專利視角下中美電動汽車技術發展比較分析

章博文， 李顯君， 閆 旭

(1. 汽車安全與節能國家重點實驗室(清華大學汽車工程系)， 北京 100084； 2.西安應用光學研究所， 西安 710065)

專利視角下中美電動汽車技術發展比較分析

章博文1， 李顯君1， 閆 旭2

(1. 汽車安全與節能國家重點實驗室(清華大學汽車工程系)， 北京 100084； 2.西安應用光學研究所， 西安 710065)

為深入分析中國電動汽車技術的發展現狀，基于中美兩國公開發表的與電動汽車直接相關的專利數據，采用面板數據分析方法，針對年新增專利數量、主要專利權人和專利所屬技術領域，從技術和產業的角度對中美兩國電動汽車技術發展歷程、研發熱點和創新主體進行了比較分析，并選擇兩國典型汽車企業進行了案例分析. 結果表明：由于政府重視以及政策支持，中國電動汽車技術在2001年后得到了高速發展，與美國的整體技術差距顯著縮小；動力電池及其與內燃機的協同控制等相關技術是電動汽車發展的核心技術和重點研究領域；在車輛子系統聯合控制和電數字數據處理等相關技術方面，中國與美國還存在明顯差距. 國家應繼續支持電動汽車技術和產業發展，企業應抓住政府創造出的機會窗口快速發展，在促進產銷量提升的同時提升技術能力和技術水平.

電動汽車；專利分析；面板數據分析；動力電池；內燃機

電動汽車是保障國家能源戰略安全、減輕環境壓力、實現《中國制造2025》制造強國目標的重要手段[1-3]. 美國不僅長期作為世界上最重要的電動汽車市場之一，更數次引領了世界電動汽車的發展浪潮[4]. 比較、分析中美電動汽車技術發展，對促進中國電動汽車技術和產業發展具有重要作用和意義.

有關電動汽車技術發展研究的方法主要有兩類：基于業內專家的經驗[5-6]和專利數據的分析[7]. 基于專利數據的分析往往是“由技術找專利”,該方法能比較清晰地對各類技術進行分析，但慣用的技術類別與國際通用的專利類別(IPC：International Patent Classification)的對應關系不好，存在檢索的遺漏或重復問題，曾經出現過B60L 11/18這類非常重要的專利被整體遺漏的情況[8].

此外，現有研究對早期數據關注不足，限制了對電動汽車技術發展歷程的全面理解和把握[9]；忽略了電動汽車專利在汽車相關專利中占比的情況，不能全面反映電動汽車研發的受重視程度[10]；采用面板數據的研究少，不利于全面、深入地分析兩國技術發展趨勢[11].

為了彌補上述不足，本研究采用“由專利找技術”的思路，基于中美兩國公開發表的電動汽車相關專利的全部數據，分析了兩國電動汽車技術發展歷程和主要技術發展方向，并選擇典型汽車企業進行了比較分析. 提出了電動汽車技術發展的主要方向、核心關鍵技術和對中國電動汽車發展的建議，對政府制定相關政策和產業發展具有參考價值.

1 研究方法

專利作為技術信息的有效載體，是分析電動汽車技術發展的重要工具[12-13]. 基于國家知識產權局(SIPO)提供的在線檢索平臺(www.pss-system.gov.cn)分別對國家知識產權局和美國專利商標局(USPTO)中的數據進行檢索. 為給電動汽車相關專利界定出清晰的邊界，本研究假設所有專門為電動汽車研發的技術均會在摘要中明確其與電動汽車的相關性，即包含“電動汽車”或“電動車輛”的表述，并以多種關鍵詞對檢索結果進行了穩定性檢驗. “中國電動汽車專利”是指在摘要中以“電動汽車或電動車輛”為檢索詞搜索到的所有中國發明授權專利；“美國電動汽車專利”是指在摘要中以“electric vehicle”為檢索詞檢索到的所有美國專利；“電動汽車專利占比”是指檢索到的電動汽車專利數與同一時間段內檢索到的汽車相關專利數(檢索詞為“汽車”或“車輛”)的百分比. 檢索時間為2017年1月2日. 分析框架參見圖1. 需要說明兩點：1)由于專利類型和專利庫的差異，中美兩國專利數量的差距僅在一定程度上定性反映兩國的技術差距，不能定量反映差距大小. 2)由于專利審查平均需要3年以上的時間，因此檢索到的專利絕對數量自2013年呈現出明顯的下降趨勢，但兩國的相對數量對比仍然具有實際意義.

