电池传感器图片 量子传感器：可窥视电池内部变化，提高电池密度

量子传感器：可窥视电池内部变化，提高电池密度

量子技术能改善电池性能吗?似乎可以。苏塞克斯大学研究人员领导的一个项目正在使用一种基于量子的传感器来测量电池的行为，希望由此产生的数据可以用来改进电池技术。

该项目已经获得了伯明翰大学以及UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing的合作资源基金。该项目团队还包括斯特拉斯克莱德大学和爱丁堡大学。

该项目可提高电池能量密度、耐久性和安全性，从而推动工业革命朝着绿色生态系统发展。为了实现这些目标，在实施环境政策的同时，研发人员需要在这些领域进行密集的开发。

苏塞克斯大学实验物理学研究教授Peter Kruger强调，电池似乎是量子电池传感器的第一大市场，因为电动汽车需要具有高存储容量的大电池组。Kruger:“这将意味着量子传感器的首次商业影响将会令人影响深刻。”

电池+量子技术

全新电动汽车控制系统，包括再生制动系统、启动和停止功能，以及驱动车轮的电动马达，都需要精确测量和控制电子输入，以优化性能，避免灾难性故障。

这些系统的一个重要组成部分是电池电流测量传感器，它可以测量电池的充放电水平及其健康状态。现有的一些技术可以为汽车电池监测创造一个良好的电流传感器。

同时，利用量子计算模拟电池的化学结构，使这些算法能够根据不同标准，如减重、最大密度、电池组装等，重现电池内部的化学成分。这加快了电池组本身的工业化进程。

量子磁强计技术

苏塞克斯大学项目的目标是采用量子磁强计技术来检测微小电池电流是否准确流动。通过这种方式，对新电池和现有电池化学成分的快速评估将加速电池技术的创造，从而促进电气化演进。

磁强计是一种带有单个传感器的仪器，用来测量磁通量密度。量子磁强计是基于亚原子粒子的自旋。每个粒子磁矩与外加场的耦合被量化或限于由量子力学定律确定的离散值集合。

Kruger指出，近年来有很多锂电池故障的案例，比如三星Galaxy Note 7智能手机。监测电流可以在这些电池故障发生之前采取预防措施。量子传感器可以通过监测电池健康状况和减少磨损的电池负荷为电池提供某种智能化功能。

Kruger：“目前的电池监测解决方案主要集中在测量电池之间的电压。这可以很好地显示电池内剩余电量，通过在随后的充放电循环中测量这些电压，可以监测电池退化时的充电容量。”

“虽然这些测量对监测电池健康状态很有用，但它们并不能告诉我们电池内部发生了什么。正在开发的量子系统可以测量电池产生的磁场，用来推断流经电池的电流。这个系统就像一个“磁性照相机”，能够窥视电池内部。

该研究小组的目标是开发不需要基础设施和最低运行成本的小型、低功耗、便携式设备，从而进行大批量生产。

为了实现他们的目标。这些学者还将与CDO2、Magnetic Shields和QinetiQ紧密合作。Magnetic Shields公司将提供所需的无噪声磁环境，以使传感器技术以前所未有的灵敏度进行测试。

Kruger：“在研究领域，电池制造商可以测试不同的化学成分和电池几何形状。传感器可以将诊断信息发送到电动汽车的车载计算机，由于不再需要手动检查，并可以减少服务间隔。我们正在开发一种新型的可再生能源储存技术，这项技术可以应用于饲养工厂系统里面，同时监测电池健康状况。”

现阶段最大的挑战是提高电池容量。“在技术方面，传感器不仅对电池的磁场敏感，而且对所有铁磁物质都敏感。我们的大部分工作都是在传感器设计上，以及研究如何保护它们不受外部磁场源的影响。此外还需要考虑的是，该系统将如何过滤掉汽车电动马达产生的磁场，或者，当每一辆汽车从另一个方向通过传感器时，大约有一吨的金属通过传感器，磁场会发生快速变化。为此就需要建立所有相关部件的完整供应链。我们正在通过提供的产业战略资金实现这一目标。

