Un nou senzor cuantic poate măsura energia stocată în bateriile vehiculelor electrice mult mai precis decât dispozitivele existente – conform inventatorilor săi Mutsuko Hatano la Institutul de Tehnologie din Tokyo și colegii ei din Japonia. Senzorul lor folosește centre de azot liber (NV) din diamant și ar putea duce la îmbunătățiri substanțiale ale autonomiei și eficienței energetice a vehiculelor electrice.
Vehiculele electrice (EV) sunt considerate pe scară largă ca un element crucial al efortului global de eliminare a emisiilor de gaze cu efect de seră. O limită a eficienței lor este capacitatea unui vehicul electric de a estima câtă energie rămâne bateriile sale.
Astăzi, energia rămasă este estimată prin măsurarea curentului electric care curge din baterii pe măsură ce vehiculul electric este condus. Deși acești curenți pot ajunge până la sute de amperi, valoarea lor medie este de obicei în jur de 10 A. Ca rezultat, senzorii de curent trebuie să funcționeze într-un interval dinamic mare, ceea ce îi face foarte susceptibili la zgomotul din mediul înconjurător.
Marja de siguranță
Acest zgomot înseamnă că energia rămasă a bateriei poate fi estimată doar cu o precizie de aproximativ 10%. Prin urmare, pentru a fi în siguranță, bateriile EV trebuie reîncărcate odată ce scad la 10% din capacitatea lor de energie. Acest lucru pune o limită semnificativă a autonomiei de rulare a unui vehicul electric și înseamnă că sunt necesare baterii mai grele pentru a atinge o autonomie țintă.
Pentru a îmbunătăți această precizie, echipa lui Hatano a măsurat curentul folosind o pereche de senzori cuantici de diamant bazați pe centre NV. Un centru NV este o impuritate în care doi atomi de carbon dintr-o rețea de diamant sunt înlocuiți cu un singur atom de azot și un spațiu gol adiacent.
Un centru NV se comportă ca un mic moment magnetic de spin care este foarte sensibil la câmpurile magnetice externe. Aceste câmpuri pot fi măsurate foarte precis prin sondarea centrelor NV folosind lumină și microunde.
Măsurare diferențială
În studiul lor, cercetătorii au plasat o pereche de senzori cu diamant de ambele părți ale unei bare EV, care este o bandă groasă de metal care conectează bateria unui EV la motoarele sale și la alte componente electrice. Pe măsură ce un curent trece prin bara, acesta creează un câmp magnetic care este măsurat de ambii senzori cu diamant. Deoarece senzorii sunt amplasați pe fiecare parte a barei colectoare, un senzor măsoară o valoare pozitivă pentru câmpul magnetic, iar celălalt măsoară o valoare negativă. În mod esențial, ambele măsoară aceleași niveluri de zgomot – astfel încât scăderea unei măsurători din cealaltă elimină zgomotul.
Senzorul cu diamant de înaltă rezoluție mapează curenții electrici din inimă
Folosind această tehnică diferențială, echipa a măsurat curenți în bara colectoare de până la 130 A și până la 10 mA – chiar și în medii zgomotoase. Apoi, echipa a crescut curentul la ± 1000 A și a operat senzorul în intervalul de temperatură -45°C–85°C și a observat performanțe bune de măsurare.
Echipa spune că senzorii ar putea reduce greutatea bateriilor EV cu 10%, ceea ce ar reduce energia necesară atât pentru a rula, cât și pentru a produce vehicule electrice. Ei estimează că lansarea comercială a senzorilor ar putea reduce, în cele din urmă, dioxidul de carbon emis de industria transporturilor cu aproximativ 0.2% până în 2030, aducând potențial obiectivul de a reduce emisiile nete de carbon cu un pas mai aproape.
Cercetarea este descrisă în Rapoarte științifice.
