国内外无线充电技术专利分析

祝 毓

（上海图书馆上海科学技术情报研究所，上海 200031）

1 全球无线充电技术背景分析

无线充电技术是指不通过导线而是通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式经由空气介质实现非接触式电能传输的技术。

1.1 市场背景分析

早期的无线充电技术在电动牙刷、电动剃须刀、无线电话等部分家电产品中实现实用化，但用途较有限。2010-2011年，随着智能手机市场规模的迅速扩大，无线充电技术应用范围向便携终端和家电产品不断扩展。如海尔的“无线电视机”，NTT DoCoMo的无线充电智能手机，KDDI的车载式智能手机无线充电座，TDK的无线充电耳机，村田制作所的无线充电笔记本电脑，三星电子的无线充电3D眼镜等［1］。

同时，电力电子器件、功率变换和控制技术进一步发展，无线充电技术在转换率、低辐射等方面逐渐取得突破，不断扩展到军事、工业、医疗、运输、电力、航空航天、节能环保应用等领域。三菱、丰田等汽车企业与 WiTricity开展技术合作，日产在纯电动车“LEAF”上配备电磁感应无线充电系统，高通大量收购电动汽车无线充电技术相关专利并进行纯电动车无线充电验证实验，EMOSS、RNV等汽车电动系统研发企业和交通运营商启动电动汽车无线充电试运行项目……无线充电技术成为电动汽车领域的新兴热点。从mW级小电力到10MW以上大电力用途的应用都进入了具体讨论阶段，输出功率数百瓦～数千瓦的大功率产品以及基础设施建设领域频现实证，超大电力领域的宇宙光伏电站（Solar Power Satellite／Station，简称SPS）综合研究也逐步推进。

1.2 技术研发背景分析

按照供电原理，目前的无线充电技术主要有电磁感应、电场耦合、磁共振、和电波接收4种技术方式［1-3］。（见表1）

电磁感应方式最早发现于19世纪上半期，是利用发射端线圈和接收端线圈之间的电磁感应实现电能传输的无线充电方式。其技术较成熟，成本比较低，可以实现微型化；从微小电力到100kW以上的大电力均可高效传输［4］，已经实际应用于多种设备。但是，这种方式的充电效率大概在70%左右［5］，为提高供电效率，需要使线圈之间的位置对齐，不产生偏移，只适合于短距离充电的电子产品。

磁共振方式是美国麻省理工学院（MIT）于2007年发布，称为磁共振感应（Resonant magnetic induction）或磁耦合谐振（Resonant inductive coupling）［6］是利用电流通过线圈产生同频率的磁场共振来实现电能无线传输的方式。这种技术方式可以实现向数十厘米～数米的较远距离位置无线传输电力，而且在远离供电底座的垂直方向上拥有较高的自由度。但是，磁共振无线充电方式对材料的要求较高，其能量在传输过程中随距离增大而衰减，因此充电效率较低，大概在40%左右［4］。同时，在近距离的电磁共振还存在着空振高压等问题。

电场耦合方式是在供电侧和受电侧设置电极、利用两电极间产生的电场来进行无线充电的技术方式。2011年11月，日立麦克赛尔面向iPad2上市的无线充电器“AIR VOLTAGEfor iPad2”全球首次采用了电场耦合无线充电方式［7］。相比较前两种技术方式，电场耦合方式具有充电时可实现“位置自由（Free Positioning）”、电极薄、电极部的温度不会上升等特点。但是，其传输距离仍然较短，充电效率在70%左右［5］，需采用高频（几百kHz）高压（1 500V）电流来完成传输因而成本较高，不易实现产品微型化，不适合微功率无线输电使用。

电波接收也是一种较为成熟的无线充电方式，将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后转换为直流使用。这种技术方式适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输，如空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星供电、传感器网络终端供电等，目前已在日美两国之间的太阳能发电卫星（SPS）计划进行应用［4］。

