国内外新能源汽车充电桩技术预测分析——基于生命周期和国际专利分类号

方 曦，张莉萍

（上海应用技术大学经济与管理学院，上海 200235）

1 研究背景

当前，全世界范围内汽车拥有量增长速度越来越快，交通领域已经成为能源消耗增长最快的领域，也是局部环境污染与全球温室气体排放的主要来源之一，能源危机以及环境保护压力与日俱增。为了打破能源与环境的约束，实现经济的可持续发展，汽车行业一直在积极探索与努力促进交通能源的转型升级，但充电桩技术设施建设的不完善制约着新能源汽车的发展。为了促进充电桩基础设施的发展，我国制定了较为完善、力度较大的政策体系，如2015 年出台《电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020 年）》，体现了国家对充电基础设施发展的高度重视；2018 年国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部、财政部制定了《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》，旨在提升新能源汽车充电技术水平，提高充电设施产品质量，加快完善充电标准体系，优化充电设施布局等。虽然国家出台了一系列政策措施推动充电桩的建设，但充电桩的发展仍然存在很多问题，如安全问题频出、运营效率低、用户体验不佳等，因此，充电桩发展必须进行技术创新，才能为新能源汽车的发展助力。但我国大多数的充电桩企业属于中小企业，资金实力较弱、技术研发实力较差，因此，提高充电桩技术研发资源利用率十分重要。

专利文献是世界上反映科学技术发展最迅速、最全面、最系统的信息资源，通过专利进行技术分析，不仅能帮助研发人员了解最新技术研发动态，还能节约40%的研发经费以及缩短60%的研发时间［1］。据世界知识产权组织统计，每年全球95%的科研成果以专利形式公布于世，专利数量和分布态势能反映一个国家或地区科技发展水平及最新动态［2］。并且，专利数据容易获取，能够为技术发展分析提供客观、科学的依据［3］。

2 文献综述

目前，关于充电桩的研究主要集中在以下4 个方面：一是充电桩基础设施建设方面，如Brooker 等［4］以美国家用电动汽车的现实充电需求和充电数据为基础，分析家用电动汽车最大可能的充电选址，从而对安置电动汽车充电设备作出决策；赵世佳等［5］对比分析了国内外新能源汽车充电基础设施的建设和发展现状，从行业和企业角度总结现存主要问题，指出充电设施未来的建设和发展趋势，对我国制定促进充电基础设施建设方面的政策提供有效参考。二是充电桩运营方面，如王文涛等［6］提出了一种基于复杂网络理论构建的电动汽车充电设施网络模型，用以分析电动汽车充电设施的运营情况及布局的合理性，并通过模拟仿真验证了该模型的有效性。三是融资方面，如Zhu 等［7］将众筹方法应用于电动汽车充电桩建设融资，论证众筹形式应用于充电桩建设的优势，建立了基于电网、基础设施运营商和众筹者之间的三阶段博弈模型，并验证了该模型的可行性。四是政策补贴方面，如范如国等［8］综合考虑新能源汽车制作成本、充电设施建设情况、初始消费者效用、中央政府补贴政策等因素对地方的新能源汽车推广应用产生的影响，构建了一种最优政策补贴模型并验证了模型的有效性。

基于专利分析进行前沿技术预测的类型大致可分为4 种：一种是基于专利量化指标及量化趋势的前沿技术预测分析，如赵莉晓［9］利用技术生命周期理论与趋势图进行前沿技术预测。二是基于专利网络关系的前沿技术预测，如王友发等［10］利用社会网络分析识别人工智能领域的核心技术；曹艺文等［11］通过对新兴技术主题的引文曲线进行拟合分析，提炼和归纳引文曲线的主要类型和特征，对创新主题进行预测。三是基于专利文本挖掘的前沿技术预测，如周莉等［2］利用CiteSpace、MATLAB 等软件对音乐科技产业的专利数据进行全面挖掘。四是基于专利国际分类（IPC）的前沿技术预测，如高楠等［1］、冯冲等［12］等通过多维尺度分析方法，结合K 均值聚类分析方法，以国际专利分类号为基础，对专利进行聚类分析，并对各聚类集群进行技术评价，进而进行前沿技术预测；翟东升等［13］利用专利间的引用关系构建国际专利分类引用网络表征知识间的流动，综合基于支持向量机（support vector machine,SVM）的未来链接预测模型和线性回归的链接边权预测模型进行技术预测。

