智能电池集成力与压力传感器 显著提升安全性能

从电子设备到高效能车辆，消费者对更紧凑、轻量化、快充且高能量密度的电池技术需求持续增长。同时，电池即便在极端灾难性事件中也必须保障安全。锂离子电池因满足诸多需求且具成本效益，成为工程师和设计师的首选技术。然而，随着电池设计师不断挑战锂离子电池性能极限，这些需求之间往往相互冲突。

锂离子电池的充放电过程会引起内部组件温度、电化学性质及力学结构的变化，进而导致电池外壳内部界面压力发生改变。熟悉锂离子电池设计的人都知道，这种压力变化使电池呈现“呼吸”效应。长期来看，这会影响电池性能，极端情况下甚至引发危险反应。

近期，电池设计师开始采用压阻式力与压力传感器技术，在长期生命周期测试中分析充放电对锂离子电池的影响。此类传感器还可嵌入设备内部，实时预警潜在电池故障。

单一核心技术双重应用：研发测试与嵌入式组件

即使在相对平整的表面之间，局部区域的界面压力分布也往往不均匀。无论作为成套压力测映系统的一部分，还是作为最终产品的嵌入式组件，薄型柔性压阻式传感器都能让工程师捕捉力与压力的相对变化。

压阻式传感器由夹在两片薄柔性聚酯薄膜之间的半导体材料组成。它们是无源元件，在电路中充当力敏电阻。卸载时电阻高（约2MΩ），受载后电阻下降。若考虑电阻的倒数（电导），触摸传感器的电导响应在其指定量程内随力呈线性变化。

如图1所示，压阻式传感器分为单点力传感器和多点矩阵传感器两种形式。

矩阵传感器实现压力测映

矩阵传感器常用于研发应用，动态测量两个配合表面间的压力分布，即压力测映。压力测映系统包含传感器、扫描电子装置和软件。

当两个表面接触传感器时，扫描电子装置采集模拟信号并转换为数字信号。软件实时显示感应区域的活动，用户可追踪受力中心、定位峰值压力区域，并通过逐帧记录精确捕捉压力变化时刻。

矩阵传感器的其他特性包括：

• 典型感应点约2000个，部分传感器可设计超过16,000个。
• 感应元件间距（节距）最窄可达0.64毫米（0.025英寸）。
• 可测量高达25,000 psi（172 MPa）的压力范围。
• 提供耐高温选项，最高达200°C（400°F）。
• 扫描速度高达20,000 Hz。

单点传感器适配嵌入式感应应用

单点压阻式力传感器在单一感应区域测量力反馈。因其薄且柔性，且可作为运放电路或分压电路的组件，极易集成至产品或设备中。通过改变驱动电压和反馈电阻阻值，可调整传感器的量程，从而控制最大量程及该范围内的测量分辨率。

压阻式传感器作为无源元件，电导响应线性且动态电阻范围宽，工程师可使用简单电子电路，无需大量滤波。

这种线性带来的重要优势是校准简便。使用测力传感器或应变片的应用可能需在反复使用后进行出厂校准，而嵌入压阻式传感器的设备可将校准程序固化在固件中，实现即时重新校准。

得益于技术灵活性及低功耗电子特性，压阻式力传感器成功增强多类设备功能，且不增加设计复杂度或用户操作难度。

验证锂离子电池堆叠应力的新方法

尽管电池制造商重视制造过程中电池堆叠结构的一致性，但鲜有将堆叠压力纳入质量流程，或量化充放电过程中的内部应力。

研究表明，高堆叠压力显著影响长期电芯性能，应力水平越高，容量衰减越快。长期内部高压会导致塑性变形和分层。温度变化引起的机械膨胀收缩使阳极/阴极层逐渐分离，层间分离会增加电池阻抗，降低容量。反之，较低内部压力虽利于长期性能，但可能导致电池外壳内热膨胀位移过大。因此，设计师须寻找能在充放电循环中维持的“最佳平衡点”。

表征锂离子电池充放电循环中膨胀的一种方法是采用集成测力传感器的夹具检测膨胀。但测力传感器仅能获取电池组件平均力反馈，无法洞察电池内部过压位置，导致关键数据缺失。

近期，设计师转向压力测映系统采集全面测试数据。薄柔性传感阵列可环绕电池，在测试夹具内提供360°视野。此类系统可评估数千次充放电循环（持续数月）的压力分布。

图3展示了集成压阻式压力测映系统的夹具所获充放电表征数据示例。

研发洞察催生嵌入式电池安全功能

近期，某笔记本电脑设计团队在研发高效锂离子电池时，受研发工作启发，构想出独特应用。他们使用类似图3的夹具表征电池性能后，决定将同类压阻式感测技术嵌入笔记本，监测使用过程中的异常电池膨胀。

团队采购样品传感器，选用适配高温高湿环境的压敏墨水型号。压阻式传感器厚度仅0.203毫米（0.008英寸），且适配低功耗电子，无需大幅调整设计。

原型机在电池仓两端各布置一颗传感器检测局部力变化（如图4）。基于电池设计阶段获取的表征数据，团队确定了预示电池即将失效的相对力阈值，并开发功能：在电池压力达到临界阈值前触发屏幕预警。

相对测量应用中的传感器漂移补偿

传感器漂移会导致输出电压随时间缓慢变化，若用绝对电压判断电池膨胀将面临挑战。但该安全应用仅需测量力的相对变化，因电压-力曲线斜率基本恒定，不受漂移影响。

采用图2电路供电时，压阻式力传感器典型输出漂移率＜5%/对数时间。因此，相对测量应用中，设计工程师应关注差分电压输出随力的变化（即V-F曲线斜率），如图5所示。

反之，若应用需测量绝对力值以触发动作（如执行器以5磅压力产生“X”响应，10磅产生“Y”响应），则需遵循不同校准流程。

测量工具与嵌入组件助力全面理解电池设计决策

在满足消费需求的同时保持安全可靠设计，是电池设计师的难题。充电温升引发锂化析气，内部气体压力可能导致外壳或隔膜失效，极端情况下引发热失控。

超薄压阻式感测技术，无论作为设计阶段的测试工具，还是最终产品的嵌入式组件，都能测量并识别过压区域，预示潜在故障。这助力设计师开发先进能源技术，安全驱动生活。

本文由Tekscan公司应用工程师兼嵌入式感测产品经理Edward Haidar撰写。更多信息请联系：This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.，或访问here。