专利资源碎片化的定量识别
——基于我国新能源汽车动力电池专利的实证研究

黄 欢

(西安财经大学公共管理学院 西安 710061)

专利作为科学技术创新的重要成果，是衡量一个行业乃至一个国家创新实力的关键评价指标。近年来，随着“互联网+”和大众创业、万众创新的持续推进，我国已经进入“专利丛林”时代。在专利资源碎片化的现实背景下，专利使用者必须从大量独立、分散的专利持有者手中获取新技术的授权，极大地增加了交易成本，当使用者无法与众多权利人一一谈判时，将导致稀缺性技术资源闲置、浪费，甚至使技术市场陷入“反公地悲剧”，引发技术市场失灵。

在复杂技术领域，专利数量呈现爆发式增长，大量稀缺核心专利在众多专利权人中分割，并且伴随着创新主体专利竞赛的日益加剧，专利资源开始无限增生与自我强化，专利布局愈发分散。现有研究无不肯定了专利丛林与专利资源碎片化对技术创新的不利影响，但如何精准识别特定技术领域专利资源碎片化的程度与分布特征，仍然是一个值得深入探索的关键问题。

图1 专利资源碎片化定量识别方法体系

新能源汽车产业作为我国七大战略性新兴产业之一，具有技术密集型与知识密集型特点，是专利资源碎片化极易滋生的重点领域。本文将选取我国新能源汽车产业动力电池技术领域作为典型代表性研究样本，揭示专利资源布局现状，准确把握其内在分布特征与动态演变规律，为弱化新兴技术领域专利资源碎片化现象、推动我国动力电池技术市场健康发展和资源合理配置提供管理策略及政策建议，也为其他新兴产业专利布局提供知识借鉴。

1 专利资源碎片化定量识别及其方法体系构建

1.1专利资源碎片化定量识别研究综述在专利丛林产生初期，很难对其进行甄别，其甄别方式主要依靠访谈进行[1]。为了更准确地判断、识别专利资源分散化现象的存在，近年来国内外学者们开发了多种定量测度方法，如Ziedonis提出了“破碎化指数”来测度技术分裂度，其值越大，技术分裂程度越大[2]；Clarkson主张采用社会网络分析法识别专利池中的专利丛，并基于改进后的专利网络密度计算方法，识别了MPEG2和PRK两个专利池内的专利密度[3]；Graevenit等利用“三角阻碍度量”方法计算专利互相引证关系数，分析专利引证对新技术产生的阻碍作用[4]。

我国学者蔡神喜基于G·M分散度指标测度了2001-2009年我国高校发明授权专利分散度变化趋势[5]。冯灵等利用帕累托系数、首位度和绝对指标等方法测量了2003-2011年我国高铁制动技术领域的发明授权专利分散状态[6]。袁晓东和罗恺利用比例法、首位度等指标定量分析了我国LED封装技术专利分散分布态势[7]。张米尔等以喷墨打印技术领域为研究样本，采用层次聚类分析法测度了该技术领域的专利丛林问题[8]。

1.2专利资源碎片化定量识别方法体系构建纵观国内外现有研究，总体来说现有定量研究大多较为宏观，通常将关注点局限于区域创新空间分布而非技术本身特征，对微观层面专利资源分布状态的科学判断仍然较为匮乏，且现有测量指标繁杂多样，尚未形成系统的测量指标体系，这就要求我们采用更多的统计分析方法进行深入探索，完善系统的专利资源碎片化定量识别方法。

现有研究常常将专利资源碎片化视为专利丛林的代名词，认为专利丛林的实质是相互重叠的、分散的知识产权集合[9]。Shapiro指出专利丛林的典型特征是专利密集和交叠，即专利丛林表现为数量和密度两个方面的特征。然而，不同于专利丛林这张“开发者必须小心谨慎地穿越的稠密专利网络”[10]，专利资源碎片化是特定技术领域内技术市场支离破碎的分布状态，其布局更多地呈现出一种离散性、遍在性特征。结合专利资源碎片化的内涵实质与内在特征，本文从专利数量、专利密度以及专利分布结构三维视角构建定量识别方法体系(见图1)，对专利资源碎片化布局进行全面测度。

