Analyse cartographique des brevets sur la transmission énergétique sans fil : la prochaine étape pour l’électrification de nos vies ?

Des appareils électroniques grand public de faible consommation aux petits dispositifs médicaux implantés, la transmission énergétique sans fil à courte distance présente déjà des avantages significatifs et très utiles en raison de l’absence de câbles. Cependant, notre analyse cartographique des brevets révèle un avenir possible pour cette technologie qui pourrait révolutionner à jamais la façon dont nous utilisons l'électricité, comme l'explique Nicolas Nowak, Consultant Senior en Intelligence Économique et Chef d'Équipe en Chimie.

Au cours des dernières décennies, l’énergie et les données sont devenues essentielles à notre vie quotidienne. Tout comme notre utilisation et notre dépendance à l'égard des appareils électroniques ont évolué, la technologie a également évolué, les données passant du « filaire » au « sans fil », démocratisant ainsi l'accès à l'information. Et si nous pouvions faire de même avec l’accès à l’énergie ?

Qu’est-ce que la transmission d’énergie sans fil ?

La transmission d'énergie sans fil, également connue sous le nom communication sans fil (transmission) ou transfert d'énergie sans fil (WPT), est une technologie qui permet de transmettre de l'énergie électrique d'une source d'alimentation à un appareil électrique sans avoir besoin de connecteurs physiques ou de fils.

Aujourd’hui, cette technologie est principalement utilisée pour recharger les smartphones et les brosses à dents électriques, ainsi que certains dispositifs médicaux implantés et, plus marginalement, certains véhicules électriques (VE).

Comment fonctionne la transmission d’énergie sans fil ?

• En théorie:

La recharge sans fil fonctionne sur le principe de l’induction électromagnétique et commence par les merveilleuses propriétés des ondes électromagnétiques.

Comme nous l'avons appris au début du cours de physique, si deux ondes qui ont la même fréquence et qui montent et descendent en même temps se rencontrent à un moment donné dans l'espace, elles s'additionneront et formeront une onde deux fois plus haute et transportant quatre fois plus d'énergie, en raison d’une ingérence constructive. Mais si les deux mêmes ondes se rejoignent à un autre endroit de l’espace et que l’une d’entre elles est en retard d’une demi-période, elles s’annuleront, ce qui entraînera l’absence de signal en raison d’ interférences destructrices. Cela fonctionne pour toutes sortes d’ondes : lumineuses, acoustiques (c’est le principe des casques antibruit), ou encore radiofréquences par exemple.

Comprendre ce concept est important pour les besoins de la transmission d'énergie sans fil : si deux ondes sont générées en un certain point, elles se propageront et se comporteront comme le montre la figure 2, certains points de l'espace ayant des interférences destructrices (pas d'énergie) et d'autres constructives. celles (avec plus d'énergie), le nombre et l'intensité de ces interférences dépendant de la distance entre les points de génération, et du décalage temporel entre leur génération.

A partir de là, il est possible de faire aller les ondes dans une direction en générant davantage d'ondes et en les synchronisant parfaitement dans le temps . Ce qui se passe alors, c’est que la majeure partie de l’énergie commence à voyager vers le bas. À partir de là, si le timing est modifié, la direction dans laquelle vont les ondes avec des interférences constructives peut être choisie et modifiée, comme illustré sur la figure 3. Ce changement de direction peut être géré uniquement en contrôlant le timing, donc sans aucun mouvement mécanique.

Mais cela ne s’arrête pas là ! Le contrôle du timing entre la génération des vagues fournit également une autre fonctionnalité utile ; cela peut aider à envoyer plus d’énergie vers un point de l’espace de votre choix. Ainsi, en perfectionnant cette fonctionnalité, près de 90 % de l’énergie peut être envoyée à ce point focal spécifique, ce qui en fait une sorte de loupe pour l’énergie. Ce couplage inductif résonnant peut constituer la base d'améliorations considérables dans la transmission d'énergie sans fil .

• En pratique:

En pratique, la transmission d'énergie sans fil nécessite uniquement l'utilisation d'une bobine d'induction émettrice pour créer les ondes électromagnétiques à partir d'une base de chargement, et d'une bobine d'induction réceptrice dans l'appareil ciblé pour convertir l'énergie du champ électromagnétique en courant électrique pour charger la batterie. ou alimenter l'appareil. Aujourd’hui, pour que la recharge sans fil fonctionne efficacement, la bobine émettrice et la bobine réceptrice doivent être proches l’une de l’autre et correctement alignées. Cependant, de plus grandes distances entre les bobines émettrices et réceptrices peuvent être obtenues lorsque le système de couplage inductif résonant présenté précédemment est utilisé.

