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(gè)小時(shí)，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(fèi)者對(duì)電動(dòng)車難以動(dòng)心。

如果在不久的將來，當(dāng)您駕駛著電動(dòng)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(dòng)車一邊行駛就能一邊快速給電池補(bǔ)充電能。之前的顧慮還會(huì)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(shí)現(xiàn)上述情景。這項(xiàng)技術(shù)獲得了清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。

研究未來汽車發(fā)現(xiàn)瓶頸

2011年，戴亞奇進(jìn)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(tuán)隊(duì)。

這是一個(gè)神奇的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)里的成員來自清華各院系。他們大膽想象，對(duì)汽車的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入探究。有人在研究可以轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎng)中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，“也就是說電磁場(chǎng)其實(shí)可以傳遞電量?！?006年，美國麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了磁諧振式遠(yuǎn)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(jì)劃。

在研究中戴亞奇發(fā)現(xiàn)，由于磁場(chǎng)方向難以確定，目前無線充電技術(shù)的應(yīng)用都有一個(gè)通病，就是充電線圈在接收能量時(shí)必須始終放在發(fā)射線圈正上方并固定角度使二者相對(duì)。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(gè)被動(dòng)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)?！?/P>

戴亞奇決心攻克這一難題。

“三線圈垂直測(cè)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(cè)交流電磁場(chǎng)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(dòng)手‘白手起家’，設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)方向并接收能量的裝置?！贝鱽喥嬲f。于是整個(gè)四人團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)入攻堅(jiān)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(shí)驗(yàn)室里，“有時(shí)做實(shí)驗(yàn)晚了，就在那里過夜?！碑?dāng)年寒假，團(tuán)隊(duì)成員“晚走早回”，只休息了半個(gè)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(gè)電磁線圈相互垂直進(jìn)行測(cè)量和接收的辦法。和同學(xué)進(jìn)行交流后，他們很快在實(shí)驗(yàn)室搭起了臺(tái)架，進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果真的成功了。 “當(dāng)時(shí)的那種興奮絕對(duì)要超過考試拿100分?！贝鱽喥嬲f，為了保護(hù)辛苦得來的科研成果，他們立即著手為這一磁場(chǎng)方向測(cè)量方法和裝置申請(qǐng)了發(fā)明專利。

半米距離“點(diǎn)亮”二極管

不久前，記者在清華大學(xué)見到這個(gè)“自由角度無線充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個(gè)圓環(huán)垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個(gè)圓環(huán)又同時(shí)和一個(gè)方形框架垂直，“兩個(gè)圓環(huán)三個(gè)電磁線圈，這就是三線圈垂直測(cè)量接收裝置?！苯榻B，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(gè)線圈中兩個(gè)用于測(cè)量電磁場(chǎng)，一個(gè)用于接收電磁場(chǎng)傳遞的能量。

把裝置置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上的任意位置，周圍即是磁場(chǎng)。啟動(dòng)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(duì)準(zhǔn)了磁場(chǎng)方向，電磁線已經(jīng)將能量傳遞到了二極管。”戴亞奇說，系統(tǒng)中接收線圈可自由角度轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠測(cè)量出發(fā)射線圈產(chǎn)生的交流電磁場(chǎng)方向并自動(dòng)校準(zhǔn)接收線圈。利用該裝置可使充電始終對(duì)準(zhǔn)所在位置的交流電磁場(chǎng)方向，主動(dòng)地捕捉磁場(chǎng)能量，從而實(shí)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(duì)電池進(jìn)行充電了。

當(dāng)記者提出，用這種無線方式充電是否會(huì)影響人體健康時(shí)。他表示，這種充電技術(shù)中的磁場(chǎng)頻率跟手機(jī)差不多，且大部分能量都會(huì)被專門設(shè)計(jì)的接收裝置吸收，對(duì)人體健康并無大礙。至于如何為這種充電方法進(jìn)行計(jì)費(fèi)，戴亞齊笑道：“這很簡(jiǎn)單，跟無線互聯(lián)網(wǎng)wifi一樣，把電量像流量一樣計(jì)費(fèi)就可以了?！?/P>

前景展望：從手機(jī)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(dá)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(dá)到2000赫茲以上?！彼f，自己還會(huì)和同學(xué)一起堅(jiān)持研究下去，盡快把這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)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(dòng)汽車可以邊行駛邊充電，達(dá)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(xiàng)新技術(shù)能給電動(dòng)汽車的推廣帶來多大動(dòng)力時(shí)，他們的眼光已經(jīng)放得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)?！斑€有一項(xiàng)巨大的潛在功能就是可以應(yīng)用在我們的手機(jī)上，充電器和移動(dòng)電源將徹底成為歷史。”他說，只要安裝了充電線圈的環(huán)境都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電，因?yàn)槭恰白杂山嵌取?，所以不管手機(jī)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(shí)補(bǔ)充電量。

而在更遠(yuǎn)的未來，戴亞奇說這項(xiàng)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(shí)需要消耗大量電能，這些電能有兩個(gè)來源，一是自帶太陽能電池板發(fā)電，二是通過與空間站對(duì)接，從那里獲得能量，“電池板體積巨大，對(duì)接技術(shù)難度很高且需要時(shí)間較長(zhǎng)，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。”