无线电力传输,又称为无线能源(传输)或无线电力传输(WPT),是一种无需物理连接器或电线即可将电能从电源传输到电气设备的技术。其工作原理是电磁感应。
如今,这种技术主要用于为智能手机和电动牙刷充电,以及一些植入式医疗设备和一些电动汽车(EV)充电。
研发方向
为多种设备充电:未来,无线充电系统将能够同时为多台设备充电,而每台设备都不需要单独的充电器。这将提高智能家居设备、电动汽车和移动设备等多设备充电的便利性。
提高充电速度和功率输出:为包括智能手机、电动汽车和其他电子设备快速充电。
为电动汽车可靠充电:电动汽车市场的增长将推动这一领域的进一步发展,无线充电系统可能会嵌入道路、停车场和家庭车库。
谐振充电:无线充电技术将继续发展,从而实现远距离充电,并提高灵活性,而无需精确对准充电板。这方面进一步的发展目标是实现超长距离电力传输,例如太空太阳能发电系统向地球供电。
如果最后发展方向成功,将通过太空发电改变全球电力供应链。太阳能电池板在太空中的发电效率优于地球上任何地方,优于没有大气层、夜晚或云层的干扰,太阳能电池板在太空的发电效率是在地球发电效率的4倍。但是,远距离无线输电能需要大幅改进。尽管在2021年,一个研究小组将1.6千瓦的电能传输了1公里的距离,微波到电能的转换效率达到73%,但还需要用更低频率的微波进一步测试。低频率的微波在太空中的大气损耗更小,传输距离也更远。
这种潜在的颠覆性技术的一个重要方面就是经济性。根据估算,一个全尺寸系统太阳能系统的开发和发射将耗资163亿英镑,并考虑到每年20%的最低投资回报率,该研究得出结论,在大约100年的使用寿命内,天基太阳能发电系统可以以每兆瓦时50英镑的价格发电,这与现在欧洲的用电成本大致相当。
但现在要解决的的挑战仍然很多。首先,任何大功率传输都需要大幅提高能源效率,最大成都减少能源浪费和热量产生。其次,必须解决安全问题;事实上,确保无线输电方法相关设备和安全性都是当务之急。这些问题适用于低功率和高功率应用,但对于日常使用,还需要解决另一个方面的问题,即材料和系统的标准化,避免兼容性问题。
无线电力传输专利态势分析
共检索到相关专利50000多件。在20年前每年仅有200多件专利申请,而到2021年超过5000件,复合年增长率(CAGR)达到20%。但最近几年增长速度正在放缓,2019年至2021年的年复合增长率仅为1%,而2009年至2018年的扩张阶段的复合年增长率接近28%。
技术来源国分析
优先权国别通常是研发所在国,对优先权国家进行分析可知中国是无线充电的主要技术来源国,约占总数量的45%。
美国稳居第二,占总数量的22%,韩国和日本紧随其后,都有约10%的专利首先在这两国申请。与亚洲和美国相比,欧洲在无线充电领域的研发活动较小,主要由德国和英国主导。
下图显示了除中国外的主要参与方的专利申请演变情况。从图中可以看出,在这一时期的前十年,美国的专利申请量遥遥领先于其他国家,但在与日本韩国等其他国家的竞争中,美国的领先优势有所减弱,到2021年,韩国的专利申请首次超过了美国。
优先权国家2004-2021年的专利申请
无线充电创新的市场覆盖率
主要创新国家是中国和美国,其公开的发明数量最多。欧洲紧随其后,这是因为欧洲大陆的电气化程度较高,许多未来发展都可以在欧洲找到重要的成熟市场。
无线电力传输:专利动态和领先企业
电子和半导体行业的主要企业都是无线充电领域的主要创新者。丰田汽车公司是前50申请人中唯一的汽车制造商,拥有500多件专利。
排名第一的申请人是三星公司,其拥有1800多个专利家族,其中1600件依然有效,其次是LG公司,其专利数量不到三星。WiTricity是该领域的纯创新型企业,专注于“未来无线电动汽车充电系统”,该公司拥有263个专利家族,其中230个仍然有效。该公司专利授权比例最高,达到86%。
