電動汽車車橋關(guān)鍵技術(shù)專利分析
1 電動車橋技術(shù)分支
隨著環(huán)境問題日益加劇,電動汽車以其環(huán)保、舒適、經(jīng)濟(jì)實惠的優(yōu)點而越來越受到市場的認(rèn)可,電動汽車的關(guān)注也是越來越高,本次分析主要關(guān)注電驅(qū)動橋、電驅(qū)變速箱(EDU)、駐車機(jī)構(gòu)這三個技術(shù)分支。
2 專利申請數(shù)量變化
通過對檢索到的全部專利文獻(xiàn)進(jìn)行專利申請數(shù)量比較和技術(shù)構(gòu)成分析,了解汽車電動車橋關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)發(fā)展趨勢,分析該關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成,評估技術(shù)創(chuàng)新風(fēng)險和侵權(quán)風(fēng)險。由于專利申請數(shù)量是技術(shù)產(chǎn)出的直接反映,所以將專利申請數(shù)量和專利申請時間相結(jié)合,可以看出不同階段的技術(shù)發(fā)展情況和發(fā)展趨勢。
圖1 汽車電驅(qū)動橋?qū)@夹g(shù)產(chǎn)出趨勢圖
圖1 對截止至2019 年12 月的電動車橋?qū)@墨I(xiàn)的專利產(chǎn)出情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析,其中,電驅(qū)動橋、電驅(qū)變速箱(EDU)、駐車機(jī)構(gòu)的專利數(shù)量分別為:484、443、73。
電驅(qū)動橋年度申請趨勢與電動車橋總體相似,本別在2015 年和2018 年出現(xiàn)峰值,整體上呈現(xiàn)出波段式上升趨勢;電驅(qū)變速箱(EDU)在2006 年出現(xiàn)了一個申請高峰(22件),原因在于通用汽車2006 年提交了13件電驅(qū)變速箱領(lǐng)域的專利,在2012 年又出現(xiàn)了一個高峰(32 件),然后從2015 年開始進(jìn)入爆發(fā)式增長期,2018 年申請量為60 件;駐車機(jī)構(gòu)分支從2011 年之前專利申請很少,之后申請量略有增加,但是僅保持在每年10 件以下。其他技術(shù)分支從2010 年開始增多,之后便波段式徘徊在每年20 件左右的申請量。
電驅(qū)動橋技術(shù)分支申請專利數(shù)量排名第一,為484 件;電驅(qū)動橋處于傳動系末端,增大由傳動軸或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩,并分配給左、右驅(qū)動輪,另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力。作為底盤系統(tǒng)中的最重要組成部分,電驅(qū)動橋申請占比較大,占比為40%,研發(fā)較為活躍。
電驅(qū)變速箱(EDU)技術(shù)分支專利申請量排名第二,為443 件;電驅(qū)動單元(ELECTRIC DRIVING UNIT) 為 智 能電驅(qū)變速箱,能自動調(diào)整傳動比,切換不同的動力模式的變速箱,簡稱EDU。由于電機(jī)調(diào)速范圍有限,且大范圍的轉(zhuǎn)速變化對電機(jī)和電池?fù)p傷較大,因此匹配可變速的變速器把電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi),是電動汽車傳動系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢,因此電驅(qū)變速箱(EDU)技術(shù)專利申請量占比也達(dá)到了37%。
駐車機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域分支申請量較少,僅有73 件專利申請,占比為6%;駐車機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)電動汽車變速器鎖止的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它可以有效地保證電動汽車在原地可靠地停駐,且在任何情況下都不會自動滑行。而常規(guī)燃油車輛上的 駐車系統(tǒng)由于控制方式不同,且機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,無法直接應(yīng)用于電動汽車上,因此亟待開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)定點停車、控制精度高,不存在向前或者向后滑動的現(xiàn)象的變速箱駐車機(jī)構(gòu)。該技術(shù)主要涉及到電動汽車的安全性能,該技術(shù)領(lǐng)域的專利布局較為薄弱,可作為研發(fā)方向進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。
圖2 技術(shù)分布圖
3 技術(shù)構(gòu)成分析
通過汽車電動車橋關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成,可以直觀的展示該技術(shù)的技術(shù)研發(fā)重點,揭示該技術(shù)的技術(shù)構(gòu)成比例。
