我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)的專利申請現(xiàn)狀分析及技術(shù)創(chuàng)新思考

■ 趙景煥崔伯雄常 力李 璐李曉惠翟琳娜隋 欣

我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)的專利申請現(xiàn)狀分析及技術(shù)創(chuàng)新思考

■ 趙景煥＊崔伯雄＊＊常 力＊＊＊李 璐＊李曉惠＊＊＊＊翟琳娜＊＊＊＊隋 欣＊＊＊＊

電動汽車電池管理系統(tǒng)技術(shù)是電動汽車的一項關(guān)鍵技術(shù)。在簡述發(fā)展電動汽車及發(fā)展電池管理系統(tǒng)的重要性和電池管理系統(tǒng)主要構(gòu)成的基礎(chǔ)上,重點介紹我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請現(xiàn)狀分析,最后對我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)專利技術(shù)應(yīng)當(dāng)采取的技術(shù)創(chuàng)新角度做出思考。

電動汽車 電池管理系統(tǒng) 專利現(xiàn)狀 技術(shù)創(chuàng)新

目前,隨著全球性能源危機(jī)日益嚴(yán)重和幾乎遍布全球的經(jīng)濟(jì)危機(jī)的擴(kuò)散,大多數(shù)國家均在積極發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào),尋求新的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)機(jī),另外全球環(huán)境的惡化也使人們積極尋求低碳經(jīng)濟(jì)的合理發(fā)展模式。在此過程中,大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)是各國政府普遍意識到的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和發(fā)展契機(jī)。

一、研究背景

(一)發(fā)展電動汽車的重要性

汽車的出現(xiàn)已經(jīng)一百多年,經(jīng)歷了從歐洲的手工生產(chǎn)、美國的自動化生產(chǎn)、日本的精益生產(chǎn)三個階段以及現(xiàn)在的現(xiàn)代化、全球化的規(guī)模生產(chǎn)。汽車的生產(chǎn)和使用極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,極大地改善了人們的生活。但是汽車發(fā)展到今天,也帶來嚴(yán)重的問題,即能源、環(huán)保和安全。這些問題是對交通可持續(xù)發(fā)展的三大挑戰(zhàn),也是對人類可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn),但是這些問題也指明了 21世紀(jì)汽車革命的方向。就在世界各國努力研發(fā)安全、潔凈、環(huán)保汽車的時候,人們把目光再次投向了電動汽車上,一致認(rèn)為發(fā)展電動汽車是解決未來能源與環(huán)境問題的最有希望的措施之一。在世界范圍內(nèi),此措施得到各國政府、汽車生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的高度重視。

目前,不僅僅美、日、歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)投入很大財力于電動汽車的研制,我國政府也非常重視對電動汽車的發(fā)展。在“八五”、“九五”、“十五”期間,在研發(fā)電動汽車專項上國家投入了大量人力、物力,電動汽車也被列入“863”重點項目、十五重大攻關(guān)項目。并且,科技部門、各個地區(qū)及各汽車生產(chǎn)企業(yè)也在積極進(jìn)行電動汽車的研發(fā)。

伴隨著各方重視和人力、物力的投入,電動汽車及相關(guān)技術(shù)研究開發(fā)在短期內(nèi)獲得了飛速發(fā)展。截至目前,已經(jīng)有少量電動車型投入到實際運營中,如城市公交汽車、各種園區(qū)內(nèi)的短途運營車輛及觀光車等。

(二)電池管理系統(tǒng)的重要性及構(gòu)成概述

1.電池管理系統(tǒng)的重要性

電動汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車,但制約他們未能普及的關(guān)鍵因素是車載動力電池技術(shù)相對落后,尤其是電池管理系統(tǒng)技術(shù)的相對落后。過去及現(xiàn)在,世界各國都在為電動汽車潛心研制高性能車載電池以及動力電池管理系統(tǒng),但仍與期望目標(biāo)存在較大差距。為了開發(fā)高性能的電池管理系統(tǒng),各國或地區(qū)政府均給予政策扶持,并投入大量物力和技術(shù)力量。

