基于專利計量的汽車底盤輕量化發(fā)展態(tài)勢研究*

（中國科學技術信息研究所 北京 100038）

引言

汽車工業(yè)快速發(fā)展的同時，環(huán)境污染、能源危機等問題越來越成為人們關注的焦點，各國積極制定政策和采取措施以應對汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的各種問題。美國早在1975 年就制定了能源政策和節(jié)約法案（EPCA），建立“公司平均燃油經(jīng)濟性”（Corporate Average Fuel Economy）標準，對汽車燃油效率做了強制性規(guī)定；日本在本世紀初啟動“領跑者計劃”以應對石油危機；歐盟也在不斷加強排放標準，倒逼車企技術升級[1]。各國都在相繼出臺和升級越來越嚴格的強制性法令法規(guī)，通過限制車輛的燃油消耗和尾氣排放，迫使企業(yè)加大技術研發(fā)，以響應政策的規(guī)定以及滿足市場的需求。

汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要方式之一，也是汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。汽車輕量化，是在滿足汽車安全性、可靠性、成本控制等多種條件下，通過降低汽車的整備質(zhì)量，達到節(jié)能減排的目的。輕量化也有利于提升汽車的加速和制動性能，增加有效載荷、提高運輸效率以及帶來材料的節(jié)約。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%-8%[2]。汽車輕量化技術可以分為結構優(yōu)化、輕量化材料應用和先進制造工藝3 個主要方面[3]。目前有關輕量化的研究多是集中在車身結構，而底盤系統(tǒng)作為汽車的重要組成部分，占據(jù)整車質(zhì)量的30%以上[4]，具有很大的輕量化潛力。輕量化技術在電動汽車節(jié)能領域也占有重要地位，因為在同等條件下，輕量化意味著更少的能源消耗，可以減少電池成本從而進一步減少電動車的總成本[5]。新能源汽車對輕量化有迫切的需求，為汽車底盤行業(yè)的發(fā)展帶來新的契機。

專利中蘊藏著豐富的法律、技術、經(jīng)濟信息，通過進行專利分析可以使這些信息具有縱覽全局及預測的功能，為政府和企業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。本文旨在從專利角度分析汽車底盤輕量化技術全球發(fā)展態(tài)勢。另外，由于專利從申請到公開存在1～2 年（一般為18 個月）的延遲，因此2017 年以后的數(shù)據(jù)僅供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文的研究對象為汽車底盤輕量化技術的專利概況與市場狀況，使用的數(shù)據(jù)庫為“萬象云專利數(shù)據(jù)庫”，檢索策略主要結合關鍵詞和IPC 分類號進行檢索，檢索時間為2019 年9 月26 日，共檢索到專利總數(shù)9 172 條。

數(shù)據(jù)處理工具主要應用excel、谷歌開源的數(shù)據(jù)轉換工具openrefine，文本分析與可視化工具ITG Insight，通過excel 對所檢索到的專利進行初步的處理，結合openrefine、ITGinsight 進行數(shù)據(jù)清洗，再應用ITGinsight 進行專利的主題詞提取以及進一步的文本分析。

