Uusi kvanttianturi voi mitata sähköajoneuvojen akkuihin varastoitunutta energiaa paljon tarkemmin kuin olemassa olevat laitteet – keksijöidensä mukaan Mutsuko Hatano Tokyo Institute of Technologyssa ja hänen kollegansa Japanissa. Niiden anturi käyttää timantissa olevia typpivakanssikeskuksia (NV), ja se voi johtaa merkittäviin parannuksiin sähköajoneuvojen toimintasäteen ja energiatehokkuuden parantamisessa.
Sähköajoneuvoja (EV) pidetään laajalti keskeisenä osana maailmanlaajuisia pyrkimyksiä vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Yksi raja niiden tehokkuudelle on sähköauton kyky arvioida, kuinka paljon energiaa sen akuissa on jäljellä.
Nykyään jäljellä oleva energia arvioidaan mittaamalla akuista virtaava sähkövirta, kun sähköautoa ajetaan. Vaikka nämä virrat voivat nousta jopa satoihin ampeereihin, niiden keskiarvo on tyypillisesti vain noin 10 A. Tämän seurauksena virta-anturien on toimittava laajalla dynaamisella alueella, mikä tekee niistä erittäin herkkiä ympäristön melulle.
Turvamarginaali
Tämä melu tarkoittaa, että akun jäljellä oleva energia voidaan arvioida vain noin 10 %:n tarkkuudella. Siksi sähköautojen akut on turvallisuuden vuoksi ladattava, kun ne laskevat 10 prosenttiin energiakapasiteetistaan. Tämä rajoittaa merkittävästi sähköauton ajoaluetta ja tarkoittaa, että vaaditaan raskaampia akkuja tavoitealueen saavuttamiseksi.
Tämän tarkkuuden parantamiseksi Hatanon tiimi mittasi virran käyttämällä timanttikvanttianturia, jotka perustuvat NV-keskuksiin. NV-keskus on epäpuhtaus, jossa kaksi hiiliatomia timanttihilassa on korvattu yhdellä typpiatomilla ja viereisellä tyhjällä tilalla.
NV-keskus käyttäytyy pienenä spin-magneettisena momenttina, joka on erittäin herkkä ulkoisille magneettikentille. Nämä kentät voidaan mitata erittäin tarkasti tutkimalla NV-keskuksia valon ja mikroaaltojen avulla.
Differentiaalimittaus
Tutkimuksessaan tutkijat asettivat pari timanttianturia EV-kiskon molemmille puolille, joka on paksu metallinauha, joka yhdistää sähköauton akun moottoreihin ja muihin sähkökomponentteihin. Kun virta kulkee kiskon läpi, se luo magneettikentän, jonka molemmat timanttianturit mittaavat. Koska anturit sijaitsevat kiskon molemmilla puolilla, yksi anturi mittaa magneettikentän positiivisen arvon ja toinen negatiivisen arvon. Tärkeää on, että ne molemmat mittaavat samaa melutasoa – joten yhden mittauksen vähentäminen toisesta eliminoi melun.
Korkearesoluutioinen timanttianturi kartoittaa sähkövirrat sydämessä
Tällä differentiaalitekniikalla tiimi mittasi virtakiskossa jopa 130 A ja 10 mA virtoja jopa meluisissa ympäristöissä. Tämän jälkeen ryhmä nosti virran ±1000 A:iin ja käytti anturia -45 °C–85 °C lämpötila-alueella ja havaitsi hyvän mittaustuloksen.
Tiimi sanoo, että anturit voisivat vähentää sähköajoneuvojen akkujen painoa 10%, mikä vähentäisi sekä sähköautojen ajamiseen että tuottamiseen tarvittavaa energiaa. He arvioivat, että antureiden kaupallinen käyttöönotto voisi viime kädessä vähentää liikenneteollisuuden hiilidioksidipäästöjä noin 0.2 % vuoteen 2030 mennessä – mikä saattaa nollahiilipäästöjen tavoitteen olla askeleen lähempänä.
Tutkimusta kuvataan Tieteellinen raportit.
