基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理的专利布局分析

高钱珠，孔德洋

(同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

0 引言

随着全球温室效应日益严峻、不可再生能源供应持续紧张、经济全球化和全球知识经济迅猛发展，新能源汽车因其低碳环保，逐步成为未来汽车行业发展的重要方向。许多国家均将混合动力汽车视为满足节能法规的有效方法之一。混合动力汽车大致可分为串联式、并联式和混联式[1]。近些年来，插电式混合动力汽车(PHEV)也得到了科研工作者的广泛研究[2-3]。混合动力汽车在运行过程中依靠能量管理策略(EMS)对整个系统的控制，插电式和非插电式混合动力汽车的能量管理目标稍有不同，前者装载了大容量电池，其能量管理策略可以工况、行驶里程等为目标，后者一般以SOC稳定为目标[4]。

能量管理策略按照控制方式的不同，分为启发式策略(Heuristic)和基于优化的策略(Optimization)。启发式策略又分为基于规则(Rule based)和模糊逻辑(Fuzzy logic)。基于规则的能量管理测量，主要基于一定的规则设定的，就包括很多参数，例如车辆或者引擎的速度、驱动力扭矩等。模糊逻辑[5-6]是诞生于模糊集合理论的多值逻辑的一种形式，它处理推理是用近似的，而不是准确的，可实现在线控制。基于优化的策略主要分为两大类，即实时优化(Real-time)和全局优化(Global)。实时优化基于瞬态价值函数，人们可以得到实时的控制策略。不需要提前预知未来工况，且计算量小。包括了等效燃油最小和模型预测控制。全局优化需要全部行驶方式的内容，包括电池的荷电状态、行驶路况、驾驶员的反应以及路线。因为计算的复杂性，它们并不适合应用于实时的使用中。DELPRAT团队[7]提出了全局优化算法，还为已知的循环工况以及所有的荷电状态范围提出了一种全局优化管理策略[8]。这项研究提供了快速的全局最优解决方案，以及使得燃油消耗最小化。

随着车联网的发展，GPS、GIS等在车辆运行中得到更多的应用[9]，美国交通部报道，车联网技术的应用可节省42亿h的车辆怠速时间及106亿L的燃油消耗，同时也可减少79%的交通事故及因交通拥堵而产生的损失[10]。将整车信息与外部信息整合，可实现整车内外协作，最大化地实现功率的最优管理。王志勇[11]认为基于实时交通信息的能量管理，可利用GPS、GIS、V2X(车联网技术)以及ITS(智能交通系统)等，控制器依据接收到的信息，预先规划最佳SOC轨迹及最优控制策略。不论从车辆自身进行控制，或是结合外部信息对车辆进行最优控制，在目前而言，都有其各自的优劣。而智能化和网联化的发展，是未来混合动力汽车能量管理的发展方向。

基于以上描述，本文作者基于路况或路径规划的预测性能量管理，并结合混合动力汽车进行专利的检索和分析。

1 全球各国及其主要专利主体的专利布局和竞争力分析

文中采用的检索平台为Innography，检索时间截止到2021年9月。Innography是由美国Dialog开发的一款包含了90多个国家和地区的发明和实用新型及外观设计等数据的专利检索软件，其特有的核心专利——挖掘功能，基于对专利强度的界定[12]，可帮助快速挖掘核心专利，检索功能丰富，并且提供约50种可视化的显示方式。专利强度参考了十余项内容，即包括专利引用与被引数、同族专利数、专利诉讼数据、专利的权利要求数、专利年龄、专利申请的时间、专利的原创性和普遍性原则等指标[13]。

1.1 申请趋势

图1为按照公开年(Publication Year)统计的全球专利申请趋势分析，可看到技术发展的趋势。从1979年，全球开始申请基于路况或路径规划的混合动力汽车能量管理的专利，主要是德国、土耳其、美国等国家申请专利。欧盟自1991年起，就一直关注能源的节约和可再生能源的推广，2008年公布了《关于发展新能源汽车的立法建议》及《欧盟交通道路电动化路线图》[14]。2002—2006年，申请量逐步增加，美国专利申请数量最多，日本、中国、韩国的专利申请数也逐年增加。2007年，全球开始大范围申请该领域的专利，自2008年至今中国在该领域的年申请量均居全球最高，其次是美国和德国。

图1 基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理全球专利申请趋势分析

我国早在2001年就提出了新能源汽车行业发展的“三纵三横”的研发布局，2012年出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，2015年制定了《中国制造2025》，明确了发展新能源汽车的重要性。随着经济发展，中国汽车市场也得到全球更多的关注。在专利制度和质量方面，2010年发布《全国专利事业发展战略(2011—2020)》，全力打造专利“孵化器”[15]，为后期专利申请数量的增长奠定了政策的基础。

