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什么是无线输电？
无线输电，亦称无线能源传输或无线电力传输（WPT），是指不使用物理连接器或电线，而是直接将电能从电源传输至用电设备。
当前，这项技术主要应用于智能手机和电动牙刷的充电，以及部分植入式医疗器械和一些电动汽车（EV）的充电。
无线输电的工作原理是什么？
理论基础：
无线充电的原理是电磁感应现象，其出发点是电磁波所具有的奇妙特性。
我们在物理课上都学到过，当两个频率相同且波峰波谷同相的波同时在同一空间点相遇，它们在叠加时会形成建设性干涉（相长干涉），产生振幅翻倍、能量增至四倍的波。然而，如果这两个波在另一空间点相遇，其中一个波晚了半个周期，它们就会形成破坏性干涉（相消干涉），两个波相互抵消从而信号消失。这一原理适用于所有类型的波：比如光波、声波（这也是降噪耳机的工作原理）和射频波。
理解这一概念对于无线输电很重要：如果在某一点生成两个波，它们的传播和行为如图 2 所示，在空间中的某些点出现破坏性干涉（没有能量），在其他点则产生建设性干涉（能量增强）。这些干涉条纹的数量和强度取决于波的生成点之间的距离以及生成它们的时间差。
基于这一原理，我们就可以通过生成更多波并在时间上进行精确同步，来引导这些波朝着一个方向前进。于是，大部分能量开始沿直线向下传播。那么，我们可以通过时间的调整，来选择和改变建设性干涉波的传播方向，如图 3 所示。这种方向的改变完全通过控制时间来实现，无需任何机械运动。
但还不仅于此！控制波的生成时序还能实现另一个有用的特性，从而有助于将更多能量精确地传输到您所选择的空间点。通过完善对这一特性的利用，我们能够将几乎 90% 的能量集中传输到一个特定的焦点，就像是为能量提供了一个放大镜。这种谐振感应耦合有望成为无线输电技术取得巨大进步的基础。
实际应用：
在实际应用中，无线输电只需使用充电底座中的发射线圈来产生电磁波，并通过目标设备中的接收线圈将电磁场中的能量转换成电流，从而为电池充电或为设备直接供电。目前，为了实现高效的无线充电，发射线圈和接收线圈需要彼此靠近并精确对准。但是，如果采用前述的谐振感应耦合系统，则可显著增加发送器线圈和接收器线圈之间的工作距离。
无线充电技术的未来发展前景
作为一项相对较新的技术，无线充电正经历多样化的发展，有望引领该领域实现更多、更进一步的突破与创新。当前的主要研发挑战包括：
- 同时为多台设备充电：未来，无线充电系统将具备同时为多个设备充电的能力，每台设备无需配备单独的充电器。这将极大提高智能家居设备、电动汽车和移动设备等多种设备的充电便利性。
- 提高充电速度和功率输出：这将使用户能够更快地为他们的智能手机、电动汽车和其他电子设备充电。
- 确保电动汽车的可靠充电：电动汽车市场的增长趋势将推动该技术在这一行业的进一步发展，无线充电系统有望被安装到道路、停车场以及家庭车库中。
- 利用谐振充电技术：无线输电技术仍将继续发展，以实现更长距离的充电并提高灵活性，不再需要与充电板精确对准。而一个更宏伟的目标是实现超远距离的电力传输，比如从太空中的太阳能发电系统向地球传输电力。
如果成功，这一最新的发展方向将通过太空发电彻底改变全球的电力供应体系！由于太空中没有大气、夜晚或云层的干扰，太阳能板的发电效率可以达到地球上最理想地点发电效率的四倍。然而，远距离无线输电技术仍需大力改进。尽管 2021 年 已有研究团队成功将1.6千瓦的电力传输至 1 公里之外，且转换效率达 73%，但还需要用更低频率的微波完成进一步的测试，因为这种微波在太空中穿过大气层所受损耗要小得多，且传输距离更远。
