基于專利分析的豐田無線充電技術研究

王軍雷 董昊旻 王燦燦 成梅林

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

主題詞：豐田 無線充電 磁耦合 諧振 專利分析 技術布局

1 前言

汽車電動化在很多國家已經上升為國家戰略，并實現快速發展。相對于電動汽車應用規模的快速擴張，充電基礎設施建設則相對滯后。目前，電動汽車充電主要采用接觸式充電，存在插電易磨損、不靈活和不安全等缺點[1]。在這種背景下，無線充電技術的應用場景逐漸從消費電子領域向電動汽車延伸。

無線充電技術是指通過電場、磁場、電磁波等物理場的耦合，將電能由供電設備傳送至用電裝置，并由該裝置對電池充電，供其本身使用。根據無線電能傳輸原理，無線充電技術主要有4類：磁感應耦合式、磁耦合諧振式、微波輻射式、激光方式[2]。

由于汽車對充電功率需求較高、離地間隙較大等，汽車領域的無線充電技術更多停留在試驗階段。除了高通（Qualcomm）、WiTricity 等通訊科技公司致力于無線充電技術研發以外，以豐田、寶馬等為代表的主流汽車廠商也早已開啟無線充電技術的研發布局[3]。

其中，豐田在無線充電領域研發布局多年。2013年12 月，豐田核準了WiTricity 無線充電系統的知識產權，該系統由豐田與麻省理工學院聯合開發，可提供“中距離”（線圈間的距離可從幾厘米至幾米不等）無線充電。2014 年2 月，豐田在日本愛知縣內，利用3 輛普銳斯PHV，在1年時間內于用戶住宅中進行無線充電系統驗證試驗。該系統可幫助插電式混合動力汽車（Plugin Hybrid Electric Vehicle，PHEV）和純電動汽車（Electric Vehicle，EV）進行無線充電，而充滿車輛電池組僅需90 min[4]。

本文采用專利分析方法，分析豐田在無線充電領域的專利技術布局和重點研發方向，梳理其在關鍵技術點的技術發展路線。

2 豐田無線充電技術專利分析

2.1 數據采集范圍及相關說明

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心自主研發的全球汽車專利數據庫，收錄了全球104個國家1.3億余條汽車及相關領域的專利，對全球汽車領域重要企業的專利按照技術領域、技術效果、技術手段3 個維度進行人工標引。在數據庫的技術領域模塊選取無線充電節點，并以“豐田or toyota”對申請人進行限定，檢索截止日期為2019 年10 月31 日，檢索得到豐田無線充電領域的相關專利。

2.2 專利申請趨勢分析

截至2019年10月，在全球范圍內，豐田在無線充電領域的相關專利申請共計1 003 件，合并同族后共計192項，其中中國專利共計186件。

如圖1 所示，從專利層面來看，豐田在無線充電領域的技術研發起步于2007 年，之后專利申請量穩步增長，到2011 年專利申請量達到頂峰，高達240 件。2011年之后專利申請量幾乎呈逐年下降趨勢，且在2014 年上半年豐田進行無線充電系統試驗后再無無線充電相關報道。對于豐田無線充電專利申請量下降的原因有以下3 點猜想：豐田在關鍵領域遇到技術瓶頸；與WiTricity 合作后，放棄某些領域的自主研發；全球電動汽車無線充電技術仍處于關鍵研發階段，出于技術保密的考量進行技術封鎖。

圖1 豐田無線充電領域全球專利申請態勢

2.3 專利技術構成分析

將豐田無線充電領域的186 件中國專利全部進行人工標引，標引后的專利總體技術布局如圖2所示。由圖2 可知，豐田無線充電領域的中國專利涉及功率傳輸、系統控制、輔助功能、通信交互等多個方面，其中，在線圈磁極機構、諧振補償網絡架構、通信交互、停車對位引導以及受電/供電裝置整體結構設計方面專利儲備量較大。近年來，豐田在線圈磁極機構設計、受電端與供電端的通信交互、恒壓恒流控制方面研發投入較大，且開始關注動態無線充電系統研發，而在諧振補償網絡架構以及對位引導方面的開發逐漸削弱（見圖3）。

圖2 豐田無線充電中國專利技術布局

圖3 豐田無線充電技術研發趨勢

2.4 關鍵技術點分析

豐田無線充電系統采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，本文將重點研究豐田在線圈磁極機構設計、諧振補償及調諧控制策略、異物檢測技術、停車對位引導4 個方面的相關專利申請，通過閱讀專利文獻，梳理豐田在上述各技術點的改進路線。

