1、 本研究受国家重点研发计划“新能源汽车专项”（项目编号：本研究受国家重点研发计划“新能源汽车专项”（项目编号：2017YFB01024032017YFB0102403）支持）支持 新能源汽车全球专利观察新能源汽车全球专利观察 课题组组长：课题组组长：李东红 清华大学经济管理学院副教授 范爱红 清华大学知识产权信息服务中心主任 执执 笔笔 人：人：陈昱蓉 清华大学全球产业研究院 李 津 清华大学图书馆 李亚伦 清华大学车辆与运载学院 周伟韬 清华大学车辆与运载学院 葛 菲 清华大学全球产业研究院 清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 2/70 目目 录录 一、前一、前 言言 .3 3 1
2、.研究内容.4 2.研究方法.7 3.研究的局限性.8 二、新能源汽车全球专利总体态势二、新能源汽车全球专利总体态势 .9 9 1.新能源汽车研发火热.9 2.不同技术路线发展态势差异较大.10 3.不同技术路线子领域关键技术态势分析.12 3.1 纯电动汽车领域.12 3.2 混合动力电动汽车领域.18 3.3 燃料电池汽车领域.21 3.4 新能源汽车通用技术领域.26 三、全球新能源汽车专利区域分布三、全球新能源汽车专利区域分布 .3030 1.各国新能源汽车技术路线选择存在差异.30 2.纯电动汽车、新能源汽车通用技术领域中国追赶迅速.32 3.产业交融下各国产业链布局新态势.34 3
3、.1 纯电动汽车领域.35 3.2 燃料电池汽车领域.37 3.3 混合动力汽车领域.39 3.4 新能源汽车通用技术领域.39 四、全球新能源汽车主要研发企业分析四、全球新能源汽车主要研发企业分析 .4141 1.纯电动汽车领域.41 2.燃料电池汽车领域.50 3.混合动力汽车.57 4.新能源汽车通用技术.60 五、结论与建议五、结论与建议 .6868 清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 3/70 一、一、前前 言言 随着环境保护压力的增加和清洁能源技术的发展，节能、环保的新能源汽车成为汽车产业发展的重点。美国、日本、欧洲等传统汽车技术强国早已经在新能源汽车产业布局。丰田、日产
4、、通用、宝马等国外汽车整车厂纷纷研发相关的新能源汽车技术。我国于 2003 年制定了新能源汽车产业“三横三纵”的发展战略，确立了混合动力汽车、纯电动汽车与燃料电池汽车齐步走的技术路径，期望通过新能源汽车产业的发展实现我国在汽车制造业的跨越式发展，缩小与传统汽车制造强国的差距。自 2010 年起，国家及各地政府推出强有力的新能源汽车销售补贴制度，进一步刺激新能源汽车的发展。经过十多年的培育，比亚迪、北汽、上汽等国内一系列车企在新能源汽车领域的投入取得了良好效果，我国成为世界第一大新能源汽车市场。根据中国汽车工业协会的报道，2018 年中国新能源汽车的销售量达到 125 万辆，占全球销量的一半以上
5、。新能源汽车产业发展的环境逐渐成熟，市场竞争愈发激烈。与此同时，政府的补贴也在逐渐退坡。在这种情况下，新能源汽车市场能否持续发展，取决于企业是否具有新能源汽车产业的创新能力与竞争优势。专利是衡量企业创新能力最易量化的指标之一。在创新全球化的背景下，创新者为了在世界市场保持竞争优势和垄断地位，对知识产权依赖程度越来越高。根据世界知识产权组织（WIPO）2018年 12月发布的全球知识产权年度指标报告，2017 年全年世界范围的专利申请达到了 317 万件，连续八年上涨。从宏观层面讲，专利可以反应目标产业全球技术创新的进程与趋势，可以为产业发展决策提供有效的信息支持。从微观层面讲，专利可以反映企业
6、的创新战略布局，企业可以将专利转化为产品等商业价值，还可将其作为开拓国际市场、打压竞争对手的武器。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 4/70 随着新能源汽车的发展，传统汽车的产业生态、产品形态和商业模式正在经历全新的变革。汽车产业链延长，动力电池、氢能技术、混合动力系统等可替代能源与可替代动力技术需要整车厂和多方企业不断创新。通过对全球新能源汽车领域相关技术专利大数据进行采集、分析，可以了解全球新能源汽车领域热点研究方向，各国、各大企业在各领域的技术实力和布局重点，同时也可以通过专利数据了解汽车产业面对新能源汽车转型过程中的新挑战与新机遇。这对中国相关企业确立研究方向、寻求技术合作