Développements futurs possibles de la technologie de recharge sans fil

En tant que technologie relativement nouvelle, la recharge sans fil connaît de nombreux développements différents qui devraient conduire à de nouvelles percées et avancées dans ce domaine. Les principaux enjeux de recherche et développement (R&D) seraient désormais de :

• Charger plusieurs appareils : à l'avenir, les systèmes de chargement sans fil auront la capacité de charger plusieurs appareils simultanément sans que chaque appareil ait besoin d'un chargeur séparé. Cela améliorera la commodité de charger plusieurs appareils, tels que les appareils domestiques intelligents, les véhicules électriques et les appareils mobiles.
• Améliorer les vitesses de charge et la puissance délivrée : cela permettra aux utilisateurs de charger leurs appareils plus rapidement, notamment les smartphones, les véhicules électriques et autres appareils électroniques.
• Recharger les véhicules électriques de manière fiable : la croissance du marché des véhicules électriques entraînera de nouveaux progrès dans ce domaine, avec des systèmes sans fil éventuellement intégrés dans les routes, les parkings et les garages domestiques ;
• Utiliser la charge par résonance : La technologie de transmission d'énergie sans fil continuera à se développer, permettant une charge sur de très longues distances et une flexibilité accrue sans avoir besoin d'un alignement précis avec les socles de charge. Mais un autre objectif serait de permettre le transfert d’énergie sur de très longues distances, comme pour les systèmes d’énergie solaire spatiaux dirigeant l’électricité vers la Terre.

En cas de succès, ce dernier axe de développement pourrait changer la chaîne d’approvisionnement électrique mondiale en produisant de l’électricité dans l’espace ! Les panneaux solaires pourraient multiplier par quatre leur efficacité par rapport aux meilleurs endroits de la planète, grâce à l’absence d’atmosphère, de nuit ou de nuages. Mais la transmission d’énergie sans fil longue distance doit encore être considérablement améliorée. Bien qu'en 2021, une équipe de chercheurs ait envoyé 1,6 kW de puissance électrique sur une distance de 1 km, avec un rendement de conversion micro-ondes en électricité de 73 %, des tests supplémentaires doivent être réalisés avec des micro-ondes à plus basse fréquence, qui souffriraient beaucoup moins de perte atmosphérique dans l’espace et sur des distances plus grandes.

Un aspect important de cette technologie potentiellement disruptive est son analyse économique. Basé sur une estimation selon laquelle un système solaire de taille réelle coûterait 16,3 milliards de livres sterling à développer et à lancer, et permettant un taux de retour sur investissement minimum de 20 % par an, il a conclu qu'un système solaire spatial- Le système électrique pourrait, sur sa durée de vie d’environ 100 ans, produire de l’énergie à 50 £ par MWh, soit à peu près le coût de l’électricité dont nous disposons aujourd’hui en Europe.

Mais évidemment, les défis restent nombreux et cruciaux à résoudre. Premièrement, l’efficacité énergétique doit être considérablement améliorée pour tout type de transfert de puissance élevée afin de minimiser le gaspillage d’énergie et la génération de chaleur. Ensuite, les problèmes de sécurité doivent être résolus ; en effet, il est important de garantir que les méthodes de transmission d’énergie sans fil soient sûres à la fois pour les appareils et pour les humains. Ces préoccupations sont valables pour les applications de faible et de forte puissance, mais pour une utilisation quotidienne, un autre aspect doit être abordé : c'est la standardisation des matériaux et des systèmes pour éviter les problèmes de compatibilité.

Analyse de la cartographie des brevets sur la transmission d’énergie sans fil

L’analyse des dépôts de brevet offre des informations précieuses sur l’innovation, nous aidant notamment à prédire l’avenir de la technologie. Dans cette partie, je partagerai ce que les dépôts de brevet pour l'innovation en matière de recharge sans fil peuvent nous apprendre sur la prochaine génération de cette technologie, y compris les principaux acteurs industriels et les principaux marchés de R&D derrière cette solution innovante.

Que nous apprend la dynamique des brevets sur le statut d’innovation de cette technologie ?

Pour comprendre les activités d'innovation et de R&D dans cette technologie, nous avons effectué une recherche macro à l'aide de notre logiciel d'intelligence PI . En analysant les brevets collectés grâce à notre expertise en services de conseil en propriété intellectuelle, nous avons pu créer un aperçu mondial fascinant de l'avancement de la recherche et des investissements dans ce domaine.

