基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理的專利布局分析

高錢珠，孔德洋

(同濟大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

0 引言

隨著全球溫室效應(yīng)日益嚴(yán)峻、不可再生能源供應(yīng)持續(xù)緊張、經(jīng)濟全球化和全球知識經(jīng)濟迅猛發(fā)展，新能源汽車因其低碳環(huán)保，逐步成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向。許多國家均將混合動力汽車視為滿足節(jié)能法規(guī)的有效方法之一?；旌蟿恿ζ嚧笾驴煞譃榇?lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式[1]。近些年來，插電式混合動力汽車(PHEV)也得到了科研工作者的廣泛研究[2-3]?；旌蟿恿ζ囋谶\行過程中依靠能量管理策略(EMS)對整個系統(tǒng)的控制，插電式和非插電式混合動力汽車的能量管理目標(biāo)稍有不同，前者裝載了大容量電池，其能量管理策略可以工況、行駛里程等為目標(biāo)，后者一般以SOC穩(wěn)定為目標(biāo)[4]。

能量管理策略按照控制方式的不同，分為啟發(fā)式策略(Heuristic)和基于優(yōu)化的策略(Optimization)。啟發(fā)式策略又分為基于規(guī)則(Rule based)和模糊邏輯(Fuzzy logic)?；谝?guī)則的能量管理測量，主要基于一定的規(guī)則設(shè)定的，就包括很多參數(shù)，例如車輛或者引擎的速度、驅(qū)動力扭矩等。模糊邏輯[5-6]是誕生于模糊集合理論的多值邏輯的一種形式，它處理推理是用近似的，而不是準(zhǔn)確的，可實現(xiàn)在線控制。基于優(yōu)化的策略主要分為兩大類，即實時優(yōu)化(Real-time)和全局優(yōu)化(Global)。實時優(yōu)化基于瞬態(tài)價值函數(shù)，人們可以得到實時的控制策略。不需要提前預(yù)知未來工況，且計算量小。包括了等效燃油最小和模型預(yù)測控制。全局優(yōu)化需要全部行駛方式的內(nèi)容，包括電池的荷電狀態(tài)、行駛路況、駕駛員的反應(yīng)以及路線。因為計算的復(fù)雜性，它們并不適合應(yīng)用于實時的使用中。DELPRAT團隊[7]提出了全局優(yōu)化算法，還為已知的循環(huán)工況以及所有的荷電狀態(tài)范圍提出了一種全局優(yōu)化管理策略[8]。這項研究提供了快速的全局最優(yōu)解決方案，以及使得燃油消耗最小化。

隨著車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，GPS、GIS等在車輛運行中得到更多的應(yīng)用[9]，美國交通部報道，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可節(jié)省42億h的車輛怠速時間及106億L的燃油消耗，同時也可減少79%的交通事故及因交通擁堵而產(chǎn)生的損失[10]。將整車信息與外部信息整合，可實現(xiàn)整車內(nèi)外協(xié)作，最大化地實現(xiàn)功率的最優(yōu)管理。王志勇[11]認(rèn)為基于實時交通信息的能量管理，可利用GPS、GIS、V2X(車聯(lián)網(wǎng)技術(shù))以及ITS(智能交通系統(tǒng))等，控制器依據(jù)接收到的信息，預(yù)先規(guī)劃最佳SOC軌跡及最優(yōu)控制策略。不論從車輛自身進行控制，或是結(jié)合外部信息對車輛進行最優(yōu)控制，在目前而言，都有其各自的優(yōu)劣。而智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，是未來混合動力汽車能量管理的發(fā)展方向。

基于以上描述，本文作者基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性能量管理，并結(jié)合混合動力汽車進行專利的檢索和分析。

1 全球各國及其主要專利主體的專利布局和競爭力分析

文中采用的檢索平臺為Innography，檢索時間截止到2021年9月。Innography是由美國Dialog開發(fā)的一款包含了90多個國家和地區(qū)的發(fā)明和實用新型及外觀設(shè)計等數(shù)據(jù)的專利檢索軟件，其特有的核心專利——挖掘功能，基于對專利強度的界定[12]，可幫助快速挖掘核心專利，檢索功能豐富，并且提供約50種可視化的顯示方式。專利強度參考了十余項內(nèi)容，即包括專利引用與被引數(shù)、同族專利數(shù)、專利訴訟數(shù)據(jù)、專利的權(quán)利要求數(shù)、專利年齡、專利申請的時間、專利的原創(chuàng)性和普遍性原則等指標(biāo)[13]。

