电动动桥关键技术专利分析

文章来源:EDC电驱未来 发布时间:2020-11-17
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本文通过对汽车电动车桥关键技术的专利申请进行多角度统计分析,包括专利申请趋势、专利地区分布、专利技术分布、主要专利申请人和重要竞争对手分析等,绘制了汽车电动车桥技术功效矩阵,剖析了重点专利技术和竞争对手技术研发情况,为企业明确汽车电动车桥专利壁垒情况、明晰自身汽车电动车桥研发定位、制定与竞争对手博弈的技术路线等提供竞争情报支撑。

1 电动车桥技术分支

随着环境问题日益加剧,电动汽车以其环保、舒适、经济实惠的优点而越来越受到市场的认可,电动汽车的关注也是越来越高,2019 年我国电动汽车、新能源汽车销售量已经超过了120 万辆,电动汽车的车桥是电动汽车的最关键部件,它直接影响到车辆的传动效率和整车性能。综合考虑我公司目前关注的研发内容需求,本次分析主要关注电驱动桥、电驱变速箱(EDU)、驻车机构这三个技术分支。



2 专利申请数量变化

通过对检索到的全部专利文献进行专利申请数量比较和技术构成分析,了解汽车电动车桥关键技术的技术发展趋势,分析该关键技术的技术构成,评估技术创新风险和侵权风险。由于专利申请数量是技术产出的直接反映,所以将专利申请数量和专利申请时间相结合,可以看出不同阶段的技术发展情况和发展趋势。

图1 汽车电驱动桥专利技术产出趋势图

图1 对截止至2019 年12 月的电动车桥专利文献的专利产出情况进行了统计分析,其中,电驱动桥、电驱变速箱(EDU)、驻车机构的专利数量分别为:484、443、73。

电驱动桥年度申请趋势与电动车桥总体相似,本别在2015 年和2018 年出现峰值,整体上呈现出波段式上升趋势;电驱变速箱(EDU)在2006 年出现了一个申请高峰(22件),原因在于通用汽车2006 年提交了13件电驱变速箱领域的专利,在2012 年又出现了一个高峰(32 件),然后从2015 年开始进入爆发式增长期,2018 年申请量为60 件;驻车机构分支从2011 年之前专利申请很少,之后申请量略有增加,但是仅保持在每年10 件以下。其他技术分支从2010 年开始增多,之后便波段式徘徊在每年20 件左右的申请量。

电驱动桥技术分支申请专利数量排名第一,为484 件;电驱动桥处于传动系末端,增大由传动轴或变速器传来的转矩,并分配给左、右驱动轮,另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。作为底盘系统中的最重要组成部分,电驱动桥申请占比较大,占比为40%,研发较为活跃。

电驱变速箱(EDU)技术分支专利申请量排名第二,为443 件;电驱动单元(ELECTRIC DRIVING UNIT) 为 智 能电驱变速箱,能自动调整传动比,切换不同的动力模式的变速箱,简称EDU。由于电机调速范围有限,且大范围的转速变化对电机和电池损伤较大,因此匹配可变速的变速器把电机转速控制在合理范围内,是电动汽车传动系统未来的发展趋势,因此电驱变速箱(EDU)技术专利申请量占比也达到了37%。

驻车机构技术领域分支申请量较少,仅有73 件专利申请,占比为6%;驻车机构是实现电动汽车变速器锁止的执行机构,它可以有效地保证电动汽车在原地可靠地停驻,且在任何情况下都不会自动滑行。而常规燃油车辆上的 驻车系统由于控制方式不同,且机械结构十分复杂,无法直接应用于电动汽车上,因此亟待开发能够实现定点停车、控制精度高,不存在向前或者向后滑动的现象的变速箱驻车机构。该技术主要涉及到电动汽车的安全性能,该技术领域的专利布局较为薄弱,可作为研发方向进行技术研发。

