En ny kvantsensor kan mäta energin som lagras i elfordonsbatterier mycket mer exakt än befintliga enheter – enligt dess uppfinnare Mutsuko Hatano vid Tokyo Institute of Technology och hennes kollegor i Japan. Deras sensor använder kvävevakanscenter (NV) i diamant och kan leda till avsevärda förbättringar av elfordons räckvidd och energieffektivitet.
Elfordon (EV) ses allmänt som en avgörande del av den globala ansträngningen att eliminera utsläpp av växthusgaser. En gräns för deras effektivitet är en elbils förmåga att uppskatta hur mycket energi som återstår av batterierna.
Idag uppskattas den återstående energin genom att mäta den elektriska strömmen som flyter från batterierna när elbilen drivs. Även om dessa strömmar kan nå upp till hundratals ampere, är deras genomsnittliga värde vanligtvis bara runt 10 A. Som ett resultat måste strömsensorerna arbeta över ett stort dynamiskt område, vilket gör dem mycket känsliga för buller från den omgivande miljön.
Säkerhetsmarginal
Detta brus gör att ett batteris återstående energi endast kan uppskattas till en noggrannhet på cirka 10 %. Därför måste EV-batterier laddas om när de sjunker till 10 % av sin energikapacitet för att vara säkra. Detta sätter en betydande gräns för körräckvidden för en elbil och innebär att det krävs tyngre batterier för att uppnå en målräckvidd.
För att förbättra denna noggrannhet mätte Hatanos team strömmen med hjälp av ett par diamantkvantsensorer baserade på NV-centra. Ett NV-centrum är en förorening där två kolatomer i ett diamantgitter ersätts med en enda kväveatom och ett intilliggande tomt utrymme.
Ett NV-center beter sig som ett litet spinnmagnetiskt moment som är mycket känsligt för externa magnetfält. Dessa fält kan mätas mycket exakt genom att sondera NV-centra med hjälp av ljus och mikrovågor.
Differentialmätning
I sin studie placerade forskarna ett par av diamantsensorerna på vardera sidan av en EV-samlingsskena, som är en tjock remsa av metall som ansluter en EVs batteri till dess motorer och andra elektriska komponenter. När en ström passerar genom samlingsskenan skapar den ett magnetfält som mäts av båda diamantsensorerna. Eftersom sensorerna är placerade på vardera sidan av samlingsskenan, mäter en sensor ett positivt värde för magnetfältet och den andra mäter ett negativt värde. Avgörande är att de båda mäter samma ljudnivåer - så att subtrahera en mätning från den andra eliminerar bruset.
Högupplöst diamantsensor kartlägger elektriska strömmar i hjärtat
Med hjälp av denna differentialteknik mätte teamet strömmar i samlingsskenan så höga som 130 A och så låga som 10 mA – även i bullriga miljöer. Teamet vred sedan upp strömmen till ±1000 A och körde sensorn i temperaturområdet -45°C–85°C och observerade god mätprestanda.
Teamet säger att sensorerna kan minska vikten på elbilsbatterier med 10 %, vilket skulle sänka energin som krävs för att både köra och producera elbilar. De uppskattar att den kommersiella utbyggnaden av sensorerna i slutändan kan minska koldioxidutsläppen från transportindustrin med cirka 0.2 % till 2030 – vilket potentiellt kan föra målet om nettonoll koldioxidutsläpp ett steg närmare.
Forskningen beskrivs i Vetenskapliga rapporter.
