基于專利分析的動(dòng)力電池管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

呂惠 王軍雷 郭少杰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：電動(dòng)汽車 動(dòng)力電池 電池管理 專利分析 SOC估計(jì)

縮略語

SOC State Of Charge(電池荷電狀態(tài))

SOH State Of Health(電池健康狀態(tài))

SOP State Of Power(電池峰值功率)

1 前言

電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，帶動(dòng)了動(dòng)力電池行業(yè)的快速發(fā)展，目前國內(nèi)電池產(chǎn)業(yè)制造水平已經(jīng)躋身世界前列。但是，隨之應(yīng)運(yùn)而生的電池管理系統(tǒng)，隨著安全問題、成本問題，成為了各整車企業(yè)、零部件企業(yè)、第三方科技公司等爭(zhēng)先進(jìn)行研發(fā)的熱點(diǎn)技術(shù)。

電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成，是對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行管理和控制的產(chǎn)品和技術(shù)。電池管理系統(tǒng)的主要功能包括：估測(cè)電池的荷電狀態(tài)，檢測(cè)電池的使用狀態(tài)，管控電池的循環(huán)壽命，在充電過程中對(duì)電池進(jìn)行熱管理控制，啟停鋰電池的冷卻系統(tǒng)，同時(shí)也管理單體電池之間的均衡，防止單體電池過充、過放產(chǎn)生危險(xiǎn)以及監(jiān)測(cè)整個(gè)電池的健康工作狀態(tài)等[1]。

2 動(dòng)力電池管理核心技術(shù)

2.1 動(dòng)力電池管理技術(shù)

基于前期對(duì)電池管理的技術(shù)探究、技術(shù)調(diào)研和專家討論，本文通過對(duì)電池管理技術(shù)的調(diào)研以及專利信息的深度挖掘，結(jié)合本領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)與專利檢索的特點(diǎn)，形成了電池管理技術(shù)的分解表（表1），并對(duì)進(jìn)行技術(shù)分解后的分支技術(shù)構(gòu)建了檢索式，檢索分析相應(yīng)的專利信息，最終得到目前電池管理技術(shù)的專利分布情況，明晰目前的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)和難點(diǎn)，以及未來的發(fā)展方向[2-6]。

表1 電池管理技術(shù)的分解

2.2 動(dòng)力電池電管理

電管理技術(shù)主要是指充放電技術(shù)以及均衡技術(shù)和電池保護(hù)技術(shù)。電池的充放電技術(shù)，主要包括對(duì)充放電過程的管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池充放電時(shí)的溫度、電壓、電流以及電池箱的絕緣性能等參數(shù)，并在異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行處理。電池的均衡技術(shù)，主要是指目前的主動(dòng)式均衡以及被動(dòng)式均衡技術(shù)。電池保護(hù)技術(shù)，是指為了避免電池在充放電過程如過充、過放現(xiàn)象造成的容量和壽命的急劇下降的技術(shù)。

2.3 動(dòng)力電池?zé)峁芾?/h3>

電池?zé)峁芾碇饕侵笇?duì)電池包內(nèi)的溫度進(jìn)行控制的技術(shù)，其技術(shù)分解包含液冷、風(fēng)冷、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)與材料以及熱失效和熱監(jiān)控技術(shù)。液冷主要是指采用冷卻液進(jìn)行冷卻的方式；風(fēng)冷主要是指采用流動(dòng)的空氣進(jìn)行冷卻的方式；導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱材料主要是指目前電池管理系統(tǒng)中散熱所采用的材料或者結(jié)構(gòu)方式。熱失效監(jiān)控指電池核心溫度的變化在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量造成電池?zé)崾У漠a(chǎn)生，為了避免該狀態(tài)發(fā)生造成不可逆損傷而進(jìn)行的監(jiān)控；熱控制系統(tǒng)是指對(duì)電池的溫度變化進(jìn)行合理控制的系統(tǒng)。

