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专利网络下的新能源汽车共性技术识别研究

2023-05-22石琴

时代汽车 2023年9期
关键词:知识网络

石琴

摘 要:为识别我国新能源汽车领域共性技术,全面了解行业研究现状和未来发展趋势,为新能源汽车领域技术创新提供决策基础。提出一种基于技术生命周期的共性技术识别框架,从技术生命周期、热点技术领域、共性技术识别等方面对新能源汽车专利技术进行分析。结果表明:我国新能源汽车专利技术正处于快速成长期;技术热点主要集中在电池应用相关技术、供电装置、控制装置、测试装置、智能终端及多种技术融合发展等领域;共性技术集中于供电配电装置、电动车辆动力装置、电能转换装置、车辆驾驶控制系统四大领域。我国新能源汽车产业稳步快速发展,共性技术发展潜力巨大,并从发展阶段、热点领域及共性技术层面提出我国新能源汽车领域攻克共性技术的政策建议。

关键词:技术生命周期 知识网络 共性技术 新能源汽车产业

1 引言

共性技术[1]是民族工业可持续发展的基石,决定其能否获得竞争先机,若缺乏共性技术的支撑,纵使外围技术有所突破,往往也不能在产业层面实现独特的创新。我国大力支持共性技术的研发[2],并将其纳入发展战略之中。二十大报告[3]、《产业关键共性技术发展指南(2017)》[4]和《“十四五”能源领域科技创新规划》[5]等政策都明确的将共性技术的突破创新作为支持的重点,这极大反映了共性技术研究在产业创新中的关键作用。

在“碳达峰、碳中和”目标、生态文明建设和“六稳六保”的总体要求下,我国能源产业面临着保安全、转方式、调结构、补短板等严峻挑战,发展新能源汽车产业,是全球应对不断升级的能源危机和环境问题所做出的战略抉择,也是实现我国“双碳”目标的必然需要[6]。但目前我国新能源汽车面临着核心技术仍存短板、自主创新能力不足等“卡脖子”问题,对科技创新的需求比以往任何阶段都更为迫切。如何把握全球低碳发展目标下的新能源汽车产业发展机遇,突破制约产业技术创新的瓶颈,是当前必须要解决的关键问题之一。因此,有必要对产业共性技术作进一步的研究。作为共性技术动态创新发展的初始阶段,共性技术识别对共性技术进一步的研发与应用有直接影响。因此,如何有效识别共性技术,推动新能源汽车产业高质量發展亟待解决。

随着技术愈发复杂细化、数据量愈发庞大,共性技术识别需要更精准的识别手段,而目前共性技术识别的研究多处于定性分析[7][8][9],且现有识别共性技术的方法未能清晰解释技术演进趋势而存在局限性。技术生命周期能有效的描述技术的发展轨迹[10][11],知识网络分析[12]可以清晰的展现某领域的研究主题和热点领域。少有文献将两种方法相结合,从技术发展趋势中去识别共性技术。专利[13]囊括了最完整、最系统的技术信息资源,同时也是分析技术发展趋势的重要可靠来源。如何利用专利中的技术信息,识别新能源汽车领域的共性技术,掌握我国新能源汽车专利技术的发展现状和趋势,对我国新能源汽车产业高质量发展具有重要参考意义。

为此,本文将以新能源汽车为研究对象,结合技术生命周期和知识网络分析方法对新能源汽车共性技术进行识别研究,突破“三电一控”局部分析新能源汽车技术预见的桎梏,构建了“技术生命周期——技术演进方向——共性技术识别”系统的分析框架,以期辨析和识别新能源汽车的研发热点和共性技术,有助于制定更科学高效的新能源汽车产业专利技术战略规划,培育新能源汽车产业发展的新增长极。

2 数据来源

专利的主要类型是发明专利、实用新型专利和外观设计专利,发明专利是三类专利中技术含量最高的,主要应用于高技术领域[14]。因此,对发明专利的分析可以更好地反映该领域的研究和技术发展状况,研究结果也更具现实指导意义。

