به گفته مخترعان، یک حسگر کوانتومی جدید می‌تواند انرژی ذخیره‌شده در باتری‌های خودروهای الکتریکی را بسیار دقیق‌تر از دستگاه‌های موجود اندازه‌گیری کند. موتسوکو هاتانو در موسسه فناوری توکیو و همکارانش در ژاپن. حسگر آنها از مراکز خالی نیتروژن (NV) در الماس استفاده می‌کند و می‌تواند منجر به بهبود قابل توجهی در برد و بهره‌وری انرژی خودروهای الکتریکی شود.
وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) به طور گسترده به عنوان یک عنصر حیاتی در تلاش جهانی برای حذف انتشار گازهای گلخانه ای در نظر گرفته می شوند. یک محدودیت در کارایی آنها، توانایی خودروهای برقی برای تخمین میزان انرژی باقی مانده باتری های آن است.
امروزه انرژی باقیمانده با اندازه‌گیری جریان الکتریکی که از باتری‌ها جریان می‌یابد در حین حرکت EV برآورد می‌شود. اگرچه این جریان‌ها می‌توانند به صدها آمپر برسند، اما مقدار متوسط آنها معمولاً حدود 10 آمپر است. در نتیجه، سنسورهای جریان باید در محدوده دینامیکی بزرگی کار کنند، که آنها را به شدت مستعد نویزهای محیط اطراف می‌کند.
حاشیه امن
این نویز به این معنی است که انرژی باقیمانده باتری را فقط می توان با دقت حدود 10 درصد تخمین زد. بنابراین برای ایمن بودن، باتری های EV باید پس از کاهش به 10 درصد از ظرفیت انرژی خود، دوباره شارژ شوند. این محدودیت قابل توجهی در برد رانندگی یک EV ایجاد می کند و به این معنی است که برای دستیابی به برد هدف به باتری های سنگین تری نیاز است.
برای بهبود این دقت، تیم هاتانو جریان را با استفاده از یک جفت حسگر کوانتومی الماسی بر اساس مراکز NV اندازه گیری کرد. مرکز NV ناخالصی است که در آن دو اتم کربن در یک شبکه الماس با یک اتم نیتروژن واحد و یک فضای خالی مجاور جایگزین می‌شوند.
یک مرکز NV به عنوان یک گشتاور مغناطیسی چرخشی کوچک عمل می کند که به میدان های مغناطیسی خارجی بسیار حساس است. این میدان ها را می توان با کاوش در مراکز NV با استفاده از نور و امواج مایکروویو بسیار دقیق اندازه گیری کرد.
اندازه گیری دیفرانسیل
در مطالعه خود، محققان یک جفت سنسور الماسی را در دو طرف یک باسبار EV قرار دادند، که یک نوار ضخیم از فلز است که باتری یک EV را به موتورها و سایر اجزای الکتریکی آن متصل می‌کند. با عبور جریان از شینه، میدان مغناطیسی ایجاد می شود که توسط هر دو سنسور الماس اندازه گیری می شود. از آنجایی که سنسورها در دو طرف شینه قرار دارند، یک حسگر مقدار مثبت میدان مغناطیسی و دیگری مقدار منفی را اندازه گیری می کند. مهمتر از همه، هر دوی آنها سطوح یکسانی از نویز را اندازه گیری می کنند - بنابراین کم کردن یک اندازه گیری از دیگری باعث حذف نویز می شود.
سنسور الماس با وضوح بالا، جریان های الکتریکی در قلب را ترسیم می کند
این تیم با استفاده از این تکنیک دیفرانسیل، جریان‌های باسبار را تا 130 آمپر و حتی در محیط‌های پر سر و صدا تا 10 میلی آمپر اندازه‌گیری کردند. سپس تیم جریان را به 1000 ± آمپر افزایش داد و سنسور را در محدوده دمایی -45- تا 85 درجه سانتیگراد کار کرد و عملکرد اندازه‌گیری خوبی را مشاهده کرد.
این تیم می‌گوید که حسگرها می‌توانند وزن باتری‌های EV را تا 10 درصد کاهش دهند که انرژی مورد نیاز برای کار کردن و تولید خودروهای الکتریکی را کاهش می‌دهد. آنها تخمین می زنند که عرضه تجاری این حسگرها در نهایت می تواند دی اکسید کربن منتشر شده از صنعت حمل و نقل را تا سال 0.2 حدود 2030 درصد کاهش دهد - که به طور بالقوه هدف انتشار کربن خالص صفر را یک قدم به آن نزدیکتر می کند.
تحقیق در شرح داده شده است گزارش علمی.