专利资源碎片化的形成是专利产权数量的日益增加和权利主体数量的不断扩张，专利数量反映了该领域技术受到的关注度和创新活跃度。专利数量维度侧重于识别专利技术集成与主体规模，采用CRn、HHI、帕累托系数、首位度以及弹性系数Ecn等方法进行绝对数量和相对数量测度；密度是单位体积的质量，网络密度则是描述网络中各个节点关联度的重要指标，专利网络密度维度侧重于在全局上反映技术网络中专利节点之间关联的紧密程度，当技术关联性较强时，网络密度扩大，更容易形成稠密的专利丛林，即专利资源碎片化真正演变为专利丛林；专利分布结构维度侧重于识别特定技术领域专利资源的整体空间分布状态，可采用吉布斯·马丁(G·M)分散度指数、“1-HHI”指数、方差理论等指标进行测度。

基于上述所构建的专利资源碎片化定量识别方法体系，本文将选取我国新能源汽车动力电池技术领域为研究样本，提出研究假设并进行测度检验，同时利用图表等可视化方式直观展示专利资源分布全貌，刻画其发展演变过程。

2 研究假设与数据来源

2.1研究假设作为一个典型的技术密集型产业，新能源汽车动力电池产业汇聚了大量发明专利，为我们的研究提供了可靠的数据支持。动力电池是新能源汽车的核心，也是技术门槛最高、利润最集中的部分，选取新能源汽车动力电池技术进行量化分析，探索专利资源碎片化内在分布规律和演变趋势。

随着新能源电动汽车产业的蓬勃发展，全球动力电池专利竞赛日趋激烈。当前，我国已经成为全球最大的新能源汽车市场，2019年，我国新能源汽车的产销量突破百万，分别完成了124.2万辆和120.6万辆，保持全球领先地位。虽然我国对新能源汽车的研发起步较晚，大量专利资源被国外技术领先企业占有，但随着新进入者的加入，原在位技术领先者逐渐被挤压，优势专利权人占整个技术领域份额减少，由此，提出研究假设：

H1：新能源动力电池技术领域专利申请活跃，专利主体和专利数量大幅增加，但具有数量优势的主要专利权人占整个技术领域的比重逐渐下降，专利资源呈现分散分布。

图2 我国新能源动力电池发明专利与主体总量及其增长率

国际大型汽车制造商起步较早，技术领先优势明显。近年来，在中国制造2025环保指标的激励下，我国企业不断扩大动力电池研发投入，以比亚迪、宁德时代等为代表的国内企业已成为全球领先的动力电池巨头，深圳比克电池、邦凯新能源、欣旺达电子等科技企业纷纷自主研发出锂离子电芯、锂铁磷酸盐动力电池、生命源锂离子、蓄电池、锂离子电池模组等多项具有独立知识产权的动力电池技术，跻身于世界锂电池专业制造商前列。随着新进入者研发投入的不断增加，各权利主体之间的技术差距日益缩小，由此，提出研究假设：

H2：处于前列的主要专利权人具有相对集中优势，但随着专利权人之间的技术差距缩小，其集中优势和对行业的垄断力减弱，专利资源分布结构日趋合理。

作为电动汽车的核心零部件，动力电池种类众多，常见的有铅酸电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池等，近年来研发人员还将石墨烯、新型锂硫电池等材料应用在动力电池制造中。从电池基本参数来看，现有技术研发主要集中于电池容量、充电率、标称电压、内阻、循环寿命、荷电保持能力以及蓄电池的能量密度和能量效率等方面。动力电池技术的复杂性导致细分技术领域的研发分工不断细化，一些核心技术及其互补技术的创造亟待突破。由此，提出研究假设：

H3：我国动力电池领域技术关联性较弱、技术延伸链条短，导致该技术领域专利网络密度降低，专利资源呈现去中心化离散分布。

欧美爆发两次能源危机之后，日本、欧洲和美国更加重视不依赖石油的新能源电动汽车的研发投入。当前，我国也不断加大对动力电池技术研发资金的投入和政策支持。从全球范围来看，世界各国企业、高校、研究院所和实验室都在积极地申请专利。然而，没有任何一家企业可以对动力电池领域产生技术垄断，相反，一个动力电池相关产品涉及大量不同专利，这些专利资源由彼此独立、权利平等的专利主体持有。由此，提出研究假设：

H4：整个领域资源分布的集中度下降，专利权由不同专利主体持有，拥有大量专利的专利权人减少，拥有少量专利的专利权人增多，专利资源分布日趋分散。

2.2数据来源本文以1999-2018年我国新能源汽车动力电池技术领域的发明授权专利作为基础数据对象，考察该领域专利技术的分布态势。以德温特(Derwent Innovation Index，DII)专利检索系统为平台，基于指令检索法进行检索。根据对技术内容的解读，最终共检索并使用34 477件发明授权专利。

