國內外新能源汽車充電樁技術預測分析
——基于生命周期和國際專利分類號

方 曦，張莉萍

（上海應用技術大學經濟與管理學院，上海 200235）

1 研究背景

當前，全世界范圍內汽車擁有量增長速度越來越快，交通領域已經成為能源消耗增長最快的領域，也是局部環境污染與全球溫室氣體排放的主要來源之一，能源危機以及環境保護壓力與日俱增。為了打破能源與環境的約束，實現經濟的可持續發展，汽車行業一直在積極探索與努力促進交通能源的轉型升級，但充電樁技術設施建設的不完善制約著新能源汽車的發展。為了促進充電樁基礎設施的發展，我國制定了較為完善、力度較大的政策體系，如2015 年出臺《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015—2020 年）》，體現了國家對充電基礎設施發展的高度重視；2018 年國家發展改革委、國家能源局、工業和信息化部、財政部制定了《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》，旨在提升新能源汽車充電技術水平，提高充電設施產品質量，加快完善充電標準體系，優化充電設施布局等。雖然國家出臺了一系列政策措施推動充電樁的建設，但充電樁的發展仍然存在很多問題，如安全問題頻出、運營效率低、用戶體驗不佳等，因此，充電樁發展必須進行技術創新，才能為新能源汽車的發展助力。但我國大多數的充電樁企業屬于中小企業，資金實力較弱、技術研發實力較差，因此，提高充電樁技術研發資源利用率十分重要。

專利文獻是世界上反映科學技術發展最迅速、最全面、最系統的信息資源，通過專利進行技術分析，不僅能幫助研發人員了解最新技術研發動態，還能節約40%的研發經費以及縮短60%的研發時間［1］。據世界知識產權組織統計，每年全球95%的科研成果以專利形式公布于世，專利數量和分布態勢能反映一個國家或地區科技發展水平及最新動態［2］。并且，專利數據容易獲取，能夠為技術發展分析提供客觀、科學的依據［3］。

2 文獻綜述

目前，關于充電樁的研究主要集中在以下4 個方面：一是充電樁基礎設施建設方面，如Brooker 等［4］以美國家用電動汽車的現實充電需求和充電數據為基礎，分析家用電動汽車最大可能的充電選址，從而對安置電動汽車充電設備作出決策；趙世佳等［5］對比分析了國內外新能源汽車充電基礎設施的建設和發展現狀，從行業和企業角度總結現存主要問題，指出充電設施未來的建設和發展趨勢，對我國制定促進充電基礎設施建設方面的政策提供有效參考。二是充電樁運營方面，如王文濤等［6］提出了一種基于復雜網絡理論構建的電動汽車充電設施網絡模型，用以分析電動汽車充電設施的運營情況及布局的合理性，并通過模擬仿真驗證了該模型的有效性。三是融資方面，如Zhu 等［7］將眾籌方法應用于電動汽車充電樁建設融資，論證眾籌形式應用于充電樁建設的優勢，建立了基于電網、基礎設施運營商和眾籌者之間的三階段博弈模型，并驗證了該模型的可行性。四是政策補貼方面，如范如國等［8］綜合考慮新能源汽車制作成本、充電設施建設情況、初始消費者效用、中央政府補貼政策等因素對地方的新能源汽車推廣應用產生的影響，構建了一種最優政策補貼模型并驗證了模型的有效性。

基于專利分析進行前沿技術預測的類型大致可分為4 種：一種是基于專利量化指標及量化趨勢的前沿技術預測分析，如趙莉曉［9］利用技術生命周期理論與趨勢圖進行前沿技術預測。二是基于專利網絡關系的前沿技術預測，如王友發等［10］利用社會網絡分析識別人工智能領域的核心技術；曹藝文等［11］通過對新興技術主題的引文曲線進行擬合分析，提煉和歸納引文曲線的主要類型和特征，對創新主題進行預測。三是基于專利文本挖掘的前沿技術預測，如周莉等［2］利用CiteSpace、MATLAB 等軟件對音樂科技產業的專利數據進行全面挖掘。四是基于專利國際分類（IPC）的前沿技術預測，如高楠等［1］、馮沖等［12］等通過多維尺度分析方法，結合K 均值聚類分析方法，以國際專利分類號為基礎，對專利進行聚類分析，并對各聚類集群進行技術評價，進而進行前沿技術預測；翟東升等［13］利用專利間的引用關系構建國際專利分類引用網絡表征知識間的流動，綜合基于支持向量機（support vector machine,SVM）的未來鏈接預測模型和線性回歸的鏈接邊權預測模型進行技術預測。

