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Nature:有望实现电动汽车无线充电

时间: 2017-06-17阅读:

概要:电气工程系金兹顿实验室的研究人员,发明了一种可以通过无线电为运动圆盘传输电力的设备

来源:构建全球华人科学博客圈


据斯坦福大学(Stanford University)2017年6月14日提供的消息,该大学电气工程系金兹顿实验室(Ginzton Laboratory)的研究人员,发明了一种可以通过无线电为运动圆盘传输电力的设备(见图1所示)。这项技术有朝一日可以用于为电动汽车和个人移动设备充电。此项研究成果于2017年6月14日在《自然》(Nature)杂志网站发表——Sid Assawaworrarit, Xiaofang Yu ,Shanhui Fan. Robust wireless power transfer using a nonlinear parity?time-symmetric circuit. Nature,2017, 546: 387–390. DOI: 10.1038/nature22404.




Fig. 1 Stanford scientists have created a device that wirelessly transmits electricity to a movable disc. The technology could some day be used to charge moving electric vehicles and personal devices. Credit: Sid Assawaworrarit/Stanford University


如果电动汽车能够在高速公路行驶过程中进行充电,就会解决驾驶员的后顾之忧,事实上也可以消除他们对于行驶里程范围的担忧,当然也有利于降低营运成本。现在美国斯坦福大学的科学家们已经克服了电动汽车的能源供给问题,他们将在不久的未来通过无线传输来为附近行驶的电动汽车进行充电,也可以为附近的其它移动物体进行充电。


这项研究的资深作者、电气工程教授范善辉(Shanhui Fan音译)说:“除了可以为电动车辆和个人设备如手机等进行无线充电之外,我们的新技术也可以为用于制造业的机器人进行充电。不过,我们仍然需要大幅提升为电动汽车充电的电量,而并不需要增加太多的距离。”


该研究小组的此项技术,是2007年在美国麻省理工学院(MIT)为了对几英尺之外的某静止的物体通过无线传输电力而开发的。在新的工作中,研究团队将电力无线传输到一个移动的LED光源。演示只涉及一个1 mW(1毫瓦)电荷,而电动汽车运行往往需要数十千瓦的功率。此研究团队目前正在研究可以大大增加传输电力的问题,并调整系统延长传输距离,提高传输效率。


行驶里程


无线充电会解决插电式电动汽车的一个主要缺点,即它们的行驶里程受限。特斯拉汽车公司(Tesla Motors)预计其即将到来的模型3(Model 3)一次充电的行驶里程会超过200英里,而已经上市的雪佛·博尔特(Chevy Bolt)电动汽车,其广告宣传中声称一次充电可以行使238英里。但电动汽车电池的完全充电通常需要几个小时才能完成。在行驶过程中完成充电的系统将会克服这些局限性。


范教授解释道:“在理论上,人们可以无时限的开车,只要不停止充电。此希望就是你沿着高速公路开车时,能够为自己的电动汽车充电。在车底部的线圈可以从高速公路上嵌入电流的一系列的线圈相连为其供电。”


一些交通专家设想一个自动化公路系统,在此无人驾驶电动汽车通过太阳能或者其他可再生能源为其无线充电。目标是减少事故的发生,大大提高交通流量,同时降低温室气体排放。


无线技术也可以帮助无人驾驶汽车GPS导航。GPS的准确范围大约为35英尺。为了安全起见,自动汽车需要处于车道中心,发送线圈将被嵌入此位置,为GPS卫星提供非常精确的定位。


磁共振


中程无线电力传输,作为斯坦福大学和其他大学已经开发出的技术,是基于磁共振耦合。正如主要发电厂通过在磁铁之间转动线圈产生交流电一样,电流通过电线会产生一个振荡磁场。磁场也会导致附近线圈内的电子产生振动,因此可以无线传输功率。如果线圈都调到相同的磁共振频率和定位在正确的角度,传输效率就会进一步提高。


然而,如果电路的某些方面,如频率是可以手动调整物体的运动来实现,那么电力的连续流就可以持续。所以,能量发射线圈和接收线圈必须保持几乎是静止的,或此设备必须可以自动不断调整,很明显这是一个复杂的过程。


为了应对挑战,斯坦福大学的研究团队消除了发射机的射频源,取而代之的是商用电压放大器和反馈电阻。这个系统对于不同距离、不需要人类干扰就会自动计算出合适的频率。


该研究的主要作者、研究生Sid Assawaworrarit说:“尽管接收线圈的方向改变,但是,添加放大器之后可以非常有效地使电力传输到三英尺之外。这消除了需要进行自动和连续调谐电路的任何方面。


Sid Assawaworrarit通过将LED灯泡连接到接收线圈上来进行测试。在一个没有活跃调优的常规设置当中,LED亮度会随着距离的增加而减弱。但是在新设置中,接收机距离电源三英尺其LED的亮度保持不变。范教授的研究团队对于此项研究的最新进展已经提出专利申请。


该研究小组使用现成的、具有相对较低效率约10%的通用放大器。他们说定制的放大器可以提高效率达到90%以上。范教授说:“我们可以重新思考如何交付电力,不仅是对电力汽车,而且包括我们体外和体内较小设备的供电问题。可能受益于动态无线充电的任何东西,此项研究成果的重要性是不言而喻的。”


Abstract


Considerable progress in wireless power transfer has been made in the realm of non-radiative transfer, which employs magnetic-field coupling in the near field1234. A combination of circuit resonance and impedance transformation is often used to help to achieve efficient transfer of power over a predetermined distance of about the size of the resonators3, 4. The development of non-radiative wireless power transfer has paved the way towards real-world applications such as wireless powering of implantable medical devices and wireless charging of stationary electric vehicles

1, 2, 5, 6, 7, 8.

 However, it remains a fundamental challenge to create a wireless power transfer system in which the transfer efficiency is robust against the variation of operating conditions. Here we propose theoretically and demonstrate experimentally that a parity–time-symmetric circuit incorporating a nonlinear gain saturation element provides robust wireless power transfer. Our results show that the transfer efficiency remains near unity over a distance variation of approximately one metre, without the need for any tuning. This is in contrast with conventional methods where high transfer efficiency can only be maintained by constantly tuning the frequency or the internal coupling parameters as the transfer distance or the relative orientation of the source and receiver units is varied. The use of a nonlinear parity–time-symmetric circuit should enable robust wireless power transfer to moving devices or vehicles9, 10.




范教授的高引论文(被引频次>1000次)



来源:构建全球华人科学博客圈



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