3 动力电池技术领域专利资源碎片化测度实证

3.1专利数量的测度专利数量的多少和增长速度的快慢是衡量专利数量密集程度的两个重要指标。选取我国动力电池发明专利授权数量和权利主体数量，并在较长的时间序列上对比其动态演进趋势。

3.1.1 专利资源总量分布现状 图2显示了1999-2018年我国新能源汽车动力电池授权专利量及其增长速度。自1999年以来，我国在动力电池领域专利授权量呈现出快速增长趋势，尤其近年来一直保持着持续的高速增长态势，平均增长速度高达28.29%。2014-2016年是动力电池专利授权“爆发期”，这一阶段专利增长率骤增，最高达59.26%，表明该领域专利申请活跃。由于专利授权需要经过一定的审查周期，专利的时滞性导致2016年之后，专利数量呈现下降趋势，但仍维持在一个较高的数量范围内波动，这表明当前动力电池创新活动正处于发展上升期，未来我国新能源动力电池领域还有很大的技术提升空间。

3.1.2 专利主体总量分布现状 从图2专利主体总量的时间序列可知，我国新能源动力电池领域专利主体平均增长率保持在23.71%。在该领域，占主导位置的是日、韩国际大型企业，如三星SDI株式会社、丰田自动车株式会社、松下股份有限公司、LG化学、索尼株式会社等企业持有较多专利份额。前十位专利权人占比份额如表1所示。

表1 我国新能源动力电池前10位专利权人持有专利分布

表1中，专利持有量排名第一的三星SDI株式会社，在我国拥有1 363件发明授权专利，在技术市场竞争中占有绝对优势，然而这一数据仅占我国专利总量的3.95%；前10名专利权人的专利持有量不足整体专利总量的30%，约25.58%，这表明动力电池领域专利权利主体呈现分散分布，没有任何一家企业或少数几家企业的专利集中能够对专利市场产生技术垄断。

为了进一步衡量专利分布结构，利用集中度指标CRn逐年计算1999-2018年前十位专利权人的专利集中度。CRn测量指标公式为：

(1)

式中，N表示所有专利权人数量；Xi表示第i位专利权人的专利持有量；Xj表示所有专利权人的专利持有量。将计算结果绘制成时间序列图，如图3所示。

图3 我国新能源动力电池专利集中度时间序列

图3计算结果表明，我国动力电池领域优势主体的专利资源布局呈现出“先集中、后分散”的发展规律。这是因为在我国新能源动力电池技术萌芽阶段，新技术刚刚兴起，国外大型跨国企业掌握了更多先进技术，且专利布局意识较强。如2009年三星SDI的专利授权量高达171件，位居第一，而当时我国许多企业尚未投入研发。1999-2010年间，平均专利集中度高达40%以上，最高值达到49.47%，这意味着技术市场上近一半专利集中于前十位专利权人手中。近年来，我国新能源动力电池领域专利集中度大幅下降，原因在于自2001年以来，我国开始实施“863计划”电动汽车重大专项，全面启动电动汽车12个重大关键技术攻关与产业化示范专项等一系列举措，推动各创新主体积极投身于动力电池技术研发活动。由CRn计算结果可知，当前我国前十位专利权人的专利集中度呈现明显下降趋势，这表明具有相对优势的主要专利权人占整个技术领域的比重下降，专利分布结构日益均衡，专利资源由少数集中持有向多数专利权人分散，验证了研究假设H1。

为了进一步比较专利权人之间的相对专利规模，利用首位度法则测量专利持有量第一位与第二位专利权人之间的差距。其公式为：

(2)

式中，S表示首位度；P1表示专利授权量最多的专利权人持有量；P2表示专利量第二多的专利权人持有量。逐年计算1999-2018年首位度，计算结果如图4所示。

图4 我国新能源汽车动力电池专利权人首位度

通常认为首位度S<2，表示专利资源适度集中，专利结构合理；S>2，专利资源过度集中[11]。由图4计算结果可知，我国动力电池技术领域的首位度呈现日益下降趋势。具体而言，我国动力电池技术领域首位度普遍较低，只有个别年份超过2，如2003、2004、2005年我国专利首位度达到了2.6、2.06、2.37，其余大多年份呈现下降趋势，并保持在1～2中间上下波动，这充分表明了专利权人之间的专利存量相差不大，且技术差距逐步缩小，技术领域中没有出现技术垄断，由此证明了假设H2。

