電池性能對于更廣泛地采用電動(dòng)汽車 (EV)至關(guān)重要，其續(xù)航里程的延長和充電速度的提高是希望轉(zhuǎn)向更清潔技術(shù)的新車購買者的愿望清單。這不僅適用于消費(fèi)者；商業(yè)企業(yè)也對電池性能有著濃厚的興趣。送貨公司、出租車和運(yùn)輸組織都迫切希望消除不斷上漲的汽油和柴油成本，但他們必須能夠依賴電動(dòng)汽車的續(xù)航里程并減少充電時(shí)間，以確保運(yùn)營生產(chǎn)力和效率。

這些因素對汽車制造商提出了越來越多的要求，以最大限度地提高所用電池的性能。因此，工程師們正在探索所有途徑來研究可接受的最高充電率、對可靠性的影響，以及如何在不犧牲容量的情況下減小尺寸和重量。任何領(lǐng)域的漸進(jìn)式進(jìn)步都可以轉(zhuǎn)化為電動(dòng)汽車性能的大幅提升——提高人們和企業(yè)的車主滿意度。

監(jiān)測電池電流密度

實(shí)現(xiàn)均勻的電荷分布和內(nèi)部散熱是電池制造商尋求最大化電池容量和可靠性的主要電池設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。然而，在許多方面，從測試的角度來看，電池單元被認(rèn)為是一個(gè)“黑匣子”。雖然可以使用庫侖計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)測量——并且可以相對容易地測量電流流入、流出和電池電壓——但工程師需要監(jiān)控電池內(nèi)不同位置的電流密度以了解可能發(fā)生的情況內(nèi)部，如細(xì)胞電阻率的變化。傳統(tǒng)上，這更難以安排。

在用于繪制電池內(nèi)電流密度的技術(shù)中，測量溫度是一種間接方法，它利用自熱效應(yīng)來檢測電流分布的變化。可以根據(jù)需要在多個(gè)位置測量電池溫度。然而，外部安裝的溫度傳感器的讀數(shù)與電池內(nèi)部發(fā)生的溫度變化之間總是存在滯后。這種滯后可能隱藏了工程師在電池開發(fā)、表征和測試過程中需要了解的電池屬性變化。

磁場傳感器可以提供一種更直接的測量電流密度的方法。然而，典型的傳感器不能提供當(dāng)今 EV 電池所需的組合空間分辨率、場分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。傳統(tǒng)硅基磁傳感器的平面霍爾效應(yīng)會(huì)允許噪聲和離軸信號(hào)污染電流產(chǎn)生的信號(hào)，從而影響測量精度。

使用石墨烯技術(shù)進(jìn)行電流感應(yīng)

基于石墨烯的傳感器可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。通過這項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)單原子厚的組合物。這有效地創(chuàng)建了僅檢測垂直于傳感器平面的一個(gè)軸上的磁場的傳感器。它對離軸雜散磁場和其他離軸磁場分量具有出色的抑制能力。除了提高準(zhǔn)確性之外，這還允許更簡單的測試系統(tǒng)。石墨烯傳感器可以針對與電池應(yīng)用相關(guān)的低場環(huán)境和正常環(huán)境溫度進(jìn)行優(yōu)化，并且其占地面積小，可實(shí)現(xiàn)良好的空間分辨率。

石墨烯傳感器的這些屬性可以讓工程師對電池單元行為有更詳細(xì)和局部（點(diǎn)對點(diǎn)）的了解，以幫助進(jìn)行電池單元分析和調(diào)查不同電池單元化學(xué)和形狀因素的有效性。

Paragraf 創(chuàng)造了 GHS（石墨烯霍爾傳感器）系列超靈敏和低噪聲霍爾傳感器，其中包含單層石墨烯原子。與現(xiàn)有霍爾傳感器技術(shù)相比，GHS-A 環(huán)境范圍傳感器表現(xiàn)出優(yōu)于 10 ppm 的典型傳感分辨率，并具有廣泛的磁場檢測范圍。不受磁滯影響，消除了過度暴露于磁場的任何危險(xiǎn)。

