張柳柳,陶鳳鳴,楊 佳
(1.重慶大學機械與運載工程學院,重慶 400044;2.重慶大學管理科學與房地產學院,重慶 400044)
文獻數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(以下簡稱WOS),數(shù)據(jù)采集的時間節(jié)點為2021年1月11日,其中WOS文獻的檢索式參考胡澤文構建的新能源汽車研究檢索方式(表1)。
表1 文獻檢索信息
科學知識圖譜于2003年由美國國家科學院首次提出,是一種以知識域為對象的圖形,既可展示科學知識的變化過程,又可表明知識之間的結構關系,可運用文獻可視化計量軟件繪制,目前該方法廣泛應用于各領域研究熱點和演進路徑的量化分析。隨著信息可視化的發(fā)展,CiteSpace成為目前最流行的科學知識圖譜繪制工具之一,它是由美國德雷賽爾大學陳超美教授團隊研發(fā)的一款基于Java環(huán)境的文獻可視化計量軟件,在一定程度上避免主觀性歸納綜述,加強客觀性和可靠性,其應用領域主要包括圖書情報學、管理學、科技政策及具體技術科學等。
文獻發(fā)文量變化是衡量某領域發(fā)展的重要指標,由圖1可知,新能源汽車發(fā)文量整體呈現(xiàn)逐年增長趨勢。從WOS收錄的文獻時間分布來看,2007年以前年度發(fā)文量都在百篇以內,從2008年開始顯著增長,到2017年發(fā)文量破千,2018年之后增速更快,截止到2020年發(fā)文量達到兩千余篇。CNKI發(fā)文總量在2009年和2016年前后發(fā)生突變增加,總體上可劃分為3個階段。1991~2008年間,國內各部門相繼出臺激勵政策以推動新興汽車的研究和產業(yè)化,發(fā)文量較少、呈緩慢增長趨勢。第2階段為2009~2015年,發(fā)文量顯著增加,從發(fā)布的政策來看,2009年國務院發(fā)布了《汽車產業(yè)調整和振興規(guī)劃》,四部委啟動“十城千輛”工程來培育節(jié)能和新能源汽車市場,學術界開始高度關注并圍繞多方展開研究。第3階段是2016年至今,從發(fā)文量可看出該產業(yè)進入到加速階段,2016年多部門聯(lián)合發(fā)布《關于“十三五”新能源汽車充電設施獎勵政策及加強新能源汽車推廣應用的通知》,旨在加快推動新能源汽車充電基礎設施建設,培育良好的新能源汽車應用環(huán)境,國務院發(fā)布《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,相關政策對該產業(yè)的飛速發(fā)展起到引導作用。
圖1 1991~2020國內外新能源汽車領域研究的發(fā)文量
新能源汽車領域中國家或地區(qū)的合作網(wǎng)絡為評價某國家或地區(qū)在該領域的學術影響力提供了一個新視角。合作網(wǎng)絡(圖2)中節(jié)點大小代表該國家或地區(qū)的學者在該領域的發(fā)文量,節(jié)點之間的線代表國家或地區(qū)之間的合作關系,節(jié)點的紫色外圈代表中介中心性較高,在網(wǎng)絡中的連接程度強,影響力大。節(jié)點的某些年輪被紅色填充代表這些國家或地區(qū)在該研究時間段中的論文存在突發(fā)性變化,存在高影響力的起源文獻或某個方向的奠基性文獻。
圖2 1991~2020年國際新能源汽車領域國家或地區(qū)合作網(wǎng)絡
從發(fā)文時間來看(表2),美國早在1993年就開始關注新能源汽車,日本、意大利等緊隨其后,20世紀末開始越來越多國家或地區(qū)對該領域展開研究。從發(fā)文量來看,中國占據(jù)首位,美國次之,排名靠前的多為發(fā)達國家,發(fā)展中國家僅有中國和伊朗。綜合圖表發(fā)現(xiàn),美國、法國、英國、加拿大的中介中心性均大于0.1,表明這些國家的學者對外合作較多,在國家合作中起到良好的橋梁作用。美國、日本、韓國的早期論文存在突發(fā)性變化,具有里程碑意義。綜合多方分析發(fā)現(xiàn)中國在該研究領域雖占據(jù)一席之地,但對外交流相對較少,缺乏高影響力的經(jīng)典文獻,應重視國際科研合作網(wǎng)絡,增強自身的科研實力。
