专利信息视域下纯电动汽车技术研发竞争态势研究

黄裕荣1,侯元元1,刘 彤2,高子涵1

(1.北京市科学技术情报研究所,北京 100044;2.北京市计算中心,北京 100094)

摘 要:纯电动汽车是完全由可充电电池提供动力源的汽车,其具有无污染、噪声小等优点,是世界主要汽车国家争相研发的技术。从专利数据出发,基于年度分布、专利技术生命周期、优先权专利地区分布、主要国家专利布局、主要竞争对手研发力量与研发效率以及主要企业技术专利布局视角,结合发展现状,系统分析了国际纯电动汽车的发展态势以及我国在该领域的竞争地位,可为我国产业战略布局和技术研发提供借鉴。

关键词:纯电动汽车;专利信息;技术研发;竞争态势;技术生命周期

0 引言

在全球化石能源日趋紧张、生态环境日益恶化的背景下,纯电动汽车凭借其零排放、低噪音、能效高、多样化等优点成为世界主要国家和地区争相发展的产业。各国纷纷推出了针对纯电动汽车技术研发和应用推广的优惠政策,并大力推进纯电动汽车产业发展。我国也不例外,为促进我国新能源汽车产业发展,国家和各部委先后出台了20多项专门针对新能源汽车的产业扶持政策,有些还明确提出大力推进纯电动汽车产业发展。2001年,国家启动了“863计划”电动汽车重大专项,出台了《新能源汽车生产准入管理规则》,首次将发展新能源汽车产业上升到国家战略层面,提出推动纯电动汽车在特定区域商业化运作的目标[1]。2010年,国务院颁布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将新能源汽车产业列为战略性新兴产业,并明确提出推进纯电动汽车的推广应用和产业化[2]。2012年,国务院《节能与新能源汽车产业发展规划(2012―2020年)》明确规定以纯电动汽车为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向,并重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化[3]。目前,对国际上纯电动汽车技术研发态势以及我国纯电动汽车技术研发方向进行准确定位,是确保我国纯电动汽车技术研发少走弯路并跻身于世界纯电动汽车技术开发前列的重要保障。专利是技术研发最重要的成果表现形式,专利信息可为政府部门和产业联盟制定战略决策、为科研机构和技术企业寻求合作伙伴提供数据支撑,进而为从宏观、中观和微观层面上制定与部署科技发展战略提供科学依据[4]。本文从专利视角开展纯电动汽车技术研发竞争态势分析,可为各层面部署科技战略提供信息支撑。

专利信息是追踪技术发展态势非常有价值的信息,目前已有越来越多的学者利用专利信息开展技术创新与科技管理研究[5]。不少学者从专利视角对国内外纯电动汽车产业发展进行了分析。其中,栾春娟[6]通过对全球电动汽车产业专利进行分析发现,专利拥有量排名靠前的机构都集中在日本。兰凤崇等[7]基于专利申请趋势、国家分布、申请人分布视角,对全球、国外与中国新能源汽车六大技术领域的专利进行了研究。杨利锋等[8]通过构建跨国专利比例指标,比较研究了主要国家和地区电动汽车技术的国际化程度。庞德良等[9]利用跨国专利比较法,分析了日本新能源汽车技术国际化水平,探讨了日本技术专利申请阶段性特点、技术发展方向和技术路线变化情况。蒋海龙等[10]通过对中国电动汽车专利申请量进行计量分析发现,中国电动汽车领域专利申请量近几年实现了快速增长。王荣等[11]对比分析了国外与我国汽车企业在我国的专利申请情况,发现我国专利申请数量较多,但发明专利数量占比较低,与国外知名汽车产业差距较大,我国必须加大技术创新力度。王静宇等[12]从年代分布、申请人分布和技术领域分布方面分析了中国新能源汽车产业技术创新现状。谢志明等[13]利用技术专利地图方法对中国电动汽车专利技术信息进行了分析。Yang等[14]基于跨国专利视角分析了中国电动汽车的国际竞争力现状,发现中国电动汽车技术国内研发实力相对较强,但国际市场竞争力表现不足。王健美等[15]运用引文分析和多元统计分析方法对不同时期纯电动汽车关键技术的演进情况进行了研究。刘云等[16]采用层次聚类和多维尺度分析方法挖掘了电动汽车核心专利技术,并分析了电动汽车领域的核心专利引用情况。Hsi-Yin Yeh等[17]采用文献耦合方法过滤掉不相关的专利引文,增加未被引用的相关专利引文,利用处理后的引文构建了电动汽车领域的专利引文网络。本文通过对以上文献进行梳理发现,目前已有文献主要集中在电动汽车技术专利计量分析和专利引用分析等方面,基于专利信息的纯电动汽车研发竞争态势研究较少。基于此,本文从专利年代分布、申请国家/地区分布、主要国家全球专利布局、国内外主要竞争主体和技术布局等视角,对纯电动汽车技术研发竞争态势进行分析,以清晰反映国际纯电动汽车产业的研发态势和竞争格局,为我国纯电动汽车产业的战略制定和技术研发提供借鉴。