此外，其他新技术方案也在不断涌现。村田制作所提出了借助开关技术能够大幅提高无线充电系统整体电力传输效率的技术——“直流共振方式”，目前尚在研发中［8］。

1.3 技术标准推进情况

无线充电的发送和接收需要采用同样的协议。目前全球无线充电技术标准主要有Qi标准、A4WP标准和PMA标准三种（见表2），由各类企业联盟制定。

表1 主要无线充电技术

表2 主要无线充电技术标准

除了企业联盟之外，美国、欧洲和日本等标准化机构或相关协会团体都在加紧推进无线充电技术标准的制定与实施，探索在多领域的实用化。国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）的共同工作组“PT61980”在推进电动汽车领域的无线充电技术标准化，2012年完成了电动车无线充电技术部分内容的工作草案，预计2014～2015年前后将制定出实用化所需的全套标准，最终的国际标准可能在2017～2018年前后发布［9］。美国家电产品标准化团体Consumer Electronics Association（CEA）在便携终端及车载电子技术标准化委员会“R6”的主导下，成立了推进无线充电技术标准化的“R6.3Wireless Power Subcommittee”组织，设立WG1～WG5五个工作小组，汇集48家公司和团体参与制定标准化工作，2011年制定与发布无线充电（Wireless Power Transfer）技术部分标准规格“CEA-2042.1”［10］。美国汽车工程师协会（SAE）以2015年为目标推进无线充电标准“J2954”进度，2014年初将轻型电动汽车无线充电的标准频带确立在85千赫，促进众多无线充电设施生产商的技术规范。日本总务省将磁共振方式无线充电技术在日本实用化的时间确定为“2015年前后”，选定了5个领域作为“电波新产业创出领域”［11］。“日本宽带无线论坛（Broadband Wireless Forum，简 称 BWF）”从2009年开始进行无线通信技术研发、调查、信息收集及与相关机构合作，在其“无线电力传输工作小组”下设立“WPT标准开发分会”，2011年面向输出功率50W以下产品制定“无线电力传输技术利用指南Ver1.0”，2012年针对输出功率50W以上产品发布“指南2.0”，并公开无线充电技术实用化蓝图，分阶段推进无线充电技术在家电及电动汽车领域商用化［10］。由奥迪、宝马、戴姆勒和大众于2006年成立的德国“Consumer Electron-ics for Automotive（CE4A）”面向车载用途制定无线充电标准，其后梅赛德斯奔驰、保时捷、标志雪铁龙、福特汽车等众多汽车企业加盟。韩国通信技术标准化机构“电信技术协会（Telecommunications Technology Association，简称 TTA）”启动了效仿CEA R6.3的标准化项目。2012年韩国通信委员会（KCC）向世贸组织（WTO）提出了韩国无线充电技术相关安全标准，这是全球首次正式提出的无线充电技术安全标准。

2 无线充电技术生命周期分析

截至2014年9月29日，全球无线充电相关专利数量达到15704个专利族，清洗后数据为13734项；中国无线充电相关专利数量为6911项。考虑到专利一般从申请到公开需要最长达30个月（12个月优先权期限+18个月公开期限）的时间，再考虑到数据库录入的时间延迟，近两年的专利申请量会出现失真。

2.1 国际无线充电技术生命周期分析

国际无线充电技术发展起步于20世纪60年代中后期，80年代在新型材料及相关技术的推动下开始逐步发展。在经历了第一阶段技术孕育期之后，90年代开始进入第二阶段技术成长期，专利申请数量和申请人数量以较快幅度同步攀升发展。特别是2006年之后，专利申请数和申请人数量的增幅进一步加速。目前，全球无线充电市场仍处于快速成长期，不断有企业进入并推出新的专利技术。见图1、图2。

2.2 中国无线充电技术生命周期分析

中国无线充电技术起步落后于国际20年左右时间，早期仅有综述性文献和个别小功率样机的研究报道。在经历了20世纪80年代中后期到90年代的技术孕育，90年代末中国无线充电开始进入第二阶段技术成长期，专利数量和申请人数量稳步增长，2006年之后增速大幅攀升，呈现快速发展。总体来看，国内无线充电技术虽然起步较晚，但在发展阶段上基本与国际同步。

