新能源汽車動(dòng)力電池專利分析

抄佩佩，萬(wàn)鑫銘，吳勝男，童一帆，王發(fā)福

(中國(guó)汽車工程研究院，重慶 400039)

近年來(lái)，隨著國(guó)際能源供應(yīng)日趨緊張，原油價(jià)格持續(xù)上漲，新能源汽車逐漸成為各國(guó)研發(fā)熱點(diǎn)。特別是電池等新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)得到了各國(guó)政府國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)別的重點(diǎn)支持。我國(guó)已將新能源汽車產(chǎn)業(yè)確定為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一，超前部署新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作［1－3］。隨著新能源汽車技術(shù)的逐漸成熟，核心技術(shù)專利在全球日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)局面中起著至關(guān)重要的作用，它不僅是汽車企業(yè)保護(hù)研發(fā)成果的主要手段和保護(hù)市場(chǎng)領(lǐng)先地位的法律保障，也是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展生死攸關(guān)的強(qiáng)力支撐，更是國(guó)家自主創(chuàng)新能力提升，實(shí)現(xiàn)由汽車大國(guó)向汽車強(qiáng)國(guó)跨越的重要保證。故全面研究新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)專利，對(duì)于我國(guó)未來(lái)新能源汽車技術(shù)發(fā)展和突破具有重要意義。

從1972年2012年，七國(guó)組織①七國(guó)兩組織是指美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、日本、瑞士、歐洲專利局、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織。共公開(kāi)了關(guān)于新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的專利40 985件，從專利數(shù)量來(lái)看，新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域由日、美、中三國(guó)領(lǐng)跑。其中:日本專利數(shù)量13 374件，排名第一;中國(guó)專利共有8 563件，排名第二;美國(guó)專利共有7340件，排名第三。

按照國(guó)際專利分類(international patent classification，IPC)對(duì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的專利進(jìn)行分析，可以得出專利熱點(diǎn)主要集中在B60L011(電動(dòng)力裝置的布置或安裝)、H02J007(用于電池組的充電或去極化，或用于由電池組向負(fù)載供電的裝置)和B60L015(控制電動(dòng)車輛牽引電動(dòng)機(jī)速度的方法、電路或機(jī)構(gòu))幾個(gè)大組，說(shuō)明對(duì)電池組、電控相關(guān)的研究仍然是新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的重要研究方面。本文聚焦新能源汽車動(dòng)力電池專利，通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池專利信息的檢索和整理，繪制功效－技術(shù)矩陣，從專利分析的角度研判未來(lái)的技術(shù)熱點(diǎn)。

1 全球新能源汽車動(dòng)力電池專利宏觀分析

1.1 全球新能源汽車電池專利申請(qǐng)現(xiàn)狀

從新能源汽車電池專利數(shù)量上分析，中國(guó)以5 496件專利排在第1位，成為全球新能源汽車電池相關(guān)技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家。日本以3 194件專利排在第2位。美國(guó)以2 255件專利排在第3位。新能源汽車電池專利全局布局見(jiàn)圖1。

圖1 新能源汽車電池專利全球布局

1.2 新能源汽車電池專利IPC分析

圖2為新能源汽車電池專利的IPC大組專利統(tǒng)計(jì)和排名?？梢钥闯?B60L011和H02J007兩個(gè)大組的專利最多，說(shuō)明這兩項(xiàng)技術(shù)是目前全世界新能源汽車電池最重要的技術(shù)。

圖2 新能源汽車電池專利IPC大組排名

1.3 新能源汽車電池專利企業(yè)申請(qǐng)情況分析

對(duì)全球重要汽車企業(yè)新能源汽車電池專利申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出TOYOTA以1742件專利遙遙領(lǐng)先于其它申請(qǐng)人，說(shuō)明TOYOTA是新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)電池的領(lǐng)導(dǎo)者。中國(guó)企業(yè)比亞迪和奇瑞分別以738件和249件專利位列第2和第8，但專利申請(qǐng)數(shù)量與豐田差距較大(圖3)。

