諧振式非接觸供電技術(shù)研究

摘要：對諧振式非接觸供電技術(shù)從其技術(shù)原理、技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用領(lǐng)域作了闡述，并對其領(lǐng)域的專利申請作了詳細(xì)的統(tǒng)計和分析。數(shù)據(jù)顯示，諧振式非接觸供電技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量逐年迅猛增加，我國申請人的申請量相對其他國家遙遙領(lǐng)先，占據(jù)了超過50%的比例。日本、美國、韓國這些國家產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，對技術(shù)的應(yīng)用能力很強(qiáng)，并且他們也是我國消費(fèi)產(chǎn)品的重要供應(yīng)國，應(yīng)該加強(qiáng)對這些國家所涉及的最新技術(shù)的跟蹤。同時對諧振式非接觸供電技術(shù)的發(fā)展前景作了分析，以期能夠?yàn)楸绢I(lǐng)域中的同行提供幫助和參考。

關(guān)鍵詞：供電；非接觸；諧振；共振

中國分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0224-03

非接觸供電技術(shù)，顧名思義，就是利用一種特殊設(shè)備將電源插座的電力轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙潆姷碾姴?，從而在扔掉電線的情況下直接對電子設(shè)備充電（無需任何物理上的連接，可以將電能非接觸地傳輸給負(fù)載）。非接觸供電技術(shù)（WPS，wireless power supply）又稱為非接觸供電技術(shù)、非接觸電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer Technology）、非接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission，CPT）、非接觸能量傳輸（NCPS，non-contact power supply）、感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT，inductive coupled power transfer）或松耦合電能傳輸（LCIPT，loosely coupled inductive power transfer）等。非接觸供電技術(shù)起源于1890年，物理學(xué)家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）已經(jīng)做了非接觸輸電試驗(yàn)，在1891年發(fā)明了“特斯拉線圈”。特斯拉構(gòu)想的非接觸輸電方法因財力不足，這一大膽構(gòu)想并沒有得到實(shí)現(xiàn)。之后，人們雖然從理論上完全證實(shí)了這種方案的可行性，但是由于技術(shù)發(fā)展水平上的限制，想要在世界范圍內(nèi)進(jìn)行能量廣播和免費(fèi)獲取是不可能的。因此，一個偉大的科學(xué)設(shè)想就這樣“胎死腹中”。[1-9]

非接觸供電技術(shù)的發(fā)展主要依賴于三大技術(shù)（磁耦合技術(shù)、高頻電源技術(shù)和電力電子技術(shù)），其主要分為三大類（電磁感應(yīng)、電磁共振、微波傳輸），通常三者的使用頻率范圍為f1（電磁感應(yīng)）

業(yè)界首個且唯一的非接觸充電標(biāo)準(zhǔn)為Qi非接觸充電低功耗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，讀音為“chee”，取自“生命能量”之意。到2013 年，全球非接觸充電市場預(yù)測為140億美元。目前非接觸充電聯(lián)盟的企業(yè)包括Atmel、Callpod、LG 電子、美國國家半導(dǎo)體、諾基亞、奧林巴斯、飛利浦、Rohm、三星電子、桑菲通訊、索愛、德州儀器、中光電等60家企業(yè)。中國作為世界最大的非接觸移動通信市場，應(yīng)用需求龐大。中國桑菲通訊是非接觸充電聯(lián)盟的十家常委企業(yè)之一。[10-15]

本文將基于諧振式非接觸供電技術(shù)的技術(shù)原理、特點(diǎn)、應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行介紹，并對其在國內(nèi)的專利申請情況進(jìn)行統(tǒng)計與分析，以期能夠?yàn)楸绢I(lǐng)域中的同行提供幫助和參考。

一、諧振式非接觸供電技術(shù)

1.技術(shù)原理

諧振是一種非常高效的能量傳輸方式，其基本原理是：兩個振動頻率相同的物體之間可以高效地傳輸能量，而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響，根據(jù)諧振的特性，能量傳輸是一個諧振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對諧振系統(tǒng)以外的物體沒有影響。