综合以上研究发现，目前学者基于专利分析对新能源汽车充电桩技术进行预测的研究还比较少，而技术预测能有效缩短研发时间、节约企业的研发资源。由于基于文本挖掘的前沿技术预测方法需要人工进行大量特征词标注，这对标注人的专业性和严谨性要求都比较高；采用神经网络等无监督学习算法虽不用人工标注特征词，但准确性欠佳［14］；其余方法不关注对专利语义层面信息的提取和利用，预测出的前沿技术存在片面性。因此，本研究结合技术生命周期分析方法和IPC 分析方法对新能源汽车充电桩技术进行分析，以期了解充电桩技术的研发热点，为我国充电桩企业的专利战略制定提供参考。

3 研究方法

3.1 技术生命周期

3.1.1 技术生命周期理论

技术生命周期理论源于产业生命周期理论，主要用于进行技术预测，代表周期性变化的技术变革模式。Betz［15］把技术生命周期定义为从技术出现到技术衰退、消亡的所有时间。本研究将技术生命周期定义为一项技术的使用，从兴起到开发设计，再到市场应用，最后到退出市场的整段时间，一般可划分为4个阶段：导入期、成长期、成熟期、衰退期［4］。

根据企业的创新能力强弱，可以将企业所处地位划分为5 类，分别为主导企业、优势企业、有利企业、一般企业、脆弱企业，各类企业的分类比较如表1 所示。

表1 企业类别划分

根据技术所处的生命周期以及企业类型，形成如表2 所示组合矩阵。利用这种方法分析企业专利战略的适宜性，关键是确定企业当前在矩阵上所处位置：在横向上的位置，可以通过Logistic 模型对专利累计申请量进行拟合；在纵向上的位置，可以通过分析各企业的特点获得。创新能力较强的企业一般具有市场领先地位，可以按照自己制定的专利战略目标发展，其他竞争对手对它的威胁不大。一般来讲，在市场增长的情况下，实力较强的企业可以遵循正常发展道路，即可以通过各种不同的途径来实现自身发展目标，具有行业主导地位的企业在其整个技术生命周期过程中能否保持很强的竞争实力和优势，关键是看这个企业能否适时调整其专利战略；与此相反，实力弱小的企业如果不能找到一个“避风地”，即开发出一片属于自己的生存空间，将难以维持下去。

表2 技术生命周期与企业创新能力组合矩阵

3.1.2 Logistic 分析模型

Logistic 分析模型最初是为控制和预测人口增长而提出的，它不仅被应用于动植物生长发育或繁殖过程等研究中，而且也被应用于经济、技术发展现象研究。该模型的形式一般呈现类“S”型曲线（见图1），反映了一般生命历程，因此，可用它进行技术生命周期预测。

Ernst［16］和Haupt 等［17］提出可以利用专利来反映技术发展所处周期。目前，利用专利分析技术生命周期的方法已经有很多种，如专利指标法、相对增长率法、S 曲线法等［18］。其中，S 曲线法包含有Compertz 曲线模型法和Logistic 模型分析法，且可以进行技术生命周期预测。如Cheng 等［19］选用Logistic 模型与Compertz 曲线模型分析法分别对资讯技术的生命周期进行分析和预测，结果显示采用Logistic 模型分析法所得结果更符合实际。因此本研究选用Logistic 分析模型进行技术生命周期预测，模型的方程式为：

式（1）中：Yt为某技术的专利累积申请量；f(t)为某技术的专利累积申请量；k、α和β为常数，k为技术成长的饱和点，α为S 曲线的成长率，β为技术成长曲线的倾斜度，与增长时间有关；t为时间。

利用某技术的逐年专利累计申请量数据拟合出Logistic 曲线，进而判断其生命周期所处的各个阶段。如图1 所示，k为y 的最大值，，。通常认为，＜t10是萌芽期，t10～t50之间是成长期，＞t50～t90之间是成熟期，是衰退期。