圖1 分析框架

2 發展歷程和創新主體演進分析

2.1 發展歷程分析

中美從首個電動汽車專利出現以來的歷年專利數量和專利占比變化情況參見圖2. 從圖2中可以看出,總體上中美兩國的電動汽車技術發展歷程較為相似，在得到顯著發展前都經歷了較長的沉寂期.

圖2 中美歷年電動汽車專利

中國首個電動汽車專利出現在1986年，其后十余年未得到太大發展，截至2000年合計只有57項專利. 2001年以來，國內興起了電動汽車技術研發熱潮，年新增專利由2000年的5項上升到2012年的719項，年均復合增長率為51.29%. 目前,中國共有3 560項電動汽車專利. 中國電動汽車的快速發展期與國家2001年啟動863計劃電動汽車重大專項和2010年出臺《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》密切相關，國家政策對推動以電動汽車為代表的新能源汽車技術和產業發展發揮了重要作用[14].

美國的首個電動汽車專利出現在1965年，早于中國21年. 電動汽車技術在發展早期整體不受重視，僅在1973-1980年間受石油危機影響有過較為明顯的發展，且極少有產品被推向市場. 1990年后，在以加州零排放汽車法案為代表的一系列節能環保政策的促進下，電動汽車得到了廣泛的關注. 汽車企業紛紛推出各自的電動汽車產品，電動汽車技術得到快速發展：年新增專利由1990年的4個上升到2012年的904個，年均復合增長率27.94%，其中2000年至2012年的年均復合增長率為20.24%. 目前美國共有6 045項電動汽車專利.

從專利變化趨勢看，中國1986年以來，年新增電動汽車專利占比約為2%，2007年之后持續快速增長，在2012年達到7.33%的最高值. 美國年新增電動汽車專利占比在1991年之前長期維持在0.5%以下，其后在0.7%～1.5%之間波動，2007年之后迎來明顯提升，在2012年達到4.48%的最高值. 盡管中國電動汽車技術研發起步晚于美國，但從電動汽車專利增速和專利占比可以看出,中國對電動汽車技術研發的重視程度高于美國.

根據電動汽車專利數量和專利占比變化，結合國家政策對電動汽車技術和產業發展的促進作用，將我國電動汽車發展劃分為3個階段：2000年及以前的早期探索階段;2001年～2009年的科技攻關階段;2010年至今的商業化推廣階段.

2.2 創新主體演進分析

按中國電動汽車發展階段，中美兩國持有電動汽車專利數量前十名的創新主體情況見表1. 從表中可以看出，美國電動汽車專利的申請人主要為企業，特別是業內主流的汽車企業，表明其產業格局較為穩定，相關的研發工作較為系統和成熟.

表1 各階段主要專利權人

中國電動汽車專利的主要申請人變化明顯. 在早期探索階段，由于國內專利意識不強，盡管以清華大學、北京理工大學、哈爾濱工業大學為代表的高校與企業合作開發了數款車型，但專利的主要申請人多是外資企業; 在政府的推動下，科技攻關階段外資企業所占份額下降，以汽車企業和大學為代表的國內申請人對電動汽車技術的貢獻顯著增強，在排名前十中專利占比達到42.17%; 在商業化推廣階段專利數量進一步提升，國內申請人在排名前十中專利占比達到了73.12%，其中以奇瑞、比亞迪等為代表的國內汽車企業貢獻的專利占比由上階段的25.22%提高到38.74%，以國家電網公司為代表的電力公司則貢獻了26.43%. 這一演進過程不僅反應了中國電動汽車產業的技術實力不斷增強，還反應了不同的創新主體在不同創新階段發揮不同作用的規律：在技術和產業發展初期，由于相關知識匱乏，大學等研究機構和個人從事前期研究工作推動技術發展；隨著技術的成熟，企業逐漸成為創新主體，研發重點從技術原理轉向工程實踐；在我國電動汽車進一步走向商業化的過程中，充電問題重要性凸顯，促進了電力公司在相關技術領域的研發工作.