圖1為一個典型的諧振式非接觸供電系統(tǒng)的示意圖。發(fā)送系統(tǒng)由一個LC諧振電路和激勵線圈A組成，通過直接耦合把能量從激磁線圈A傳到諧振電路線圈。電磁接收系統(tǒng)由另一個LC諧振電路和負(fù)載線圈B組成，通過直接耦合關(guān)系把能量從諧振電路的線圈傳到負(fù)載線圈。功率變換系統(tǒng)同樣包括初級的變換器和次級變換器。輸入電源經(jīng)初級變換系統(tǒng)變換為高頻電壓源后驅(qū)動發(fā)送系統(tǒng)的激勵線圈A，激勵線圈A通過電磁感應(yīng)的方式與發(fā)送系統(tǒng)諧振電路的線圈S進(jìn)行耦合，在發(fā)射線圈S周圍形成一個非輻射磁場，將電能轉(zhuǎn)換為磁場能，接收系統(tǒng)諧振電路的固有頻率與發(fā)送系統(tǒng)相同，接收系統(tǒng)諧振電路的線圈D在線圈S的非輻射磁場中接收能量，即發(fā)射線圈S和接收線圈D間通過電磁耦合諧振完成功率傳輸，最后負(fù)載線圈B同樣通過感應(yīng)方式從接收線圈D獲取能量。發(fā)送、接收系統(tǒng)的LC 諧振電路，其諧振頻率要與驅(qū)動電路頻率一致。高頻電壓源通常由工頻交流電源、工頻整流模塊、高頻逆變模塊構(gòu)成。其中，高頻逆變電路是諧振式非接觸供電系統(tǒng)中非常重要的組成部分，其設(shè)計將很大程度上影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和高效性。高頻逆變電路的設(shè)計主要有三個要求：能工作在1MHz以上的頻率；具有一定的功率輸出；具有較高的效率。目前的高頻逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全橋拓?fù)?、半橋拓?fù)?、推挽式拓?fù)?、能量注入型諧振式拓?fù)洹⒆约ふ袷幨街C振拓?fù)?、E 類諧振式拓?fù)涞鹊?。[16-21]

2.技術(shù)優(yōu)勢

諧振式非接觸供電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用無線磁電感應(yīng)充電的設(shè)備可做到隱形，設(shè)備磨損率低，應(yīng)用范圍廣，公共充電區(qū)域面積相對的減小，但減小的占地面積份額不會太大。

（2）技術(shù)含量高，操作方便，可實(shí)施相對來說的遠(yuǎn)距離無線電能的轉(zhuǎn)換，但大功率無線充電的傳輸距離只限制在5米以內(nèi)，不會太遠(yuǎn)。

（3）操作方便。

3.應(yīng)用領(lǐng)域

諧振式非接觸供電技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，如電動汽車、如手機(jī)、電動牙刷、電動剃須刀、筆記本電腦充電等。[22-30]其市場的強(qiáng)烈需求尤其表現(xiàn)在無線充電領(lǐng)域，隨著iPhone、iPad等對電量充滿“饑渴”的設(shè)備迅速興起，研發(fā)無線充電等突破性充電技術(shù)的需求日益提高。富士通在一份聲明中說：“這項(xiàng)技術(shù)將為手機(jī)集合緊湊型無線充電功能以及同時為多個便攜式設(shè)備充電鋪平道路。對多個設(shè)備充電時，設(shè)備相對于充電器的位置沒有任何限制?！?。

二、諧振式非接觸供電的專利申請

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，諧振式非接觸供電技術(shù)的專利申請量也在不斷增加。由于諧振式非接觸供電技術(shù)分類準(zhǔn)確，主要以國際分類號H02J17/00（用電磁波供電或配電的系統(tǒng)）進(jìn)行篩選，并可以結(jié)合典型關(guān)鍵詞：非接觸 or 非接觸 or 不接觸 or 無觸點(diǎn) or 非接觸、諧振 or 共振 or 振蕩 or 諧震 or 共震 or 震蕩 or 磁耦合 or 磁諧振、（no w contact）、（contact w free）、（non w contact）、（none w contact）、wireless 、contactless+、nonline、lineless、resona+、oscillat+進(jìn)行進(jìn)一步篩選。目前，中文摘要庫CNABS中H02J17/00（用電磁波供電或配電的系統(tǒng)）分類號下的專利申請已達(dá)3084篇。