图1 Logistic 模型的S 曲线描述

3.2 IPC 分析法

国际专利分类，即IPC，是国际上通用的专利文献分类方法，除了外观设计专利，每项专利都对应一个或多个IPC 号。通过对专利分类号分析，能够帮助我们了解某技术领域的技术分支占比情况、各技术分支的研发热度，以及目前某技术布局的空白点，挖掘技术潜在的发展机会。

4 数据来源

智慧芽专利数据库收录的全球专利数据，包含来自世界知识产权组织、美国、欧洲、中国、日本、韩国、挪威等的专利数据，并每周进行更新，专利信息都包含有专利名称、摘要、申请人、权利人、IPC 号等著录项目信息。因此，本研究利用从智慧芽系统检索到的专利数据进行分析。

为了平衡查全性与查准性之间的关系，采用关键词和IPC 结合的方法制定检索式。通过阅读相关文献法及专家咨询法，并经过多次检索，最终确定本研究的新能源汽车充电桩技术的检索式为（TA=（充电桩 OR 充电装置 OR 充电设备 OR“charging pile*”OR“charging spot*”OR“charging point*”OR“charging unit*”OR“charging device*”OR“charging equipment*”OR“charging system”）AND（新能源汽车OR电动汽车OR“electric car*”OR“electric automobile*”OR“electric vehicle*”））AND（IPC=（B60 OR H01 OR H02 OR G06 OR G07））。检索时间为2020年6月8日，共检索到21 194件专利，合并同族后得到我国受理专利15 324件，外国受理专利5 870件。

5 国内外充电桩技术生命周期测算

由于专利从申请到公布有一定的时间滞后性，如中美专利从申请到公布一般滞后18 个月，因此对检索到的2019 和2020 年专利数据不做生命周期分析考虑。另外，由于1985 年我国才开始实施第一部专利法，1985 年前5 年该领域的专利申请数量均小于5 件，为了使S 曲线更清晰，选取国内外1990—2018 年的专利申请数据进行技术生命周期分析，如表3和表4所示，表内为省略中间一部分数据的展示。

表3 1990—2018 年国内外充电桩技术累计专利申请量 单位：件

利用Logistic 分析模型，将表3 数据借助Loglet Lab4 软件对充电桩技术专利进行S 曲线拟合，得到了国内外充电桩技术生命周期的各参数拟合统计结果，详细如表4 所示。由表4 可知，国内充电桩技术的成长期与成熟期共需经历时间为10 年，在此期间可以达到的最大专利申请量为51 212 件，目前所处阶段的专利增长率达0.454；国外充电桩技术的成长期与成熟期所需经历时间明显长于国内，为23 年，但在此期间可以达到的最大专利申请量却远远低于国内，为9 894 件，目前所处阶段的专利增长率也明显低于国内，为0.193。

表4 1990—2018 年国内外充电桩技术Logistic 模型拟合结果

表4 （续）

图2、图3 分别为国内外充电桩技术发展态势图，横轴为时间、纵轴为累计专利申请量，实线表示拟合部分、虚线表示预测部分。结合表3 可以得知，国内充电桩技术专利申请萌芽期为2015 年之前，成长期区间为2015—2020 年，成熟期区间为2020—2025 年，将于2025 年进入衰退期，并将于2030 年左右专利累积申请量达到最大值51 212 件。国内充电桩技术的发展与国家政策的制定与实施密切相关。由图2 可知，我国充电桩技术专利申请于2010 年才出现“抬头式”增长，这与2009 年国家出台了《汽车产业调整和振兴规划》分不开。该规划首次提出“建立电动汽车快速充电网络，加快停车场等公共场所公用充电设施建设”的观念。2009—2014 年间，我国制定与实施的促进新能源汽车充电技术发展相关政策逐年增加，由2009 年的1 项上升到2014 年的16 项，这些政策措施有效促进了我国充电桩产业的发展，使充电桩技术的专利申请出现逐年递增的趋势。2015—2018 年间，我国相关政策的制定和实施仍在继续增加，年度新增量高达10 项。2014 年开放民营资本入场后，在政策引导和补贴激励下，当年成立的充电桩企业高达300 多家，使充电桩技术的发展于2015 年进入成长期，专利申请量大幅增加。

