新能源汽车传动系统专利技术现状及其发展趋势

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  新能源汽车在减少尾气排放、能源的多元化利用以及高效、节能等方面具有明显优势,已经成为未来汽车技术发展的热点之一。由于新能源汽车中动力源的变化,为了更好地提高新能源汽车的工作和节能效率,其传动系统也相应地在传统汽车传动系统的基础上进行了一定程度的改变,甚至发生了彻底的变化,除了传动的变速器传动以外,还有与新能源汽车多动力源相适应的减速器传动、差速器传动、电机耦合传动、电机直接传动等多种新的传动方式。因此新能源汽车传动系统的研发已成为当前新能源汽车技术发展的热点之一。作为新能源汽车共性技术研发的一个关键技术点,新能源汽车传动系统的技术研发以及专利体系建设已经在我国针对新能源汽车的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》中明确提出,规划中多处提及了要大力发展高效变速技术,并构建全产业链的专利体系,提升产业竞争能力。
  目前,新能源汽车传动系统技术在我国的发展还处于起步阶段。而近年来,以丰田、日产、本田和通用公司等为代表的国外汽车企业在新能源汽车传动系统技术领域进行了研发,并且申请了大量的专利。国外汽车企业利用其核心技术的领先优势在我国进行专利布局,设置专利壁垒,这在很大程度上阻碍了国内汽车企业及研发机构在新能源汽车传动系统技术领域的研发及其产业化进程。
  本文通过对新能源汽车传动系统技术领域的中国专利申请状况进行分析研究,探明该领域的重点技术分布以及主要申请人的专利申请重点,对国内外相关专利技术状况进行比较,以期为我国汽车企业开发具有自主知识产权的新能源汽车传动系统提供一定的帮助和支持。
  新能源汽车传动系统专利技术的现状
  (一)新能源汽车传动系统专利技术分析样本构成
  1、检索范围
  新能源汽车传动系统技术涉及动力源、变速器、减速器、差速器、电机等关键部件以及多动力源协调控制、变速器控制、减速器控制、差速器控制、电机控制、再生制动控制等控制技术,而这些关键部件以及控制技术不仅可以用于新能源汽车传动系统,也适用于其它类型的汽车的传动系统。因此,如果研究对象涵盖新能源汽车传动系统技术中所用到的全部部件,不仅难以体现新能源汽车传动系统区别于其它类型汽车传动系统的特点,而且也难以理清新能源汽车传动系统关键技术的发展脉络。因此,本文最终将研究对象确定为对涉及新能源汽车传动系统整体结构以及控制技术的中文专利数据进行统计分析。
  本文的中文专利数据检索于国家知识产权局专利检索与服务系统中的中国专利文摘数据库,数据采集时间截至2012年12月,利用中国专利技术开发公司的专利信息分析系统进行数据分析和数据深度挖掘。需要特别说明的是,由于发明专利可以在申请日起18个月公开,以及公开后数据整理入库也需要一定时间,因此本文中仅2010年12月前的数据为有效数据,但为了全面地反映专利申请状况,本文中同样包括了2011-2012年的数据,以提供一定的参考。
  2、检索结果
  通过在中国专利数据库中结合使用涉及新能源汽车传动系统技术的IPC分类号和关键词,检索得到该技术领域的中国专利申请5720件。从图1中可以看出,自1998年以来,本领域总体申请量基本呈现逐年递增的趋势(2010年后申请量呈现降低态势,这与发明专利申请公开时间滞后有关,并不代表申请量下降)。尤其是进入2001年之后,申请量更是出现较快速增长,到2010年时,年申请量已达1146件。
  (二)新能源汽车传动系统技术领域专利相关数据及其分析
  1、新能源汽车传动系统技术领域历年专利申请量总体情况分析
  从图1中的专利申请量数据来看,新能源汽车传动系统专利技术的发展大致经历了以下三个主要阶段,第一阶段从1985年至1993年,新能源汽车传动系统专利技术处于技术引入期,专利年申请量基本维持在5件左右,不超过10件;第二阶段从1994年至2000年,新能源汽车传动系统技术处于发展初期,专利年申请量基本呈现逐年递增态势,但绝对数量仍基本停留在60件以下;第三阶段从2001年至今,新能源汽车传动系统专利技术进入快速发展期,年增长量快速提升,增长率保持稳定。
  从图2中可看出,在涉及新能源汽车传动系统的全部中国专利申请中,发明专利共3466件,占申请总量的61%;实用新型专利为2254件,占申请总量的39%。
  2、新能源汽车传动系统技术领域专利申请国家、地区、技术领域分布情况分析
