2011—2020年全球能源互联网专利产出与热点领域分析

夏 越，金宇飞，高 峰，王雁河，王治兰，KAI Strunz

（1. 中国农业大学，北京 海淀 100083； 2. 清华大学能源互联网创新研究院，北京 海淀 100085；3. 北京英迈琪科技有限公司，北京 房山 102488；4. 柏林工业大学，德国 柏林 10587）

能源互联网的提出和发展具有深刻的环境、经济、社会和政策等诸多驱动力。它既是能源系统自身发展的趋势，也是外部对能源系统提出的迫切需求[1]。能源互联网作为新型能源系统，代表了未来能源系统的形态。信息技术与能源技术的结合，模式创新与技术创新的结合，数字革命与能源革命的结合，则是通过“升维”的方式颠覆性地推动能源转型。能源互联网依托系统性思维，利用数字化技术，协同高效破解安全可靠、价格低廉、绿色低碳的能源不可能三角。

能源互联网是以电为核心，利用可再生能源发电技术、信息技术，融合电力网络、天然气网络、供热和供冷网络等多能源网以及电气交通网形成的异质能源互联共享网络[2]。能源互联网通过技术革命和体制革命加速生产革命和消费革命，对提高可再生能源比重，促进可再生能源消纳，提高能源利用效率，构建低碳可持续能源系统以及支撑服务人类命运共同体建设具有重要意义[3-4]。

在可再生能源发电技术和信息技术迅猛发展的今天，能源互联网作为互联网与新能源技术融合的产物，已经成为学术界与工业界的研究热点和关注焦点。国内外众多研究人员活跃于能源互联网领域，研究范畴跨越了电气、能源、信息、材料等多个领域，从电力行业扩展至能源领域，相关的研究成果不断涌现[5]。诸多学者从不同角度综述了全球能源互联网发展状况。《全球能源互联网研究与展望》系列报告研究了全球能源互联网发展路线，分析了全球能源互联网发展的关键技术，为全球能源互联网建设提供指导方向[6]。《能源互联网专业发展报告》归纳了能源互联网的基本概念、发展理念以及关键技术体系，对于综合能源系统规划与运行技术、信息物理能源系统技术等6 个主要技术方向的最新研究进展和未来发展趋势进行了分析总结，并结合机制分析给出了我国能源互联网创新发展应采取的主要战略与措施建议。《碳中和背景下能源互联网科技创新国际趋势分析与我国发展建议》从产、学、研等方面，对2011—2020年各主要国家对能源互联网的投入力度和论文产出进行了研究，分析我国在能源互联网科技创新投入强度、产出质量和效率方面同主要国家的差距。《2021 国家能源互联网发展年度报告》的主要内容包括能源互联网发展指标体系、中国能源互联网发展现状以及全球视角下的能源互联网，展示了我国能源互联网生态的最新动态[7]。上述研究主要从论文产出、应用案例或者技术架构的角度展开分析。专利是科技创新和技术发明的重要载体，是一种重要的知识产权类型[8]。本文基于2011-2020年全球能源互联网领域专利数据，从专利数量、典型国家（组织）专利数量分布、机构专利数量分布、研究热点领域等多个角度分析了近10年全球能源互联网发展状况与变化趋势。进一步通过聚类分析，研究了全球能源互联网热门研究领域，并对部分国家能源互联网领域发展态势进行了对比。

1 数据源和检索方法

本文分析所使用的能源互联网专利数据来自覆盖126 个国家和地区的专利数据库。专利数据库中包括中国、美国、日本、韩国、欧盟、世界知识产权组织等全球33个主要国家和地区的专利数据以及全球其他93个国家和地区的专利数据。数据库基本囊括全球专利数据，超过1.6 亿的专利数据，82 个国家和地区外观设计专利数据，62个国家和地区专利PDF数据。

