科学家们在无线电力传输发展方面取得了巨大进展。一种新型无线电力传输系统能够同时为多个移动设备充电,且能在任何方向实现前所未有的自由充电——即使将设备握在半空中或距离电源(即发射器)半米之外也能进行。
韩国科学技术院(KAIST)的一个研究团队开发出了一种无线电力传输(WPT)技术,该技术允许移动设备在任何位置、任何方向上进行充电,即使设备远离电源也可以,就像Wi-Fi用于互联网连接一样。有了这项技术,只要移动用户停留在指定的可用充电区域,例如Wi-Power区域,设备无需连接到充电器,即可根据需要自动获取电力。
由韩国科学技术院核与量子工程系Chun T. Rim教授领导的研究团队在WPT开发方面取得了重大进展。他们的WPT系统能够以空前的自由度在任何方向同时为多个移动设备充电,即使将设备悬在空中或距离电源(即发射器)半米远也能实现。该研究成果发表在2015年6月的《IEEE电力电子交易》在线期刊上,论文题为“基于交叉偶极子发射线圈和接收线圈的六自由度移动感应式电力传输”。
Rim教授的团队于2015年7月7日在韩国科学技术院校园的一个实验室成功展示了这项技术。他们在偶极子线圈结构中使用高频磁性材料,构建了一个薄而平坦的矩形发射器(Tx)系统,尺寸为1平方米。30部每部功率容量为1瓦的智能手机或5台每台功率为2.4瓦的笔记本电脑,可以在距离发射器50厘米处同时进行无线充电,并具有六自由度,不受设备三轴位置和方向的影响。这意味着该设备可以在三维空间中围绕发射器的各个方向接收电力。笔记本电脑的最大电力传输效率为34%。研究人员表示,制造具有六自由度特性的平面发射线圈和接收线圈是移动应用WPT发展的瓶颈。
偶极线圈谐振系统(DCRS)
研究团队使用了偶极线圈谐振系统(DCRS)来感应磁场,该系统由该团队于2014年开发,用于较长距离的感应式电力传输。DCRS由两个(发射和接收)磁偶极线圈组成,平行放置,每个线圈都有一个铁氧体磁芯,并连接一个谐振电容。与传统的环形线圈相比,偶极线圈非常紧凑且尺寸更小。因此,交叉偶极子结构是二维的,而不是交叉环形线圈结构的三维。即使在谐振频率变化1%范围内(Q因子低于100)时,DCRS在传输电力方面也具有巨大优势。铁氧体磁芯经过优化设计,磁芯体积减少了一半,并且其传输电力的能力几乎不受人体或周围金属物体的影响,这使得DCRS非常适合在紧急情况下传输无线电力。在2014年进行的一项测试中,Rim教授成功地将209瓦的电力无线传输到了5米的距离。
更大的灵活性和更安全的充电
研究团队将两个偶极线圈从平行位置重新排列成交叉状,以产生旋转磁场,并将其嵌入发射器的扁平平台中。这使得移动设备能够从任何方向接收电力。
尽管无线电力技术已应用于智能手机,但与传统的有线充电相比,它并未提供任何实质性优势,因为设备仍然需要与发射器(充电板)紧密接触。为了自由安全地使用设备,包括在公共场所,WPT技术应该为移动用户提供远距离的六自由度。到目前为止,所有无线充电技术都难以解决充电距离短(大多小于10厘米)以及设备需放置在固定位置充电的问题。例如,Galaxy S6只能在一个固定位置进行无线充电,只有一个自由度。自由度代表了移动设备在三维空间中的运动自由度。
此外,DCRS在低磁场环境下工作。基于研究团队开发的磁通屏蔽技术,其磁通水平低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)关于公众暴露于电磁场(EMF)的安全准则(27µT)。
Rim教授说:“我们的发射器系统对人体是安全的,并且与其他电子设备兼容。我们已经解决了阻碍WPT商业化的三个主要问题:充电距离短、对充电方向的依赖以及发射器和接收器的平面线圈结构。”
目前,该研究团队和KAIST的衍生公司TESLAS, Inc.正在开展试点项目,将DCRS应用于咖啡馆和办公室等各种场所。