從圖2可以看出，近幾年有關(guān)諧振式非接觸供電技術(shù)領(lǐng)域的申請量快速增長，1995年之前在中國的申請量幾乎為零，到2000年申請量也僅僅為幾十件，但是2010年之后的年申請量一躍達(dá)到上千件?；谥C振式非接觸供電技術(shù)廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域及與該技術(shù)相關(guān)的數(shù)碼產(chǎn)品為人們?nèi)粘Ｉ顜淼臒o語倫比的便攜優(yōu)勢必然會受到各國越來越多的青睞，那么申請量維持高增長率也是一個必然趨勢。

從圖3和表1可以看出，國外大公司的申請量比較大，位居前列的有：高通股份有限公司、索尼公司、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社、三星電子株式會社、精工愛普生株式會社、豐田自動車株式會社。我國的申請人則以大學(xué)為主，包括東南大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，諧振式非接觸供電技術(shù)申請以公司和企業(yè)為主體，個人申請的比例也占20%，這說明諧振式非接觸供電技術(shù)的門檻并不高，這與該項(xiàng)技術(shù)原理簡單分不開。而國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的申請相對來說，所占的比例極小。這也反映出國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)對該技術(shù)領(lǐng)域沒有足夠的重視，投入的科研力量比較少。

從圖5可以看出，我國申請人的申請量相對其他國家遙遙領(lǐng)先，占據(jù)了超過50%的比例，這說明我國在諧振式非接觸供電技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和探索還是很活躍的。但不容忽視的是，日本、美國、韓國和德國盡管申請量相對較少，但產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，起步比較早，技術(shù)相對來說比較前沿，對技術(shù)的應(yīng)用能力很強(qiáng)，并且他們也是我國消費(fèi)產(chǎn)品的重要供應(yīng)國，因此，應(yīng)該加強(qiáng)對這些國家所涉及的最新技術(shù)的跟蹤。就目前市場中出現(xiàn)的諧振式給接觸供電產(chǎn)品，我國研發(fā)的產(chǎn)品相對美國、日本、韓國來說技術(shù)上還處于下風(fēng)，說明我國研發(fā)轉(zhuǎn)化能力還很薄弱，企業(yè)的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化與科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)能力沒有緊密結(jié)合。

隨著各國在諧振式非接觸供電技術(shù)領(lǐng)域的投入研發(fā)，諧振式非接觸供電技術(shù)日益成熟，與傳統(tǒng)的接觸式供電方式相比，在傳輸效率、輻射、成本等方面都取得了突破性的進(jìn)展。尤其體現(xiàn)在數(shù)碼產(chǎn)品中支持無線充電的設(shè)備上，比如谷歌的Nexus4和諾基亞Lumia920。近日公開的蘋果公司的一項(xiàng)發(fā)明專利申請涉及一種基于“近場磁共振”的諧振式非接觸供電技術(shù)，其能夠支持1米范圍的充電區(qū)域，只要設(shè)備在充電區(qū)域內(nèi)就可以進(jìn)行無線充電。根據(jù)蘋果對新技術(shù)的運(yùn)用能力以及受關(guān)注度，相信諧振式非接觸供電技術(shù)很快將成為各大廠商競爭的利器。諧振式非接觸供電技術(shù)的前景必將更加廣闊。

三、結(jié)語

本文對諧振式非接觸供電技術(shù)從其技術(shù)原理、技術(shù)優(yōu)勢、應(yīng)用領(lǐng)域作了闡述，并對其領(lǐng)域的專利申請作了詳細(xì)的統(tǒng)計和分析。數(shù)據(jù)顯示，近幾年的申請量快速增長，從申請人來看國外的申請人主要是一些知名的大公司，主要集中在日本、美國、韓國，我國申請人則以大學(xué)、公司、個人為主，而大學(xué)中東南大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)申請量比較大。希望在不遠(yuǎn)的未來會出現(xiàn)更多的非接觸供電產(chǎn)品，惠及人們的生活。

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注：本文第二作者所做的貢獻(xiàn)與第一作者相同，但限于版面設(shè)計，被列為第二作者。

（責(zé)任編輯：王祝萍）