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同济大学:拓扑模式实现鲁棒性的无线电能传输
2021-01-13 两江科技评论

  近日,同济大学物理科学与工程学院陈鸿教授课题组在远程无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)领域取得重要进展。该研究提出二聚化拓扑链中的拓扑边界态可用于实现鲁棒性的远程WPT。相关研究成果以“Wireless Power Transfer via Topological Modes in Dimer Chains”为题,发表在国际物理学期刊Physical Review Applied上。同济大学硕士研究生宋娟和杨逢青为共同第一编辑,郭志伟博士后以及李云辉教授为共同通讯编辑,陈鸿教授、孙勇教授、江海涛教授对文章做出了重要贡献。

  研究背景

  近年来,近场调控的一个研究热点是无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)技术,其在包括机器人、移动电话、植入式医疗设备以及电动汽车等诸多方面都具有重要应用价值。传统的基于磁感应式的WPT器件会严重受到传输距离的限制。当接收线圈与发射线圈的距离较大时,传输效率会大大降低。一种有效的解决方案为磁共振式WPT,即在系统发射端和接收端使用两个共振频率相同的线圈进行磁场耦合。磁共振式WPT可以有效的提高WPT的传输距离,但是由于近场的指数衰减特性,磁共振式技术也仅局限于中短程的WPT。最近人们提出利用中继线圈构造“多米诺骨牌”结构来实现远程的磁共振WPT,该方案有效地解决了WPT的传输距离问题,但是这种简单的多共振线圈系统仍然具有一定的局限性:一方面,由于多个共振线圈存在近场耦合作用,所以随着传输距离的变化,相应的工作频率也需要进行相应调整。另一方面,系统中多个共振线圈的排布和构造也非常重要,构造误差或者外部的扰动会对传输效率造成严重的影响。综上,现有的WPT方案都对传输距离和结构扰动具有固有的敏感性,解决这一问题在WPT的实际应用方面仍是一个重要的挑战。

  创新研究

  鉴于此,研究团队于2018年就在国际上首次提出可以利用光学拓扑绝缘体中的拓扑模式实现鲁棒性的WPT[Opt. Express 26, 12891 (2018); Opt. Lett. 43, 5142 (2018)]。近期,该研究团队基于前期的基础研究工作,在实际的WPT系统中构造了具有宇称-时间(PT)对称的非厄米二聚化拓扑系统,并将拓扑边界模式应用于鲁棒性的WPT。

  该研究以磁共振线圈作为结构单元,基于近场耦合的紧束缚模型,设计了具有PT对称的非厄米拓扑结构,并将拓扑链中的拓扑边界模式应用于远程的WPT(如图1)。由于拓扑边界态具有拓扑保护特性,所以其实现的远程WPT对结构的内部扰动和构造误差具有很好的鲁棒性。

  

  图1.二聚化链的不同拓扑构型对传输效率的影响。

  尽管二聚化拓扑链可以实现鲁棒性的WPT,但是其待机功率损耗较为明显,如图2所示。具体来说,就是当系统处于待机状态时,能量仍然可以输入系统,这不仅导致了能量的浪费,而且还存在因为空载功率过大而烧毁电路的风险。此外,由拓扑态实现的等效二阶PT对称系统中,稳定传输能量的频率会随着用电器功率的不同而变化,这一负载依赖的特性就导致了实际应用中必须进行频率追踪,大大增加了设备的复杂性。

  

  图2.等效二阶PT对称的非厄米拓扑系统用于WPT在工作和待机状态时的演示。

  鉴于以上问题,该研究进一步提出将拓扑边界态和拓扑界面态相结合,构造具有高阶PT对称的非厄米系统,并用于实现高效稳定的WPT。图3为等效二阶以及三阶PT对称系统的相图。可以清楚的看到,不同于二阶PT对称系统,三阶PT对称系统对于用电器功率的变化,在工作频率位置始终存在纯实数的本征值,进而可以实现稳定的能量传输。

  

  图3.等效二阶PT对称系统和三阶PT对称系统的相图。

  最后,该研究对等效三阶PT对称非厄米拓扑系统的待机功率进行分析(如图4)。可以看到,考虑系统处于在工作状态时,系统的反射率较低,链两端的LED灯被点亮。而当考虑系统处于待机状态时。在工作频率下,系统的反射率较高,此时链两端的LED灯并没有被点亮,证明了具有有效三阶PT对称的二聚化拓扑链的待机功率损耗很小。

  

  图4.等效三阶PT对称的非厄米拓扑系统用于WPT在工作和待机状态时的演示。

  总结

  该研究在实验上证实了二聚化拓扑链中的拓扑边界态可用于实现鲁棒性的远程WPT。进一步通过将拓扑界面态和拓扑边界态结合的方式,研究了具有高阶PT对称的非厄米拓扑链在WPT方面的应用。该方案相比传统WPT技术具有诸多明显优势:1.待机损耗低。可以很好的避免通常磁共振系统中因为空载功率过大而烧毁电路的风险,大大增加了系统的安全性和稳定性;2.无需频率追踪。当传输距离不同时,无需对工作频率进行追踪,在固定的工作频率始终可以实现稳定的高效传输,大大提高了系统的实用性;3.传输具有鲁棒性。拓扑WPT系统是由拓扑边界态和拓扑界面态实现的,具有拓扑保护性,对系统内部的扰动和构造误差不敏感。

  总的来说,本研究工作将新奇的拓扑模式应用于WPT领域,突破了传统WPT技术在传输距离、频率追踪、负载依赖、待机功率损耗、构造误差敏感、内部损耗影响剧烈等多方面的局限,具有重要的应用价值。

  该工作受到国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中国博士后科学基金、上海市超级博士后等项目资助。

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