綜合以上研究發現，目前學者基于專利分析對新能源汽車充電樁技術進行預測的研究還比較少，而技術預測能有效縮短研發時間、節約企業的研發資源。由于基于文本挖掘的前沿技術預測方法需要人工進行大量特征詞標注，這對標注人的專業性和嚴謹性要求都比較高；采用神經網絡等無監督學習算法雖不用人工標注特征詞，但準確性欠佳［14］；其余方法不關注對專利語義層面信息的提取和利用，預測出的前沿技術存在片面性。因此，本研究結合技術生命周期分析方法和IPC 分析方法對新能源汽車充電樁技術進行分析，以期了解充電樁技術的研發熱點，為我國充電樁企業的專利戰略制定提供參考。

3 研究方法

3.1 技術生命周期

3.1.1 技術生命周期理論

技術生命周期理論源于產業生命周期理論，主要用于進行技術預測，代表周期性變化的技術變革模式。Betz［15］把技術生命周期定義為從技術出現到技術衰退、消亡的所有時間。本研究將技術生命周期定義為一項技術的使用，從興起到開發設計，再到市場應用，最后到退出市場的整段時間，一般可劃分為4個階段：導入期、成長期、成熟期、衰退期［4］。

根據企業的創新能力強弱，可以將企業所處地位劃分為5 類，分別為主導企業、優勢企業、有利企業、一般企業、脆弱企業，各類企業的分類比較如表1 所示。

表1 企業類別劃分

根據技術所處的生命周期以及企業類型，形成如表2 所示組合矩陣。利用這種方法分析企業專利戰略的適宜性，關鍵是確定企業當前在矩陣上所處位置：在橫向上的位置，可以通過Logistic 模型對專利累計申請量進行擬合；在縱向上的位置，可以通過分析各企業的特點獲得。創新能力較強的企業一般具有市場領先地位，可以按照自己制定的專利戰略目標發展，其他競爭對手對它的威脅不大。一般來講，在市場增長的情況下，實力較強的企業可以遵循正常發展道路，即可以通過各種不同的途徑來實現自身發展目標，具有行業主導地位的企業在其整個技術生命周期過程中能否保持很強的競爭實力和優勢，關鍵是看這個企業能否適時調整其專利戰略；與此相反，實力弱小的企業如果不能找到一個“避風地”，即開發出一片屬于自己的生存空間，將難以維持下去。

表2 技術生命周期與企業創新能力組合矩陣

3.1.2 Logistic 分析模型

Logistic 分析模型最初是為控制和預測人口增長而提出的，它不僅被應用于動植物生長發育或繁殖過程等研究中，而且也被應用于經濟、技術發展現象研究。該模型的形式一般呈現類“S”型曲線（見圖1），反映了一般生命歷程，因此，可用它進行技術生命周期預測。

Ernst［16］和Haupt 等［17］提出可以利用專利來反映技術發展所處周期。目前，利用專利分析技術生命周期的方法已經有很多種，如專利指標法、相對增長率法、S 曲線法等［18］。其中，S 曲線法包含有Compertz 曲線模型法和Logistic 模型分析法，且可以進行技術生命周期預測。如Cheng 等［19］選用Logistic 模型與Compertz 曲線模型分析法分別對資訊技術的生命周期進行分析和預測，結果顯示采用Logistic 模型分析法所得結果更符合實際。因此本研究選用Logistic 分析模型進行技術生命周期預測，模型的方程式為：

式（1）中：Yt為某技術的專利累積申請量；f(t)為某技術的專利累積申請量；k、α和β為常數，k為技術成長的飽和點，α為S 曲線的成長率，β為技術成長曲線的傾斜度，與增長時間有關；t為時間。

利用某技術的逐年專利累計申請量數據擬合出Logistic 曲線，進而判斷其生命周期所處的各個階段。如圖1 所示，k為y 的最大值，，。通常認為，＜t10是萌芽期，t10～t50之間是成長期，＞t50～t90之間是成熟期，是衰退期。