1 数据来源与检索方法

本文专利数据来源于汤森路透集团提供的全球领先的专利信息检索、分析平台Thomson Innovation(TI),该平台整合了全球90多个国家或地区专利机构的专利数据信息,可提供全面的专利信息检索服务。

在检索方法上,综合应用关键词、IPC分类号、德温特手工代码(DMC)相结合的方法,准确、全面地检索纯电动汽车专利,为后续专利分析提供了全面、科学的数据来源。在关键词方面,选取与纯电动汽车相关的Electric Vehicle、electromobile、electric car、electric automobile、cell-driven vehicle、battery car、BEV、EV等作为检索关键词;选取与纯电动汽车技术相关的H01M、 H02J 、H02K、H02P、B60L03 、B60W、G01R等作为检索IPC分类号;德温特手工代码选取与纯电动汽车技术相关的X21、X22、Q19-P作为检索手工代码。将检索范围确定为在“标题、摘要和权利要求书”中同时检索,以减少漏检少检现象,检索时间为2015年12月31日,共检索得到专利36 487件(专利族)。本文应用Thomson公司的数据分析工具TDA、Thomson Innovation自带的数据处理工具以及Excel分析软件等对检索得到的专利数据进行处理和分析。

2 纯电动汽车发展现状与态势

为了在纯电动汽车产业全球竞争中保持领先地位,日本、美国、德国、韩国等主要汽车强国陆续出台了一系列政策措施,鼓励纯电动汽车相关技术研发和应用。在国家战略的引导下,各国汽车企业和研发机构积极部署,不断开发出新技术、推出新车型,促进了全球纯电动汽车产业的全面健康发展。

2.1 发展现状

2.1.1 研发现状

日本、美国、德国、韩国是最主要的海外纯电动汽车研发市场,在全球竞争中占据绝对领先地位。日本由于地理环境的原因非常重视电动汽车研发和应用,在纯电动汽车领域,主要专注于电池和电机技术研发,主要研发主体除丰田、本田、日产等汽车企业外,还包括在电池、电机技术或汽车零部件领域占据优势地位的松下、电装、日立等企业,其中松下为全球第一大电动汽车电池供应商。日产在锂离子电池技术领域优势十分明显,在关键零部件领域也积累了大量技术,其主要研发方向集中在纯电动汽车领域,并于1997 年推出了全球第一辆锂离子电池电动汽车Prairie Joy。美国纯电动汽车研发以通用、福特和克莱斯勒三大汽车巨头为主,3家公司在汽车、电子、机电、控制和材料等领域分工协作,凭借雄厚的技术开发资源和先进的制造条件开发出了多项先进技术。后起之秀特斯拉公司自2003年成立以来一直专注于纯电动汽车技术研发,目前已成为美国最畅销的电动汽车品牌。与美国相比,欧洲更崇尚追求完美零污染的纯电动汽车。1990年,欧洲成立了“城市电动车”协会,以帮助各城市进行电动汽车可行性研究并安装必要设备[18]。德国是欧洲纯电动汽车技术的主要研发基地,以宝马、戴姆勒和博世为主导的企业引领着欧洲纯电动汽车研发方向。其中,博世集团主要专注于电池技术研发;宝马、戴姆勒在整车领域分别推出了多款纯电动汽车车型,2016年8月23日,戴姆勒又推出了面向中国市场的腾势400。韩国电动汽车研发机构主要有LG化学、三星SDI、现代,研发重点目前主要集中在电池技术领域,LG化学、三星SDI与松下公司是目前越来越受欢迎的三大亚洲电池供应商,通用、雷诺、沃尔沃、戴姆勒和大众都是LG化学的客户,部分公司还在插电混合动力汽车中使用LG的电池[19]

