日益嚴(yán)峻的大氣污染形勢，讓更多人關(guān)注無排放的綠色電動小汽車。北京市的新能源電動汽車已進(jìn)行了兩輪的搖號，不過大部分期待擁有私家車的市民對電動車仍存有顧慮：行駛不到300公里就得充電一次電至少得6個小時(shí)，小區(qū)還需安裝專門的固定充電樁……這些限制因素都讓市民對電動車難以動心。
    如果在不久的將來，當(dāng)您駕駛著電動汽車在公路上飛馳，無論是直道還是彎道，無論是隧道還是橋梁，電動車一邊行駛就能一邊快速給電池補(bǔ)充電能。之前的顧慮還會存在嗎？這不是天方夜譚，來自清華大學(xué)汽車工程系的本科生戴亞奇和同學(xué)們研發(fā)出的“自由”技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)上述情景。這項(xiàng)技術(shù)獲得了清華大學(xué)第32屆“挑戰(zhàn)杯”科技競賽特等獎。     發(fā)明緣起：研究未來汽車發(fā)現(xiàn)瓶頸

    2011年，戴亞奇進(jìn)入清華大學(xué)汽車工程系就讀。從小就對汽車有極大興趣的他在學(xué)校的課堂里如饑似渴地學(xué)習(xí)，很快就覺得“吃不飽”了，“我想按自己的興趣再深入一些研究汽車。”他說。2013年10月，他找到了一群志同道合的人，加入了“未來汽車”興趣團(tuán)隊(duì)。
    這是一個神奇的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)里的成員來自清華各院系。他們大膽想象，對汽車的各個相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行深入探究。有人在研究可以轉(zhuǎn)動的汽車底盤，有人在鉆研更具流線型的車身外觀，戴亞奇則找到了自己的興趣所在——無線充電技術(shù)。
    他說，無線充電源于無線電力傳輸技術(shù)，最基礎(chǔ)的原理就是19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，即閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，“也就是說電磁場其實(shí)可以傳遞電量。”2006年，美國麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了磁諧振式遠(yuǎn)距無線充電。目前，諾基亞、三星、英特爾等知名企業(yè)已經(jīng)紛紛推出了自己的無線充電產(chǎn)品及研發(fā)計(jì)劃。
    在研究中戴亞奇發(fā)現(xiàn)，由于磁場方向難以確定，目前無線充電技術(shù)的應(yīng)用都有一個通病，就是充電線圈在接收能量時(shí)必須始終放在發(fā)射線圈正上方并固定角度使二者相對。一旦線圈位置或角度偏離，則充電的效率和功率都急劇下降。這個被動接受能量的“瓶頸”使得無線充電在未來的發(fā)展與應(yīng)用都將遭到很大的影響，“我找遍了專利、學(xué)術(shù)資料，都沒有發(fā)現(xiàn)可以攻克這一難題的技術(shù)。”
    戴亞奇決心攻克這一難題。

    設(shè)計(jì)過程：發(fā)現(xiàn)“三線圈垂直測量接收法”

    當(dāng)年年底，他和其他幾名同學(xué)開始了“自由角度無線充電”的技術(shù)研究。他們首先想到的辦法是找到能夠測交流電磁場方向的裝置，找出其中的參數(shù)，再找到破解之法。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，根本就找不到這樣的裝置。研究一度陷入困境。
    “后來我們決定干脆自己動手‘白手起家’，設(shè)計(jì)一個能對準(zhǔn)磁場方向并接收能量的裝置。”戴亞奇說。于是整個四人團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)入攻堅(jiān)階段。只要沒有課，他們就泡在綜合服務(wù)樓內(nèi)的一間約10平方米的實(shí)驗(yàn)室里，“有時(shí)做實(shí)驗(yàn)晚了，就在那里過夜。”當(dāng)年寒假，團(tuán)隊(duì)成員“晚走早回”，只休息了半個月。
    在一次集體頭腦風(fēng)暴中，戴亞奇靈感迸發(fā)，他想到了能否利用三個電磁線圈相互垂直進(jìn)行測量和接收的辦法。和同學(xué)進(jìn)行交流后，他們很快在實(shí)驗(yàn)室搭起了臺架，進(jìn)行測試。結(jié)果真的成功了。“當(dāng)時(shí)的那種興奮絕對要超過考試拿100分。”戴亞奇說，為了保護(hù)辛苦得來的科研成果，他們立即著手為這一磁場方向測量方法和裝置申請了發(fā)明專利。

