Een nieuwe kwantumsensor kan de energie die is opgeslagen in accu's van elektrische voertuigen veel nauwkeuriger meten dan bestaande apparaten - volgens de uitvinders Mutsuko Hatano aan het Tokyo Institute of Technology en haar collega's in Japan. Hun sensor maakt gebruik van stikstof-leegstand (NV)-centra in diamant en zou kunnen leiden tot aanzienlijke verbeteringen in het bereik en de energie-efficiëntie van elektrische voertuigen.
Elektrische voertuigen (EV's) worden algemeen beschouwd als een cruciaal onderdeel van de wereldwijde inspanningen om de uitstoot van broeikasgassen te elimineren. Een limiet op hun efficiëntie is het vermogen van een EV om in te schatten hoeveel energie de batterijen nog hebben.
Tegenwoordig wordt de resterende energie geschat door de elektrische stroom te meten die uit de batterijen stroomt terwijl de EV wordt aangedreven. Hoewel deze stromen honderden ampères kunnen bereiken, ligt hun gemiddelde waarde meestal rond de 10 A. Als gevolg hiervan moeten de stroomsensoren over een groot dynamisch bereik werken, waardoor ze zeer gevoelig zijn voor omgevingsgeluid.
Veiligheidsmarge
Deze ruis betekent dat de resterende energie van een batterij slechts kan worden geschat met een nauwkeurigheid van ongeveer 10%. Daarom moeten EV-batterijen, om veilig te zijn, worden opgeladen zodra ze tot 10% van hun energiecapaciteit zijn gedaald. Dit legt een aanzienlijke limiet op het rijbereik van een EV en betekent dat er zwaardere batterijen nodig zijn om een doelbereik te bereiken.
Om deze nauwkeurigheid te verbeteren, heeft het team van Hatano de stroom gemeten met behulp van een paar diamanten kwantumsensoren op basis van NV-centra. Een NV-centrum is een onzuiverheid waarin twee koolstofatomen in een diamantrooster worden vervangen door een enkel stikstofatoom en een aangrenzende lege ruimte.
Een NV-centrum gedraagt zich als een klein magnetisch spinmoment dat erg gevoelig is voor externe magnetische velden. Deze velden kunnen zeer nauwkeurig worden gemeten door NV-centra te sonderen met behulp van licht en microgolven.
Differentiële meting
In hun onderzoek plaatsten de onderzoekers een paar diamantsensoren aan weerszijden van een EV-rail, een dikke strook metaal die de batterij van een EV verbindt met de motoren en andere elektrische componenten. Terwijl een stroom door de rail gaat, creëert deze een magnetisch veld dat wordt gemeten door beide diamantsensoren. Doordat de sensoren zich aan weerszijden van de rail bevinden, meet de ene sensor een positieve waarde voor het magneetveld en de andere een negatieve waarde. Cruciaal is dat ze allebei hetzelfde geluidsniveau meten - dus door de ene meting van de andere af te trekken, wordt de ruis geëlimineerd.
Diamantsensor met hoge resolutie brengt elektrische stromen in het hart in kaart
Met behulp van deze differentiële techniek heeft het team stromen gemeten in de busbar tot 130 A en zo laag als 10 mA - zelfs in lawaaierige omgevingen. Het team verhoogde vervolgens de stroom tot ±1000 A en bediende de sensor in het temperatuurbereik van -45°C–85°C en observeerde goede meetprestaties.
Het team zegt dat de sensoren het gewicht van EV-batterijen met 10% kunnen verminderen, waardoor de energie die nodig is om EV's te laten draaien en produceren, wordt verlaagd. Ze schatten dat de commerciële uitrol van de sensoren uiteindelijk de koolstofdioxide-uitstoot door de transportindustrie met ongeveer 0.2% zou kunnen verminderen tegen 2030, waardoor het doel van een netto-nul-koolstofuitstoot mogelijk een stap dichterbij komt.
Het onderzoek is beschreven in Wetenschappelijke rapporten.