2.1.2 市场现状

近年来,全球电动汽车市场发展速度较快,电动汽车产量和销量均呈持续稳定增长态势。截至2015年年底,全球电动汽车(包括纯电动和混合动力)累计销量达到126万辆,美国、中国、日本、新西兰、挪威是电动汽车领域最主要的销售市场,目前有80%的电动汽车都在这5个国家销售。2015年,全球电动汽车销售量达54.9万辆,较2014年的32.4万辆增加了69.4%,其中纯电动汽车销量为32.8万辆,占电动汽车总销量的59.6%。2015年,中国电动汽车总销量达20.73万辆,首次超过美国(11万辆)成为全球最大的电动汽车市场。其中,纯电动汽车14.68万辆,占中国电动汽车总销量的70.8%[20]。由此可见,全球电动汽车产业发展迅速,中国市场表现强劲,产销量均实现了巨大飞跃,在国家政策的大力扶持下,中国纯电动汽车产业将迎来更大的发展机遇。

2.2 技术研发态势

2.2.1 技术专利申请趋势

本文通过对检索得到的专利进行年度分布分析发现,关于纯电动汽车相关专利的记载最早出现在1968年, 1968-1990年年度专利申请量都不超过100件,但基本处于上升趋势。该时期,纯电动汽车专利数量上升得益于OPEC石油组织在1970年对西方国家实施的石油禁运政策,该政策的实施引起了石油短缺和价格上涨,促使西方国家开始转向纯电动汽车研发领域。1990年,美国加州政府出台了零排放车辆强制法规(Zero Emission Vehicle Mandate),规定1998年上市的零排放车辆必须占新车比例的2%,2003年上市的零排放车辆必须占新车比例的10%,从而引发了世界各大汽车制造商对纯电动汽车的研发[21]。再加上全球对气候和环境问题关注度的持续上升,1992年以来,纯电动汽车领域专利申请量开始呈稳步增加态势,尤其是2009年以来迅速增长,到21世纪初迎来新一轮高速发展。直至2012年,专利数量仍处于快速增长态势,说明国际纯电动汽车研究进入快速发展期(见图1)。由于专利从申请到公开大约需要1.5~3年时间,因此2012年以后的专利申请量数据开始失真,2013-2014年的专利数据仅供参考。

2.2.2 专利技术生命周期

专利技术生命周期是指在专利技术发展过程中,专利申请量与申请人数量呈现的一般性和周期性发展规律,其是专利定量分析中最常用的方法之一,通过分析专利技术所处发展阶段,可以推测技术未来发展方向(侯元元,2013)。专利技术生命周期理论存在4个发展阶段,即萌芽期、发展期、成熟期、衰退期。在萌芽期,只有少数企业从事该项技术研发工作,专利申请量与申请人数量都不多;在发展期,技术获得突破性进展,随着市场规模的不断扩大,介入企业越来越多,专利申请量与申请人数量开始急剧上升;在成熟期,专利数量还在继续增加,但专利增长速度已经放缓,申请人数量基本保持不变,技术已相对成熟;在衰退期,年度专利申请数量和申请人数量都呈负增长趋势,技术发展空间受限。