由圖2 可知:在電動車橋技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)活躍度最高的為:電動力裝置的布置或安裝(B60K1/00),這與電動車橋中電機(jī)的布置方式的不斷創(chuàng)新密切相關(guān),伴隨著車橋結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)形式、電機(jī)與車橋集成結(jié)構(gòu)、輪邊電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的演變,其中涉及到涉及到輪邊電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的IPC 分支:發(fā)動機(jī)布置在或靠近于牽引輪的(B60K7/00)同樣申請有156 件,可見輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu)為研發(fā)非?;钴S的技術(shù)分支;
排名第二的IPC 分支:差速傳動的(B60K17/16)主要涉及到電動后橋差速器結(jié)構(gòu),開發(fā)電驅(qū)動差速器的目的在于優(yōu)化電力驅(qū)動系統(tǒng),使扭矩分配合理,使效率達(dá)到最高,并實現(xiàn)輕量化,對提高電動車橋的性能,提高了電動汽車的續(xù)航里程具有重大意義,因此該技術(shù)分支研發(fā)熱度較高;
第四的IPC 分支:以齒輪轉(zhuǎn)動裝置的布置、定位或類型為特點的(B60K17/04)技術(shù)領(lǐng)域主要涉及到電動變速箱(EDU),由于電機(jī)調(diào)速范圍有限,且大范圍的轉(zhuǎn)速變化對電機(jī)和電池?fù)p傷較大,因此匹配可變速的變速器把電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi),是電動汽車傳動系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢,因此研發(fā)電驅(qū)變速箱(EDU)的熱度也較高。
4 國內(nèi)外市場分析
由于申請人通常會根據(jù)某項發(fā)明的重要性和對該技術(shù)的市場預(yù)期,決定是否將該項發(fā)明在不同的國家進(jìn)行專利申請,從而構(gòu)成一個同族專利申請。因此,通過對同族專利申請所屬國的分析,可以了解該技術(shù)在不同國家的保護(hù)力度和市場熱度。下文對專利申請的專利申請所屬國進(jìn)行統(tǒng)計分析(注:對于申請人就同一發(fā)明在不同國家提出的專利申請分別進(jìn)行統(tǒng)計)。
從各國專利申請趨勢可知,電動車橋在全球范圍內(nèi)的分布如下:排名靠前的中國、德國和美國占比最大,占到了總申請量的87%,此外日本和英國也申請有少量專利,但比例很小。
中國作為近幾年全球最大的汽車產(chǎn)銷大國,在新能源汽車方面,2017 年我國新能源汽車產(chǎn)銷均接近80 萬輛,分別達(dá)到79.4萬輛和77.7 萬輛,同比分別增長53.8%和53.3%,2017 年新能源汽車產(chǎn)銷量已占據(jù)整體汽車市場的2.7%。世界各大汽車廠家均在中國開展新能源汽車市場布局,中國已經(jīng)成為了新能源汽車研究開發(fā)的主要地區(qū),在此契機(jī)中崛起的車企有比亞迪、上汽集團(tuán)、宇通客車和北汽集團(tuán)等企業(yè),因此共產(chǎn)出了538件相關(guān)專利,排名第一,占比達(dá)到40%。
隨著歐洲國家禁售燃油車的的日程表逐漸推出,德國作為歐洲汽車制造強國,正在積極推廣新能源汽車,并出臺一系列補貼措施,德國聯(lián)邦政府計劃至2020 年德國電動車保有量將達(dá)到一百萬輛,德國知名的汽車制造商或零部件供應(yīng)商如舍弗勒、戴姆勒、大眾、博世、采埃孚和保時捷等,在新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的技術(shù)研發(fā)及儲備。在電動車橋?qū)@暾埛矫?,德國共提交?58件專利申請,占比達(dá)24%。
美國曾經(jīng)為世界第一產(chǎn)銷大國,雖然在2009 年被中國趕超,但現(xiàn)在仍居全球第二大汽車市場,不管是傳統(tǒng)的美國“三大品牌”中,通用、福特和克萊斯勒或新興公司(如特斯拉)都開展了大量的研究,提交有較多的關(guān)于電動車橋的專利申請(139 件),比較突出的申請人為通用公司,其在電動車橋領(lǐng)域提交有35 件專利申請。
5 電動車橋?qū)@饕暾埲朔治?/strong>
從電動車橋技術(shù)領(lǐng)域排名前十的申請人依次為通用(35 件)、舍弗勒(30 件)、戴姆勒(29)、采埃孚(29)、保時捷(28)、吉林大學(xué)(24)、博世(22)、博格華納(16)和比亞迪(16)。在電動車橋技術(shù)領(lǐng)域,德國申請人有5 個進(jìn)入前十,美國和中國均有兩個申請人排名前十。
從主要申請人技術(shù)分支布局看,通用絕大多數(shù)專利(30 件)布局在電驅(qū)變速箱(EDU)技術(shù)領(lǐng)域,可見通用在該技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位;舍弗勒、戴姆勒在電驅(qū)動橋和電驅(qū)變速箱(EDU)布局較為均衡;采埃孚、保時捷和比亞迪重點偏向于領(lǐng)域為電驅(qū)動橋,吉林大學(xué)和博世則重點偏向于在電驅(qū)變速箱(EDU)領(lǐng)域,博格華納布局較為均衡,主要申請人中只有比亞迪合博格華納在駐車機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域申請有專利。