    效果展示：半米距離“點(diǎn)亮”二極管

    不久前，在清華大學(xué)見到這個“自由角度無線充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個圓環(huán)垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個圓環(huán)又同時(shí)和一個方形框架垂直，“兩個圓環(huán)三個電磁線圈，這就是三線圈垂直測量接收裝置。”介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無線充電系統(tǒng)，道，這三個線圈中兩個用于測量電磁場，一個用于接收電磁場傳遞的能量。
    把裝置置于實(shí)驗(yàn)臺架上的任意位置，周圍即是磁場。啟動裝置后，發(fā)現(xiàn)前方約半米處的一根原本熄滅的二極管很快發(fā)亮，“這說明裝置已經(jīng)準(zhǔn)確地將對準(zhǔn)了磁場方向，電磁線已經(jīng)將能量傳遞到了二極管。”戴亞奇說，系統(tǒng)中接收線圈可自由角度轉(zhuǎn)動，能夠測量出發(fā)射線圈產(chǎn)生的交流電磁場方向并自動校準(zhǔn)接收線圈。利用該裝置可使充電始終對準(zhǔn)所在位置的交流電磁場方向，主動地捕捉磁場能量，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)射線圈附近任意位置的有效充電。輔以一套現(xiàn)在已經(jīng)成熟的電量注入技術(shù)，就可以對電池進(jìn)行充電了。
    當(dāng)問到，用這種無線方式充電是否會影響人體健康時(shí)。他表示，這種充電技術(shù)中的磁場頻率跟手機(jī)差不多，且大部分能量都會被專門設(shè)計(jì)的接收裝置吸收，對人體健康并無大礙。至于如何為這種充電方法進(jìn)行計(jì)費(fèi)，戴亞齊笑道：“這很簡單，跟無線互聯(lián)網(wǎng)wifi一樣，把電量像流量一樣計(jì)費(fèi)就可以了。”

    前景展望：從手機(jī)到宇宙飛船皆可應(yīng)用

    戴亞奇表示，目前國外公開的有角度無線充電技術(shù)，充電距離能達(dá)到9米。他們目前半米的無線充電距離主要是受到了高頻電流的限制，“我們用的是1M赫茲的頻率，國外的無線充電技術(shù)，電流頻率能達(dá)到2000赫茲以上。”他說，自己還會和同學(xué)一起堅(jiān)持研究下去，盡快把這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的生產(chǎn)力。
    戴亞奇介紹，9米的傳輸距離，意味著能覆蓋18米寬的路面。沿著公路建起無線充電系統(tǒng)，將充電線圈置于高速公路隔離帶，就可以形成一條“充電公路”，在這里，電動汽車可以邊行駛邊充電，達(dá)到持續(xù)行駛的功能。
    戴亞奇相信，這種自由角度無線充電技術(shù)在未來有著非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)人們還在關(guān)注著這項(xiàng)新技術(shù)能給電動汽車的推廣帶來多大動力時(shí)，他們的眼光已經(jīng)放得更加長遠(yuǎn)。“還有一項(xiàng)巨大的潛在功能就是可以應(yīng)用在我們的手機(jī)上，充電器和移動電源將徹底成為歷史。”他說，只要安裝了充電線圈的環(huán)境都可以實(shí)現(xiàn)對手機(jī)進(jìn)行充電，因?yàn)槭?ldquo;自由角度”，所以不管手機(jī)是“躺”在桌面上，還是被人握在手里，只要主人愿意，它們可以隨時(shí)補(bǔ)充電量。
    而在更遠(yuǎn)的未來，戴亞奇說這項(xiàng)技術(shù)甚至可以應(yīng)用在航天飛行器上。他說，現(xiàn)在的飛船在外太空作業(yè)時(shí)需要消耗大量電能，這些電能有兩個來源，一是自帶太陽能電池板發(fā)電，二是通過與空間站對接，從那里獲得能量，“電池板體積巨大，對接技術(shù)難度很高且需要時(shí)間較長，而通過自由角度從空間站無線充電，上述問題就能迎刃而解。”
 
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