7、、进行专利布局有着极大的参考价值。1.研究内容研究内容 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源的其他能源汽车，被认为能减少空气污染和缓解能源短缺。目前，新能源汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车。纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，缩写：BEV），是指以动力电池为唯一能量源的新能源汽车。纯电动汽车移除了传统汽车的内燃机与燃料箱，由蓄电池供电给电动机，再由电动机推动车辆，而电池的电量由外部电源充电补充。纯电动汽车结构简单，但存在价格高、寿命短、充电时间长、续航里程短等缺点。混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，简称 HEV）
8、采用燃油驱动内燃机加上蓄电池驱动电动机作为双动力源。近年来，一些车辆在混合动力汽车的基础上添加充电功能，能够通过充电站或家用充电设备从输电网路为车辆电池充电。这种车辆被称作插电式混合动力汽车（Plug-in HEV，简称 PHEV）。本报告将插电式混合动力汽车认为成原有混合动力汽车的延伸，一并分析进行研究。与纯电动汽车相比，混合动力汽车发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，具有续航里程长、电池成本相对较低的优点。但其系统装置整合复杂，对内燃机和汽车底盘技术要求较高。燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，简称 FCEV)是
9、一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 5/70 度氢气或含氢燃料。车中往往含有燃料电池、储氢罐和一块相对于较小的蓄电池。与其他的电动汽车比较,FCEV 用的电力来自车载燃料电池装置。燃料电池汽车具有“无污染、高效率”等先天优势，被称为人类终极能源，但却面临燃料电池技术不成熟，加氢站不完善等成本、存储、运输、安全问题，成为一块可望而不可及的“蓝海”。本报告根据中国汽车工业协会关于新能源汽车产业囊括关键零部件的定义，参考国家“863”电动汽车重大科技专项“三纵三横”技术开发格局与 2016 年出版的中国汽车产
10、业知识产权发展报告中新能源汽车技术分析,将新能源汽车产业划分为六大技术分支（如表 1-1 所示）：充电技术、混合动力系统、燃料电池技术、动力电池系统、驱动电机系统、整车能耗控制技术。本报告依据各类新能源汽车的核心技术将此六大技术归类，以展示纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的专利申请趋势。其中，驱动电机系统和整车能耗控制是三种新能源汽车的共性技术，我们将其归类为新能源汽车通用技术进行单独分析。动力电池系统虽然在三种新能源汽车中均会出现，但其在纯电动汽车中作为唯一动力源，动力电池研发与专利申请均为满足纯电动汽车的发展需要，因此我们将其归为纯电动汽车子领域。综上所述，本报告选用充电技术与动力电
11、池系统作为纯电动汽车的关键技术分支；混合动力系统作为混合动力汽车的关键技术分支；燃料电池相关技术中的车载储氢设备、燃料电池材料及制造和燃料电池运行管理作为燃料电池汽车的关键技术，驱动电机系统、整车能耗控制技术作为新能源汽车通用技术。如图 1-1 所示。表1-1 新能源汽车技术分支 一级 二级 三级 新能源汽车 充电技术 快速充电 无线充电 混合动力系统 动力系统构型 动力系统控制 清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 6/70 燃料电池相关技术 氢气的制备 储氢设备 燃料电池材料及制造 燃料电池运行管理 动力电池系统 动力电池材料及制造 动力电池包管理 驱动电机系统 电机及控制 整车能
12、耗控制技术 能耗优化 制动能量回收 图1-1 纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车的关键性技术 清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 7/70 借助专利数据，本研究从三个方面分析了全球新能源汽车前沿技术的趋势：（1）从时间及技术方向等角度揭示技术总体发展态势，比较三种新能源汽车技术路线的发展路径。（2）比较主要研发国家在技术路径选择上的不同以及在新能源汽车产业链上的布局侧重点。（3）比较不同类别的研发企业在产业交融下的专利布局以及技术侧重点。2.研究方法研究方法 本报告数据来源于德温特创新专利信息平台 Derwent Innovation（DI），此信息平台包含德温特世界专利索引数据