  从图3及图4的数据可以看出,目前在涉及新能源汽车传动系统技术的中国专利申请中,主要还是以国内申请为主,占到了总量的73.13%;日本、美国、德国、韩国分列第2至第5位,其中,日本、美国两国与其他国家相比,在数量上呈现出绝对领先的优势,这是因为日本和美国在新能源汽车传动系统技术领域较早地开展了研究,而且在该领域内的技术发展水平也一直处于领先地位。上面的数据一方面表明,日本、美国、德国、韩国这四个国家在新能源汽车传动系统技术方面走在世界的前列,并业已取得了领先优势;另一方面也可以看出,日本、美国、德国、韩国这几个国家较为重视中国市场,本着市场开拓,专利先行的原则,其已在中国开始着手相关新能源汽车传动系统优势技术的专利布局,这也是值得我国企业关注与思考的问题。
  (按IPC小类)
  从图5中可以看出,与新能源汽车传动系统技术相关的中国专利申请主要涉及3大领域,根据IPC分类,即作业与运输领域、电学领域以及机械工程领域。具体地说,涉及作业与运输领域的车辆动力装置或传动装置的布置或安装(B60K)、电动车辆的电力装备或动力装置(B60L)、不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制(B60W),电机(H02K),机械传动装置(F16H)等。
  图5同时反应了新能源汽车传动系统的几大技术热点,即传动结构布置、电动车辆以及多系统联合控制等。   从绝对数量上来看,新能源汽车传动系统领域中国专利申请中的技术重点主要集中在车辆动力装置或传动装置的布置或安装方面(B60K),涉及该部分内容的文献占样本总量的31%以上,其次为电动车辆的电力装备或动力装置方面(B60L),以及不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制方面(B60W),上述三个领域内的申请量占样本总量的56%以上,这说明新能源汽车传动系统技术领域中的中国专利申请重点集中于上述三个具体领域。
  3、国内外主要申请人专利申请情况分析
  图6表示新能源汽车传动系统技术领域中国专利申请量排名前10位的申请人的专利申请情况。图7是申请量排名前10位的申请人的申请量份额图。从图7中可以看到,丰田排名第一,其申请量份额达到23%,排名第二的是通用,其申请量份额达到21%。可喜的是,国内申请人奇瑞、比亚迪、长安、清华大学和吉利的申请量也进入了前十,虽然从数量上远落后于丰田和通用,但至少显示出我国企业和高校已经在新能源汽车传动系统技术的研发与应用方面取得了一定的成果,并且知识产权保护意识也在不断加强。
  图8是申请量排名前10位的申请人技术领域分布图(按IPC分类部划分);图9是申请量排名前10的申请人技术领域分布图(按IPC分类大组划分)。由于新能源汽车传动系统本身包含多个技术领域,且涉及各领域之间的交叉融合,因此,在技术改进方面也呈现出多领域的分散性,例如传动系统拓扑构架、传动结构及传动控制等方面都可能产生创新点。就国际专利分类系统IPC而言,中国专利申请的技术主题主要集中在作业与运输领域(B部),主要是关于车辆动力装置或传动装置的布置或安装以及混合动力;另外,也有部分申请是关于电学(H部),主要是针对传动装置的控制。
  下面选取国外申请人中排名靠前的丰田、通用,对国外主要汽车企业的新能源汽车传动系统技术领域中国专利申请特点和技术路线进行分析。
  4、新能源汽车传动系统技术领域国内外主要申请人专利技术领域分布
  1)丰田公司
  图10为丰田公司在新能源汽车传动系统中国专利申请的技术领域分布图(按IPC小类)。可以看出,丰田公司关于新能源汽车传动系统技术方面的申请基本分布在B部,其中大部分申请集中在不同类型或不同功能的子系统的联合控制(B60W),车辆动力装置或传动装置的布置或安装(B60K)以及电动车辆的电力装备或动力装置(B60L)方面,还有少量涉及燃烧发动机的控制(F02D),用于直接转变化学能为电能的方法或装置例如电池组(H01M)以及电动机、发电机或机电变换器的控制或调节(H02P)。可见丰田公司对新能源汽车传动系统技术的发展前景相当看好,且在投入和研发方面很重视,研发扩展到各个相关领域。
  图11为按照IPC小组对丰田公司在新能源汽车传动系统中国专利申请的技术领域分布进行分析,该图中截取了申请量较多的小组。从图11可以看出,丰田公司在使用初级电池、二次电池或燃料电池供电的用车辆内部电源的电力牵引(B60L11/18)以及适用于混合动力车辆即具有两个或多个不止一种类型的原动机的车辆的控制系统(B60W20/00)以及包括内燃机的动力单元的控制的不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制(B60W10/06)方面的申请量多于其它方面的申请,这说明丰田公司在新能源汽车的电力牵引,混合动力车辆的控制系统以及包括内燃机的动力单元的不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制系统方面较其它方面更为重视。