1.1 申請趨勢

圖1為按照公開年(Publication Year)統(tǒng)計的全球?qū)＠暾堏厔莘治?，可看到技術(shù)發(fā)展的趨勢。從1979年，全球開始申請基于路況或路徑規(guī)劃的混合動力汽車能量管理的專利，主要是德國、土耳其、美國等國家申請專利。歐盟自1991年起，就一直關(guān)注能源的節(jié)約和可再生能源的推廣，2008年公布了《關(guān)于發(fā)展新能源汽車的立法建議》及《歐盟交通道路電動化路線圖》[14]。2002—2006年，申請量逐步增加，美國專利申請數(shù)量最多，日本、中國、韓國的專利申請數(shù)也逐年增加。2007年，全球開始大范圍申請該領(lǐng)域的專利，自2008年至今中國在該領(lǐng)域的年申請量均居全球最高，其次是美國和德國。

圖1 基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理全球?qū)＠暾堏厔莘治?/p>

我國早在2001年就提出了新能源汽車行業(yè)發(fā)展的“三縱三橫”的研發(fā)布局，2012年出臺了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，2015年制定了《中國制造2025》，明確了發(fā)展新能源汽車的重要性。隨著經(jīng)濟發(fā)展，中國汽車市場也得到全球更多的關(guān)注。在專利制度和質(zhì)量方面，2010年發(fā)布《全國專利事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略(2011—2020)》，全力打造專利“孵化器”[15]，為后期專利申請數(shù)量的增長奠定了政策的基礎(chǔ)。

1.2 技術(shù)領(lǐng)域分布

通過統(tǒng)計IPC分類號的分布，可發(fā)現(xiàn)全球該領(lǐng)域?qū)＠募夹g(shù)分布。通過分析檢索數(shù)據(jù)，可以看出基于路況或路徑規(guī)劃的混合動力汽車能量管理的專利，主要分布于B部(作業(yè)；運輸)、G部(物理)和H部(電學(xué))。其中B部(作業(yè)；運輸)占比45.1%，另外再以IPC小類的專利數(shù)排序(表1)，發(fā)現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域主要集中于B部的B60W 20/00(專門適用于混合動力車輛)，占比為19.7%，在申請量中排名第一；B60W 10/00(不同類型或不同功能的車輛子系統(tǒng)的聯(lián)合控制)占申請量的8.5%；B60K 6/00(用于共用或通用動力裝置的多個不同原動機的布置或安裝，例如具有電動機和內(nèi)燃機的混合動力系統(tǒng))占申請量的5.8%；B60L 11/00(車輛內(nèi)部供電的電力推進裝置)占申請量的2.8%；B60W 30/00(不與某一特定子系統(tǒng)的控制(例如，使用車輛子系統(tǒng)聯(lián)合控制系統(tǒng)的控制)相關(guān)聯(lián)的道路車輛駕駛控制系統(tǒng)的使用)占申請量的2.4%。上述IPC所代表的技術(shù)領(lǐng)域，為基于路況或路徑規(guī)劃的混合動力汽車能量管理專利的技術(shù)密集分布區(qū)。

表1 基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理專利IPC分布(Top5)

1.3 全球?qū)＠季址治?/h3>

1.3.1 各國及其主要專利主體在全球的專利布局

表2以專利主體所在國分類，并列出專利申請數(shù)前五位的國家在全球的主要專利申請國/機構(gòu)，以此分析各國在全球各個地區(qū)的專利分布情況。圖2列出了五國對應(yīng)的主要專利主體及其專利申請數(shù)在其國家總申請數(shù)中的占比。結(jié)合表2和圖2，可以看到國內(nèi)均為各國的主要專利申請地區(qū)，中國在該領(lǐng)域的國際專利布局主要為WIPO和美國，涉及的專利主體(TOP3)為吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)和北京理工大學(xué)。美國主要在中國、WIPO、巴西、印度和德國進行國外專利布局，涉及的專利主體(TOP3)為福特汽車、通用汽車和康明斯；德國主要在美國、WIPO、中國和EPO進行國外專利布局，涉及的專利主體(TOP3)為保時捷控股、博世和巴伐利亞機械制造廠股份公司；韓國主要在中國和美國進行國外專利的布局，涉及的專利主體(TOP3)為現(xiàn)代汽車、LG電子和佑理產(chǎn)業(yè)控股集團；日本主要在WIPO、美國、中國進行國外專利布局，涉及的專利主體(TOP3)為豐田汽車公司、日產(chǎn)汽車和日立集團。中國、WIPO、美國是5個國家主要的專利布局地區(qū)。另外，從表2中還可以看出：美國的專利申請，布局的國外地區(qū)更加廣泛，在亞洲、北美洲、南美洲、歐洲、大洋洲多有布局，其國外地區(qū)的專利申請占比47.4%；而中國的專利申請，主要還是布局在亞洲、北美洲、歐洲，其國外地區(qū)的專利申請占比僅為1.6%。即對于中國來說，如果想要在全球范圍內(nèi)保護該領(lǐng)域內(nèi)的專利，并且與美國的各個專利主體展開競爭，則需要加大在國外地區(qū)的專利申請數(shù)量以及所覆蓋的地區(qū)。