表2 1991~2020年新能源汽車領域發(fā)文量前10的國家
學者合作網(wǎng)絡可以反映新能源汽車領域的核心學者及其之間的學術合作情況,對1991~2020年間發(fā)文量在20篇以上的學者進行共現(xiàn)分析,繪制出該領域主要科研學者的合作網(wǎng)絡。如圖3所示,節(jié)點大小代表發(fā)文量,節(jié)點之間的連線代表學者之間存在合作關系,其寬度代表合作強度,顏色代表首次合作時間,由冷色過渡為暖色對應時間上由遠到近。由圖3可知,新能源汽車領域已進入到相對成熟的階段,中國學者在國際新能源汽車領域非?;钴S,發(fā)文量位居前列。
三軸式攤鋪機是一種中檔型機械,主要的組成部分包括2個驅動器和3根軸,這種機械設備與小型機械和滑模攤鋪機均存在不同之處。三軸式攤鋪機通過兩個驅動器以實現(xiàn)攤鋪和振動功能以及帶動整個設備進行移動[1]。在攤鋪機上還配套有其他相應的設備,比如說拌和樓、自卸汽車及灑水車等。三軸式攤鋪機的基本性能為:一次攤鋪寬度7.5~8.5m;攤鋪速度15~30m/h;1d攤鋪工作量200m。
圖3 新能源汽車領域國內與國外研究學者合作網(wǎng)絡
從發(fā)文量來看(表3),以歐陽明高為首的科研團隊發(fā)文量最高,其合作學者主要有李建秋、王建龍、盧蘭光等,該團隊隸屬于清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,研究領域主要涉及:混合動力及動力電池等新能源動力研發(fā)、分布式電池管理系統(tǒng)等。此外,國際發(fā)文量前十的學者中有4位均來自北京理工大學,分別是孫逢春、何洪文、熊瑞和王震坡,隸屬于電動車輛國家工程實驗室,研究方向涉及新能源汽車整車集成與驅動理論研究、新能源車輛傳動及其控制等。
表3 1991~2020年國際新能源汽車領域發(fā)文量前10學者
由于國際新能源汽車領域發(fā)文量前10的學者大都來自中國,本文在剔除中國學者后得到國際發(fā)文量前10的學者情況(表4),研究者均來自發(fā)達國家的名校,其中歐洲學者占據(jù)主導地位,他們在新能源汽車領域非?;钴S且形成穩(wěn)定的合作關系。近年來,Benjamin K.Sovacool、Gerardo Zarazua de Rubens、Lance Noel和Johannes Kester四位學者多次合作發(fā)文,研究內容聚焦北歐地區(qū)的電動汽車V2G技術及公眾態(tài)度。由此可見,無論國內還是國際期刊,學術論文的先行者大多依托于國家級實驗室,體現(xiàn)了新能源汽車領域的研究在政策重視度、資金支持度等方面的依賴。
表4 1991~2020年國際新能源汽車領域發(fā)文量前10的學者(剔除中國作者)
關鍵詞是對文獻中心內容的高度概括,關鍵詞共現(xiàn)分析可以反映該領域的熱點主題。本文對WOS和CNKI參考文獻分別進行關鍵詞共現(xiàn)分析(表5),國際新能源汽車領域的研究熱點可分為兩類:一類是新能源汽車相關技術研究,包括動力研究、儲能系統(tǒng)、充放電研究、續(xù)航能力和安全性能等核心技術;二是新能源汽車的推廣研究,涉及市場需求、發(fā)展戰(zhàn)略、環(huán)境影響、激勵政策、消費者偏好等方面。國內新能源汽車領域的研究熱點主要涉及動力電池及其管理系統(tǒng)、電機驅動技術、基礎設施布局、充放電控制策略等??傮w而言,研究熱點集中在動力研究、儲能系統(tǒng)等技術層面,同時也考慮政策、發(fā)展戰(zhàn)略及消費者等層面。
