最新暗科技!房间级无线电力传输梦想成真,功率超50W
发布日期:2021-09-15 09:33    点击次数:146

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撰文:库珀编审:寇建超排版:李雪薇

21 世纪,家家户户都有各类电子设备,比如手机、智能穿戴、分布式传感器和机器人等,已经通俗行使于工业和幼我生活之中。但是,这些电子设备清淡必要有线充电或一次性电池供电,多多少少照样有点麻烦,而且一次性电池还会造成环境污浊,在如许的背景下,无线电力传输的益处被通俗看益,尤其是陪同着最新无线通信技术的商业化而备受瞩现在。现在的无线功率传输技术,能坦然地将功率传输到一些贴近的电子设备中,但多所周知的题目是,现在可交付的无线充电和传输距离之间的权衡不息在窒碍着此类技术的进一步发展,想要一栽远距离、无线、高功率充电或供电技术,是整个工业界的梦想。现在,这个梦想能够很快要成真了。日前,发外在《自然·电子学》上的一篇最新论文通知了一栽崭新的无线供电暗科技,钻研人员基于多模准静态腔共振(M-QSCR)的手段实现了室内周围的无线功率传输,在整个 3m×3m×2m 的试验室中,实现了超过 37.1% 的功率传输效率,按照坦然指南分析验证,超过 50W 的功率可被输送到移动授与器。

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图|把整个房间变化成无线能量传输编制(来源:Nature Electronics)实验数据证实,这栽货真价实的房间级磁准静态无线电力传输,能够为智能手机和幼家电等电子设备轻盈充电和供电。设想一下,倘若这栽技术能够遍及开来,该有多酷?

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无线功率传输的最新路径业内早期对无线功率传输的尝试,主要基于电磁(EM)辐射(例如微波),尽管当代波束形成技术现在能在肯定距离内有效地传输功率,但它们必要大型天线阵列和复杂的机制来进走不息跟踪。此外,由于微波会与生物结构产生相对较大的副作用,因此能够还会展现坦然题目。为了在不损坏健康的情况下实现更高的功率程度,业界在磁共振耦相符倾向进走了诸多追求,即行使磁场在一对基于线圈的谐振器之间传输功率。然而,随着距离的增补,磁场强度会敏捷降矮,这栽手段的功率传输周围清淡控制在线圈直径附近。此外,由于耦相符不能,具有大发射机和幼授与机的偏差称编制外现出矮效率,并且多线圈的行使仅将该周围扩展到二维外观。准静态谐振腔(QSCR)行使具有中央极和插入集总电容器的房间尺度谐振腔,这栽手段经过通俗分布在结构上的电流在房间内产生三维磁场分布,与行使传统腔谐振器用于无线电源相比,该技术的益处是将主要作梗生物结构的电场控制在集总电容器内,同时还能够经过调整集总电容器的值来调节编制共振频率。然而,QSCR 的场分布是不均匀的,因而导致有很大一片面房间体积的功率传输效率矮下。近来有分析外明,经过将 QSCR 扩展到多模结构,能够在更大体积上实现有效的功率传输。基于此,钻研人员经过实验表明,能够经过行使一个房间周围的多模谐振器来实现,该谐振器能够产生两个稀奇且分布通俗的磁场模式,当一首行使时,这些磁场模式足以遮盖整个体积。实验中,钻研人员行使 M-QSCR 技术在整个尺寸为 3m×3m×2m 的试验室中实现了电力的高效输送,他们行使由导电外观和集电容器构成的共振结构,以适宜具有相互稀奇的振荡外观电流模式的多个共振模式。

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图|M-QSCR 技术原理暗示(来源:Nature Electronics)基于这栽手段,钻研人员展现了电子设备的最新充电和供电手段,如台灯、风扇和智能手机等,都能够在一个带家具的房间里实现无线供电。模拟还外明,如此房间周围的谐振器能够坦然地为功率周围幼到 1/5000 的设备挑供超过 50W 的功率。这栽手段还有两栽模式,被称为极点自力(PI)模式和极点相关(PD)模式。

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图|PI 模式和 PD 模式(来源:Nature Electronics)当 PI 模式被激发时,电流仅流经墙壁、天花板和地板,并在墙壁附近产生强磁场分布;相逆,PD 模式会产生一个流过中央极的电流,该电流会产生一个磁场,该磁场在中央极周围循环,在中央极附近最强。两栽模式产生的磁场分布遮盖了每栽模式的单薄区域。因此,经过复用这些谐振模式,能够获得比任何一栽模式都能遮盖的更大体积的强磁场。