图1 全球无线充电专利年度分布

图2 全球无线充电专利技术生命周期

图3 无线充电中国专利年度分布

图4 无线充电中国专利技术生命周期

3 无线充电主要技术发展趋势分析

3.1 国际无线充电主要技术发展趋势分析

从根据国际专利分类号（小类）绘制的全球无线充电专利技术领域分布情况来看（见图5），充配电及电能存储是全球无线充电专利申请最为集中的技术分类，在所有专利申请量中约占40%的比重。第二大领域是磁体材料，与电力传输、化学能转变为电能、直流或交流转换等电学领域的年度趋势基本一致，都曾在90年代中期达到一个小高潮后有所回落，21世纪初开始重新增长，2006年之后高速发展。电动车辆是无线充电技术的第三大领域，20世纪90年代也曾达到一个技术发展的小高潮，21世纪初有所回落，在2007年美国麻省理工学院（MIT）发布磁共振无线充电技术方式之后，这一领域专利申请数量高速增长，在家电、汽车等多领域应用与推广。见图5、图6。

图5 全球无线充电专利主要技术领域分布

图6 全球无线充电专利技术主要技术领域年度（优先权年）分布

3.2 中国无线充电主要技术发展趋势分析

中国无线充电技术的核心领域也是充配电及电能存储，2012年占据所有专利申请数量48%比重。除了充配电及电能存储之外，国内的无线充电专利申请分散于数据处理、电力传输、信息传输、电磁量测量、无线通信、电话通信等领域，其专利量分布皆在2%-3%比重。其中信息传输是第二大领域，2012年专利申请数量为78项；无线通信网络领域虽然研发起步较晚，相关专利申请初现于2008年，但增长较快，2012年已成为国内无线专利申请的第五大技术领域。（见图7、图8）

图7 无线充电中国专利主要技术领域分布

图8 无线充电中国专利主要技术领域年度（申请年）分布

4 无线充电技术区域格局分析

全球无线充电专利主要分布在日本、中国、美国、韩国、德国等国家，中国无线充电专利则集中来自广东、江苏、北京、浙江、上海、山东等省市。

4.1 国际无线充电技术分布格局分析

美国、日本、德国是无线充电技术发展较早的国家。比较而言，日本和美国的无线充电技术相关专利数量自20世纪90年代初开始快速增长，2006年之后增速大幅加快；德国的增速相对较慢，2008年开始增速才持续提升，但始终保持在较稳定的水平。

中国和韩国的无线充电技术起步较晚，但增长很快，2009年韩国的无线充电专利申请数量超过了美国，2012年中国无线充电技术相关专利申请数量超越了日本。目前，全球无线充电的专利申请总量的将近90%集中在日本、中国、韩国、美国、德国五个国家。

从主要国家技术布局来看，日本技术实力最强，在各主要技术领域均布局了较多专利，无论在充配电及电能存储、磁体材料、电动车辆动力、电力传输还是在化学能转变为电能、直流与交流转换、数据处理等几大无线充电技术领域都处于领先地位；特别在与电动汽车相关的领域，专利申请数量远高于其他国家。美国除了在充配电及电能存储领域之外，无线充电研发主要集中于磁体材料和电力传输。德国则在信息传输领域处于全球领先地位。韩国除了在充配电及电能存储领域之外，无线充电研发主要集中于磁体材料、电动车辆动力和电力传输。见图9。

图9 主要国家技术分布

4.2 中国无线充电技术分布格局分析

中国无线充电技术相关专利申请数量在2012年超越了日本，但是从领域布局来看，仍较日本有明显差距。目前中国市场上有25%左右的无线充电专利来自于日本（9%）、中国台湾（5%）、美国（4%）、韩国（3%）、德国（1%）等地区。国内专利申请主要来自广东（19%）、江苏（11%）、北京（8%）、浙江（6%）、上海（5%）、山东（4%）六个省市，集中了中国本土无线充电专利申请总量的将近80%。

从地区来看，广东、江苏、北京、浙江、上海、山东6个省市涉及的技术领域都较广泛。除了核心的充配电及电能存储之外，广东在电力传输、磁体材料、化学能转化为电能、电数据处理、无线通讯网络等方面处于全国领先地位，江苏的无线专利申请主要集中在信号传输、直流与交流电力转换、数据处理领域，北京则在信号传输、信息传输领域处于全国领先。见图10。