图1 纯电动汽车专利年度分布

图2为国际纯电动汽车专利技术生命周期。从中可以看出,2006年以前,纯电动汽车技术经过20世纪60年代末至90年代初的第一阶段技术萌芽期后,大致在1992年前后开始进入第二阶段,即技术发展期。这一时期,专利数量和申请人数量大幅增长,目前专利数量和申请人数量仍急剧上涨,说明纯电动汽车产业还有较大的研发空间,技术投入回报率相对较大。

图2 纯电动汽车专利技术生命周期

3 纯电动汽车技术研发竞争态势

3.1 主要竞争国家/地区

3.1.1 主要申请国家/地区

图3为国际纯电动汽车专利申请国家/地区分布情况。从中可以看出,日本在纯电动汽车领域国际优先权专利申请量方面处于绝对领先地位,其专利申请量占国际纯电动汽车专利的一半以上,高达55.3%;中国排名第二,占比为18.4%,表明我国纯电动汽车研究处于相对领先地位,但与日本相比尚有很大差距;排名第三、第四的是美国和德国,韩国紧随其后,位居第五位。从主要国家专利申请数量趋势图可以看出,日本从20世纪90年代开始就有大量纯电动汽车专利出现,到2000年年均专利申请数量已超过500件,随后纯电动汽车专利数量稳步增长。而我国虽然专利总数量排名第二,但相关研究起步较晚,我国从2010年年均专利申请数量开始超过500件,近几年专利申请数量增长迅速。

图3 主要申请国家/地区

3.1.2 主要国家全球专利布局

当前,全球市场竞争激烈,为了能在国外生产、销售相关产品并占领国外市场,专利权人需对其发明创造在其它国家和地区提出专利申请以求获得知识产权保护。因此,某国或某企业的同族专利申请状况可以清晰反映其市场发展战略。本文通过对纯电动汽车产业主要专利国家全球专利布局进行分析发现,日本纯电动汽车专利总量位居世界第一,在国外市场保护力度也最强。除本国市场外,其重点关注市场为美国、WO、中国、EP、德国、韩国、加拿大,其专利布局涉及43个国家和专利组织。美国虽然专利总量低于中国,但在国外的市场保护力度却远远高于中国。除本土市场外,其重点关注市场为WO、德国、EP、中国、韩国等国。德国和韩国的专利总量分别位居第四、第五位,两国在国外的市场保护力度也远远高于中国,其重点关注市场也是日本、美国、中国、德国(关注韩国)、韩国(关注德国)。我国虽然专利申请数量较多,但主要是在本国申请,对外申请专利所占比重较小,专利国际化程度较低,说明中国纯电动汽车领域技术创新能力有待提高(见图4)。当前,纯电动汽车主要国家车企都瞄准了中国的消费市场,将专利布局到中国,中国车企应努力把握好机遇,争取将国内市场牢牢掌握在自己手里。

图4 主要国家全球专利布局

3.2 国际主要竞争主体

在如今瞬息万变的市场环境中,谁能及时把握竞争对手发展态势,谁就能在竞争中掌握主动并准确占领市场先机。因此,对竞争对手进行分析尤为重要。专利权人是专利权所有人与持有人的统称,其是指具有实施自己专利、许可他人实施其专利以及禁止他人实施其专利的权利。通过对国际纯电动汽车主要专利权人进行分析,可以帮助企业了解主要竞争对手,并通过分析主要专利权人的技术布局,帮助企业寻找合适的合作伙伴或兼并对象。

3.2.1 主要专利权人

本文通过对专利权人进行分析发现,位列前10位的专利权人中有8家是日本企业,其中丰田位列第1,专利数量高达4 168件,远远高于其它公司;日产申请专利数量为1 835件,位列第2;本田、松下、电装分别位列第3、第4、第5位;德国博世和韩国三星SDI是位列前10位的两家非日本企业,分别位列第6和第8;美国通用以541件专利位列第11位(见图5)。