为从海量专利数据中提取能源互联网领域相关的专利，本文以分类号作为主要检索方法。分类号是专利文献的重要标识之一，是迅速有效地从大量专利文献中检索到所需技术的重要途径之一。全球使用最广泛的分类号是国际专利分类体系（ⅠPC），但该分类号存在更新周期长、单一分类号下文献量大、结果可读性差等缺陷，难以实现高效检索。为了避免上述问题，本文采用美国专利商标局（USPTO）和欧洲专利局（EPO）共同开发的联合专利分类体系（cooperative patent classification，CPC）分类体系。CPC 分类表的编排参照ⅠPC 标准，并融入了USPTO 和EPO 各自的分类体系，与ⅠPC 相比，CPC 的分类条目更加细化，可以迅速有效地从大量专利文献中检索到所需的技术信息。分类号的确定同时考虑两方面因素。一方面是从能源互联网技术本身出发，寻找与能源互联网技术相关的分类；另一方面是将信息技术和能源做交集，保证专利数据的完整性。为了剔除相关性低的专利，在CPC分类号的基础上，通过引入已有研究报告涉及的能源互联网领域技术关键词，完成对专利数据进一步筛选，提高分析数据的准确性。本文专利检索期间为2011年1月1日—2020年12月31日；在数据库中执行检索操作的时间为2022 年5 月6 日（由于部分专利信息公开具有滞后性，不同的检索时间得到的数据有所差异）；共得187605条检索结果。

2 全球能源互联网专利产出分析

专利数量统计范围包括发明专利申请的数量和已授权的专利数量。专利产出是专利的申请量，按照申请日进行统计。通过从机构、国家及整体角度上分析能源互联网专利的产出，便于多维度把握全球能源互联网的发展趋势。

2.1 专利产出数量和授权量变化趋势

2011—2020 年全球能源互联网专利数量年度变化趋势如图1 所示。数据显示从2011 年开始，全球能源互联网领域专利数量逐年增加，其中2016 年专利增长率最高，达到19.95%。2018 年专利产出数量达到近10 年峰值。2018 年以后呈缓慢下降趋势，这是因为专利的申请审查一般需要2～3年左右的公开期。

同时期的专利授权数量也呈现逐年增加的趋势，如图2所示。专利授权量从2011年的36项逐渐增加到2020 年的8698 项。从图1 和图2 可以看出，全球能源互联网领域的专利产出数量和授权数量整体上呈现上升趋势，表明全球能源互联网正处在快速发展阶段。这与世界各国积极出台激励性政策，并不断加大能源互联网领域的资助力度，以及相关人员的持续深入研究有着直接关系。

图1 2011-2020年全球能源互联网专利数量变化趋势

图2 2011-2020年全球能源互联网专利授权数量变化趋势

2.2 部分国家（组织）专利数量变化趋势

为了研究不同国家（组织）能源互联网发展的异同，2011—2020 年全球能源互联网专利产出的前10 名国家（组织）如图3 所示。前10 分别为中国、美国、日本、世界知识产权组织、欧洲专利局、韩国、德国、澳大利亚、加拿大和英国。其中世界知识产权组织（WⅠPO）是联合国保护知识产权的一个专门机构，有193个成员国，共同遵守《WⅠPO公约》，其宗旨是通过国与国之间的合作，并在适当的情况下，与其他国际组织进行协作，以促进在全世界范围内保护知识产权；欧洲专利局（EPO）是根据欧洲专利公约，于1977年10月7日正式成立的一个政府间组织，其主要职能是负责欧洲地区的专利审批工作。欧洲专利局有38个成员国，覆盖了整个欧盟地区及欧盟以外的10 个国家。需要注意的是：虽然德国属于欧洲专利局组织的一个成员，但德国同时也有自身的专利局，图中德国指的是德国自身的专利局受理的专利。