3.2专利密度的测度

3.2.1 专利网络密度 借助专利网络，研究人员不仅可以了解最新热门技术领域，扩展研究方向，同时能够通过专利技术的共性分析、网络节点中心势以及专利合作网络特征揭示专利之间的复杂关系与网络演化过程[12]。本文除了采用专利网络密度测量方法外，同时结合当今学术界主流的社会网络分析法(Social Network Analysis, SNA)来测量动力电池领域的专利密度。通过专利引证网络探究新能源汽车动力电池领域的专利技术关联度。专利引证网络中有两个基本指标：施引专利和被引专利。首先需要明确专利之间的引证是有方向的(Directed/Undirected)，分为“后项引证”(Backward Citation)和“前向引证”(Forward Citation)，再构建专利与被引专利之间的有向关系矩阵对专利网络密度进行测量。

根据IPC小组分类标准，本文选取H01M领域专利数量最多的前十个小组进行分析。据统计，我国新能源动力电池领域前十位IPC小组依次是H01M10/0525(4416)、H01M4/62(3360)、H01M4/58(2767)、H01M4/36(2422)、H01M10/052(2264)、H01M2/10(2230)、H01M2/16(2004)、H01M4/38(1864)、H01M4/525(1860)、H01M2/02(1849)。在获得各IPC技术领域小组的原始专利数据信息后，利用全部施引专利与被引专利之间的引证关系构建“施引-被引”专利引证网络矩阵。最后将上述所得矩阵数据导入UCINET进行引证关系数量、网络密度等指标测量。由于Clarkson的专利密度指标是基于社会网络方法改进后的测度公式，考虑了专利申请时间对引证数量的影响，其结果更加合理稳定。因此结合Clarkson提出的专利网络密度指标进行计算。其表达式为：

(3)

式中，ΔP表示技术领域的专利密度；j表示专利数量；xij表示专利i和专利j之间的引证关系数。新能源汽车动力电池领域的专利引证关系以及整体专利网络密度结果如表2所示。

表2 我国新能源动力电池领域专利引证关系及专利密度

由表2计算结果可以看出，我国新能源汽车动力电池领域呈现出整体网络密度低、被高频引证的核心专利技术少、专利技术关联性弱等特征。虽然我国早期的专利说明书并不要求专利引证，无法批量获取完整的引证信息，导致引证网络分析具有一定局限性，但这些数据仍可以从一定程度上反映出动力电池专利技术之间的关联性。结果表明，我国动力电池领域专利网络密度最大的是H01M4/525(插入或嵌入轻金属且含铁、钴或镍的混合氧化物或氢化物的电极)技术领域，该领域虽然专利数量较少，仅有1 860个专利，但专利之间的引证关系相对复杂。我国在H01M10/0525技术领域的专利数量最多，这表明目前锂离子电池是动力电池的重要研发领域之一，但该领域整体专利密度较小，说明其技术之间的关联性非常弱，专利资源呈现分散分布。

3.2.2 专利中心度 网络中心性很好地解释了哪个节点是网络中最重要的位置或者中心点，它描述了某一参与者在其所属网络中的位置及其重要性。Freeman[13]提出3个衡量网络中心性的指标：度中心度(Degree centrality，CD)、接近中心度(Closeness centrality，CC)和中间中心度(Betweenness centrality，CB)，用以测量专利引证网络中的技术中心性。此外，常用的中心性测量指标还有特征向量中心度(Eigenvector centrality，CE)，该指标测度了某节点与其相邻节点的中心性。分别对我国新能源汽车动力电池领域专利的度中心度、接近中心度、中间中心度、特征向量中心度进行计算，得到的测度结果如表3所示。

由计算结果可知，我国动力电池领域前十个IPC小组的中心性指标相差不大，且中心度值普遍偏低。其中，我国在H01M4/58(除氧化物或氢化物以外的无机化合物的电极；聚阴离子结构电极)技术领域的度中心度值最高，平均度值为1.16。由此可见，我国在除氧化物或氢化物以外的无机化合物的电极、聚阴离子结构电极技术中的技术关联性较高，技术较为成熟，但从接近中心度、中间中心度和特征向量中心度指标看，该领域中心性平均度值较低，说明该领域缺乏具有关键作用的核心专利节点或者其在网络中的影响力较小，专利节点与重要节点之间的关联关系稀疏。根据中间中心度指标显示，在我们所研究的十个专利量最多的技术领域小组中只有H01M4/38存在中间节点，说明我国新能源动力电池领域技术路径连通性差，技术累积性创新不足。

