يستطيع المستشعر الكمومي الجديد قياس الطاقة المخزنة في بطاريات السيارات الكهربائية بدقة أكبر بكثير من الأجهزة الموجودة - وفقًا لمخترعيها موتسوكو هاتانو في معهد طوكيو للتكنولوجيا وزملاؤها في اليابان. يستخدم المستشعر الخاص بهم مراكز النيتروجين والشواغر (NV) في الماس ويمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في نطاق وكفاءة الطاقة في السيارات الكهربائية.
يُنظر إلى السيارات الكهربائية (EVs) على نطاق واسع على أنها عنصر حاسم في الجهد العالمي للقضاء على انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. أحد حدود كفاءتها هو قدرة المركبة الكهربائية على تقدير مقدار الطاقة المتبقية في بطارياتها.
اليوم ، يتم تقدير الطاقة المتبقية عن طريق قياس التيار الكهربائي المتدفق من البطاريات أثناء تشغيل EV. على الرغم من أن هذه التيارات يمكن أن تصل إلى مئات الأمبير ، إلا أن متوسط قيمتها يكون عادةً حوالي 10 أ. ونتيجة لذلك ، يجب أن تعمل المستشعرات الحالية على مدى ديناميكي كبير ، مما يجعلها شديدة التأثر بالضوضاء من البيئة المحيطة.
هامش السلامة
تعني هذه الضوضاء أنه لا يمكن تقدير الطاقة المتبقية للبطارية إلا في حدود دقة تبلغ حوالي 10٪. لذلك ، لكي تكون بطاريات المركبات الكهربائية آمنة ، يجب إعادة شحنها بمجرد انخفاضها إلى 10٪ من طاقتها. يضع هذا حدًا كبيرًا على نطاق القيادة للمركبة الكهربائية ويعني أن البطاريات الأثقل مطلوبة لتحقيق النطاق المستهدف.
لتحسين هذه الدقة ، قاس فريق هاتانو التيار باستخدام زوج من أجهزة الاستشعار الكمومية الماسية المعتمدة على مراكز NV. مركز NV عبارة عن شوائب يتم فيها استبدال ذرتين من الكربون في شبكة ماسية بذرة نيتروجين واحدة ومساحة فارغة مجاورة.
يتصرف مركز NV كعزم دوران مغناطيسي صغير حساس للغاية للمجالات المغناطيسية الخارجية. يمكن قياس هذه الحقول بدقة شديدة عن طريق فحص مراكز NV باستخدام الضوء والميكروويف.
القياس التفاضلي
وضع الباحثون في دراستهم زوجًا من مستشعرات الألماس على جانبي قضيب التوصيل الكهربائي ، وهو عبارة عن شريط سميك من المعدن يربط بطارية السيارة الكهربائية بمحركاتها ومكوناتها الكهربائية الأخرى. عندما يمر التيار عبر قضيب التوصيل ، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا يتم قياسه بواسطة كل من مستشعرات الألماس. نظرًا لوجود المستشعرات على جانبي قضيب التوصيل ، يقيس أحد المستشعرات قيمة موجبة للمجال المغناطيسي ويقيس الآخر قيمة سالبة. بشكل حاسم ، كلاهما يقيسان نفس مستويات الضوضاء - لذا فإن طرح قياس واحد من الآخر يلغي الضوضاء.
يقوم مستشعر الماس عالي الدقة بتعيين التيارات الكهربائية في القلب
باستخدام هذه التقنية التفاضلية ، قام الفريق بقياس التيارات في قضيب التوصيل حتى 130 أمبير ، ومنخفضة تصل إلى 10 مللي أمبير - حتى في البيئات الصاخبة. قام الفريق بعد ذلك برفع التيار إلى ± 1000 ألف وتشغيل المستشعر في نطاق درجة حرارة -45 درجة مئوية -85 درجة مئوية ولاحظ أداء القياس الجيد.
يقول الفريق إن المستشعرات يمكن أن تقلل من وزن بطاريات المركبات الكهربائية بنسبة 10٪ ، مما يقلل من الطاقة اللازمة لتشغيل وإنتاج المركبات الكهربائية. ويقدرون أن الإطلاق التجاري لأجهزة الاستشعار يمكن أن يقلل في نهاية المطاف من ثاني أكسيد الكربون المنبعث من صناعة النقل بحوالي 0.2٪ بحلول عام 2030 - مما قد يقرب هدف صافي انبعاثات الكربون خطوة واحدة.
تم وصف البحث في تقارير علمية.
