基于专利分析的丰田无线充电技术研究
王军雷 董昊 王灿灿日 成梅林 （文
【摘要】利用专利分析方法，从专利申请态势、专利技术构成等方面分析了丰田在无线充电领域的专利技术布局及重点研发方向，梳理其在线圈磁极机构设计、谐振补偿及调谐控制策略、异物检测技术、停车对位引导等关键技术点的发展路线，从宏观、微观角度剖析丰田在无线充电领域的技术发展现状，以期为国内相关企业的技术研发提供有益参考。
王军雷1 董昊日2 王灿灿1 成梅林1文1. 300300；2. 130013） （ 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春Wang Junlei1, Dong Haomin2,Wang Cancan1, Cheng Meilin1 1. China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300; 2. China, FAW Co., Ltd. General （ Research and Development Institute, Changchun 130013） Abstract This paper analyses the technical layout and research trend of Toyota in wireless charging field with【 】patent analysis method from aspects of patent application trend, patent technology structure, etc., sorts out development routes in key technical fields such as coil magnetic pole mechanism design, resonance compensation and tuning control strategy, foreign object detection technology, parking location guide, analyses the technology development status of Toyota in the field of wireless charging from macro and micro perspective, to provide a useful reference for the technical research & development of Chinese related enterprises.
Key words: Toyota, Wireless charging, Magnetic coupling, Resonance, Patent analysis, Technical layout 1 前言
汽车电动化在很多国家已经上升为国家战略，并实现快速发展。相对于电动汽车应用规模的快速扩张，充电基础设施建设则相对滞后。目前，电动汽车充电主要采用接触式充电，存在插电易磨损、不灵活和不安全等缺点[1]。在这种背景下，无线充电技术的应用场景逐渐从消费电子领域向电动汽车延伸。
无线充电技术是指通过电场、磁场、电磁波等物理场的耦合，将电能由供电设备传送至用电装置，并由该装置对电池充电，供其本身使用。根据无线电能传输原
4
理，无线充电技术主要有 类：磁感应耦合式、磁耦合谐振式、微波辐射式、激光方式[2]。
由于汽车对充电功率需求较高、离地间隙较大等，汽车领域的无线充电技术更多停留在试验阶段。除了
Qualcomm） WiTricity
高通（ 、 等通讯科技公司致力于无线充电技术研发以外，以丰田、宝马等为代表的主流汽车厂商也早已开启无线充电技术的研发布局[3]。
2013
其中，丰田在无线充电领域研发布局多年。
12 WiTricity
年 月，丰田核准了 无线充电系统的知识产权，该系统由丰田与麻省理工学院联合开发，可提供“中距离”（线圈间的距离可从几厘米至几米不等）无线充
2014 2 3
电。 年 月，丰田在日本爱知县内，利用 辆普锐
PHV， 1
斯 在 年时间内于用户住宅中进行无线充电系统
Plug
验证试验。该系统可帮助插电式混合动力汽车（
in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）
和纯电动汽车
Electric Vehicle，EV）
（ 进行无线充电，而充满车辆电池
90 min[
组仅需 4]。本文采用专利分析方法，分析丰田在无线充电领域的专利技术布局和重点研发方向，梳理其在关键技术点
的技术发展路线。
2 丰田无线充电技术专利分析2.1 数据采集范围及相关说明
本文使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究
104
中心自主研发的全球汽车专利数据库，收录了全球
1.3
个国家 亿余条汽车及相关领域的专利，对全球汽车领域重要企业的专利按照技术领域、技术效果、技术手
3
段 个维度进行人工标引。在数据库的技术领域模块
or toyota”
选取无线充电节点，并以“丰田 对申请人进行
2019 10 31
限定，检索截止日期为 年 月 日，检索得到丰田无线充电领域的相关专利。
2.2 专利申请趋势分析
2019 10
截至 年 月，在全球范围内，丰田在无线充电
1 003
领域的相关专利申请共计 件，合并同族后共计
192 186
项，其中中国专利共计 件。
1
如图 所示，从专利层面来看，丰田在无线充电领
2007
域的技术研发起步于 年，之后专利申请量稳步增
2011 240 2011
长，到 年专利申请量达到顶峰，高达 件。
2014
年之后专利申请量几乎呈逐年下降趋势，且在 年上半年丰田进行无线充电系统试验后再无无线充电相关报道。对于丰田无线充电专利申请量下降的原因有
3
以下 点猜想：丰田在关键领域遇到技术瓶颈；与
WiTricity
合作后，放弃某些领域的自主研发；全球电动汽车无线充电技术仍处于关键研发阶段，出于技术保密的考量进行技术封锁。
2.3 专利技术构成分析
186
将丰田无线充电领域的 件中国专利全部进行
2
人工标引，标引后的专利总体技术布局如图 所示。由
2
图 可知，丰田无线充电领域的中国专利涉及功率传输、系统控制、辅助功能、通信交互等多个方面，其中，在线圈磁极机构、谐振补偿网络架构、通信交互、停车对位
/
引导以及受电供电装置整体结构设计方面专利储备量较大。近年来，丰田在线圈磁极机构设计、受电端与供电端的通信交互、恒压恒流控制方面研发投入较大，且开始关注动态无线充电系统研发，而在谐振补偿网络架
3）构以及对位引导方面的开发逐渐削弱（见图 。
2.4 关键技术点分析
丰田无线充电系统采用磁耦合谐振式无线电能传输技术，本文将重点研究丰田在线圈磁极机构设计、谐振补偿及调谐控制策略、异物检测技术、停车对位引导
4
个方面的相关专利申请，通过阅读专利文献，梳理丰田在上述各技术点的改进路线。
2.4.1
线圈磁极机构设计
26
丰田在线圈磁极机构设计方面的中国专利共计件，技术涉及绕组结构优化、磁芯结构优化以及线圈单元整体设计。
2.4.1.1
绕组结构优化在绕组结构设计方面，丰田无线充电技术方案中既有采用平面环型线圈的方案，也有采用空间螺旋型线圈的方案。而对绕组结构的优化主要集中在针对平面环型线圈提高线圈错位容忍性和耦合系数方面。
为提高线圈间的错位容忍性，丰田公开号为
CN103038089B 4
的专利提出一种线圈单元，如图 所
101 110
示。线圈单元 包括次级谐振线圈 、次级电磁感
120 110
应线圈 以及设置在次级谐振线圈 上的电容器
115 110 111 112
。次级谐振线圈 包括多个单元线圈 、 、
113 114 111~114 110
和 。单元线圈 围绕次级谐振线圈的假想中心线成环状地旋转对称布置。当发送线圈和接收线圈错位时，上述线圈设计也能保证较高的电力传