其他重要专利申请人还有高通公司(Qualcomm)、苹果公司(Apple)、中国国家电网公司(SGCC)、佳能公司(Canon)和松下公司(Panasonic)。这些公司中的大多数主要关注移动设备充电领域,只有中国国家电网公司(SGCC)除外,该公司拥有无线充电各方面的专利,应用范围广泛。
下表显示了一些主要申请人在过去六年中的专利活动。在下表中,三星或丰田等该领域主要申请人(过去10年中占70%,过去6年中占40%左右)没有出现。
中国企业近些年无线充电相关专利申请活动活跃,如OPPO、小米、华为和Vivo,这四家企业在过去10年申请的专利占其所有无线充电专利组合的95%以上,在过去6年中占80%以上。
在过去10年中,WiTricity、WiTS、NuCurrent、Energous和AMOSENSE等小公司的申请专利组合占比超过85%,但其中大多数新公司(即Witricity、Energous和WiTS)的申请专利活动在过去5年中有所减少。
NuCurrent开发基于电磁感应和磁共振原理的无线输电技术,可应用于消费电子、可穿戴设备、医疗设备、汽车、工业自动化和物联网设备。
Energous是无线充电和远距离供电技术的领先开发商。其WattUp平台可为各种设备(包括智能手机、可穿戴设备和物联网设备)提供基于射频(RF)的无线充电。
AMOSENCE是一家特种材料公司,利用其专业技术开发无线充电设备组件,包括超薄磁屏蔽片和无线电力传输天线模块。
WiTS公司于2019年4月接管三星电机移动无线电力传输业务后成立。此后,该公司一直在开发智能手机用带天线的无线传输接收模块、无线充电板用带天线的无线传输模块、NFC芯片天线等。
2018-2023年部分主要企业的专利申请活动
从表中其他类型的公司来看,一些大公司在10年前无线充电相关专利申请活跃,但现在似乎对该领域不再感兴趣。英特尔、高通、罗伯特-博世和松下等公司就属于这一类。
高通公司的战略值得关注,从专利强度和非自引专利的数量的角度看,如在比较三星和高通的专利组合时,这些数字就非常有趣。
从表中我们可以看出,高通公司拥有的授权专利数量仅为三星公司的三分之一,但高通公司的非自引数量却高于韩国公司。上表中红色显示的“平均专利强度”一栏考虑到了这一点,该栏显示高通公司的专利族平均强度比三星公司高出近50%。我们可以认为,高通公司现在希望利用自身的优势,或许可以对其专利组合进行估值,而不是继续申请每年维护费用超过140万美元的专利。
再简单看一下前面提到的空间应用,我们注意到由阿里-哈吉米里博士领导的加州理工学院团队的几项专利。阿里-哈吉米里(Ali Hajimiri)领导的加州理工学院团队的几项专利。这项已获批准的专利涉及一种大型太阳能发电站,目的是将其部署在太空中,所产生的电力可通过微波辐射或光等无线信号传输到地球。
专利US10340698B2主图
在检索到的有关无线能量传输的50000多项专利中,只有80个专利族侧重于天基应用,其专利申请来自NASA、RTX、Astrium、Redwire Space和已倒闭的Escape Dynamics公司。
无线电力传输:令人兴奋的快速发展领域
无线充电是一种基于时变电磁场的强大技术,无需物理连接即可实现电力传输,而且由于具有众多优点(无腐蚀、更耐用、更方便、更美观、制造成本更低等),这种技术还将不断发展。未来的改进将集中在速度、距离、智能化、环保和技术标准化等方面,而每一次渐进式改进都将推动该技术在从消费电子产品到交通运输等各个领域的广泛采用和应用,为人们提供更加便捷、高效和环保的充电体验。尽管该技术具有颠覆能源模式的潜力,但仍有很长的路要走,目前似乎只有少数几家公司和研究机构对该领域感兴趣。不过,这个极具颠覆性的想法可能只需要一个可行的概念验证,就能在专利申请和随后的商业活动中获得一些牵引力。