13、库（DWPI）和德温特专利引文索引数据库(DPCI)。德温特信息平台包含国内外多个主流国家专利产权局的公开数据，如中国国家知识产权局数据库、欧洲专利局数据库、美国专利商标局数据库、日本特许厅 PAJ 数据库。并可将企业向不同国家知识产权局申请的同一专利合并，生成家族专利，避免了重复计算引起的误差。本报告采用世界主要专利授予机构划分的全部专利集合，同时还检索所选集合的 DWPI 字段。通过文本（CTB 字段，包括标题、摘要和权利要求）与国际专利分类号（IC 字段）相结合的方式，初步确定检索式，进而利用 DI 的文本聚类功能，经过多次检索试验和抽样验证，同时结合主要企业相关专利的国际分类号，迭代优
14、化检索式。通过专家审核，认为符合目前产业状况。由此可以确认检索策略设计的有效性。同时，本报告利用 Derwent Data Analyzer 系统对所获得的专清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 8/70 利权人进行归并，避免了同一企业及其子公司在专利申请时采用不同专利权人姓名的情况。在此基础上，本报告根据专利权人的企业性质将主要的专利权人进行分类，包括整车厂（OEM）、传统汽车一级零部件供应商(Tier One)、初创企业（Startup）、信息与通信技术企业（ICT）、电力企业（Grid）、电池企业（Battery）和高校科研机构（Institute）。为了兼顾样本的有效性和数据处
15、理能力，研究将专利公开年设置为 1999-2019 年1。数据下载时间为 2019 年 4-7 月，利用 DI 平台的分析功能进行数据处理分析。3.研究的局限性研究的局限性 本研究的局限性包括三点。第一点为专利研究的时效性。新能源汽车是现在学术界和产业界共同关注的研究热点，技术日新月异，而专利申请从提交到公开往往需要 1-2 年，因此某些关键性突破和近期趋势很可能尚未涵盖，在反应创新趋势时存在一定的滞后性和片面性。第二，专利的质量很难衡量，特别是不同专利局依据本国的知识产权法规等可能影响授予专利的质与量。在专利数量上领先并不能保证创新者在未来的新能源汽车领域占据优势。最后，专利研究在一般性技术
16、（General purpose technology）的局限性。一般性技术是指那些有多种用途、可以应用到多种行业的新兴技术。创新者往往希望申请的专利覆盖最大的保护范围，因而不将发明创造局限于某一特定用途。因此，在专利研究时，很难把针对某一行业的一般性技术创新专利与其他用途的该一般性技术创新专利区分。新能源汽车领域涉及的研发领域众多，其中包括一些一般通用性技术。如燃料电池技术可广泛应用于燃料电池汽车、燃料电池发电、燃料电池热电联产等领域。因此在关键词确定时需格外注意。本研究通过 IC 加关键词的方法，并通过完备性与准确性的检验方法，反复检验迭代，以减少该部分误差。1 由于专利申请公开的滞后性，
17、2017、2018 年部分数据未公开，收集的专利数量会小于专利的实际申请数量，专利实际增长量更多。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 9/70 二、二、新能源汽车全球专利总体态势新能源汽车全球专利总体态势 近年来，新能源汽车的专利申请数量呈快速上升趋势，并因新能源汽车技术路线的多样性，表现出相互促进又相互竞争的特性。总的而言，在过去的二十年中，纯电动汽车在专利申请上的发展速度大大超出了混合动力汽车和燃料电池汽车的发展速度。新能源汽车发展离不开动力电池系统、充电技术、氢能技术的发展。因此在技术分布上表现出跨行业、多学科融合的特点。1.新能源汽车新能源汽车研发研发火热火热 图2-1 全球
18、新能源汽车专利申请趋势（1999-2018）从图 2-1 全球新能源汽车领域专利申请趋势，可以看出，1999-2018 年新能源汽车领域的专利申请总量整体呈上升趋势，仅在 2009 年出现略微下降。此时受全球经济危机影响，各新兴技术专利申请量均有所下降。到 2016 年，全球范围内递交的新能源汽车领域专利申请量已达到近 3 万项/年，约占世界知识产权(WIPO)公布的 2016 年全球专利申请总数的 1%，说明新能源汽车产业对知识创新的需求和全球研发的火热程度。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 10/70 2.不同技术路线不同技术路线发展态势发展态势差异较大差异较大 图2-2 分类
19、专利申请趋势比较 图 2-2 展示了纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车与新能源汽车通用技术的全球专利申请趋势。可以看出，三类新能源汽车的态势存在很大的差异。纯电动、混合动力、燃料电池汽车代表了新能源汽车的三种不同发展路径，总的来说除了产业相对不成熟的燃料电池汽车外，纯电动与混合动力均迎来了快速发展。其中，纯电动汽车的研究在近十年发展十分迅猛，反超有深厚研究基础的混合动力汽车。这也与越来越多的初创企业或汽车工业稍弱的国家、企业进入有关，他们往往倾向于选择汽车机构件相对简单、完全舍弃内燃机技术的纯电动汽车技术路线；而传统的汽车强国、强企业则延续原有的混合动力技术路线，逐步加大研发投入力度。纯电
