諧振式非接觸供電技術研究

摘要：對諧振式非接觸供電技術從其技術原理、技術優勢、應用領域作了闡述，并對其領域的專利申請作了詳細的統計和分析。數據顯示，諧振式非接觸供電技術領域的專利申請量逐年迅猛增加，我國申請人的申請量相對其他國家遙遙領先，占據了超過50%的比例。日本、美國、韓國這些國家產業基礎好，對技術的應用能力很強，并且他們也是我國消費產品的重要供應國，應該加強對這些國家所涉及的最新技術的跟蹤。同時對諧振式非接觸供電技術的發展前景作了分析，以期能夠為本領域中的同行提供幫助和參考。

關鍵詞：供電；非接觸；諧振；共振

中國分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0224-03

非接觸供電技術，顧名思義，就是利用一種特殊設備將電源插座的電力轉變為可充電的電波，從而在扔掉電線的情況下直接對電子設備充電（無需任何物理上的連接，可以將電能非接觸地傳輸給負載）。非接觸供電技術（WPS，wireless power supply）又稱為非接觸供電技術、非接觸電能傳輸技術（Wireless Power Transfer Technology）、非接觸電能傳輸（Contactless Power Transmission，CPT）、非接觸能量傳輸（NCPS，non-contact power supply）、感應耦合電能傳輸（ICPT，inductive coupled power transfer）或松耦合電能傳輸（LCIPT，loosely coupled inductive power transfer）等。非接觸供電技術起源于1890年，物理學家兼電氣工程師尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）已經做了非接觸輸電試驗，在1891年發明了“特斯拉線圈”。特斯拉構想的非接觸輸電方法因財力不足，這一大膽構想并沒有得到實現。之后，人們雖然從理論上完全證實了這種方案的可行性，但是由于技術發展水平上的限制，想要在世界范圍內進行能量廣播和免費獲取是不可能的。因此，一個偉大的科學設想就這樣“胎死腹中”。[1-9]

非接觸供電技術的發展主要依賴于三大技術（磁耦合技術、高頻電源技術和電力電子技術），其主要分為三大類（電磁感應、電磁共振、微波傳輸），通常三者的使用頻率范圍為f1（電磁感應）

業界首個且唯一的非接觸充電標準為Qi非接觸充電低功耗技術標準，讀音為“chee”，取自“生命能量”之意。到2013 年，全球非接觸充電市場預測為140億美元。目前非接觸充電聯盟的企業包括Atmel、Callpod、LG 電子、美國國家半導體、諾基亞、奧林巴斯、飛利浦、Rohm、三星電子、桑菲通訊、索愛、德州儀器、中光電等60家企業。中國作為世界最大的非接觸移動通信市場，應用需求龐大。中國桑菲通訊是非接觸充電聯盟的十家常委企業之一。[10-15]

本文將基于諧振式非接觸供電技術的技術原理、特點、應用等內容進行介紹，并對其在國內的專利申請情況進行統計與分析，以期能夠為本領域中的同行提供幫助和參考。

一、諧振式非接觸供電技術

1.技術原理

諧振是一種非常高效的能量傳輸方式，其基本原理是：兩個振動頻率相同的物體之間可以高效地傳輸能量，而對不同振動頻率的物體幾乎沒有影響，根據諧振的特性，能量傳輸是一個諧振系統內部進行，對諧振系統以外的物體沒有影響。

圖1為一個典型的諧振式非接觸供電系統的示意圖。發送系統由一個LC諧振電路和激勵線圈A組成，通過直接耦合把能量從激磁線圈A傳到諧振電路線圈。電磁接收系統由另一個LC諧振電路和負載線圈B組成，通過直接耦合關系把能量從諧振電路的線圈傳到負載線圈。功率變換系統同樣包括初級的變換器和次級變換器。輸入電源經初級變換系統變換為高頻電壓源后驅動發送系統的激勵線圈A，激勵線圈A通過電磁感應的方式與發送系統諧振電路的線圈S進行耦合，在發射線圈S周圍形成一個非輻射磁場，將電能轉換為磁場能，接收系統諧振電路的固有頻率與發送系統相同，接收系統諧振電路的線圈D在線圈S的非輻射磁場中接收能量，即發射線圈S和接收線圈D間通過電磁耦合諧振完成功率傳輸，最后負載線圈B同樣通過感應方式從接收線圈D獲取能量。發送、接收系統的LC 諧振電路，其諧振頻率要與驅動電路頻率一致。高頻電壓源通常由工頻交流電源、工頻整流模塊、高頻逆變模塊構成。其中，高頻逆變電路是諧振式非接觸供電系統中非常重要的組成部分，其設計將很大程度上影響系統工作的穩定性和高效性。高頻逆變電路的設計主要有三個要求：能工作在1MHz以上的頻率；具有一定的功率輸出；具有較高的效率。目前的高頻逆變電路拓撲結構主要有全橋拓撲、半橋拓撲、推挽式拓撲、能量注入型諧振式拓撲、自激振蕩式諧振拓撲、E 類諧振式拓撲等等。[16-21]

