Nowy czujnik kwantowy może mierzyć energię zgromadzoną w akumulatorach pojazdów elektrycznych znacznie dokładniej niż istniejące urządzenia – twierdzą jego wynalazcy Mutsuko Hatano w Tokyo Institute of Technology i jej koledzy w Japonii. Ich czujnik wykorzystuje centra azotu-wakancji (NV) w diamentach i może doprowadzić do znacznej poprawy zasięgu i efektywności energetycznej pojazdów elektrycznych.
Pojazdy elektryczne (EV) są powszechnie postrzegane jako kluczowy element globalnych wysiłków na rzecz wyeliminowania emisji gazów cieplarnianych. Jednym z ograniczeń ich wydajności jest zdolność pojazdu elektrycznego do oszacowania, ile energii pozostało w jego akumulatorach.
Obecnie pozostałą energię szacuje się, mierząc prąd elektryczny płynący z akumulatorów podczas jazdy pojazdu elektrycznego. Chociaż prądy te mogą sięgać nawet setek amperów, ich średnia wartość wynosi zwykle około 10 A. W rezultacie czujniki prądu muszą działać w dużym zakresie dynamicznym, co czyni je bardzo podatnymi na zakłócenia z otaczającego środowiska.
Margines bezpieczeństwa
Ten szum oznacza, że pozostałą energię akumulatora można oszacować tylko z dokładnością do około 10%. Dlatego, aby być bezpiecznym, akumulatory EV muszą być ładowane, gdy ich pojemność energetyczna spadnie do 10%. To znacznie ogranicza zasięg pojazdu elektrycznego i oznacza, że do osiągnięcia docelowego zasięgu wymagane są cięższe akumulatory.
Aby poprawić tę dokładność, zespół Hatano zmierzył prąd za pomocą pary diamentowych czujników kwantowych opartych na centrach NV. Centrum NV to zanieczyszczenie, w którym dwa atomy węgla w sieci diamentowej są zastąpione jednym atomem azotu i sąsiadującą pustą przestrzenią.
Centrum NV zachowuje się jak niewielki spinowy moment magnetyczny, który jest bardzo wrażliwy na zewnętrzne pola magnetyczne. Pola te można bardzo dokładnie zmierzyć, sondując centra NV za pomocą światła i mikrofal.
Pomiar różnicowy
W swoich badaniach naukowcy umieścili parę czujników diamentowych po obu stronach szyny EV, która jest grubym paskiem metalu łączącym baterię EV z silnikami i innymi komponentami elektrycznymi. Gdy prąd przepływa przez szynę zbiorczą, wytwarza pole magnetyczne, które jest mierzone przez oba czujniki diamentowe. Ponieważ czujniki znajdują się po obu stronach szyny zbiorczej, jeden czujnik mierzy wartość dodatnią pola magnetycznego, a drugi wartość ujemną. Co najważniejsze, oba mierzą ten sam poziom szumu – więc odjęcie jednego pomiaru od drugiego eliminuje szum.
Czujnik diamentowy o wysokiej rozdzielczości odwzorowuje prądy elektryczne w sercu
Korzystając z tej techniki różnicowej, zespół zmierzył prądy w szynie zbiorczej tak wysokie, jak 130 A i tak niskie, jak 10 mA – nawet w hałaśliwym otoczeniu. Następnie zespół podniósł prąd do ±1000 A i operował czujnikiem w zakresie temperatur od -45°C do 85°C i zaobserwował dobrą wydajność pomiaru.
Zespół twierdzi, że czujniki mogłyby zmniejszyć wagę akumulatorów EV o 10%, co obniżyłoby energię potrzebną zarówno do działania, jak i produkcji pojazdów elektrycznych. Szacują, że komercyjne wprowadzenie czujników może ostatecznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla przez przemysł transportowy o około 0.2% do 2030 r. – potencjalnie przybliżając cel zerowej emisji dwutlenku węgla netto o jeden krok.
Badania opisano w Doniesienia naukowe.