3 技術研發熱點和發展趨勢分析

3.1 研究方法

分別在中國和美國選擇了特定時間段內專利數量最多的十個技術類別，基于這些技術類別和每一類別所包含的專利數量對兩國技術水平、技術熱點及其發展趨勢進行研究.

3.2 早期探索階段(2000年以前)

這一時期中美電動汽車主要專利分布參見圖3. 該階段中國電動汽車相關技術水平低下，與美國差距非常大. 就專利總數而言，中國只有57個，遠小于美國的725個. 就技術側重而言，中國除H01M 4/04項和B60L 11/18項各有6項專利外，其余技術領域多為1項或2項專利，沒有形成明顯的研發熱點.

美國有兩個明顯的研發熱點，分別是有242項專利的B60L 11/18和有144項專利的H02J 7/00，另有8項專利數量多于50. 這說明該階段美國在電動汽車的動力、電池以及控制、結構布置等技術領域開展了較多的研發工作，形成了較多的技術積累.

圖3 早期探索階段主要專利分布

3.3 科研攻關階段(2001～2009年)

這一時期中美電動汽車主要專利分布參見圖4. 在“863”計劃的帶動下，中國電動汽車技術有了明顯發展，新增專利612項，較前期增長793.68%. 研發熱點初步顯現，B60L 11/18、B60W 20/00和H02J 7/00新增專利均超過50項，分別為83項、56項和28項. B60L 15/20、B60L 11/00、B60K 1/04、B60W 10/08、B60W 10/06、H01M 2/10、H01M 4/58等領域的技術也有較明顯發展，各有20～40項新增專利. 這一階段中國開發出了多款純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的樣車，基本完成了電動汽車產業化的準備.

這一時期美國電動汽車相關技術也得到了快速發展，新增專利1 618項，較前期增長123.17%. B60L 11/18和H02J 7/00相關技術依舊是研發熱點，B60W 20/00、B60W 10/08、B60K 1/00、B60W 10/06等4類技術在這一時期得到了格外重視，其中與混合動力汽車控制直接相關的B60W 20/00領域的新增專利數為270項，超過了同期其他任一領域. 研發熱點的變化主要是由于以豐田普銳斯為代表的混合動力汽車自2000年起在世界范圍廣受歡迎，推動了混合動力汽車相關技術的發展.

圖4 科研攻關階段主要專利分布

3.4 商業化推廣階段(2010年至今)

這一時期中美電動汽車主要專利分布參見圖5. 中國電動汽車技術在該階段得到迅猛發展，新增專利2 891項，較前期增長372.39%. 研發熱點進一步聚焦于B60L 11/18和H02J 7/00兩個技術領域，新增專利數分別為403和445項. 新增專利數排名第3～第10的是電池和車輛控制的相關技術，在83項～125項. 電池、電機、電控相關技術取得重大突破. 動力電池能量密度達到200 Wh/kg，電機功率質量比達到2.8～3.0 kW/kg，大幅提高了產品的實用性，純電動汽車續航里程突破了400 km，多款插電式混合動力汽車的百公里油耗下降到2 L以下，電動汽車的加速性能得到大幅提高.

美國這一時期的電動汽車技術也發展迅速，新增專利3702項，較前期增長118.80%. B60L 11/18和H02J 7/00這兩項技術重回核心位置，分別新增專利1113和640項. B60W 10/06、B60W 10/08、B60W 20/00等與車輛子系統的聯合控制緊密相關的技術領域的專利數量仍保持高位，新增專利194～348項. 表明這3類技術在美國得到了持續的關注，仍將是電動汽車領域內持久的研發熱點.