本文采用国家知识产权局数据库作为数据源,基于相关文献的关键词设置[12][15],经过专家讨论,以“新能源汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、天然气汽车、新能源汽车电池、充电桩、新能源电动汽车、充电装置、动力电池、电池箱”作为新能源汽车的最终检索关键词,以此构成数据研究样本。

3 新能源汽车共性技术识别分析

3.1 新能源汽车技术发展阶段识别

在S曲线应用中,高技术领域多使用Logistic曲线,符合本文研究对象。拟合公式如下:

其中,L、a、b均为常数,t为时间,y为专利累计授权量。

学者通常使用Loglet Lab软件来计算Logistic生命周期曲线。测算结果由三个参数组成:饱和点Ys,即预测专利累积数量的最大值;成长时间tg,即某成长期与成熟期所需要耗费的时间;转折点tm,即该临界点上技术效用增长率达到最大值,并在此点之前持续上升,该点之后逐步降低。通过对公式求导计算得到:萌芽期与成长期的分界点,成长期与成熟期的分界点t2=tm,成熟期与衰退期的分界点。

我国新能源汽车的相关专利于1986年首次记载[16]。由于专利申请和授权之间存在一定的时滞,本文选取1986-2021年的专利授权数据用于技术生命周期分析。利用Loglet Lab4软件对专利的累计授权量进行S曲线拟合,得到新能源汽车技术生命周期的各详细参数拟合值,如表1所示。

由表1可知,我国新能源汽车技术的成长期与成熟期所需要的总时间为22年,转折点发生在2030年,专利累积授权量有望达到51582件。图1为新能源汽车发展态势图,横轴为时间、纵轴为累计授权量,拟合部分是实线、预测部分是虚线。结合表2可知,从1986-2018年,我国新能源汽车专利技术还处于第一阶段技术引入期,专利授权量的增长较为缓慢;2019年-2030年是成长期,专利授权数量大幅增长,新能源汽车在相关技术创新进展上有所突破;从2031年之后预计开始进入成熟期,新能源汽车具备较高的技术创新和产业化水平,专利授权累计数量将依旧呈现持续增长趋势;在2043年之后,将步入衰退期,专利授权量逐年下降。但值得注意的是,当一个产业的专利技术进入衰退期,并不意味着该产业也进入了萧条阶段。技术生命周期发展规律一般遵循S曲线,当发展到了一定程度,仅靠技术的不断优化已经不能满足发展的需要,技术进步需要引入颠覆性技术,颠覆性技术在此暂不作讨论。从技术创新的生命周期来看,我国新能源汽车产业正从研发阶段进入扩散阶段,未来10年被认为是新能源汽车产业发展最关键时期,我国已明确表示,电动化转型是新能源汽车发展的一个重要方向,到2035年汽车产业将实现此目标。

根据本文中提出的技术生命周期阶段划分究竟是否合理?通过查阅相关文献和资料得到相对可靠的辅助验证。

首先,是通过查询2021年全球新能源汽车行业技术全景图谱,该报告指出全球新能源汽车行业专利申请人规模及专利申请数量,于2010-2020年间呈现快速上升的态势。总体而言,新能源汽车技术在全球范围内迅速发展。

其次,是通过追踪我国新能源汽车的产销量,已经连续七年居世界第一,我国已经成为全球新能源汽车强国,说明我国新能源汽车在规模、质量上均已进入快速发展的新阶段。

最后,在电池领域,国内企业宁德时代自2017年以来一直引领全球动力电池市场,比亚迪的市场份额也在不断增加。在全球前十大动力电池企业中,我国企业占据了一半的市场。锂电池作为新能源汽车的核心,其技术创新取得了突破性的进展。依据2022年世界动力电池大会发布的数据,中国已拥有一个完整的产业链,囊括基础材料、电芯单体、电池系统、制造装备。三元锂电池、磷酸铁锂电池的系统能量密度居国际前列。