图2 我国充电桩技术生命周期的拟合分布

国外充电桩技术专利申请萌芽期为2007 年之前，成长期区间为2007—2017 年，成熟期区间为2017 年之后至2030 年，2030 年后将进入衰退期，并将于2035 年左右专利累计申请达到最大为9 894件。与国内相比，国外充电桩技术较早进入成长期和成熟期，这与国外企业，特别是日本和欧美早期的技术研发和专利布局有关，已经形成了一定的技术壁垒和标准，以阻止新的竞争者进入。如特斯拉，其提供的充电方式有3 种，分别为家用充电、目的地充电和超级充电，并且有自己的超级充电桩标准；日产聆风、三菱等几大日本车企于2010 年成立了电动汽车充电协会，推出了CHADeMO 标准，并联合各方资源积极进行全球推广；通用和宝马等欧美八大车企也不甘落后，以美国SAE 标准与欧洲ACEA 标准为基础，于2012 年推出了联合充电系统（CCS）等。

图3 国外充电桩技术生命周期的拟合分布

6 国内外充电桩重点技术分布

6.1 国内重点技术分析

在技术整体专利布局上，国内充电桩技术均主要集中在B60L 和H02J 两个IPC 小类中。其中，B60L 涉及的是电动车辆动力装置、电力传动装置、供电装置、制动系统、监控操作以及电气安装装置等；H02J 涉及的是供电或配电系统以及电能存储系统等。按IPC 大组分类，具体如表5 所示，B60L11、H02J7、B60L53 的占比分别为36.86%、29.97%和28.28%，这3 个大组占比和为95.11%，说明国内申请人比较重视在这3 个技术领域的专利布局，尤其是B60L11 技术分支。国内排名前十的IPC 大组占比之和为123.31%，说明国内单个专利涉及的技术分支较少，技术广度较窄。

从图4 中也可看出，国内充电桩技术最先在H02J（供电系统）和G07B（集电器）进行专利布局，符合我国充电桩产业早期由国家电网主导的发展特性，2009 年国务院办公厅印发了《汽车产业调整和振兴规划》，首次提出了建立电动汽车充电网络，加快公共场所公用充电基础设施建设，并在2010 年开始出现E04H6（停放汽车等的建筑物）技术分支上的专利申请；2012 年国家出台的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》对建设充电基础设施的充电接口、充电通信协议、充电机技术标准、充电站设计规范等方面做了简要描述，而于2012 年也首次出现G06Q10 技术分支上的专利申请；2015 年国家发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020 年）》，为进一步加快充电基础设施建设，引导民营资本参与充电基础设施体系建设与运营，由此2015 年之后各技术分支上的专利都出现快速增长趋势；2016 年国家出台《电动汽车充电基础设施接口新国标实施方案》，要求新安装的充电技术设施以及新生产的电动汽车必须符合新国标，这引起B60L53 技术分支上的专利申请呈爆发式增长态势，且B60L11 技术分支上的专利申请逐渐减少，甚至出现零申请的情况。综合前述生命周期分析可知，国内充电桩技术的发展在萌芽期和成长期受政策引导作用较大。

图4 我国充电桩重点技术专利申请趋势

6.2 国外重点技术分析

在技术整体专利布局上，国外充电桩技术也主要集中在B60L 和H02J 两个IPC 小类中。按IPC大类进行分类，具体如表6 所示，H02J7、B60L11的占比分别为55.78%和49.76%，二者之和高达105.54%，说明国外充电桩技术专利均涉及这两个技术分支，国外专利申请人更注重这两个技术分支的布局。国外排名前十的IPC 大组占比之和为172.77%，明显高于国内，说明国外单个专利涉及的技术分支较多，技术宽度较广，外围专利的控制能力更强。

表6 1990—2018 年国外充电桩重点技术分布

表6 （续）

如图5 所示，与国内重点技术相比，国外充电桩技术企业更加注重B60L50（自然力供电，如太阳能、风能）、B60L3（电动车辆上安全用电装置）和H02J17（无线供电）等，且在较多技术分支上的专利分布都比较均匀，专利申请趋势基本处于递增的状态，但HO1M10 技术的专利分布多集中在2009—2012 年，主要是因为电池的研发关乎着电动汽车的续驰里程问题，是随着电动汽车发展起来的，但现在全球电池产业遇到发展瓶颈问题，导致近年来的专利申请量有所降低，电池功能仍不能满足电动汽车市场的需求，需要继续探索创新发展方向和相关技术发展策略。

