清华大学研发无线充电公路

      日益严峻的大气污染形势，让更多人关注无排放的绿色电动小汽车。北京市的新能源电动汽车已进行了两轮的摇号，不过 大部分期待拥有私家车的市民对电动车仍存有顾虑：行驶不到300公里就得充电一次电至少得6个小时，小区还需安装专门的固定充电桩……这些限制因素都让市 民对电动车难以动心。

　　如果在不久的将来，当您驾驶着电动汽车在公路上飞驰，无论是直道还是弯道，无论是隧道还是桥梁，电动车一边行 驶就能一边快速给电池补充电能。之前的顾虑还会存在吗？这不是天方夜谭，来自清华大学汽车工程系的本科生戴亚奇和同学们研发出的“自由”技术就能实现上述 情景。这项技术获得了清华大学第32届“挑战杯”科技竞赛特等奖。

　　发明缘起：研究未来汽车发现瓶颈

　　2011年，戴亚奇进入清华大学汽车工程系就读。从小就对汽车有极大兴趣的他在学校的课堂里如饥似渴地学习，很快就觉得“吃不饱”了，“我想按自己的兴趣再深入一些研究汽车。”他说。2013年10月，他找到了一群志同道合的人，加入了“未来汽车”兴趣团队。

　　这是一个神奇的团队，团队里的成员来自清华各院系。他们大胆想象，对汽车的各个相关领域进行深入探究。有人在研究可以转动的汽车底盘，有人在钻研更具流线型的车身外观，戴亚奇则找到了自己的兴趣所在——无线充电技术。

　　他告诉记者，无线充电源于无线电力传输技术，最基础的原理就是19世纪被发现的电磁感应定律，即闭合电路的一 部分导体在磁场中做切割磁感应线运动，导体中就会产生电流，“也就是说电磁场其实可以传递电量。”2006年，美国麻省理工学院的学生发明了磁谐振式远距 无线充电。目前，诺基亚、三星、英特尔等知名企业已经纷纷推出了自己的无线充电产品及研发计划。

　　在研究中戴亚奇发现，由于磁场方向难以确定，目前无线充电技术的应用都有一个通病，就是充电线圈在接收能量时 必须始终放在发射线圈正上方并固定角度使二者相对。一旦线圈位置或角度偏离，则充电的效率和功率都急剧下降。这个被动接受能量的“瓶颈”使得无线充电在未 来的发展与应用都将遭到很大的影响，“我找遍了专利、学术资料，都没有发现可以攻克这一难题的技术。”

　　戴亚奇决心攻克这一难题。

　　设计过程：发现“三线圈垂直测量接收法”

　　当年年底，他和其他几名同学开始了“自由角度无线充电”的技术研究。他们首先想到的办法是找到能够测交流电磁场方向的装置，找出其中的参数，再找到破解之法。结果却发现，根本就找不到这样的装置。研究一度陷入困境。

　　“后来我们决定干脆自己动手‘白手起家’，设计一个能对准磁场方向并接收能量的装置。”戴亚奇说。于是整个四 人团队开始进入攻坚阶段。只要没有课，他们就泡在综合服务楼内的一间约10平方米的实验室里，“有时做实验晚了，就在那里过夜。”当年寒假，团队成员“晚 走早回”，只休息了半个月。

　　在一次集体头脑风暴中，戴亚奇灵感迸发，他想到了能否利用三个电磁线圈相互垂直进行测量和接收的办法。和同学 进行交流后，他们很快在实验室搭起了台架，进行测试。结果真的成功了。 “当时的那种兴奋绝对要超过考试拿100分。”戴亚奇说，为了保护辛苦得来的科研成果，他们立即着手为这一磁场方向测量方法和装置申请了发明专利。

　　效果展示：半米距离“点亮”二极管

　　不久前，记者在清华大学见到这个“自由角度无线充电”的装置。装置的核心部件如同两个圆环垂直交叉的陀螺仪， 大小如同成年人的手掌。这两个圆环又同时和一个方形框架垂直，“两个圆环三个电磁线圈，这就是三线圈垂直测量接收装置。”介绍，9米的传输距离，意味着能 覆盖18米宽的路面。沿着公路建起无线充电系统，道，这三个线圈中两个用于测量电磁场，一个用于接收电磁场传递的能量。

