清華大學(xué)本科生研發(fā)“自由角度無線充電”裝置，有望建成無線充電公路

行駛不到300公里就得充電，一次充電至少得6個小時，小區(qū)還需安裝專門的固定充電樁……這些限制因素都讓消費者對電動車難以動心。

如果在不久的將來，當(dāng)您駕駛著電動汽車在公路上飛馳，無論是直道還是彎道，無論是隧道還是橋梁，電動車一邊行駛就能一邊快速給電池補充電能。之前的顧慮還會存在嗎？這不是天方夜譚，來自清華大學(xué)汽車工程系的本科生戴亞奇和同學(xué)們研發(fā)出的“自由”技術(shù)就能實現(xiàn)上述情景。這項技術(shù)獲得了清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”科技競賽特等獎。

研究未來汽車發(fā)現(xiàn)瓶頸

2011年，戴亞奇進入清華大學(xué)汽車工程系就讀。2013年10月，他找到了一群志同道合的人，加入了“未來汽車”興趣團隊。

這是一個神奇的團隊，團隊里的成員來自清華各院系。他們大膽想象，對汽車的各個相關(guān)領(lǐng)域進行深入探究。有人在研究可以轉(zhuǎn)動的汽車底盤，有人在鉆研更具流線型的車身外觀，戴亞奇則找到了自己的興趣所在——無線充電技術(shù)。

他告訴記者，無線充電源于無線電力傳輸技術(shù)，最基礎(chǔ)的原理就是19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，即閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感應(yīng)線運動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，“也就是說電磁場其實可以傳遞電量。”2006年，美國麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了磁諧振式遠距無線充電。目前，諾基亞、三星、英特爾等知名企業(yè)已經(jīng)紛紛推出了自己的無線充電產(chǎn)品及研發(fā)計劃。

在研究中戴亞奇發(fā)現(xiàn)，由于磁場方向難以確定，目前無線充電技術(shù)的應(yīng)用都有一個通病，就是充電線圈在接收能量時必須始終放在發(fā)射線圈正上方并固定角度使二者相對。一旦線圈位置或角度偏離，則充電的效率和功率都急劇下降。這個被動接受能量的“瓶頸”使得無線充電在未來的發(fā)展與應(yīng)用都將遭到很大的影響，“我找遍了專利、學(xué)術(shù)資料，都沒有發(fā)現(xiàn)可以攻克這一難題的技術(shù)。”

戴亞奇決心攻克這一難題。

“三線圈垂直測量接收法”

當(dāng)年年底，他和其他幾名同學(xué)開始了“自由角度無線充電”的技術(shù)研究。他們首先想到的辦法是找到能夠測交流電磁場方向的裝置，找出其中的參數(shù)，再找到破解之法。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，根本就找不到這樣的裝置。研究一度陷入困境。

“后來我們決定干脆自己動手‘白手起家’，設(shè)計一個能對準(zhǔn)磁場方向并接收能量的裝置?！贝鱽喥嬲f。于是整個四人團隊開始進入攻堅階段。只要沒有課，他們就泡在綜合服務(wù)樓內(nèi)的一間約10平方米的實驗室里，“有時做實驗晚了，就在那里過夜。”當(dāng)年寒假，團隊成員“晚走早回”，只休息了半個月。

在一次集體頭腦風(fēng)暴中，戴亞奇靈感迸發(fā)，他想到了能否利用三個電磁線圈相互垂直進行測量和接收的辦法。和同學(xué)進行交流后，他們很快在實驗室搭起了臺架，進行測試。結(jié)果真的成功了。 “當(dāng)時的那種興奮絕對要超過考試拿100分?！贝鱽喥嬲f，為了保護辛苦得來的科研成果，他們立即著手為這一磁場方向測量方法和裝置申請了發(fā)明專利。

半米距離“點亮”二極管

不久前，記者在清華大學(xué)見到這個“自由角度無線充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個圓環(huán)垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個圓環(huán)又同時和一個方形框架垂直，“兩個圓環(huán)三個電磁線圈，這就是三線圈垂直測量接收裝置。”介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無線充電系統(tǒng)，道，這三個線圈中兩個用于測量電磁場，一個用于接收電磁場傳遞的能量。

把裝置置于實驗臺架上的任意位置，周圍即是磁場。啟動裝置后，記者發(fā)現(xiàn)前方約半米處的一根原本熄滅的二極管很快發(fā)亮，“這說明裝置已經(jīng)準(zhǔn)確地將對準(zhǔn)了磁場方向，電磁線已經(jīng)將能量傳遞到了二極管?！贝鱽喥嬲f，系統(tǒng)中接收線圈可自由角度轉(zhuǎn)動，能夠測量出發(fā)射線圈產(chǎn)生的交流電磁場方向并自動校準(zhǔn)接收線圈。利用該裝置可使充電始終對準(zhǔn)所在位置的交流電磁場方向，主動地捕捉磁場能量，從而實現(xiàn)在發(fā)射線圈附近任意位置的有效充電。輔以一套現(xiàn)在已經(jīng)成熟的電量注入技術(shù)，就可以對電池進行充電了。

當(dāng)記者提出，用這種無線方式充電是否會影響人體健康時。他表示，這種充電技術(shù)中的磁場頻率跟手機差不多，且大部分能量都會被專門設(shè)計的接收裝置吸收，對人體健康并無大礙。至于如何為這種充電方法進行計費，戴亞齊笑道：“這很簡單，跟無線互聯(lián)網(wǎng)wifi一樣，把電量像流量一樣計費就可以了。”

前景展望：從手機到宇宙飛船皆可應(yīng)用

目前國外公開的有角度無線充電技術(shù)，充電距離能達到9米。而戴亞奇他們所做的研究目前半米的無線充電距離主要是受到了高頻電流的限制，“我們用的是1M赫茲的頻率，國外的無線充電技術(shù)，電流頻率能達到2000赫茲以上?！彼f，自己還會和同學(xué)一起堅持研究下去，盡快把這項技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際的生產(chǎn)力。

戴亞奇介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無線充電系統(tǒng)，將充電線圈置于高速公路隔離帶，就可以形成一條“充電公路”，在這里，電動汽車可以邊行駛邊充電，達到持續(xù)行駛的功能。

戴亞奇相信，這種自由角度無線充電技術(shù)在未來有著非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)人們還在關(guān)注著這項新技術(shù)能給電動汽車的推廣帶來多大動力時，他們的眼光已經(jīng)放得更加長遠。“還有一項巨大的潛在功能就是可以應(yīng)用在我們的手機上，充電器和移動電源將徹底成為歷史?！彼f，只要安裝了充電線圈的環(huán)境都可以實現(xiàn)對手機進行充電，因為是“自由角度”，所以不管手機是“躺”在桌面上，還是被人握在手里，只要主人愿意，它們可以隨時補充電量。

而在更遠的未來，戴亞奇說這項技術(shù)甚至可以應(yīng)用在航天飛行器上。他說，現(xiàn)在的飛船在外太空作業(yè)時需要消耗大量電能，這些電能有兩個來源，一是自帶太陽能電池板發(fā)電，二是通過與空間站對接，從那里獲得能量，“電池板體積巨大，對接技術(shù)難度很高且需要時間較長，而通過自由角度從空間站無線充電，上述問題就能迎刃而解?！?BR>