20、动汽车专利申请引来新一轮快速上升纯电动汽车专利申请引来新一轮快速上升。纯电动汽车在经历了世纪之初的缓慢发展之后，在 2009 年之后迎来了大规模的技术研发，相关专利申请量则相应出现大幅增长。除了各国政府对新能源汽车的刺激推广外，主要是由于锂电池技术在 ICT 行业的大规模应用、共享模式在欧洲兴起等原因带来纯电动汽车成本的下降和续航里程的提高。在这期间，纯电动汽车市场的开拓者如 Tesla、Nissan、Renault、BMW 开始了对纯电动汽车的研发和小规模试验。中国也于 2009 年起发起“十城千辆”项目，计划用 3 年时间每年发展 10 个城市，每个城市推出 1000清华大学全球产业研究院
21、新能源汽车全球专利观察 11/70 辆新能源汽车。此项目由工信部、科技部等联合发起，促进了纯电动汽车的研发与推广。此后，随着这一批纯电动汽车的成功推出，特别是 Tesla Roadster 和Model S 在新能源汽车领域取得的成就，纯电动汽车研发在全球形成浪潮，2013年之后相关专利申请量爆涨。受专利从申请到公开的时滞影响，2016 年以来的专利申请数据不全。初步看来，2016 年全球专利年申请量达到近 6000 件,预计近两年实际申请量将继续增长。混合动力汽车专利混合动力汽车专利数量数量平稳上升平稳上升。在本世纪之初，混合动力就有着较为深厚的研发基础，是新能源汽车较为热门的方向。这是由于
22、丰田作为新能源车企的领军者，早在 1993 年就开启了研发混动技术的计划，并于 1997 年在日本推出第一代普锐斯。之后，丰田又相继推出多种新车型，加紧对混合动力技术的研发迭代。受丰田普锐斯的影响和多国政府对汽车排放要求的日益严格，多家整车厂选择混合动力汽车路线作为其新能源汽车的目标，大量投入研发混合动力技术。2006 年前后，混合动力汽车专利申请迎来大规模爆发。这是由于插电式混合动力技术的出现让其他厂商避开了丰田对混合动力专利的绝对控制。此上涨趋势于 2010 年趋于平稳。燃料电池汽车专利燃料电池汽车专利量量蓄势待发蓄势待发。燃料电池汽车的专利数量表明，该技术领域的发展依然处于起步阶段。专利
23、申请总体呈现先稳步增长后逐步下降的趋势，并在 2004-2008 年达到高峰。说明这几年各机构展开了大量燃料电池汽车相关的研究。本田就在 2008 年推出过 FCX Clarity 燃料电池概念车并且在日本和美国加州对外界出租。2008 年之后，燃料电池专利申请量短时间内下降，直到 2011 年后，专利申请数量才趋于稳定。表明各国对燃料电池技术研究的热情逐渐回升。2013 年现代推出了第一辆量产燃料电池汽车，丰田紧随其后，于 2014 年推出Mirai。随着燃料电池汽车市场的逐渐成熟，多国对燃料电池汽车增加了投入。我国在 2016 年实行的国家创新驱动发展战略纲要中将发展氢能、燃料电池等新一代
24、能源技术列为战略任务之一，各地政府也在 2017 年推出促进氢能源产清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 12/70 业的规划布局。但因专利检索的时滞影响，目前并不能够直观地看出近两年燃料电池汽车研发成果的增加。新能源汽车通用技术专利新能源汽车通用技术专利数量数量持续上升持续上升。三种类型新能源汽车技术的发展均可促进新能源汽车通用技术的研发，因此新能源汽车通用技术的专利申请趋势呈现持续上升的趋势。3.不同技术路线子领域不同技术路线子领域关键技术关键技术态势态势分析分析 3.13.1 纯电动汽车纯电动汽车领域领域 纯电动汽车的关键技术在于动力电池系统（如动力电池材料及、动力电池包及管理）
25、和充电技术（如快速充电、无线充电）。这两项关键性技术决定了纯电动汽车特别是续航里程、充电时间和方便程度，关系到纯电动汽车的整体性能和成本。目前，国际主流的纯电动汽车往往最大续航里程能达到 300-400 公里，并且充电速度能达到 30 分钟内将电池从零充至 80%。如 Renault 的 Zoe 配备了41kWh 的锂电池，最大理论续航里程为 400 公里。我国 2019 年新能源汽车补贴政策也规定纯电动乘用车续航里程必须高于 250 公里。因此，如何生产出能量密度高、安全性能好、成本低的动力电池（主要为锂电池）、如何将电池包控制在安全、高性能的状态以及如何安全快速的充电是现在纯电动汽车发展的
