芬蘭阿爾托大學設計新型無線充電系統(tǒng) 可同時給多個設備充電

近日，芬蘭阿爾托大學(Aalto University)研究人員設計了一種新型無線充電系統(tǒng)，可以同時給多個設備充電。

研究人員通過對無線充電系統(tǒng)中發(fā)射器的核心部分：天線線圈進行設計，來實現(xiàn)無線充電系統(tǒng)不需要先定位需充電設備，直接就能充電，還可以在設備移動時，自動調(diào)節(jié)充電方向。

該研究論文題目為《使用雙環(huán)形螺旋線圈的自調(diào)諧全向無線電力傳輸(Self-tuning Omnidirectional Wireless Power Transfer using Double Toroidal Helix Coils)》，于 7 月 21 日發(fā)表在 IEEE Transactions on Industrial Electronics 上。

01. 原有無線充電先檢測需充電設備及其位置

人們身處各地都能依靠手機和平板電腦保持聯(lián)系，但是這些設備仍然需要通過插頭、插座和充電板來充電。

世界各地的研究人員都在致力于研究自由位置(free-position)無線充電，可以讓智能設備擺脫充電線的限制。目前最常見無線充電解決方案中都包含一些復雜的控制和檢測功能。

比如充電系統(tǒng)的能量發(fā)射器，通常需要先檢測到需要充電設備及其位置，才能確定向設備發(fā)送能量的方向，該功能一般是依靠攝像頭或傳感器來實現(xiàn)，這會增加發(fā)射器的體積和成本。

阿爾托大學研究人員新設計了一種基于特殊雙螺旋線圈的全向無線能量傳輸系統(tǒng)(WPT)，通過在各個方向上創(chuàng)建功率傳輸通道，來實現(xiàn)不再需要在發(fā)射器上裝攝像頭或傳感器。當需要充電的設備在移動時，該無線充電系統(tǒng)自動調(diào)整充電通道。

像手機、筆記本電腦和其他新配備無線充電接收器的設備可以一邊接收能量，一邊為其電池充電或者直接為設備上應用供能，無需將設備和充電系統(tǒng)進行接觸或者將設備放到特定位置。

02. 特殊方式纏繞線圈產(chǎn)生 2 種磁場

阿爾托大學的博士后研究員 Prasad Jayathurathnage 解釋道：“這個發(fā)射器的不同之處在于它是自調(diào)諧的，這意味著你不需要復雜的電子設備，來連接嵌入設備中的接收器。因為它可以自我調(diào)節(jié)充電通道，你也可以在該無線充電系統(tǒng)可以達到的充電范圍內(nèi)自由移動那些需要充電的設備。”

該研究團隊通過設計發(fā)射器中使用的線圈天線實現(xiàn)上述效果。線圈天線是纏繞在環(huán)面上的，其結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，它們會產(chǎn)生兩個電磁場：一個是環(huán)形的，被限制在環(huán)面內(nèi);一個是極向的，分布在環(huán)面以外。

這兩個電磁場的強度可以通過調(diào)節(jié)線圈的形狀來增強。

無線充電系統(tǒng)通過電磁場傳遞能量。但是需要對接收器和發(fā)射器進行耦合配對。

電磁場耦合系數(shù)是研究人員確定的，無論接收器的位置和方向如何，都可以保證高效率，并且可以自動調(diào)諧。

這依靠于充電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，自調(diào)節(jié)實現(xiàn)需要使發(fā)射器和接收器之間耦合最小化，然后利用中繼器實現(xiàn)充電方向的調(diào)整，這時需要保持發(fā)射器和中繼器之間，接收器和中繼器之間有較強的耦合。

該系統(tǒng)包含三對互相正交的發(fā)射器和中繼器組合，保證實現(xiàn)全向充電。

03. 20cm 內(nèi)傳輸效率高達 90%

目前，這種發(fā)射器在 20cm 距離內(nèi)能量傳輸效率為 90%，更遠的距離也能工作，只是能量傳輸效率較低。原則上，發(fā)射器能量傳輸能保持峰值距離范圍會隨著技術(shù)的不斷完善而得到擴大。

Jayathurathnage 說：“目前，能保持 90% 效率的最遠距離是多少，取決于發(fā)射器和接收器的大小。通過正確的工程技術(shù)，我們可以讓發(fā)射器和接收器變得更小。”

雖然該研究團隊已經(jīng)證明了這一設計概念，但仍然需要進行安全測試，以確認發(fā)射器產(chǎn)生的電磁場對人體無害。很明顯由于該技術(shù)依賴磁場，而被認為是有潛在有害影響主要原因的電場處于最小限度。

一旦該設計被認為是安全的，然后被應用到產(chǎn)品中，將方便很多人。

Jayathurathnage 指出：“真正的無線充電意味著更多的個人自由，這樣人們就不用擔心把手機放在哪充電了，也不用擔心有沒有忘記插上電源。”

該研究團隊已經(jīng)為發(fā)射器申請了專利，還通過芬蘭 Parkzia 項目開發(fā)了可能用于工業(yè)領域的無線充電設備。

04. 結(jié)語：無線充電方便人們生活

無線充電目的是讓智能設備擺脫充電線限制，減少人們使用智能設備受到電量不足因素的影響。

目前除了科研人員在研究無線充電之外，不少手機廠商也開始開發(fā)自己的無線充電方案，比如小米、OPPO 等。隨著各種新型無線充電方案落地，人們的生活將更加方便。

關鍵詞： 芬蘭 阿爾托大學 無線充電系統(tǒng) 設備