2.4.1 線圈磁極機構設計

豐田在線圈磁極機構設計方面的中國專利共計26件，技術涉及繞組結構優化、磁芯結構優化以及線圈單元整體設計。

2.4.1.1 繞組結構優化

在繞組結構設計方面，豐田無線充電技術方案中既有采用平面環型線圈的方案，也有采用空間螺旋型線圈的方案。而對繞組結構的優化主要集中在針對平面環型線圈提高線圈錯位容忍性和耦合系數方面。

為提高線圈間的錯位容忍性，豐田公開號為CN103038089B 的專利提出一種線圈單元，如圖4 所示。線圈單元101 包括次級諧振線圈110、次級電磁感應線圈120 以及設置在次級諧振線圈110 上的電容器115。次級諧振線圈110 包括多個單元線圈111、112、113 和114。單元線圈111～114 圍繞次級諧振線圈110的假想中心線成環狀地旋轉對稱布置。當發送線圈和接收線圈錯位時，上述線圈設計也能保證較高的電力傳輸效率。

圖4 線圈單元[5]

基于同樣的技術思路，公開號為CN103222019B 的專利還提出一種線圈單元，如圖5所示。第二自諧振線圈110包括第一線圈115和在第一線圈115內側相互隔開間隔配置的多個第二線圈111、112、113、114，第一線圈115形成的磁場的方向與第二線圈111、112、113、114形成的磁場的方向相同。第一線圈115 和第二線圈111、112、113、114 為單匝線圈，且由1 根導線形成。第二線圈111、112、113、114以與第一線圈115的內周緣部內切的方式配置。

圖5 線圈單元[6]

為提高耦合系數、減小裝置尺寸，公開號為CN109204019A 的專利提出一種送電線圈，如圖6 所示。送電線圈23包括第一線圈50、第二線圈51，以及二者的連接配線53。

圖6 送電線圈立體圖[7]

2.4.1.2 磁芯結構的優化

在磁芯結構優化方面，為實現在降低鐵氧體用量的同時獲得較高的耦合系數，公開號為CN106856357A的專利提出一種鐵氧體結構，如圖7所示。鐵氧體22的外周緣部是多邊形狀，鐵氧體22包括多個角部46，角部46相對于送電線圈12 的彎曲部40 向外伸出。在鐵氧體22 的外周緣部劃分出多個缺口部42，缺口部42 位于鐵氧體22的角部46之間，并且缺口部42位于與相鄰的彎曲部40間的中央部分重疊的位置，而且送電線圈12周向上的缺口部42 的寬度W1隨著離開送電線圈12 的中空部37越遠而越大。

圖7 鐵氧體平面圖[8]

為實現熱的均等化，減少磁能量的損失，公開號為CN108231384A 的專利提出一種線圈單元，如圖8 所示。線圈單元320具備鐵氧體磁芯321、322和與鐵氧體磁芯321、322 相對向配置并具有多個彎曲部的線圈22L。各彎曲部22L1 夾著經過該彎曲部的曲率中心的虛擬直線L1卷繞。鐵氧體磁芯包括與各彎曲部相對向配置的彎曲部鐵氧體磁芯。在設虛擬直線延伸的方向為長度方向、設與虛擬直線正交的方向為寬度方向的情況下，彎曲部鐵氧體磁芯被設置成在與線圈相對向的區域中磁通密度最高的區域的寬度比其他區域的寬度大。在上述線圈單元中，與線圈的彎曲部相對向的各彎曲部鐵氧體磁芯構成為，通過使鐵氧體磁芯的溫度變高的區域的寬度大于其他區域，與發熱的狀況對應地分散熱量。由此，將各彎曲部鐵氧體磁芯作為整體進行觀察，可實現熱的均等化。其結果是，能夠抑制各彎曲部鐵氧體磁芯產生熱梯度，減少熱應力的產生。因此，能夠使磁能量的損失減少。

圖8 鐵氧體磁芯321、322具體結構[9]

2.4.2 諧振補償及調諧控制策略

豐田在諧振補償及調諧控制策略方面的中國專利共計34 件，技術改進主要集中在送電線圈和受電線圈間的水平位置偏差以及垂直距離變化引起的頻率失諧和阻抗失配方面。對此，豐田進行了一系列的技術改進，主要技術方案如圖9所示。

