電動(dòng)汽車的剩余行駛里程很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因?yàn)槟壳白钕冗M(jìn)的電池電流傳感器無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電量。是因?yàn)殡妱?dòng)汽車的電池電流最高可達(dá)數(shù)百安培，而平均電流僅為10安左右，而普通傳感器在保持?jǐn)?shù)百安培的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，沒有幾十毫安的精度。因此，充電狀態(tài)必須以大約10%的模糊估計(jì)，這使得電池使用效率低下。

       東京工業(yè)大學(xué)研究人員提出了一個(gè)解決電動(dòng)汽車低效的方案。在發(fā)表于6日《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）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)汽車大電流時(shí)，以1%的精確度估計(jì)電池電量。

       研究亮點(diǎn)

       開發(fā)了世界上第一個(gè)金剛石量子傳感器，電流測(cè)量范圍為±1,000 A，精度為10 mA。

       同時(shí)測(cè)量電流和溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的高度可靠控制。

       該技術(shù)有望降低電動(dòng)汽車的車載電池容量，并通過減輕重量等來改善功耗，并有望減少交通領(lǐng)域的 CO2 排放量。

       電動(dòng)汽車低效的一個(gè)主要原因是對(duì)電池電量估計(jì)不準(zhǔn)，電池的充電狀態(tài)是基于電池的電流輸出來測(cè)量的，據(jù)此可估計(jì)車輛的剩余行駛里程。

       通常情況下，電動(dòng)汽車電池的電流可達(dá)到數(shù)百安培，能夠檢測(cè)到這種電流的商用傳感器無法測(cè)量毫安級(jí)別的電流的微小變化，導(dǎo)致在估計(jì)電池電量時(shí)約有10%的模糊性，這意味著在精確測(cè)量的情況下電動(dòng)汽車的續(xù)航里程可延長(zhǎng)10%。

       此次研究中，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，這兩個(gè)傳感器放置在汽車母線（進(jìn)出電流的電子接頭）的兩側(cè)。他們使用了“差分檢測(cè)”技術(shù)，消除了兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的共同噪聲，只保留了實(shí)際信號(hào)，從而能在背景環(huán)境噪聲中檢測(cè)到10毫安的小電流。

       研究團(tuán)隊(duì)對(duì)兩個(gè)微波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行了模擬—數(shù)字混合控制，以在1千兆赫的帶寬上追蹤量子傳感器的磁共振頻率。他們發(fā)現(xiàn)，磁共振頻率可實(shí)現(xiàn)±1000安的大動(dòng)態(tài)范圍（檢測(cè)到的最大電流與最小電流之比）。此外，該傳感器的工作溫度范圍為-40℃到85°C，可以涵蓋一般的車輛應(yīng)用溫度范圍。

       最后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這一原型進(jìn)行了全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（WLTC）駕駛測(cè)試，這是一種電動(dòng)汽車能耗的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。該傳感器準(zhǔn)確跟蹤了-50安到130安的充放電電流，電池電量估計(jì)精度在1%以內(nèi)。

(a) 將金剛石放置在光纖尖端的傳感器頭結(jié)構(gòu)。綠色激光通過光纖（綠色箭頭）照射到鉆石上，NV 中心發(fā)出紅色熒光。這是通過光纖檢測(cè)到的（紅色箭頭）。(b) 差分傳感器的配置圖，傳感器頭位于母線的正面和背面（電流路徑），(c) 同一張照片。

       研究人員稱：“將電池使用效率提高10%，預(yù)計(jì)將使2030年2000萬輛新型電動(dòng)汽車的運(yùn)行能耗減少3.5%，生產(chǎn)能耗減少5%。這又相當(dāng)于2030年全球運(yùn)輸領(lǐng)域二氧化碳排放量減少0.2%?！?/p>

       文獻(xiàn)信息：

       Hatano, Y., Shin, J., Tanigawa, J. et al. High-precision robust monitoring of charge/discharge current over a wide dynamic range for electric vehicle batteries using diamond quantum sensors. Sci Rep 12, 13991 (2022). 

       https://doi.org/10.1038/s41598-022-18106-x