26、热点方向。此外，无线充电技术也逐渐成为充电技术的前沿方向。无线充电技术是指通过非接触的方式为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给。它可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全问题等。如图 2-3 所示，从纯电动能源汽车四个子领域的专利申请趋势来看，动力电池材料及制造和动力电池包及管理相关技术研发爆发早于快速充电和无线充电技术，提速幅度也大大超过充电相关技术。这与动力电池在纯电动汽车系统里的基石地位密切相关。动力电池作为一项高资本、高科技含量的能源产品，因其广阔的市场前景，吸引了世界各大电池企业与汽车行业企业不断投入研发。快速充电技术的研发提速于 2010 年，这一时间点与第一批电动汽车小规模投向
27、市场的清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 13/70 时间点相符合（提前 1-2 年）。这说明通过小规模市场试验，企业意识到纯电动汽车不能仅仅靠家用充电等慢速充电方式，从而加强了对快速充电的研发。无线充电技术的研发起步于 2012 年，但上涨迅猛，意味着未来纯电动汽车有希望采取无线充电作为主流充电方式。图2-3 纯电动汽车子领域专利申请趋势 接下来，我们对纯电动汽车的各个子领域进行了“专利地图”分析。专利地图(Patent Map)通常是指将专利信息进行可视化，形成类似等高线地形图的图形来表示专利分布的高峰与洼地情况。专利地图可以将收集到的专利进行文本聚类，以“山峰”和“洼地”的形式
28、呈现。专利地图中的“山峰”（白色）代表该技术领域专利数量众多，为当前研发的技术热点；“洼地”（蓝色和浅绿色）则代表尚未开发的空白技术领域。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 14/70 图2-4 动力电池及制造领域技术主题概览 如图 2-4 所示，显示了动力电池及制造（锂电池）侧重高性能材料和制造工艺，其技术要点包括：（1）固态电池及制造工艺：固态电池（Solid battery）、干法制造（Dry preparation method）；（2）电解液及添加剂（Electrolyte and Additive）：碳基（Carbonate）、烷基（Alkyl）；（3）多孔电极及电极材料
29、（Porous electrode）：硅负极（Silicon）、钴正极（Cobalt）、粘结剂（Binder）、集流体（Collecter）；（4）电池模组的制作（Module）：连接（Connect）、组装（Assembly）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 15/70 图 2-5 动力电池包及管理领域技术主题概览 由图 2-5 可知，动力电池包及管理侧重电池的选择与成组管理，主要技术点包括：（1）电池的选型：二次电池（Secondary battery）、电极（Electrode）、电解液（Electrolyte）、材料（Material）；（2）电池的安装：安装（Fix）、
30、方向（Direction）、表面（Surface）；（3）电池信息的采集与控制：信息数据（Information data）、管理决策（Determine）；（4）电池的热管理系统：加热（Heat）、空气冷却（Air cool）；（5）电池的电管理系统：电池均衡（Balance）、电压变换（Converter）、开关（Switch）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 16/70 图2-6 快速充电领域技术主题概览 由图 2-6 可知，快速充电侧重于电池系统的设计与管理、充电桩的配置，主要技术点包括：（1）电芯的设计：电极材料设计（Electrode material）、充电电流设计
31、（Charge current）；（2）充电桩的配置：充电模块（Charging module）、设备安装（Fix）、继电器与接触器（Relax contact）、电阻设计（Resister）；（3）充电系统的温度通知和冷却：温度（Temperature）、空气冷却（Air cool）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 17/70 图2-7 无线充电领域技术主题概览 如图 2-7 所示，展示了无线充电领域的主要技术主题。无线充电侧重于充电电路的匹配、发射端与接收端的设计,主要技术点包括：（1）充电电路的匹配：基于电容的功率校正（Capacitor rectification fil