圖5 商業化推廣階段主要專利分布

3.5 發展趨勢分析

由于電動汽車對緩解能源危機、促進可持續發展具有重要作用，中國將電動汽車看作戰略新興產業的重要組成部分，政府給予了大力、持續的支持；而美國新任總統特朗普對電動汽車的態度明顯不如前任總統奧巴馬積極，甚至對電動汽車的重要性提出了質疑. 因此中國電動汽車技術的發展速度很有可能繼續超越美國，并進一步縮小與美國的技術差距.

在研發熱點方面，美國現有的3個最主要技術領域(車輛動力裝置、車用供電裝置、車輛子系統的聯合控制)不會有明顯變化，且有較大可能成為中國未來的重點研發領域. 中國將持續保持對電動汽車的動力裝置和電池組的電路裝置這兩個技術領域的重視. 目前中國在混合動力汽車中子系統聯合控制相關技術的發展落后美國較多，新增專利數僅為美國的20%左右，隨著插電式混合動力汽車的發展，相關技術也將迎來快速發展. 由于中國著重發展的混合動力汽車不包含傳統的油電混合汽車，因此與油電混合動力相關的技術在中國受到的重視程度難以達到在美國的水平.

4 典型企業分析

為了深入了解電動汽車產業的發展情況，選擇中美兩國電動汽車表現突出的新進入者比亞迪和特斯拉，以及兩國汽車產業中最大的在位者上汽和通用汽車進行分析. 這4個企業電動汽車的銷量在本國市場都處于領先地位，2015年比亞迪、特斯拉、上汽、通用的銷量分別為61 726、51 598、20 233和11 123輛.

4個企業歷年電動汽車專利數參見圖6. 通用汽車對電動汽車的研發最早，第一個專利出現在1978年；其次是比亞迪和上汽，首個專利均出現在2003年；特斯拉的首個專利出現在2006年，是4個企業中最晚的. 4個企業電動汽車專利總量自2002年以來明顯增加，表明企業加大了相關技術研發活動. 整體而言，美國企業的專利數明顯多于中國企業. 通用汽車、特斯拉、比亞迪、上汽的相關專利數分別為259、111、93、25.

圖6 案例企業歷年電動汽車專利數量

4個企業技術側重參見圖7. 電動汽車的動力裝置和其電池組的電路裝置是中美企業共同的研發重點，此外，美國企業在混合動力汽車相關技術和電數字數據處理這兩個方面的技術研發和積累明顯超過中國企業；而中國企業在電池組的加熱或保溫相關技術上有一定優勢.

圖7 案例企業電動汽車專利分布

分類號含義B60K1/00電動力裝置的布置或安裝B60K1/04用于動力裝置蓄電器的布置或安裝B60L3/00電動車輛上安全用電裝置、運轉變量的監測B60L11/00車輛內部電源的電力牽引B60L11/18使用電池的電動車輛動力裝置B60L15/20電動汽車驅動電動機控制B60W10/06包括內燃機的控制的車輛子系統聯合控制B60W10/08包括電動力單元的車輛子系統的聯合控制B60W10/26用于電能的車輛子系統的聯合控制B60W20/00專門適用于混合動力車輛的聯合控制G06F7/00通過待處理數據的指令或內容進行運算的數據處理的方法或裝置G06F17/00特別適用于特定功能的數字計算設備或數據處理設備或數據處理方法G06F19/00專門適用于特定應用的數字計算或數據處理的設備或方法H01M2/10電池組的安裝與保持H01M4/04電極的一般制造方法H01M4/58除氧化物或氫氧化物以外的無機化合物的聚陰離子結構的電極H01M10/46結構上與充電設備相聯接的蓄電池H01M10/615電池的加熱或保溫H01M10/625專門適用于車輛的電池H02J7/00用于電池組的充電或去極化或用于由電池組向負載供電的電路裝置

通用汽車是世界汽車界的代表，具備雄厚的技術積累，其技術側重在一定程度上代表著世界先進技術的發展方向. 通用汽車從事電動汽車的研發工作早，且歷年的專利數明顯高于新進入者特斯拉，但目前在市場上,新進入者特斯拉的表現卻更好，其中的緣由還有待于進一步研究.

