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由于在 MEXT Q-LEAP 旗艦項(xiàng)目中與東京工業(yè)大學(xué)和矢崎公司的研究人員共同開發(fā)的金剛石量子傳感器原型，由于電池充電測(cè)量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的電動(dòng)汽車電池使用效率低下的問題最終可能會(huì)得到解決。該傳感器可以測(cè)量大范圍的電流，也可以在嘈雜的環(huán)境中檢測(cè)毫安級(jí)電流，將檢測(cè)精度從 10% 提高到 1% 以內(nèi)。

圖片來源：東京科技

作為傳統(tǒng)汽油車的環(huán)保替代品，電動(dòng)汽車 (EV) 越來越受歡迎。這導(dǎo)致了針對(duì)開發(fā)高效電動(dòng)汽車電池的研究工作。但是，電動(dòng)汽車的主要效率低下是由于對(duì)電池電量的不準(zhǔn)確估計(jì)造成的。EV 電池的充電狀態(tài)是根據(jù)電池的電流輸出來測(cè)量的。這提供了對(duì)車輛剩余行駛里程的估計(jì)。

通常，電動(dòng)汽車中的電池電流可以達(dá)到數(shù)百安培。然而，能夠檢測(cè)此類電流的商用傳感器無法測(cè)量毫安級(jí)電流的微小變化。這導(dǎo)致電池充電估計(jì)的模糊性約為 10%。這意味著電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程可以延長 10%。反過來，這將減少低效的電池使用。

幸運(yùn)的是，由東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Tech）的 Mutsuko Hatano 教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)提出了解決方案。在他們發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的研究中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種基于金剛石量子傳感器的檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)可以在測(cè)量電動(dòng)汽車典型的高電流時(shí)以 1% 的準(zhǔn)確度估計(jì)電池電量。

“我們開發(fā)了對(duì)毫安電流敏感且足夠緊湊的金剛石傳感器，可以在汽車中實(shí)施。此外，我們測(cè)量了大范圍的電流，并在嘈雜的環(huán)境中檢測(cè)到了毫安級(jí)電流，”波多野教授解釋說。

在他們的工作中，該團(tuán)隊(duì)使用兩個(gè)金剛石量子傳感器制作了一個(gè)原型傳感器，這些傳感器放置在汽車母線的兩側(cè)（用于輸入和輸出電流的電接頭）。然后，他們使用一種稱為“差分檢測(cè)”的技術(shù)來消除兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的共同噪聲，只保留實(shí)際信號(hào)。這反過來又使他們能夠在背景環(huán)境噪聲中檢測(cè)到 10 mA 的小電流。

接下來，該團(tuán)隊(duì)使用混合模擬-數(shù)字控制兩個(gè)微波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率來跟蹤 1 GHz 帶寬上的量子傳感器的磁共振頻率。這允許 ±1000 A 的大動(dòng)態(tài)范圍（檢測(cè)到的最大電流與最小電流之比）。此外，確認(rèn) - 40 至 + 85 °C 的寬工作溫度范圍可涵蓋一般車輛應(yīng)用。

最后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)該原型進(jìn)行了全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán) (WLTC) 駕駛測(cè)試，這是一項(xiàng)電動(dòng)汽車能耗的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。該傳感器準(zhǔn)確地跟蹤了從-50 A 到130 A 的充電/放電電流，并展示了1% 以內(nèi)的電池充電估計(jì)精度。

這些發(fā)現(xiàn)的含義是什么？波多野教授表示：“將電池使用效率提高 10% 將使電池重量減少 10%，這將使 2030 年全球 2000 萬輛新電動(dòng)汽車的運(yùn)行能量和生產(chǎn)能量減少 3.5% 和 5%。反過來，這相當(dāng)于2030 年 WW 運(yùn)輸領(lǐng)域的 CO 2排放量減少 0.2%。”

我們當(dāng)然希望這一突破能讓我們更接近碳中和社會(huì)！