32、ter）、电路的谐振补偿（Resonance compensate）、导磁元件与磁路设计（Permeability magnetic）；（2）接收端设计：接收终端（Collect terminal）、柔性安装（Elastic fix）（3）发射端设计：充电机（Charging）、发射器（Transmitter）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 18/70 3.23.2 混合动力电动汽车混合动力电动汽车领域领域 混合电动汽车的关键技术可分为动力系统构型和动力系统控制。这两项关键性技术研究混合电动汽车中两套动力源是如何整合成一套完整的动力输出，从而达到近乎完美的动力性能和能耗性能。动
33、力系统构型包括并联、串联和混联，它研究两套动力系统之间的物理结构模型。而动力系统控制主要负责两套动力系统的能量管理、马力和动态协调。图2-8 混合动力汽车子领域专利申请趋势 如图 2-8 所示，从混合动力汽车两个子领域的专利申请趋势来看，混合动力系统构型和混合动力系统控制的研究是相辅相成的。它们在 2006 年迎来大幅增长，后因 2009 年经济危机略微下降，之后趋于平缓。接下来，我们对混合动力电动汽车的各个子领域进行了“专利地图”分析。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 19/70 图2-9 混合动力系统构型领域技术主题概览 由图 2-9 可知，混合动力系统构型行主要研究行星排结构
34、的配置和运行功能的实现，主要技术点包括：（1）行星排结构：行星轮（Planetary）、行星架（Carrier）、输出轴（Output shaft）；（2）动力元件的配置（Configure）：排列方式（Anordnen）、发动机（Moteur）、制动器及液压系统（Break、Hydraulic）；（3）运行功能的实现：冷却（Cool）、充电（Charge）、排放（Exhaust）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 20/70 图2-10 混动动力系统控制领域技术主题概览 如图 2-10 所示，展示了混动动力系统控制的主要技术点。它侧重动力输出及实现方法，主要技术点包括：（1）行星
35、排控制与驱动：太阳轮（Sun gear）、行星轮（Planetary）、输出轴控制（Shaft）；（2）离合控制：液压控制（Oil pump control）、电磁控制（Voltage control）、离合器（Clutch）；（3）动力系统输出控制：制动（Brake）、换挡（Shift）、加速（Accelerator）、排放（Exhaust）；（4）冷却控制（Cool）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 21/70 3.33.3 燃料电池汽车燃料电池汽车领域领域 燃料电池汽车由于以氢气作为第一能源，需要一系列氢能源产业链的技术突破，才能带来燃料电池汽车的成型与推广。因此燃料电池汽
36、车的核心技术在于氢气相关技术（如制氢、储氢）和燃料电池技术（如燃料电池材料及制造、燃料电池运行管理）两部分。氢气，和电力一样，是一种能量载体，它必须通过生产获得。目前制氢工艺主要有化石燃料制氢、工业副产气制氢、甲醇裂解制氢和水电解制氢。如何提高制氢的可靠性与经济性是制氢技术研究的方向。氢气的存储主要有高压气态储氢、低温液态储氢和储氢材料储氢三种方式。而车载储氢系统又对储氢罐的大小、压力和安全性提出了要求。燃料电池部分的技术指标与动力电池的标准类似，它与燃料电池汽车的整体驾驶性能、续航里程、安全性密切相关。目前，燃料电池的性能还比较差，具体体现在比功率的不足与成本的过高。各大汽车厂商进行新一代燃
37、料电池技术的研发，燃料电池的比功率不断提高，从1.9kW/L 提升至 3kW/L，基本能够满足车辆动力性要求。图2-11 燃料电池汽车子领域专利申请趋势 如图 2-11 所示，从燃料电池汽车四个子领域的专利申请趋势来看，氢气制造与燃料电池材料的研发力度要远远高于燃料电池运行管理和储氢技术的研发力度。这与氢气作为一种基础的清洁能源，具有广大的应用场景相关2。我们可以 2 因为氢能源的广泛应用性，本报告在统计燃料电池汽车的整体专利时没有把它计算在内。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 22/70 看到燃料电池零部件专利在 2004-2008 年迎来了申请的小高潮。之后申请趋势渐渐下降，这
38、可能是与燃料电池汽车产业链尚未成熟、投资研发热情减弱有关。因此在 2015 年初，丰田提出了开放其近七千件燃料电池汽车专利的计划，以刺激燃料电池汽车和整个产业链的研发。接下来，我们对燃料电池汽车的各个子领域进行了“专利地图”分析。图2-12 氢气制造及方法领域技术主题概览 由图 2-12 可知，氢气制造方法侧重制氢反应的过程和氢气的吸收和存储，其主要技术点包括：（1）制氢的反应过程：反应（Reactor）、催化（Catalysis）、氧化物（Oxide）、重整（Reform）、气化（Gasification）；（2）氢气的吸收与存储：吸附（Adsorption）、存储（Storage）；（3）
