電動汽車若干關鍵技術展望

關鍵詞：電動汽車；專利技術；固態電池；碳化硅；自動駕駛

0引言

21世紀以來，隨著環境保護需求的增加，以及電池技術、半導體技術、人工智能的快速發展，汽車的電動化成為汽車行業的主流趨勢[1]。隨著市場的快速擴大，各汽車品牌在電動汽車技術上的競爭也愈發激烈。本文從電池、電驅電控和自動駕駛三大技術方向，基于專利數據和技術方案的分析，試圖對電動汽車的關鍵技術發展進行一個展望，以供汽車領域從業人員進行技術路徑規劃、專利提前布局作參考。

1關鍵技術及專利申請情況

1.1電池

利用國家知識產權局專利局的檢索系統，進行數據和專利文獻的檢索。固態電池的專利檢索主要采用的檢索表達為：分類號H01M，關鍵詞電池、固體/固態及電解質等。

1.1.1關鍵申請人

由圖1可知，固態電池的代表性企業：豐田、LG、本田、三星、寧德時代、清淘能源、北京衛藍、億緯鋰能、輝能科技、QuantumScape、中創新航、贛鋒鋰業及SolidPower等。雖然中國電池企業近年來發展迅速，然而在專利技術上的積累程度較日韓企業仍有較大的差距。

1.1.2關鍵專利

固態電池現有三大路線：聚合物、硫化物和氧化物路線。

（1）申請號CN202310291303，申請日2023年3月23日，申請人寧德新能源科技有限公司，2023年7月14日授權后保護。

發明內容：要解決鋰枝晶刺穿隔膜短路的技術問題，提出了一種復合電解質膜，在第一導入單元基礎上引入第三和第四單元共聚，進一步地，在第三和第四單元共聚的基礎上引入第二導入單元，從而可以擴大第一導入結構單元分子鏈的空間體積、提高聚合物的介電常數、改善鋰離子傳輸、提高電解質膜的力學性能。

（2）申請號JP2022025760A，申請日2022年2月22日，申請人豐田自動車株式會社。同族申請：US202318168608A、EP23157587A、CA3187971A、KR20230017836A、CN202310182306、TW112100512A。

發明內容：一種復合粒子、正極、全固體電池及復合粒子制造方法。在硫化物系全固體電池中，為防止硫化物固體電解質與正極活性物質粒子直接接觸，在正極活性物質粒子的表面涂膜覆蓋，可降低初始電阻和電阻增加率。

（3）申請號CN202310811564，申請日2023年7月04日，申請人北京衛藍新能源科技有限公司，2023年10月24日授權后保護。

發明內容：為解決固態電解質在水中的團聚問題，提出一種氧化物固態電解質分散液，該分散液的分散劑為陰離子型聚合物和/或聚磷酸鹽，基于靜電排斥以及空間位阻復合作用，防止固態電解質顆粒的團聚、提高了分散液的穩定性和一致性。

1.2電驅電控

半導體器件作為電動汽車的電機控制系統和充電樁的核心組成部分，按照器件襯底材料的不同，現有的功率半導體器件材料分為三代：第一代例如鍺和硅；第二代例如砷化鎵和磷化銦；第三代例如碳化硅（SiC），與前兩代材料相比，SiC的禁帶寬度更寬、擊穿電場更高，更合適制作高效、高頻的大功率半導體器件[2]。

SiCMOSFET應用至電動汽車，相比于現有的IGBT模塊來說，具有耐壓高、開關頻次高、體積更小的優勢，可承受800V的電驅平臺、提高車速的同時降低能耗、48個SiCMOSFET即可取代逆變器中的80個IGBT。SiCMOSFET現在的缺點主要是成本問題。

碳化硅的專利檢索主要采用的檢索表達為：分類號H01L，關鍵詞為碳化硅、SiC。

1.2.1關鍵申請人

由圖2可知，SiC的代表性企業：英飛凌、羅姆半導體、三安光電、意法半導體、博世、Wolfspeed、華潤微電子、士蘭微電子、Norstel及中電科半導體等。

1.2.2關鍵專利

（1）申請號US202318208406A，申請日2023年6月12日，申請人英飛凌科技股份有限公司。同族申請：DE102017119568A、US202117350586A、US201816111810A、JP2023102337A、JP2018155152A、CN202311277442和CN201810980117。

發明內容：為解決SiC材料成本遠高于Si晶片的技術問題，采用成本分攤的思路，先制造SiC器件，再分離SiC襯底，由此簡化制造過程，并可以多次利用初始晶片、從而降低生產成本。

（2）申請號JP2022568062A，申請日2021年10月01日，申請人羅姆股份有限公司。同族申請：US202318330447A、DE112021006001T和CN202180082058。

發明內容：半導體基板及其制造方法。本發明在成為基體的單晶基板的Si面形成第一石墨烯層，單晶的SiC半導體形成的第一層外延生長，形成第二石墨烯層、多晶SiC半導體基板；將單晶基板從第一石墨烯層剝離；除去第一石墨烯層，在第一層的C面上通過CVD生長形成第二層；剝離多晶SiC半導體基板和第二石墨烯層。

