使用石墨烯技术进行电流映射以获得更好的EV电池

电池性能对于更广泛地采用电动汽车 (EV)至关重要，其续航里程的延长和充电速度的提高是希望转向更清洁技术的新车购买者的愿望清单。这不仅适用于消费者；商业企业也对电池性能有着浓厚的兴趣。送货公司、出租车和运输组织都迫切希望消除不断上涨的汽油和柴油成本，但他们必须能够依赖电动汽车的续航里程并减少充电时间，以确保运营生产力和效率。

这些因素对汽车制造商提出了越来越多的要求，以最大限度地提高所用电池的性能。因此，工程师们正在探索所有途径来研究可接受的最高充电率、对可靠性的影响，以及如何在不牺牲容量的情况下减小尺寸和重量。任何领域的渐进式进步都可以转化为电动汽车性能的大幅提升——提高人们和企业的车主满意度。

监测电池电流密度

实现均匀的电荷分布和内部散热是电池制造商寻求最大化电池容量和可靠性的主要电池设计挑战。然而，在许多方面，从测试的角度来看，电池单元被认为是一个“黑匣子”。虽然可以使用库仑计数技术实现充电状态测量——并且可以相对容易地测量电流流入、流出和电池电压——但工程师需要监控电池内不同位置的电流密度以了解可能发生的情况内部，如细胞电阻率的变化。传统上，这更难以安排。

在用于绘制电池内电流密度的技术中，测量温度是一种间接方法，它利用自热效应来检测电流分布的变化。可以根据需要在多个位置测量电池温度。然而，外部安装的温度传感器的读数与电池内部发生的温度变化之间总是存在滞后。这种滞后可能隐藏了工程师在电池开发、表征和测试过程中需要了解的电池属性变化。

磁场传感器可以提供一种更直接的测量电流密度的方法。然而，典型的传感器不能提供当今 EV 电池所需的组合空间分辨率、场分辨率和动态范围。传统硅基磁传感器的平面霍尔效应会允许噪声和离轴信号污染电流产生的信号，从而影响测量精度。

使用石墨烯技术进行电流感应

基于石墨烯的传感器可以克服这个缺点。通过这项技术，可以实现单原子厚的组合物。这有效地创建了仅检测垂直于传感器平面的一个轴上的磁场的传感器。它对离轴杂散磁场和其他离轴磁场分量具有出色的抑制能力。除了提高准确性之外，这还允许更简单的测试系统。石墨烯传感器可以针对与电池应用相关的低场环境和正常环境温度进行优化，并且其占地面积小，可实现良好的空间分辨率。

石墨烯传感器的这些属性可以让工程师对电池单元行为有更详细和局部（点对点）的了解，以帮助进行电池单元分析和调查不同电池单元化学和形状因素的有效性。

Paragraf 创造了 GHS（石墨烯霍尔传感器）系列超灵敏和低噪声霍尔传感器，其中包含单层石墨烯原子。与现有霍尔传感器技术相比，GHS-A 环境范围传感器表现出优于 10 ppm 的典型传感分辨率，并具有广泛的磁场检测范围。不受磁滞影响，消除了过度暴露于磁场的任何危险。

这些传感器采用标准的表面贴装 20 引脚陶瓷半导体封装，可产生与测量的磁场强度成正比的信号电压输出。在整个输出电压范围内，线性度优于 0.2%。

图 1：在电池充电/放电测试期间密切跟踪阴极电流

获取详细的见解

在一个测试环境中，可以使用多个 GHS 传感器来获取各种见解。这些包括通过使用放置在阴极和阳极电池连接旁边的传感器观察电流来进行更灵活的电流测量。在电池端子处观察到的电流差异可以突出显示电流的大波动和电池内阻的变化。

此外，在外表面放置多个 GHS 传感器可以实时记录和分析电池内的局部电流变化，帮助查明可能导致热点和潜在故障点的电流浓度。还可以更深入地了解电流流动方向，从而能够映射充电和放电循环期间电流流动路径的差异。

通过捕获比使用传统霍尔传感器更完整的电流密度热点图像，基于石墨烯的 GHS 传感器可以突出故障点并协助工作以实现整个电池的均匀电阻。对故障模式的了解以及对电池活动和非活动区域的观察，可以帮助进行电池原型设计并帮助确保优化的电池设计。

在电池制造过程中还可以获得一些优势，例如通过根据规格和泄漏电流准确检查电池性能来提高质量保证。在使用寿命结束时，使用 GHS 传感器测试台进行无损筛选和分类可以通过准确分级细胞以供重复使用来提高可回收性。

基于石墨烯的传感器在起作用

图 1 显示了在一系列充电/放电测试期间，靠近电池阴极的 GHS 磁场传感器的输出。响应准确地跟踪电流的变化。放置多个传感器以覆盖电池的各个区域，可以全面评估高电流集中的位置和原因。

图 2 说明了传感器输出的快速响应，显示了与 160 A 放电事件相对应的测量磁场强度的急剧、瞬时上升。与使用温度传感器或传统霍尔传感器相比，这是一种更快、更清晰的响应。因此，可以捕获更详细的瞬态效应，并且可以快速识别正在发展的故障或热点的迹象。

图 2：对电流变化的快速响应

结论

随着从传统内燃机技术向更环保替代品的转变步伐加快，电动汽车市场迎来了激动人心的时刻。原始设备制造商面临的挑战是继续提高车辆性能和可靠性，以满足消费者和商业需求。

作为这一行业努力的一部分，电池制造商将需要更好的工具来帮助开发满足汽车制造商需求的高密度电池化学和格式。特别是，了解内部电流密度分布在研发过程中至关重要，石墨烯磁场传感器可以提供以前使用传统传感技术无法实现的测量分辨率和瞬时响应。石墨烯霍尔传感器可以成为下一代电池管理系统的标准组件，以帮助确保最大的范围和最快的充电能力。此外，Paragraf 现在还发布了其石墨烯霍尔传感器的小型版本，为这项世界领先的技术开辟了广泛的应用领域。

审核编辑：符乾江