圖9 豐田阻抗匹配技術路線

2.4.3 異物檢測技術

豐田在異物檢測方面申請中國專利共計8件，其中4件專利處于有效狀態。

在異物檢測解決方案方面，豐田分別提出了基于溫度傳感器的溫度檢測和在受電部/送電部增設檢測線圈的Q值（諧振電路的品質因素）檢測方式。針對基于溫度傳感器的檢測，改進點在于通過合理布置傳感器減少所需傳感器的數量以降低成本。針對增設檢測線圈，改進點在于提高檢測精度以及準確性。縱觀豐田異物檢測領域的技術方案可以發現，目前在受電部/送電部增設異物檢測線圈是豐田異物檢測的首選解決方案。

在現有的非接觸電力傳輸系統中，使用線圈諧振電路的Q值的變化來檢測存在于送電裝置與受電裝置之間的金屬異物。Q值測定用的線圈可以獨立設置，也可以使用送電線圈。而獨立設置的情況下，也設計成具有與送電線圈同等的尺寸。然而，在車輛的非接觸供電系統等大電力系統中，送電線圈也一定程度地大型化，導致無法檢測到與送電線圈相比相對較小的異物。

為此，公開號為CN105281442B 的專利提出一種異物檢測線圈，能夠檢測與送電/受電線圈相比相對較小的異物。參照圖10，送電單元400包括送電線圈410、諧振電容器420、殼體430以及異物檢測器460。送電線圈410 以及諧振電容器420 收納在殼體430 內。殼體430包括屏蔽部432和蓋部件434。異物檢測器460包括多個第一線圈468 和多個第二線圈478，第一線圈468 和第二線圈478 設置于送電線圈410 的上方，例如可配設在殼體430的蓋部件434的內面上。第二線圈478與第一線圈468對應地設置，且具有相同的大小和形狀。各第二線圈478 與對應的第一線圈468 相對配置，一起構成線圈對，呈矩陣狀配設在蓋部件434的內面上。即多組線圈對沿著送電線圈410 的上面呈矩陣狀配設在送電線圈410 的上方，各線圈對的外形較送電線圈410小。在送電單元400 與受電單元之間存在異物的情況下，利用這樣尺寸的線圈對能夠對無法通過受電線圈受電狀態變化檢測到的小異物進行檢測。

圖10 異物檢測線圈[10]

豐田在上述異物檢測線圈設計的基礎上進行了進一步優化。考慮到電力傳輸時因異物檢測器受磁場影響而導致異物檢測結果不準確的問題，公開號為CN106232420B的專利提出在送電裝置400中增設磁場檢測器480和控制裝置485，如圖11所示。磁場檢測器480檢測磁場，控制裝置接收異物檢測器對異物的檢測結果和磁場檢測器對磁場的檢測結果，控制裝置在磁場的強度不高于規定值時的時間段基于由異物檢測器執行的異物檢測結果確定是否存在異物。由于磁場對異物檢測器的影響在磁場強度不高于規定值的時間段內較小，故可以說獲得了具有一定可靠性的異物檢測的結果。

圖11 異物檢測系統[11]

此后，豐田考慮到在利用傳感器進行非接觸充電裝置異物檢測時，存儲傳感器輸出的初始值（初始狀態），基于檢測值相對初始值的變化來判定異物的有無，若在初始值的測定時在送電裝置與受電裝置之間已經存在異物，則之后不會出現檢測值相對初始值的變化，可能會判定為不存在異物。為此，公開號為CN108116253A 的專利提出一種異物檢測系統，控制部在使用了傳感器的異物檢測開始前執行學習傳感器檢測結果初始狀態的初始學習，使用初始狀態與初始學習執行后的傳感器的檢測結果之差來判定異物的有無。在初始學習未被正常執行的情況下，控制送電部以抑制向受電部的送電。

2.4.4 停車對位引導

豐田在停車對位引導方面的中國專利共計16 件，技術方案思路基本一致，與泊車輔助系統配合使用。停車對位引導分為2個步驟：基于攝像頭拍攝的圖像信息進行停車入位；基于供電狀態推定位置偏移距離，并據此進行車輛位置調整進而實現精準對位。

在上述方案的基礎上，豐田進行了一系列的技術改進，如表1 所示。改進集中在第二階段的精準對位，主要包括：考慮到車高變化對供電狀態檢測結果的干擾，增設高度傳感器；為增強對準過程的可視化效果，通過送電單元與受電單元間的位置偏移量引起的受電單元中發光部的照度變化，或者在車輛顯示單元上通過顯示圖形的尺寸、亮度、閃爍速率或者通過提示音的音量變化反映對準狀況；為更便捷地實現送電單元和用電單元間的精準對位，在送電裝置中設置多個第一線圈，基于受電裝置的位置，從多個第一線圈中選擇用于向受電裝置送電的線圈；在受電裝置中設置移動機構進行受電單元的位置移動，實現與送電單元的精準對位。