Au total, la base de données comprend un peu plus de 50 000 familles de brevets déposées au cours des 20 dernières années. La dynamique des dépôts de brevets révèle une technologie à croissance exponentielle pour laquelle seulement un peu plus de 200 brevets étaient déposés chaque année il y a 20 ans, mais plus de 5 000 l’ont été en 2021, ce qui représente un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 20 %. Mais la dynamique semble ralentir ces dernières années, puisque le TCAC n’est qu’à 1% de 2019 à 2021, par rapport à la phase d’expansion de 2009 à 2018 qui a connu un TCAC de près de 28%.

Points chauds géographiques pour les innovations en matière de recharge sans fil

Le dépôt d'un dossier de pays prioritaire s'effectue le plus souvent dans le pays dans lequel la R&D est réalisée. L'examen de ces données nous montre donc quels pays sont les plus innovants et lesquels cherchent à protéger leurs inventions. Comme c'est souvent le cas, la Chine est identifiée comme le principal pays d'origine de ces inventions de recharge sans fil, avec environ 45 % du nombre total de familles de brevets.

Les États-Unis occupent une solide deuxième place, avec 22 % des familles de brevets, démontrant la résilience de ce pays à innover davantage dans des domaines hautement techniques. Les entreprises coréennes et japonaises suivent, avec environ 10 % des brevets déposés en premier dans ces pays. La contribution européenne aux activités de recherche est encore faible, comparée à celle de l’Asie et des États-Unis, et est principalement menée par l’Allemagne et la Grande-Bretagne.

Le graphique ci-dessous montre l'évolution des dépôts de brevets des principaux acteurs hors Chine. Il montre qu'au cours de la première décennie de la période, les États-Unis avaient une forte avance sur les autres pays en matière de dépôts de brevets, mais cette avance a diminué par rapport à d'autres pays comme le Japon et la Corée, et pour la première fois en 2021, les dépôts coréens ont été plus nombreux que ceux des États-Unis.

Couverture du marché pour les innovations en matière de recharge sans fil

Il n’est pas surprenant de constater que le plus grand nombre d’inventions ont été publiées dans les principaux pays innovants, à savoir la Chine et les États-Unis. Mais l’Europe grimpe ici à la troisième place car le continent est déjà très électrifié et de nombreux développements futurs peuvent trouver un marché développé et mature important en Europe.

Transmission de puissance sans fil : dynamique des brevets et principaux acteurs

Parmi les principaux innovateurs en matière de recharge sans fil, on trouve des acteurs majeurs des secteurs de l’électronique et des semi-conducteurs. Toyota Motors est le seul constructeur automobile parmi les 50 principaux détenteurs de brevets avec un solide portefeuille de plus de 500 familles de brevets.

Le principal contributeur est Samsung, qui possède plus de 1 800 familles de brevets, dont 1 600 sont encore en vie, suivi par LG Corporation, avec moins de la moitié du nombre de brevets de Samsung. WiTricity est un pure player innovant dans le domaine, spécialisé dans les « systèmes de recharge sans fil pour véhicules électriques prêts pour l'avenir », et la société compte 263 familles de brevets dans notre base de données, dont 230 sont actives. L'entreprise détient la plus grande proportion de brevets délivrés, avec 86 % du portefeuille délivré.

D'autres acteurs importants sont Qualcomm, Apple, The State Grid Corporation of China (SGCC), Canon et Panasonic, qui sont tous déjà de grandes entreprises qui se lancent dans le domaine ou assurent une position de leader en tant qu'acteur visible dans le domaine. La plupart de ces sociétés sont principalement actives dans le domaine de la recharge d'appareils mobiles, à l'exception de SGCC qui détient des brevets sur divers aspects de la recharge sans fil pour une grande variété d'applications.

Le tableau suivant montre l'activité en matière de brevets de certains des principaux acteurs au cours des six dernières années. L'examen de cette activité donne des informations intéressantes sur ceux qui rejoignent ou abandonnent le domaine. Dans le tableau ci-dessous, ne figurent pas les principaux acteurs qui ont une répartition relativement normale des dépôts de brevets compte tenu de l'activité mondiale (70% sur les 10 dernières années et environ 40% sur les six dernières années), comme Samsung ou Toyota.

