電池性能對于更廣泛地采用電動汽車 (EV)至關重要，其續航里程的延長和充電速度的提高是希望轉向更清潔技術的新車購買者的愿望清單。這不僅適用于消費者；商業企業也對電池性能有著濃厚的興趣。送貨公司、出租車和運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汽車的續航里程并減少充電時間，以確保運營生產力和效率。

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。任何領域的漸進式進步都可以轉化為電動汽車性能的大幅提升——提高人們和企業的車主滿意度。

監測電池電流密度

實現均勻的電荷分布和內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計挑戰。然而，在許多方面，從測試的角度來看，電池單元被認為是一個“黑匣子”。雖然可以使用庫侖計數技術實現充電狀態測量——并且可以相對容易地測量電流流入、流出和電池電壓——但工程師需要監控電池內不同位置的電流密度以了解可能發生的情況內部，如細胞電阻率的變化。傳統上，這更難以安排。

在用于繪制電池內電流密度的技術中，測量溫度是一種間接方法，它利用自熱效應來檢測電流分布的變化。可以根據需要在多個位置測量電池溫度。然而，外部安裝的溫度傳感器的讀數與電池內部發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、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今 EV 電池所需的組合空間分辨率、場分辨率和動態范圍。傳統硅基磁傳感器的平面霍爾效應會允許噪聲和離軸信號污染電流產生的信號，從而影響測量精度。

使用石墨烯技術進行電流感應

基于石墨烯的傳感器可以克服這個缺點。通過這項技術，可以實現單原子厚的組合物。這有效地創建了僅檢測垂直于傳感器平面的一個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。除了提高準確性之外，這還允許更簡單的測試系統。石墨烯傳感器可以針對與電池應用相關的低場環境和正常環境溫度進行優化，并且其占地面積小，可實現良好的空間分辨率。

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和局部（點對點）的了解，以幫助進行電池單元分析和調查不同電池單元化學和形狀因素的有效性。

Paragraf 創造了 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。與現有霍爾傳感器技術相比，GHS-A 環境范圍傳感器表現出優于 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。

這些傳感器采用標準的表面貼裝 20 引腳陶瓷半導體封裝，可產生與測量的磁場強度成正比的信號電壓輸出。在整個輸出電壓范圍內，線性度優于 0.2%。

圖 1：在電池充電/放電測試期間密切跟蹤陰極電流

獲取詳細的見解

在一個測試環境中，可以使用多個 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和電池內阻的變化。

此外，在外表面放置多個 GHS 傳感器可以實時記錄和分析電池內的局部電流變化，幫助查明可能導致熱點和潛在故障點的電流濃度。還可以更深入地了解電流流動方向，從而能夠映射充電和放電循環期間電流流動路徑的差異。

通過捕獲比使用傳統霍爾傳感器更完整的電流密度熱點圖像，基于石墨烯的 GHS 傳感器可以突出故障點并協助工作以實現整個電池的均勻電阻。對故障模式的了解以及對電池活動和非活動區域的觀察，可以幫助進行電池原型設計并幫助確保優化的電池設計。

在電池制造過程中還可以獲得一些優勢，例如通過根據規格和泄漏電流準確檢查電池性能來提高質量保證。在使用壽命結束時，使用 GHS 傳感器測試臺進行無損篩選和分類可以通過準確分級細胞以供重復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。響應準確地跟蹤電流的變化。放置多個傳感器以覆蓋電池的各個區域，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，顯示了與 160 A 放電事件相對應的測量磁場強度的急劇、瞬時上升。與使用溫度傳感器或傳統霍爾傳感器相比，這是一種更快、更清晰的響應。因此，可以捕獲更詳細的瞬態效應，并且可以快速識別正在發展的故障或熱點的跡象。

圖 2：對電流變化的快速響應

結論

隨著從傳統內燃機技術向更環保替代品的轉變步伐加快，電動汽車市場迎來了激動人心的時刻。原始設備制造商面臨的挑戰是繼續提高車輛性能和可靠性，以滿足消費者和商業需求。

作為這一行業努力的一部分，電池制造商將需要更好的工具來幫助開發滿足汽車制造商需求的高密度電池化學和格式。特別是，了解內部電流密度分布在研發過程中至關重要，石墨烯磁場傳感器可以提供以前使用傳統傳感技術無法實現的測量分辨率和瞬時響應。石墨烯霍爾傳感器可以成為下一代電池管理系統的標準組件，以幫助確保最大的范圍和最快的充電能力。此外，Paragraf 現在還發布了其石墨烯霍爾傳感器的小型版本，為這項世界領先的技術開辟了廣泛的應用領域。

審核編輯：符乾江