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华人科学家首创长距离无线充电技术

时间: 2017年06月20日 | 作者: 朱梦轩 张士超 | 来源: 科研圈
斯坦福大学范汕洄课题组开发了可以在一定范围内为移动目标稳定无线供电方式


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智能手机等电子设备在给人们生活带来极大便利的同时,也带来了充电的问题。当你陷入电量耗竭的焦虑时,是否希望手机能像连接 Wifi 一样随时随地“无线充电”呢?

 

事实上,无线供电领域研究距上一次取得突破已有十年之久。麻省理工学院研究人员曾实现以40%的效率向两米之外的固定目标供电,相关研究2007年6月发表于 Science。但是,小到智能手机,大到电动汽车,在使用中改变位置是不可避免的,这一问题极大制约了无线供电技术的发展。

 

最近,一篇题为 “Robust Wireless Power Transfer Using A Nonlinear Parity–Time-Symmetric Circuit ”的 Nature 论文或将开启无线供电的新时代。新研究的亮点在于利用宇称-时间对称性实现了对移动目标的稳定无线供电,接收电能的设备在约1米的范围内移动时,供电效率几乎不受影响。论文通讯作者、斯坦福大学教授范汕洄在接受科研圈记者采访时表示,如能够在发射端使用特制放大器,“稳定供电区”还可以进一步扩大。

 

无线供电:历史与现状

 

人类研发无线供电技术的历史可以追溯到上世纪初。1901年,传奇科学家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)曾在纽约长岛建造了沃登克里弗塔(Wardenclyffe Tower,又名特斯拉塔),意图通过大气电离层实现全球无线供电。这一异想天开的计划最终因缺乏资金支持而夭折。

 

基于电磁感应原理的现代无线供电技术已问世多年,为智能手机、无线鼠标、智能手表无线充电的设备已初步产品化。然而目前的无线供电产品仅仅是省掉了充电线,充电时仍须将电子设备置于供电板上,灵活性并无太大提高。加之效率较低,无线供电器尚未被消费者广泛接受。

 

现有的无线供电装置中,电能通过波源产生无线电波,以激发发射线圈。当接收线圈靠近发射线圈时,这两个线圈就如同一条电路一样,均匀分配电磁能。随后整流器将接收线圈中的电能传递给用电的设备。这种方法中,能量的转移效率仅仅在线圈分开到一定距离时达到最高,而两线圈的相对位置和角度发生变化时,供电效率会锐减。对固定目标供电时,这并不是问题。但如果供电对象移动位置(如携带手机走动、电动汽车行驶),就很难保持效率了。

 

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a)传统无线供电装置先产生电磁波激发发射线圈,再输送电能到接收线圈。(b)该研究利用电压放大器和反馈电阻直接在发射线圈产生可自动调节的电磁波。图片来源:Nature News & Views

 

量子力学助力技术突破

 

在范汕洄课题组改进的方法中,产生电磁波的波源被一个放大器所替代,利用量子力学中的宇称-时间对称性(PT-对称),新系统的发射线圈产生可自动调节的电磁波,在间距70公分的范围内都能达到最大的能量转移效率。

 

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论文通讯作者范汕洄教授(左)与第一作者 Sid Assawaworrarit 在实验装置前合影。图片来源:Mark Shwartz/Stanford University

 

宇称-时间对称性是指系统在镜像变换和时间反演变换下保持不变的性质。在经典的非量子系统中,也可以人为构造这种对称性。这样的系统由对称排列的部分组成,这些部分要么消耗能量,要么获得能量。在无线供电技术中,可以把要供电的设备视为消耗能量的部分,而放大器给线圈提供能量,可以视为获得能量的部分。

 

如果两个感应线圈相同,且放大器增加的电磁能量超过某一阈值(取决于载荷大小),这个系统就满足了宇称-时间对称。如此一来,接收线圈远离时损失能量,放大器会自动增加能量进行补充。

 

该团队论证,两线圈之间的能量传递效率可以高达100%,不过这并不代表电能从供电设备到用电器之间可以完全无损。电路中的放大器、整流器等部件都会造成一定的电能损耗。

 

在演示视频中,Sid Assawaworrarit 用接收线圈为一个 LED 灯供电,在约一米的范围内移动时,灯的亮度几乎不变。如果使用传统无线供电方式,灯只能在某个特定距离达到最大亮度。(论文页面可查看对比视频)

 

范汕洄团队预想利用这一方法为行驶中的电动汽车充电。充电时间过长是目前电动汽车的一大局限,以特斯拉 90 kWh Model S 为例,在超级充电桩充电至80%需45分钟,充满需75分钟,家用充电桩耗时则更为漫长,如能在地面铺设线圈,即可实现行驶中充电。另外,该技术亦有望用于手机等便携电子设备的无线充电,携带者可以在房间内自由走动,不必担心充电效率受到影响。

 

这一刚刚问世的无线供电系统目前仅可输送1毫瓦的功率,要驱动功耗高达数十千瓦的电动汽车,还有很长的路要走。相比之下,功耗较低的智能手机(充电功率在10瓦左右)等便携电子设备实现“随处充电”的目标可能要近得多。

 

在发表于同期 Nature 的新闻观点中,法国物理学家 Geoffroy Lerosey 提出,该研究中接收线圈沿轴移动,但实际应用中用电器沿其他方向运动的可能性更大。就此,范汕洄教授向科研圈记者解释道:“目前阶段角度的改变确实会对供电效果造成一定影响,不过该研究中使用的放大器为市面上的通用产品,如果能够使用特制放大器,体系效率将显著提高,且有助于克服角度变动带来的影响,而定制放大器并非难事。”

 

下一步,该团队将致力于大幅提高体系供电量、供电距离及效率。我们期待人类摆脱“充电烦恼”的一天早日到来。

 

撰文  朱梦轩 张士超


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