电动汽车专利趋势与技术轨迹——第1部分:底盘控制系统

作者:Andrea Orivati(孚创云端内容编辑)以及 Eugene Lu(世博科技顾问股份有限公司分析师)

过去数十年,电动汽车行业一直都在蓬勃发展。阅读我们的手册,了解一切有关信息:其成功的原因,重大技术突破,及其近期发展趋势。

充满希望的开始

如果你认为电动汽车事迹始于埃隆·马斯克(Elon Musk)及其特斯拉,请继续阅读:早在20世纪初,美国便开始大规模生产电动汽车。那时,电动汽车非常普遍,1900年美国生产的所有汽车中有28%是电动汽车。但第一代电动汽车寿命短促——从20世纪20年代开始,内燃机得到改进汽油价格降低,而且福特引进了装配线,这导致人们丧失了日常使用电动汽车的兴趣。

众所周知的必需品

20世纪80年代,锂离子电池的发明使人们再次对电动汽车产生了兴趣,而随着人们更深刻地认识到化石燃料对环境的影响,同时还担忧会达到石油峰值,电动汽车的发展逐渐被视作一种必然情况。几年后,汽车行业的主要厂商(尤其是克莱斯勒(Chrysler)、福特(Ford)、通用(GM)本田(Honda)丰田(Toyota))都加入了这股热潮,且各自对于未来移动交通工具都有不同设想。由此出现了大量初创企业,试图复制特斯拉的成功,同样也取得了不同程度的成功。

不断扩大的市场

环境问题并不是电动汽车市场呈指数级增长的唯一原因。电动汽车为各行各业带来的机遇同时也加快了其发展。预计到2030年,电动汽车的市场规模将达12,993亿美元(复合年增长率相当于19.8%)。未来,这个行业必将是最成功的行业之一。

电动汽车市场的预估规模 (PitchBook)

有关该行业前景的另一个试金石是该行业内各公司(尤其是初创公司)募集的资金数额。数额越高,投资者对该行业的前景便越有信心。该行业的募资额共计231.5亿美元,在移动技术领域内资金最充裕的细分市场中名列前茅。可以确信地说,资本市场对该行业的期望相当高。

电动汽车生态系统中创建的初创企业

电动汽车生态系统中创建的初创企业 (PitchBook)

从数据看电动汽车市场

但这个行业的现状如何呢? 虽然这种大流行确实带来了一定程度的不确定性(尤其是在Q1期间,中国采取检疫措施,工厂关闭,导致零部件供应中断),但我们可以看看2019年底的情况。

EV-volumes.com、国际能源署、Virta、麦肯锡咨询公司

EV-volumes.com国际能源署Virta麦肯锡咨询公司

值得注意的是,2019年的增幅在46%至69%之间波动,与前六年相比大幅萎缩。增长放缓与中美这两个主要市场的销量下降有关,销量下降则是补贴减少技术法规修改油价下跌造成的结果。

电动汽车的主要部件有哪些?

今天流通的大多数车辆与电动车辆的主要区别在于,后者依靠电动机而不是内燃机来运作。虽然电动汽车与内燃机汽车有一些共同的部件,但有些部件是电池驱动系统独有的。下表详细列出了电动汽车的主要部件及其在系统中的功能。

定义电动汽车的主要部件

定义电动汽车的主要部件

值得一提的是,电动汽车还有一个独立于主电池组的辅助电池,它负责启动低电压运行的车辆配件(以及启动过程)。下图显示了这些部件在车身中的传统排列方式。

美国能源部

美国能源部

根据它们在整个汽车生态系统中的用途,这些部件分属两大主要系统:

  • 能源系统 — 它包括牵引电池组和电池管理系统,并负责为电动机供电。
  • 动力系统 — 动力系统包括了产生并向路面输送动力的主要部件,如电动机和电动变速器。

然而,如果没有另一个基本系统:底盘控制系统,任何汽车都无法上路。该系统对于支撑上述部件并允许车辆与道路相互作用至关重要。包括的主要子系统有:

  • 悬架系统 — 它将车辆的主体与车轮连接起来,一方面支持道路操纵(汽车对转向等驾驶员输入的反应),另一方面支持行驶质量(汽车能够弥补道路缺陷的能力)。
  • 转向系统 — 让驾驶员调整车辆的行驶路线。
  • 制动系统 — 依靠机械摩擦,让驾驶员减速或停车。
  • 底盘 它是主支撑结构,主电池组和其他部件安装在其上。
电动汽车涉及的三大系统

电动汽车涉及的三大系统(世博科技顾问股份有限公司

重大技术突破

电动汽车的历史跨越了一个多世纪,经历了起起落落,也立了许多里程碑。在 20 世纪 20 年代所谓的黄金时代结束后,该行业的技术发展主要集中在增强电动汽车相对于其内燃机汽车的竞争力上,尤其是在所走距离方面。以下简短的时间表还强调了对电动汽车市场的全球增长贡献最大的参与者。

