Højnøjagtig batteriovervågning af elbiler med diamantkvantesensorer til forlængelse af køreafstand

Populariteten af ​​elektriske køretøjer (EV'er) som et miljøvenligt alternativ til konventionelle benzinbiler har været stigende. Dette har ført til forskningsindsats rettet mod udvikling af højeffektive EV-batterier. Men en stor ineffektivitet i elbiler skyldes unøjagtige vurderinger af batteriladningen. Et EV-batteris ladetilstand måles baseret på batteriets strømudgang. Dette giver et skøn over køretøjernes resterende rækkevidde.

Typisk kan batteristrømmene i elbiler nå hundredvis af ampere. Kommercielle sensorer, der kan registrere sådanne strømme, kan dog ikke måle små ændringer i strømmen ved milliampere-niveauer. Dette fører til en tvetydighed på omkring 10 % i batteriladningsestimatet. Det betyder, at køreområdet for elbiler kan udvides med 10 %. Dette vil igen reducere ineffektivt batteriforbrug.

Nu er et team af forskere fra Japan, ledet af professor Mutsuko Hatano fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), nu kommet med en løsning. I deres undersøgelse offentliggjort i Scientific Reports , holdet har rapporteret en diamant kvantesensor-baseret detektionsteknik, der kan estimere batteriopladningen inden for 1 % nøjagtighed, mens den måler høje strømme, der er typiske for elbiler.

"Vi udviklede diamantsensorer, der er følsomme over for milliampere-strømme og kompakte nok til at blive implementeret i biler. Desuden målte vi strømme i et bredt område såvel som detekterede milliampere-niveaustrømme i et støjende miljø," forklarer prof. Hatano.

I deres arbejde lavede holdet en prototypesensor ved hjælp af to diamantkvantesensorer, der var placeret på hver side af samleskinnen (elektrisk forbindelse til indgående og udgående strømme) i bilen. De brugte derefter en teknik kaldet "differentiel detektion" for at eliminere den almindelige støj, der detekteres af begge sensorer, og kun bevare det faktiske signal. Dette gjorde dem til gengæld i stand til at registrere en lille strøm på 10 mA midt i baggrundsstøj fra omgivelserne.

Dernæst brugte holdet en blandet analog-digital kontrol af frekvenserne genereret af to mikrobølgegeneratorer til at spore kvantesensorens magnetiske resonansfrekvenser over en båndbredde på 1 gigahertz. Dette muliggjorde et stort dynamisk område (forholdet mellem største og mindste detekterede strøm) på ±1000 A. Desuden blev et bredt driftstemperaturområde på -40 til +85 °C bekræftet til at dække generelle køretøjsapplikationer.

Endelig testede holdet denne prototype til Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC) kørsel, en standardtest for energiforbrug i elbiler. Sensoren sporede opladnings-/afladningsstrømmen nøjagtigt fra -50 A til 130 A og demonstrerede batteriladningsestimeringens nøjagtighed inden for 1 %.

Hvad er implikationerne af disse fund? Prof. Hatano siger:"En forøgelse af batteriforbrugseffektiviteten med 10 % vil reducere batterivægten med 10 %, hvilket vil reducere 3,5 % driftsenergi og 5 % produktionsenergi på 20 millioner nye elbiler i 2030 WW. Dette svarer til gengæld til en 0,2 % reduktion i CO₂ emissioner i 2030 WW-transportområdet." + Udforsk yderligere

Måling af strømme i hjertet ved millimeteropløsning med en diamant kvantesensor