非接觸電能傳輸技術(shù)專利分析

李文超 封迪

摘 要：該文基于Incopat專利數(shù)據(jù)庫，以2020年10月16日前的電氣化軌道交通領(lǐng)域的專利為依據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)電氣化軌道交通領(lǐng)域?qū)＠M(jìn)行梳理，針對(duì)非接觸電能傳輸領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)，從多個(gè)技術(shù)分支解讀當(dāng)前非接觸電能傳輸領(lǐng)域的專利發(fā)展路線及專利布局方向。挖掘出該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的競(jìng)爭信息和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而勾勒出電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸領(lǐng)域?qū)＠恼w發(fā)展態(tài)勢(shì)，為我國相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣化交通非接觸電能傳輸電路拓?fù)鋵＠暾?qǐng)人

中圖分類號(hào)：TN925文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2021）09（c）-0000-00

Wireless Power Transmission Technology Patent Analysis

LI Wenchao ?FENG Di

（CRRC QingdaoSifang Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong Province， 266111 China）

Abstract： Based on Incopat patent database， this paper uses the patents in the field of electrified rail transportation before October 16， 2020 as the basis， and uses the statistical analysis method to sort out the patents in the field of electrified rail transportation， and to interpret the current patent development routes and patent layout directions in the field of wireless power transmission from several technical branches with respect to the key technologies in the field of wireless power transmission. The information on the competition and the development trend of the patent technology in this field are unearthed， and then the overall development trend of the patents in the field of wireless power transmission in the field of electrified transportation is outlined to provide reference for the development of related technologies in China.

Key Words：Electrified transportation; Wireless Power Transmission; Circuit Topology; Patent; Applicant

近年來，非接觸電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transmission，WPT）快速發(fā)展，尤其是通過高頻交變磁場(chǎng)和諧振式磁耦合實(shí)現(xiàn)的非接觸式電能傳輸?shù)拇篷詈现C振式無線電能傳輸技術(shù)，為供電問題提供了新的解決方案[1]。隨著WPT理論基礎(chǔ)趨于成熟，相關(guān)應(yīng)用研究也得以迅速開展。在電氣化交通領(lǐng)域，面向電動(dòng)汽車的無線充電技術(shù)已邁入實(shí)用化階段，同時(shí)許多國家針對(duì)軌道交通也建設(shè)了無線電能傳輸方式的實(shí)驗(yàn)軌道路線[2]。

為掌握非接觸電能傳輸技術(shù)在電氣化交通領(lǐng)域的最新研發(fā)和應(yīng)用情況，該文通過對(duì)電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸技術(shù)路線進(jìn)行梳理，了解當(dāng)下電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸?shù)陌l(fā)展態(tài)勢(shì)。

1研究方法

針對(duì)電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸專利文獻(xiàn)，在IncoPat專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行全球?qū)＠麢z索，檢索時(shí)間截止至2020年10月16日，檢索到全球相關(guān)專利申請(qǐng)4644件。同時(shí)，通過聚焦電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人，梳理出電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸技術(shù)的技術(shù)發(fā)展路線。

2專利態(tài)勢(shì)分析

2.1專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)

為了解電氣化交通領(lǐng)域電能傳輸技術(shù)在全球的發(fā)展情況，通過對(duì)電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量對(duì)專利申請(qǐng)年度進(jìn)行作圖，得到全球申請(qǐng)量年度變化趨勢(shì)圖。