電池管理系統(tǒng)技術(shù)是電動汽車技術(shù)的一項關(guān)鍵技術(shù),電池管理系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定了電池/電池組的使用壽命和效率。電池管理系統(tǒng)對動力電池的工作參數(shù) (如電壓、電流、溫度、剩余電量和健康狀態(tài)等)進(jìn)行檢測,以保證動力電池 /電池組安全工作,并對動力電池 /電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計,以便整車控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的電池狀態(tài)優(yōu)化控制策略,提高整車的動力性和行車經(jīng)濟(jì)性。

對電動汽車電池管理系統(tǒng)研究的巨大投入,為與電池管理系統(tǒng)相關(guān)的電池電子技術(shù)發(fā)展提供了巨大的契機(jī)。另外,隨著近年來半導(dǎo)體技術(shù)及集成電路技術(shù)的發(fā)展,利用電池電子技術(shù),開發(fā)高智能電池能源管理系統(tǒng),可以有效地解決電動汽車?yán)m(xù)航里程與乘坐舒適性之間的矛盾,并且可以在復(fù)雜多變的外界環(huán)境條件下,更高效地利用電池能量,并能延長電池壽命等。

2.電池管理系統(tǒng)構(gòu)成概述

電動汽車電池管理系統(tǒng)中的動力電池多采用串聯(lián)方式連接,并且由于電池組內(nèi)各單電池充放的不一致性,因此在充放電的過程中,以串聯(lián)方式供電的電池的運行狀況要比單電池供電的情況復(fù)雜得多。并且,電池的不一致性會嚴(yán)重影響電動汽車的性能,因此對每個單電池運行狀況的監(jiān)測也是十分重要的。

電池管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為分布式和集中式兩種方案,分別適用于不同動力電池包結(jié)構(gòu)形式。

分布式電池管理系統(tǒng),其在中央處理器 (電池綜合管理器)總的控制下,使用多個控制單元分別實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)所需的各種功能,如數(shù)據(jù)采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示等;各個控制單元通過 CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,實現(xiàn)單個電池及電池組模塊電壓、總電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集和測量、電量估算;同時,分布式電池管理系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,可以進(jìn)行具體電池診斷和電池安全性能保護(hù)等功能擴(kuò)張。

集中式電池管理系統(tǒng),其將電池信息測量與采樣模塊和主控制模塊集中在一起,通過設(shè)計多路控制選擇開關(guān)分時完成對單個電池及電池組數(shù)據(jù)采集和測量,然后在數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工和處理,如電量估算等;集中式電池管理系統(tǒng)具有高性能、高可靠性的特點,但可擴(kuò)展性不強(qiáng)。

二、我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請現(xiàn)狀

目前進(jìn)行電動汽車研發(fā)的主要企業(yè)有一汽、上海大眾、東風(fēng)汽車、長安汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、比亞迪汽車、上海華普、上海通用等企業(yè)。然而,除奇瑞和比亞迪外,其他企業(yè)在電池管理領(lǐng)域沒有或僅有很少的專利申請。究其原因,一方面,一些電動車研發(fā)企業(yè)還沒有將研發(fā)重心放到電池管理系統(tǒng)上;另一方面,國內(nèi)企業(yè)在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)上意識不足,還沒有自己的專利技術(shù)。

目前,我國一些企業(yè)已經(jīng)就電池管理系統(tǒng)技術(shù)申請了專利。在電池管理領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗徘傲坏膰鴥?nèi)企業(yè)有:比亞迪、奇瑞汽車、深圳市比克電池有限公司、中興、天津力神電池股份有限公司和華為。從圖 1中可以看出,這些企業(yè)在電池管理領(lǐng)域的研究普遍起步較晚,比亞迪和中興從2000年才開始申請電池管理領(lǐng)域的專利,其他 4家企業(yè)更晚,尤其是奇瑞汽車,從 2005年才第一次申請相關(guān)專利。雖然國內(nèi)企業(yè)對該領(lǐng)域的研究比國外要晚,但是發(fā)展還是比較迅速的,2007年,各企業(yè)的申請量都比起步時有了大幅增長。比亞迪尤為突出,達(dá)到 36件。

