De populariteit van elektrische voertuigen (EV's) als milieuvriendelijk alternatief voor conventionele benzinevoertuigen neemt toe. Dit heeft geleid tot onderzoeksinspanningen gericht op de ontwikkeling van zeer efficiënte EV-batterijen. Maar een grote inefficiëntie in EV's is het gevolg van onnauwkeurige schattingen van de batterijlading. De laadtoestand van een EV-accu wordt gemeten op basis van de stroomoutput van de accu. Dit geeft een schatting van het resterende rijbereik van de voertuigen.

Doorgaans kunnen de batterijstromen in EV's honderden ampères bereiken. Commerciële sensoren die dergelijke stromen kunnen detecteren, kunnen echter geen kleine veranderingen in de stroom op milliampère-niveaus meten. Dit leidt tot een onduidelijkheid van ongeveer 10% in de schatting van de batterijlading. Dit betekent dat het rijbereik van EV's met 10% kan worden vergroot. Dit zou op zijn beurt inefficiënt batterijgebruik verminderen.

Nu heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van professor Mutsuko Hatano van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), nu een oplossing bedacht. In hun studie gepubliceerd in Scientific Reports , heeft het team een ​​op diamanten kwantumsensor gebaseerde detectietechniek gerapporteerd die de batterijlading kan schatten met een nauwkeurigheid van 1%, terwijl hoge stromen worden gemeten die typisch zijn voor EV's.

"We hebben diamantsensoren ontwikkeld die gevoelig zijn voor stromen in milliampère en compact genoeg om in auto's te worden geïmplementeerd. Bovendien hebben we stromen in een breed bereik gemeten en stromen op milliampèreniveau gedetecteerd in een lawaaierige omgeving", legt prof. Hatano uit.

Tijdens hun werk maakte het team een ​​prototypesensor met behulp van twee diamanten kwantumsensoren die aan weerszijden van de stroomrail (elektrische kruising voor inkomende en uitgaande stromen) in de auto waren geplaatst. Vervolgens gebruikten ze een techniek genaamd "differentiële detectie" om de gemeenschappelijke ruis die door beide sensoren wordt gedetecteerd te elimineren en alleen het daadwerkelijke signaal vast te houden. Dit stelde hen op hun beurt in staat om een ​​kleine stroom van 10 mA te detecteren te midden van achtergrondgeluid.

Vervolgens gebruikte het team een ​​gemengde analoog-digitale controle van de frequenties gegenereerd door twee microgolfgeneratoren om de magnetische resonantiefrequenties van de kwantumsensor te traceren over een bandbreedte van 1 gigahertz. Dit zorgde voor een groot dynamisch bereik (verhouding van grootste tot kleinste gedetecteerde stroom) van ±1000 A. Bovendien werd bevestigd dat een breed bedrijfstemperatuurbereik van − 40 tot + 85 °C geschikt is voor algemene voertuigtoepassingen.

Ten slotte heeft het team dit prototype getest voor rijden in de Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC), een standaardtest voor het energieverbruik in EV's. De sensor traceerde nauwkeurig de laad-/ontlaadstroom van -50 A tot 130 A en toonde de nauwkeurigheid van de schatting van de batterijlading binnen 1%.

Wat zijn de implicaties van deze bevindingen? Prof. Hatano zegt:"Het verhogen van de efficiëntie van het batterijgebruik met 10% zou het gewicht van de batterij met 10% verminderen, wat 3,5% bedrijfsenergie en 5% productie-energie van 20 miljoen nieuwe EV's in 2030 WW zal verminderen. Dit komt op zijn beurt overeen met een 0,2% reductie in CO₂ emissies in 2030 WW transportveld." + Verder verkennen

Stromen in het hart meten op millimeterresolutie met een diamanten kwantumsensor