По словам его изобретателей, новый квантовый датчик может измерять энергию, хранящуюся в батареях электромобилей, гораздо точнее, чем существующие устройства. Муцуко Хатано в Токийском технологическом институте и ее коллегами в Японии. Их датчик использует азотно-вакансионные центры (NV) в алмазе и может привести к существенному увеличению запаса хода и энергоэффективности электромобилей.
Электромобили (EV) широко рассматриваются как важнейший элемент глобальных усилий по сокращению выбросов парниковых газов. Одним из ограничений их эффективности является способность электромобиля оценивать, сколько энергии осталось в его батареях.
Сегодня оставшаяся энергия оценивается путем измерения электрического тока, протекающего от батарей во время движения электромобиля. Хотя эти токи могут достигать сотен ампер, их среднее значение обычно составляет всего около 10 А. В результате датчики тока должны работать в большом динамическом диапазоне, что делает их очень чувствительными к шуму из окружающей среды.
Коэффициент безопасности
Этот шум означает, что оставшуюся энергию батареи можно оценить с точностью около 10%. Поэтому, чтобы быть в безопасности, аккумуляторы электромобилей необходимо перезаряжать, как только их энергоемкость упадет до 10%. Это значительно ограничивает дальность пробега электромобиля и означает, что для достижения целевого диапазона требуются более тяжелые батареи.
Чтобы улучшить эту точность, команда Хатано измерила ток, используя пару алмазных квантовых датчиков, основанных на NV-центрах. NV-центр представляет собой примесь, в которой два атома углерода в решетке алмаза заменены одним атомом азота и прилегающим к нему пустым пространством.
NV-центр ведет себя как крошечный спиновый магнитный момент, очень чувствительный к внешним магнитным полям. Эти поля можно очень точно измерить, исследуя NV-центры с помощью света и микроволн.
Дифференциальное измерение
В своем исследовании исследователи разместили пару алмазных датчиков по обе стороны от шины электромобиля, которая представляет собой толстую металлическую полосу, соединяющую аккумулятор электромобиля с его двигателями и другими электрическими компонентами. Когда ток проходит через шину, он создает магнитное поле, которое измеряется обоими алмазными датчиками. Поскольку датчики расположены по обе стороны от шины, один датчик измеряет положительное значение магнитного поля, а другой измеряет отрицательное значение. Важно отметить, что оба они измеряют одинаковые уровни шума, поэтому вычитание одного измерения из другого устраняет шум.
Алмазный датчик высокого разрешения отображает электрические токи в сердце
Используя этот дифференциальный метод, команда измерила токи в сборных шинах до 130 А и до 10 мА — даже в шумной среде. Затем команда увеличила ток до ±1000 А и использовала датчик в диапазоне температур от -45°C до 85°C, наблюдая хорошие результаты измерения.
Команда говорит, что датчики могут уменьшить вес батарей электромобилей на 10%, что снизит энергию, необходимую как для запуска, так и для производства электромобилей. По их оценкам, коммерческое развертывание датчиков может в конечном итоге сократить выбросы углекислого газа транспортной отраслью примерно на 0.2% к 2030 году, что потенциально приблизит цель нулевых выбросов углерода на один шаг.
Исследование описано в Научные доклады.
