En ny kvantesensor kan måle energien som er lagret i elektriske kjøretøybatterier mye mer nøyaktig enn eksisterende enheter – ifølge oppfinnerne Mutsuko Hatano ved Tokyo Institute of Technology og hennes kolleger i Japan. Sensoren deres bruker nitrogen-ledighetssentre (NV) i diamant og kan føre til betydelige forbedringer av rekkevidden og energieffektiviteten til elektriske kjøretøy.
Elektriske kjøretøyer (EV-er) blir mye sett på som et avgjørende element i den globale innsatsen for å eliminere klimagassutslipp. En grense for effektiviteten deres er en elbils evne til å anslå hvor mye energi som er igjen av batteriene.
I dag estimeres gjenværende energi ved å måle den elektriske strømmen som strømmer fra batteriene mens elbilen drives. Selv om disse strømmene kan nå opp til hundrevis av ampere, er gjennomsnittsverdien typisk bare rundt 10 A. Som et resultat må strømsensorene operere over et stort dynamisk område, noe som gjør dem svært mottakelige for støy fra omgivelsene.
Sikkerhetsmargin
Denne støyen betyr at batteriets gjenværende energi bare kan estimeres til en nøyaktighet på rundt 10 %. Derfor må EV-batterier lades opp når de faller til 10 % av energikapasiteten, for å være sikker. Dette setter en betydelig grense for rekkevidden til en elbil og betyr at det kreves tyngre batterier for å oppnå en målrekkevidde.
For å forbedre denne nøyaktigheten målte Hatanos team strømmen ved å bruke et par diamantkvantesensorer basert på NV-sentre. Et NV-senter er en urenhet der to karbonatomer i et diamantgitter er erstattet med et enkelt nitrogenatom og et tilstøtende tomt rom.
Et NV-senter oppfører seg som et lite spinnmagnetisk moment som er svært følsomt for eksterne magnetiske felt. Disse feltene kan måles svært nøyaktig ved å sondere NV-sentre ved hjelp av lys og mikrobølger.
Differensialmåling
I studien deres plasserte forskerne et par diamantsensorer på hver side av en EV-samleskinne, som er en tykk stripe av metall som kobler en EVs batteri til motorene og andre elektriske komponenter. Når en strøm går gjennom samleskinnen, skaper den et magnetfelt som måles av begge diamantsensorene. Fordi sensorene er plassert på hver side av samleskinnen, måler en sensor en positiv verdi for magnetfeltet og den andre måler en negativ verdi. Det er avgjørende at de begge måler de samme støynivåene - så å trekke den ene målingen fra den andre eliminerer støyen.
Høyoppløselig diamantsensor kartlegger elektriske strømmer i hjertet
Ved å bruke denne differensialteknikken målte teamet strømmer i samleskinnen så høye som 130 A, og så lave som 10 mA – selv i støyende omgivelser. Teamet skrudde deretter opp strømmen til ±1000 A og opererte sensoren i temperaturområdet -45°C–85°C og observerte god måleytelse.
Teamet sier at sensorene kan redusere vekten av EV-batterier med 10 %, noe som vil senke energien som kreves for både å kjøre og produsere elbiler. De anslår at den kommersielle utrullingen av sensorene til slutt kan redusere karbondioksidet som slippes ut av transportindustrien med rundt 0.2 % innen 2030 – potensielt bringe målet om netto null karbonutslipp ett skritt nærmere.
Forskningen er beskrevet i Vitenskapelige rapporter.