3.2 基于VOSviewer的技术演进方向分析

为明确新能源汽车的细分热点技术领域,以共现频次大于30的技术领域(IPC小组)为分析对象,采用VOSviewer软件绘制密度图和时间图,密度图中的颜色代表频次,颜色越红,出现的频次越高,而颜色越绿,它出现频次越低;时间图中的不同的颜色对应于节点出现的不同年份,颜色越蓝,节点出现得越早,颜色越黄,节点出现得越晚。

本文绘制的新能源汽车产业热点技术领域密度图见图2。图谱描绘了处于周边的低密度技术领域和处于中心的高密度技术领域区,换言之,密度较高的技术领域受关注程度较高,且是连接其他节点的重要桥梁。由图2可知,H02J7/00、H02J7/02、H01M10/44、H01M10/625、H01M10/613、H01M10/42、H01M2/10、B60L11/18、B60L53/31、B60L53/16、B60L3/00、B60W10/08、B60W20/00、B60K1/04、G01R31/36等技術领域处于核心位置,这说明充电装置(H02J7),电池(H01M10、H01M2、B60L11、B60L53、B60L3),控制技术(B60W10、B60W20),车辆动力装置或传感装置的布置安装(B60K1),测试装置(G01R31)等技术领域是新能源汽车产业技术研发热点。其中电池组充电或去极化装置(H02J7/00)的颜色最深,表明电池供电技术是新能源汽车技术研究的热点。

新能源汽车技术领域共现时间图如图3所示,图中描述了新能源汽车技术研究热点演变趋势,由图可知,2015年之前,新能源汽车技术领域为B60L11/18、B60W20/00、G03G15/02、G03G21/18、G03G16/16等,侧重对电动车辆动力装置(B60L)、车辆子系统的联合控制(B60W)和记录装置(G03G)的研究。2016-2019年技术领域为B60L15/20、B60W10/08、B60W10/26、H02J7/00、H01M10/44、H01M2/10、H01M10/058、H01M4/36、H01M10/0525、H01M10/54、G01R31/00、B60K1/04、B60K6/36、G09G3/36等,研究主要聚焦于电动车辆动力装置(B60L)、车辆子系统的联合控制(B60W)、供电或配电的电路装置系统(H02J)、电能转换装置(H01M)、测量电变量和磁变量装置(G01R)、动力和传感装置的布置安装(B60K)、控制的装置或电路传输数据的装置(G09G)。2020年之后,技术领域转变为B60L53、B60L58、B60W20、H02J50、H01M10、H01M50、G01R31、B07C5、B08B3、E04H6、G06Q10、H02S20、H01R13等,表明新能源汽车专利技术研究进一步聚焦电动车辆动力装置(B60L)、车辆子系统的联合控制(B60W)、供电或配电的电路装置系统(H02J)、电能转换装置(H01M)、测量电变量和磁变量装置(G01R)、分选装置(B07C)、清洁方法(B08B)、停放汽车的建筑物(E04H)、监测处理系统(G06Q)、光伏模块的支撑结构(H02S)、导电连接装置集电器零部件(H01R)。其中车辆电池应用(H01M10/625),电池加热和保温(H01M10/615),电池零部件或制造工艺(H01M50/249、H01M50/244),电池充电方法(B60L53/66、B60L53/16),B60L58/10(监控或控制电池或燃料电池的方法或电路),G01R31/367(电池测试装置)所处的节点更大,说明这些技术领域近期发展迅猛,是新能源汽车的新兴技术领域。可以看出,电动车辆动力装置(B60L)、车辆子系统的联合控制(B60W)、供电或配电的电路装置系统(H02J)、电能转换装置(H01M)、测量电变量和磁变量装置(G01R)等技术领域是新能源汽车产业的研究热点并可能未来一直持续成为研究热点,并且近些年智能终端方面如车辆监测系统(G06Q)、车辆保养技术(B08B)等技术也体现了我国新能源汽车行业不断向智能化的迈进。