圖5 電動車橋主要申請人技術(shù)布局
圖6 電驅(qū)動橋?qū)@夹g(shù)-功效矩陣圖
表1 重點專利列表(按照被引用次數(shù)排名)
6 技術(shù)功效矩陣分析
利用技術(shù)功效矩陣對電動車橋最主要的技術(shù)分支:電驅(qū)動橋近10 年的專利申請情況進(jìn)一步分析,橫坐標(biāo)為技術(shù)功效(代表技術(shù)需求),縱坐標(biāo)為各個技術(shù)分支(代表相應(yīng)的技術(shù)手段),圖中的圓形面積越大,就代表越多的專利采用該技術(shù)手段達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)功效,有助于企業(yè)準(zhǔn)確把握研發(fā)重點和研發(fā)方向,獲得技術(shù)上的啟示與突破,進(jìn)而制定科學(xué)合理的專利布局策略。
從圖6 可以看出在技術(shù)需求方面,提高傳動效率、提高可靠性和輕量化是電驅(qū)動橋領(lǐng)域需求最大的技術(shù)功效,在提高傳動效率方面的技術(shù)需求主要通過電機(jī)、變速裝置方面的改進(jìn)來實現(xiàn),如輪邊電機(jī)、雙電機(jī)或單電機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)等;在提高可靠性方面的技術(shù)需求主要通過傳動軸、電機(jī)、差速器和冷卻潤滑方面的改進(jìn)來實現(xiàn);輕量化方面的需求主要通過集成設(shè)計、電機(jī)和變速裝置的改進(jìn)來實現(xiàn);此外,實現(xiàn)多速比的技術(shù)需求主要通過變速裝置的改進(jìn)來實現(xiàn)。
從變速裝置與技術(shù)功效的關(guān)系可以看出,對變速裝置的研發(fā)和改進(jìn)的專利及最多,可實現(xiàn)傳動系統(tǒng)多速比、提高傳動效率、輕量化和降低噪音,如通過雙離合變速 、兩檔變速等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)傳動比切換以適應(yīng)不同的車型或工況,提高傳動效率,降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而降低噪音。因此,對變速裝置的研發(fā)改進(jìn)是電驅(qū)動橋領(lǐng)域值得關(guān)注的發(fā)展點,但同時該技術(shù)手段在降低成本和可靠性方面的功效卻有所欠缺,從長遠(yuǎn)發(fā)展來看,開發(fā)低成本和高可靠性的變速裝置非常必要。
從電機(jī)與技術(shù)功效的關(guān)系可以看出,電機(jī)的研發(fā)及改進(jìn)的主要技術(shù)需求為提高傳動效率,通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),達(dá)到技術(shù)功效不是單純改變電機(jī)自身的結(jié)構(gòu),而是改進(jìn)電機(jī)的布置形式,或者電機(jī)與減速器、差速器,半軸或車輪等連接關(guān)系,如采用輪邊電機(jī)、中央電機(jī),雙電機(jī)或單電機(jī)等結(jié)構(gòu)。
集成設(shè)計主要是為了輕量化的需求,傳動軸、制動系統(tǒng)和冷卻潤滑系統(tǒng)的的改進(jìn)主要是達(dá)到提高可靠性的要求。目前電動汽車生產(chǎn)成本較高,降低生產(chǎn)成本是未來電動汽車發(fā)展的重要方向,從圖可見滿足輕量化要求的技術(shù)功效的專利較少,主要集中在電機(jī)的改進(jìn),企業(yè)可以體積較大、重量較重的部件為出發(fā)點,如差速器、變速器和傳動軸等關(guān)鍵部件進(jìn)行改進(jìn)及研發(fā),簡化結(jié)構(gòu),并開展專利布局,在技術(shù)空白點建立競爭優(yōu)勢。
7 電動車橋重點專利分析
根據(jù)專利申請及其同族的被引頻次、國家布局?jǐn)?shù)量、是否發(fā)生訴訟、許可、轉(zhuǎn)讓等因素,綜合判斷專利的重要性。表1 從同族的被引頻次、國家布局?jǐn)?shù)量、是否發(fā)生訴訟、許可、轉(zhuǎn)讓等因素分析得到的重點專利,重點專利均為外國專利,且申請日期較早,這與國外電動汽車起步較早,專利申請較早密切相關(guān)。專利解決的技術(shù)問題主要為:冷卻潤滑、提高傳動效率、小型化等,且上述專利大部分為過期或者失效專利,侵權(quán)風(fēng)險較小,我國相關(guān)企業(yè)可結(jié)合自身研發(fā)中遇到的問題,參考借鑒上述專利中的技術(shù),提高研發(fā)起點。
8 總結(jié)
本文通過對汽車電動車橋關(guān)鍵技術(shù)的專利申請進(jìn)行多角度統(tǒng)計分析,包括專利申請趨勢、專利地區(qū)分布、專利技術(shù)分布、主要專利申請人和重要競爭對手分析等,繪制了汽車電動車橋技術(shù)功效矩陣,剖析了重點專利技術(shù)和競爭對手技術(shù)研發(fā)情況,為企業(yè)明確汽車電動車橋?qū)@趬厩闆r、明晰自身汽車電動車橋研發(fā)定位、制定與競爭對手博弈的技術(shù)路線等提供競爭情報支撐。
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