韩国科学技术院(KAIST)的一组研究人员开发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和任何方向进行充电,即使设备远离电源,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可充电的指定区域(例如Wi-Power区域),设备无需连接充电器,即可根据需要自动获取电力。
由韩国科学技术院核能与量子工程系Chun T. Rim教授领导的研究团队在WPT开发方面取得了巨大进展。他们的WPT系统能够同时为多个移动设备充电,并在任何方向上具有前所未有的自由度,甚至在将设备悬在半空中或距离电源(发射器)半米远的情况下也能充电。该研究结果发表在2015年6月的《IEEE电力电子学汇刊》网络版上,题为“通过交叉偶极子Tx(发射器)和Rx(接收器)线圈实现的六自由度移动感应电力传输”。
Rim教授的团队于2015年7月7日在KAIST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,构建了一个尺寸为1平方米的长方形薄型平面发射器系统。30部功率各为1瓦的智能手机或5台功率各为2.4瓦的笔记本电脑,可以在距离发射器50厘米处,以六个自由度同时进行无线充电,而不受设备三轴位置和方向的限制。这意味着设备可以在三维空间中围绕发射器全方位接收电力。笔记本电脑的最大功率传输效率为34%。研究人员表示,制造具有六自由度特性的平面Tx和Rx线圈曾是移动应用WPT的一个瓶颈。
偶极子线圈谐振系统(DCRS)
研究团队利用偶极子线圈谐振系统(DCRS)来产生磁场,该系统是团队于2014年开发的,用于延长距离的感应电力传输。DCRS由两个(发射和接收)平行放置的磁偶极子线圈组成,每个线圈都有一个铁氧体磁芯并与谐振电容器相连。与传统的环形线圈相比,偶极子线圈非常紧凑且尺寸更小。因此,交叉偶极子结构具有二维特性,而非交叉环形线圈结构的三维特性。即使谐振频率在1%的范围内变化(Q值低于100),DCRS仍具有传输电力的巨大优势。铁氧体磁芯经过优化设计,体积减少了一半,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成为在紧急情况下传输无线电力的理想选择。在2014年进行的一项测试中,Rim教授成功地将209瓦的电力无线传输了五米的距离。
更高的灵活性和更安全的充电
研究团队将两个偶极子线圈从平行位置重新排列为交叉状态,以产生旋转磁场,并将其嵌入到Tx的平面平台中。这使得移动设备能够从任何方向接收电力成为可能。
尽管无线电力技术已应用于智能手机,但与传统有线充电相比,它无法提供任何实质性优势,因为设备仍需与发射器(充电垫)紧密接触。为了在包括公共场所在内的各种环境中自由安全地使用设备,WPT技术应在一定距离上为移动用户提供六个自由度。迄今为止,所有无线充电技术都面临着充电距离短(大多小于10厘米)以及设备需放置在固定位置的充电条件等难题。例如,Galaxy S6只能在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移动自由程度。
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,其磁通量水平低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)关于公众电磁场(EMF)暴露的安全水平指南(27µT)。
Rim教授表示:“我们的发射器系统对人类是安全的,并且与其他电子设备兼容。我们解决了充电距离短、依赖充电方向以及Tx和Rx平面线圈结构这三大阻碍WPT商业化的问题。”
目前,该研究团队和KAIST的衍生公司TESLAS, Inc.一直在开展试点项目,将DCRS应用于咖啡馆和办公室等各种场所。