表5 1991~2020年國際及國內新能源汽車領域高頻關鍵詞
基于對研究熱點的分析,本文進一步從時間維度上挖掘未來發(fā)展趨勢。時間線視圖可以展現(xiàn)某研究領域里的各個子領域發(fā)展演變的時間跨度和研究進程,本文選取1990~2020年之間每年被引用最多的100篇文獻進行共被引分析,獲得國際新能源汽車領域文獻共被引時間線視圖(圖4)以及各子領域的主要信息(表6)。其中,圖譜聚類效果主要由模塊度和平均輪廓值來衡量,模塊度在0.3以上就意味著得到的網(wǎng)絡模塊結構是顯著的,平均輪廓值在0.5以上可以認為聚類結果是合理的。
表6 WOS時間線聚類主要信息
根據(jù)圖4,模塊度為0.83,說明聚類結果可以清楚界定出各個子領域,平均輪廓值為0.33,數(shù)值較低主要是受小簇聚類的影響,對于本文關注的重點聚類來說,平均輪廓值在0.9以上,聚類合理。圖中聚類從上到下按規(guī)模大小遞減,時間從左到右由遠到近,彩色曲線表示在相應年份添加的共引鏈接顏色,圖譜中較大節(jié)點和帶有紅色圓環(huán)的節(jié)點代表高被引文獻或具有高突變性文獻。
圖4 國際新能源汽車領域文獻共被引時間線視圖
觀察圖表結果可知,一共形成了14個聚類。從研究規(guī)模上看,插電式電動汽車、混合動力電動重型車輛、新能源汽車和混合儲能系統(tǒng)等子領域的發(fā)文量較多,結合活躍度和研究時長可發(fā)現(xiàn)動力研究、技術研究、能源管理、推廣普及等是主要研究方向。從時間上看,早期集中在新能源汽車的軟硬件開發(fā)、電池研究、能量整合等領域,隨著新能源汽車產業(yè)的不斷發(fā)展,開始向市場推廣、政策激勵、儲能系統(tǒng)以及路徑規(guī)劃拓展。從活躍度來看,目前比較活躍的子領域有插電式電動汽車、混合儲能系統(tǒng)和車輛路徑研究。綜合聚類規(guī)模、持續(xù)研究時長和活躍度等因素,本文聚焦聚類#0和聚類#2領域的重點文獻,從時間跨度上分析研究脈絡,了解國際新能源汽車領域的未來發(fā)展趨勢。
3.2.1 聚類#0研究脈絡分析
聚類#0涉及164篇插電式電動汽車相關文獻,2009年之前未出現(xiàn)高被引文獻,2010~2014年是插電式電動汽車(PEV)奠基性文獻的爆發(fā)期,2015年至今高被引文獻數(shù)量減少。早期研究聚焦在兩個方面:可持續(xù)性和車網(wǎng)互動(V2G)。在改善運輸環(huán)境和緩解能源壓力方面,PEV被視為可持續(xù)性手段之一,可減少32%的溫室氣體排放。其中,V2G技術的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益受到長期關注,早在2005年,KEMPTON等探討構建V2G系統(tǒng),以此來高效利用電動汽車和公用發(fā)電機,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性,降低電力系統(tǒng)成本。TOMIC等指出V2G可以提高并網(wǎng)電動驅動車輛的經(jīng)濟性,LUND等指出在公共能源系統(tǒng)中增加電動汽車和V2G技術不會耗費過多的電力,還可以顯著減少碳排放量。