图2 技术分布图



3 技术构成分析

通过汽车电动车桥关键技术的技术构成,可以直观的展示该技术的技术研发重点,揭示该技术的技术构成比例。

由图2 可知:在电动车桥技术领域研发活跃度最高的为:电动力装置的布置或安装(B60K1/00),这与电动车桥中电机的布置方式的不断创新密切相关,伴随着车桥结构从传统形式、电机与车桥集成结构、轮边电机驱动结构的演变,其中涉及到涉及到轮边电机驱动结构的IPC 分支:发动机布置在或靠近于牵引轮的(B60K7/00)同样申请有156 件,可见轮边电机结构为研发非常活跃的技术分支;

排名第二的IPC 分支:差速传动的(B60K17/16)主要涉及到电动后桥差速器结构,开发电驱动差速器的目的在于优化电力驱动系统,使扭矩分配合理,使效率达到最高,并实现轻量化,对提高电动车桥的性能,提高了电动汽车的续航里程具有重大意义,因此该技术分支研发热度较高;

第四的IPC 分支:以齿轮转动装置的布置、定位或类型为特点的(B60K17/04)技术领域主要涉及到电动变速箱(EDU),由于电机调速范围有限,且大范围的转速变化对电机和电池损伤较大,因此匹配可变速的变速器把电机转速控制在合理范围内,是电动汽车传动系统未来的发展趋势,因此研发电驱变速箱(EDU)的热度也较高。

图3 汽车电动车桥关键技术专利申请目标国家/地域比例构成



4 国内外市场分析

由于申请人通常会根据某项发明的重要性和对该技术的市场预期,决定是否将该项发明在不同的国家进行专利申请,从而构成一个同族专利申请。因此,通过对同族专利申请所属国的分析,可以了解该技术在不同国家的保护力度和市场热度。下文对专利申请的专利申请所属国进行统计分析(注:对于申请人就同一发明在不同国家提出的专利申请分别进行统计)。具体结果参见图3。

图3 示出专利申请在各目标国的分布。从各国专利申请趋势可知,电动车桥在全球范围内的分布如下:排名靠前的中国、德国和美国占比最大,占到了总申请量的87%,此外日本和英国也申请有少量专利,但比例很小。

中国作为近几年全球最大的汽车产销大国,在新能源汽车方面,2017 年我国新能源汽车产销均接近80 万辆,分别达到79.4万辆和77.7 万辆,同比分别增长53.8%和53.3%,2017 年新能源汽车产销量已占据整体汽车市场的2.7%。世界各大汽车厂家均在中国开展新能源汽车市场布局,中国已经成为了新能源汽车研究开发的主要地区,在此契机中崛起的车企有比亚迪、上汽集团、宇通客车和北汽集团等企业,因此共产出了538件相关专利,排名第一,占比达到40%。

随着欧洲国家禁售燃油车的的日程表逐渐推出,德国作为欧洲汽车制造强国,正在积极推广新能源汽车,并出台一系列补贴措施,德国联邦政府计划至2020 年德国电动车保有量将达到一百万辆,德国知名的汽车制造商或零部件供应商如舍弗勒、戴姆勒、大众、博世、采埃孚和保时捷等,在新能源汽车技术领域进行了大量的技术研发及储备。在电动车桥专利申请方面,德国共提交有258件专利申请,占比达24%。

美国曾经为世界第一产销大国,虽然在2009 年被中国赶超,但现在仍居全球第二大汽车市场,不管是传统的美国“三大品牌”中,通用、福特和克莱斯勒或新兴公司(如特斯拉)都开展了大量的研究,提交有较多的关于电动车桥的专利申请(139 件),比较突出的申请人为通用公司,其在电动车桥领域提交有35 件专利申请。



5 电动车桥专利主要申请人分析

从电动车桥技术领域排名前十的申请人依次为通用(35 件)、舍弗勒(30 件)、戴姆勒(29)、采埃孚(29)、保时捷(28)、吉林大学(24)、博世(22)、博格华纳(16)和比亚迪(16)。在电动车桥技术领域,德国申请人有5 个进入前十,美国和中国均有两个申请人排名前十。