图3 2011-2020年能源互联网专利产出前10名国家（或组织）

从图3 可以看出，近10 年能源互联网领域专利产出排名前10 的国家（组织）数量相差较大。中国、美国的专利产出数量遥遥领先其他国家，分别达到了70241项和32962项。日本、世界知识产权组织、欧洲专利局和韩国的专利数量相当；而德国、澳大利亚、加拿大和英国专利数量相对较少。可知，中美两国在能源互联网研究领域处于领先地位。各国能源互联网的发展水平一方面受到国家体量、经济发展等因素影响，另一方面，也与国家对相关领域的重视程度有着密切关系。

2011—2020年能源互联网领域专利产出前10国家（组织）的年产出变化趋势如图4 所示。数据显示我国能源互联网发展一枝独秀。2013年前，专利数量低于美国。2015年以后专利数量大幅上升，增长势头强劲。2015年后我国能源互联网专利数量的爆发与国家政策引导及国内市场需求密切相关，如国务院印发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》力推互联网由消费领域向生产领域拓展，强调互联网与各领域的融合发展。到2018年专利数量达到近10年的最大值。虽然之后略有下降，但总体保持不断发展的趋势。

图4 2011-2020年全球主要国家（组织）能源互联网专利数量变化趋势

2013 年之前，美国专利产出数量位居世界首位。2011—2017 年的专利产出也呈现持续上升趋势。2013年之后，专利数量落后中国，但仍高于其他的主要国家。整体上看，美国的专利数量近10年的波动变化不大，处于相对稳定发展阶段。

需要注意的是：除中国之外，多数国家近2018—2020年专利数量呈下降趋势。这是因为专利授权的公开期具有滞后性。而中国2019年之后仍呈现上升趋势的主要原因是国内专利申请人在初审合格后可以提前公开发明专利。

2.3 专利产出前10机构

能源互联网专利产出的前10 名机构主要为企业，如图5 所示。前10 机构分别为国家电网公司（中国）、丰田自动车株式会社（日本）、株式会社LG化学（韩国）、三星电子株式会社（韩国）、中国电力科学研究院有限公司（中国）、西门子公司（德国）、现代自动车株式会社（韩国）、罗伯特·博世有限公司（德国）、高通股份有限公司（美国）以及通用电气公司（美国）。图中，中国电力科学研究院有限公司虽隶属于国家电网公司，但作为独立法人单位，其专利数量单独进行统计。

图5 2011-2020年全球能源互联网专利产出前10名机构

专利产出数量排名第一的是国家电网公司，专利数量高达8038 项，其他机构的专利产出数量在1000～2000 左右。国家电网公司专利产出数量大幅领先其他企业。这从侧面证明了国家电网公司对能源互联网发展的重视与投入程度，也与国家电网公司“建设具有中国特色国际领先的能源互联网企业”战略目标相吻合。从国别分析，韩国机构数量最多，为3 个；中国机构、美国机构和德国机构数量均为2；日本机构数量为1。表明了中国、美国、韩国、德国和日本企业在能源互联网技术领域基础研究中的领先地位。韩国、德国和日本虽整体专利数量无法与中、美相比，但其部分企业仍具有良好的技术积累与强劲的竞争力。

3 能源互联网专利技术分布分析

为了进一步研究能源互联网热门研究领域，本文采用专利数据进行聚类分析，得到了能源互联网领域专利两级技术分布情况。

3.1 技术分布对比

2011—2020 年能源互联网专利的技术分布如图6 所示。专利产出主要集中在工程学领域，占比高达80%。其次是计算机科学、材料科学、化学和物理学，占比分别约为10%、5%、4%和1%。这反映了能源互联网研究涉及的学科范围广，技术分布覆盖面广。但其研究主体主要集中在工程学领域。

图6 2011-2020年能源互联网专利产出各技术主题占比

图7 和图 8 是 2011—2015 年和 2016—2020 年两个不同阶段的能源互联网专利产出技术主题分布图。整体上看，能源互联网领域的主要技术主题变化不大，包括工程学、计算机科学、材料科学、化学、物理学、医学、环境地质学和生物学，反映了能源互联网领域学科交叉性强，覆盖面广泛的特点。相比于2011—2015年期间，2016—2020年期间能源互联网加速发展，各技术主题专利产出数量均有所增长，其中以工程学和计算机科学主题的专利产出增长较多，分别增加了24819 项和5610 项。而其余技术主题的专利数量增长幅度较小。这体现了能源互联网关键技术突破主要集中在这两个方向。工程学和计算机科学已成为能源互联网热门研究领域。

