諧振耦合供電專利技術(shù)綜述

摘? 要：隨著無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電能傳輸技術(shù)的相關(guān)申請(qǐng)也越來(lái)越多，同時(shí)，在車(chē)輛供電、便攜式設(shè)備的供電與內(nèi)窺鏡供電等領(lǐng)域也對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)要求越來(lái)越高，因此，本文從諧振耦合供電技術(shù)的技術(shù)發(fā)展與申請(qǐng)情況來(lái)進(jìn)行分析，并基于該分析來(lái)應(yīng)用到具體的審查中。

關(guān)鍵詞：諧振;耦合;供電

中圖分類號(hào)：TN820? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-2064（2020）03-0000-00

1 無(wú)線電能傳輸技術(shù)發(fā)展情況

1.1 無(wú)線供電的需求

在目前所采用的電氣設(shè)備，大到電網(wǎng)、高壓線，小到各種家用電氣設(shè)備，采用的為有限的供電方式，而由于存在摩擦、老化等問(wèn)題，電能的傳輸容易具有火花等危險(xiǎn)，影響設(shè)備的壽命及用電的安全，并且有線的傳輸方式也無(wú)法應(yīng)用于一些場(chǎng)合，如礦井、水中、內(nèi)窺鏡的供電等，同時(shí)太多的電線與插座給人們的生活也帶來(lái)諸多不便，影響生活方式，因而迫切的需要一種不需要進(jìn)行電接觸的供電方式。

1.2 無(wú)線供電的發(fā)展史

無(wú)線電能傳輸（wirelesspowertransfer，WPT），又稱為無(wú)接觸式電能傳輸（contactlesspowertransfer，CPT），指的是電能從電源到負(fù)載的一種沒(méi)有經(jīng)過(guò)電氣直接接觸的能量傳輸方式。早在1893年的哥倫比亞世博會(huì)上，美國(guó)科學(xué)家NikolaTesla展示了他的無(wú)線磷光照明燈。NikolaTesla利用無(wú)線電能傳輸原理，在沒(méi)有任何導(dǎo)線連接的情況下點(diǎn)亮了燈泡。這是人類在無(wú)線電能傳輸初期階段的重要嘗試。1968年，美國(guó)航空工程師PeterGlaser提出了建立空間太陽(yáng)能電站的概念，利用在外太空的衛(wèi)星，收集太陽(yáng)能并傳輸?shù)降厍虮砻嫔蟻?lái)。隨后，美國(guó)和日本等主要發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展了空間太陽(yáng)能電站的研究。人類向無(wú)線電能傳輸?shù)膲?mèng)想前進(jìn)了一大步。2007年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）的MarinSoljacic教授等人在中等距離無(wú)線電能傳輸方面取得了新進(jìn)展。他們“隔空”點(diǎn)亮了一盞離電源2m開(kāi)外的60W燈泡，傳輸效率達(dá)到了40%。

1.3 無(wú)線供電的方式

目前主流的無(wú)線電能傳輸方式有三種：電磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式與電磁波輻射式，其特點(diǎn)表1所示：

2 諧振耦合供電的專利申請(qǐng)發(fā)展路線

2.1 諧振耦合的早期申請(qǐng)

在早期對(duì)于諧振耦合的無(wú)線電能傳輸為麻省理工學(xué)院分別在2006年7月5日與2007年6月11日提出的PCT以及其分案申請(qǐng)。

麻省理工學(xué)院的MarinSoljacic團(tuán)隊(duì)在2006年7月5日提交了發(fā)明名稱為“無(wú)線非輻射能量傳遞”的PCT國(guó)際申請(qǐng)，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2006/026480，享有US60/698442于2005年7月12日的優(yōu)先權(quán)，國(guó)際公布號(hào)為WO2007/008646，國(guó)際公布日為2007年1月18日，并于2008年3月4日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段，公開(kāi)號(hào)為CN101258658A，并基于此案作為母案提出了多項(xiàng)分案申請(qǐng)，麻省理工學(xué)院在該申請(qǐng)中提出了共振器結(jié)構(gòu)，并在背景技術(shù)中指出了全向天線能量浪費(fèi)在自由空間、激光器和定向天線用于長(zhǎng)距離且需要復(fù)雜的跟蹤及不可間斷的視線、電磁感應(yīng)的需要很近距離的限制等缺陷，并提出了中距離無(wú)線非輻射能量的必要性，在該申請(qǐng)中，麻省理工學(xué)院給出了非輻射能量傳遞的理論分析，在圖1所示中給出了電容加載導(dǎo)體環(huán)的共振器結(jié)構(gòu)。

2.2 諧振耦合的后續(xù)發(fā)展

此后，麻省理工學(xué)院的MarinSoljacic團(tuán)隊(duì)在2007年6月11日提交了發(fā)明名稱為“無(wú)線能量傳輸”的PCT國(guó)際申請(qǐng)，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2007/070892，享有US60/908383與US60/908666于2007年3月27日和2007年3月28日的優(yōu)先權(quán)，國(guó)際公布號(hào)為WO2008/118178，國(guó)際公布日為2008年10月2日，并于2009年11月26日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段，公開(kāi)號(hào)為CN101682216A，并基于此案作為母案提出了多項(xiàng)分案申請(qǐng)，麻省理工學(xué)院在該申請(qǐng)中提出了諧振器結(jié)構(gòu)，圖2所示給出了螺旋線圈的結(jié)構(gòu)，即螺旋線圈具有分布電感與分布電容，從而可作為諧振器進(jìn)行使用，同時(shí)該團(tuán)隊(duì)在圖3所示給出了四線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也是該團(tuán)隊(duì)在2007年隔空點(diǎn)亮了2m開(kāi)外的60W燈泡所采用的實(shí)驗(yàn)方案。