基于早期研究,爆發(fā)期的高被引文獻主要涉及PEV充電影響、充放電調度問題、V2G研究等。電車數(shù)量的增加使電力系統(tǒng)的壓力增大,易出現(xiàn)電力過載、效率降低、電源質量下降等問題。CLEMENT-NYNS等研究PEV對住宅配電網(wǎng)的影響,指出充電不協(xié)調會導致配電系統(tǒng)損耗。對PEV的充放電執(zhí)行智能調度非常重要,HE Yifeng對此分別提出全局和局部最優(yōu)調度方案,通過仿真證明局部最優(yōu)調度方案更符合實際情況。此外,學者們進一步探討V2G問題,DEILAMI等提出一種新型負載管理解決方案,用于實時協(xié)調智能電網(wǎng)系統(tǒng)中PEV的充電問題,最大限度減少功率損失。MWASILU等對V2G作為未來能源系統(tǒng)模型進行了廣泛的探討,并提出解決方案。2015年之后學者們對PEV的研究進入了成熟階段,高被引文獻多為綜述性文獻,涉及電動汽車的充電策略、V2G的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)等主題。
3.2.2 聚類#2研究脈絡分析
聚類#2聚焦在新能源汽車的發(fā)展戰(zhàn)略,開始研究的時間較晚,但研究熱度從2012年延續(xù)至今。根據(jù)高被引文獻數(shù)量對研究時期進行劃分,2003~2010年間討論熱度較低,2011~2015年間涌現(xiàn)許多高被引文獻,2016年至今研究熱度一直持續(xù)。
該領域早期主要圍繞激勵政策、市場推廣等進行研究。研究消費行為對制定新能源汽車的激勵政策有一定幫助,MAU等認為新能源汽車技術的市場滲透程度會影響消費者偏好,即“鄰里效應”。DIAMOND等指出激勵政策對混合動力汽車的市場推廣作用較小,主要受汽油價格影響。2011~2015年間高被引文獻數(shù)量激增,研究范圍從激勵政策、市場推廣等方向進一步拓展到消費群體。盡管許多政府實施了強有力的激勵政策,新能源汽車仍面臨許多推廣障礙:價格昂貴、行駛里程短、安全問題、消費者的購買態(tài)度等。環(huán)境問題和能源安全促使政府在電動汽車推廣方面引入了許多激勵政策,但其有效性有待研究。GALLAGHER等證實了各州銷售稅減免會影響消費行為,同時提醒政府重視激勵政策的及時性、透明度和便利性。SIERZCHULA等發(fā)現(xiàn)財政激勵措施、充電基礎設施對電動汽車的推廣影響較大,其中充電基礎設施與電動汽車的普及密切相關。針對消費群體的研究,CARLEY等指出新能源汽車的潛在消費者通常是受過良好教育、環(huán)境意識較高或者之前接觸過新能源汽車的群體。HELVESTON等研究在補貼政策背景下中美消費者對電動汽車的接受度,發(fā)現(xiàn)無論有無政策補貼中國消費者對電動汽車的支付意愿更高,電動汽車可能在中國市場更早實現(xiàn)普及。
2016年至今,新能源汽車的推廣策略仍是討論熱點。在激勵政策方面,BJERKAN等指出免征購置稅、增值稅、道路費等政策是重要誘因,但是隨著產業(yè)的發(fā)展,中、美、德等國欲減少或取消相關補貼。WANG Ning等的研究和這一政策趨勢相符合,指出充電設施、燃油價格和道路優(yōu)先級是影響電動汽車市場份額的主要因素,而財政激勵的推動作用逐漸弱化。綜合多方研究成果發(fā)現(xiàn),影響新能源汽車推廣的因素主要為消費群體和環(huán)境因素,其中消費群體主要涉及收入、年齡、職業(yè)、受教育程度等因素,環(huán)境因素主要涉及社會環(huán)境、政府政策、擁有成本等。
本文采用施引文共線聚類法分析國內新能源汽車領域相關文獻,得到關鍵詞共現(xiàn)時間線視圖(圖5)和CNKI時間線聚類主要信息表(表7)。圖譜聚類效果評價中,該網(wǎng)絡的模塊度為0.52,平均輪廓值為0.64,表明各模塊結構顯著,聚類合理。從聚類規(guī)模上來看,混合動力汽車、新能源汽車和配電網(wǎng)3個子領域發(fā)文量較多,從時間方面梳理該產業(yè)的發(fā)展脈絡,早期研究電動汽車和電池管理系統(tǒng),隨著技術發(fā)展開始研究燃料電池汽車和混合動力汽車,近幾年多關注整車集成控制、電池研究、市場推廣等?;诖耍疚膶⑦M一步研究混合動力汽車、新能源汽車推廣和配電網(wǎng)3個熱門子領域。