图5 主要专利权人专利申请情况

本文通过对国际主要专利权人总专利发明人数进行统计可以看出(见表1),日本企业研发队伍和研发投入相对较多。日本丰田汽车公司拥有最庞大的研发队伍,但在每件专利的人力投入上并非最多,东芝公司是日本企业中人力投入最大的公司,说明该公司研发效率较低。德国博世是德国纯电动汽车领域的领先企业,每件专利人力投入虽然相对较低,但研发效率却比较高。韩国三星SDI与博世的人力投入相差不大。美国通用虽然专利族数量排名第11位,但其研发效率却明显偏高,每件专利的人力投入只有1.87人次。

表1 主要竞争对手研发力量和研发效率

国家排名专利权人专利族数量 发明人数发明人次每件专利投入人次1丰田4168308293043.022日产1835128641163.203本田1099126530152.38日本4松下1039112230532.725电装89791321452.357日立78395528272.969三洋67360019413.2410东芝66060219913.31德国6博世83578719562.49韩国8三星SDI70669318262.63美国11通用51475814141.87

3.2.2 主要专利权人技术布局

本文通过对主要专利权人在纯电动汽车领域五大核心技术的专利布局情况进行分析可以看出(见图6),电池是电动汽车的“心脏”。因此,电池技术也成为所有企业重点关注的技术,申请专利数量也最多,除电装公司、日立、东芝公司电池技术领域专利申请所占比例不到一半以外,其余企业在电池技术领域的专利申请量都占五大核心技术专利总申请量的一半以上,尤其是三星SDI、三洋公司、博世公司、松下电器电池技术专利所占比例分别高达87.60%、78.88%、75.42%和73.76%。大部分企业对其它4类

核心技术的关注程度相对比较均衡,但各有侧重,这也跟各企业进入纯电动汽车领域的时间有关。比如有些企业进入时间相对较晚,某些核心技术已相对成熟,所以该企业在精细技术研发时将选择不太成熟的技术作为研发方向,以在该领域占据领先地位。

图6 主要专利权人核心技术布局

3.3 国内主要竞争主体

本文通过对国内主要专利权人进行分析可以看出(见图7、图8),在国内排名前10位的专利权人中,有8位是来自其它国家的企业,国家电网、比亚迪分别位列第8、第10位。本文通过对主要专利权人在中国的技术布局进行分析得出,丰田在各技术领域均有布局,且占据相对领先地位;大部分企业在H01M(用于直接转变化学能为电能的方法或装置,如电池组)、B60L(电动车辆动力装置;车辆辅助装备供电;电动车辆监控操作变量;电动车辆电气安全装置)领域的技术布局最多;国家电网主要技术布局在H02J(供电或配电电路装置或系统;电能存储系统),技术优势位列第2,仅次于丰田。所以,国内企业在进行技术布局时,需要对主要竞争对手的技术布局进行分析,避开那些发展已经相对成熟的技术领域。

图7 国内排名前10位的专利权人及其技术布局

4 主要结论

本文采用关键词与IPC分类号、德温特手工代码相结合的方式编辑了纯电动汽车专利对专利,进行检索,通过汤森路透Thomson Innovation专利数据库检索专利,然后运用专利计量方法对专利进行深度挖掘,通过分析得出以下结论:

(1)纯电动汽车技术处于快速成长期,还有较大的发展空间,专利申请人与专利数量逐年增多,技术发展前景可观,投入的获利空间比较大。因此,研发团队可以在该领域继续开展技术研发,但技术布局一定要避开目前国内外已经相对成熟的技术领域。