  • 1834 年—第一台电动机:其他发明家数次尝试失败后,佛蒙特州的托马斯·达文波特(Thomas Davenport)推出了第一台可用的电动机,他用这台电动机为一辆小马车提供动力。
  • 1859年—第一批电池:在法国,加斯顿·普兰特(Gaston Planté)发明了铅酸电池。
  • 1881 年—电池寿命延长:卡米尔·阿方斯·福雷(Camille Alphonse Faure)通过增加容量改进了普兰特的发明。
  • 1884 年—第一辆可行的电动汽车:英国发明家托马斯·派克(Thomas Parker)被誉为欧洲爱迪生,他推出了第一辆商用电动汽车。為电动汽车的第一个时代拉开了帷幕。
  • 1899 年—爱迪生的探索:由于深信电动汽车将是未来的主要交通工具,托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas A. Edison)开始研究如何提高电池寿命和容量。尽管在十年后放弃了,但他的研究卻造就了更好的碱性电池。
  • 1964 年—通用汽车公司的电动汽车实验: 通过改装雪佛兰的科威尔车型,通用汽车公司开发了电动汽车Electrovair,这成为该公司的第一个电动汽车实验品。几年后,该公司又进行了一系列实验,最终在雪佛兰雪维特车型的基础上生产出了电动汽车Electrovette。
  • 1967 年—美国汽车公司(AMC)紧跟潮流:美国汽车公司(后由克莱斯勒收购)展示了其未来移动交通工具的原型——Amitron 汽车。原本计划在几年后上市,但从未实现。
  • 1971 年—美国国家航空航天局(NASA)开始使用电力:美国国家航空航天局的阿波罗15号任务搭载了一种电动车辆——月球车。月球车的设计让宇航员在月球表面进行实验时能够行走更远的距离。
  • 1972 年—混合动力汽车诞生:第一辆全动力、全尺寸混合动力汽车由混合动力汽车教父维克多·沃克(Victor Wouk)制造。基础车型是通用汽车公司提供的 1972 年别克云雀(Buick Skylark)。
  • 1980 年—更好的电池:牛津大学的约翰·古迪纳夫(John Goodenough)带领团队发明了氧化钴阴极,而这为锂离子电池奠定了基础。这种电池在短短几年内就成为消费电子产品领域的标准产品。多亏这种新型电池,电动汽车很快便实现单次充电即可行驶数百英里的成绩。
  • 2006 年—很有前途的一家初创公司:特斯拉公布了其第一辆汽车的原型——Roadster。作为一辆豪华跑车(售价8万美元),它使用的锂离子电池单次充电可行驶200多英里,这在当时成为了行业标准。
  • 2008年2月—特斯拉上路:第一辆特斯拉 Roadster 交付使用,成为第一辆使用锂离子电池合法上路的电动汽车。
  • 2009年—长途旅程:随着美国甚至全球开始推出充电基础设施,电动汽车的里程数也在增加。
  • 2010 年—不再焦虑:通过推出第一款插电式混合动力汽车——雪佛兰沃蓝达(该公司称之为增程式电动汽车),通用汽车公司解决了里程焦虑——担心电量在到达充电站之前耗尽的问题。消除了推行电动汽车的一个大障碍。

专利趋势

正如上文所说,底盘控制是支撑其他所有系统以及其中的部件的骨架,因此本系列的第一部分将重点关注该领域的专利趋势。首先,已确定下列技术为底盘控制系统的创新关键:

  • 电池的布置
  • 电子设备的布置
  • 推进装置的布置
  • 制动系统
  • 转向系统
  • 悬架系统
  • 底盘

每项技术对应于一个特定的国际专利分类(IPC)分类号。如此一来,就可以在 Patentcloud 的 Patent Search 中快速高效地找到并分析与这些技术相关的专利。然而,事实证明 IPC 的分类不够精确。事实上,不仅是电动汽车,内燃机汽车和自动驾驶汽车(既可以由汽油驱动,也可以由电池驱动)也会应用底盘相关技术。通过专利的标题、摘要和权利要求中包含的关键词进一步缩小搜索范围,单独找出专门适用于电动汽车市场的专利。

所考虑的时间范围涵盖过去10年,包括来自 IP5 和 WIPO 专利局的同族专利。

趋势 1——总体上,专利申请数量在增加,但不同子技术领域的发展速度不同

电动汽车专利趋势1

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据

以上图表显示了上述技术的单项申请趋势以及各项技术的累积趋势。有趣的是,各种技术之间年复一年地保持着基本一致的比例,制动系统、转向系统和推进装置的布置几方面的技术在这十年中一直处于领先地位,而电池的布置和底盘方面的技术可确认为申请专利数量最少的技术。