2.技術優勢

諧振式非接觸供電技術的優點：

（1）利用無線磁電感應充電的設備可做到隱形，設備磨損率低，應用范圍廣，公共充電區域面積相對的減小，但減小的占地面積份額不會太大。

（2）技術含量高，操作方便，可實施相對來說的遠距離無線電能的轉換，但大功率無線充電的傳輸距離只限制在5米以內，不會太遠。

（3）操作方便。

3.應用領域

諧振式非接觸供電技術的應用非常廣泛，如電動汽車、如手機、電動牙刷、電動剃須刀、筆記本電腦充電等。[22-30]其市場的強烈需求尤其表現在無線充電領域，隨著iPhone、iPad等對電量充滿“饑渴”的設備迅速興起，研發無線充電等突破性充電技術的需求日益提高。富士通在一份聲明中說：“這項技術將為手機集合緊湊型無線充電功能以及同時為多個便攜式設備充電鋪平道路。對多個設備充電時，設備相對于充電器的位置沒有任何限制。”。

二、諧振式非接觸供電的專利申請

隨著技術的不斷發展，諧振式非接觸供電技術的專利申請量也在不斷增加。由于諧振式非接觸供電技術分類準確，主要以國際分類號H02J17/00（用電磁波供電或配電的系統）進行篩選，并可以結合典型關鍵詞：非接觸 or 非接觸 or 不接觸 or 無觸點 or 非接觸、諧振 or 共振 or 振蕩 or 諧震 or 共震 or 震蕩 or 磁耦合 or 磁諧振、（no w contact）、（contact w free）、（non w contact）、（none w contact）、wireless 、contactless+、nonline、lineless、resona+、oscillat+進行進一步篩選。目前，中文摘要庫CNABS中H02J17/00（用電磁波供電或配電的系統）分類號下的專利申請已達3084篇。

從圖2可以看出，近幾年有關諧振式非接觸供電技術領域的申請量快速增長，1995年之前在中國的申請量幾乎為零，到2000年申請量也僅僅為幾十件，但是2010年之后的年申請量一躍達到上千件。基于諧振式非接觸供電技術廣闊的應用領域及與該技術相關的數碼產品為人們日常生活帶來的無語倫比的便攜優勢必然會受到各國越來越多的青睞，那么申請量維持高增長率也是一個必然趨勢。

從圖3和表1可以看出，國外大公司的申請量比較大，位居前列的有：高通股份有限公司、索尼公司、松下電器產業株式會社、三星電子株式會社、精工愛普生株式會社、豐田自動車株式會社。我國的申請人則以大學為主，包括東南大學、天津工業大學等。從圖4可以發現，諧振式非接觸供電技術申請以公司和企業為主體，個人申請的比例也占20%，這說明諧振式非接觸供電技術的門檻并不高，這與該項技術原理簡單分不開。而國內科研機構的申請相對來說，所占的比例極小。這也反映出國內科研機構對該技術領域沒有足夠的重視，投入的科研力量比較少。

從圖5可以看出，我國申請人的申請量相對其他國家遙遙領先，占據了超過50%的比例，這說明我國在諧振式非接觸供電技術領域的研發和探索還是很活躍的。但不容忽視的是，日本、美國、韓國和德國盡管申請量相對較少，但產業基礎好，起步比較早，技術相對來說比較前沿，對技術的應用能力很強，并且他們也是我國消費產品的重要供應國，因此，應該加強對這些國家所涉及的最新技術的跟蹤。就目前市場中出現的諧振式給接觸供電產品，我國研發的產品相對美國、日本、韓國來說技術上還處于下風，說明我國研發轉化能力還很薄弱，企業的產品轉化與科研機構的研發能力沒有緊密結合。

隨著各國在諧振式非接觸供電技術領域的投入研發，諧振式非接觸供電技術日益成熟，與傳統的接觸式供電方式相比，在傳輸效率、輻射、成本等方面都取得了突破性的進展。尤其體現在數碼產品中支持無線充電的設備上，比如谷歌的Nexus4和諾基亞Lumia920。近日公開的蘋果公司的一項發明專利申請涉及一種基于“近場磁共振”的諧振式非接觸供電技術，其能夠支持1米范圍的充電區域，只要設備在充電區域內就可以進行無線充電。根據蘋果對新技術的運用能力以及受關注度，相信諧振式非接觸供電技術很快將成為各大廠商競爭的利器。諧振式非接觸供電技術的前景必將更加廣闊。

三、結語

本文對諧振式非接觸供電技術從其技術原理、技術優勢、應用領域作了闡述，并對其領域的專利申請作了詳細的統計和分析。數據顯示，近幾年的申請量快速增長，從申請人來看國外的申請人主要是一些知名的大公司，主要集中在日本、美國、韓國，我國申請人則以大學、公司、個人為主，而大學中東南大學、天津工業大學申請量比較大。希望在不遠的未來會出現更多的非接觸供電產品，惠及人們的生活。

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注：本文第二作者所做的貢獻與第一作者相同，但限于版面設計，被列為第二作者。

（責任編輯：王祝萍）