圖3 新能源汽車電池專利申請(qǐng)人排名

2 新能源汽車電池專利中國(guó)專項(xiàng)分析

2.1 新能源汽車電池中國(guó)專利申請(qǐng)概況

從新能源汽車電池中國(guó)專利申請(qǐng)比例情況看，本土企業(yè)或自然人的申請(qǐng)占大多數(shù)，約為71%，來(lái)自國(guó)外企業(yè)或自然人申請(qǐng)的專利占29%。

圖4為對(duì)國(guó)外申請(qǐng)的新能源汽車電池中國(guó)專利統(tǒng)計(jì)排名。可以看出:日本企業(yè)或自然人申請(qǐng)的中國(guó)專利有1 010件，排名第一，說(shuō)明日本企業(yè)非常重視在華專利布局，試圖占領(lǐng)整個(gè)中國(guó)市場(chǎng)，并且目前沒(méi)有出現(xiàn)其他國(guó)家的企業(yè)與之相抗衡。

圖4 新能源汽車電池中國(guó)專利國(guó)家排名

2.2 新能源汽車電池中國(guó)專利IPC分析

從圖5可以看出:通過(guò)對(duì)新能源汽車電池中國(guó)專利IPC大組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，大組 H02J007、H01M010、B60L011所包含的專利最多，說(shuō)明用于電池組的充電或去極化或用于由電池組向負(fù)載供電的裝置、二次電池及其制造、用車輛內(nèi)部電源的電力牽引這3個(gè)大組的技術(shù)是中國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池研究領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)，與世界的主流技術(shù)趨于一致。

圖5 新能源汽車電池中國(guó)專利IPC大組排名

2.3 新能源汽車電池企業(yè)中國(guó)專利申請(qǐng)情況分析

表1為新能源汽車電池中國(guó)專利主要申請(qǐng)人的專利類別統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?比亞迪雖然專利總數(shù)最多，但發(fā)明比率卻不足50%，而國(guó)外公司如TOYOTA和GM發(fā)明比率均為100%。國(guó)外公司的發(fā)明比率普遍比國(guó)內(nèi)企業(yè)的高，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)企業(yè)專利的技術(shù)含金量還需進(jìn)一步提高。

表1 新能源汽車電池中國(guó)專利主要申請(qǐng)人專利類別

3 新能源汽車電池專利技術(shù)微觀分析

3.1 新能源汽車電池專利功效和技術(shù)手段總體分析

新能源汽車電池專利功能效果統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?電池專利功能效果主要集中在穩(wěn)定可靠、安全性好、設(shè)計(jì)合理、效率高幾個(gè)方面。由此可見(jiàn)，新能源汽車電池領(lǐng)域首要考慮的是電池設(shè)計(jì)及其安全可靠性。

圖6 新能源汽車電池專利功能效果排名

從圖7可以看出:在新能源汽車電池各技術(shù)手段中，電源管理專利數(shù)量最多，共2 712件;充電專利數(shù)量次之，共有專利1 376件?？傮w來(lái)看，電源管理、充電和控制器是新能源電池技術(shù)的主要研究熱點(diǎn)。

圖7 新能源汽車電池專利技術(shù)手段分析

3.2 新能源汽車電池專利技術(shù)逐層分析

1)第二層技術(shù)手段分析

由圖8可見(jiàn):在電源管理各技術(shù)手段中，狀態(tài)檢測(cè)專利數(shù)量最多，共有1 648件;電源熱管理專利數(shù)量次之，共有793件。因此電源管理技術(shù)以狀態(tài)檢測(cè)和電源熱管理技術(shù)為主。

圖8 第二層技術(shù)手段電源管理統(tǒng)計(jì)

從圖9可以看出:在充電各技術(shù)手段中，充電控制專利遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他技術(shù)手段，共有935件。能量回收、靜止充電和移動(dòng)充電幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)專利數(shù)量相對(duì)較少，電池充電專利主要集中在充電控制上。