至于总体趋势,从专利的角度来看,可以明显看出这一行业受到越来越多的关注,专利申请数量在这十年之初时便持续增长。从2016年开始,这一增长似乎已经稳定下来。同样值得注意的是,自2018年以来的明显下降趋势与专利申请提出和公布之间18个月的延迟有关,而与专利申请数量的实际下降无关。

趋势 2—电池的布置在初期引起關注,但随后的专利申请数量呈下降趋势

电动汽车专利趋势2

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据 

如上所述,这方面技术是过去十年中申请专利最少的技术。通过比较其专利申请趋势和总体趋势,我们注意到大部份的专利都是在这十年中的前五年申请的。这表示,在电动汽车引起新一轮关注的最初几年,主要厂商关注于如何改进牵引电池组的布置,但最近几年已转而关注其他技术。尽管如此,电池布置方面仍有专利申请,而且还引进了几项重要创新(我们将在后续介绍)。

趋势 3—电子设备的布置相关申请数量正以高于平均水平的速度增长

电动汽车专利趋势3

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据

这方面技术的申请趋势凸显了以下情况,在过去数年,随着总体趋势的上升,与机箱内电子设备的布置相关创新的数量也在增加,而且速度还要更快。在这十年之初,即2012年至2014年间,出现了一个平稳期,而随后几年则再次引发了关注。

趋势 4—推进装置的布置相关申请数量在近年来达到峰值

电动汽车专利趋势4

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据 

在2012年至2014年间,这方面技术的专利申请数量也出现了下滑,但随后出现持续增长,2017年似乎达到了顶峰。该技术自2013年转向系统相关专利首次超过该技术后,重新成为专利最多的技术中的第二位。

趋势 5—制动系统相关专利逐渐滑落平均水平之下

电动汽车专利趋势5

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据 

作为专利技术最多区块,制动系统的专利申请数量逐年持续增长,为电动汽车领域的增长提供了大部分推动力。经过多年高于平均水平的增长,2018年后,其专利申请数量开始略有下降。

趋势 6—底盘相关的专利申请近来有所增加

电动汽车专利趋势6

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据

底盘的设计和布局与电池的布置同样都是过去十年中获得专利最少的技术领域。然而,从2015年开始,其专利申请数量突飞猛进,在2018年达到顶峰。如下所示,这个行业领域的广泛关注点与一些关键参与者(以及一些初创公司)推出的创新有关。

趋势 7—转向系统相关申请近年来有所放缓

电动汽车专利趋势7

Patentcloud的 Patent Search 提供的专利数据 

转向系统是另一项在过去十年中不断获得专利的技术领域,为行业前三名。与总体趋势相比,我们注意到,转向系统相关申请在开始时增长缓慢,仅在2012年至2013年期间才开始稳步增长。

趋势 8—悬架系统相关申请初其成长缓慢,但近几年则快速增涨

电动汽车专利趋势8

Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据

2014年后,这方面技术才引起关注,且此前几年历经停启。2018年,与底盘领域和推进装置的布置领域一样,悬架系统技术领域的专利申请也呈上升趋势,而之前由于延迟18个月公布的原因,缺乏相关数据,导致图表上呈下降趋势。尽管如此,在未来几年,这些技术领域有望得到越来越多的关注。

主要厂商及其关注点

将上述图表所收集的数据汇入专利矩阵仪表板中,查看行业中的主要厂商关注哪些技术。

底盘控制领域主要厂商关注的技术

底盘控制领域主要厂商关注的技术;Patentcloud 的 Patent Search 提供的专利数据 

仪表板提供了一些有趣洞见:

  • 尽管为电动汽车行业带来了一些影响巨大的创新,但特斯拉只拥有几项专利。考虑到埃隆·马斯克对专利的看法——扼杀进步,巩固大公司的地位,并使法律界人士,而不是真正的发明家富裕,这一点不足为奇。
  • 电动汽车行业内排名前三的申请者是丰田(Toyota)、现代(Hyundai)和博世(Bosch)。
  • 特斯拉的竞争对手尼古拉(Nikola)专注于氢燃料电池驱动的长途卡车和越野车,在底盘控制领域申请的专利也很有限。
  • 尽管大多数公司的专利申请活动同时集中在至少两到三个技术领域上,但其中一些公司,尤其是博世、大陆和电装,则完全集中在单一技术领域(博世和大陆为制动系统,电装为电子设备的布置)。

特别有意思的是,丰田积累了庞大的投资组合。这几乎可以肯定是其在混合动力汽车和SUV市场的领先地位的结果。事实上,随着普锐斯的推出,该公司率先在1997年大规模生产和销售这种车型。近年来,随着世界各国政府推动绿色解决方案,且随之制定了更严格的法规,丰田更投入了大量资源来开发电池驱动汽车。

