國內外無線充電技術專利分析

祝 毓

（上海圖書館上?？茖W技術情報研究所，上海 200031）

1 全球無線充電技術背景分析

無線充電技術是指不通過導線而是通過電磁感應、電磁共振、射頻、微波、激光等方式經由空氣介質實現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)募夹g。

1.1 市場背景分析

早期的無線充電技術在電動牙刷、電動剃須刀、無線電話等部分家電產品中實現(xiàn)實用化，但用途較有限。2010-2011年，隨著智能手機市場規(guī)模的迅速擴大，無線充電技術應用范圍向便攜終端和家電產品不斷擴展。如海爾的“無線電視機”，NTT DoCoMo的無線充電智能手機，KDDI的車載式智能手機無線充電座，TDK的無線充電耳機，村田制作所的無線充電筆記本電腦，三星電子的無線充電3D眼鏡等［1］。

同時，電力電子器件、功率變換和控制技術進一步發(fā)展，無線充電技術在轉換率、低輻射等方面逐漸取得突破，不斷擴展到軍事、工業(yè)、醫(yī)療、運輸、電力、航空航天、節(jié)能環(huán)保應用等領域。三菱、豐田等汽車企業(yè)與 WiTricity開展技術合作，日產在純電動車“LEAF”上配備電磁感應無線充電系統(tǒng)，高通大量收購電動汽車無線充電技術相關專利并進行純電動車無線充電驗證實驗，EMOSS、RNV等汽車電動系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)和交通運營商啟動電動汽車無線充電試運行項目……無線充電技術成為電動汽車領域的新興熱點。從mW級小電力到10MW以上大電力用途的應用都進入了具體討論階段，輸出功率數(shù)百瓦～數(shù)千瓦的大功率產品以及基礎設施建設領域頻現(xiàn)實證，超大電力領域的宇宙光伏電站（Solar Power Satellite／Station，簡稱SPS）綜合研究也逐步推進。

1.2 技術研發(fā)背景分析

按照供電原理，目前的無線充電技術主要有電磁感應、電場耦合、磁共振、和電波接收4種技術方式［1-3］。（見表1）

電磁感應方式最早發(fā)現(xiàn)于19世紀上半期，是利用發(fā)射端線圈和接收端線圈之間的電磁感應實現(xiàn)電能傳輸?shù)臒o線充電方式。其技術較成熟，成本比較低，可以實現(xiàn)微型化；從微小電力到100kW以上的大電力均可高效傳輸［4］，已經實際應用于多種設備。但是，這種方式的充電效率大概在70%左右［5］，為提高供電效率，需要使線圈之間的位置對齊，不產生偏移，只適合于短距離充電的電子產品。

磁共振方式是美國麻省理工學院（MIT）于2007年發(fā)布，稱為磁共振感應（Resonant magnetic induction）或磁耦合諧振（Resonant inductive coupling）［6］是利用電流通過線圈產生同頻率的磁場共振來實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)姆绞?。這種技術方式可以實現(xiàn)向數(shù)十厘米～數(shù)米的較遠距離位置無線傳輸電力，而且在遠離供電底座的垂直方向上擁有較高的自由度。但是，磁共振無線充電方式對材料的要求較高，其能量在傳輸過程中隨距離增大而衰減，因此充電效率較低，大概在40%左右［4］。同時，在近距離的電磁共振還存在著空振高壓等問題。

電場耦合方式是在供電側和受電側設置電極、利用兩電極間產生的電場來進行無線充電的技術方式。2011年11月，日立麥克賽爾面向iPad2上市的無線充電器“AIR VOLTAGEfor iPad2”全球首次采用了電場耦合無線充電方式［7］。相比較前兩種技術方式，電場耦合方式具有充電時可實現(xiàn)“位置自由（Free Positioning）”、電極薄、電極部的溫度不會上升等特點。但是，其傳輸距離仍然較短，充電效率在70%左右［5］，需采用高頻（幾百kHz）高壓（1 500V）電流來完成傳輸因而成本較高，不易實現(xiàn)產品微型化，不適合微功率無線輸電使用。

電波接收也是一種較為成熟的無線充電方式，將電力以微波或激光形式發(fā)射到遠程的接收設備，然后通過整流、調制等處理后轉換為直流使用。這種技術方式適合應用于大范圍、長距離且不易受環(huán)境影響的電能傳輸，如空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星供電、傳感器網絡終端供電等，目前已在日美兩國之間的太陽能發(fā)電衛(wèi)星（SPS）計劃進行應用［4］。

此外，其他新技術方案也在不斷涌現(xiàn)。村田制作所提出了借助開關技術能夠大幅提高無線充電系統(tǒng)整體電力傳輸效率的技術——“直流共振方式”，目前尚在研發(fā)中［8］。

