非接觸電能傳輸技術專利分析

李文超 封迪

摘 要：該文基于Incopat專利數(shù)據庫，以2020年10月16日前的電氣化軌道交通領域的專利為依據，運用統(tǒng)計分析法對電氣化軌道交通領域專利進行梳理，針對非接觸電能傳輸領域的重點技術，從多個技術分支解讀當前非接觸電能傳輸領域的專利發(fā)展路線及專利布局方向。挖掘出該領域專利技術的競爭信息和發(fā)展趨勢，進而勾勒出電氣化交通領域非接觸電能傳輸領域專利的整體發(fā)展態(tài)勢，為我國相關技術發(fā)展提供參考。

關鍵詞：電氣化交通非接觸電能傳輸電路拓撲專利申請人

中圖分類號：TN925文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：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（Wireless Power Transmission，WPT）快速發(fā)展，尤其是通過高頻交變磁場和諧振式磁耦合實現(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，為供電問題提供了新的解決方案[1]。隨著WPT理論基礎趨于成熟，相關應用研究也得以迅速開展。在電氣化交通領域，面向電動汽車的無線充電技術已邁入實用化階段，同時許多國家針對軌道交通也建設了無線電能傳輸方式的實驗軌道路線[2]。

為掌握非接觸電能傳輸技術在電氣化交通領域的最新研發(fā)和應用情況，該文通過對電氣化交通領域非接觸電能傳輸技術路線進行梳理，了解當下電氣化交通領域非接觸電能傳輸?shù)陌l(fā)展態(tài)勢。

1研究方法

針對電氣化交通領域非接觸電能傳輸專利文獻，在IncoPat專利數(shù)據庫進行全球專利檢索，檢索時間截止至2020年10月16日，檢索到全球相關專利申請4644件。同時，通過聚焦電氣化交通領域非接觸電能傳輸技術領域的主要申請人，梳理出電氣化交通領域非接觸電能傳輸技術的技術發(fā)展路線。

2專利態(tài)勢分析

2.1專利申請態(tài)勢

為了解電氣化交通領域電能傳輸技術在全球的發(fā)展情況，通過對電氣化交通領域非接觸電能傳輸技術相關專利申請量對專利申請年度進行作圖，得到全球申請量年度變化趨勢圖。

從全球專利態(tài)勢來看，可以分為兩個階段[3]：第一階段為1994—2007年，專利年申請數(shù)量較少;在該階段的申請專利涉及非接觸電能傳輸?shù)木€圈設計、電能傳輸方式等方面。奧克蘭大學的專利US5821638A涉及感應線圈，通過圍繞可磁化芯的次級導體設置，提高電能傳輸效率。第二階段為2008—2018年，該階段專利申請量快速增長。在該階段主要涉及非接觸電能傳輸技術與車輛結合的技術改進等方面。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電體存在的裝置和充電系統(tǒng)，實現(xiàn)了非接觸電能傳輸過程中的異物檢測。同時，由于專利數(shù)據的公開存在18個月左右的滯后期，因此有關2019和2020年的數(shù)據不夠完整，僅做參考。

2.2 國家地域分布

為了解電氣化交通領域非接觸電能傳輸專利申請地域情況，將專利申請的公開國或地區(qū)與專利申請量進行關聯(lián)分析，從而得到專利申請國家/地區(qū)分布圖。

圖2為非接觸電能傳輸專利申請量前十國家/地區(qū)分布圖，從圖中可以看出，專利申請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。從申請地域來看，申請人較為重視中國、日本、美國等市場。

2.3 主要申請人排名

為了解電氣化交通領域電能傳輸技術主要申請人的情況，將專利申請人與專利申請量進行關聯(lián)分析，從而得到電氣化交通領域非接觸電能傳輸技術專利申請量前十名申請人分布圖。