近年来技术研发热点主要集中在电池应用相关技术、供电装置、控制装置、测试装置等相关技术领域,并以智能终端、应用技术为扩展方向并与其他技术领域如光伏领域技术融合发展,这些研究领域发展迅速,有望成为未来的关键核心技术。

3.3 新能源汽车领域共性技术识别分析

共性技术指的是在产业发展过程中最先被应用的技术[17],其溢出效应十分明显,技术创新和研究活动往往会延伸到其他产业或者技术领域进行。回顾相关文献后,本文分别从“中心性”、“基础性”、“核心性”[18]来识别共性技术。

3.3.1 中心度分析——中心性

度中心度指数表征了知识基础网络中,某技术领域与其他技术领域构建关联的情况,可用来评判知识基础网络中各技术领域的网络影响力和重要性,指数越大则说明愈来愈多的技术领域与该技术直接关联,拥有较高的核心影响力。接近和中介中心度说明了某项技术控制网络中各种与其他技术领域之间关联关系的能力。该指标的值越高,说明该技术领域接近网络中的其他节点和获取各类信息资源的机会越大。

采用UCINET软件对知识网络各节点的中心度进行分析,表3列出了1986-2021年按照各技术领域的度大小排名前二十位的节点。技术领域具有较高的中心度表示有较多的技术领域与其直接相关,该技术领域在知识网络的影响力较高,是新能源汽车领域的具有中心性的共性技术,具有很高的研究意义。

供电配电装置(有光敏电池的H02J7/35、电管充气选择H02J7/02、电池组向负载供电装置H02J7/00),电能转换装置(车辆电池应用H01M10/625、电池加热或保温H01M10/615、电池冷却或保持低温H01M10/613、测量或指示电池情况H01M10/48、充电放电方法H01M10/44、使用或维护二次电池方法及装置H01M10/42),混合动力车辆的控制系统(B60W20/00),电动车辆动力装置(响应于电荷状态B60L58/12、电池的监控和控制B60L58/10、充电站的监控或控制B60L53/60、电动车辆充电桩B60L53/31、充电站的结构特征B60L53/30、导电电能传输B60L53/14、蓄电池供电B60L50/60、电动车辆安全用电装置B60L3/00、电池供电技术B60L11/18),动力装置蓄电池(B60K1/04)等技术领域的度中心性、接近中心度和中介中心度均位于前20位,主要涉及了五个小类,分别是供电或配电的装置系统(H02J)、电能转换装置(H01M)、车辆驾驶控制系统(B60W)、电动车辆动力装置(B60L)、车辆动力装置或传感装置的布置安装(B60K),这五个是具备中心性的共性技术领域,通过与其他技术领域的融合带动了整个新能源汽车技术领域的发展。

3.3.2 结构洞分析——基础性

结构洞是指两个节点或组间的空隙,它们似乎没有直接的联系,而间接地,它们似乎没有冗余关系,所以它们之间的空隙就是一个结构洞。结构洞指数反映节点技术领域位于结构洞的概率性,指数愈大,意味着该技术更有概率位于结构洞中,更容易获得异质性资源,竞争能力和创新能力就越强。有效规模、效率、限制度、等级度这四个指标常被用来测算结构洞。

采用NSS2.2软件[19]对专利数据的处理分析,结果表明,这些IPC分类号共涵盖10763个不同技术领域,本文挑选共现频次在20以上的技术领域(共505个),利用软件构建共现矩阵,并借助ucinet进行结构洞分析,得到有效规模、效率、限制度、等级度四个指标的数值,选择有效规模最大的20个技术领域,并按大小进行次序排列。