圖1 Logistic 模型的S 曲線描述

3.2 IPC 分析法

國際專利分類，即IPC，是國際上通用的專利文獻分類方法，除了外觀設計專利，每項專利都對應一個或多個IPC 號。通過對專利分類號分析，能夠幫助我們了解某技術領域的技術分支占比情況、各技術分支的研發熱度，以及目前某技術布局的空白點，挖掘技術潛在的發展機會。

4 數據來源

智慧芽專利數據庫收錄的全球專利數據，包含來自世界知識產權組織、美國、歐洲、中國、日本、韓國、挪威等的專利數據，并每周進行更新，專利信息都包含有專利名稱、摘要、申請人、權利人、IPC 號等著錄項目信息。因此，本研究利用從智慧芽系統檢索到的專利數據進行分析。

為了平衡查全性與查準性之間的關系，采用關鍵詞和IPC 結合的方法制定檢索式。通過閱讀相關文獻法及專家咨詢法，并經過多次檢索，最終確定本研究的新能源汽車充電樁技術的檢索式為（TA=（充電樁 OR 充電裝置 OR 充電設備 OR“charging pile*”OR“charging spot*”OR“charging point*”OR“charging unit*”OR“charging device*”OR“charging equipment*”OR“charging system”）AND（新能源汽車OR電動汽車OR“electric car*”OR“electric automobile*”OR“electric vehicle*”））AND（IPC=（B60 OR H01 OR H02 OR G06 OR G07））。檢索時間為2020年6月8日，共檢索到21 194件專利，合并同族后得到我國受理專利15 324件，外國受理專利5 870件。

5 國內外充電樁技術生命周期測算

由于專利從申請到公布有一定的時間滯后性，如中美專利從申請到公布一般滯后18 個月，因此對檢索到的2019 和2020 年專利數據不做生命周期分析考慮。另外，由于1985 年我國才開始實施第一部專利法，1985 年前5 年該領域的專利申請數量均小于5 件，為了使S 曲線更清晰，選取國內外1990—2018 年的專利申請數據進行技術生命周期分析，如表3和表4所示，表內為省略中間一部分數據的展示。

表3 1990—2018 年國內外充電樁技術累計專利申請量 單位：件

利用Logistic 分析模型，將表3 數據借助Loglet Lab4 軟件對充電樁技術專利進行S 曲線擬合，得到了國內外充電樁技術生命周期的各參數擬合統計結果，詳細如表4 所示。由表4 可知，國內充電樁技術的成長期與成熟期共需經歷時間為10 年，在此期間可以達到的最大專利申請量為51 212 件，目前所處階段的專利增長率達0.454；國外充電樁技術的成長期與成熟期所需經歷時間明顯長于國內，為23 年，但在此期間可以達到的最大專利申請量卻遠遠低于國內，為9 894 件，目前所處階段的專利增長率也明顯低于國內，為0.193。

表4 1990—2018 年國內外充電樁技術Logistic 模型擬合結果

表4 （續）

圖2、圖3 分別為國內外充電樁技術發展態勢圖，橫軸為時間、縱軸為累計專利申請量，實線表示擬合部分、虛線表示預測部分。結合表3 可以得知，國內充電樁技術專利申請萌芽期為2015 年之前，成長期區間為2015—2020 年，成熟期區間為2020—2025 年，將于2025 年進入衰退期，并將于2030 年左右專利累積申請量達到最大值51 212 件。國內充電樁技術的發展與國家政策的制定與實施密切相關。由圖2 可知，我國充電樁技術專利申請于2010 年才出現“抬頭式”增長，這與2009 年國家出臺了《汽車產業調整和振興規劃》分不開。該規劃首次提出“建立電動汽車快速充電網絡，加快停車場等公共場所公用充電設施建設”的觀念。2009—2014 年間，我國制定與實施的促進新能源汽車充電技術發展相關政策逐年增加，由2009 年的1 項上升到2014 年的16 項，這些政策措施有效促進了我國充電樁產業的發展，使充電樁技術的專利申請出現逐年遞增的趨勢。2015—2018 年間，我國相關政策的制定和實施仍在繼續增加，年度新增量高達10 項。2014 年開放民營資本入場后，在政策引導和補貼激勵下，當年成立的充電樁企業高達300 多家，使充電樁技術的發展于2015 年進入成長期，專利申請量大幅增加。