5 无线充电竞争机构分析

本章主要调研了国内外在无线充电方面研发产出能力最强的机构。国外部分，主要包括了松下、三星电子、LG电子、丰田自动车、丰田自动织布机、韩国先进科学技术研究所、索尼、高通、三菱电机等。国内方面，选择了申请量排名前20位的机构进行调研分析。

图10 主要省市技术分布

5.1 国际无线充电技术竞争机构分析

国际上无线充电技术实力最强的企业及研究机构主要集中在日本、美国、德国、韩国等国家。全球无线充电技术相关专利申请量最多的20家机构中，有13家日本企业、3家韩国企业、2家美国企业、2家德国企业，反映出日本在无线充电领域占据重要位置，技术研发实力领先。而且，这些机构以高科技研发与制造型企业为主，说明国际无线充电技术已进入市场化阶段，在多领域进行推广应用。见图11。

图11 国际主要竞争机构无线充电专利申请量

从各领先企业的技术布局重点来看，除了充配电及电能存储领域之外，各企业在磁体材料、电动车辆动力、电力传输、化学能转变为电能、直流与交流转换等领域有不同战略侧重。例如松下的无线充电技术领域较为广泛，在磁体材料、化学能转变为电能领域专利数量领先，在其他领域也有较多专利布局；三星电子和LG电子的无线充电相关专利主要集中在磁体材料和电力传输，而且在智能手机和家电领域也较有优势；丰田自动车、丰田自动织布机、韩国先进科学技术研究所的无线充电专利技术主要集中在电动车辆动力和电动车辆电源，在电动汽车无线充电领域处于领先地位。此外，日立、索尼在电数据处理，高通、三菱电机、NEC在电力传输，索尼、高通、SEW传动设备、三菱电机、精工爱普生、TDK、捷通在磁感材料，日产、大福、SEW传动设备在电动汽车动力等领域的专利量也较多。见图12。

图12 国际主要竞争机构技术优势

从专利质量来看，应用引证率（被引次数／专利件数）进行分析，国际无线充电专利申请数量排名前20位的申请人中，捷通公司、西门子、精工爱普生、索尼的无线充电技术相关专利申请数量不是最高，但被引次数非常高，说明专利质量较高；高通公司、松下电工、东芝、丰田织布机、NEC公司、三菱电机、丰田自动车、三洋电机、TDK公司、SEW传动设备的引证率在2.17～3.50之间；而松下、三星电子、LG电子虽然申请专利数量较多，但在被引用次数及被引率方面与其他机构存在一定差距。总体而言，专利质量较高的捷通公司、西门子、精工爱普生、索尼等机构更涉及无线充电核心技术环节。见表3。

5.2 中国无线充电技术竞争机构分析

无线充电中国专利申请量前20排名机构的专利申请数量与国际机构相比还存在一定差距。而且，国内无线充电专利申请机构以企业和大学为主，其中国外企业9个、国内企业5个、大学6个（见图13）。日本的索尼、松下电器、丰田、自动车、村田制作，韩国的三星电子，美国的高通公司等国外企业在中国无线充电前20强机构专利申请数量中占据了约40%。相比较而言，国内企业实力较弱，没有成为无线充电技术的创新主体，离产业化仍存在距离。

表3 国际竞争对手专利引用情况

图13 国内主要竞争机构无线充电专利申请量

从国内各竞争机构技术优势来看，充配电及电能存储是各企业和研究机构无线充电专利申请的最主要领域（见图14）。除了充配电及电能存储之外，国家电网的无线充电专利申请主要集中在信号传输领域，并在其他众多领域有专利申请涉及；东南大学、重庆大学、华南理工的研发重点在直流或交流转换；松下电器和索尼的专利申请主要集中在磁体材料，并在这一领域处于领先地位；高通、中兴通讯、三星电子的专利申请主要集中在电力传输，在这一领域占据较明显优势。

图14 国内主要竞争机构技术优势

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