提升電池性能 量子技術也能幫大忙!

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

由英國薩賽克斯大學(University of Sussex)研究人員領軍的一個專案,正利用以量子為基礎的感測器來量測電池行為,期望所取得的數據能為電池技術帶來改善。

量子技術能否提升電池性能?答案是肯定的──由英國薩賽克斯大學(University of Sussex)研究人員領軍的一個專案,正利用以量子為基礎的感測器來量測電池行為,期望所取得的數據能為電池技術帶來改善。

該研究專業獲得了英國伯明罕大學(University of Birmingham)主持之感測與時序量子技術中心(UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing)的Partnership Resource Funding資金挹注,團隊成員還包括來自斯特拉斯克萊德(Strathclyde)與愛丁堡(Edinburgh)兩所大學組成的聯盟。

這項專案著眼於對電池越來越高的能量密度、耐用性與安全性等關鍵需求,並將因此推動朝向更環保生態系統邁進的工業革命。薩賽克斯大學實驗物理學研究教授Peter Kruger接受《EE Times》採訪時強調,電池會是量子感測器的第一個大市場,因為電動車需要具備高容量的大型電池組;「這將意味著量子感測器首次在商業市場上發揮顯著影響力。」

電池與量子技術

新一代電動車控制系統,包括再生煞車系統、怠速/熄火(start & stop)功能以及驅動輪胎的電動馬達,都需要精確的量測與電氣輸入控制,以最佳化性能並避免災難性的故障。電池感測器是系統中的關鍵元件,負責量測電池的充放電水準以及健康狀態,目前市面上有一些技術可用來打造優良的車用電池監測感測器。

在此同時,利用量子運算來模擬電池的化學結構,使得利用演算法來根據不同參數標準──例如重量減輕、最大密度以及電池芯組裝──重現電池內部的化學成份成為可能,這將能加速電池組本身的工業化。

薩賽克斯大學專案的目標,是實現量子磁力計技術,以檢驗微觀電池電流是否準確地流動。透過這種方式,能對新電池與現有電池的化學成份進行快速評估,以加快打造更優質電池技術的速度,並促進車輛的電氣化。

磁力計是用以量測磁通量密度(magnetic flux density)的單一感測器,量子磁力計是以次原子粒子(subatomic particles)的自旋為基礎,每個粒子磁矩(particle magnetic moment)與所施加磁場的耦合被量化,或限制於一組由量子力學定律決定的離散值。

Kruger指出,近年來有數起鋰電池故障的事件成為新聞頭條,像是Samsung Galaxy Note 7智慧型手機的電池爆炸意外。監測電流能在電池故障發生之前採取預防措施,而量子感測器能提供一些智慧功能,讓電池監測電池健康狀態並減少磨損最嚴重的電池芯負載。

「目前的電池監測解決方案主要聚焦於量測整個電池的電壓,」Kruger表示:「這能為電池內剩餘的電量提供良好的指示,此外透過量測多次充/放電循環中的電壓,電量還是能在電池退化的情況下被監測。」

他補充指出:「雖然那些量測方法在監測電池健康狀態方面是有用的,但無法告訴我們太多電池內部的情形;研發中的量子系統能量測電池產生的磁場,用於推斷流經電池的電流。這種系統就像『磁場攝影機』,能窺探電池內部。」

研究團隊的目標是開發小巧、低功耗、可攜帶的裝置,不需要仰賴基礎設施、運作成本最小化,並因此適合經濟規模量產。此外也與CDO2、Magnetic Shields與QinetiQ等英國業者合作以實現目標。Magnetic Shields將提供無磁性雜訊(magnetic noise-free)的環境,進行前所未見的高敏感度感測器技術測試。

Kruger指出,將會有大量的應用在電池的研發階段,讓製造商測試不同的化學配方與電池芯尺寸;感測器能傳送診斷資訊到電動車的車載電腦,並因為不再需要人工檢查而能增加車輛保養的頻率。電池農場(battery farms)正發展為一種再生能源儲存形式,透過採用量子電池感測器技術,能實現智慧充電系統並監測電池的健康狀態。

而目前最大的挑戰是不斷提升電池的容量。Kruger表示,從技術的角度來看,量子感測器不只對電池的磁場敏感,對所有的鐵磁材料亦然;「我們大多數的工作是在於感測器的設計,並研究該如何將感測器與外部磁源隔絕。」

他補充指出,團隊得思考系統將如何過濾由車輛電動馬達產生的磁場,還有外面每一次有車輛經過時對感測器帶來的快速磁場變化。此外需要建立具備所有相關零組件的完整供應鏈,「我們正在透過同時進行的產業策略募資來實現這個目標。」

編譯:Judith Cheng

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

 

 

 

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