2 汽車底盤輕量化市場分布研究

2.1 專利申請趨勢分析

全球汽車底盤輕量化專利的逐年申請量變化趨勢如圖1 所示。

圖1 全球汽車底盤輕量化專利的逐年申請量變化趨勢

汽車底盤輕量化技術專利數(shù)量與汽車工業(yè)的發(fā)展、輕量化材料以及輕量化工藝的發(fā)展息息相關，并受市場結構和政策影響等外部因素影響。按照申請量的增長情況，可以將其大致劃分為4 個階段。1973年以前汽車底盤輕量化技術專利增長呈現(xiàn)上下浮動，專利申請數(shù)目較少，且年申請量不超過20 件，專利申請數(shù)量增長緩慢，為底盤輕量化技術的萌芽期。1973 年至1993 年為第二個階段。從1973 年到1992年的20 年間，底盤輕量化專利從13 件逐漸增長到114 件，底盤輕量化技術專利數(shù)量大幅度增長。受20世紀70 年代爆發(fā)的兩次石油危機影響，車企紛紛技術升級，加快投入輕量化和低油耗的車型與零部件的研發(fā)，尤其是日本在豐田公司的帶動下，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，低油耗車型在國際市場上大受歡迎。1993至2008 年間，底盤輕量化增長速率進一步提升。進入21 世紀以來，環(huán)境與能源問題凸顯，各國在汽車節(jié)能減排方面加緊戰(zhàn)略政策布局，加速底盤輕量化技術的研發(fā)升級。2009 至2017 年，汽車底盤輕量化技術進入快速增長期，一方面是新能源汽車發(fā)展勢頭迅猛，新能源汽車作為環(huán)保節(jié)能的主要方式之一，是各國汽車工業(yè)發(fā)展的發(fā)力點；另一方面是新材料的研發(fā)不斷取得突破，鋁合金、碳纖維及其復合材料等輕量化材料，正向著低成本、高性能、通用化發(fā)展，汽車制造業(yè)工藝方法和技術也隨著汽車輕量化程度的加深有了進一步的發(fā)展[6]。

圖2 汽車底盤輕量化全球?qū)＠麉^(qū)域分布情況

2.2 專利區(qū)域分布

將萬象云數(shù)據(jù)庫中國家/地區(qū)字段作為專利申請國，將專利權人歸屬地字段作為專利的技術來源國。中國無論從專利申請的技術市場還是技術所屬，都以絕對的優(yōu)勢占據(jù)世界首位，說明中國底盤輕量化市場已經(jīng)具有一定的規(guī)模，在底盤輕量化領域具備一定的研發(fā)能力，并吸引國外專利權人進行專利市場布局。日本和美國的專利申請數(shù)量位于其后，是底盤輕量化主要的專利申請地和技術來源國；德國、韓國以及英國、法國、加拿大等國家在底盤輕量化技術市場也擁有一定的實力。其中日本和德國作為技術來源國的專利申請數(shù)量明顯超過作為技術公開國的專利數(shù)量，相較于其他國家更注重國際市場的開拓。

汽車底盤輕量化全球?qū)＠麉^(qū)域分布情況如圖2所示。

從主要國家的申請趨勢上來看，日本、美國、德國在2008 年以前占據(jù)了大部分的市場。日本、美國、德國作為發(fā)達國家，底盤輕量化技術開展早，德國、美國最早開展底盤輕量化技術的研發(fā)，日本在70 年代開始進入相關專利的研發(fā)，并且后發(fā)優(yōu)勢顯著。美國在1993 年提出新一代汽車合作計劃（Partnership for a New Generation Vehicle），輕量化是其中的關鍵路線。該計劃的重點之一就是研究先進的制造工藝及優(yōu)質(zhì)、可循環(huán)利用的材料以減小質(zhì)量和提高燃油效率。針對輕量化，還有一些代表性的項目，如國際鋼鐵協(xié)會（IISI）啟動ULSAB（Ultra Light Steel Auto Body Advanced Vehicle Concepts）項目、德國蒂森鋼廠開展的NSC（New Steel Concept）項目、歐盟開展超輕車項目（Super Light-Car）等[7]。

新能源汽車的關鍵是電池系統(tǒng)，電池系統(tǒng)是否有技術突破，取決于電池各部位所選用的新材料，所以底盤輕量化技術的發(fā)展，對新能源汽車來說尤為重要。新能源汽車的發(fā)展對汽車底盤輕量化提出了更高的要求，促使輕量化材料、輕量化制造工藝以及結構優(yōu)化等方向加快技術研發(fā)升級。美國《電動汽車普及大挑戰(zhàn)藍圖》中輕量化作為電動汽車研發(fā)投入重點之一，設定到2022 年，插電式電動汽車整車質(zhì)量減小約30%，其中底盤系統(tǒng)質(zhì)量減小約25%的輕量化技術發(fā)展目標。德國《國家電動汽車發(fā)展計劃》中，也將輕量化列為重點發(fā)展方向之一。