圖9 第二層技術(shù)手段充電統(tǒng)計(jì)

圖10為放電技術(shù)手段專利申請(qǐng)數(shù)量，可以看出:放電專利主要集中在過(guò)放保護(hù)上，ECU控制亦有少量的專利申請(qǐng)。

圖10 第二層技術(shù)手段放電統(tǒng)計(jì)

2)第三、四層分析

圖11為技術(shù)手段第三層中狀態(tài)檢測(cè)各技術(shù)手段專利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?SOC檢測(cè)專利數(shù)量最多，數(shù)量遠(yuǎn)多于其他技術(shù)手段，共有1 021件;異常檢測(cè)、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)也有相當(dāng)多數(shù)量的專利。電源熱管理技術(shù)手段中，溫度控制專利相對(duì)較多，冷卻也有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)，電池冷卻技術(shù)主要集中在風(fēng)冷和液體冷卻方面。

圖11 技術(shù)手段第三層之狀態(tài)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

由圖12可知:電源熱管理技術(shù)手段中，溫度控制專利相對(duì)較多，冷卻也有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)。

圖12 技術(shù)手段第三層之電源熱管理統(tǒng)計(jì)

由圖13可知:電池冷卻各技術(shù)手段中，風(fēng)冷和液體冷卻的專利數(shù)量相對(duì)較多，散熱器專利相對(duì)較少，電池冷卻技術(shù)主要集中在風(fēng)冷和液體冷卻。

圖13 技術(shù)手段第四層之冷卻統(tǒng)計(jì)

由圖14可知:在電源管理參數(shù)控制技術(shù)手段中，負(fù)荷控制、保持恒壓的技術(shù)是專利熱點(diǎn)。

圖14 技術(shù)手段第三層之參數(shù)控制

由圖15可知:充電控制各技術(shù)手段中，專利主要集中在參數(shù)控制上，過(guò)充保護(hù)、快速充電也有一定數(shù)量的專利，電隔離和降低內(nèi)阻兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)的專利數(shù)量不多。

圖15 技術(shù)手段第三層之充電控制

由圖16可知:在充電參數(shù)控制技術(shù)手段中，電壓控制、電流控制兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)的專利數(shù)量較多，溫度控制、時(shí)間控制也有一定量的專利，功率控制有少量專利。

圖16 技術(shù)手段第四層之充電參數(shù)控制

由圖17可知:在各靜止充電技術(shù)手段中，充電站專利數(shù)量相對(duì)較多，充電樁也有一定量的專利。

圖17 技術(shù)手段第三層之靜止充電

4 新能源汽車電池專利熱點(diǎn)與空白點(diǎn)分析

專利地圖是以統(tǒng)計(jì)分析方法，加以縝密及精細(xì)剖析整理制成各種可分析解讀的圖表訊息，使其具有類似地圖的指向功能［4－5］。依托專利數(shù)據(jù)分析，繪制專利地圖，其中橫軸表示各技術(shù)手段，縱軸表示各功能效果，交叉點(diǎn)數(shù)量表示相應(yīng)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能效果的專利數(shù)量。交叉點(diǎn)的專利數(shù)量越多球形越大，即為專利角度的技術(shù)熱點(diǎn)，空白區(qū)域則表示專利空白點(diǎn)［6］。分析當(dāng)前電池技術(shù)熱點(diǎn)和技術(shù)空白點(diǎn)意義重大，不僅可以指導(dǎo)企業(yè)研發(fā)方向，還可在這些技術(shù)點(diǎn)布局企業(yè)自己的專利，構(gòu)建知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。

由圖18可以看出:新能源汽車電池的技術(shù)主要集中在充電安全性好、節(jié)約能源、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，電源管理安全性好、精度高、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，放電安全性好，控制器安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高等技術(shù)點(diǎn)。這些專利密集點(diǎn)的技術(shù)是當(dāng)前專利申請(qǐng)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖18 新能源汽車電池功效手段矩陣