1.2 技术领域分布

通过统计IPC分类号的分布，可发现全球该领域专利的技术分布。通过分析检索数据，可以看出基于路况或路径规划的混合动力汽车能量管理的专利，主要分布于B部(作业；运输)、G部(物理)和H部(电学)。其中B部(作业；运输)占比45.1%，另外再以IPC小类的专利数排序(表1)，发现技术领域主要集中于B部的B60W 20/00(专门适用于混合动力车辆)，占比为19.7%，在申请量中排名第一；B60W 10/00(不同类型或不同功能的车辆子系统的联合控制)占申请量的8.5%；B60K 6/00(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，例如具有电动机和内燃机的混合动力系统)占申请量的5.8%；B60L 11/00(车辆内部供电的电力推进装置)占申请量的2.8%；B60W 30/00(不与某一特定子系统的控制(例如，使用车辆子系统联合控制系统的控制)相关联的道路车辆驾驶控制系统的使用)占申请量的2.4%。上述IPC所代表的技术领域，为基于路况或路径规划的混合动力汽车能量管理专利的技术密集分布区。

表1 基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理专利IPC分布(Top5)

1.3 全球专利布局分析

1.3.1 各国及其主要专利主体在全球的专利布局

表2以专利主体所在国分类，并列出专利申请数前五位的国家在全球的主要专利申请国/机构，以此分析各国在全球各个地区的专利分布情况。图2列出了五国对应的主要专利主体及其专利申请数在其国家总申请数中的占比。结合表2和图2，可以看到国内均为各国的主要专利申请地区，中国在该领域的国际专利布局主要为WIPO和美国，涉及的专利主体(TOP3)为吉林大学、江苏大学和北京理工大学。美国主要在中国、WIPO、巴西、印度和德国进行国外专利布局，涉及的专利主体(TOP3)为福特汽车、通用汽车和康明斯；德国主要在美国、WIPO、中国和EPO进行国外专利布局，涉及的专利主体(TOP3)为保时捷控股、博世和巴伐利亚机械制造厂股份公司；韩国主要在中国和美国进行国外专利的布局，涉及的专利主体(TOP3)为现代汽车、LG电子和佑理产业控股集团；日本主要在WIPO、美国、中国进行国外专利布局，涉及的专利主体(TOP3)为丰田汽车公司、日产汽车和日立集团。中国、WIPO、美国是5个国家主要的专利布局地区。另外，从表2中还可以看出：美国的专利申请，布局的国外地区更加广泛，在亚洲、北美洲、南美洲、欧洲、大洋洲多有布局，其国外地区的专利申请占比47.4%；而中国的专利申请，主要还是布局在亚洲、北美洲、欧洲，其国外地区的专利申请占比仅为1.6%。即对于中国来说，如果想要在全球范围内保护该领域内的专利，并且与美国的各个专利主体展开竞争，则需要加大在国外地区的专利申请数量以及所覆盖的地区。

表2 五国基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理专利在全球的主要分布

图2 基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理的五国主要专利主体对比

1.3.2 全球专利主体竞争力分析

然后将基于路况或路径规划的混合动力汽车能量管理专利，以专利主体结合竞争力进行分析，得到竞争力分析，如图3气泡图所示，纵轴往上的方向，以及横轴往右的方向为实力较强的方向，专利申请数以气泡的大小来标识。

图3 基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理专利竞争力分析气泡图

从专利申请数看，排名前五的分别为现代汽车、福特汽车、吉林大学、通用汽车和博世。

从竞争力来看，以4个象限判断各个专利主体的竞争力。第一象限既有资源，也有技术远见，福特汽车、通用汽车、博世、丰田汽车以及现代汽车均为佼佼者。丰田汽车的气泡处于最上方，拥有最强的经济实力；福特汽车的气泡处于最右方，拥有的专利价值最高，且专利申请数排名第二。第四象限的专利主体包括吉林大学以及日产汽车，它们虽然缺少资源，但是拥有技术远见。第三象限主要的专利主体为江苏大学、北京理工大学、保时捷控股、浙江吉利控股集团有限公司等。第二象限的专利主体为巴伐利亚机械制造厂股份公司以及戴姆勒股份公司。

从图3可以看出，国外的专利主体以企业为主，既有资源、又有技术远见，实力很强。中国的高校，在该领域的专利申请数量较多，也比较有技术远见，但缺乏资源；而中国上榜的企业比较少。因此，对于我国的专利主体来说，如果能够增加校企间的联动，多开展“产学研一体化”的合作，则可以强强联合、优势互补，进而就能够逐渐缩小与国外专利主体在该领域的差距。

