电动汽车无线充电专利技术发展
摘要: 近年来,无线充电的技术越来越成熟,伴随着无线充电技术的成熟,电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。本文对电动车无线充电领域的专利申请进行分析,从专利申请量、申请人的分布等多方面统计分析,对电动车领域的技术进行分析,同时,对该领域的技术发展进行梳理。

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无线充电技术引源于无线电力输送技术。无线电力传输也称无线能量传输或无线功率传输。 根据在空间实现无线电力传输供电距离的不同,可以把无线电力传输形式分为短程、中程和远程传输三大类。

短程传输:通过电磁感应电力传输(ICPT)技术来实现, 一般适用于小型便携式电子设备供电。ICPT 主要以磁场为媒介,利用变压器耦合,通过初级和次级线圈感应产生电流,电磁场可以穿透一切非金属的物体, 电能可以隔着很多非金属材料进行传输,从而将能量从传输端转移到接收端,实现无电气连接的电能传输。 电磁感应传输功率大,能达几百千瓦,但电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离,传输距离上限是 10 cm 左右。

中程传输:通过电磁耦合共振电力传输(ERPT)技术或射频电力传输(RFPT)技术实现,中程传输可为手机、MP3 等仪器提供无线电力传输。ERPT 技术主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振,发生强电磁耦合的工作原理,通过非辐射磁场实现电能的高效传输。电磁共振型与电磁感应型相比,采用的磁场要弱得多,传输功率可达几千瓦,能实现更长距离的传输,传输距离可达 3~4 m。RFPT 主要通过功率放大器发射射频信号,通过检波、高频整流后得到直流电,供负载使用。 RFPT 距离较远,能达 10 m,但传输功率很小,为几毫瓦至百毫瓦。

远程传输:通过微波电力传输(MPT)技术或激光电力传输(LPT)技术来实现。 远程传输对于太空科技领域如人造卫星、 航天器之间的能量传输以及新能源开发利用等有重要的战略意义。MPT是将电能转化为微波,让微波经自由空间传送到目标位置,再经整流,转化成直流电能,提供给负载。微波电能传输适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输,如空间太阳能电站等。LPT是利用激光可以携带大量的能量,用较小的发射功率实现较远距离的电能传输。激光方向性强、能量集中,不存在干扰通信卫星的风险,但障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换,射束能量在传输途中会部分丧失。

1电动汽车的专利申请情况

为了研究电动车无线充电专利技术的发展情况,笔者通过IPC分类号与关键词、转库检索等检索策略相结合,获取初步结果后将检索文献中的明显噪声清理,并利用S系统的统计命令和Excel对该领域的中国专利申请数据和全球专利申请数据进行统计分析。

中国首件专利申请为1997年由日本三洋电机株式会社提出的专利申请,其后的10年内,电动汽车无线充电技术处于起步阶段,年申请量比较低,发展速度也维持在一个较低的水平,由于应用领域的整体需求不是很大,因此相关研究也就长期处于低速发展阶段,而且,大部分为国外来华申请,随着全球环境问题尤其是温室效应越来越严重,与新能源相关的技术受到了世界各国的重视,电动汽车成为了发展热点,所以,电动汽车无线充电技术也随之进入了快速增长期,从2010年起,我国电动汽车无线充电技术的发展进入了一个迅猛发展、井喷的阶段。电动汽车专利数据增加的特点与我国电动汽车的发展态势大致是一致的。2008年初,国务院联合多个部门提出汽车新能源振兴计划,定在北京、上海、重庆、武汉、深圳等城市推广新能源汽车。在相关部委政策出台后,电动汽车迅速发展。企业投入了大量的科研经费,科研成果的专利数量也非常多。

通过对国内专利的统计数据,国内排名靠前的省市的专利申请量占国内总量百分比。由图可以看出,安徽的专利申请总量排名第一,占国内总申请量的16%,其次为北京、上海、广东、江苏,分别排名2-5位,在电动汽车无线充电领域中,国内申请专利集中度相对较高,多为经济发达地区或主要申请人所在区域。进一步统计国际专利的数据,日本专利申请排名第一位,占国外来华申请总量的54%,美国和德国分别的专利申请排名第二、三位,根据上述数据可以看出,国外来华申请集中度高,其中日本和美国占据较为明显的优势地位。

专利申请人作为专利文献中的一个重要组成部分, 在专利分析中占有举足轻重的地位。通过专利申请人分析,可以挖掘出行业内的领军企业和竞争对手, 也可以分析出自身与竞争对手的优势和差距等。国内电动汽车无线充电技术专利申请量最多的前十位申请人,大部分集中于国内汽车企业,尤其集中于大型汽车企业集团,其中丰田的专利申请数量尤为引起注意,这说明国外汽车制造企业在我国抢滩占点,建立了自己的生产基地,并为了建立自己的技术保护网, 在我国申请了大量的专利。而相比之下,国内自主品牌汽车企业并不具有优势。反而,国内的科研高校对此进行了研究,并已经取得了一定的研究成果。

电动汽车无线充电领域主要传输方式为:电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光,但是基本原理大概可以分为以下三种:电磁感应式、无线电波式、谐振耦合式,通过非辐射磁场内两线圈的共振效应实现中距离的无线供电。谐振耦合式无线充电技术的非辐射性、高效率等优点是其它无线充电技术无法相比的。所谓谐振耦合式就是利用接收线圈的电感和并联的电容形成共振回路,在接收端也组成同样共振频率的接收回路,利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无线电能传输。其中,谐振耦合式无线充电技术的非辐射性、高效率等优点是其它无线充电技术无法相比的。所谓谐振耦合式就是利用接收线圈的电感和并联的电容形成共振回路,在接收端也组成同样共振频率的接收回路,利用谐振形成的强磁耦合来实现高效率的无线电能传输。该技术的出现引起了国内外学术界与工业界的巨大兴趣,被公认为目前最具发展前景的一种无线能量传输技术方案。经统计,谐振耦合式无线充电应用最为广泛,其次为电磁感应式充电。

2结语

本文通过专利为样本,分析了电动汽车无线充电的技术分支,并做了进一步分析,通过上述分析,目前日本丰田公司在这方面做的比较突出,但是中国在该方面技术也有越来越多的研究,只是申请量方面以及研究深度方面都尚未达到一定规模,该领域虽然在目前应用不高,但是其仍具有很大地发展潜力,我国应该进一步推动国内电动汽车无线充电的研究和专利申请,提高整体技术水平。

参考文献:

[1]专利申请号:CN201210057919.5;

[2]专利申请号:CN201210279907.7;

[3]专利申请号:CN201410103873.5;

[4]专利申请号:CN201710337832.6;

[5]专利申请号:CN202010922177.2;