1.3 技術標準推進情況

無線充電的發(fā)送和接收需要采用同樣的協(xié)議。目前全球無線充電技術標準主要有Qi標準、A4WP標準和PMA標準三種（見表2），由各類企業(yè)聯(lián)盟制定。

表1 主要無線充電技術

表2 主要無線充電技術標準

除了企業(yè)聯(lián)盟之外，美國、歐洲和日本等標準化機構或相關協(xié)會團體都在加緊推進無線充電技術標準的制定與實施，探索在多領域的實用化。國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）的共同工作組“PT61980”在推進電動汽車領域的無線充電技術標準化，2012年完成了電動車無線充電技術部分內容的工作草案，預計2014～2015年前后將制定出實用化所需的全套標準，最終的國際標準可能在2017～2018年前后發(fā)布［9］。美國家電產品標準化團體Consumer Electronics Association（CEA）在便攜終端及車載電子技術標準化委員會“R6”的主導下，成立了推進無線充電技術標準化的“R6.3Wireless Power Subcommittee”組織，設立WG1～WG5五個工作小組，匯集48家公司和團體參與制定標準化工作，2011年制定與發(fā)布無線充電（Wireless Power Transfer）技術部分標準規(guī)格“CEA-2042.1”［10］。美國汽車工程師協(xié)會（SAE）以2015年為目標推進無線充電標準“J2954”進度，2014年初將輕型電動汽車無線充電的標準頻帶確立在85千赫，促進眾多無線充電設施生產商的技術規(guī)范。日本總務省將磁共振方式無線充電技術在日本實用化的時間確定為“2015年前后”，選定了5個領域作為“電波新產業(yè)創(chuàng)出領域”［11］?！叭毡緦拵o線論壇（Broadband Wireless Forum，簡 稱 BWF）”從2009年開始進行無線通信技術研發(fā)、調查、信息收集及與相關機構合作，在其“無線電力傳輸工作小組”下設立“WPT標準開發(fā)分會”，2011年面向輸出功率50W以下產品制定“無線電力傳輸技術利用指南Ver1.0”，2012年針對輸出功率50W以上產品發(fā)布“指南2.0”，并公開無線充電技術實用化藍圖，分階段推進無線充電技術在家電及電動汽車領域商用化［10］。由奧迪、寶馬、戴姆勒和大眾于2006年成立的德國“Consumer Electron-ics for Automotive（CE4A）”面向車載用途制定無線充電標準，其后梅賽德斯奔馳、保時捷、標志雪鐵龍、福特汽車等眾多汽車企業(yè)加盟。韓國通信技術標準化機構“電信技術協(xié)會（Telecommunications Technology Association，簡稱 TTA）”啟動了效仿CEA R6.3的標準化項目。2012年韓國通信委員會（KCC）向世貿組織（WTO）提出了韓國無線充電技術相關安全標準，這是全球首次正式提出的無線充電技術安全標準。

2 無線充電技術生命周期分析

截至2014年9月29日，全球無線充電相關專利數(shù)量達到15704個專利族，清洗后數(shù)據(jù)為13734項；中國無線充電相關專利數(shù)量為6911項?？紤]到專利一般從申請到公開需要最長達30個月（12個月優(yōu)先權期限+18個月公開期限）的時間，再考慮到數(shù)據(jù)庫錄入的時間延遲，近兩年的專利申請量會出現(xiàn)失真。

2.1 國際無線充電技術生命周期分析

國際無線充電技術發(fā)展起步于20世紀60年代中后期，80年代在新型材料及相關技術的推動下開始逐步發(fā)展。在經歷了第一階段技術孕育期之后，90年代開始進入第二階段技術成長期，專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量以較快幅度同步攀升發(fā)展。特別是2006年之后，專利申請數(shù)和申請人數(shù)量的增幅進一步加速。目前，全球無線充電市場仍處于快速成長期，不斷有企業(yè)進入并推出新的專利技術。見圖1、圖2。

2.2 中國無線充電技術生命周期分析

中國無線充電技術起步落后于國際20年左右時間，早期僅有綜述性文獻和個別小功率樣機的研究報道。在經歷了20世紀80年代中后期到90年代的技術孕育，90年代末中國無線充電開始進入第二階段技術成長期，專利數(shù)量和申請人數(shù)量穩(wěn)步增長，2006年之后增速大幅攀升，呈現(xiàn)快速發(fā)展?？傮w來看，國內無線充電技術雖然起步較晚，但在發(fā)展階段上基本與國際同步。