由圖19可見(jiàn):電源管理專利主要集中在電池均衡穩(wěn)定可靠、效率高，電源熱管理安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，狀態(tài)檢測(cè)安全性好、精度高、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高等技術(shù)點(diǎn)。

圖19 電源管理功效手段矩陣

由圖20可見(jiàn):充電專利主要集中在充電控制安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，能量回收節(jié)約能源等技術(shù)點(diǎn)。

由圖21可見(jiàn):放電專利主要集中在ECU控制穩(wěn)定可靠，過(guò)放保護(hù)安全性好、穩(wěn)定可靠等技術(shù)點(diǎn)。

圖20 充電功效手段矩陣

圖21 放電功效手段矩陣

由圖22可見(jiàn):狀態(tài)檢測(cè)專利集中在SOC檢測(cè)安全性好、精度高、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高、延長(zhǎng)壽命，SOH檢測(cè)安全性好，電流檢測(cè)安全性好、設(shè)計(jì)合理，電壓檢測(cè)安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠，泄漏檢測(cè)安全性好，異常檢測(cè)安全性好、穩(wěn)定可靠等技術(shù)點(diǎn)。

圖22 狀態(tài)檢測(cè)功效手段矩陣

由圖23可見(jiàn):電源熱管理專利主要集中在冷卻安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，溫度控制安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高、延長(zhǎng)壽命等技術(shù)點(diǎn)。

由圖24可見(jiàn):充電控制專利主要集中在參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，過(guò)充保護(hù)安全性好、穩(wěn)定可靠，快速充電效率高等技術(shù)點(diǎn)。

圖23 電源熱管理功效手段矩陣

圖24 充電控制功效手段矩陣

由圖25可見(jiàn):充電參數(shù)控制專利集中在電流控制安全性好、穩(wěn)定可靠、效率高，電壓控制安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠、效率高，溫度控制穩(wěn)定可靠等技術(shù)點(diǎn)。

圖25 充電參數(shù)控制功效手段矩陣

由圖26可見(jiàn):電源管理參數(shù)控制專利集中在保持恒壓安全性好、穩(wěn)定可靠，負(fù)荷控制安全性好、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠等技術(shù)點(diǎn)。

圖26 電源管理參數(shù)控制功效手段矩陣

5 新能源汽車電池專利區(qū)域熱點(diǎn)與空白點(diǎn)分析

以下主要分析的是日本、美國(guó)、中國(guó)3個(gè)區(qū)域有關(guān)新能源汽車電池的功效手段矩陣。

由圖27可以看出:日本專利熱點(diǎn)主要集中在電源管理、控制器及充電領(lǐng)域。

圖27 日本專利熱點(diǎn)與空白點(diǎn)分析

由圖28可以看出:美國(guó)專利熱點(diǎn)主要集中在電源管理方面，在充電領(lǐng)域也有所涉及，控制器領(lǐng)域?qū)＠黠@少于日本。

圖28 美國(guó)專利熱點(diǎn)與空白點(diǎn)分析

由圖29可以看出:我國(guó)電池專利熱點(diǎn)與美、日兩國(guó)專利特點(diǎn)趨同，但在一些子技術(shù)點(diǎn)上專利差別較大。如我國(guó)延長(zhǎng)壽命的專利明顯多于日本和美國(guó)。根據(jù)比較專利熱點(diǎn)及空白點(diǎn)，可在不同的市場(chǎng)區(qū)域制定不同的專利策略，使專利研發(fā)更富有針對(duì)性。

圖29 我國(guó)專利熱點(diǎn)與空白點(diǎn)分析

6 我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池專利發(fā)展存在的問(wèn)題

1)國(guó)外汽車巨頭在新能源動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＠季只就瓿?，而?guó)內(nèi)車企專利布局不全，專利壁壘風(fēng)險(xiǎn)較高。