此外,丰田公司在辅助装置或方法的燃料电池及其制造(H01M8/04)方面,带有轨道运动的齿轮,以传动装置为特征的,以专门适用于HEVs的设备、部件或装置为特征的包括电动机和内燃机的原动机,用于共用或通用动力装置的多个不同原动机的布置或安装(B60K6/365)方面,包括变速传动装置的控制的不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制(B60W10/10)方面,用于电能的包括能量储存装置的控制的不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制(B60W10/26)方面,包括电动机和内燃机的原动机的用于共用或通用动力装置的多个不同原动机的布置或安装(B60K6/20)等方面也有部分申请。
  由此可见,丰田公司的申请主要集中在新能源汽车传动系统的控制方面,而在新能源传动系统的结构布置方面如新能源车辆不同原动机的布置或安装方面的申请量较少,这也说明该公司今后的发展将更多地集中于新能源汽车传动系统的控制方面,以及如何进一步节能和提高传动效率方面。
  2)通用公司
  图12为通用公司在新能源汽车传动系统中国专利申请的技术领域分布图(按IPC小类)。可以看出,通用汽车公司申请的关于新能源汽车传动系统的申请基本分布在B部和F部,其中大部分申请集中在“不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制;专门适用于混合动力车辆的控制系统;不与某一特定子系统的控制相关的道路车辆驾驶控制系统”(B60W)、“车辆动力装置或传动装置的布置或安装;两个以上不同的原动机的布置或安装;辅助驱动装置;车辆用仪表或仪表板;车辆动力装置与冷却、进气、排气或燃料供给结合的布置”(B60K)以及“传动装置”(F16H)方面,另外还有很少量申请涉及“电动车辆的电力装备或动力装置;用于车辆的磁力悬置或悬浮;一般车用电力控制系统”(B60L)、“燃烧发动机的控制”(F02D)以及“用于直接转变化学能为电能的方法或装置,例如电池组”(H01M)方面。可见通用汽车公司对新能源汽车传动系统的发展前景相当看好,且在投入和研发方面非常重视,相关技术的研发已经扩展到各个相关领域。
  图13为按照IPC分类的小组对通用公司在新能源汽车传动系统中国专利申请的技术领域分布进行分析,该图中截取了申请量较多的小组。从图13可以看出,通用公司在“专门适用于混合动力车辆,即,具有两个或多个不止一种类型的原动机”(B60W20/00)方面的申请量远远超过其他方面,申请量排名第二、第三的小组也集中在“不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制中包括内燃机控制的”(B60W10/06)和“用于共用或通用动力装置的多个不同原动机的布置或安装中包括电动机和内燃机的原动机,例如HEVs”(B60K6/20)方面,这说明通用汽车公司在具有两个或多个不止一种类型的原动机的混合动力车辆的控制方面的研发较其它方面更为重视,而且从B60W10/06和B60K6/20下的申请量来看,所涉及的混合动力车辆的原动机主要是包括电动机和内燃机。此外,通用公司在传动系统的控制方面也有不少专利申请,如在本图中所反映出的在分类号B60K6/36,B60W10/10,F16H61/00,F16H3/72下的专利申请都是具体以变速传动装置的控制为特征的申请,其中B60K6/36和B60W10/10还是专门涉及混合动力车辆中的变速传动装置的控制。
  由此可见,通用公司的申请主要集中在以电动机和内燃机为原动机的混合动力车辆的控制以及该混合动力车辆的变速传动装置的控制方面。这说明了该公司对新能源汽车传动系统的研究相对于丰田公司来说,技术路线较为集中,重点在于混合动力车辆方面。
  结束语
  本文从新能源汽车传动系统领域专利技术的现状分析入手,对国内外申请人在我国提交的新能源汽车传动系统技术领域的中国专利申请进行了统计、分析和对比。以此作为基础,对该技术领域研发实力领先的国外申请人的技术路线进行了简单的归纳和梳理,以期能对我国国内申请人的技术研发提供一定的帮助。由于技术水平、认知能力有限,再加上检索策略不尽完善,本文的统计、分析及预测难免有偏颇之处,敬请谅解、指正。
  本文通过对新能源汽车传动系统技术领域的中国专利申请状况进行分析研究,探明该领域的重点技术分布以及主要申请人的专利申请重点,对国内外相关专利技术状况进行比较,以期为我国汽车企业开发具有自主知识产权的新能源汽车传动系统提供一定的帮助和支持。
  从2001年至今,新能源汽车传动系统专利技术进入快速发展期,年增长量快速提升,增长率保持稳定。
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