表4展示了新能源汽车各技术领域结构洞数值,由该表可知,数值最大的10个技术领域分别为H02J7/00、B60L11/18、H01M10/44、H01M10/42、B60L53/31、H01M10/48、B60L58/10、H02J7/35、B60L3/00、H01M10/625。总的来说,有效规模最大的前20个IPC分类号涵盖了四个小类,分别是供电或配电的装置系统(H02J)、电动车辆动力装置(B60L)、电能转换装置(H01M)、车辆驾驶控制系统(B60W)。跨越结构洞愈多、有效规模愈大的技术领域,覆盖范围愈广,其新兴技术特征也愈突出,因此这3个技术领域是具备基础性的共性技术。

3.3.3 K核分析——核心性

“k-核”分析法通常应用于对网络内在结构进行分析,它可以通过对每条链接的链接强度并设定一个k值,筛选出那些强度均低于给定阈值的链接和单个技术领域节点,从而剔除那些较为薄弱的或随机的链接,并保留较强的链接,可以识别出知识基础网络中较为关键的技术领域。

运用UCINET软件和NETDRAW插件进行可视化分析。图4显示,各节点之间的联系密切程度不同并且还有部分孤立节点。为明确技术领域共现网络中的信息与联系,将联系相对疏远的关系和节点删除,去掉孤立节点,保留联系更为紧密的节点,形成新的技术领域共现图,如图5所示。

图5中的网络布局遵循K核算法,按IPC分类号划分的技术领域,形成五个不同的凝聚子群,即供电或配电装置(H02J7、H02J50),电极(H01M4),电能转换装置(H01M10、H01M50),电动车辆动力装置(B60L53),车辆子系统的联合控制(B60W10、B60W20、B60W30),其中,电动车辆动力装置、供电或配电装置、电能转换装置三个子群中的技术节点之间联系更为紧密,每個节点均与大量相邻节点连接,所以这三个领域属于热点技术领域;从节点规模来看,供电或配电装置和电能转换装置子群中的节点规模相对较大,与其他子群的节点联系频繁且密切,均属于具有核心性的共性技术领域,在知识基础网络中处于关键地位。

3.3.4 共性技术识别

总而言之,结合中心度、结构洞和K核分析对技术的中心性、基础性和核心性进行识别,表5列出了同时符合共性技术特征的技术领域,本文认为这些技术是新能源汽车领域的共性技术。

在新能源汽车的浪潮中,我国在新能源汽车的共性技术研究上也取得了一定的进展,处于较为领先地位。可以发现我国新能源汽车主要共性技术领域集中在B60L、H01M、H02J、B60W等领域。B60L和H01M作为新能源汽车的动力源,追求更快的充电速度、更高的能量、更长的寿命的新能源电池,是在技术上取得突破性进展的重要一环。在动力电池制造领域,中国已经从半自动化转向全自动化的大规模生产,并在动力电池的配方设计、结构设计和制造工艺技术占据领先地位。H02J和B60W是新能源汽车的动力传输和控制装置,是新能源汽车的驱动系统,其技术成熟度的高低与新能源汽车的行业的高质量发展息息相关。

为了验证新能源汽车共性技术识别结果的有效性,以B60L、H01M、H02J、B60W相应的技术为例,进行相关资料验证。联合传动以湿式双离合器为共性产品,开发了双离合模块、扭振减震器、控制模块、分离离合器模块等关键共性技术。在混动动力发展的大背景下,驱动电机及其控制、电池及管理系统、整车能量关系控制系统、动力传动系统匹配、能量回收系统、先进车辆控制技术等被认为是整车层面上的共性技术。而构型、双动力源、能量回收、智能控制、电池系统等被认为是动力传动系统层面的共性技术。上述例子表明,B60L、H01M、H02J、B60W对应的技术是共性技术,具有一定的合理性,初步验证了本文方法的有效性。