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

3 非接觸電能傳輸領域技術路線

通過專利數(shù)據檢索并經人工篩選獲得非接觸電能傳輸領域相關專利數(shù)據并對相關專利技術進行標引。從標引結果上可以將非接觸電能傳輸領域專利技術分為充電原理性技術和充電工程技術。其中，充電原理性技術是基于無線充電原理而進行的技術改進，包含線圈和磁芯、電路拓撲、充電控制技術[4]。而充電工程技術，是在車軌實際充電過程中遇到的工程問題，基于工程問題提出技術改進，這些技術改進包括車地通信、磁干擾與屏蔽[5]、異物檢測、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)境變化需對充電過程進行調整等相關的控制方法。經梳理分析，該技術領域的技術路線如圖4所示。

圖4非接觸電能傳輸專利技術路線圖

3.1 技術構成

由圖4所示，非接觸電能傳輸領域的技術發(fā)展熱點依舊圍繞線圈結構、電路拓撲網絡設計和充電控制技術這三項充電原理性技術上，尤其美國、德國、日本和韓國等均在動態(tài)無線充電領域做出了大量研究。但是相比于電路拓撲結構的大量研究，控制策略的研究進展仍然比較緩慢[6]。同時隨著非接觸電能傳輸技術應用過程中出現(xiàn)的一系列問題，非接觸電能傳輸技術領域的專利逐漸覆蓋異物檢測、磁干擾與屏蔽、車地通信和車輛與充電系統(tǒng)定位等技術方向，專利整體偏向工程應用領域和通信手段。

3.2 技術發(fā)展

3.2.1線圈和磁芯

非接觸電能傳輸供電技術中電磁耦合機構是重中之重，現(xiàn)有改進技術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。同時隨著非接觸電能傳輸技術中動態(tài)無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)適應動態(tài)無線電能傳輸?shù)木€圈結構。如2014年西門子公司公開號CN105702441B涉及一種用于感應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，實現(xiàn)對線圈磁芯的優(yōu)化。

3.2.2電路拓撲

非接觸電能傳輸?shù)某潆娤到y(tǒng)的電路拓撲結構大同小異，區(qū)別在于充電部分結構的選擇及優(yōu)化，從而實現(xiàn)電能傳輸?shù)耐瑫r提高電能傳輸效率，進一步的實現(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CN102387935A涉及一種線圈裝置與諧振調諧電容串聯(lián)設置的非接觸電能傳輸結構，實現(xiàn)了雙向并且無接觸地傳輸電能以便對電動車輛充電。

3.2.3充電控制技術

現(xiàn)有充電控制技術中除了根據施加控制的位置進行控制策略的分類，還可以根據控制模式的不同進行控制策略的分類。同時，采用不同的控制算法應用到非接觸電能傳輸系統(tǒng)中也成為近年來的一個研究方向。如2013年高通公司公開號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檢測到的負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

非接觸電能傳輸?shù)漠愇餀z測主要包括兩個方面，生物異物檢測和金屬異物檢測，檢測的目的是保證器件運行的效率以及安全性。實際檢測過程中常采取異物檢測的方法有：異物檢測線圈、溫度傳感器、互電容、雷達、機器視覺等。如2013年龐巴迪公司公開號US10103583B2涉及一種異物檢測方法，通過捕獲操作LC振蕩電路的驅動電路的輸入功率，實現(xiàn)高靈敏度和高可靠性檢測外來物體。

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降低電磁輻射。如2017年龐巴迪公司公開號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、驗證匹配校驗技術等從而通過車地通信實現(xiàn)充電連接標準化。如2018年豐田公司公開號CN110370977A涉及一種車輛充電系統(tǒng)、車輛及車輛充電系統(tǒng)的認證方法，具備拍攝裝置及向認證部發(fā)送通過拍攝裝置取得的認證信息的通信裝置。充電設備的認證部構成為，使用從通信裝置接收到的認證信息進行認證，在認證成功的情況下，準許車輛利用無線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別及定位，目的是通過無線充電過程中的精準定位從而保證高效的電能轉化率。技術發(fā)展及改進方向主要涉及應用雷達、距離傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、圖像識別等技術的定位方法及控制原副線圈精準移動從而實現(xiàn)準確定位的方法或原副線圈結構單元。如2013年西門子公司公開號CN104428159B涉及一種用于將電動車輛定位在感應式充電站上的方法，通過第一發(fā)射應答單元實現(xiàn)應答消息的接收，并且將包含在其中的位置數(shù)據傳輸給配屬于電動車輛的導航單元。最后，確定用于將電動車輛定位在感應式充電站上的軌跡，保障了電動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)境變化需對充電過程進行調整等相關的控制方法。如2012年豐田公司公開號涉及一種車輛用受電裝置、供電設備以及電力傳輸系統(tǒng)，通過ECU對接觸充電以及非接觸充電而接受的充電電力進行控制，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不超過預定的限度。