汽車底盤輕量化專利2008 年前后分國別申請趨勢如圖3、4 所示。

圖3 汽車底盤輕量化專利2008 年前分國別申請趨勢

圖4 汽車底盤輕量化專利2008 年后分國別申請趨勢

中國底盤輕量化技術起步較晚，在2002 年以前該領域?qū)＠晟暾埩坎怀^10 件，在2002 年以后專利數(shù)量增長速度逐漸加快。尤其是從2008 年開始，底盤輕量化技術相關專利申請數(shù)量超過了日本、美國、德國等汽車工業(yè)強國，躍居世界首位。此后中國底盤輕量化專利申請數(shù)量顯示出其突出的增長速度，于2017 年達到專利數(shù)量申請的峰值514 件。

近年來，我國推出了一系列的國家戰(zhàn)略、政策及規(guī)劃，大力支持汽車輕量化的發(fā)展。《中國制造2025》中，將節(jié)能與新能源汽車列為十大關鍵領域之一，其中強調(diào)了提升輕量化材料等核心技術的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力。2012 年國務院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和2017 年工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合印發(fā)的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中都強調(diào)了加強汽車輕量化以及輕量化材料的核心技術攻關。《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》分階段規(guī)劃了高強度鋼、鋁合金和鎂合金、碳纖維復合材料等發(fā)展重點。2015 年，中國汽車工程學會、汽車輕量化技術創(chuàng)新聯(lián)盟和中國第一汽車股份有限公司技術中心聯(lián)合組編《中國汽車輕量化發(fā)展—戰(zhàn)略與路徑》，對我國輕量化技術未來發(fā)展也提出了發(fā)展路線和政策建議。

荷蘭、挪威、德國、美國加州等國家或區(qū)域已然公布禁售燃油車時間表，我國能源與交通創(chuàng)新中心也發(fā)布了《中國傳統(tǒng)燃油汽車退出時間表研究》，提出了基于傳統(tǒng)燃油車禁售與推出的2050 年未來情景。禁燃聲明更多地是發(fā)揮指引性作用，為產(chǎn)業(yè)和消費升級帶來了良好契機。

目前我國汽車產(chǎn)業(yè)已進入轉型升級的戰(zhàn)略機遇階段，新能源汽車的發(fā)展正進入加速發(fā)展階段。近些年來，世界汽車工業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)結構變革、轉型升級的新時期，我國抓住歷史機遇，在新能源汽車領域取得先發(fā)優(yōu)勢。我國在2009 年至2010 年之間密集出臺政策，加大新能源汽車產(chǎn)業(yè)的扶持力度。無論是市場規(guī)模還是產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，我國在全球的新能源汽車產(chǎn)業(yè)中都占有舉足輕重的地位，甚至在較大程度上加快了全球新能源汽車發(fā)展的進程。全球的車企不得不將目光聚集在中國市場，重視其專利布局。截止2018 年底，全球新能源汽車累計銷量突破564×104輛，中國占比52.8%，超過半數(shù)，連續(xù)4 年居世界首位。

2018 年，受宏觀經(jīng)濟增速回落、購置稅優(yōu)惠政策全面推出、中美貿(mào)易戰(zhàn)等因素的影響，中國汽車產(chǎn)銷回落，可能會對底盤輕量化技術研發(fā)造成一定的影響。