圖1 全球無線充電專利年度分布

圖2 全球無線充電專利技術生命周期

圖3 無線充電中國專利年度分布

圖4 無線充電中國專利技術生命周期

3 無線充電主要技術發(fā)展趨勢分析

3.1 國際無線充電主要技術發(fā)展趨勢分析

從根據(jù)國際專利分類號（小類）繪制的全球無線充電專利技術領域分布情況來看（見圖5），充配電及電能存儲是全球無線充電專利申請最為集中的技術分類，在所有專利申請量中約占40%的比重。第二大領域是磁體材料，與電力傳輸、化學能轉變?yōu)殡娔?、直流或交流轉換等電學領域的年度趨勢基本一致，都曾在90年代中期達到一個小高潮后有所回落，21世紀初開始重新增長，2006年之后高速發(fā)展。電動車輛是無線充電技術的第三大領域，20世紀90年代也曾達到一個技術發(fā)展的小高潮，21世紀初有所回落，在2007年美國麻省理工學院（MIT）發(fā)布磁共振無線充電技術方式之后，這一領域專利申請數(shù)量高速增長，在家電、汽車等多領域應用與推廣。見圖5、圖6。

圖5 全球無線充電專利主要技術領域分布

圖6 全球無線充電專利技術主要技術領域年度（優(yōu)先權年）分布

3.2 中國無線充電主要技術發(fā)展趨勢分析

中國無線充電技術的核心領域也是充配電及電能存儲，2012年占據(jù)所有專利申請數(shù)量48%比重。除了充配電及電能存儲之外，國內的無線充電專利申請分散于數(shù)據(jù)處理、電力傳輸、信息傳輸、電磁量測量、無線通信、電話通信等領域，其專利量分布皆在2%-3%比重。其中信息傳輸是第二大領域，2012年專利申請數(shù)量為78項；無線通信網絡領域雖然研發(fā)起步較晚，相關專利申請初現(xiàn)于2008年，但增長較快，2012年已成為國內無線專利申請的第五大技術領域。（見圖7、圖8）

圖7 無線充電中國專利主要技術領域分布

圖8 無線充電中國專利主要技術領域年度（申請年）分布

4 無線充電技術區(qū)域格局分析

全球無線充電專利主要分布在日本、中國、美國、韓國、德國等國家，中國無線充電專利則集中來自廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東等省市。

4.1 國際無線充電技術分布格局分析

美國、日本、德國是無線充電技術發(fā)展較早的國家。比較而言，日本和美國的無線充電技術相關專利數(shù)量自20世紀90年代初開始快速增長，2006年之后增速大幅加快；德國的增速相對較慢，2008年開始增速才持續(xù)提升，但始終保持在較穩(wěn)定的水平。

中國和韓國的無線充電技術起步較晚，但增長很快，2009年韓國的無線充電專利申請數(shù)量超過了美國，2012年中國無線充電技術相關專利申請數(shù)量超越了日本。目前，全球無線充電的專利申請總量的將近90%集中在日本、中國、韓國、美國、德國五個國家。

從主要國家技術布局來看，日本技術實力最強，在各主要技術領域均布局了較多專利，無論在充配電及電能存儲、磁體材料、電動車輛動力、電力傳輸還是在化學能轉變?yōu)殡娔?、直流與交流轉換、數(shù)據(jù)處理等幾大無線充電技術領域都處于領先地位；特別在與電動汽車相關的領域，專利申請數(shù)量遠高于其他國家。美國除了在充配電及電能存儲領域之外，無線充電研發(fā)主要集中于磁體材料和電力傳輸。德國則在信息傳輸領域處于全球領先地位。韓國除了在充配電及電能存儲領域之外，無線充電研發(fā)主要集中于磁體材料、電動車輛動力和電力傳輸。見圖9。

圖9 主要國家技術分布

4.2 中國無線充電技術分布格局分析

中國無線充電技術相關專利申請數(shù)量在2012年超越了日本，但是從領域布局來看，仍較日本有明顯差距。目前中國市場上有25%左右的無線充電專利來自于日本（9%）、中國臺灣（5%）、美國（4%）、韓國（3%）、德國（1%）等地區(qū)。國內專利申請主要來自廣東（19%）、江蘇（11%）、北京（8%）、浙江（6%）、上海（5%）、山東（4%）六個省市，集中了中國本土無線充電專利申請總量的將近80%。

從地區(qū)來看，廣東、江蘇、北京、浙江、上海、山東6個省市涉及的技術領域都較廣泛。除了核心的充配電及電能存儲之外，廣東在電力傳輸、磁體材料、化學能轉化為電能、電數(shù)據(jù)處理、無線通訊網絡等方面處于全國領先地位，江蘇的無線專利申請主要集中在信號傳輸、直流與交流電力轉換、數(shù)據(jù)處理領域，北京則在信號傳輸、信息傳輸領域處于全國領先。見圖10。

