Populariteten för elfordon som ett miljövänligt alternativ till konventionella bensinfordon har ökat. Detta har lett till forskningsansträngningar inriktade på att utveckla högeffektiva elbilsbatterier. Men en stor ineffektivitet i elbilar beror på felaktiga uppskattningar av batteriladdningen. Laddningsstatusen för ett EV-batteri mäts baserat på batteriets strömutgång. Detta ger en uppskattning av fordonens återstående räckvidd.

Vanligtvis kan batteriströmmarna i elbilar nå hundratals ampere. Kommersiella sensorer som kan detektera sådana strömmar kan dock inte mäta små förändringar i strömmen vid milliamperenivåer. Detta leder till en tvetydighet på cirka 10 % i batteriladdningsuppskattningen. Vad detta betyder är att räckvidden för elbilar skulle kunna utökas med 10 %. Detta skulle i sin tur minska ineffektiv batterianvändning.

Nu har ett team av forskare från Japan, ledd av professor Mutsuko Hatano från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), nu kommit med en lösning. I deras studie publicerad i Scientific Reports , har teamet rapporterat en diamantkvantsensorbaserad detekteringsteknik som kan uppskatta batteriladdningen inom 1 % noggrannhet samtidigt som den mäter höga strömmar som är typiska för elbilar.

"Vi utvecklade diamantsensorer som är känsliga för milliampereströmmar och tillräckligt kompakta för att kunna implementeras i bilar. Dessutom mätte vi strömmar inom ett brett spektrum och detekterade strömmar på milliamperenivå i en bullrig miljö", förklarar professor Hatano.

I sitt arbete gjorde teamet en prototypsensor med två diamantkvantsensorer som placerades på vardera sidan av samlingsskenan (elektrisk koppling för inkommande och utgående strömmar) i bilen. De använde sedan en teknik som kallas "differentiell detektion" för att eliminera det vanliga bruset som detekteras av båda sensorerna och bara behålla den faktiska signalen. Detta i sin tur gjorde det möjligt för dem att detektera en liten ström på 10 mA bland bakgrundsljud.

Därefter använde teamet en blandad analog-digital kontroll av frekvenserna som genereras av två mikrovågsgeneratorer för att spåra kvantsensorns magnetiska resonansfrekvenser över en bandbredd på 1 gigahertz. Detta möjliggjorde ett stort dynamiskt område (förhållandet mellan största och minsta detekterade strömmen) på ±1000 A. Dessutom bekräftades ett brett driftstemperaturområde på -40 till +85 °C för att täcka allmänna fordonstillämpningar.

Slutligen testade teamet denna prototyp för Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC), ett standardtest för energiförbrukning i elbilar. Sensorn spårade exakt laddnings-/urladdningsströmmen från -50 A till 130 A och visade batteriladdningens uppskattningsnoggrannhet inom 1 %.

Vilka är konsekvenserna av dessa fynd? Prof. Hatano säger, "Att öka batterianvändningseffektiviteten med 10 % skulle minska batterivikten med 10 %, vilket kommer att minska 3,5 % driftenergi och 5 % produktionsenergi för 20 miljoner nya elbilar år 2030 WW. Detta i sin tur motsvarar en 0,2 % minskning av CO₂ utsläpp inom WW-transportområdet 2030." + Utforska vidare

Mätning av strömmar i hjärtat vid millimeterupplösning med en diamantkvantsensor