2.3 重點機構分析

全球汽車底盤輕量化專利前20 位專利權人排名如表1 所示。

從主要專利權人國家分布來看，領軍企業(yè)主要分布在日本和德國。專利申請量排名前十的專利權人之中，有5 家企業(yè)均為日企。本田汽車、日本精工更是以超過100 件的專利申請量遙遙領先于其他企業(yè)。排名前二十的企業(yè)中僅僅只出現(xiàn)了2 家中國企業(yè)東風和奇瑞。

表1 全球汽車底盤輕量化專利前20 位專利權人排名

從主要專利權人類型上看，排名前二十的專利權人均為企業(yè)，以本田技研、現(xiàn)代、博世、戴姆勒、日產(chǎn)、豐田等各大車企為主，還有眾多的零部件制造商，像生產(chǎn)橡膠、樹脂汽車部件見長的豐田合成，軸承、轉向器部件制造商日本精工、捷太格特，專業(yè)提供傳輸、轉向、底盤系統(tǒng)等汽車零配件的供應商采埃孚，電器和電子產(chǎn)品生產(chǎn)制造商三菱電機，另外還有神戶鋼鐵等鋼鐵制造企業(yè)。

全球汽車底盤輕量化專利權人合作關系如圖5所示。

圖5 全球汽車底盤輕量化專利權人合作關系

從主要專利權人合作關系上看（截取排名前100的專利權人），合作關系較為顯著的多為日本企業(yè)。聯(lián)合研發(fā)可以克服單獨研發(fā)的成本過高、風險過大的不足，實現(xiàn)企業(yè)的能力互補。日企更為注重發(fā)揚合作創(chuàng)新的優(yōu)勢，形成了明顯的合作關系網(wǎng)絡。其中，昭和鋁業(yè)和東海橡膠之間合作關系最為頻繁，聯(lián)合研發(fā)25 件專利。中國企業(yè)的合作研發(fā)模式主要表現(xiàn)為企業(yè)和研究院之間，幾乎沒有企業(yè)外部之間的合作關系。

從中國專利權人的專利申請數(shù)量來看，申請機構主要以企業(yè)為主，東風、奇瑞、中國一汽等公司實力較強，科研院所中申請量較多的為吉林大學和湖南大學。中國專利申請量有2 877 件，專利權人的數(shù)量眾多，超過了1 000 家企業(yè)在底盤輕量化技術領域申請了專利，申請量排名前100 的專利權人有超過30 家中國企業(yè)，但是申請較為分散，國際范圍內(nèi)鮮有領軍企業(yè)的出現(xiàn)。

中國汽車底盤輕量化專利前20 位專利權人排名如表2 所示。

2.4 研究重點熱點分析

全球汽車底盤輕量化國際專利分類號（IPC 大組）雷達分布圖如圖6 所示。

表2 中國汽車底盤輕量化專利前20 位專利權人排名

圖6 全球汽車底盤輕量化國際專利分類號（IPC 大組）雷達分布圖

從IPC 分類號的角度來看，底盤輕量化相關技術的研發(fā)主要集中在車輛的車架、懸架系統(tǒng)（懸臂、彈性懸架、彈簧、減震器），有部分專利集中在車輛底盤的制動系統(tǒng)（制動構件、助力裝置或傳動裝置），以及轉向系統(tǒng)，包括轉向控制裝置、轉向傳動機構和轉向拉桿。

對汽車底盤輕量化專利分主題詞提取（其他語種使用其中文翻譯），并進行主題圖繪制。技術主題圖通過類似地理信息系統(tǒng)中的等高線圖實現(xiàn)對科技文本的可視化，通過顏色的深淺區(qū)別數(shù)據(jù)的多少以及數(shù)據(jù)之間的關系[8]。根據(jù)主題詞詞頻以及其共現(xiàn)關系進一步發(fā)現(xiàn)，底盤輕量化的一部分涉及汽車結構，重點集中在縱梁、軸承、穩(wěn)定桿、轉向桿、轉向節(jié)等具體部件，另一部分涉及到輕量化的材料，如鋁合金、金屬、材料，還有樹脂、纖維、塑料等主題詞。輕量化材料的開發(fā)和應用是當前汽車輕量化技術的主要研究方向[3]，據(jù)相關研究表明，使用鋁、高強度鋼等輕量化材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼，能夠有效降低車輛生命周期的能源使用和溫室氣體排放[9]。