　　把装置置于实验台架上的任意位置，周围即是磁场。启动装置后，记者发现前方约半米处的一根原本熄灭的二极管很 快发亮，“这说明装置已经准确地将对准了磁场方向，电磁线已经将能量传递到了二极管。”戴亚奇说，系统中接收线圈可自由角度转动，能够测量出发射线圈产生 的交流电磁场方向并自动校准接收线圈。利用该装置可使充电始终对准所在位置的交流电磁场方向，主动地捕捉磁场能量，从而实现在发射线圈附近任意位置的有效 充电。辅以一套现在已经成熟的电量注入技术，就可以对电池进行充电了。

　　当记者提出，用这种无线方式充电是否会影响人体健康时。他表示，这种充电技术中的磁场频率跟手机差不多，且大 部分能量都会被专门设计的接收装置吸收，对人体健康并无大碍。至于如何为这种充电方法进行计费，戴亚齐笑道：“这很简单，跟无线互联网wifi一样，把电 量像流量一样计费就可以了。”

　　前景展望：从手机到宇宙飞船皆可应用

　　采访中戴亚奇表示，目前国外公开的有角度无线充电技术，充电距离能达到9米。他们目前半米的无线充电距离主要 是受到了高频电流的限制，“我们用的是1M赫兹的频率，国外的无线充电技术，电流频率能达到2000赫兹以上。”他说，自己还会和同学一起坚持研究下去， 尽快把这项技术转化为实际的生产力。

　　戴亚奇介绍，9米的传输距离，意味着能覆盖18米宽的路面。沿着公路建起无线充电系统，将充电线圈置于高速公路隔离带，就可以形成一条“充电公路”，在这里，电动汽车可以边行驶边充电，达到持续行驶的功能。

　　戴亚奇相信，这种自由角度无线充电技术在未来有着非常广泛的应用。当人们还在关注着这项新技术能给电动汽车的 推广带来多大动力时，他们的眼光已经放得更加长远。“还有一项巨大的潜在功能就是可以应用在我们的手机上，充电器和移动电源将彻底成为历史。”他说，只要 安装了充电线圈的环境都可以实现对手机进行充电，因为是“自由角度”，所以不管手机是“躺”在桌面上，还是被人握在手里，只要主人愿意，它们可以随时补充 电量。

　　而在更远的未来，戴亚奇说这项技术甚至可以应用在航天飞行器上。他说，现在的飞船在外太空作业时需要消耗大量 电能，这些电能有两个来源，一是自带太阳能电池板发电，二是通过与空间站对接，从那里获得能量，“电池板体积巨大，对接技术难度很高且需要时间较长，而通 过自由角度从空间站无线充电，上述问题就能迎刃而解。”

　　背景：“最未来”大家庭 获近20项创新发明专利

　　在采访中记者了解到，在清华大学，“未来汽车团队”还有11个“兄弟”。包括“未来机器人”、“未来医疗”、“未来航空”等等。他们同属一个大家庭，叫做“最未来”。

　　清华大学团委老师告诉记者，“最未来”是清华为鼓励学生开展科研创新而组建的学生创新群体，学生凭兴趣参与， 没有硬性科研任务，因此可以用轻松的态度来“玩”科技。成立4年来，团队成员超过500人，累计完成百余项科研项目，正在进行的项目达70余项，近半数成 员有科技项目获奖、专利申请、学术论文发表等经历，仅专利就有近20项。

　　记者注意到， “最未来”团队的许多科研成果都来自于学生们对生活的思考。比如学生发现老师经常遇到无线麦克风电池耗尽的麻烦，就发明了无线充电麦克风；因为市面上普通 路由器不支持电脑在校内上网，他们就发明了清华专属路由器；还有的学生在一个玻璃罩内放上平面的LED显示器，通电高速旋转后，可显示五颜六色的立体数 字、汉字、漫画、奔跑或跳远的小人，经编程软件控制后，还可形成定制的图案，目前，这款名为“光的三次方”的小玩具已在淘宝上热卖。