Theo các nhà phát minh, cảm biến lượng tử mới có thể đo năng lượng lưu trữ trong pin xe điện chính xác hơn nhiều so với các thiết bị hiện có Mutsuko Hatano tại Viện Công nghệ Tokyo và các đồng nghiệp của cô ở Nhật Bản. Cảm biến của họ sử dụng các trung tâm chỗ trống nitơ (NV) bằng kim cương và có thể mang lại những cải tiến đáng kể về phạm vi hoạt động cũng như hiệu quả sử dụng năng lượng của xe điện.
Xe điện (EV) được nhiều người coi là một yếu tố quan trọng trong nỗ lực toàn cầu nhằm loại bỏ khí thải nhà kính. Một hạn chế về hiệu quả của chúng là khả năng ước tính lượng năng lượng còn lại trong pin của xe điện.
Ngày nay, năng lượng còn lại được ước tính bằng cách đo dòng điện chạy từ pin khi xe điện đang chạy. Mặc dù những dòng điện này có thể đạt tới hàng trăm ampe nhưng giá trị trung bình của chúng thường chỉ khoảng 10 A. Do đó, các cảm biến dòng điện phải hoạt động trên một dải động lớn, khiến chúng rất dễ bị nhiễu từ môi trường xung quanh.
Biên độ an toàn
Tiếng ồn này có nghĩa là năng lượng còn lại của pin chỉ có thể được ước tính với độ chính xác khoảng 10%. Do đó, để an toàn, pin EV phải được sạc lại khi pin giảm xuống 10% công suất. Điều này đặt ra giới hạn đáng kể về phạm vi lái xe của xe điện và có nghĩa là cần phải có pin nặng hơn để đạt được phạm vi mục tiêu.
Để cải thiện độ chính xác này, nhóm của Hatano đã đo dòng điện bằng cách sử dụng một cặp cảm biến lượng tử kim cương dựa trên các trung tâm NV. Trung tâm NV là một tạp chất trong đó hai nguyên tử carbon trong mạng kim cương được thay thế bằng một nguyên tử nitơ duy nhất và một khoảng trống liền kề.
Trung tâm NV hoạt động như một mô men từ quay cực nhỏ rất nhạy cảm với từ trường bên ngoài. Các trường này có thể được đo rất chính xác bằng cách thăm dò các trung tâm NV bằng ánh sáng và vi sóng.
Đo lường chênh lệch
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã đặt một cặp cảm biến kim cương ở hai bên của thanh cái EV, đây là một dải kim loại dày kết nối pin của EV với động cơ và các bộ phận điện khác của nó. Khi dòng điện đi qua thanh cái, nó sẽ tạo ra một từ trường được đo bằng cả hai cảm biến kim cương. Bởi vì các cảm biến được đặt ở hai bên của thanh cái, một cảm biến đo giá trị dương của từ trường và cảm biến còn lại đo giá trị âm. Điều quan trọng là cả hai đều đo mức độ tiếng ồn như nhau – do đó, việc trừ đi một phép đo với phép đo kia sẽ loại bỏ tiếng ồn.
Cảm biến kim cương có độ phân giải cao lập bản đồ các dòng điện trong tim
Sử dụng kỹ thuật vi sai này, nhóm nghiên cứu đã đo dòng điện trong thanh cái cao tới 130 A và thấp đến 10 mA – ngay cả trong môi trường ồn ào. Sau đó, nhóm nghiên cứu tăng dòng điện lên ±1000 A và vận hành cảm biến trong khoảng nhiệt độ -45°C–85°C và quan sát thấy hiệu suất đo tốt.
Nhóm nghiên cứu cho biết các cảm biến có thể giảm 10% trọng lượng của pin xe điện, điều này sẽ làm giảm năng lượng cần thiết để chạy và sản xuất xe điện. Họ ước tính rằng việc triển khai thương mại các cảm biến cuối cùng có thể làm giảm lượng khí carbon dioxide do ngành vận tải thải ra khoảng 0.2% vào năm 2030 - có khả năng đưa mục tiêu phát thải carbon bằng XNUMX đến gần hơn một bước.
Nghiên cứu được mô tả trong Báo cáo khoa học.