对于这种可能颠覆现有格局的技术，有必要来算算它的经济账。据估计，开发和发射一套全尺寸太阳能系统需耗资 163 亿英镑，假设每年 20% 的最低投资回报率，结果表明，该太空太阳能发电系统在其大约 100 年的使用寿命内，每兆瓦时发电成本为 50 英镑，与当前欧洲的电力成本大致相当。
当然，还有众多关键挑战亟待解决。首先，为减少能源损耗和热量产生，任何类型的高功率传输方式都需要大幅提升能源效率。其次，安全问题必须解决；确保无线输电技术对设备和人体均安全，是我们要优先考虑的重要事项。无论低功率还是高功率应用场景，这些关切都需要考虑；不过对于日常使用而言，我们还需解决另一件事：实现材料和系统的标准化，以避免兼容性问题。
无线输电专利全景分析
专利全景分析为洞察创新提供宝贵视角，有助于我们预见技术发展的未来趋势。在这一部分，我们将通过探讨无线充电领域的创新专利申请情况，来揭示这项技术的未来走向，包括推动这一创新解决方案的主要行业力量和关键研发市场。
专利动态如何反映这项技术的创新现状？
为深入分析该技术领域的创新与研发活动，我们运用了 Questel 专有的知识产权情报软件进行了全面的宏观检索。借助我们在知识产权咨询服务领域的专业知识，对收集到的相关专利进行详尽分析，我们得以从一个非凡的全球视角，对这一领域的研究进展和投资动态进行深度洞察。
总体来看，数据库收录的在过去 20 年间提交的相关专利家族超过 50,000 个。从专利申请趋势图可以看到，无线输电技术呈现指数级增长：20 年前每年申请的专利家族仅略微超过 200 个，而到了 2021 年，年申请量已突破 5000，复合年增长率达 20%。但近几年的增长势头似乎有所减缓，2019 至 2021 年的复合年增长率仅为 1%，与 2009 至 2018 年近 28% 的高速增长阶段形成鲜明对比。
无线充电创新的地理热点
优先权申请通常在研发所在国家/地区提出，所以通过这一数据，可以揭示哪些国家/地区在该领域的创新走在前列，以及哪些国家/地区致力于保护其创新成果。与通常情况一样，我们发现中国是无线充电技术领域发明专利的主要来源国，其专利家族数量约占全球总数的 45%。
美国以 22% 的专利家族占比稳坐第二把交椅，彰显了该国在高端技术领域经久不衰的创新能力。韩国和日本公司紧随其后，各有约 10% 的专利最先在这两个国家申请。相较于亚洲和美国，欧洲在该领域的研究贡献相对较小，主要由德国和英国引领。
下图显示除中国以外，几个主要地区的专利申请趋势。从图中可以看出，在所考察时段的前十年，美国在专利申请数量上对其他国家拥有显著优势，但这一优势在日本和韩国等国的追赶下逐渐减弱，直至 2021 年，韩国的专利申请数量首次超越了美国。
无线充电创新的市场覆盖范围
从我们的专利全景分析中不难看出，在主要创新国家和地区，中国和美国公开的发明数量最多。欧洲凭借其高度电气化的优势，攀升至第三名，为许多未来的技术发展提供了一个重要的成熟市场。
无线输电：专利动态和主要参与者
我们的专利全景分析显示，在无线充电的主要创新企业和机构中，电子和半导体行业的大型企业表现突出。丰田汽车作为唯一一家跻身前 50 名专利权人的汽车制造商，拥有一个非常扎实的专利组合，其专利家族数量超过 500 个。
三星公司作为最主要的贡献者，拥有超过 1800 个专利家族，其中 1600 个仍然有效；其次是 LG 公司，其专利家族数量不到三星的一半。WiTricity 作为该领域非常纯粹的一个创新型企业，专注于开发面向未来的电动汽车无线充电系统；根据我们的数据库记录，该公司拥有 263 个相关专利家族，其中 230 个仍然有效。WiTricity 的专利授权比例最高，其专利组合中有 86% 获得授权。