全球底盤輕量化技術主題詞詞頻統(tǒng)計如表3所示。

表3 全球底盤輕量化技術主題詞詞頻統(tǒng)計

汽車底盤輕量化全球?qū)＠黝}詞熱點分析如圖7 所示。

圖7 汽車底盤輕量化全球?qū)＠黝}詞熱點分析

主題演化分析有助于了解領域主題產(chǎn)生、消亡、增強、減弱、聚合和裂變的過程，可以反映研究主題隨時間的變化，包括主題內(nèi)容或強度隨時間的推移發(fā)生變化[10]。對近15 年每年主題詞排名前10 進行主題演化分析，根據(jù)主題詞演化發(fā)現(xiàn)，車架，包括橫梁和縱梁，作為汽車的主要承載件，在主題詞中占有較大比重，一直以來是底盤輕量化的重點部位。近些年來，轉向節(jié)輕量化的研發(fā)有增強的趨勢，從2014年到2018 年連續(xù)五年進入主題詞頻次排名前十。從2012 年起鋁合金、碳纖維等關于底盤輕量化材料的主題詞出現(xiàn)的頻率也有增強的趨勢，說明在新材料領域研發(fā)活動活躍，取得了較多的專利成果。

汽車底盤輕量化全球?qū)＠黝}詞演化圖如圖8所示。

圖8 汽車底盤輕量化全球?qū)＠黝}詞演化圖

3 結束語

從整體趨勢來看，汽車底盤輕量化技術隨著環(huán)境問題、能源危機的凸顯，愈發(fā)受到世界各國的重視，從2009 年開始，底盤輕量化技術進入一個快速增長期。輕量化對提升新能源汽車電池續(xù)航里程作用明顯，新能源汽車技術的成熟以及市場滲透率的不斷加大，成為推動輕量化技術發(fā)展重要動力以及輕量化材料大規(guī)模使用的一個重點方向。

從研究重點熱點來看，底盤輕量化相關技術的研發(fā)一方面涉及汽車的底盤結構，主要集中在車輛的車架、懸架系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及轉向系統(tǒng)。具體涉及到縱梁、軸承、懸架彈簧、穩(wěn)定桿、轉向桿、轉向節(jié)等，另一方面涉及汽車底盤輕量化的材料，如鋁合金和碳纖維等。

輕量化的實現(xiàn)需要整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈從上游至下游的協(xié)調(diào)配合，因此從產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品制造到產(chǎn)品的銷售與售后，面臨的是整個供應鏈的調(diào)整方案。輕量化的推進需要企業(yè)、高校、研究所各方協(xié)同。“汽車輕量化技術創(chuàng)新聯(lián)盟”已于2007 年成立，致力于建立產(chǎn)學研合作新機制，也切實推進了輕量化技術的發(fā)展。但是各方主體相互協(xié)作成果不顯著，仍需繼續(xù)加強，發(fā)揮各方主體之間的聯(lián)合研發(fā)優(yōu)勢。

構建完備的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同系統(tǒng)，營造良好的生態(tài)環(huán)境，離不開政府的相關政策推動。目前專門針對輕量化技術發(fā)展的政策較少，制定汽車輕量化總體發(fā)展戰(zhàn)略及適合我國汽車產(chǎn)業(yè)實際發(fā)展情況的輕量化技術路線圖是加快輕量化產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程的迫切需要。實現(xiàn)輕量化的跨學科、跨產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，提高整個產(chǎn)業(yè)鏈輕量化意識，更需政府發(fā)揮宏觀調(diào)控作用進行積極的政策引導。