從全球?qū)＠麘B(tài)勢(shì)來看，可以分為兩個(gè)階段[3]：第一階段為1994—2007年，專利年申請(qǐng)數(shù)量較少;在該階段的申請(qǐng)專利涉及非接觸電能傳輸?shù)木€圈設(shè)計(jì)、電能傳輸方式等方面。奧克蘭大學(xué)的專利US5821638A涉及感應(yīng)線圈，通過圍繞可磁化芯的次級(jí)導(dǎo)體設(shè)置，提高電能傳輸效率。第二階段為2008—2018年，該階段專利申請(qǐng)量快速增長。在該階段主要涉及非接觸電能傳輸技術(shù)與車輛結(jié)合的技術(shù)改進(jìn)等方面。龐巴迪公司專利US10543751B2涉及無線供電過程中的車地通信，用于控制感應(yīng)能量或功率向車輛的傳輸。西門子公司專利US20150293253A1涉及一種用于檢查導(dǎo)電體存在的裝置和充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸電能傳輸過程中的異物檢測(cè)。同時(shí)，由于專利數(shù)據(jù)的公開存在18個(gè)月左右的滯后期，因此有關(guān)2019和2020年的數(shù)據(jù)不夠完整，僅做參考。

2.2 國家地域分布

為了解電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸專利申請(qǐng)地域情況，將專利申請(qǐng)的公開國或地區(qū)與專利申請(qǐng)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，從而得到專利申請(qǐng)國家/地區(qū)分布圖。

圖2為非接觸電能傳輸專利申請(qǐng)量前十國家/地區(qū)分布圖，從圖中可以看出，專利申請(qǐng)地域主要分布在中國、日本和美國，其次分布在韓國、德國、英國等國家。從申請(qǐng)地域來看，申請(qǐng)人較為重視中國、日本、美國等市場(chǎng)。

2.3 主要申請(qǐng)人排名

為了解電氣化交通領(lǐng)域電能傳輸技術(shù)主要申請(qǐng)人的情況，將專利申請(qǐng)人與專利申請(qǐng)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，從而得到電氣化交通領(lǐng)域非接觸電能傳輸技術(shù)專利申請(qǐng)量前十名申請(qǐng)人分布圖。

圖3非接觸電能傳輸專利申請(qǐng)量前十名申請(qǐng)人分布圖，從圖中可以看出在非接觸電能傳輸領(lǐng)域申請(qǐng)量前十名的申請(qǐng)人大部分為汽車企業(yè)，例如豐田公司、本田技研工業(yè)株式會(huì)社、日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社、現(xiàn)代汽車公司、福特汽車公司。在電氣化交通領(lǐng)域的龐巴迪公司和西門子公司也有一定專利申請(qǐng)量。高通公司曾經(jīng)收購新西蘭奧克蘭大學(xué)非接觸電能傳輸?shù)南嚓P(guān)專利，以此作為基礎(chǔ)開發(fā)的新技術(shù)形成的非接觸電能傳輸專利多集中于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。此外，西南交通大學(xué)在軌道交通的非接觸電能傳輸領(lǐng)域擁有一定的專利申請(qǐng)量，在這些專利申請(qǐng)中西南交通大學(xué)與中車唐山機(jī)車車輛有限公司存在技術(shù)合作，有3件聯(lián)合申請(qǐng)專利。韓國科學(xué)技術(shù)院在非接觸電能傳輸專利也多集中于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。

3 非接觸電能傳輸領(lǐng)域技術(shù)路線

通過專利數(shù)據(jù)檢索并經(jīng)人工篩選獲得非接觸電能傳輸領(lǐng)域相關(guān)專利數(shù)據(jù)并對(duì)相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)行標(biāo)引。從標(biāo)引結(jié)果上可以將非接觸電能傳輸領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)分為充電原理性技術(shù)和充電工程技術(shù)。其中，充電原理性技術(shù)是基于無線充電原理而進(jìn)行的技術(shù)改進(jìn)，包含線圈和磁芯、電路拓?fù)?、充電控制技術(shù)[4]。而充電工程技術(shù)，是在車軌實(shí)際充電過程中遇到的工程問題，基于工程問題提出技術(shù)改進(jìn)，這些技術(shù)改進(jìn)包括車地通信、磁干擾與屏蔽[5]、異物檢測(cè)、充電過程控制、車輛與充電系統(tǒng)定位等，其中充電過程控制為車軌實(shí)際充電過程中涉及充電過程中的通斷、因充電環(huán)境變化需對(duì)充電過程進(jìn)行調(diào)整等相關(guān)的控制方法。經(jīng)梳理分析，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線如圖4所示。