39、制氢的能量（Energy）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 23/70 图2-13 储氢领域技术主题概览 图 2-13 展示了储氢技术的主要技术，它侧重氢气的运输方式和氢气的存储方法，其主要技术点包括：（1）氢气的运输方式：氢气运输（Fahrzeug）、管道运输（Vessel）；（2）氢气的储存方法：合金储氢（Alloy metal）、液态储氢（Liquid）压力储氢（Pressjon）；（3）氢气的检测（Detect）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 24/70 图2-14 燃料电池运行管理领域技术主题概览 由图 2-14 可知，燃料电池运行管理侧重燃料供给的管理
40、与输出性能的控制，其技术点包括：（1）燃料电池的输出管理：电压输出（Voltage determine）、停机（Stop）；（2）氢气和空气的供给管理：氢气罐（Tank）、阀体（Valve）、压缩机（Compressor）、进气（Inlet）；（3）燃料电池的水热管理：增湿（Humidification）、热交换（Heat exchanger）；（4）燃料电池的寿命管理：聚四氟乙烯（Pite）、污染（Lamination）、双极板（Plate）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 25/70 图2-15 燃料电池材料及制造领域技术主题概览 如图 2-15 所示，燃料电池材料及制造侧重
41、膜电极技术、双极板技术和电堆的辅助零件，其技术点包括：（1）膜电极技术：催化剂（Catalyst）、催化剂载体（Particle）、隔膜（Separator）；（2）双极板技术：电极（Plate）、流道及扩散（Path diffusion）、密封（Seal）；（3）电堆的辅助零件：电堆（Stack）、阀体（Valve）、热管理（Heat）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 26/70 3.43.4 新能源汽车新能源汽车通用通用技术技术领域领域 新能源汽车通用技术主要包括驱动电机系统和整车能耗控制。整车能耗控制是提高新能源汽车行驶里程的方法之一。它的主要研究方向可分为制动能量回收和能
42、耗优化。制动能量回收指的是当车辆在刹车的时候能够将部分机械能通过发电机回收部分能量转化为电能的过程。新能源汽车的能耗优化大多指的是通过改变汽车中的电子器件，如空调制冷系统，减少整车能耗。图2-16 新能源汽车通用技术领域专利申请趋势 如图 2-16 所示，展示了新能源汽车通用技术三个子领域的申请态势。总体而言，此三种通用技术随着新能源汽车的总体研发投入增加呈现持续上涨的态势。其中，驱动电机的专利申请量、上涨幅度远大于能量回收和能耗优化的专利申请量。从时间上来看，关于整车能耗优化的专利申请上涨趋势要晚于其他两种新能源汽车通用技术。这主要是因为整车能耗优化对于新能源汽车整体的能耗控制、提高行驶里程
43、的范围有限。它的出现时间与纯电动汽车专利申请的爆发时间近似，说明整车能耗优化对于纯电动汽车提高行驶里程的重要性。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 27/70 图2-17 整车能耗优化领域技术主题概览 图 2-17 展示了整车能耗优化的专利地图。可发现整车能耗优化侧重加热、冷却和发动机控制，主要技术点包括：（1）加热与冷却：加热器（Heater）、电阻膜加热（PTC）、制冷器（Refrigerant coolant）、热交换器（Heat exchange）、膨胀器（Expansion）、泵管系统（Pipe pump）；（2）发动机控制：发动机转速（Engine speed）、热管理（
44、Thermal）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 28/70 图2-18 制动能量回收领域技术主题概览 由图 2-18 可知，制动能量回收侧重制动强度控制、电能转换存储和系统安装布置，主要技术点包括：（1）制动强度控制：制动压力（Pressure）、制动特性（Characterized）、制动踏板（Pedal）；（2）电能转换存储：电压变换（Converter）、电容器（Capacitor）、开关与电路（Switch、Circuit）；（3）系统的安装布置(Fahrzeug)：传动系统（Transmission）、转子与轴（Rotor、Shaft）。清华大学全球产业研究院新能源汽