4 结论与启示

4.1 结论

本文立足于专利网络视角,将新能源汽车领域的发明授权专利数据作为研究样本,以共性技术识别为应用目的,以产业技术创新管理为理论基石,以技术生命周期和知识网络为分析主线,以Logistic模型、“时间+技术领域”可视化分析、知识网络分析为方法,对新能源汽车产业专利技术发展阶段、专利技术研发热点和共性技术进行辨析和识别。得到如下结论:

(1)我国新能源汽车领域技术起步相对来说比较晚,且前期产业发展较为平稳缓慢,直到2010年,专利授权数量才开始“抬头式”的增长,在经历了长期的技术发展与积累,于2019年之后进入成长阶段,从萌芽期飞速跨越到成长期,这与国家政策密切相关。我国新能源汽车专利技术正处于高速成长阶段,专利数量不断增加,其质量已经成为影响整个行业技术竞争格局和技术跨越式发展的重要瓶颈,专利质量水平的提高将成为新能源汽车产业未来的发展方向。

(2)供电或配电装置、电能转换装置、电动车辆动力装置、车辆子系统的联合控制、车辆动力装置或传感装置的布置安装、测量电变量或磁变量等技术领域处于网络核心地位。新兴技术主要涉及电能转换装置、电动车辆动力装置、控制技术、分选装置、清洁方法、停放汽车的建筑物、测试电变量或磁变量装置、监测处理系统、电路装置或系统、光伏模块的支撑结构、导电连接装置、集电器零部件等技术领域。我国新能源汽车新兴热点技术是以电池应用相关技术、供电装置、控制装置、测试装置等相关技术领域为热点,以智能终端、应用技术为扩展方向而逐步发展,少部分技术领域,如H02S20(光伏模块的支撑结构),与光电领域有关,表明新能源汽车产业正逐步与其他产业融合,智能化和互联网化是我国新能源汽车技术发展的重要方向。

(3)新能源汽车共性技术领域主要集中于H02J(供电或配电的装置系统)、B60L(电动车辆动力装置)、H01M(电能转换装置)、B60W(车辆驾驶控制系统)等,这些技术领域涵盖了许多细分的技术领域,在新能源汽车产业上属于是比较核心和难以突破的。垃圾收集或清除、记录装置、静态存储器和控制光的器件装置是边缘技术领域。

4.2 建议

(1)政府应当把握我国新能源汽车快速发展的黄金时期。利用前期的经验,制定更为健全的税收优惠制度,启动行业全面市场化进程。企业应加强与政府的合作,延长其技术生命周期,提高其技术宽度;重视新兴技术领域的发展,挖掘企业自身的发展潜能和发展机遇,根据技术发展的不同发展时期,适时地调整技术发展的趋势,抓住机遇;加强新能源汽车行业的技术重点规划,确保新能源行业的可持续发展。

(2)把握全球新能源汽车电动化、智能化、网联化、共享化的发展前景。企业抓紧外部发展机遇,增大技术研发投入,加快形成技术优势。动力电池及其管理系统应向高速快捷、安全稳定、成本低廉的新型动力电池和智能管理系统发展。控制装置需要向智能网联、自动驾驶和智能制造等智能控制系统突破,同时,实施与智能交通、智慧城市、智能能源的跨界合作,促进一体化发展。

(3)重视新能源汽车产业共性技术的支撑作用。解决动力电池核心技术领域薄弱环节,如提升电池续航性能、增加电池使用时间、缩小电池尺寸等。依托车体的控制调节系统和监测技术的优势积极推进新能源汽车的技术布局,提高新能源汽车的国际竞争力。

(4)抓住混合动力汽车重要突破口。企业在共性技术的研发过程中,应重视对传统汽车技术的升级,特别是车辆驾驶控制系统等技术领域,加快推动插电式和增程式混合动力专用驱动系统的研发和应用推广,在传统汽车的原有技术水平的基础上,通过内燃机发电系统来适应大容量要求,通过电驱动系统来适应动态要求。

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