電池性能對(duì)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(zhǎng)和充電速度的提高是希望轉(zhuǎn)向更清潔技術(shù)的新車購(gòu)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(duì)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(yíng)生產(chǎn)力和效率。

這些因素對(duì)汽車制造商提出了越來(lái)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(lái)研究可接受的最高充電率、對(duì)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(cè)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(cè)試的角度來(lái)看，電池單元被認(rèn)為是一個(gè)“黑匣子”。雖然可以使用庫(kù)侖計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電狀態(tài)測(cè)量——并且可以相對(duì)容易地測(cè)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(cè)量溫度是一種間接方法，它利用自熱效應(yīng)來(lái)檢測(cè)電流分布的變化。可以根據(jù)需要在多個(gè)位置測(cè)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(kāi)發(fā)、表征和測(cè)試過(guò)程中需要了解的電池屬性變化。

磁場(chǎng)傳感器可以提供一種更直接的測(cè)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(chǎng)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(cè)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(guò)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(cè)垂直于傳感器平面的一個(gè)軸上的磁場(chǎng)的傳感器。它對(duì)離軸雜散磁場(chǎng)和其他離軸磁場(chǎng)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(jiǎn)單的測(cè)試系統(tǒng)。石墨烯傳感器可以針對(duì)與電池應(yīng)用相關(guān)的低場(chǎng)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(duì)電池單元行為有更詳細(xì)和局部（點(diǎn)對(duì)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(chǎng)檢測(cè)范圍。不受磁滯影響，消除了過(guò)度暴露于磁場(chǎng)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(cè)量的磁場(chǎng)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(cè)試期間密切跟蹤陰極電流

獲取詳細(xì)的見(jiàn)解

在一個(gè)測(cè)試環(huán)境中，可以使用多個(gè) GHS 傳感器來(lái)獲取各種見(jiàn)解。這些包括通過(guò)使用放置在陰極和陽(yáng)極電池連接旁邊的傳感器觀察電流來(lái)進(jìn)行更靈活的電流測(cè)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(guò)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(duì)故障模式的了解以及對(duì)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(guò)程中還可以獲得一些優(yōu)勢(shì)，例如通過(guò)根據(jù)規(guī)格和泄漏電流準(zhǔn)確檢查電池性能來(lái)提高質(zhì)量保證。在使用壽命結(jié)束時(shí)，使用 GHS 傳感器測(cè)試臺(tái)進(jìn)行無(wú)損篩選和分類可以通過(guò)準(zhǔn)確分級(jí)細(xì)胞以供重復(fù)使用來(lái)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(cè)試期間，靠近電池陰極的 GHS 磁場(chǎng)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(píng)估高電流集中的位置和原因。

圖 2 說(shuō)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(duì)應(yīng)的測(cè)量磁場(chǎng)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(duì)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(chǎng)迎來(lái)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(lái)幫助開(kāi)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(guò)程中至關(guān)重要，石墨烯磁場(chǎng)傳感器可以提供以前使用傳統(tǒng)傳感技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)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(kāi)辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯：符乾江