电池是脱碳的关键,但在化学和边界技术需要改进。锂离子电池仍然是该领域的黄金标准技术，并且已经取得了长足的发展。检查每个电池是一项需要考虑诸多因素，例如泄漏和缺陷，这些都会对整个系统的性能产生不利影响，无论它是一辆电动汽车还是一个简单的消费设备。

MIT开发出了一种无需电池、自供电的传感器

麻省理工学院的研究人员开发出了一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。由于它不需要必须充电或更换的电池，也不需要特殊的布线，这种传感器可以被嵌入到难以触及的地方，比如船舶发动机的内部结构中。在那里，它可以长时间自动收集有关机器耗电量和运行情况的数据。

研究人员制造了一种温度感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量。人们只需将传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，用来监测电机的温度。

"这就是环境电能--我不必通过特定的焊接连接就能获得的能量。"电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）伊曼纽尔-兰兹曼（Emanuel E. Landsman）教授兼机械工程学教授 Steve Leeb 说："这使得这种传感器非常容易安装。"

在这篇刊登在《电气和电子工程师学会传感器杂志》1 月刊上的特写文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，让工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。

论文为能够在运行过程中持续感知和控制能量流的设备的关键组件绘制了路线图。

这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可应用于使用其他电源（如振动或阳光）的传感器。它可用于为工厂、仓库和商业空间构建安装和维护成本更低的传感器网络。

"我们提供了一个无电池传感器的范例，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。"

与 Monagle 和 Leeb 一起参与论文撰写的还有电子工程与科学研究生 Eric Ponce。

美国海军学院武器与控制工程副教授约翰-多纳尔（John Donnal）没有参与这项工作，他研究的是监控舰船系统的技术。他说，要在舰船上获得电源是很困难的，因为插座很少，而且对可以插入哪些设备有严格限制。

唐纳尔补充说："例如，持续测量泵的振动可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于不值得投资。像这样的能量收集系统可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。"

研究人员必须应对三大挑战，才能开发出一种有效、无需电池的能量收集传感器。

首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时，它才会开启。

其次，该系统必须在不使用电池的情况下有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能带来火灾风险。

"您甚至可能连派出技术人员更换电池的奢望都没有。相反，我们的系统是免维护的。它可以自行采集能量并运行，"Monagle 补充道。

为了避免使用电池，它们采用了内部储能技术，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。

研究小组精心设计了电容器，使其足够大，能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，充电阶段不会花费太长时间。

此外，由于传感器可能会在数周甚至数月后才开启进行测量，因此他们要确保电容器能够保持足够的能量，即使有些能量会随着时间的推移而泄漏。

最后，他们开发了一系列控制算法，对设备收集、储存和使用的能量进行动态测量和预算。微控制器是能源管理界面的"大脑"，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量，或者将收割机调到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。

Monagle 解释说："就像骑自行车时换挡一样，能量管理界面会查看收割机的工作情况，主要是看它是踩得太用力还是太轻，然后它就会改变电子负载，从而最大限度地提高收割功率，并使收割功率与传感器的需求相匹配。

自供电传感器

利用这一设计框架，研究人员为一个现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备采集磁场能量并用于持续采样温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。

研究人员使用超低功耗电路来设计该装置，但很快发现，这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多的电能可能会导致设备爆炸。

为了避免这种情况，他们在微控制器中的能量收集器操作系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。他们还发现，通信--传输温度传感器收集的数据--是迄今为止最耗电的操作。Monagle说："确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，需要精心设计。"

未来，研究人员计划探索能耗较低的数据传输手段，如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量，或传感器测量所需的能量，以便设备能有效地收集更多数据。

"如果你只进行你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。如果有更多的信息，你可能会了解到一些你意想不到的设备运行情况。我们的框架可以让您平衡这些考虑因素，"Leeb 说。

"这篇论文详细阐述了实用的自供电传感器节点在现实场景中的内部结构。"佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授 Jinyeong Moon 说："整体设计指南，尤其是冷启动问题，非常有帮助。计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中获益匪浅，轻松勾选传统上与冷启动相关的繁琐清单。"

这项工作得到了海军研究办公室和 Grainger 基金会的部分支持。

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