За словами його винахідників, новий квантовий датчик може вимірювати енергію, що зберігається в акумуляторах електромобілів, набагато точніше, ніж існуючі пристрої. Муцуко Хатано в Токійському технологічному інституті та її колеги в Японії. Їхній датчик використовує азотно-вакансійні (NV) центри в алмазі і може призвести до суттєвого покращення запасу ходу та енергоефективності електромобілів.
Електричні транспортні засоби (EV) широко розглядаються як важливий елемент глобальних зусиль щодо усунення викидів парникових газів. Одним з обмежень їхньої ефективності є здатність електромобіля оцінювати, скільки енергії залишається в акумуляторах.
Сьогодні залишок енергії оцінюється шляхом вимірювання електричного струму, що витікає з акумуляторів під час руху електромобіля. Хоча ці струми можуть досягати сотень ампер, їхнє середнє значення зазвичай становить лише близько 10 А. У результаті датчики струму повинні працювати у великому динамічному діапазоні, що робить їх дуже чутливими до шуму з навколишнього середовища.
Запас міцності
Цей шум означає, що залишкову енергію батареї можна оцінити лише з точністю близько 10%. Тому, щоб бути в безпеці, батареї електромобілів потрібно перезаряджати, коли вони впадуть до 10% своєї енергетичної ємності. Це суттєво обмежує запас ходу електромобіля та означає, що для досягнення цільового діапазону потрібні більш важкі батареї.
Щоб підвищити цю точність, команда Хатано виміряла струм за допомогою пари алмазних квантових датчиків на основі NV-центрів. NV-центр — це домішка, в якій два атоми вуглецю в алмазній решітці замінені одним атомом азоту та прилеглим порожнім простором.
Центр NV поводиться як крихітний спіновий магнітний момент, який дуже чутливий до зовнішніх магнітних полів. Ці поля можна дуже точно виміряти шляхом зондування NV-центрів за допомогою світла та мікрохвиль.
Диференціальне вимірювання
У своєму дослідженні дослідники розмістили пару алмазних датчиків по обидві сторони шини електромобіля, яка є товстою смужкою металу, яка з’єднує акумулятор електромобіля з його двигунами та іншими електричними компонентами. Коли струм проходить через шину, він створює магнітне поле, яке вимірюється обома алмазними датчиками. Оскільки датчики розташовані по обидва боки шини, один датчик вимірює позитивне значення магнітного поля, а інший – негативне значення. Важливо те, що вони обидва вимірюють однакові рівні шуму, тому віднімання одного вимірювання з іншого усуває шум.
Алмазний датчик високої роздільної здатності відображає електричні струми в серці
Використовуючи цю диференціальну техніку, команда виміряла струми в шинах до 130 А та до 10 мА – навіть у шумному середовищі. Потім команда підвищила силу струму до ±1000 А, працювала з датчиком у діапазоні температур від -45°C до 85°C і спостерігала хороші результати вимірювання.
Команда каже, що датчики можуть зменшити вагу акумуляторів електромобілів на 10%, що зменшить енергію, необхідну як для роботи, так і для виробництва електромобілів. За їхніми оцінками, комерційне впровадження датчиків може зрештою зменшити викиди вуглекислого газу транспортною галуззю приблизно на 0.2% до 2030 року, що потенційно наблизить мету нульового чистого викиду вуглецю.
Дослідження описано в Наукові доповіді.