圖 1 在電池管理領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗徘傲坏膰鴥?nèi)企業(yè)

以下分別對上述六家國內(nèi)企業(yè)在電池管理領(lǐng)域的專利分布和技術(shù)路線進(jìn)行分析。

(一 )比亞迪公司

比亞迪股份有限公司創(chuàng)立于 1995年,是一家香港上市的高新技術(shù)民營企業(yè)。比亞迪在廣東、北京、上海和西安等地區(qū)建有七大生產(chǎn)基地,并在美國、歐洲、日本、韓國、印度、中國臺灣、中國香港等地設(shè)有分公司或辦事處。比亞迪現(xiàn)擁有 IT和汽車兩大產(chǎn)業(yè)群。

1997年,公司自主研發(fā)并開始生產(chǎn)鋰離子電池,很快投入量產(chǎn)。2006年 6月,比亞迪純電動汽車研發(fā)成功,成功搭載 ET-POWER技術(shù)的動力電池,實現(xiàn)零污染、零排放、零噪音的三無目標(biāo),續(xù)航里程達(dá) 350K M,標(biāo)志著比亞迪純電動汽車技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。2008年 12月 15日,全球第一款不依賴專業(yè)充電站的雙模電動車——比亞迪雙模電動車在深圳正式上市。2009年,比亞迪計劃將推出純電動汽車,提前 20年實現(xiàn)世界汽車工業(yè)追逐的夢想。

比亞迪在電池管理領(lǐng)域的專利申請量按年份分布如圖 2所示,比亞迪 2000年申請了第一個電池管理領(lǐng)域的相關(guān)專利,2001年沒有申請相關(guān)專利,2002年也僅申請了一項。實質(zhì)上,比亞迪在電池管理領(lǐng)域的研究和發(fā)展從 2003年才真正開始。從 2003年至今,比亞迪的年申請量持續(xù)增長。

圖 2 比亞迪在電池管理領(lǐng)域的專利申請量按年份分布情況

比亞迪在電池管理領(lǐng)域的專利申請主要涉及的技術(shù)主題包括:電池的充放電及其控制、電池的保護(hù)、電池管理系統(tǒng)、防止電池過充或過放的檢測及保護(hù)、電池短路的檢測、電池電壓監(jiān)測、電池性能的測試、電池剩余電量的檢測、電池的均衡管理和電池內(nèi)阻的檢測。涉及這些技術(shù)主題的專利申請共 54件,其中發(fā)明專利申請33件,實用新型 21件。在這些技術(shù)主題中,電池的充放電及其控制、電池管理系統(tǒng)、電池剩余電量的檢測、電池的均衡管理的專利申請量相對較高,分別是 14件、14件、4件和 7件。這說明上述技術(shù)主題是比亞迪在電池管理領(lǐng)域的重點研究方向,其投入了較大的研發(fā)力量并獲得了一定的研究成果。

(二 )奇瑞公司

奇瑞汽車有限公司為 1997年由安徽地方國有投資公司投資成立的汽車公司。奇瑞公司申請電池管理領(lǐng)域?qū)＠那闆r為:2005年 2件,2006年 8件,2007年 18件,2008年 15件?？梢?自2005年至今,奇瑞公司的專利申請量逐年穩(wěn)步增長。奇瑞在電池管理領(lǐng)域的專利申請主要涵蓋的技術(shù)主題有:電池余量檢測、分布式電池管理、電池溫度檢測、電池內(nèi)阻檢測、電池的均衡化管理、電池電壓監(jiān)測、電池性能檢測和電池充放電電流的限制保護(hù)。奇瑞在電池管理領(lǐng)域的專利申請共16件,其中發(fā)明專利申請 15件、實用新型 1件。奇瑞在該領(lǐng)域的專利申請量不大,且專利申請量在各技術(shù)主題間的分布比較均勻,沒有明顯的重點研究方向。