此外,在设想未来移动交通工具时,该公司优先考虑的似乎并不是锂离子电池(而如我们所见,这正是当今的行业标准),而是氢燃料电池。不过,今年丰田宣布了松下合作,共同推进固态电池的研究。因为大家将这类电池视作一种能够在控制重量和成本的同时提高续航里程的解决方案。

丰田的产品如此多样化,其专利组合在底盘控制领域遥遥领先也就不足为奇了。

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重要创新

如上所述,为减少温室气体排放,世界各国政府都在积极推广电动汽车。因此,传统汽车制造商和初创企业正进一步加大其在研发领域的投入。

底盘技术是这场革命的一个很好的起点,原因是这些系统,可以同時利用于传统汽车和电动汽车上,因此可以通过降低成本追求各种机械模块的电子集成或更灵活的空间配置来促进转型。

例如,大众的模块化电气化工具套件(MEB)底盘平台已应用于该集团的各种车型,包括奥迪、西亚特、斯柯达和大众本身,其目标是整合电子控制,减少微处理器的数量,推进新的驾驶员辅助技术的应用,并在一定程度上改变汽车的制造方式。

据该公司称,这一创新平台带来了多项好处:

  • 增加了乘员空间
  • 最佳主电池组定位规格
  • 电池容量可根据每个驾驶员的需求而变化

大众的 MED 平台(大众)

索尼在其 VISION-S 概念车中引入了类似概念,并在今年拉斯维加斯消费电子展上发布。其设计的关键点是紧凑的动力系统布局和超薄电池组,两者结合后,可以更自由地布置客舱环境。索尼的一份新闻稿中明确指出,这款车也极为关注安全特性:

这款车的设计目标是在全球汽车安全测试中获得最高分。

Sony的 MED平台

Sony的 MED平台(索尼

除了大众和索尼推出的模块化底盘解决方案外,奥迪还尝试通过电子底盘技术将底盘中涉及的各种系统(悬架系统、制动系统和转向系统)连接起来,以提高驾驶舒适性、灵活性和效率。这一概念的发展结果是电子底盘平台(ECP),该平台将奥迪中型、全尺寸和豪华车型的底盘系统各部件相互连接起来,然后通过软件来协调它们的功能。该平台最早的实际应用是2015年的奥迪Q7。

奥迪的 EPC 概念应用于制动系统

奥迪的 EPC 概念应用于制动系统(奥迪)

第三个需要关注的创新来自以色列初创公司 Ree Automotive(成立于 2011 年),该公司开发了一项技术,将动力系统、转向系统、悬架系统和电机集成到车轮中,以实现平底盘系统。当涉及到车内的空间布置时,将主要部件集成到车轮中给了汽车制造商很大的自由度。然而,它最明显的优势在电动汽车行业产生了极大的反响:完全扁平的底盘设计允许使用较大的电池组,这一特性可以克服—至少部分克服—如今电池的容量限制。

奥迪的 EPC 概念应用于制动系统

奥迪的 EPC 概念应用于制动系统(奥迪)

质量和价值

最后,我们再看看这些专利的质量和价值,这一点同样重要:当涉及到知识产权时,质量远比数量重要。在另一个专利矩阵仪表板的帮助下,只需点击几下鼠标,我们就获得了以下图表,其中详细说明了涉及电动汽车底盘控制系统的每个厂商的专利组合的质量和价值。

底盘控制系统领域主要厂商的专利质量和价值

底盘控制系统领域主要厂商的专利质量和价值;Patentcloud Patent Search 提供的专利数据 

我们可以发现所涉及专利的平均价值偏低:事实上,D级专利占总数的50%以上。对此,一种可能的解释是,作为一个相对较新的行业,涉及电动汽车专利的货币化活动总体上仍然相当有限。

专利价值概述

专利价值概述;Patentcloud Patent Search 提供的专利数据

完全不同的状况是这些专利的质量状况,AAA 级、AA 级和 A 级专利几乎占总数的 50%。丰田、现代、博世和电装这四家公司拥有的高质量专利最多。

专利质量概述

专利质量概述;Patentcloud Patent Search 提供的专利数据

未来趋势?

金融数据和专利数据都证实,在移动交通工具的未来发展方面,电动汽车行业有很大潜力。底盘控制系统的专利申请数据告诉我们,该领域仍在发展中,我们还有望在未来几个月得到更多惊喜(像索尼今年在消费电子展上所发布)。

作为电动汽车骨架的系统,底盘控制系统的改进肯定会推动电动汽车另外两个主要部件——动力系统和电池——的创新。但这两个系统的趋势是什么呢?敬请期待本系列的下一篇文章。

2020-10-14T04:00:38+00:00