表7 CNKI時間線聚類主要信息
圖5 國內新能源汽車領域關鍵詞共線時間線視圖
3.3.1 聚類#0研究分析
混合動力汽車是傳統(tǒng)內燃機汽車與電動汽車的結合,核心是混合動力驅動系統(tǒng),關鍵技術主要有系統(tǒng)集成技術、整車能量管理技術、子系統(tǒng)關鍵技術,其中子系統(tǒng)關鍵技術主要為電池及其管理系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)、動力復合裝置和混合動力系統(tǒng)專用發(fā)動機等。能量管理策略是混合動力汽車領域研究的核心熱點和難點,決定了整車的燃油經(jīng)濟性、動力性和駕駛性等。已有研究文獻提出使用不同的控制策略來實現(xiàn)某個或多個最優(yōu)目標,主要包括:燃油經(jīng)濟性最優(yōu)、排放最低、系統(tǒng)成本最低、整車性能最佳等。根據(jù)控制方法可將能量管理策略分為基于規(guī)則的控制策略、基于模糊控制策略、基于瞬時優(yōu)化的控制策略、基于全局優(yōu)化的控制策略和基于模型預測控制(MPC)的能量管理策略。其中張風奇提出了模型預測控制的分類框架,從不同角度展望該領域的研究趨勢,指出考慮人車路相互影響并融合多源異構信息的MPC能量管理策略是未來發(fā)展方向。
動力電池是混合動力汽車動力系統(tǒng)的關鍵組成部分,電池數(shù)量、使用溫度和荷電狀態(tài)適用范圍的優(yōu)化不僅可改善汽車動力的性能,還可顯著提高汽車的使用壽命。鋰離子動力電池因具有高比能量、高比功率、長壽命、低成本等優(yōu)勢,正在逐步取代傳統(tǒng)鉛酸電池、鎘鎳電池、氫鎳電池等,成為混合動力汽車的主流動力電池,但在材料、安全性和能量密度方面還需進一步提升。目前國內已形成了包括關鍵原材料、動力電池、系統(tǒng)集成、示范應用、回收利用、生產裝備、基礎研發(fā)等在內的完善的鋰離子動力電池產業(yè)鏈體系,掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術,生產線逐步從半自動中試向全自動大規(guī)模制造技術過渡。但與發(fā)達汽車國家尚有差距,電池面向應用的研究與開發(fā)工作相對薄弱,電池集成技術水平不高,產業(yè)技術創(chuàng)新能力不足,產品標準化工作應進一步加強。
4.3.2 聚類#1研究分析
該聚類主要圍繞新能源汽車的產業(yè)政策、技術創(chuàng)新、商業(yè)模式、發(fā)展戰(zhàn)略等方向進行探討。
目前國內新能源汽車產業(yè)政策存在手段傳統(tǒng)、著力點不夠精準、實施有效性差等問題。謝青等基于政策工具與創(chuàng)新價值鏈來研究政策創(chuàng)新對新能源汽車產業(yè)發(fā)展的推動。周燕等提出新能源汽車產業(yè)政策選擇應由財政補貼轉向行業(yè)性的稅收減免。李磊結合生態(tài)系統(tǒng)理論研究政府補貼與新能源汽車產業(yè)技術創(chuàng)新的關系,指出應加強對中低生態(tài)位企業(yè)種群的研發(fā)補貼。鐘太勇等建議在新能源汽車研發(fā)前期對企業(yè)進行適當補貼,上市前應注重基礎設施的建立,進入市場后對消費者提供必要支持,進而擴大市場份額。產業(yè)政策、技術高度依賴性和市場需求異質性導致了不同類型的新能源汽車在市場中競爭,從專利信息視角看國內該產業(yè)研發(fā)力量過于分散,大而不強。劉穎琦構建新能源汽車產業(yè)聯(lián)盟中企業(yè)與高校合作平臺,拓寬技術聯(lián)盟領域,并提出需在技術創(chuàng)新領域加大力度,王靜宇基于該產業(yè)聯(lián)盟發(fā)展現(xiàn)狀建立技術創(chuàng)新模型?;诰W(wǎng)絡視角,谷林洲等構建了新能源汽車產業(yè)的技術創(chuàng)新網(wǎng)絡模型并提出優(yōu)化策略。郭燕青等分析了該產業(yè)新興技術演化和技術創(chuàng)新問題。
