חיישן קוונטי חדש יכול למדוד את האנרגיה המאוחסנת בסוללות רכב חשמלי בצורה הרבה יותר מדויקת מאשר מכשירים קיימים - לפי ממציאיו מוטסוקו האטנו במכון הטכנולוגי של טוקיו ועמיתיה ביפן. החיישן שלהם משתמש במרכזי חנקן-פנויים (NV) ביהלום ויכול להוביל לשיפורים משמעותיים בטווח וביעילות האנרגטית של כלי רכב חשמליים.
כלי רכב חשמליים (EVs) נתפסים באופן נרחב כמרכיב חיוני במאמץ העולמי לחסל פליטת גזי חממה. מגבלה אחת על היעילות שלהם היא היכולת של EV להעריך כמה אנרגיה נותרה בסוללות שלו.
כיום, האנרגיה שנותרה נאמדת על ידי מדידת הזרם החשמלי הזורם מהסוללות בזמן הנעת ה-EV. למרות שזרמים אלה יכולים להגיע עד למאות אמפר, ערכם הממוצע הוא בדרך כלל רק בסביבות 10 A. כתוצאה מכך, חיישני הזרם חייבים לפעול על פני טווח דינמי גדול, מה שהופך אותם לרגישים מאוד לרעשים מהסביבה הסובבת.
טווח ביטחון
רעש זה אומר שניתן להעריך את האנרגיה הנותרת של הסוללה רק ברמת דיוק של כ-10%. לכן כדי להיות בטוחים, יש להטעין סוללות EV ברגע שהן יורדות ל-10% מקיבולת האנרגיה שלהן. זה מציב מגבלה משמעותית על טווח הנסיעה של רכב חשמלי ומשמעות הדבר היא שדרושות סוללות כבדות יותר כדי להשיג טווח יעד.
כדי לשפר את הדיוק הזה, הצוות של Hatano מדד את הזרם באמצעות זוג חיישנים קוונטיים יהלומים המבוססים על מרכזי NV. מרכז NV הוא טומאה שבה שני אטומי פחמן בסריג יהלום מוחלפים באטום חנקן בודד ובחלל ריק סמוך.
מרכז NV מתנהג כמו מומנט מגנטי ספין זעיר הרגיש מאוד לשדות מגנטיים חיצוניים. ניתן למדוד שדות אלו בצורה מדויקת מאוד על ידי בדיקה של מרכזי NV באמצעות אור וגלי מיקרו.
מדידה דיפרנציאלית
במחקרם, החוקרים הציבו זוג חיישני יהלום משני צידיו של פס EV, שהוא פס עבה של מתכת המחברת את הסוללה של EV למנועיה ולרכיבים חשמליים אחרים. כאשר זרם עובר דרך הפס, הוא יוצר שדה מגנטי הנמדד על ידי שני חיישני היהלום. מכיוון שהחיישנים ממוקמים משני צידי הפס, חיישן אחד מודד ערך חיובי לשדה המגנטי והשני מודד ערך שלילי. באופן מכריע, שניהם מודדים את אותן רמות רעש - כך שהפחתת מדידה אחת מהשנייה מבטלת את הרעש.
חיישן יהלום ברזולוציה גבוהה ממפה זרמים חשמליים בלב
באמצעות טכניקה דיפרנציאלית זו, הצוות מדד זרמים במסוט עד ל-130 A, ונמוכים עד 10 mA - אפילו בסביבות רועשות. לאחר מכן, הצוות העלה את הזרם ל-±1000 A והפעיל את החיישן בטווח הטמפרטורות של -45°C-85°C וצפה בביצועי מדידה טובים.
הצוות אומר שהחיישנים יכולים להפחית את משקלן של סוללות EV ב-10%, מה שיוריד את האנרגיה הדרושה להפעלה והן להפקת EVs. הם מעריכים שההשקה המסחרית של החיישנים יכולה בסופו של דבר להפחית את הפחמן הדו-חמצני הנפלט מתעשיית התחבורה בכ-0.2% עד שנת 2030 - פוטנציאלית לקרב את המטרה של אפס פליטת פחמן נטו צעד אחד קדימה.
המחקר מתואר ב דוחות מדעיים.