圖2 我國充電樁技術生命周期的擬合分布

國外充電樁技術專利申請萌芽期為2007 年之前，成長期區間為2007—2017 年，成熟期區間為2017 年之后至2030 年，2030 年后將進入衰退期，并將于2035 年左右專利累計申請達到最大為9 894件。與國內相比，國外充電樁技術較早進入成長期和成熟期，這與國外企業，特別是日本和歐美早期的技術研發和專利布局有關，已經形成了一定的技術壁壘和標準，以阻止新的競爭者進入。如特斯拉，其提供的充電方式有3 種，分別為家用充電、目的地充電和超級充電，并且有自己的超級充電樁標準；日產聆風、三菱等幾大日本車企于2010 年成立了電動汽車充電協會，推出了CHADeMO 標準，并聯合各方資源積極進行全球推廣；通用和寶馬等歐美八大車企也不甘落后，以美國SAE 標準與歐洲ACEA 標準為基礎，于2012 年推出了聯合充電系統（CCS）等。

圖3 國外充電樁技術生命周期的擬合分布

6 國內外充電樁重點技術分布

6.1 國內重點技術分析

在技術整體專利布局上，國內充電樁技術均主要集中在B60L 和H02J 兩個IPC 小類中。其中，B60L 涉及的是電動車輛動力裝置、電力傳動裝置、供電裝置、制動系統、監控操作以及電氣安裝裝置等；H02J 涉及的是供電或配電系統以及電能存儲系統等。按IPC 大組分類，具體如表5 所示，B60L11、H02J7、B60L53 的占比分別為36.86%、29.97%和28.28%，這3 個大組占比和為95.11%，說明國內申請人比較重視在這3 個技術領域的專利布局，尤其是B60L11 技術分支。國內排名前十的IPC 大組占比之和為123.31%，說明國內單個專利涉及的技術分支較少，技術廣度較窄。

從圖4 中也可看出，國內充電樁技術最先在H02J（供電系統）和G07B（集電器）進行專利布局，符合我國充電樁產業早期由國家電網主導的發展特性，2009 年國務院辦公廳印發了《汽車產業調整和振興規劃》，首次提出了建立電動汽車充電網絡，加快公共場所公用充電基礎設施建設，并在2010 年開始出現E04H6（停放汽車等的建筑物）技術分支上的專利申請；2012 年國家出臺的《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃》對建設充電基礎設施的充電接口、充電通信協議、充電機技術標準、充電站設計規范等方面做了簡要描述，而于2012 年也首次出現G06Q10 技術分支上的專利申請；2015 年國家發布《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015—2020 年）》，為進一步加快充電基礎設施建設，引導民營資本參與充電基礎設施體系建設與運營，由此2015 年之后各技術分支上的專利都出現快速增長趨勢；2016 年國家出臺《電動汽車充電基礎設施接口新國標實施方案》，要求新安裝的充電技術設施以及新生產的電動汽車必須符合新國標，這引起B60L53 技術分支上的專利申請呈爆發式增長態勢，且B60L11 技術分支上的專利申請逐漸減少，甚至出現零申請的情況。綜合前述生命周期分析可知，國內充電樁技術的發展在萌芽期和成長期受政策引導作用較大。

圖4 我國充電樁重點技術專利申請趨勢

6.2 國外重點技術分析

在技術整體專利布局上，國外充電樁技術也主要集中在B60L 和H02J 兩個IPC 小類中。按IPC大類進行分類，具體如表6 所示，H02J7、B60L11的占比分別為55.78%和49.76%，二者之和高達105.54%，說明國外充電樁技術專利均涉及這兩個技術分支，國外專利申請人更注重這兩個技術分支的布局。國外排名前十的IPC 大組占比之和為172.77%，明顯高于國內，說明國外單個專利涉及的技術分支較多，技術寬度較廣，外圍專利的控制能力更強。

表6 1990—2018 年國外充電樁重點技術分布

表6 （續）

如圖5 所示，與國內重點技術相比，國外充電樁技術企業更加注重B60L50（自然力供電，如太陽能、風能）、B60L3（電動車輛上安全用電裝置）和H02J17（無線供電）等，且在較多技術分支上的專利分布都比較均勻，專利申請趨勢基本處于遞增的狀態，但HO1M10 技術的專利分布多集中在2009—2012 年，主要是因為電池的研發關乎著電動汽車的續馳里程問題，是隨著電動汽車發展起來的，但現在全球電池產業遇到發展瓶頸問題，導致近年來的專利申請量有所降低，電池功能仍不能滿足電動汽車市場的需求，需要繼續探索創新發展方向和相關技術發展策略。