Quand on se concentre sur des acteurs qui ont été très actifs ces derniers temps ; on remarque les petits acteurs chinois de l'électronique comme Oppo, Xiaomi, Huawei et Vivo Mobile, tous les quatre ayant déposé plus de 95% de leur portefeuille au cours des 10 dernières années, et plus de 80% au cours des six dernières années. Cela montre la volonté de ces entreprises d’innover et de proposer des produits à forte valeur ajoutée pour concurrencer les fabricants d’appareils mobiles américains et coréens.

D'autres nouveaux venus récents, ayant rempli plus de 85 % de leurs portefeuilles au cours des 10 dernières années, sont les petites sociétés WiTricity, WiTS, NuCurrent, Energous et AMOSENSE, bien que la plupart de ces nouveaux acteurs, à savoir Witricity, Energous et WiTS, aient vu leurs activités ont chuté au cours des cinq dernières années.

• NuCurrent développe une technologie de transmission d'énergie sans fil basée sur les principes de l'induction magnétique et de la résonance magnétique qui trouve des applications dans l'électronique grand public, les appareils portables, les dispositifs médicaux, l'automobile, l'automatisation industrielle et les appareils IoT (Internet des objets).
• Energous est l'un des principaux développeurs de technologies de recharge sans fil et d'alimentation à distance. Sa plate-forme WattUp permet le chargement sans fil par radiofréquence (RF) pour divers appareils, notamment les smartphones, les appareils portables et les appareils IoT.
• AMOSENCE est une entreprise de matériaux spécialisés qui utilise son expertise pour développer des composants pour dispositifs de chargement sans fil, notamment une feuille de blindage magnétique ultra-mince et un module d'antenne de transmission de puissance sans fil.
• WiTS, Inc. a été créée en avril 2019 après avoir repris l'activité de transfert d'énergie mobile sans fil de Samsung Electro-Mechanics. Depuis, elle développe des modules récepteurs de transmission sans fil avec antennes pour smartphones, des modules de transmission sans fil avec antennes pour chargeurs sans fil, des antennes à puce NFC, etc.

En regardant d’autres types d’entreprises dans ce tableau, on remarque quelques grands noms qui étaient actifs il y a 10 ans mais qui ne semblent plus s’intéresser au domaine. Dans cette catégorie, nous pouvons placer des entreprises telles qu'Intel, Qualcomm, Robert Bosch et Panasonic.

La stratégie de Qualcomm est intéressante à regarder, car nos logiciels peuvent également nous montrer l'impact et le nombre de non-auto-citations de brevets, et ces chiffres sont très intéressants lorsqu'on compare les portefeuilles Samsung et Qualcomm par exemple.

Nous pouvons voir dans ce tableau que Qualcomm ne possède qu'un tiers du nombre de brevets délivrés appartenant à Samsung, mais le nombre de non-auto-citations pour la société américaine est plus élevé que pour la société coréenne. Ceci est pris en compte dans la colonne « force moyenne des brevets » affichée en rouge ci-dessus, affichant une force moyenne des familles de brevets près de 50 % plus élevée pour Qualcomm que pour Samsung. On pourrait supposer que Qualcomm souhaite désormais capitaliser sur sa force et peut-être valoriser son portefeuille, plutôt que de continuer à déposer des brevets, dont le coût de maintenance annuel s'élève à plus de 1,4 million de dollars.

En regardant brièvement les applications spatiales évoquées plus haut, on remarque quelques brevets de l'équipe du California Institute of Technology dirigée par le Pr. Ali Hajimiri, qui a fait une conférence TED très intéressante sur le sujet3. Ce brevet délivré concerne une centrale solaire à grande échelle destinée à être déployée dans l'espace et dont l'énergie générée peut être transférée à la Terre via un signal sans fil, tel qu'un rayonnement micro-ondes ou une lumière.

Dans notre base de données de plus de 50 000 brevets sur le transfert d'énergie sans fil, il n'y a que 80 familles de brevets axées sur les applications spatiales, avec des demandes de brevet émanant de cessionnaires, tels que la NASA, RTX, Astrium, Redwire Space et la défunte société Escape Dynamics.

Nicolas Nowak est consultant senior en stratégie de propriété intellectuelle et innovation et chef d'équipe Chimie. Titulaire d'un Master en Chimie Analytique et Management de la Qualité, et d'un Doctorat en chimie des matériaux, Nicolas possède plus de 16 ans d'expérience en chimie inorganique, en gestion de projets et en activités de conseil. Nicolas a notamment travaillé pour COLAS SA sur les matériaux composites à base de verre pour des applications de visualisation et de sécurité, et pour Johnson Matthey en tant que scientifique senior sur de nouveaux verres et pâtes d'argent de métallisation pour les applications de cellules solaires.