电动汽车使用过程中，电池电量测量不准、电池使用效率低下，该怎么办呢？这一问题将得到解决。日本的Q-LEAP旗舰项目中，东京科技大学、矢崎集团（Yazaki Corporation）团队共同开发了新的金刚石量子传感器[1]——可以测量大范围的电流，也可以在嘈杂环境中检测毫安级的电流，检测精度从10%提高到1%以内。
作为传统汽油车的环保替代品，电动汽车（EV）的普及率一直在上升。因此，开发高效电动车电池的研究工作蓬勃兴起。但是，电动汽车的一个主要低效因素是：对电池电量的估计不准确。电动汽车电池的充电状态是根据电池的电流输出来测量的，这也提供了对车辆剩余驾驶里程的估计。通常情况下，电动汽车的电池电流可以达到数百安培。然而，能够检测这种电流的商业传感器不能测量毫安级电流的微小变化：这导致了电池电量估计中约10%的模糊性。这意味着，通常电动车的行驶里程可以延长10%，这也导致了电池的低效使用。由东京工业大学（Tokyo Tech）的Mutsuko Hatano教授领导的一个日本研究组现在已经提出了一个解决方案。在发表于《科学报告》的研究中[2]，该团队报告了一种基于金刚石量子传感器的检测技术，在测量电动汽车的大电流时，也可以在1%的精度内估计电池电量。“我们开发了对毫安级电流敏感的金刚石传感器。其结构紧凑，可以在汽车中实施；此外，我们还测量了大范围的电流，并在嘈杂的环境中检测到毫安级的电流。”Hatano教授解释说。在他们的工作中，团队使用两个金刚石量子传感器制作了一个传感器原型，这些传感器被放置在汽车中的母线（输入和输出电流的电气连接点）两侧。然后他们使用一种叫做“差分检测”（differential detection）的技术来消除两个传感器检测到的共同噪音，只保留实际信号：这反过来使他们能够在背景环境噪声中检测到10毫安的小电流。接下来，该团队使用了对两个微波发生器产生的频率的模拟-数字混合控制，在1千兆赫兹的带宽内追踪量子传感器的磁共振频率。这使得大动态范围（检测到的最大电流与最小电流之比）达到±1000A；此外，工作温度范围宽至-40到+85°C，涵盖了一般车辆应用的温差。最后，该团队在全球统一的轻型汽车测试周期（WLTC）驾驶中测试了该传感器原型，这是电动汽车能源消耗的标准测试。该传感器准确地追踪了从-50A到130A的充/放电电流，并证明了电池电量估计的准确性在1%以内。(a)EV中的电池电流传感器使用情况。来自具有堆叠电池单元的电池模块的电流通过接线盒中的母线，并由电流传感器测量。(b)行驶速度(km/h)和(c)WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）模式1中的转换电流。假设典型汽车重1500公斤。电流最大值为126 A，平均为14 A。(d)高精度电流传感器对延长EV行驶里程的影响。根据精度为1 A的电流传感器估算电池充电状态需要10%的余量，而精度为0.01 A的传感器可以消除该余量。差分检测系统原型。(a)金刚石传感器粘附在光纤的一端。(b)传感器A和B放置在母线两侧，用于差分检测。(c)放置在一对磁铁之间的传感器和母线的照片。(d)金刚石传感器的ODMR谱。(e)母线电流测量系统框图。(f)锁定放大器的时分微波频率调制，以将磁场反射为其差分输出。电流测量结果。(a)±1000 A的输入电流波形，每2 s步进20 A。(b)观察到的共振频率差(RFD)，所有波形都正确跟踪母线电流。(c)共振频率差的平均值之比在每个步骤中的采样窗口内与母线电流的关系。在40至1000 A的电流范围和-40至+25 °C的温度范围、40至500 A的电流范围和+4至+85°C的温度范围内确认了±0.3%的线性度C。(d)共振频率差在每一步的采样窗口中的波动。此次实验开发了使用金刚石量子传感器的电池监视器原型，可以估计电池充电状态，并准确预测电动汽车的剩余行驶里程。
Hatano教授说：“将电池使用效率提高10%将使电池重量减轻10%，这将使2030年的2000万辆新电动车减少3.5%的运行能量和5%的生产能量；这又相当于在2030年交通领域减少0.2%的二氧化碳排放。”[1]https://www.titech.ac.jp/english/news/2022/064791?utm_source=nationaltribune&utm_medium=nationaltribune&utm_campaign=news [2]https://www.nature.com/articles/s41598-022-18106-x相关阅读：
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