从主要申请人技术分支布局看,通用绝大多数专利(30 件)布局在电驱变速箱(EDU)技术领域,可见通用在该技术领域处于领先地位;舍弗勒、戴姆勒在电驱动桥和电驱变速箱(EDU)布局较为均衡;采埃孚、保时捷和比亚迪重点偏向于领域为电驱动桥,吉林大学和博世则重点偏向于在电驱变速箱(EDU)领域,博格华纳布局较为均衡,主要申请人中只有比亚迪合博格华纳在驻车机构技术领域申请有专利。

图4 汽车电动车桥主要申请人

图5 电动车桥主要申请人技术布局

图6 电驱动桥专利技术-功效矩阵图

表1 重点专利列表(按照被引用次数排名)



6 技术功效矩阵分析

利用技术功效矩阵对电动车桥最主要的技术分支:电驱动桥近10 年的专利申请情况进一步分析,横坐标为技术功效(代表技术需求),纵坐标为各个技术分支(代表相应的技术手段),图中的圆形面积越大,就代表越多的专利采用该技术手段达到相应的技术功效,有助于企业准确把握研发重点和研发方向,获得技术上的启示与突破,进而制定科学合理的专利布局策略。

从图6 可以看出在技术需求方面,提高传动效率、提高可靠性和轻量化是电驱动桥领域需求最大的技术功效,在提高传动效率方面的技术需求主要通过电机、变速装置方面的改进来实现,如轮边电机、双电机或单电机的安装结构等;在提高可靠性方面的技术需求主要通过传动轴、电机、差速器和冷却润滑方面的改进来实现;轻量化方面的需求主要通过集成设计、电机和变速装置的改进来实现;此外,实现多速比的技术需求主要通过变速装置的改进来实现。

从变速装置与技术功效的关系可以看出,对变速装置的研发和改进的专利及最多,可实现传动系统多速比、提高传动效率、轻量化和降低噪音,如通过双离合变速 、两档变速等结构实现传动比切换以适应不同的车型或工况,提高传动效率,降低电机的转速从而降低噪音。因此,对变速装置的研发改进是电驱动桥领域值得关注的发展点,但同时该技术手段在降低成本和可靠性方面的功效却有所欠缺,从长远发展来看,开发低成本和高可靠性的变速装置非常必要。

从电机与技术功效的关系可以看出,电机的研发及改进的主要技术需求为提高传动效率,通过进一步分析发现,达到技术功效不是单纯改变电机自身的结构,而是改进电机的布置形式,或者电机与减速器、差速器,半轴或车轮等连接关系,如采用轮边电机、中央电机,双电机或单电机等结构。

集成设计主要是为了轻量化的需求,传动轴、制动系统和冷却润滑系统的的改进主要是达到提高可靠性的要求。目前电动汽车生产成本较高,降低生产成本是未来电动汽车发展的重要方向,从图可见满足轻量化要求的技术功效的专利较少,主要集中在电机的改进,企业可以体积较大、重量较重的部件为出发点,如差速器、变速器和传动轴等关键部件进行改进及研发,简化结构,并开展专利布局,在技术空白点建立竞争优势。



7 电动车桥重点专利分析

根据专利申请及其同族的被引频次、国家布局数量、是否发生诉讼、许可、转让等因素,综合判断专利的重要性。表1 从同族的被引频次、国家布局数量、是否发生诉讼、许可、转让等因素分析得到的重点专利,重点专利均为外国专利,且申请日期较早,这与国外电动汽车起步较早,专利申请较早密切相关。专利解决的技术问题主要为:冷却润滑、提高传动效率、小型化等,且上述专利大部分为过期或者失效专利,侵权风险较小,我国相关企业可结合自身研发中遇到的问题,参考借鉴上述专利中的技术,提高研发起点。



8 总结

本文通过对汽车电动车桥关键技术的专利申请进行多角度统计分析,包括专利申请趋势、专利地区分布、专利技术分布、主要专利申请人和重要竞争对手分析等,绘制了汽车电动车桥技术功效矩阵,剖析了重点专利技术和竞争对手技术研发情况,为企业明确汽车电动车桥专利壁垒情况、明晰自身汽车电动车桥研发定位、制定与竞争对手博弈的技术路线等提供竞争情报支撑。


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