上汽等中國汽車企業在電動汽車技術上還處于起步階段，與美國企業尚有一定的差距，在加強整體研發力度的同時也應該加強對電數字數據處理和車輛子系統的聯合控制技術方面的重視. 上汽和新進入者比亞迪對電動汽車的研發起始時間相差無幾，但目前在電動汽車專利方面,上汽則明顯落后于比亞迪，分析認為其主要原因是相較于比亞迪，上汽能從電動汽車業務中獲得的盈利增長非常有限，因此缺乏大力推進相關業務的動力.

5 結 論

1)中國電動汽車技術發展歷程可分為早期探索、科技攻關與商業化推廣3個階段，隨著技術和產業的發展，創新主體由以個人、科研機構為主向以企業為主轉變. 在政府的高度重視和政策支持下，2001年后中國電動汽車技術的研發熱度和發展速度明顯高于美國，與美國的技術差距顯著縮小.

2)從各階段研發熱點可以看出，電動汽車技術研發內容在早期廣泛探索的基礎上逐漸聚焦于電池和車輛控制的相關技術. 在眾多相關技術中動力電池技術處于核心地位，單體電池技術、電池成組技術和動力電池與內燃機的協同控制技術等均是未來的重點研究領域和主要技術發展方向. 而在車輛子系統聯合控制和電數字數據處理等相關技術方面中國汽車企業與美國還存在明顯差距.

3)在國家繼續重視、鼓勵電動汽車產業發展的同時，建議重點關注兩個技術領域：一是動力電池，特別是單體電池技術，這是電動汽車最核心的技術[15-16]，應持續加大在相關技術領域的研發投入；汽車企業在條件允許的情況下也應掌握電池的核心技術，以免在電動汽車業務發展中受制于電池企業. 二是發展潛力較大的混合動力汽車技術，特別是其結構布置和整車控制技術[17]. 鑒于混合動力汽車在當前較長時間內比純電動汽車更容易被市場接受，是目前緩解能源和環境問題有效且可行的手段，國家應鼓勵相關技術的發展，企業在混合動力汽車發展中應重視掌握動力系統的結構布置和整車控制等核心關鍵技術.

4)從電動汽車技術研發熱點和發展趨勢中可以看出，電動汽車技術將得到持續的關注和長足的發展，除純電動汽車外，混合動力汽車技術也將有較大的發展.

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(編輯 楊 波)

Comparative analysis on the development of electric vehicle technologies in China and USA: patent view

ZHANG Bowen1, LI Xianjun1, YAN Xu2

(1. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy( Department of Automotive Engineering,Tsinghua University),Beijing 100084, China; 2. Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

To promote the development of electric vehicle technologies in China, a comparative analysis on the development of electric vehicle technologies in China and USA is made based on all published electric-vehicle-related patent data. The number of new patents, the main patentee and the technical field are indicated to analyze the technology development process, research hot spots, and innovation subject from the view of both industry and technologies. The cases of typical enterprises are also checked, and the findings show that though starting to develop electric vehicle technologies is late, China has paid more attention to developing electric vehicle technologies than USA since 2001, and is catching up fast. The battery and its synergistic control with internal combustion engine are the core technologies. There is a clear gap between China and USA in terms of joint control of vehicle subsystems and digital data processing. Our government should keep supporting the development of electric vehicle, and enterprises should seize the opportunities for both promoting production and sales, and enhancing their technical capabilities.

electric vehicle; patent analysis; panel data analysis; battery; engine

10.11918/j.issn.0367-6234.201702045

2017-02-20

章博文(1989—)，男，博士研究生; 李顯君(1967—)，男，副教授，博士生導師

李顯君，leexj@mail.tsinghua.edu.cn

U469.72

A

0367-6234(2017)07-0086-07