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一种强大而有效的无线功率传输系统

当前的通过无线技术为电子设备充电的方法仅在将整个系统参数设置为匹配特定传输距离的情况下才有效。结果,这些方法仅限于固定功率传输应用,这意味着接收功率的设备需要与提供功率的电源保持特定距离,以使功率传输成功。

斯坦福大学的研究人员最近开发了一种新技术,无论设备与电源之间的距离如何,它都可以实现更高效的无线电力传输。他们的论文发表在《自然电子学》上,可以帮助克服现有工具对电子设备进行无线充电的当前局限性。

进行这项研究的研究人员之一西德·阿萨瓦沃拉里特(Sid Assawaworrarit)对Phys.org表示:“我们研究的主要目的是克服动态无线充电的障碍。” “我们的想法是基于奇偶时间对称性(PT对称性),它涉及具有平衡增益和损耗的系统。”

在他们以前的一项研究中,Assawaworrarit和他的同事Shanhui Fan引入了一种非线性PT对称电路设置,该设置可以提供可靠的无线功率传输,即使设备在给定空间中快速移动时也可以保持这种功能。尽管他们的系统取得了可喜的成果,但其总体效率却远远不能令人满意。在他们的新研究中,研究人员介绍了一种设计策略,使他们先前开发的系统更加强大和高效。

Assawaworrarit解释说:“通过将放大器作为增益元件并入我们提议的无线电力传输系统的源端,可以实现我们系统的鲁棒性。” “增益允许随着时间的推移在系统中建立振荡,振荡频率是增长最快的频率。这与振荡器中发生的情况相似,不同之处在于电源和负载在空间上是分开的。”

系统固有频率是系统正常运行并有助于向设备高效传输功率的频率。在研究人员设计的系统中,该振荡频率自适应于变化的条件,这可能是设备接收功率在亚毫秒级的运动,从而即使在设备快速运动时也能保持有效的传输点。

研究人员开发的无线电力传输系统的概念图。图片提供:Assawaworrarit和Fan。

Assawaworrarit说:“通过精心设计增益元件,可以达到我们系统的高效率。” “在我们较早的工作中使用的现成放大器通过切掉一部分直流电源来产生输入信号的放大版本,该部分直流电源不会随着输出振荡而消失,因此通常效率很低。大约等于或小于50%。”

通过使用开关模式放大器,Assawaworrarit和Fan能够防止效率损失,这些损失阻碍了他们在先前研究中开发的电路设置的整体性能。他们使用的放大器通过将晶体管用作受控开关来防止这种效率下降,该晶体管在系统打开或关闭时均不消耗功率。

Assawaworrarit说:“但是,由于需要满足有效的开关条件和输出功率(通常对频率敏感),开关模式放大器通常设计用于狭窄的工作频带。” “通过正确的电路设计,可以消除传输距离中耦合和本征频率变化的影响,因此,可以在较宽的传输距离范围内保持有效的开关条件。”

研究人员设计的新型无线充电系统的主要优势在于其坚固性,无论设备离电源有多远。该系统可以在亚毫秒级的时间范围内快速适应,这意味着即使设备以极高的速度移动,例如,如果所讨论的设备是在高速公路上行驶的汽车,它也可以实现远程无线充电。

参与这项研究的另一位研究员范说:“这项研究代表了理论和实践上的重大贡献。” “就理论贡献而言,我们的工作指出了非线性对PT对称系统动力学的重要性。从实践的角度来看,我们的工作表明动态无线电力传输可以同时进行,这是朝着动态无线电力传输迈出的重要一步。强大而有效。”

在一系列的初步测试中,新系统取得了显着的效果,因为它能够通过无线技术有效地将大约10W的功率传输到移动设备,该移动设备与信号源的距离在0到65 cm之间,并且几乎保持恒定总效率为92%。将来,可以进一步改进该系统,以实现从更大范围的距离传输更多能量。

阿萨瓦沃拉里特说:“有一些值得我们进一步研究的途径。” “对于某些应用,例如给行驶中的汽车充电,在行车道下嵌入一系列源线圈是有益的。在这种情况下,研究其最佳放置和相互作用应该是有用的。进一步增加了功率消耗转移也很重要,特别是对于车辆应用。”

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