图5 国外充电桩重点技术专利申请趋势

7 结论与建议

本研究基于智慧芽专利检索系统中的专利数据，利用技术生命周期理论与Logistic 模型对国内外充电桩技术进行生命周期拟合，同时对国内外充电桩技术的国际专利分类进行分析，对比国内外充电桩技术发展异同，并依据技术生命周期与企业发展之间的关系提出相应的建议。

7.1 结论

Logistic 模型拟合结果显示，国内充电桩技术起步较晚，且前期发展比较缓慢，经过长期的技术发展和积累于2015 年进入成长期，技术发展开始增速，专利申请量明显递增，预计2020 年进入成熟期且技术创新有所降低、专利申请增速放缓，将于2025 年进入衰退期，专利申请量出现负增长趋势；而国外充电桩技术兴起远远早于国内，经过漫长的萌芽期发展于2007 年进入成长期，并于2017 年进入成熟期，预计于2030 年进入衰退期。进入衰退期后充电桩技术的发展将面临两种结果，一是出现新技术取代原有技术，使技术进入新的生命周期；二是没有出现突破式技术代替原有技术，原有技术逐渐走向消亡。

IPC 分析显示，国内外充电桩技术企业都比较重视在B60L 和H02J 两个技术领域进行专利布局，但由于国内充电桩技术刚刚步入成熟期，在成长期的专利申请增速十分显著，且受政策引导影响较大；而国外企业已经进入成长期，专利申请增速放缓，且较注重自然能源转换、无线供电以及安全用电装置方面的专利布局。值得注意的是，国外在二次电池的专利申请已出现负增长的趋势；且与国内专利相比，国外单个专利涉及的技术分支更多、技术宽度更广，外围专利的控制能力更强。

7.2 对策建议

目前国内充电桩技术刚刚步入成熟期，虽然有了一定的技术积累，但专利申请量增速还比较大，企业和政府应当齐心协力，一起推动我国充电桩技术发展，延长其生命周期，提高其技术宽度。根据当前国内外充电桩技术发展现状，提出如下建议：

（1）对于主导企业，如国家电网、比亚迪等企业，应围绕基础专利进行优化布局。可以从提高充电服务质量和充电安全性能、降低制作和运营成本等功效上进行技术研发和专利申请，并积极参与国家标准和行业标准的建立，将专利标准化，以获得市场最大竞争优势。此外，目前国家电网和比亚迪的充电桩业务主要还集中在国内，若计划进军国际市场，应综合考虑企业自身实力与竞争对手的专利战略情况，特别是国际上充电桩技术龙头企业的专利战略，避其锋芒，寻找适合自身发展的空间。

（2）对于优势企业，如蔚来汽车和北京新能源汽车等，应采取差异化专利战略，围绕企业基础专利进行优化，发展核心技术相关的应用技术并及时进行专利布局，以获得成本领先优势。在进行专利研发和专利布局时，应充分结合企业市场战略规划；若有进军国际市场的计划，应提前进行专利尽职调查以免侵权，同时进行目标市场专利布局，为产品进入该市场做好专利准备。

（3）对于有利企业，如宁波轩悦行电动汽车服务有限公司等，应采取差异化专利战略，集中资源进行某一分支技术的研发并赶超；也可以固守现有技术市场，并寻求新的技术市场进行模仿创新，紧跟行业发展潮流。因为国外市场目前已处于技术生命周期成熟阶段，技术创新潜力小、市场发展竞争大，对于有利企业来说，此阶段进军国际市场并无太多优势，可以集中资源站稳国内市场，争取在下一代技术创新时占据更多技术优势。

（4）对于一般企业，应密切关注主导企业和优势企业的研发动向，集中资源进行某一分支技术的研发创新，随行业发展趋势及时调整研发策略，积极寻找“避风地”，做好转型准备。

（5）对于脆弱企业，应时刻关注市场上技术的更新变化，及时调整研发策略进行模仿创新，并随时做好撤离市场的准备。

（6）对于政府而言，我国充电桩技术发展受政策影响较大，政府可以加强产学研政策引导，以实现充电桩领域的基础技术与核心技术的突破；与此同时，完善专利保护机制和创新评价机制，对创新成果突出的单位给予财政支持，以激发创新活力。