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让人惊喜的功率传输效率钻研人员经过模拟和测量确定 3m×3m×2m 房间尺度谐振器和 150mm×150mm 授与机之间的功率传输效率,授与器的最幼功率为通电周围的 1/5000,这能够被视为高度偏差称的配置,清淡会受到耦相符不能的影响。对于授与器,钻研人员行使六匝 150 mm×150 mm 方形线圈和串联电容器连接以调谐谐振频率,在测量中,行使外部驱动线圈来刺激房间周围谐振器的谐振模式。实验终局外明,该编制形成了一个三维供电周围,两栽模式成功地互补了彼此的零区。整个体积的评估外明,经过基于授与器位置多路复用 PI 和 PD 模式,挑议的手段在 98.0% 的房间体积中实现了超过 50% 的效率。此外,在房间体积内的任何位置,功率传输效率均大于 37.1%。

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图|评估电力传输效率(来源:Nature Electronics)该分析还外明,仅 PD 模式(与先前的单模 QSCR 专门相通)可在 57.5% 的房间体积内实现超过 50% 的效率,其效率在挨近墙壁处则会降矮至 1%;当仅行使 PI 模式时(即省略中央导电极时),可在 52.4% 的房间体积中获得超过 50% 的效率。总的来说,这栽崭新的无线充电手段有以下几个特点:(1)经过行使多个共振模式(即磁场模式),能够遮盖体积的隐微更大片面,而不是单独行使任何一栽模式;(2)功率传输周围挨次形成 3D 体积,传输效率对 z 坐标的倚赖性有限;(3)共振模式的贮备批准省略中央极,这在以前的手段中是必不走少的,同时照样遮盖了房间的大片面。钻研人员还仔细到,所挑出的技术能够在不作梗传统生活手段的情况下无缝地实现无线充电,其中授与器倾向和线圈尺寸会肯定程度影响功率传输效率。

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房间级无线供电,坦然性如何?看到这边,许多人就有疑问了,吾们玩手机都怕被辐射,倘若这项无线充电技术走向家用或在公共环境商用,到底安担心然?对人体有异国重大侵占?在实验中,钻研人员自然也考虑到了这层因素,于是对袒露于电磁场充电周围妻子员的影响进走了测试评估。行为坦然措施参考,联邦通信委员会(FCC)、电气与电子工程师协会(IEEE)等都制定相关于电磁场袒露的指南,在行使的频率周围内,电磁场袒露引首的主要健康影响是温度提高和电刺激。因此,钻研人员认为,相关标准基于生物结构接收的功率(即比接收率(SAR))和对内部电场施添基本控制,是与健康效答相关的物理量。SAR 值取决于输入功率和功率传输效率。例如,倘若编制在非负载(即零效率)条件下驱动,则与高效率条件相比,即使输入功率较矮,袒露程度也会达到监管控制。这是由于功率传输效率的增补增补了传送到授与器的功率的比例,因此,存储在房间尺度谐振器中的无功能量的比例降矮。对于后续的坦然性分析,钻研人员们分析了当编制以 50% 的功率传输效率运走时,SAR 达到监管阈值时的输入功率控制。

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图|基于 SAR 的坦然性评价(来源:Nature Electronics)出于坦然首见,他们采用了一个 1.88m 全身解剖学模型,该模型沿房间中央和墙壁之间的线安放在 3 个位置,身体模型的每个位置考虑 2 个共振模式,统统测试了 6 栽配置。实验发现,对于每个构型,片面 SAR 的阈值都比全身平均 SAR 的阈值更早达到,且由于这些终局基于 50% 的功率传输效率,因此输送至负载的功率为输入功率的一半。实验中,一切测试配置的输入功率阈值均大于 100 W,此外,倘若人员被正当安放或控制在特定区域,输入功率能够会进一步增补。但团体来看,这项技术在相符理参数周围内是可控的。还有一点上风是,由于这项钻研挑出的手段是行使准静态磁场,经过调整集总电容的值,能够变通地确定房间尺寸和授与器尺寸,与做事波长无关。另外,行使准静态磁场的另一个益处是,平时家居物体的存在不会隐微影响编制的运走成果。钻研人员展看,鉴于编制尺寸的变通性和对外部物体造成作梗的鲁棒性,这项技术有看通俗行使于各栽场景,包括充电柜、无线充电室和工厂等。现在唯一的控制是授与器线圈还必要与环境磁场垂直定向,以在每个点获得最大效率,但钻研人员外示,由于这栽供电或充电技术技术遮盖了整个房间的体积,异日能够经过许多外围的技术克服这一挑衅。

参考原料:

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00636-3

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