西安交大科研人员在无线电能传输领域取得重要进展

你是否期待有一天我们的手机和电脑无论在哪都不用再四处寻找充电宝亦或电源？是否期待我们不再为电动汽车续驶里程而担忧，可以边开边充？或许动态无线电能传输技术能让我们梦想成真。无线电能传输技术因其极为灵活的供电方式被《麻省理工技术评论》（MIT Technology Review）杂志评选为“十项引领未来的科学技术”之一。21世纪以来，非辐射无线电能传输技术在持续更新的现代物理概念和不断增长的实际需求这两方面因素共同推动下快速发展。无线电能传输系统的传输特性容易因线圈错位和环境变化而被扰动，导致传输功率变化和传输效率下降。近年来，宇称时间对称无线电能传输系统的出现，将非厄米物理的引入到无线电能传输领域，为解决该问题提供了新的思路。然而，如何在稳定频率下为移动接收设备提供稳定高效的无线电能传输仍然是一大挑战。

近日，西安交通大学电气学院先进电磁调控与能量转换技术研究中心（CAEMEC）马西奎教授团队董天宇副教授和邹建龙副教授等通过开展互感耦合多线圈系统和非线性电路的理论研究，发现并提出一种新的理论方案——在三线圈互感耦合谐振电路系统中，利用非线性放大器的自适应增益特性，实现在变化互感耦合参数下的定频高效无线电能传输。该方案指出，在合理的增益损耗参数下，谐振电路系统无需满足宇称时间对称也能稳定高效运行。研究进一步放宽了对系统增益模块电路配置的要求，从而为动态无线电能传输系统以及基于互感耦合谐振电路的其他应用技术提供了极为广阔的设计自由度。该理论框架支持拓展到多源或多负载的系统架构，为实用化的多目标无线电能传输甚至组网技术提供了新的途径，有助于减少诸如电动汽车等移动用电设备对电池的依赖，助力“双碳”目标实现。基于该理论，研究团队构建出一种双发射机单接收机架构的伪厄米无线电能传输系统，并通过实验证实：在强耦合区域内，即使传输距离发生变化，该系统在无需任何主动调节的情况下仍可以实现定频鲁棒无线电能传输；此外，系统能在无线电能传输的同时实现电压等级调控。这种基于非厄米物理的设计方案为推动实用化动态无线电能传输技术提供了强有力的理论支撑，具有广泛的科学价值与应用前景。


图1 三阶伪厄米无线电能传输系统概念图


图2伪厄米稳频无线电能传输系统的传输特性曲线

2月16日，该研究成果以《基于高阶伪厄米物理的稳定频率鲁棒无线电能传输》（Frequency-stable robust wireless power transfer based on high-order pseudo-Hermitian physics）为题在物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表。这是西安交通大学电气工程学院首次作为唯一完成单位在《物理评论快报》发表论文。电气工程学院硕士研究生郝相林和博士研究生殷珂为论文共同第一作者，董天宇副教授和邹建龙副教授为论文共同通讯作者。

近年来，课题组一直致力于非厄米电子学和无线电能传输技术的研究，在相关理论方法发展和实际应用等方面取得了一系列原创性成果，并在 Nature Communications、Physical Review Applied、Applied Physics Letters、IEEE Transactions on Power Electronics等具有影响力的期刊发表了一系列文章。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.077202