45、车全球专利观察 29/70 图2-19 驱动电机领域技术主题概览 由图 2-19 可知，驱动电机侧重于电机本体设计及与其他动力元件的配合，具体包括：（1）驱动电机本体设计：磁路（Magnetic）、线圈绕组（Coil winding）、产热与冷却（Heat、Cool）；（2）与其他动力元件的配合，包括：与车轮的轮毂电机（In wheel motor）、与发动机配合（Engine）、与离合器的配合（Clutch）。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 30/70 三、三、全球新能源汽车专利区域分布全球新能源汽车专利区域分布 新能源汽车专利技术在各国家的发展情况同样值得关注。因新能源汽车技
46、术路线的多样性，不同国家依其自身的资源、对未来方向的预测往往对不同的技术具有侧重点。放眼全球，日本在新能源汽车技术上具有不可撼动的地位，尤其是混合动力汽车、燃料电池汽车领域。而中国近年来在纯电动汽车、新能源汽车通用技术上上升明显，大有赶超趋势。另外，新能源汽车表现出跨行业、跨学科的特点，出现汽车产业与电池产业、氢能产业、电力产业等相融合的现象，形成新的上下游产业链。各国对新的产业链布局各有侧重点。其中，日本在汽车产业新出现的上下游专利布局上均表现突出，而中国则在充电领域和动力电池材料的专利布局上有优异表现。1.各国新能源汽车技术路线选择存在差异各国新能源汽车技术路线选择存在差异 图 3-1 展
47、示了纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车和新能源汽车通用技术的专利优先权国家分布。发明人通常会在本国对其发明创造最先提出专利申请。因此，专利申请优先权所属的国家分布，往往可以反映该国家本土研发机构在该领域的申请情况，也能从一定程度上反映出该国的研发投入和技术来源地。由图 3-1 可以看出，各国在新能源汽车技术的选择与投入上存在较大差异。美国、日本、韩国、欧洲与中国均为新能源汽车的主要发展国家。其中，日韩、美国、欧盟等发达国家和地区在传统汽车技术领域具有较强的优势，期望通过新能源汽车技术在原有技术积累的基础上实现产业升级，在全球汽车工业竞争中继续占据有利地位。相对而言，中国在传统汽车领域实力较
48、弱，希望通过大力扶持新能源汽车产业，实现我国在汽车制造业的跨越式发展，实现“弯道超车”。因各国资源、汽车工业发展现状的不同，企业、政府往往对新能源汽车技术发展有不同的预测，选择了不同的技术路径。清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 31/70 其中，日本在三类新能源汽车与通用技术方面均为世界第一大专利优先权国，享有绝对的技术领先地位。特别是在混合动力汽车与燃料电池汽车领域分别占全球专利数量的 52%与 54%。中国在纯电动汽车与新能源汽车通用技术领域有着较大的优势。全球 25%纯电动汽车领域的专利与 26%通用技术领域的专利来源于中国，是这两个领域世界第二大专利优先权国。但在混合动力和
49、燃料电池汽车领域表现较弱，仅为 4%与 2%。美国在纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车领域的专利占有量分别为 18%、16%、19%，排名第四、第二、第二。德国则在更靠近传统内燃机汽车技术的混合动力汽车、新能源汽车通用技术上有不错的表现，专利占有量均为 12%，为该板块世界第三大专利优先权国。图3-1 专利优先权国家分布 清华大学全球产业研究院新能源汽车全球专利观察 32/70 2.纯电动汽车、新能源汽车通用技术领域中国追赶迅速纯电动汽车、新能源汽车通用技术领域中国追赶迅速 图 3-2 展示了纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车与新能源汽车通用技术的主要国家优先权专利申请趋势。该图可以反
50、映国家在这些领域的研发投入和技术领导力的变化趋势。可以看出，在 2010 年以前，纯电动汽车领域和新能源汽车通用技术领域主要由日本、德国领导。但是在 2010 年以后，中国本土研发机构在这两个领域技术上的专利申请量迅速增加，全球专利的增长大部分来源于中国。就 2014 年的专利申请而言，中国已成为新能源汽车通用技术专利的最大来源国。在接下来的2015 年，中国也成为纯电动汽车领域专利的世界第一专利来源国。这可以说明我国企业、高校等研发机构在纯电动汽车领域和新能源汽车通用技术的创新已走到国际前列，从专利数量上来看具有较强的技术领导力。这与我国纯电动汽车的发展现状相符。除中国以外，韩国、美国与日本