在新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)高度集成的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，單項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)力明顯降低，結(jié)構(gòu)性布局成為新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的突出特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外新能源動(dòng)力電池專利的宏觀、微觀分析可以看出，以TOYOTA為代表的國(guó)外大型車企，其專利特點(diǎn)是技術(shù)起點(diǎn)高、地理位置覆蓋廣、技術(shù)類別全面，已經(jīng)基本完成在動(dòng)力電池核心部分的專利布局，特別是預(yù)先在華進(jìn)行了嚴(yán)密的專利布局。

相比之下，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)基本只在中國(guó)申請(qǐng)專利，在共性技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)上缺乏整體布局，未來(lái)存在專利壁壘和風(fēng)險(xiǎn)的可能較大。

2)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)逆向開(kāi)發(fā)難度大，我國(guó)企業(yè)在此領(lǐng)域發(fā)明專利比重明顯偏低，國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力較弱。

發(fā)明專利占比是衡量企業(yè)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，比亞迪公司雖然專利數(shù)量最多，但發(fā)明專利比率卻不到50%，凸顯了我國(guó)車企專利質(zhì)量不高的尷尬現(xiàn)實(shí)，這必將影響其國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，制約其技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

3)國(guó)內(nèi)整車及動(dòng)力電池企業(yè)專利管理水平相對(duì)落后，專利保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡漠，缺乏完善的預(yù)警機(jī)制［7］。

7 我國(guó)新能源汽車動(dòng)力電池專利發(fā)展策略

1)重點(diǎn)支持電源管理、充電和控制器技術(shù)，特別是在電源管理領(lǐng)域，重點(diǎn)支持狀態(tài)檢測(cè)和電源熱管理熱點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，并發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)加強(qiáng)在延長(zhǎng)電池壽命領(lǐng)域的研發(fā)，努力打造國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2)鼓勵(lì)整車企業(yè)和關(guān)鍵零部件配套企業(yè)及其他產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)以股權(quán)化結(jié)構(gòu)的形式成立新能源動(dòng)力系統(tǒng)總成供應(yīng)商，并納入整車廠的開(kāi)發(fā)體系和質(zhì)量管理體系，提升整車集成品質(zhì)和技術(shù)創(chuàng)新力。同時(shí)，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)及成本進(jìn)行有效分擔(dān)，對(duì)技術(shù)專利進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范管理，優(yōu)化技術(shù)創(chuàng)新能力和專利品質(zhì)。

3)發(fā)揮行業(yè)機(jī)構(gòu)管理作用，建立新能源動(dòng)力系統(tǒng)專利數(shù)據(jù)庫(kù)，提高專利分析及預(yù)警能力建設(shè)。由于專利數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的工作量大，專利分析對(duì)技術(shù)、法律、產(chǎn)業(yè)分析等綜合能力要求高，僅憑單個(gè)企業(yè)之力很難實(shí)現(xiàn)。建議依托行業(yè)力量盡快構(gòu)建新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的大型專題專利數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)展深入的專利分析工作，以便找到各關(guān)鍵技術(shù)的空白點(diǎn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供情報(bào)支持和決策依據(jù)，促進(jìn)自主創(chuàng)新。

［1］電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃［Z］.北京:科技部，2012.

［2］“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［Z］.北京:國(guó)務(wù)院，2012.

［3］節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［Z］.北京:國(guó)務(wù)院，2012.

［4］楊薇炯.專利地圖與企業(yè)專利戰(zhàn)略關(guān)聯(lián)及其在專利戰(zhàn)略中的作用研究［J］.情報(bào)理論與實(shí)踐，2010(1):55－56.

［5］黃遠(yuǎn)輝.基于專利地圖的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)研究［J］.現(xiàn)代情報(bào)，2010(11):53－55.

［6］翟東升，陳晨，張杰.專利信息的技術(shù)功效與應(yīng)用圖挖掘研究［J］.現(xiàn)代圖書(shū)情報(bào)技術(shù)，2012(7/8):96－102.

［7］我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的專利隱患與對(duì)策分析［EB/OL］.［2012 － 05 － 05］.http://www.csipsfjd.org.cn/content/184.html.