這些傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝 20 引腳陶瓷半導(dǎo)體封裝，可產(chǎn)生與測量的磁場強(qiáng)度成正比的信號(hào)電壓輸出。在整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)，線性度優(yōu)于 0.2%。

圖 1：在電池充電/放電測試期間密切跟蹤陰極電流

獲取詳細(xì)的見解

在一個(gè)測試環(huán)境中，可以使用多個(gè) GHS 傳感器來獲取各種見解。這些包括通過使用放置在陰極和陽極電池連接旁邊的傳感器觀察電流來進(jìn)行更靈活的電流測量。在電池端子處觀察到的電流差異可以突出顯示電流的大波動(dòng)和電池內(nèi)阻的變化。

此外，在外表面放置多個(gè) GHS 傳感器可以實(shí)時(shí)記錄和分析電池內(nèi)的局部電流變化，幫助查明可能導(dǎo)致熱點(diǎn)和潛在故障點(diǎn)的電流濃度。還可以更深入地了解電流流動(dòng)方向，從而能夠映射充電和放電循環(huán)期間電流流動(dòng)路徑的差異。

通過捕獲比使用傳統(tǒng)霍爾傳感器更完整的電流密度熱點(diǎn)圖像，基于石墨烯的 GHS 傳感器可以突出故障點(diǎn)并協(xié)助工作以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池的均勻電阻。對故障模式的了解以及對電池活動(dòng)和非活動(dòng)區(qū)域的觀察，可以幫助進(jìn)行電池原型設(shè)計(jì)并幫助確保優(yōu)化的電池設(shè)計(jì)。

在電池制造過程中還可以獲得一些優(yōu)勢，例如通過根據(jù)規(guī)格和泄漏電流準(zhǔn)確檢查電池性能來提高質(zhì)量保證。在使用壽命結(jié)束時(shí)，使用 GHS 傳感器測試臺(tái)進(jìn)行無損篩選和分類可以通過準(zhǔn)確分級(jí)細(xì)胞以供重復(fù)使用來提高可回收性。

基于石墨烯的傳感器在起作用

圖 1 顯示了在一系列充電/放電測試期間，靠近電池陰極的 GHS 磁場傳感器的輸出。響應(yīng)準(zhǔn)確地跟蹤電流的變化。放置多個(gè)傳感器以覆蓋電池的各個(gè)區(qū)域，可以全面評估高電流集中的位置和原因。

圖 2 說明了傳感器輸出的快速響應(yīng)，顯示了與 160 A 放電事件相對應(yīng)的測量磁場強(qiáng)度的急劇、瞬時(shí)上升。與使用溫度傳感器或傳統(tǒng)霍爾傳感器相比，這是一種更快、更清晰的響應(yīng)。因此，可以捕獲更詳細(xì)的瞬態(tài)效應(yīng)，并且可以快速識(shí)別正在發(fā)展的故障或熱點(diǎn)的跡象。

圖 2：對電流變化的快速響應(yīng)

結(jié)論

隨著從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)向更環(huán)保替代品的轉(zhuǎn)變步伐加快，電動(dòng)汽車市場迎來了激動(dòng)人心的時(shí)刻。原始設(shè)備制造商面臨的挑戰(zhàn)是繼續(xù)提高車輛性能和可靠性，以滿足消費(fèi)者和商業(yè)需求。

作為這一行業(yè)努力的一部分，電池制造商將需要更好的工具來幫助開發(fā)滿足汽車制造商需求的高密度電池化學(xué)和格式。特別是，了解內(nèi)部電流密度分布在研發(fā)過程中至關(guān)重要，石墨烯磁場傳感器可以提供以前使用傳統(tǒng)傳感技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的測量分辨率和瞬時(shí)響應(yīng)。石墨烯霍爾傳感器可以成為下一代電池管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)組件，以幫助確保最大的范圍和最快的充電能力。此外，Paragraf 現(xiàn)在還發(fā)布了其石墨烯霍爾傳感器的小型版本，為這項(xiàng)世界領(lǐng)先的技術(shù)開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯：符乾江