新能源汽車產業(yè)尚未形成商業(yè)模式理論體系,在商業(yè)模式創(chuàng)新方面,李蘇秀等梳理了國內新能源汽車產業(yè)不同階段的商業(yè)模式創(chuàng)新特點,構建了戰(zhàn)略性新興產業(yè)商業(yè)模式創(chuàng)新的系統(tǒng)理論框架。陳志恒等提出商業(yè)模式創(chuàng)新需同技術創(chuàng)新共進且不可替代。針對新能源汽車產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究多聚焦在市場環(huán)境,該產業(yè)的潛在市場需求大、政府支持意愿強烈且企業(yè)搶占市場積極,但存在諸多障礙,如缺乏核心技術、產業(yè)缺口較大、標準法規(guī)不健全、地方保護主義、內部競爭無序、基礎設施不足等。其中,消費者是提高市場滲透率的關鍵因素,消費意愿受環(huán)保意識、新技術接受度的影響,國內多數(shù)消費者對新能源汽車產業(yè)的發(fā)展支持度較高,潛在購買熱情高,但對節(jié)能環(huán)保之外的性能不夠了解。
4.3.3 聚類#2研究分析
電動汽車數(shù)量的增長和其隨即充電行為對城市電網(wǎng)的安全運維帶來新的挑戰(zhàn),學者們將研究目光投向充電設施規(guī)劃和充放電控制策略。充電樁容量較小且相對分散,充電站內設置多臺充電機和充電樁,后者的定容選址對配電網(wǎng)影響較大。劉柏良等探究定容選址對配電網(wǎng)絡和交通網(wǎng)絡的影響,建立了總成本最小、網(wǎng)絡損耗最小和交通滿意度最高的電動汽車充電站與分布式電源定容選址模型。賈龍等綜合不同類型的充電需求,建立了一個以總投資成本、運行成本和失負荷成本最小為目標的多階段聯(lián)合規(guī)劃模型。在充放電策略方面,學者們從不同角度進行探討:分時電價、供需協(xié)同、V2G、車輛行駛特性、用戶滿意度等,旨在實現(xiàn)緩解電網(wǎng)壓力、節(jié)能減排、提高用戶經(jīng)濟性等目標。
本文以WOS和CNKI數(shù)據(jù)庫中1991~2020年的新能源汽車領域學術文獻為分析對象,運用CiteSpace對國家、學者、研究主題和聚類演變趨勢進行了知識圖譜分析,結論如下:
(1)從國家和學者的科研合作情況來看,目前中國和美國的科研實力較強,美國、法國、英國、加拿大等發(fā)達國家之間的科研合作較多,而中國對外交流合作較少,未形成開放研究。國際新能源汽車研究領域中排在前列的科研團隊都來自中國,以清華大學的汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室和北京理工大學的電動車輛國家工程實驗室為代表,聯(lián)系緊密且研究成果豐富,但整體上研究力量比較分散。此外,國內外新能源汽車領域的研究在政策重視度和資金支持度等方面存在依賴性。
(2)從研究熱點和發(fā)展趨勢來看,國際新能源汽車研究領域的熱點主題主要涵蓋兩個方面:一類是動力研究、儲能系統(tǒng)、充放電研究、安全性能等核心技術,另一類是市場需求、激勵政策、發(fā)展戰(zhàn)略、消費者偏好等推廣研究,國內的熱點主題涉及整車集成與控制、動力電池管理系統(tǒng)、電機驅動技術、充電基礎設施建設、充放電控制策略等。國內外研究熱點相對集中且有重疊部分,重點聚焦技術層面,近年來逐漸向激勵政策、消費群體、創(chuàng)新發(fā)展、配套設施建設等方面拓展。未來的研究趨勢主要為電驅、電池和電控系統(tǒng)技術,充電設施的布局定容,充放電控制策略以及市場擴散等方向。