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提升电池性能,量子技术也能帮大忙!

时间:2020-12-30 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times欧洲特派记者 阅读:
由英国萨赛克斯大学(University of Sussex)研究人员领军的一个项目,正利用以量子为基础的传感器来量测电池行为,期望所取得的数据能为电池技术带来改善。
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量子技术能否提升电池性能?答案是肯定的──由英国萨赛克斯大学(University of Sussex)研究人员领军的一个项目,正利用以量子为基础的传感器来测量电池行为,期望所取得的数据能为电池技术带来改善。

该研究项目获得了位于英国伯明翰大学的UK量子技术感测与时序中心的合作资源基金资助,项目团队还包括斯特拉斯克莱德(Strathclyde)与爱丁堡(Edinburgh)两所大学的联盟成员。

此项目针对越来越高的电池能量密度、耐用性与安全性等关键需求,并将因此推动朝向更环保生态系统迈进的工业革命。萨赛克斯大学实验物理学研究教授Peter Kruger接受《EE Times》采访时强调,电池会是量子传感器的第一大市场,因为电动车需要具备高容量的大型电池组;“这将意味着量子传感器首次在商业市场上发挥显著影响力。”

电池与量子技术

新一代电动车控制系统,包括再生煞车系统、启动/熄火(start & stop)功能以及驱动车轮的马达,都需要精确的测量与电气输入控制,以优化性能并避免灾难性的故障。电池传感器是系统中的关键组件,负责测量电池的充放电水平以及健康状态,目前市面上有一些技术可用来打造优良的车用电池监测传感器。

在此同时,利用量子运算来仿真电池的化学结构,使得利用算法来根据不同参数标准──例如重量减轻、最大密度以及电池芯组装──重现电池内部的化学成份成为可能,这将能加速电池组本身的工业化。


电动汽车电池组

萨赛克斯大学项目

萨赛克斯大学项目的目标,是实现量子磁力计技术,以检验微观电池电流是否准确地流动。通过这种方式,能对新电池与现有电池的化学成份进行快速评估,以加快打造更优质电池技术的速度,并促进车辆的电气化。

磁力计是用以测量磁通量密度(magnetic flux density)的单一传感器,量子磁力计是以次原子粒子(subatomic particles)的自旋为基础,每个粒子磁矩(particle magnetic moment)与所施加磁场的耦合被量化,或限制于一组由量子力学定律决定的离散值。

Kruger指出,近年来有数起锂电池故障的事件成为新闻头条,像是Samsung Galaxy Note 7智能手机的电池爆炸意外。监测电流可以在电池故障发生之前采取预防措施,而量子传感器能提供一些智能功能,让电池监测电池健康状态并减少磨损最严重的电池负载。

“目前的电池监测解决方案主要聚焦于测量整个电池的电压,”Kruger表示:“这能为电池内剩余的电量提供良好的指示,此外通过测量多次充/放电循环中的电压,可以被监测电池退化的情况下的电量。”

Kruger还补充指出:“虽然那些测量方法在监测电池健康状态方面是有用的,但无法告诉我们电池内部的大多数情形;研发中的量子系统能测量电池产生的磁场,用于推断流经电池的电流。这种系统就像“磁场摄像头”,能窥探电池内部。”

该研究小组的目标是开发小巧、低功耗、可携带的装置,不需要依赖基础设施、运作成本最小化,并因此适合经济规模量产。此外也与CDO2、Magnetic Shields与QinetiQ等英国厂商合作以实现目标。Magnetic Shields将提供无磁性噪声(magnetic noise-free)的环境,进行前所未见的高敏感度传感器技术测试

Kruger指出,在电池的研发阶段将会有大量的应用,让制造商测试不同的化学配方与电池芯尺寸;传感器能传送诊断信息到电动车的车载计算机,并因为不再需要人工检查而能增加车辆保养的频率。电池农场(battery farms)正发展为一种再生能源储存形式,通过采用量子电池传感器技术,能实现智能充电系统并监测电池的健康状态。

而目前最大的挑战是不断提升电池的容量。Kruger表示,从技术的角度来看,量子传感器不只对电池的磁场敏感,对所有的铁磁材料亦然;“我们大多数的工作是在于传感器的设计,并研究该如何将传感器与外部磁源隔绝。”

他补充指出,团队得思考系统将如何过滤由车辆马达产生的磁场,还有外面每一次有车辆经过时对传感器带来的快速磁场变化。此外需要建立具备所有相关零组件的完整供应链,“同时我们正通过产业策略募资来实现这个目标。”

译:Judith Cheng   责编:Yvonne Geng

(参考原文:Quantum Sensors Improve Battery Performance,By Maurizio Di Paolo Emilio)

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