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日益嚴峻的大氣污染形勢，讓更多人關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，小區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，來自清華大學汽車工程系的本科生戴亞奇和同學們研發出的“自由”技術就能實現上述情景。這項技術獲得了清華大學第32屆“挑戰杯”科技競賽特等獎。     發明緣起：研究未來汽車發現瓶頸

    2011年，戴亞奇進入清華大學汽車工程系就讀。從小就對汽車有極大興趣的他在學校的課堂里如饑似渴地學習，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”興趣團隊。
    這是一個神奇的團隊，團隊里的成員來自清華各院系。他們大膽想象，對汽車的各個相關領域進行深入探究。有人在研究可以轉動的汽車底盤，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。
    他說，無線充電源于無線電力傳輸技術，最基礎的原理就是19世紀被發現的電磁感應定律，即閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感應線運動，導體中就會產生電流，“也就是說電磁場其實可以傳遞電量。”2006年，美國麻省理工學院的學生發明了磁諧振式遠距無線充電。目前，諾基亞、三星、英特爾等知名企業已經紛紛推出了自己的無線充電產品及研發計劃。
    在研究中戴亞奇發現，由于磁場方向難以確定，目前無線充電技術的應用都有一個通病，就是充電線圈在接收能量時必須始終放在發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展與應用都將遭到很大的影響，“我找遍了專利、學術資料，都沒有發現可以攻克這一難題的技術。”
    戴亞奇決心攻克這一難題。

    設計過程：發現“三線圈垂直測量接收法”

    當年年底，他和其他幾名同學開始了“自由角度無線充電”的技術研究。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，再找到破解之法。結果卻發現，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’，設計一個能對準磁場方向并接收能量的裝置。”戴亞奇說。于是整個四人團隊開始進入攻堅階段。只要沒有課，他們就泡在綜合服務樓內的一間約10平方米的實驗室里，“有時做實驗晚了，就在那里過夜。”當年寒假，團隊成員“晚走早回”，只休息了半個月。
    在一次集體頭腦風暴中，戴亞奇靈感迸發，他想到了能否利用三個電磁線圈相互垂直進行測量和接收的辦法。和同學進行交流后，他們很快在實驗室搭起了臺架，進行測試。結果真的成功了。“當時的那種興奮絕對要超過考試拿100分。”戴亞奇說，為了保護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明專利。

    效果展示：半米距離“點亮”二極管

    不久前，在清華大學見到這個“自由角度無線充電”的裝置。裝置的核心部件如同兩個圓環垂直交叉的陀螺儀，大小如同成年人的手掌。這兩個圓環又同時和一個方形框架垂直，“兩個圓環三個電磁線圈，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，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。
    把裝置置于實驗臺架上的任意位置，周圍即是磁場。啟動裝置后，發現前方約半米處的一根原本熄滅的二極管很快發亮，“這說明裝置已經準確地將對準了磁場方向，電磁線已經將能量傳遞到了二極管。”戴亞奇說，系統中接收線圈可自由角度轉動，能夠測量出發射線圈產生的交流電磁場方向并自動校準接收線圈。利用該裝置可使充電始終對準所在位置的交流電磁場方向，主動地捕捉磁場能量，從而實現在發射線圈附近任意位置的有效充電。輔以一套現在已經成熟的電量注入技術，就可以對電池進行充電了。
    當問到，用這種無線方式充電是否會影響人體健康時。他表示，這種充電技術中的磁場頻率跟手機差不多，且大部分能量都會被專門設計的接收裝置吸收，對人體健康并無大礙。至于如何為這種充電方法進行計費，戴亞齊笑道：“這很簡單，跟無線互聯網wifi一樣，把電量像流量一樣計費就可以了。”

    前景展望：從手機到宇宙飛船皆可應用

    戴亞奇表示，目前國外公開的有角度無線充電技術，充電距離能達到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，電流頻率能達到2000赫茲以上。”他說，自己還會和同學一起堅持研究下去，盡快把這項技術轉化為實際的生產力。
    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，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，達到持續行駛的功能。
    戴亞奇相信，這種自由角度無線充電技術在未來有著非常廣泛的應用。當人們還在關注著這項新技術能給電動汽車的推廣帶來多大動力時，他們的眼光已經放得更加長遠。“還有一項巨大的潛在功能就是可以應用在我們的手機上，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境都可以實現對手機進行充電，因為是“自由角度”，所以不管手機是“躺”在桌面上，還是被人握在手里，只要主人愿意，它們可以隨時補充電量。
    而在更遠的未來，戴亞奇說這項技術甚至可以應用在航天飛行器上。他說，現在的飛船在外太空作業時需要消耗大量電能，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，對接技術難度很高且需要時間較長，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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