(三 )比克電池

深圳市比克電池有限公司 (簡稱為比克電池)是一家集鋰電池研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司產(chǎn)品涵蓋手機(jī)、數(shù)碼、筆記本等 IT通訊類領(lǐng)域以及電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用于二次電池能源需求行業(yè),目前日產(chǎn)能約 150萬只,已躋身世界專業(yè)鋰離子電池制造商前列。深圳市比克電池有限公司以中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、吉林大學(xué)、深圳大學(xué)、廈門大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京科技大學(xué)等科研院校為技術(shù)依托建立了獨立的研發(fā)中心,由國際高端人才組建了加拿大比克研發(fā)中心,并設(shè)有國家人事部批準(zhǔn)設(shè)立的博士后工作站,在鋰離子電芯領(lǐng)域申請專利 600多項。在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專利主要集中在充電裝置 (如CN200956520Y鋰離子電池預(yù)充電電路)、鋰離子電池安全檢測 (如 CN101046503A一種鋰離子電池爆炸原因測試方法)、充放電均衡和電池保護(hù)(如 CN101394080A電池組保護(hù)裝置)及電壓檢測(如 CN201060259Y一種自動檢測電池電壓裝置及預(yù)充柜)等方面。

(四 )中興公司

這里的中興公司是包括中興通訊股份有限公司、深圳市中興通訊股份有限公司及深圳市中興移動通信有限公司。其在電池管理領(lǐng)域研發(fā)作為其主要研發(fā)方向的輔助研發(fā)技術(shù)方向。中興公司在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域也具有一定的專利申請量,主要集中在電池的充電 /放電的方法或裝置的技術(shù)方向,如 CN1389950A蓄電池充放電狀態(tài)的判斷方法、CN1885669A一種充電電池的充電方法及其裝置、CN101340011A一種智能充電方法和裝置,還具有充電保護(hù)方面的專利技術(shù)如 CN101174770A充電保護(hù)方法及裝置和電池電壓檢測方面的專利如 CN101236235A蓄電池組單節(jié)電池的電壓采樣裝置及方法。

(五 )力神電池

天津力神電池股份有限公司 (簡稱為力神電池)是一家擁有自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)的,專業(yè)從事鋰離子蓄電池技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營的股份制高新技術(shù)企業(yè)。力神公司在產(chǎn)業(yè)化建設(shè)過程中,深刻認(rèn)識到培育擁有自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)的重要性,始終高度重視技術(shù)研發(fā)工作,參與到國家和部委的多個重大專項項目,并申請了多項專利。力神電池經(jīng)過十多年的發(fā)展,自主研發(fā)的各類鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用到便攜電子設(shè)備、電動汽車、電動工具、儲能系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域。力神公司在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請主要集中在鋰離子電池測試、鋰離子電池保護(hù)和電池電阻檢測方面,如 CN1937350A用于方形鋰離子二次電池預(yù)充電的控制裝置、CN200947542Y多串大功率鋰離子電池組過充過放保護(hù)電壓檢測裝置和CN201203658Y一種鋰離子動力電池極組的短路檢驗裝置。

(六 )華為公司

華為技術(shù)有限公司是一家總部位于中國廣東深圳市的高技術(shù)科技公司,于 1988年成立于中國深圳。華為公司一直以來對知識產(chǎn)權(quán)高度重視,連續(xù)數(shù)年成為中國申請專利最多的企業(yè),并且 PCT專利申請量位居世界前列。在電池管理領(lǐng)域方面的專利申請作為其主要研發(fā)方向的輔助技術(shù)方向,主要申請集中在電池的充電 /放電的方法或裝置領(lǐng)域,如 CN1738149A一種蓄電池組系統(tǒng)及使用方法和 CN201084793Y電池管理的裝置。

三、技術(shù)創(chuàng)新角度的思考

根據(jù)我國企業(yè)在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請現(xiàn)狀,綜合目前電動汽車電池管理系統(tǒng)以及汽車電子技術(shù)發(fā)展,我國企業(yè)若想在電池管理領(lǐng)域取得長足發(fā)展,應(yīng)重點從以下兩個角度把握技術(shù)創(chuàng)新:

首先,在長期技術(shù)路線規(guī)劃上,要注意以下四點:

第一,要密切關(guān)注國際大型汽車公司的電動汽車技術(shù)發(fā)展,例如大眾、豐田、通用等巨頭,掌握他們的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和方向并了解他們最新專利布局情況。應(yīng)當(dāng)關(guān)注掌握這些公司,尤其是日本公司對電動汽車電池管理系統(tǒng)方面的發(fā)展及其在中國申請情況,從而了解其技術(shù)專長和未來技術(shù)發(fā)展側(cè)重點。

第二,要時刻注意國際知名的汽車電子、具體為動力電池電子制造商,尤其是涉及到汽車電池制造商的發(fā)展動向,例如日本的松下、索尼、豐田和三洋,還有韓國的三星和 LG公司等在業(yè)內(nèi)的新動態(tài)。

第三,要關(guān)注汽車電子芯片及電池電子芯片的技術(shù)發(fā)展,隨著制造技術(shù)和集成技術(shù)的提高,電子技術(shù)越來越多的使用單一芯片就能解決原來抗干擾性能較差的分離電路技術(shù)。因此,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對汽車電子芯片及電池電子芯片技術(shù)的集成電路技術(shù)的跟蹤和提高這方面的創(chuàng)新能力。注重與該領(lǐng)域中芯片制造商的合作,實現(xiàn)互利互惠、合作雙嬴的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局面。

第四,加強(qiáng)國內(nèi)各方面的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。由于電池管理系統(tǒng)需要應(yīng)用到電動汽車上,由于各方面原因,形成了國內(nèi)幾大汽車制造集團(tuán),如一汽、二汽等,形成了數(shù)個大電池制造公司,如比亞迪、天津力神、深圳比克、風(fēng)帆股份、咸陽偏轉(zhuǎn)和深圳山木及德賽電池等,而對電池管理系統(tǒng)的技術(shù)研究大多集中在高校,如清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等,應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)國內(nèi)企業(yè)、企業(yè)國內(nèi)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,上下游研發(fā)力量的組合,快速占領(lǐng)技術(shù)的“制高點”。

其次,在短期的技術(shù)路線規(guī)劃上,要結(jié)合我國在控制領(lǐng)域的優(yōu)勢,重點發(fā)展智能化的電動汽車電池管理系統(tǒng),要注意以下兩點:

第一,提高電池充放電控制技術(shù),包括充放電監(jiān)控、充放電安全、充放電平衡技術(shù)、容量估算技術(shù)。在電池成本一定的情況下,電池的使用壽命決定了電動汽車的運營成本,而電池充放電控制技術(shù)直接決定了電池的使用壽命,因此必須提高電池充放電控制技術(shù)?，F(xiàn)在提高電池充放電控制技術(shù)的手段,不僅僅在于硬件技術(shù)的發(fā)展,還在于軟件技術(shù)的發(fā)展,如剩余容量 (SOC)計算、實時充電電流計算、電池健康狀態(tài)的監(jiān)控等。

第二,提高電池管理系統(tǒng)的安全性能,包括電池管理系統(tǒng)抗干擾技術(shù)、電池管理系統(tǒng)異常及報警技術(shù)和電池組熱管理技術(shù)。電池管理系統(tǒng)應(yīng)用在非常惡劣的環(huán)境下,環(huán)境會對電池管理系統(tǒng)產(chǎn)生極其大的干擾,因此必須提高電池管理系統(tǒng)的抗干擾技術(shù),包括硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù);同時還需要加強(qiáng)對異常情況的及時處理,如充放電突然增大或電池?fù)p壞等;還有加強(qiáng)對電池/電池組和電池管理系統(tǒng)的熱管理。

在短期的技術(shù)路線規(guī)劃上,這兩點既是發(fā)展電池管理系統(tǒng)技術(shù)的突破點,也是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐點。{本文分析及數(shù)據(jù)來源:CPRS(中國專利數(shù)據(jù)庫)及 CNKI數(shù)據(jù)庫}■

＊作者系國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局光電部三級審查員。

＊＊作者系國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局光電部部長。

＊＊＊ 作者系中國知識產(chǎn)權(quán)研究會專利委員會秘書組負(fù)責(zé)人。

＊＊＊＊ 作者系國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局光電部六級審查員。