Ein neuer Quantensensor kann die in Batterien von Elektrofahrzeugen gespeicherte Energie viel genauer messen als bestehende Geräte – so seine Erfinder Mutsuko Hatano am Tokyo Institute of Technology und ihren Kollegen in Japan. Ihr Sensor nutzt Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Zentren in Diamant und könnte zu erheblichen Verbesserungen der Reichweite und Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen führen.
Elektrofahrzeuge (EVs) werden weithin als entscheidendes Element der weltweiten Bemühungen zur Beseitigung von Treibhausgasemissionen angesehen. Eine Grenze für ihre Effizienz ist die Fähigkeit eines Elektrofahrzeugs, abzuschätzen, wie viel Energie seinen Batterien verbleibt.
Heutzutage wird die verbleibende Energie geschätzt, indem der elektrische Strom gemessen wird, der während der Fahrt des Elektrofahrzeugs aus den Batterien fließt. Obwohl diese Ströme Hunderte von Ampere erreichen können, beträgt ihr Durchschnittswert typischerweise nur etwa 10 A. Daher müssen die Stromsensoren über einen großen Dynamikbereich arbeiten, was sie sehr anfällig für Umgebungsgeräusche macht.
Sicherheitsabstand
Dieses Rauschen bedeutet, dass die verbleibende Energie einer Batterie nur mit einer Genauigkeit von etwa 10 % geschätzt werden kann. Daher müssen EV-Batterien sicherheitshalber wieder aufgeladen werden, sobald sie auf 10 % ihrer Energiekapazität abgefallen sind. Dies schränkt die Reichweite eines Elektrofahrzeugs erheblich ein und bedeutet, dass schwerere Batterien erforderlich sind, um eine Zielreichweite zu erreichen.
Um diese Genauigkeit zu verbessern, maß Hatanos Team den Strom mit einem Paar Diamant-Quantensensoren, die auf NV-Zentren basieren. Ein NV-Zentrum ist eine Verunreinigung, bei der zwei Kohlenstoffatome in einem Diamantgitter durch ein einzelnes Stickstoffatom und einen angrenzenden leeren Raum ersetzt sind.
Ein NV-Zentrum verhält sich wie ein winziges magnetisches Spinmoment, das sehr empfindlich auf externe Magnetfelder reagiert. Diese Felder lassen sich sehr genau messen, indem NV-Zentren mit Licht und Mikrowellen abgetastet werden.
Differenzmessung
In ihrer Studie platzierten die Forscher ein Paar der Diamantsensoren auf beiden Seiten einer EV-Stromschiene, einem dicken Metallstreifen, der die Batterie eines EV mit seinen Motoren und anderen elektrischen Komponenten verbindet. Wenn ein Strom durch die Sammelschiene fließt, erzeugt er ein Magnetfeld, das von beiden Diamantsensoren gemessen wird. Da sich die Sensoren auf beiden Seiten der Sammelschiene befinden, misst ein Sensor einen positiven Wert für das Magnetfeld und der andere einen negativen Wert. Entscheidend ist, dass beide die gleichen Rauschpegel messen – das Subtrahieren einer Messung von der anderen eliminiert also das Rauschen.
Hochauflösender Diamantsensor bildet elektrische Ströme im Herzen ab
Mit dieser Differentialtechnik hat das Team Ströme in der Sammelschiene von bis zu 130 A und bis zu 10 mA gemessen – selbst in lauten Umgebungen. Das Team erhöhte dann den Strom auf ±1000 A und betrieben den Sensor im Temperaturbereich von -45 °C bis 85 °C und beobachtete eine gute Messleistung.
Das Team sagt, dass die Sensoren das Gewicht von EV-Batterien um 10 % reduzieren könnten, was den Energiebedarf sowohl für den Betrieb als auch für die Produktion von EVs senken würde. Sie schätzen, dass die kommerzielle Einführung der Sensoren den Kohlendioxidausstoß der Transportindustrie bis 0.2 um etwa 2030 % reduzieren könnte – und damit dem Ziel von Netto-Null-COXNUMX-Emissionen einen Schritt näher kommen könnte.
Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaftliche Berichte.