（3）申請號CN202310068076，申請日2023年01月16日，申請人湖南三安半導體有限責任公司。

發明內容：SiC半導體器件反并聯肖特基二極管可降低SiC的開啟壓降、減少損耗，通過在第一結型場效應區與第二肖特基電場區之間設置一個與第一導電類型的外延層的導電類型相反的第二導電類型的注入區，降低SiC柵極和肖特基接觸電極邊緣的電場強度，可提高擊穿電壓、提高器件的可靠性。

1.3自動駕駛

國際自動機工程學會根據AI參與駕駛的程度，將自動駕駛從L0到L5一共劃分為六個等級，從L0人類駕駛員承擔所有的駕駛任務，到L5無論車輛處于何種環境都不再需要人類駕駛員參與駕駛操作[3]。

自動駕駛的專利檢索主要采用的檢索表達為：分類號G05D1、B60W，關鍵詞包括自動駕駛、輔助駕駛。

1.3.1關鍵申請人

由圖3可知，自動駕駛的代表性企業：華為、百度阿波羅、Waymo、Cruise、圖森未來、文遠知行、英偉達、小馬智行、Mobileye、地平線及特斯拉等。

1.3.2關鍵專利

（1）申請號WO2020CN105930，申請日2020年07月30日，申請人華為技術有限公司。同族申請：US202318161665A、EP20947111A。

圖2SiC的代表性企業專利申請量發明內容：一種激光雷達與智能車輛，激光器生成激光信號，光束整形模塊對激光信號執行準直，分束模塊對激光信號執行分束以獲得探測信號和本地頻率信號，接收模塊接收回波信息并將回波信號發送到光學混頻模塊，光混頻模塊對本地頻率信號和回波信息進行光混頻，以獲得第一拍頻信號和第二拍頻信號，差分接收單元差分地接收第一拍頻信號和第二拍頻信號。

（2）申請號US202318353821A，申請日2023年07月17日，申請人特斯拉公司。同族申請：US201816013817A、US202117644748A、WO2019US23249、EP19823094A、JP2020570440A、JP2022179474A、KR20217000250A、KR20237010288A和CN201980055004。

發明內容：一種數據管線，提取傳感器數據并且將其作為單獨的分量提供給深度學習網絡以進行自主駕駛。接收例如前置相機、側邊超聲傳感器捕獲的圖像和超聲數據，對圖像進行分解、輸入給人工神經網絡的不同層，深度學習分析的結果用于控制交通工具的巡航、照明等自動控制系統。

2專利布局建議

2.1電池

當前動力電池企業市場占據份額由高到低分別為：中國、韓國和日本，且頭部企業的馬太效應愈發明顯。中國企業若要繼續占據甚至擴大市場份額，可加快電池從半固態到固態技術的研發，不僅應深入耕耘氧化物路線，還應關注其他企業已搶先布局的聚合物、硫化物方向。

2.2電驅電控

當前美日企業在碳化硅襯底材料上具有較大的優勢，中國企業可加強碳化硅襯底制造的核心工藝研發，特別是現有碳化硅晶體生長面臨的雜質濃度控制問題、生長條件苛刻且進度緩慢的問題。致力于提高碳化硅晶體良率，從而降低成本。例如，在專利申請上進行一些晶體生長坩堝材料和保溫材料、硅粉與碳粉自主合成高純度碳化硅原料的探索。

2.3自動駕駛

當前德國、日本和美國具有較大優勢，智能駕駛ADAS芯片主要是美國和日本企業，而中國企業追趕態勢明顯。自動駕駛的技術發展路線分為純視覺路線和激光雷達路線。

（1）純視覺路線的典型代表為美國特斯拉的Autopilot[4]。視覺路線可理解為擬人系統，用視覺來做出判斷，以攝像頭和視覺算法為主。這種技術路線的優點是成本低，缺點是畫面二維，難以復刻真實的復雜場景。

（2）而激光雷達路線則是利用激光雷達替代攝像頭，能夠獲取周邊物體精確的三維數據，制造成本較為昂貴。

在感知、決策和操控這3個步驟中，視覺偏重算法，雷達側重感知。對于企業來說，雖然技術在市場落地上需要著重考慮成本和安全性，但在專利申請上可優先綜合考慮兩種路線的優勢。

3結束語

中國企業具有自己獨特的優勢：其一，從專利申請數量和質量來看，中國企業自研意識和能力在不斷增強，例如，華為自研了ADS芯片；其二，我國對新能源汽車行業的重視，如2023年11月，交通運輸部印發了“關于《自動駕駛汽車運輸安全指南（試行）》”[5]；其三，市場規模帶動甚至刺激著產業技術快速迭代升級。

毫無疑問，電動汽車市場競爭愈發激烈，同時技術發展迅速，取得技術優勢的企業將在市場競爭中獲得更重的砝碼，今后我們將持續關注專利申請，來對技術發展進行前瞻。