En ny kvantesensor kan måle energien lagret i batterier til elektriske køretøjer meget mere nøjagtigt end eksisterende enheder - ifølge dens opfindere Mutsuko Hatano på Tokyo Institute of Technology og hendes kolleger i Japan. Deres sensor bruger nitrogen-vacancy-centre (NV) i diamant og kan føre til væsentlige forbedringer af rækkevidden og energieffektiviteten for elektriske køretøjer.
Elektriske køretøjer (EV'er) betragtes bredt som et afgørende element i den globale indsats for at eliminere drivhusgasemissioner. En grænse for deres effektivitet er en elbils evne til at vurdere, hvor meget energi der er tilbage på batterierne.
I dag estimeres den resterende energi ved at måle den elektriske strøm, der strømmer fra batterierne, mens elbilen drives. Selvom disse strømme kan nå op til hundredvis af ampere, er deres gennemsnitsværdi typisk lige omkring 10 A. Som følge heraf skal strømsensorerne fungere over et stort dynamisk område, hvilket gør dem meget modtagelige for støj fra det omgivende miljø.
Sikkerhedsmargin
Denne støj betyder, at et batteris resterende energi kun kan estimeres med en nøjagtighed på omkring 10 %. For at være sikker skal EV-batterier derfor genoplades, når de falder til 10 % af deres energikapacitet. Dette sætter en betydelig begrænsning på køreafstanden for en EV og betyder, at der kræves tungere batterier for at opnå en målrækkevidde.
For at forbedre denne nøjagtighed målte Hatanos team strømmen ved hjælp af et par diamantkvantesensorer baseret på NV-centre. Et NV-center er en urenhed, hvor to carbonatomer i et diamantgitter er erstattet af et enkelt nitrogenatom og et tilstødende tomt rum.
Et NV-center opfører sig som et lille spin-magnetisk moment, der er meget følsomt over for eksterne magnetiske felter. Disse felter kan måles meget præcist ved at sondere NV-centre ved hjælp af lys og mikrobølger.
Differentialmåling
I deres undersøgelse placerede forskerne et par diamantsensorer på hver side af en EV-skinne, som er en tyk stribe metal, der forbinder en EVs batteri til dens motorer og andre elektriske komponenter. Når en strøm passerer gennem samleskinnen, skaber den et magnetfelt, der måles af begge diamantsensorer. Fordi sensorerne er placeret på hver side af samleskinnen, måler den ene sensor en positiv værdi for magnetfeltet, og den anden måler en negativ værdi. Det er afgørende, at de begge måler de samme støjniveauer - så at trække den ene måling fra den anden eliminerer støjen.
Diamantsensor med høj opløsning kortlægger elektriske strømme i hjertet
Ved hjælp af denne differentialteknik målte teamet strømme i samleskinnen så højt som 130 A og så lavt som 10 mA - selv i støjende omgivelser. Holdet skruede derefter op for strømmen til ±1000 A og betjente sensoren i temperaturområdet -45°C–85°C og observerede god måleydelse.
Holdet siger, at sensorerne kunne reducere vægten af EV-batterier med 10%, hvilket ville sænke den nødvendige energi til både at køre og producere EV'er. De anslår, at den kommercielle udrulning af sensorerne i sidste ende kan reducere den kuldioxid, der udledes af transportindustrien med omkring 0.2 % inden 2030 - potentielt bringe målet om netto-nul kulstofemissioner et skridt nærmere.
Forskningen er beskrevet i Videnskabelige rapporter.