1.3.3 主要专利主体的竞争力分析

结合图2和图3，分别选取美国的专利主体福特汽车、以及中国的专利主体吉林大学作为主要专利主体进行分析。福特汽车兼具技术远见和资源，吉林大学为中国在该领域专利数最多、并且技术远见最高的专利主体，下面将就两者在技术领域和专利竞争力方面进行对比分析。

对两家专利主体基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理专利方向的专利进行文本聚类，并标出强度60～100的专利，得到图4专利图景，其中，一个小的方块代表专利在该关键词中出现的次数，大的方块代表不同的关键词；浅灰色和白色为福特汽车的专利，白色为高强度专利；灰色和黑色为吉林大学的专利，黑色为高强度专利。从图4中可以看出，福特汽车的专利主要着重于动力系统/传动系统、信号、车速等，其高强度专利的数量达到了23个，主要集中于信号、动力系统/传动系统和控制策略；而吉林大学的专利则更侧重于混合动力汽车、油耗和实时，但其高强度专利的数量只有2个，关键词包含信号、控制系统、能量管理和需求扭矩。专利主体的高强度专利的数量，意味着该专利主体在此细分领域的全球竞争力以及影响力。由上可见，在高强度专利方面，吉林大学数量很少，与福特汽车有着很大的差距。对于我国的专利主体来说，后续多布局高强度的专利，势在必行。

图4 基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理专利图景

表3为美国的福特汽车以及中国的吉林大学关于预测性混合动力汽车能量管理的核心专利分析。福特汽车的发明专利(US20090043467 A1)于2007年8月9日在美国申请，并以此为优先权日，分别于2008年在英国和德国申请了专利(GB0813626和DE102008031826)。专利基于模糊规则逻辑来指导车辆驾驶员选择最佳驾驶策略以实现最佳燃油经济性。咨询系统用于至少有一个电源的车辆动力系统，包括单独的控制器，用于向驾驶员提供有关驾驶员动力需求的咨询信息和有关车辆制动的咨询信息。吉林大学的专利(CN201910352493A)，是基于路径信息的PHEV自适应最优能量管理方法，通过车载导航系统预测行驶工况和里程，基于SOC规划算法生成参考SOC，进行APMP优化算法，通过CAN总线传递给各执行部件控制器，完成PHEV的整车控制。

表3 福特汽车和吉林大学关于预测性混合动力汽车能量管理的核心专利分析

由表3可知，在专利强度方面，福特汽车的核心专利强度为83，高于吉林大学的60；在前引和后引数量方面，福特汽车分别是74和55，遥遥领先于吉林大学的6和0，可见福特汽车的这篇核心专利，其全球影响力很强。

2 结论及展望

综上所述，针对“基于路况或路径规划的预测性混合动力汽车能量管理”这个细分领域的全球专利布局，文中分别从申请趋势，技术领域分布，五国在全球各地区的专利申请分布，各国主要专利主体的竞争力分析等四大方面进行了分析和讨论。

在申请趋势方面，我国从2008年开始，在该细分领域的专利年申请量均居全球最高，即近年来我国的专利主体在逐渐追赶国外的专利主体。但是，从全球各地区的专利申请分布来看，我国的专利主体所进行的专利布局，主要集中在中国(98.4%)，而美国的专利主体所进行的专利布局，在其国内只有47.4%，即美国专利主体布局的国外地区更加广泛，在亚洲、北美洲、南美洲、欧洲、大洋洲多有布局；而中国的专利申请，主要布局在亚洲、北美洲以及欧洲地区。对于我国来说，如果想要在全球范围内保护该细分领域内的专利，并且与美国的各个专利主体展开竞争，则需要加大在国外地区的专利申请数量以及所覆盖的地区。

从各国主要专利主体的竞争力分析方面可以看出，国外的专利主体以企业为主，既有资源、又有技术远见，实力很强。而中国的专利主体以高校为主，虽然在该领域的专利申请数量较多，也比较有技术远见，但缺乏资源。另外，从高强度专利的数量、尤其是核心专利的全球影响力方面来看，在该细分领域，我国的主要专利主体与国外尤其是美国的专利主体相比，还是有较大的差距。

因此，对于我国的专利主体来说，如果能够增加校企间的联动，后期多开展“产学研一体化”的合作，则可以强强联合、优势互补，进而就能够逐渐缩小与国外专利主体在该细分领域的差距。另外，还要进行横向项目以及纵向项目的拓展和延伸，可以考虑将资源更多地放在高强度专利的布局，特别是核心专利的布局上，进而提高我国专利主体的综合实力以及全球影响力。通过不断地努力，进而在混合动力汽车能量管理的专利布局上占据制高点，这对于我国专利主体在全球建立技术影响以及提升市场占有率，都具有很深远的战略意义。