圖5 國外充電樁重點技術專利申請趨勢

7 結論與建議

本研究基于智慧芽專利檢索系統中的專利數據，利用技術生命周期理論與Logistic 模型對國內外充電樁技術進行生命周期擬合，同時對國內外充電樁技術的國際專利分類進行分析，對比國內外充電樁技術發展異同，并依據技術生命周期與企業發展之間的關系提出相應的建議。

7.1 結論

Logistic 模型擬合結果顯示，國內充電樁技術起步較晚，且前期發展比較緩慢，經過長期的技術發展和積累于2015 年進入成長期，技術發展開始增速，專利申請量明顯遞增，預計2020 年進入成熟期且技術創新有所降低、專利申請增速放緩，將于2025 年進入衰退期，專利申請量出現負增長趨勢；而國外充電樁技術興起遠遠早于國內，經過漫長的萌芽期發展于2007 年進入成長期，并于2017 年進入成熟期，預計于2030 年進入衰退期。進入衰退期后充電樁技術的發展將面臨兩種結果，一是出現新技術取代原有技術，使技術進入新的生命周期；二是沒有出現突破式技術代替原有技術，原有技術逐漸走向消亡。

IPC 分析顯示，國內外充電樁技術企業都比較重視在B60L 和H02J 兩個技術領域進行專利布局，但由于國內充電樁技術剛剛步入成熟期，在成長期的專利申請增速十分顯著，且受政策引導影響較大；而國外企業已經進入成長期，專利申請增速放緩，且較注重自然能源轉換、無線供電以及安全用電裝置方面的專利布局。值得注意的是，國外在二次電池的專利申請已出現負增長的趨勢；且與國內專利相比，國外單個專利涉及的技術分支更多、技術寬度更廣，外圍專利的控制能力更強。

7.2 對策建議

目前國內充電樁技術剛剛步入成熟期，雖然有了一定的技術積累，但專利申請量增速還比較大，企業和政府應當齊心協力，一起推動我國充電樁技術發展，延長其生命周期，提高其技術寬度。根據當前國內外充電樁技術發展現狀，提出如下建議：

（1）對于主導企業，如國家電網、比亞迪等企業，應圍繞基礎專利進行優化布局。可以從提高充電服務質量和充電安全性能、降低制作和運營成本等功效上進行技術研發和專利申請，并積極參與國家標準和行業標準的建立，將專利標準化，以獲得市場最大競爭優勢。此外，目前國家電網和比亞迪的充電樁業務主要還集中在國內，若計劃進軍國際市場，應綜合考慮企業自身實力與競爭對手的專利戰略情況，特別是國際上充電樁技術龍頭企業的專利戰略，避其鋒芒，尋找適合自身發展的空間。

（2）對于優勢企業，如蔚來汽車和北京新能源汽車等，應采取差異化專利戰略，圍繞企業基礎專利進行優化，發展核心技術相關的應用技術并及時進行專利布局，以獲得成本領先優勢。在進行專利研發和專利布局時，應充分結合企業市場戰略規劃；若有進軍國際市場的計劃，應提前進行專利盡職調查以免侵權，同時進行目標市場專利布局，為產品進入該市場做好專利準備。

（3）對于有利企業，如寧波軒悅行電動汽車服務有限公司等，應采取差異化專利戰略，集中資源進行某一分支技術的研發并趕超；也可以固守現有技術市場，并尋求新的技術市場進行模仿創新，緊跟行業發展潮流。因為國外市場目前已處于技術生命周期成熟階段，技術創新潛力小、市場發展競爭大，對于有利企業來說，此階段進軍國際市場并無太多優勢，可以集中資源站穩國內市場，爭取在下一代技術創新時占據更多技術優勢。

（4）對于一般企業，應密切關注主導企業和優勢企業的研發動向，集中資源進行某一分支技術的研發創新，隨行業發展趨勢及時調整研發策略，積極尋找“避風地”，做好轉型準備。

（5）對于脆弱企業，應時刻關注市場上技術的更新變化，及時調整研發策略進行模仿創新，并隨時做好撤離市場的準備。

（6）對于政府而言，我國充電樁技術發展受政策影響較大，政府可以加強產學研政策引導，以實現充電樁領域的基礎技術與核心技術的突破；與此同時，完善專利保護機制和創新評價機制，對創新成果突出的單位給予財政支持，以激發創新活力。