图7 2011-2015年能源互联网专利产出技术主题分布

图8 2016-2020年能源互联网专利产出技术主题分布

3.2 热点领域分析

工程学和计算机科学是能源互联网研究的主要领域，通过进一步细分可得到专利数量排名前10的二级技术主题，如表1和表2所示。二级主题是依据专利内容进行分类，是一级主题的子分类。

表1 工程学中专利数量前10的二级技术主题

表2 计算机科学中专利数量前10的二级技术主题

从表中可以看出，二级技术主题较为全面地涵盖了能源互联网的核心技术。工程学的二级技术主题与能源转换技术、直流电网技术、大功率电力电子器件及能源路由器等相关，计算机科学的二级技术主题与大数据技术、云计算技术、先进的通信技术等紧密联系。

在工程学主题中，能源互联网专利产出主要集中在电气电子工程、汽车工程、控制理论、嵌入式系统、电信等，这些研究领域与电网呈强相关性，反映了能源互联网以电网为主体的建设架构。近些年，新能源汽车在政策激励下发展迅速，与此相关的车并网技术、电池技术等得到广泛关注，是能源互联网技术未来创新的重要方向。

信息技术融合是能源互联网的另一关键特征。计算机科学中的二级主题主要包括实时计算、仿真、计算机网络、计算机硬件、分布式计算、人工智能等。表明了国内外研究人员已将前沿的信息技术应用到能源互联网，实现能源利用的高效化、智能化。

3.3 部分国家研究热点分析

基于以上分析，通过对比能源互联网领域主要国家（组织）在不同技术主题的专利数量，可以较为直观地了解各个国家在能源互联网领域的研究兴趣和综合实力。主要国家（组织）一级主题的技术分布如图9 所示。二级主题的技术分布情况如图10所示。

图9 部分国家（组织）一级主题的技术分布

图10 部分国家（组织）二级主题的技术分布

在一级主题的技术分布中，我国在各个一级技术主题的专利数量均高于其他的主要国家（组织），这在一定程度上反映出中国高度重视能源互联网发展，在各个技术领域均有大量研究人员积极开展研究工作。此外，各个国家对工程学科都表现出极高的关注度，专利产出均远高于其他主题。计算机科学是中国和美国的第二大技术主题。而日本和世界知识产权组织的第二大技术主题是材料科学，体现出不同国家在能源互联网领域的研究重点存在差异。德国、澳大利亚、加拿大和韩国在工程学科以外的其他学科的专利数量较低，可见这些国家的研究人员在能源互联网领域的关注点较为集中。

在二级技术主题中，电气电子工程是各国专利数量最高的主题，该主题隶属于工程学科，与上述分析相一致。中国和美国在电气电子工程领域的专利数量远高于其他国家，并在其他的技术领域也有可观的专利产出，表明中国和美国在能源互联网发展中重点领域突出，其他领域发展较为均衡。

4 结束语

全球能源互联网正在向多元化、规模化发展，能源互联网的发展需要持续的科技创新来推动。技术专利是能源互联网发展中的一项重要内容，反映出能源互联网的发展动态、发展水平、发展趋势。

本文通过专利文献检索方法获取了2011—2020年近10年间全球能源互联网的专利数据，从专利产出和研究领域两个方面进行了深入分析。研究结果表明，2011—2020 年期间，全球能源互联网的专利数量总体呈逐年稳步上升的态势。近几年，我国能源互联网技术发展迅猛，已成为全球能源互联网发展的主要驱动力量之一。当前能源互联网技术创新主要集中在电气电子工程领域，能源-信息-计算机技术等多学科交叉融合日益明显，是能源互联网未来重要发展方向。