圖4非接觸電能傳輸專利技術(shù)路線圖

3.1 技術(shù)構(gòu)成

由圖4所示，非接觸電能傳輸領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)依舊圍繞線圈結(jié)構(gòu)、電路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和充電控制技術(shù)這三項(xiàng)充電原理性技術(shù)上，尤其美國、德國、日本和韓國等均在動(dòng)態(tài)無線充電領(lǐng)域做出了大量研究。但是相比于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大量研究，控制策略的研究進(jìn)展仍然比較緩慢[6]。同時(shí)隨著非接觸電能傳輸技術(shù)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一系列問題，非接觸電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域的專利逐漸覆蓋異物檢測(cè)、磁干擾與屏蔽、車地通信和車輛與充電系統(tǒng)定位等技術(shù)方向，專利整體偏向工程應(yīng)用領(lǐng)域和通信手段。

3.2 技術(shù)發(fā)展

3.2.1線圈和磁芯

非接觸電能傳輸供電技術(shù)中電磁耦合機(jī)構(gòu)是重中之重，現(xiàn)有改進(jìn)技術(shù)中大多從線圈形狀優(yōu)化和磁芯配置方式的角度來提升系統(tǒng)的能量傳輸能力。同時(shí)隨著非接觸電能傳輸技術(shù)中動(dòng)態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)適應(yīng)動(dòng)態(tài)無線電能傳輸?shù)木€圈結(jié)構(gòu)。如2014年西門子公司公開號(hào)CN105702441B涉及一種用于感應(yīng)地傳輸能量的傳輸布置的線圈單元，通過配置不同大小、不同形狀的鐵氧體磁芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈磁芯的優(yōu)化。

3.2.2電路拓?fù)?/p>

非接觸電能傳輸?shù)某潆娤到y(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大同小異，區(qū)別在于充電部分結(jié)構(gòu)的選擇及優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)耐瑫r(shí)提高電能傳輸效率，進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)中長距離電能傳輸和多接收端無線電能傳輸。如2009年西門子公司公開號(hào)CN102387935A涉及一種線圈裝置與諧振調(diào)諧電容串聯(lián)設(shè)置的非接觸電能傳輸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙向并且無接觸地傳輸電能以便對(duì)電動(dòng)車輛充電。

3.2.3充電控制技術(shù)

現(xiàn)有充電控制技術(shù)中除了根據(jù)施加控制的位置進(jìn)行控制策略的分類，還可以根據(jù)控制模式的不同進(jìn)行控制策略的分類。同時(shí)，采用不同的控制算法應(yīng)用到非接觸電能傳輸系統(tǒng)中也成為近年來的一個(gè)研究方向。如2013年高通公司公開號(hào)CN104584363B涉及一種用于無線電力傳送系統(tǒng)中的電力輸出控制的系統(tǒng)和方法通過控制器根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)載電壓變化來控制維持電感元件中的電流大體上恒定。

3.2.4異物檢測(cè)

非接觸電能傳輸?shù)漠愇餀z測(cè)主要包括兩個(gè)方面，生物異物檢測(cè)和金屬異物檢測(cè)，檢測(cè)的目的是保證器件運(yùn)行的效率以及安全性。實(shí)際檢測(cè)過程中常采取異物檢測(cè)的方法有：異物檢測(cè)線圈、溫度傳感器、互電容、雷達(dá)、機(jī)器視覺等。如2013年龐巴迪公司公開號(hào)US10103583B2涉及一種異物檢測(cè)方法，通過捕獲操作LC振蕩電路的驅(qū)動(dòng)電路的輸入功率，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高可靠性檢測(cè)外來物體。

3.2.5磁干擾與屏蔽

磁干擾與屏蔽主要是將電磁能量交換路徑束縛在耦合線圈間，從而最大限度減小漏磁，提高傳輸效率的同時(shí)降低電磁輻射。如2017年龐巴迪公司公開號(hào)CN110225843A涉及一種接收裝置及接收裝置的制造方法，磁屏蔽元件至少部分地遮蓋元件的至少一個(gè)收納區(qū)域，其使得能夠節(jié)省空間地將電氣和電子元件集成到接收裝置的殼體中，同時(shí)確保接收裝置的操作的可靠性。

