移動電動汽車無線充電攻克重大困難

如果電動汽車能夠在高速公路行駛過程中充電，就能無形中打消里程的顧慮，降低花費，或者使得電力成為車輛的標準能源。

近期斯坦福大學科學家攻克了阻礙這種未來的一個重大難關，能夠給附近的移動物體無線傳輸電力。這一成果已發表在6月15日的自然雜誌上。

電子工程教授Shanhui Fan說道：「我們的新技術除了能推進車輛和類似手機等個人設備的無線充電，還能解放製造業中移動的機器人。我們仍需要大大增加傳遞給電動汽車充電的電量，但我們可能不再需要過多考慮距離問題了。」

credit: 煎蛋畫師點叄

2007年，MIT研發了一種向幾十厘米外固定物體無線傳輸電力的方法，該研究小組就在此基礎上進行了進一步的工作。在新工作中，研究團隊向一個移動LED燈泡無線傳輸電力。這一演示中只涉及到1毫瓦的充電，而電動汽車通常卻要求數十千瓦才能運行。研究團隊目前正致力於增大傳輸的電量，調整系統延展傳輸距離並提高效率。

行駛里程

無線充電能處理電動汽車的一個重大缺陷——行駛里程有限。特斯拉汽車公司期望其將發售的Model3能一次充電跑200多英里(300多千米)，而市面上已有的雪佛蘭Chevy Bolt廣告稱能跑238英里(383千米)。但一般電動汽車電池需要花7個小時才能充滿。行駛中充電系統將能克服這些限制。

Fan解釋道：「理論上，電動汽車可以不用停下來充電而是一直無限制地跑。但這樣的條件是在行駛過程中能進行充電。車輛底部的線圈能從嵌在道路內連接電流的一系列線圈中接收到電力。」

某些交通運輸專家設想了一種自動高速路系統，無人駕駛電動汽車能利用太陽能或其他可再生能量源進行無線充電。目標將是減少事故並大大提升交通流量，同時降低溫室氣體排放。

無線技術也能輔助無人駕駛汽車的GPS導航。GPS準確度能達到35英尺(約10米)。為了安全，自動汽車需要保持在車道中央，如果將傳輸線圈嵌入在中心線，那麼就能為GPS衛星提供非常準確的定位。

磁共振

斯坦福大學和其他研究大學研究的中程無線電力傳輸是基於磁共振耦合。正如大型發電廠通過旋轉磁體之間的線圈產生交流電，流經導線的電力也會產生振蕩磁場。這種場會導致附近線圈中的電子振蕩，因而實現無線電力傳輸。通過將兩種線圈調整為相同的磁共振頻率，並以正確的角度放置，就能進一步提高傳輸效率。

然而，當物體移動時，只有手動調整電路的某些方面，比如頻率，電流才能保持持續性。所以，要麼能量傳輸線圈和接收線圈保持幾乎靜止，要麼設備就自動不斷進行調整——這是一個非常複雜的過程。

為了解決這個挑戰，斯坦福研究團隊除去了傳輸電路中的射頻源，將其替代為商用電壓放大器和反饋電阻器。這一系統會自動計算出不同距離下的正確頻率，不需要人工干預。

研究第一作者、研究生Sid Assawaworrarit說道：「增加放大器使得電力能非常有效地跨越1米的距離，無視接收線圈的朝向變化。這消除了電路任何方面的自動和連續調整需求。」

Assawaworrarit將一個LED燈放置在接收線圈中來測試該方法。在沒有主動調整的傳統設置中，LED的亮度將隨距離增大而減弱。而在新的設置中，在接受器移動1米的過程中，亮度保持不變。Fan的團隊最近為該進展申請了專利。

研究團隊使用了一個相對低效僅有10%的現成通用放大器。他們稱定製放大器能將效率提升至90%多。

Fan說道：「我們能重新思考如何傳遞電力，不僅給我們的汽車，還給我們身體上或者身體內的小型設備。對任何可能從動態無線充電中受益的事物，這都是具有潛在重要性的。」

論文原文：doi:10.1038/nature22404

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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