表2 五國基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理專利在全球的主要分布

圖2 基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理的五國主要專利主體對比

1.3.2 全球?qū)＠黧w競爭力分析

然后將基于路況或路徑規(guī)劃的混合動力汽車能量管理專利，以專利主體結(jié)合競爭力進行分析，得到競爭力分析，如圖3氣泡圖所示，縱軸往上的方向，以及橫軸往右的方向為實力較強的方向，專利申請數(shù)以氣泡的大小來標(biāo)識。

圖3 基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理專利競爭力分析氣泡圖

從專利申請數(shù)看，排名前五的分別為現(xiàn)代汽車、福特汽車、吉林大學(xué)、通用汽車和博世。

從競爭力來看，以4個象限判斷各個專利主體的競爭力。第一象限既有資源，也有技術(shù)遠(yuǎn)見，福特汽車、通用汽車、博世、豐田汽車以及現(xiàn)代汽車均為佼佼者。豐田汽車的氣泡處于最上方，擁有最強的經(jīng)濟實力；福特汽車的氣泡處于最右方，擁有的專利價值最高，且專利申請數(shù)排名第二。第四象限的專利主體包括吉林大學(xué)以及日產(chǎn)汽車，它們雖然缺少資源，但是擁有技術(shù)遠(yuǎn)見。第三象限主要的專利主體為江蘇大學(xué)、北京理工大學(xué)、保時捷控股、浙江吉利控股集團有限公司等。第二象限的專利主體為巴伐利亞機械制造廠股份公司以及戴姆勒股份公司。

從圖3可以看出，國外的專利主體以企業(yè)為主，既有資源、又有技術(shù)遠(yuǎn)見，實力很強。中國的高校，在該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量較多，也比較有技術(shù)遠(yuǎn)見，但缺乏資源；而中國上榜的企業(yè)比較少。因此，對于我國的專利主體來說，如果能夠增加校企間的聯(lián)動，多開展“產(chǎn)學(xué)研一體化”的合作，則可以強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補，進而就能夠逐漸縮小與國外專利主體在該領(lǐng)域的差距。

1.3.3 主要專利主體的競爭力分析

結(jié)合圖2和圖3，分別選取美國的專利主體福特汽車、以及中國的專利主體吉林大學(xué)作為主要專利主體進行分析。福特汽車兼具技術(shù)遠(yuǎn)見和資源，吉林大學(xué)為中國在該領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)最多、并且技術(shù)遠(yuǎn)見最高的專利主體，下面將就兩者在技術(shù)領(lǐng)域和專利競爭力方面進行對比分析。

對兩家專利主體基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理專利方向的專利進行文本聚類，并標(biāo)出強度60～100的專利，得到圖4專利圖景，其中，一個小的方塊代表專利在該關(guān)鍵詞中出現(xiàn)的次數(shù)，大的方塊代表不同的關(guān)鍵詞；淺灰色和白色為福特汽車的專利，白色為高強度專利；灰色和黑色為吉林大學(xué)的專利，黑色為高強度專利。從圖4中可以看出，福特汽車的專利主要著重于動力系統(tǒng)/傳動系統(tǒng)、信號、車速等，其高強度專利的數(shù)量達到了23個，主要集中于信號、動力系統(tǒng)/傳動系統(tǒng)和控制策略；而吉林大學(xué)的專利則更側(cè)重于混合動力汽車、油耗和實時，但其高強度專利的數(shù)量只有2個，關(guān)鍵詞包含信號、控制系統(tǒng)、能量管理和需求扭矩。專利主體的高強度專利的數(shù)量，意味著該專利主體在此細(xì)分領(lǐng)域的全球競爭力以及影響力。由上可見，在高強度專利方面，吉林大學(xué)數(shù)量很少，與福特汽車有著很大的差距。對于我國的專利主體來說，后續(xù)多布局高強度的專利，勢在必行。