3.2.6車地通信

車地通信包括非接觸電能傳輸系統(tǒng)地面通信單元與車載通信單元之間實(shí)現(xiàn)無線充電控制的通信協(xié)議及通信方法及非接觸電能傳輸過程中需要地面通信單元與車載通信單元之間的信息交互。其中通信方法包括IP通信技術(shù)、驗(yàn)證匹配校驗(yàn)技術(shù)等從而通過車地通信實(shí)現(xiàn)充電連接標(biāo)準(zhǔn)化。如2018年豐田公司公開號(hào)CN110370977A涉及一種車輛充電系統(tǒng)、車輛及車輛充電系統(tǒng)的認(rèn)證方法，具備拍攝裝置及向認(rèn)證部發(fā)送通過拍攝裝置取得的認(rèn)證信息的通信裝置。充電設(shè)備的認(rèn)證部構(gòu)成為，使用從通信裝置接收到的認(rèn)證信息進(jìn)行認(rèn)證，在認(rèn)證成功的情況下，準(zhǔn)許車輛利用無線LAN。

3.2.7車輛與充電系統(tǒng)定位

車輛與充電系統(tǒng)定位即為非接觸電能傳輸原副線圈之間的識(shí)別及定位，目的是通過無線充電過程中的精準(zhǔn)定位從而保證高效的電能轉(zhuǎn)化率。技術(shù)發(fā)展及改進(jìn)方向主要涉及應(yīng)用雷達(dá)、距離傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、圖像識(shí)別等技術(shù)的定位方法及控制原副線圈精準(zhǔn)移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的方法或原副線圈結(jié)構(gòu)單元。如2013年西門子公司公開號(hào)CN104428159B涉及一種用于將電動(dòng)車輛定位在感應(yīng)式充電站上的方法，通過第一發(fā)射應(yīng)答單元實(shí)現(xiàn)應(yīng)答消息的接收，并且將包含在其中的位置數(shù)據(jù)傳輸給配屬于電動(dòng)車輛的導(dǎo)航單元。最后，確定用于將電動(dòng)車輛定位在感應(yīng)式充電站上的軌跡，保障了電動(dòng)車輛的盡可能精確地定位。

3.2.8充電過程控制

充電過程控制為車軌實(shí)際充電過程中涉及充電過程中的通斷、因充電環(huán)境變化需對(duì)充電過程進(jìn)行調(diào)整等相關(guān)的控制方法。如2012年豐田公司公開號(hào)涉及一種車輛用受電裝置、供電設(shè)備以及電力傳輸系統(tǒng)，通過ECU對(duì)接觸充電以及非接觸充電而接受的充電電力進(jìn)行控制，以使通過接觸充電而接受的充電電力與通過非接觸充電而接受的充電電力的總計(jì)不超過預(yù)定的限度。

3.3主要申請(qǐng)人技術(shù)構(gòu)成分析

經(jīng)過檢索出的專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選出電氣化交通領(lǐng)域主要申請(qǐng)人有：龐巴迪公司、西門子公司、豐田公司和西南交通大學(xué)等。

圖5主要申請(qǐng)人專利布局?jǐn)?shù)量及技術(shù)領(lǐng)域分布圖

非接觸電能傳輸技術(shù)發(fā)展從原理性技術(shù)向工程應(yīng)用技術(shù)跨越，外國企業(yè)重視工程應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，且國外申請(qǐng)人專利申請(qǐng)時(shí)間起點(diǎn)相對(duì)早于中國申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)時(shí)間起點(diǎn)。

龐巴迪公司非接觸電能傳輸技術(shù)雖然涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，但由其專利申請(qǐng)趨勢(shì)可知，龐巴迪公司在非接觸電能傳輸領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)主要圍繞分段供電技術(shù)，并在線圈結(jié)構(gòu)及電路拓?fù)涞仍硇约夹g(shù)上進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)。

