清华大学本科生研发“自由角度无线充电”装置,有望建成无线充电公路

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  • 发表于: 2014/05/14 12:03:25 来源:北晚新视觉

电动车充电还要充电桩,这是哪世纪的事呀。开车溜达去吧,边行驶边充电,去哪儿都不怕了。这就是清华大学正在研究的无线充电公路。

来源:北晚新视觉 车云菌有删节

行驶不到300公里就得充电,一次充电至少得6个小时,小区还需安装专门的固定充电桩……这些限制因素都让消费者对电动车难以动心。

如果在不久的将来,当您驾驶着电动汽车在公路上飞驰,无论是直道还是弯道,无论是隧道还是桥梁,电动车一边行驶就能一边快速给电池补充电能。之前的顾虑还会存在吗?这不是天方夜谭,来自清华大学汽车工程系的本科生戴亚奇和同学们研发出的“自由”技术就能实现上述情景。这项技术获得了清华大学第32届“挑战杯”科技竞赛特等奖。

清华大学:边行驶边充电的无线充电公路

研究未来汽车发现瓶颈

2011年,戴亚奇进入清华大学汽车工程系就读。2013年10月,他找到了一群志同道合的人,加入了“未来汽车”兴趣团队。

这是一个神奇的团队,团队里的成员来自清华各院系。他们大胆想象,对汽车的各个相关领域进行深入探究。有人在研究可以转动的汽车底盘,有人在钻研更具流线型的车身外观,戴亚奇则找到了自己的兴趣所在——无线充电技术。

他告诉记者,无线充电源于无线电力传输技术,最基础的原理就是19世纪被发现的电磁感应定律,即闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感应线运动,导体中就会产生电流,“也就是说电磁场其实可以传递电量。”2006年,美国麻省理工学院的学生发明了磁谐振式远距无线充电。目前,诺基亚、三星、英特尔等知名企业已经纷纷推出了自己的无线充电产品及研发计划。

在研究中戴亚奇发现,由于磁场方向难以确定,目前无线充电技术的应用都有一个通病,就是充电线圈在接收能量时必须始终放在发射线圈正上方并固定角度使二者相对。一旦线圈位置或角度偏离,则充电的效率和功率都急剧下降。这个被动接受能量的“瓶颈”使得无线充电在未来的发展与应用都将遭到很大的影响,“我找遍了专利、学术资料,都没有发现可以攻克这一难题的技术。”

戴亚奇决心攻克这一难题。

“三线圈垂直测量接收法”

当年年底,他和其他几名同学开始了“自由角度无线充电”的技术研究。他们首先想到的办法是找到能够测交流电磁场方向的装置,找出其中的参数,再找到破解之法。结果却发现,根本就找不到这样的装置。研究一度陷入困境。

“后来我们决定干脆自己动手‘白手起家’,设计一个能对准磁场方向并接收能量的装置。”戴亚奇说。于是整个四人团队开始进入攻坚阶段。只要没有课,他们就泡在综合服务楼内的一间约10平方米的实验室里,“有时做实验晚了,就在那里过夜。”当年寒假,团队成员“晚走早回”,只休息了半个月。

在一次集体头脑风暴中,戴亚奇灵感迸发,他想到了能否利用三个电磁线圈相互垂直进行测量和接收的办法。和同学进行交流后,他们很快在实验室搭起了台架,进行测试。结果真的成功了。 “当时的那种兴奋绝对要超过考试拿100分。”戴亚奇说,为了保护辛苦得来的科研成果,他们立即着手为这一磁场方向测量方法和装置申请了发明专利。

半米距离“点亮”二极管

不久前,记者在清华大学见到这个“自由角度无线充电”的装置。装置的核心部件如同两个圆环垂直交叉的陀螺仪,大小如同成年人的手掌。这两个圆环又同时和一个方形框架垂直,“两个圆环三个电磁线圈,这就是三线圈垂直测量接收装置。”介绍,9米的传输距离,意味着能覆盖18米宽的路面。沿着公路建起无线充电系统,道,这三个线圈中两个用于测量电磁场,一个用于接收电磁场传递的能量。

把装置置于实验台架上的任意位置,周围即是磁场。启动装置后,记者发现前方约半米处的一根原本熄灭的二极管很快发亮,“这说明装置已经准确地将对准了磁场方向,电磁线已经将能量传递到了二极管。”戴亚奇说,系统中接收线圈可自由角度转动,能够测量出发射线圈产生的交流电磁场方向并自动校准接收线圈。利用该装置可使充电始终对准所在位置的交流电磁场方向,主动地捕捉磁场能量,从而实现在发射线圈附近任意位置的有效充电。辅以一套现在已经成熟的电量注入技术,就可以对电池进行充电了。

当记者提出,用这种无线方式充电是否会影响人体健康时。他表示,这种充电技术中的磁场频率跟手机差不多,且大部分能量都会被专门设计的接收装置吸收,对人体健康并无大碍。至于如何为这种充电方法进行计费,戴亚齐笑道:“这很简单,跟无线互联网wifi一样,把电量像流量一样计费就可以了。”

前景展望:从手机到宇宙飞船皆可应用

目前国外公开的有角度无线充电技术,充电距离能达到9米。而戴亚奇他们所做的研究目前半米的无线充电距离主要是受到了高频电流的限制,“我们用的是1M赫兹的频率,国外的无线充电技术,电流频率能达到2000赫兹以上。”他说,自己还会和同学一起坚持研究下去,尽快把这项技术转化为实际的生产力。

戴亚奇介绍,9米的传输距离,意味着能覆盖18米宽的路面。沿着公路建起无线充电系统,将充电线圈置于高速公路隔离带,就可以形成一条“充电公路”,在这里,电动汽车可以边行驶边充电,达到持续行驶的功能。

戴亚奇相信,这种自由角度无线充电技术在未来有着非常广泛的应用。当人们还在关注着这项新技术能给电动汽车的推广带来多大动力时,他们的眼光已经放得更加长远。“还有一项巨大的潜在功能就是可以应用在我们的手机上,充电器和移动电源将彻底成为历史。”他说,只要安装了充电线圈的环境都可以实现对手机进行充电,因为是“自由角度”,所以不管手机是“躺”在桌面上,还是被人握在手里,只要主人愿意,它们可以随时补充电量。

而在更远的未来,戴亚奇说这项技术甚至可以应用在航天飞行器上。他说,现在的飞船在外太空作业时需要消耗大量电能,这些电能有两个来源,一是自带太阳能电池板发电,二是通过与空间站对接,从那里获得能量,“电池板体积巨大,对接技术难度很高且需要时间较长,而通过自由角度从空间站无线充电,上述问题就能迎刃而解。”

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