圖4 基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理專利圖景

表3為美國的福特汽車以及中國的吉林大學(xué)關(guān)于預(yù)測性混合動力汽車能量管理的核心專利分析。福特汽車的發(fā)明專利(US20090043467 A1)于2007年8月9日在美國申請，并以此為優(yōu)先權(quán)日，分別于2008年在英國和德國申請了專利(GB0813626和DE102008031826)。專利基于模糊規(guī)則邏輯來指導(dǎo)車輛駕駛員選擇最佳駕駛策略以實現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟性。咨詢系統(tǒng)用于至少有一個電源的車輛動力系統(tǒng)，包括單獨的控制器，用于向駕駛員提供有關(guān)駕駛員動力需求的咨詢信息和有關(guān)車輛制動的咨詢信息。吉林大學(xué)的專利(CN201910352493A)，是基于路徑信息的PHEV自適應(yīng)最優(yōu)能量管理方法，通過車載導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)測行駛工況和里程，基于SOC規(guī)劃算法生成參考SOC，進行APMP優(yōu)化算法，通過CAN總線傳遞給各執(zhí)行部件控制器，完成PHEV的整車控制。

表3 福特汽車和吉林大學(xué)關(guān)于預(yù)測性混合動力汽車能量管理的核心專利分析

由表3可知，在專利強度方面，福特汽車的核心專利強度為83，高于吉林大學(xué)的60；在前引和后引數(shù)量方面，福特汽車分別是74和55，遙遙領(lǐng)先于吉林大學(xué)的6和0，可見福特汽車的這篇核心專利，其全球影響力很強。

2 結(jié)論及展望

綜上所述，針對“基于路況或路徑規(guī)劃的預(yù)測性混合動力汽車能量管理”這個細(xì)分領(lǐng)域的全球?qū)＠季郑闹蟹謩e從申請趨勢，技術(shù)領(lǐng)域分布，五國在全球各地區(qū)的專利申請分布，各國主要專利主體的競爭力分析等四大方面進行了分析和討論。

在申請趨勢方面，我國從2008年開始，在該細(xì)分領(lǐng)域的專利年申請量均居全球最高，即近年來我國的專利主體在逐漸追趕國外的專利主體。但是，從全球各地區(qū)的專利申請分布來看，我國的專利主體所進行的專利布局，主要集中在中國(98.4%)，而美國的專利主體所進行的專利布局，在其國內(nèi)只有47.4%，即美國專利主體布局的國外地區(qū)更加廣泛，在亞洲、北美洲、南美洲、歐洲、大洋洲多有布局；而中國的專利申請，主要布局在亞洲、北美洲以及歐洲地區(qū)。對于我國來說，如果想要在全球范圍內(nèi)保護該細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)的專利，并且與美國的各個專利主體展開競爭，則需要加大在國外地區(qū)的專利申請數(shù)量以及所覆蓋的地區(qū)。

從各國主要專利主體的競爭力分析方面可以看出，國外的專利主體以企業(yè)為主，既有資源、又有技術(shù)遠(yuǎn)見，實力很強。而中國的專利主體以高校為主，雖然在該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量較多，也比較有技術(shù)遠(yuǎn)見，但缺乏資源。另外，從高強度專利的數(shù)量、尤其是核心專利的全球影響力方面來看，在該細(xì)分領(lǐng)域，我國的主要專利主體與國外尤其是美國的專利主體相比，還是有較大的差距。

因此，對于我國的專利主體來說，如果能夠增加校企間的聯(lián)動，后期多開展“產(chǎn)學(xué)研一體化”的合作，則可以強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補，進而就能夠逐漸縮小與國外專利主體在該細(xì)分領(lǐng)域的差距。另外，還要進行橫向項目以及縱向項目的拓展和延伸，可以考慮將資源更多地放在高強度專利的布局，特別是核心專利的布局上，進而提高我國專利主體的綜合實力以及全球影響力。通過不斷地努力，進而在混合動力汽車能量管理的專利布局上占據(jù)制高點，這對于我國專利主體在全球建立技術(shù)影響以及提升市場占有率，都具有很深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。