西門子公司在非接觸電能傳輸?shù)某潆娍刂萍夹g(shù)和車輛與充電系統(tǒng)定位技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了較多的專利布局，充電技術(shù)控制方面涉及諧振頻率、功率調(diào)節(jié)、阻抗調(diào)節(jié)、電流調(diào)節(jié)等多方面的原理技術(shù);車輛與系統(tǒng)定位領(lǐng)域定位手段涉及雷達(dá)、距離傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、圖像定位等多種方式。

豐田公司在非接觸電能傳輸領(lǐng)域雖然主要涉及汽車，但豐田公司在非接觸電能傳輸?shù)亩鄠€(gè)技術(shù)領(lǐng)域均進(jìn)行了專利布局，尤其是涉及充電工程技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)異物檢測(cè)、磁干擾與屏蔽、車輛與充電系統(tǒng)定位、車地通信，尤其是車地通信技術(shù)領(lǐng)域，在其他申請(qǐng)人只是進(jìn)行有限的專利申請(qǐng)的情況下，豐田公司非常注重非接觸電能傳輸過程中車輛與充電電源的信息傳遞及交互方式。

西南交通大學(xué)在非接觸電能傳輸專利申請(qǐng)中，主要涉及電路拓?fù)浜统潆娍刂萍夹g(shù)，電路拓?fù)漕I(lǐng)域涉及補(bǔ)償裝置、調(diào)諧裝置、一對(duì)多或多對(duì)多的電能傳輸系統(tǒng)，同時(shí)基于電路拓?fù)湓诔潆娍刂萍夹g(shù)方面進(jìn)行了相應(yīng)專利申請(qǐng)，主要涉及動(dòng)態(tài)調(diào)諧、功率調(diào)節(jié)、功率分配、恒壓恒流控制、分段供電等多項(xiàng)原理性技術(shù)。

中國中車股份有限公司下屬的整車企業(yè)中中車唐山機(jī)車車輛有限公司在非接觸電能傳輸領(lǐng)域的專利申請(qǐng)相對(duì)較多，主要涉及非接觸電能傳輸?shù)木€圈和磁芯和電路拓?fù)浼夹g(shù)，線圈和磁芯涉及線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化、線圈鋪設(shè)方式等。電路拓?fù)浞矫嫔婕胺墙佑|電能傳輸效率優(yōu)化及高頻電流注入的磁懸浮列車非接觸輔助供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

中國科學(xué)院電工研究所在非接觸電能傳輸領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要針對(duì)電路拓?fù)浼夹g(shù)領(lǐng)域的分段供電技術(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，電氣化交通領(lǐng)域電能傳輸技術(shù)的整體發(fā)展態(tài)勢(shì)屬于發(fā)展階段，專利申請(qǐng)量快速增長，屬于熱點(diǎn)技術(shù)。從專利申請(qǐng)區(qū)域來看，專利申請(qǐng)主要分布在中國、美國和日本，這三個(gè)國家的市場(chǎng)的活躍程度較高，市場(chǎng)競(jìng)爭較為激烈。從首次申請(qǐng)國分布來看，美國是該技術(shù)的主要技術(shù)輸出國。

非接觸式電能傳輸技術(shù)是未來發(fā)展的方向，在非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)過程中，原理性技術(shù)方面，可更多地關(guān)注如何提高系統(tǒng)抗諧振頻率等固有參數(shù)變化的能力，降低系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的敏感度等。同時(shí)在重視原理性技術(shù)的研發(fā)外，應(yīng)重視工程應(yīng)用技術(shù)，如不同應(yīng)用場(chǎng)景下多負(fù)載的供電需求，多負(fù)載和多發(fā)射源各自之間的協(xié)同管理、非接觸電能傳輸過程中電磁安全性問題等。并在技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，對(duì)于技術(shù)的創(chuàng)新加強(qiáng)專利的保護(hù)，積極構(gòu)建核心專利和外圍專利的多層級(jí)專利組合，形成合力的布局形態(tài)。

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