表1 豐田停車對位引導解決方案

值得注意的是，上述技術方案的提出集中在2014年以前，2014年起并無停車對位引導相關的專利申請。

公開號為CN102209647B 的專利披露了豐田停車對位引導的基礎方案，參照圖12 和圖13，系統10 包括電動車輛100和供電設備200。電動車輛100包括受電單元110、攝像機120、通信部130 和控制裝置180。受電單元110固定設置于車體底面。供電設備200包括電源裝置210、送電單元220、多個標示送電單元220 的位置和方向的發光部230、通信部240。

圖12 無線供電系統[12]

圖13 電動汽車受電電路圖[12]

在電動車輛100中，控制裝置判定車輛的工作模式是否為充電模式（步驟S10）。當處于充電模式時，控制裝置建立車輛的通信部130 與供電設備200 的通信部240 的通信，通過通信部130 向供電設備200 發送啟動供電設備200的指令。接下來，控制裝置接收到點亮要求時，通過通信部130 向供電設備200 發送點亮發光部230 的點亮指令。進而，控制裝置通過通信部130 向供電設備200持續發送表示車輛正進行向送電單元220的引導控制的引導控制中信號，直到位置對準完成為止，在送電單元220接收到引導控制中信號時，ECU控制輸出比充電時小的預先設定的電力。接下來，控制裝置基于攝像機120拍攝到的多個發光部230的圖像來識別車輛與送電單元220的位置關系（大致的距離和方向），輸出控制指令，將車輛以適當的方式向送電單元220引導（第一引導控制）。當由于送電單元220 進入車體下部而無法通過攝像機120 拍攝送電單元220 時，控制裝置輸出控制指令結束第一引導控制（步驟S60）。此時，供電設備200的ECU經由通信部240向電動車輛100發送包含檢測電壓VS以及檢測電流IS的各檢測值的電力信息，控制裝置根據預先制作的檢測電壓/檢測電流與距離的映射關系推定送電單元220 與受電單元110 的距離，并基于距離的微分值判定二者的距離是否變為極小（步驟S80）。并且，在判定為距離很小時，控制裝置控制車輛停車，使電動停車制動器工作（步驟S90），完成對位引導。上述停車對位引導系統可與智能泊車輔助系統配合使用，可在滿足小型化的基礎上實現精準停車。但該技術方案中并未公開基于攝像頭拍攝的發光部圖像識別車輛與送點單元位置關系的具體圖像處理以及識別方法。

3 結束語

本文從專利申請態勢、專利技術構成、關鍵技術點等方面剖析了豐田在無線充電領域的專利布局以及關鍵技術點的技術發展路線。

從豐田無線充電領域的中國專利布局來看，豐田在功率傳輸、系統控制、輔助功能、通信與交互等多個方面均有研發產出，其中功率傳輸、系統控制、輔助功能是其研發重點。功率傳輸方面，豐田主要針對線圈磁極機構進行了一系列結構優化，對繞組結構的優化主要集中在針對平面環型線圈提高線圈錯位容忍性和耦合系數，磁芯結構的優化方案是在降低鐵氧體量的同時獲得高的耦合系數。輔助功能方面：豐田在停車入位引導領域的專利布局量較大，主要的技術方案為在基于攝像頭拍攝的圖像信息進行停車入位后，再基于供電狀態信息推定位置偏移距離進行位置調整實現精準對位；在異物檢測領域的解決方案主要包括基于溫度傳感器的溫度檢測和在受電部/送電部增設檢測線圈Q值的檢測方式，后續的技術方案主要是針對后者進行改進，因此，目前Q值檢測方式是豐田異物檢測的首選解決方案。豐田在諧振補償及調諧控制策略領域的研發專利產出較為可觀，其技術改進主要集中在送電線圈和受電線圈間的水平位置偏差以及垂直距離變化引起的頻率失諧和阻抗失配。

基于專利申請態勢分析發現，豐田近年來在無線充電領域的專利申請量逐年減少，且在2013 年以投資的方式與WiTricity 公司展開合作。通過專利技術構成分析發現，豐田在功率變換電路拓撲、諧振補償網絡架構及參數配置等核心技術點的專利量較少。可見，豐田在無線充電領域尚未取得核心關鍵技術突破，諸多技術難題有待攻克。