此后，該團(tuán)隊(duì)又于2009年5月14日提交了發(fā)明名稱為“包括干涉增強(qiáng)的無(wú)線能量傳輸”的PCT國(guó)際申請(qǐng)，國(guó)際申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US2009/043970，享有US61/127661于2008年5月14日的優(yōu)先權(quán)，國(guó)際公布號(hào)為WO2009/140506，國(guó)際公布日為2009年11月19日，并于2011年1月14日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段，公開(kāi)號(hào)為CN102099958A，并基于此案作為母案提出了多項(xiàng)分案申請(qǐng)，該申請(qǐng)對(duì)于諧振耦合技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步地完善。

該技術(shù)專利申請(qǐng)初期，由麻省理工在06、07年進(jìn)行了多項(xiàng)申請(qǐng)，在08年以后，國(guó)內(nèi)高校與日企開(kāi)始進(jìn)行申請(qǐng)，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)與深圳大學(xué)于08年初進(jìn)行了申請(qǐng)，豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社也在中國(guó)進(jìn)行了申請(qǐng)，隨后09年至13年底，仍以國(guó)內(nèi)高校與日企申請(qǐng)為主，作為國(guó)內(nèi)企業(yè)以及個(gè)人申請(qǐng)，此后，國(guó)內(nèi)企業(yè)才開(kāi)始進(jìn)行大量申請(qǐng)與布局。

從技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，前期申請(qǐng)如麻省理工學(xué)院的申請(qǐng)（CN101258658A、CN101682216A）主要從技術(shù)層面分析了諧振理論與機(jī)理，并給出諧振工作方式及基礎(chǔ)的諧振結(jié)構(gòu)，如兩線圈、四線圈結(jié)構(gòu)等，由于處于該技術(shù)的領(lǐng)航期，其保護(hù)的范圍也較大，在隨后08年的國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的申請(qǐng)（CN101316053A、CN101340113A）主要對(duì)于諧振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，相對(duì)于麻省理工學(xué)院的申請(qǐng)，技術(shù)層面并未提升太多，但更為詳細(xì)的記載了諧振的整體結(jié)構(gòu)，但是類似于大多數(shù)高校申請(qǐng)，其權(quán)利要求請(qǐng)求保護(hù)的內(nèi)容過(guò)于詳細(xì)，嚴(yán)格限定了具體結(jié)構(gòu)，其保護(hù)范圍也相對(duì)小很多，在同樣08年的日企申請(qǐng)中，如豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社的申請(qǐng)（CN101835653A、CN102848924A、CN102350953A）將諧振耦合供電的方式應(yīng)用到了車(chē)輛供電中，這也是將實(shí)驗(yàn)室的方案應(yīng)用在了商業(yè)中進(jìn)行的申請(qǐng)，并且諧振耦合的中距離供電方式，即處于“米”數(shù)量級(jí)的供電距離也恰好適于車(chē)輛的供電，因此屬于比較成功的應(yīng)用方式，且在后續(xù)的研究與申請(qǐng)中，車(chē)輛的諧振耦合供電也逐漸成為主流方向，并且同大部分的日企申請(qǐng)一樣，其權(quán)利要求也概括的較為上位，保護(hù)范圍也較大，在諧振耦合供電方式的應(yīng)用上，國(guó)內(nèi)企業(yè)也進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的嘗試，如海爾集團(tuán)公司的申請(qǐng)（CN102104285A）將諧振耦合供電的方式應(yīng)用在顯示裝置上，如電視機(jī)上，但該技術(shù)在電視機(jī)的應(yīng)用上并不存在特殊性與強(qiáng)烈的需求，因而在后續(xù)的申請(qǐng)上對(duì)于此類申請(qǐng)并不多，且專利價(jià)值并不是太高。在韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司的申請(qǐng)（CN102347644A）中，將諧振耦合的供電方式應(yīng)用在了水下供電中，也確實(shí)解決了水下不便于線纜的連接、容易導(dǎo)致腐蝕、漏電等情況，以及其供電的距離也比較適合水下供電的范圍，因此，在后續(xù)的研究與申請(qǐng)中，也有一定數(shù)量的對(duì)于水下供電的研究。在清華大學(xué)的申請(qǐng)（CN101904733A）中，將諧振耦合的供電方式應(yīng)用在了內(nèi)窺鏡的，此前內(nèi)窺鏡的供電方式通常采用感應(yīng)式耦合的供電方式，其后，深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司也對(duì)在內(nèi)窺鏡中使用諧振耦合進(jìn)行了相關(guān)申請(qǐng)（CN103296780A、CN103296777A、CN103368271A），此類申請(qǐng)給內(nèi)窺鏡的供電方式提供了多種選擇，總而言之，在諧振耦合的技術(shù)應(yīng)用在逐步從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用，并基于其高傳遞效率、無(wú)視障礙物、中距離傳輸?shù)忍匦裕沟迷诓糠诸I(lǐng)域逐步取代以往的供電方式，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

收稿日期：2020-01-13

作者簡(jiǎn)介：王翔（1987—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，本科，助理研究員，研究方向：電力電子。