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       电动汽车的剩余行驶里程很难准确预测，因为目前最先进的电池电流传感器无法准确预测电量。是因为电动汽车的电池电流最高可达数百安培，而平均电流仅为10安左右，而普通传感器在保持数百安培的动态范围时，没有几十毫安的精度。因此，充电状态必须以大约10%的模糊估计，这使得电池使用效率低下。

       东京工业大学研究人员提出了一个解决电动汽车低效的方案。在发表于6日《科学报告》（Scientific Reports）上的研究中，该团队报告了一种基于金刚石量子传感器的检测技术，该技术可以在测量电动汽车大电流时，以1%的精确度估计电池电量。

       研究亮点

       开发了世界上第一个金刚石量子传感器，电流测量范围为±1,000 A，精度为10 mA。

       同时测量电流和温度，从而实现对电池的高度可靠控制。

       该技术有望降低电动汽车的车载电池容量，并通过减轻重量等来改善功耗，并有望减少交通领域的 CO2 排放量。

       电动汽车低效的一个主要原因是对电池电量估计不准，电池的充电状态是基于电池的电流输出来测量的，据此可估计车辆的剩余行驶里程。

       通常情况下，电动汽车电池的电流可达到数百安培，能够检测到这种电流的商用传感器无法测量毫安级别的电流的微小变化，导致在估计电池电量时约有10%的模糊性，这意味着在精确测量的情况下电动汽车的续航里程可延长10%。

       此次研究中，该团队使用两个金刚石量子传感器制作了一个原型传感器，这两个传感器放置在汽车母线（进出电流的电子接头）的两侧。他们使用了“差分检测”技术，消除了两个传感器检测到的共同噪声，只保留了实际信号，从而能在背景环境噪声中检测到10毫安的小电流。

       研究团队对两个微波发生器产生的频率进行了模拟—数字混合控制，以在1千兆赫的带宽上追踪量子传感器的磁共振频率。他们发现，磁共振频率可实现±1000安的大动态范围（检测到的最大电流与最小电流之比）。此外，该传感器的工作温度范围为-40℃到85°C，可以涵盖一般的车辆应用温度范围。

       最后，该团队对这一原型进行了全球统一轻型车辆测试循环（WLTC）驾驶测试，这是一种电动汽车能耗的标准测试。该传感器准确跟踪了-50安到130安的充放电电流，电池电量估计精度在1%以内。

(a) 将金刚石放置在光纤尖端的传感器头结构。绿色激光通过光纤（绿色箭头）照射到钻石上，NV 中心发出红色荧光。这是通过光纤检测到的（红色箭头）。(b) 差分传感器的配置图，传感器头位于母线的正面和背面（电流路径），(c) 同一张照片。

       研究人员称：“将电池使用效率提高10%，预计将使2030年2000万辆新型电动汽车的运行能耗减少3.5%，生产能耗减少5%。这又相当于2030年全球运输领域二氧化碳排放量减少0.2%。”

       文献信息：

       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