(2)日本、美国、韩国、德国等主要汽车国家均有全面的国际专利布局。除本土市场外,上述国家都在其它国家进行了大量专利布局,尤其是在中国的专利布局数量相对较多,说明这些国家都已经认识到中国具有巨大的纯电动汽车消费市场,都希望通过专利保护赢得中国市场份额。中国研发团队一定要紧紧把握机会,选择好研发方向,积极开展技术研发,争取将中国市场牢牢掌握在自己手里。

(3)丰田在纯电动汽车核心技术领域占据绝对优势地位,公司在各领域均有专利布局,尤其是在电池技术领域在全球均有大量专利布局。其它公司在电池技术领域的布局也相对较多,所以该领域技术已比较成熟,要想在该领域实现技术突破必须选择电池技术领域目前存在的弱势技术点,如增加蓄电池续航能力、延长蓄电池使用寿命、缩小蓄电池尺寸等。美国通用专利数量国际排名第11位,但研发效率排名第1,所以通用在研发管理上一定有值得学习的经验,有必要对其进行深度挖掘。

(4)中国专利申请量全球排名第二,但主要是在国内申请,国际专利布局较差,中国对外专利输出量严重偏低,限制了中国汽车企业在国际上的进一步发展。另外,中国专利申请量虽然很高,但研发团队在主要专利权人排名中却榜上无名,说明中国纯电动汽车领域尚未形成核心研发团队,技术集中度较低,这样很难在国际上赢得相对竞争优势。

(5)在国内申请专利的主要专利权人中,排名前10位的申请人中有8家是国外企业,各企业在H01M、B60L领域对中国专利技术布局最多,技术发展也相对成熟,其它领域专利技术布局相对较弱。因此,国内研发团队可以着手开展H01M、B60L领域以外的技术研发;国家电网在H02J领域技术优势比较明显,除丰田在该领域专利布局数量高于国家电网外,其它企业都低于国家电网,所以国家电网专利布局方向比较明确,在国内占据领先地位。

可以看到,全球电动汽车产业已进入快速发展期,市场规模进一步扩大,竞争也更加激烈。在国家政策的推动下,目前中国已发展成为全球最大的电动汽车市场,我国企业只有准确把握全球技术发展方向和竞争态势,不断创新,加强专利技术布局,将国内巨大市场掌握在自己手中,才有机会在新一轮国际竞争中占有一席之地。

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(责任编辑:王敬敏)

Research on BEV Industry Competitive Profile under Patent information Field of Vision

Huang Yurong1, Hou Yuanyuan1,Liu Tong2,Gao Zihan1

(1.Beijing Institute of Science and Technology Information, Beijing 100044,China;2.Beijing Computing Center,Beijing 100094,China)

Abstract:Battery Electric Vehicle (BEV) is powered completely by the rechargeable battery,and has the advantages of no pollution, low noise, and major automobile countries are scrambling to research and development.This paper analyzes the patent annual distribution,patent technology life cycle, the main national patent layout, R&D efficiency of main competitors, and patent layout of main companies. Combining the research conclusions with the development situation can clearly reflects the development profile of BEV and China's competition status in the field, in order to provide a scientific reference for the technology research and development and the industrial strategy layout in China.

Key Words:Battery Electric Vehicle; Patent Information; Technology R&D; Competitive Profile;Technology Life Cycle

收稿日期:2016-09-29

基金项目:国家自然科学基金项目(71303023);北京市财政资金项目(PXM2016-178214-000006)

作者简介:黄裕荣(1979-),女,山东泰安人,北京市科学技术情报研究所助理研究员,研究方向为专利分析;侯元元(1982-),男,山西临汾人,博士,北京市科学技术情报研究所副研究员,研究方向为专利分析;刘彤(1975-),女,甘肃兰州人,博士,北京市计算中心研究员,研究方向为信息分析;高子涵(1985-),女,辽宁丹东人,北京市科学技术情报研究所助理研究员,研究方向为专利分析。

DOI:10.6049/kjjbydc.2016070324

中图分类号:F407.471

文献标识码:A

文章编号:1001-7348(2017)04-0072-06