3.3主要申請人技術構成分析

經過檢索出的專利數(shù)據進行分析，篩選出電氣化交通領域主要申請人有：龐巴迪公司、西門子公司、豐田公司和西南交通大學等。

圖5主要申請人專利布局數(shù)量及技術領域分布圖

非接觸電能傳輸技術發(fā)展從原理性技術向工程應用技術跨越，外國企業(yè)重視工程應用技術的研發(fā)，且國外申請人專利申請時間起點相對早于中國申請人的專利申請時間起點。

龐巴迪公司非接觸電能傳輸技術雖然涉及多個技術領域，但由其專利申請趨勢可知，龐巴迪公司在非接觸電能傳輸領域的技術研發(fā)主要圍繞分段供電技術，并在線圈結構及電路拓撲等原理性技術上進行了持續(xù)改進。

西門子公司在非接觸電能傳輸?shù)某潆娍刂萍夹g和車輛與充電系統(tǒng)定位技術領域進行了較多的專利布局，充電技術控制方面涉及諧振頻率、功率調節(jié)、阻抗調節(jié)、電流調節(jié)等多方面的原理技術;車輛與系統(tǒng)定位領域定位手段涉及雷達、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€技術領域均進行了專利布局，尤其是涉及充電工程技術領域，針對異物檢測、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領域，在其他申請人只是進行有限的專利申請的情況下，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。

西南交通大學在非接觸電能傳輸專利申請中，主要涉及電路拓撲和充電控制技術，電路拓撲領域涉及補償裝置、調諧裝置、一對多或多對多的電能傳輸系統(tǒng)，同時基于電路拓撲在充電控制技術方面進行了相應專利申請，主要涉及動態(tài)調諧、功率調節(jié)、功率分配、恒壓恒流控制、分段供電等多項原理性技術。

中國中車股份有限公司下屬的整車企業(yè)中中車唐山機車車輛有限公司在非接觸電能傳輸領域的專利申請相對較多，主要涉及非接觸電能傳輸?shù)木€圈和磁芯和電路拓撲技術，線圈和磁芯涉及線圈結構優(yōu)化、線圈鋪設方式等。電路拓撲方面涉及非接觸電能傳輸效率優(yōu)化及高頻電流注入的磁懸浮列車非接觸輔助供電拓撲結構等。

中國科學院電工研究所在非接觸電能傳輸領域的專利申請主要針對電路拓撲技術領域的分段供電技術。

4 結論

綜上所述，電氣化交通領域電能傳輸技術的整體發(fā)展態(tài)勢屬于發(fā)展階段，專利申請量快速增長，屬于熱點技術。從專利申請區(qū)域來看，專利申請主要分布在中國、美國和日本，這三個國家的市場的活躍程度較高，市場競爭較為激烈。從首次申請國分布來看，美國是該技術的主要技術輸出國。

非接觸式電能傳輸技術是未來發(fā)展的方向，在非接觸電能傳輸技術研發(fā)過程中，原理性技術方面，可更多地關注如何提高系統(tǒng)抗諧振頻率等固有參數(shù)變化的能力，降低系統(tǒng)對環(huán)境的敏感度等。同時在重視原理性技術的研發(fā)外，應重視工程應用技術，如不同應用場景下多負載的供電需求，多負載和多發(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。并在技術研發(fā)的同時，對于技術的創(chuàng)新加強專利的保護，積極構建核心專利和外圍專利的多層級專利組合，形成合力的布局形態(tài)。

參考文獻

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