谐振耦合供电专利技术综述

摘  要：随着无线电能传输技术的发展，无线电能传输技术的相关申请也越来越多，同时，在车辆供电、便携式设备的供电与内窥镜供电等领域也对无线电能传输的技术要求越来越高，因此，本文从谐振耦合供电技术的技术发展与申请情况来进行分析，并基于该分析来应用到具体的审查中。

关键词：谐振;耦合;供电

中图分类号：TN820    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

1 无线电能传输技术发展情况

1.1 无线供电的需求

在目前所采用的电气设备，大到电网、高压线，小到各种家用电气设备，采用的为有限的供电方式，而由于存在摩擦、老化等问题，电能的传输容易具有火花等危险，影响设备的寿命及用电的安全，并且有线的传输方式也无法应用于一些场合，如矿井、水中、内窥镜的供电等，同时太多的电线与插座给人们的生活也带来诸多不便，影响生活方式，因而迫切的需要一种不需要进行电接触的供电方式。

1.2 无线供电的发展史

无线电能传输（wirelesspowertransfer，WPT），又称为无接触式电能传输（contactlesspowertransfer，CPT），指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家NikolaTesla展示了他的无线磷光照明灯。NikolaTesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。1968年，美国航空工程师PeterGlaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。人类向无线电能传输的梦想前进了一大步。2007年，美国麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）的MarinSoljacic教授等人在中等距离无线电能传输方面取得了新进展。他们“隔空”点亮了一盏离电源2m开外的60W灯泡，传输效率达到了40%。

1.3 无线供电的方式

目前主流的无线电能传输方式有三种：电磁感应耦合式、磁耦合谐振式与电磁波辐射式，其特点表1所示：

2 谐振耦合供电的专利申请发展路线

2.1 谐振耦合的早期申请

在早期对于谐振耦合的无线电能传输为麻省理工学院分别在2006年7月5日与2007年6月11日提出的PCT以及其分案申请。

麻省理工学院的MarinSoljacic团队在2006年7月5日提交了发明名称为“无线非辐射能量传递”的PCT国际申请，国际申请号为PCT/US2006/026480，享有US60/698442于2005年7月12日的优先权，国际公布号为WO2007/008646，国际公布日为2007年1月18日，并于2008年3月4日进入中国国家阶段，公开号为CN101258658A，并基于此案作为母案提出了多项分案申请，麻省理工学院在该申请中提出了共振器结构，并在背景技术中指出了全向天线能量浪费在自由空间、激光器和定向天线用于长距离且需要复杂的跟踪及不可间断的视线、电磁感应的需要很近距离的限制等缺陷，并提出了中距离无线非辐射能量的必要性，在该申请中，麻省理工学院给出了非辐射能量传递的理论分析，在图1所示中给出了电容加载导体环的共振器结构。

2.2 諧振耦合的后续发展

此后，麻省理工学院的MarinSoljacic团队在2007年6月11日提交了发明名称为“无线能量传输”的PCT国际申请，国际申请号为PCT/US2007/070892，享有US60/908383与US60/908666于2007年3月27日和2007年3月28日的优先权，国际公布号为WO2008/118178，国际公布日为2008年10月2日，并于2009年11月26日进入中国国家阶段，公开号为CN101682216A，并基于此案作为母案提出了多项分案申请，麻省理工学院在该申请中提出了谐振器结构，图2所示给出了螺旋线圈的结构，即螺旋线圈具有分布电感与分布电容，从而可作为谐振器进行使用，同时该团队在图3所示给出了四线圈结构，该结构也是该团队在2007年隔空点亮了2m开外的60W灯泡所采用的实验方案。

此后，该团队又于2009年5月14日提交了发明名称为“包括干涉增强的无线能量传输”的PCT国际申请，国际申请号为PCT/US2009/043970，享有US61/127661于2008年5月14日的优先权，国际公布号为WO2009/140506，国际公布日为2009年11月19日，并于2011年1月14日进入中国国家阶段，公开号为CN102099958A，并基于此案作为母案提出了多项分案申请，该申请对于谐振耦合技术进行了进一步地完善。

该技术专利申请初期，由麻省理工在06、07年进行了多项申请，在08年以后，国内高校与日企开始进行申请，其中哈尔滨工业大学与深圳大学于08年初进行了申请，丰田自动车株式会社也在中国进行了申请，随后09年至13年底，仍以国内高校与日企申请为主，作为国内企业以及个人申请，此后，国内企业才开始进行大量申请与布局。

从技术应用情况来看，前期申请如麻省理工学院的申请（CN101258658A、CN101682216A）主要从技术层面分析了谐振理论与机理，并给出谐振工作方式及基础的谐振结构，如两线圈、四线圈结构等，由于处于该技术的领航期，其保护的范围也较大，在随后08年的国内申请，如哈尔滨工业大学的申请（CN101316053A、CN101340113A）主要对于谐振器的结构进行了详细的描述，相对于麻省理工学院的申请，技术层面并未提升太多，但更为详细的记载了谐振的整体结构，但是类似于大多数高校申请，其权利要求请求保护的内容过于详细，严格限定了具体结构，其保护范围也相对小很多，在同样08年的日企申请中，如丰田自动车株式会社的申请（CN101835653A、CN102848924A、CN102350953A）将谐振耦合供电的方式应用到了车辆供电中，这也是将实验室的方案应用在了商业中进行的申请，并且谐振耦合的中距离供电方式，即处于“米”数量级的供电距离也恰好适于车辆的供电，因此属于比较成功的应用方式，且在后续的研究与申请中，车辆的谐振耦合供电也逐渐成为主流方向，并且同大部分的日企申请一样，其权利要求也概括的较为上位，保护范围也较大，在谐振耦合供电方式的应用上，国内企业也进行过相应的尝试，如海尔集团公司的申请（CN102104285A）将谐振耦合供电的方式应用在显示装置上，如电视机上，但该技术在电视机的应用上并不存在特殊性与强烈的需求，因而在后续的申请上对于此类申请并不多，且专利价值并不是太高。在韦特柯格雷控制系统有限公司的申请（CN102347644A）中，将谐振耦合的供电方式应用在了水下供电中，也确实解决了水下不便于线缆的连接、容易导致腐蚀、漏电等情况，以及其供电的距离也比较适合水下供电的范围，因此，在后续的研究与申请中，也有一定数量的对于水下供电的研究。在清华大学的申请（CN101904733A）中，将谐振耦合的供电方式应用在了内窥镜的，此前内窥镜的供电方式通常采用感应式耦合的供电方式，其后，深圳光启创新技术有限公司也对在内窥镜中使用谐振耦合进行了相关申请（CN103296780A、CN103296777A、CN103368271A），此类申请给内窥镜的供电方式提供了多种选择，总而言之，在谐振耦合的技术应用在逐步从实验室走向市场，并实现多样化的应用，并基于其高传递效率、无视障碍物、中距离传输等特性，使得在部分领域逐步取代以往的供电方式，具有较大的应用价值。

收稿日期：2020-01-13

作者简介：王翔（1987—），男，江苏镇江人，本科，助理研究员，研究方向：电力电子。