電動汽車的剩余行駛里程很難準確預測，因為目前最先進的電池電流傳感器無法準確預測電量。是因為電動汽車的電池電流最高可達數百安培，而平均電流僅為10安左右，而普通傳感器在保持數百安培的動態范圍時，沒有幾十毫安的精度。因此，充電狀態必須以大約10%的模糊估計，這使得電池使用效率低下。

       東京工業大學研究人員提出了一個解決電動汽車低效的方案。在發表于6日《科學報告》（Scientific Reports）上的研究中，該團隊報告了一種基于金剛石量子傳感器的檢測技術，該技術可以在測量電動汽車大電流時，以1%的精確度估計電池電量。

       研究亮點

       開發了世界上第一個金剛石量子傳感器，電流測量范圍為±1,000 A，精度為10 mA。

       同時測量電流和溫度，從而實現對電池的高度可靠控制。

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

       電動汽車低效的一個主要原因是對電池電量估計不準，電池的充電狀態是基于電池的電流輸出來測量的，據此可估計車輛的剩余行駛里程。

       通常情況下，電動汽車電池的電流可達到數百安培，能夠檢測到這種電流的商用傳感器無法測量毫安級別的電流的微小變化，導致在估計電池電量時約有10%的模糊性，這意味著在精確測量的情況下電動汽車的續航里程可延長10%。

       此次研究中，該團隊使用兩個金剛石量子傳感器制作了一個原型傳感器，這兩個傳感器放置在汽車母線（進出電流的電子接頭）的兩側。他們使用了“差分檢測”技術，消除了兩個傳感器檢測到的共同噪聲，只保留了實際信號，從而能在背景環境噪聲中檢測到10毫安的小電流。

       研究團隊對兩個微波發生器產生的頻率進行了模擬—數字混合控制，以在1千兆赫的帶寬上追蹤量子傳感器的磁共振頻率。他們發現，磁共振頻率可實現±1000安的大動態范圍（檢測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用溫度范圍。

       最后，該團隊對這一原型進行了全球統一輕型車輛測試循環（WLTC）駕駛測試，這是一種電動汽車能耗的標準測試。該傳感器準確跟蹤了-50安到130安的充放電電流，電池電量估計精度在1%以內。

(a) 將金剛石放置在光纖尖端的傳感器頭結構。綠色激光通過光纖（綠色箭頭）照射到鉆石上，NV 中心發出紅色熒光。這是通過光纖檢測到的（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%，預計將使2030年2000萬輛新型電動汽車的運行能耗減少3.5%，生產能耗減少5%。這又相當于2030年全球運輸領域二氧化碳排放量減少0.2%。”

       文獻信息：

       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