其他重要参与者包括高通、苹果、中国国家电网有限公司（SGCC）、佳能和松下，这些公司均已在该领域确立了领先地位或正在积极布局。他们大多活跃在移动设备充电领域，只有中国国家电网有限公司（SGCC）例外，该公司在无线充电的各个方面都拥有专利，应用范围非常广泛。
下表列出了过去六年部分主要参与者的专利活动情况。从这些专利活动当中，可以获得一些比较值得关注的洞察，例如哪些企业正在加入或退出该领域。下表未列出全球专利申请活动长期相对均衡的主要参与者，如三星和丰田（过去 10 年提交的申请约占 70%，最近 6 年提交的申请约占 40%）。
近些年比较活跃的企业中，中国小型电子产品领域的公司尤为突出，例如 Oppo、小米、华为和 Vivo，这四家企业超过 95% 的专利申请是在过去 10 年提交，超过 80% 的专利申请是指过去 6 年中提交。这反映了这些公司对创新的渴望，他们致力于推出具有高价值主张的产品，以便与美国和韩国的移动设备制造商竞争。
WiTricity、WiTS、NuCurrent、Energous 和 AMOSENSE 等小规模新兴企业超过 85% 的专利都是在近十年提交申请，但其中大多数新进入者，如 Witricity、Energous 和 WiTS 等，在过去五年的活动均呈下降趋势。
- NuCurrent 主要致力于开发基于磁感应和磁共振原理的无线输电技术，该技术广泛应用于消费电子产品、可穿戴设备、医疗器械、汽车、工业自动化以及物联网（IoT）设备。
- Energous 是无线充电和远距离能量传输技术开发的领导者，其 WattUp 平台通过射频 (RF) 无线充电技术，为智能手机、可穿戴设备和物联网设备等多种设备充电。
- AMOSENCE 作为一家专业材料公司，运用其技术专长，为无线充电设备研制关键组件，包括超薄磁屏蔽片和无线输电天线模块。
- WiTS, Inc. 于 2019 年 4 月成立，接管了三星电机在移动端无线电力传输领域的业务。自此，该公司一直致力于开发带天线的智能手机无线传输接收模块、带天线的无线充电板的无线传输模块以及 NFC 芯片天线等产品。
观察表中其他类型的公司，我们发现一些十年前活跃的大公司，现在似乎已经对该领域失去兴趣。英特尔、高通、罗伯特博世、松下等公司即可归为这一类。
高通的战略颇具看点，因为我们的软件能够揭示专利的影响力和非自引数量，尤其是在对比三星与高通的专利组合时，这些数据显得尤为有趣。
表中数据显示，尽管高通拥有的授权专利数量仅为三星的三分之一，但其专利的非自引数量却超过了这家韩国公司。上表以红色显示的“平均专利强度”一栏反映了这一点，高通专利家族的平均强度比三星高出近 50%。我们可以推测，高通现在应该愿意利用其专利组合的强度优势来获取资金收入，而不仅仅是继续申请每年维持费已经超过 140 万美元的专利。
快速回顾一下之前提到过的太空应用，我们注意到由 Ali Hajimiri 教授领导的这个加州理工学院团队拥有几项引人注目的专利。Ali Hajimiri 教授曾就这一主题发表了一场极具启发性的 TED 演讲。这项授权专利涉及一种旨在部署于太空中的大型太阳能电站，其产生的电力能够通过无线信号，例如微波或光，传输回地球。
在我们的数据库中，无线能量传输技术领域拥有 50,000 多个专利家族，但其中仅有 80 个专利家族专注于太空应用领域。这些专利申请来自诸如 NASA、RTX、Astrium、Redwire Space 等专利权人，以及已经不复存在的 Escape Dynamics 公司。