5 無線充電競爭機構分析

本章主要調研了國內外在無線充電方面研發(fā)產出能力最強的機構。國外部分，主要包括了松下、三星電子、LG電子、豐田自動車、豐田自動織布機、韓國先進科學技術研究所、索尼、高通、三菱電機等。國內方面，選擇了申請量排名前20位的機構進行調研分析。

圖10 主要省市技術分布

5.1 國際無線充電技術競爭機構分析

國際上無線充電技術實力最強的企業(yè)及研究機構主要集中在日本、美國、德國、韓國等國家。全球無線充電技術相關專利申請量最多的20家機構中，有13家日本企業(yè)、3家韓國企業(yè)、2家美國企業(yè)、2家德國企業(yè)，反映出日本在無線充電領域占據(jù)重要位置，技術研發(fā)實力領先。而且，這些機構以高科技研發(fā)與制造型企業(yè)為主，說明國際無線充電技術已進入市場化階段，在多領域進行推廣應用。見圖11。

圖11 國際主要競爭機構無線充電專利申請量

從各領先企業(yè)的技術布局重點來看，除了充配電及電能存儲領域之外，各企業(yè)在磁體材料、電動車輛動力、電力傳輸、化學能轉變?yōu)殡娔堋⒅绷髋c交流轉換等領域有不同戰(zhàn)略側重。例如松下的無線充電技術領域較為廣泛，在磁體材料、化學能轉變?yōu)殡娔茴I域專利數(shù)量領先，在其他領域也有較多專利布局；三星電子和LG電子的無線充電相關專利主要集中在磁體材料和電力傳輸，而且在智能手機和家電領域也較有優(yōu)勢；豐田自動車、豐田自動織布機、韓國先進科學技術研究所的無線充電專利技術主要集中在電動車輛動力和電動車輛電源，在電動汽車無線充電領域處于領先地位。此外，日立、索尼在電數(shù)據(jù)處理，高通、三菱電機、NEC在電力傳輸，索尼、高通、SEW傳動設備、三菱電機、精工愛普生、TDK、捷通在磁感材料，日產、大福、SEW傳動設備在電動汽車動力等領域的專利量也較多。見圖12。

圖12 國際主要競爭機構技術優(yōu)勢

從專利質量來看，應用引證率（被引次數(shù)／專利件數(shù)）進行分析，國際無線充電專利申請數(shù)量排名前20位的申請人中，捷通公司、西門子、精工愛普生、索尼的無線充電技術相關專利申請數(shù)量不是最高，但被引次數(shù)非常高，說明專利質量較高；高通公司、松下電工、東芝、豐田織布機、NEC公司、三菱電機、豐田自動車、三洋電機、TDK公司、SEW傳動設備的引證率在2.17～3.50之間；而松下、三星電子、LG電子雖然申請專利數(shù)量較多，但在被引用次數(shù)及被引率方面與其他機構存在一定差距?？傮w而言，專利質量較高的捷通公司、西門子、精工愛普生、索尼等機構更涉及無線充電核心技術環(huán)節(jié)。見表3。

5.2 中國無線充電技術競爭機構分析

無線充電中國專利申請量前20排名機構的專利申請數(shù)量與國際機構相比還存在一定差距。而且，國內無線充電專利申請機構以企業(yè)和大學為主，其中國外企業(yè)9個、國內企業(yè)5個、大學6個（見圖13）。日本的索尼、松下電器、豐田、自動車、村田制作，韓國的三星電子，美國的高通公司等國外企業(yè)在中國無線充電前20強機構專利申請數(shù)量中占據(jù)了約40%。相比較而言，國內企業(yè)實力較弱，沒有成為無線充電技術的創(chuàng)新主體，離產業(yè)化仍存在距離。

表3 國際競爭對手專利引用情況

圖13 國內主要競爭機構無線充電專利申請量

從國內各競爭機構技術優(yōu)勢來看，充配電及電能存儲是各企業(yè)和研究機構無線充電專利申請的最主要領域（見圖14）。除了充配電及電能存儲之外，國家電網的無線充電專利申請主要集中在信號傳輸領域，并在其他眾多領域有專利申請涉及；東南大學、重慶大學、華南理工的研發(fā)重點在直流或交流轉換；松下電器和索尼的專利申請主要集中在磁體材料，并在這一領域處于領先地位；高通、中興通訊、三星電子的專利申請主要集中在電力傳輸，在這一領域占據(jù)較明顯優(yōu)勢。

圖14 國內主要競爭機構技術優(yōu)勢

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