5 libras causaría la respuesta "X", mientras que 10 libras producirían la respuesta "Y"), entonces el ingeniero necesitaría seguir un procedimiento de calibración diferente.

Herramientas de medición y componentes integrados ayudan a comprender el alcance completo de las decisiones de diseño de baterías

Satisfacer las demandas de los consumidores mientras se mantiene un diseño seguro y repetible es un equilibrio difícil para los diseñadores de baterías. El aumento de temperatura durante la carga causa litio, lo que lleva a generación de gases. Las presiones internas de los gases adicionales en la batería pueden causar fallos en la carcasa o separadores. Esto puede llevar a reacciones de fuga térmica en casos extremos.

La tecnología de detección piezorresistiva ultra-delgada, ya sea como herramienta de prueba y medición en el proceso de diseño, o como componente integrado en el producto final, ayuda a medir e identificar regiones de presión excesiva que pueden señalar complicaciones o posibles fallos de batería. Esto, a su vez, ayuda a los diseñadores de baterías a desarrollar tecnologías de energía avanzadas para alimentar nuestras vidas de forma segura.

Este artículo fue escrito por Edward Haidar, Ingeniero de Aplicaciones y Gerente de Producto de Detección Integrada, Tekscan, Inc. (South Boston, MA). Para más información, contacte al Sr. Haidar en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener JavaScript habilitado para verla., o visite aquí.