表3 我国新能源汽车动力电池专利网络中心度

综合分析专利密度与中心度指标可知，我国新能源动力电池领域专利网络密度和中心性度值偏低；专利节点的关联性弱、连通性差，技术延伸链条短窄；处于网络中心位置的核心专利相对较少，动力电池技术领域呈现出专利技术去中心化的离散分布。以上结论验证了假设H3。

3.3专利分布结构的测度前文通过CRn、首位度等测量指标判断了我国新能源动力电池领域专利分散度的局部分布情况，间接证明了该领域专利资源碎片化分布现状，本小节将从整体上把握我国动力电池技术领域的专利资源分布结构。G·M专利分散度指数是衡量技术领域内专利结构分布是否均衡的主要指标，它不仅反映了占优势地位专利权人的专利存量份额，还能够反映除领先专利主体之外的持有少量专利量的专利权人情况。因此，采用G·M分散度指数对我国新能源动力电池领域的整体分布结构及分散度发展态势作深入分析。其表达式为：

(4)

式中：G·M表示分散度；Xi表示各个专利权人的专利持有量。

逐年统计1999-2018年每一年度每个专利权人及其专利规模，通过G·M分散度指数进行计算，将计算结果绘制成分散度时间序列，如图5所示。

G·M的值在(0，1)之间，其值越接近1，表明专利数量在专利权人之间的分布越均衡，分散度越大。由图5计算结果可知，我国G·M分散度的数值均在0.95以上，其值越来越趋近于1，表明我国新能源动力电池领域的整体专利分散度较高。从总体上看，我国新能源动力电池技术专利大致呈现出“先集中后分散”的分布规律。1999-2004年期间，专利分散度出现小范围上下波动，但在2005年之后，我国G·M分散度值呈现出稳定增长的趋势，说明我国新能源动力电池整体分布结构日益趋于均衡。

图5 我国新能源动力电池专利分散度时间序列

为了全面把握我国动力电池技术领域专利资源整体分布结构，进一步统计我国各个专利权人持有的专利总量，将其绘制成专利资源分布散点图。由于涉及的专利数据复杂庞大，仅统计第一专利权人的专利持有状况，结果如图6所示。

图6 我国新能源动力电池专利资源分布结构散点图

由图6可知，我国新能源汽车动力电池专利资源和专利主体数量众多，我国在动力电池领域授权的34,477件发明专利散落于众多专利权人手中。我国动力电池领域虽然聚集了大量专利权人，但从每个单独专利权人所持技术的专利规模来看，所持专利数量在200件以上的专利权人很少，仅占总量的0.3%；持有10件以下专利存量的专利权人占绝大多数，约5 085人，其中仅持有1件专利的专利权人就有3 000余人，超过专利主体总量的一半。结果表明，只有少量专利权人持有大量专利，绝大多数专利权人只是持有少量专利，甚至仅持有一两件专利，拥有少量专利存量的专利权人占据了绝大市场份额，专利资源在各专利主体中的分布趋于均衡，由此证明了假设H4。

4 研究结论与启示

研究表明，我国新能源汽车动力电池领域存在严重的专利资源碎片化现象，并呈现愈加分散的发展态势。具体特征主要表现在以下几方面：a.在专利数量方面，从最初所有权的分散逐渐演变为专利权人的高度分割及专利数量的集中爆发，容易引发专利市场主体与客体双失灵风险。b.在专利密度方面，整体专利网络密度偏低，专利技术之间的关系稀疏、联通不畅、关联性较弱，处于网络核心位置的关键技术较少，技术去中心化明显，专利节点仅在局部范围出现交叉重叠，尚未形成技术挤压之势，呈现出“整体分散、局部交叠”的分布状态。c.在专利分布结构方面，我国新能源动力电池专利分散度一直处于高位，在总体上呈现出短暂的“先集中后分散”的分布规律。

根据定量测度结果，有必要采取措施弱化专利资源碎片化带来的不利影响，避免技术市场陷入“反公地悲剧”，推动专利分布结构合理布局与产业转型升级。第一，缓解企业技术创新中的“数量-质量”矛盾[14]，以强化专利质量为导向，积极发展核心技术；第二，促进技术要素集聚，延伸技术链条，推动我国新能源汽车关键零部件共性技术研发，采取发展互补性专利方式，扭转技术联通不畅情形；第三，构建全方位、专业化的科技中介服务机构，加快科技成果转化；第四，新能源汽车动力电池技术发展需要依托开放、共享的产业生态环境，应积极探索专利开放许可机制，促进技术可持续发展。