2.4 動(dòng)力電池狀態(tài)管理

電池狀態(tài)管理主要是指對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)其故障進(jìn)行診斷和容錯(cuò)運(yùn)行以及對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行分析等技術(shù)。其中電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是指對(duì)電池內(nèi)部的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如電壓、電流、溫度等；故障診斷和容錯(cuò)進(jìn)行主要是對(duì)電池管理單元中的故障碼進(jìn)行診斷，確定故障位置和故障級(jí)別，并做出相應(yīng)的容錯(cuò)控制；電池狀態(tài)分析主要是指對(duì)電池剩余電量SOC的估算，從而延長(zhǎng)電池的壽命。

3 動(dòng)力電池管理技術(shù)專利分析

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球104個(gè)國家近1.2億條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利，并對(duì)電池管理的下級(jí)分支技術(shù)進(jìn)行檢索，時(shí)間范圍為2000年1月1日～2020年1月30日。

檢索主要采用分類號(hào)和關(guān)鍵詞相結(jié)合的方式，關(guān)鍵詞包括：純電動(dòng)、汽車、電池管理、電池狀態(tài)、電池冷卻、均衡管理、故障診斷、數(shù)據(jù)采集、SOC、SOH、SOP等以及對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展得到的關(guān)鍵詞。檢索后結(jié)合分類號(hào)，對(duì)專利文獻(xiàn)進(jìn)行人工標(biāo)引獲得最終數(shù)據(jù)，最大限度去除噪聲，保證準(zhǔn)確性。

3.1 動(dòng)力電池管理技術(shù)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分布

截止到2020年1月30日，電池管理技術(shù)方面的專利在中國有12 664件，其中發(fā)明專利有8 251件，實(shí)用新型有4 413件。

電池管理技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)量如圖1所示，受專利18個(gè)月公開期的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)并未公開，故2017～2018年數(shù)據(jù)略有下滑。從全球?qū)＠暾?qǐng)分布情況看，智能決策技術(shù)申請(qǐng)量隨時(shí)間增加的趨勢(shì)明顯，可劃分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段為2000～2006年，是動(dòng)力電池管理技術(shù)的發(fā)展萌芽期，全球申請(qǐng)量相對(duì)較少，每年不足100件，這一時(shí)期電池管理技術(shù)主要集中在高校及企業(yè)前端研究，電池管理技術(shù)還處于緩慢積累階段。第2個(gè)階段為2007～2015年，是電池管理技術(shù)的快速發(fā)展期，隨著純電動(dòng)汽車不斷的量產(chǎn)，量產(chǎn)期間對(duì)電池性能以及安全性方面產(chǎn)生了更高的需求，這一時(shí)期專利數(shù)量穩(wěn)步增加，年專利申請(qǐng)量相對(duì)于前一時(shí)期出現(xiàn)了明顯增長(zhǎng)，2015年專利申請(qǐng)量達(dá)到1 000件以上。第3個(gè)階段為2015年至今，隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，動(dòng)力電池本身性能也有了很大的提升，電池制造成本大幅下降，電池管理技術(shù)的專利申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)，2015年開始，年申請(qǐng)量突破2 000件，但此時(shí)期的增長(zhǎng)率開始下降，此時(shí)期電池管理技術(shù)進(jìn)入緩慢發(fā)展期。

圖1 電池管理技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

3.2 動(dòng)力電池管理技術(shù)專利申請(qǐng)企業(yè)分布

從申請(qǐng)企業(yè)分布來看，TOP20的國內(nèi)申請(qǐng)企業(yè)中，很多國內(nèi)的企業(yè)排名靠前，排名第1的是比亞迪股份有限公司（圖2）。電池企業(yè)當(dāng)中，寧德時(shí)代新能源科技股份公司以及華霆（合肥）動(dòng)力技術(shù)有限公司和深圳市沃特瑪電池有限公司等一系列企業(yè)在電池管理技術(shù)方面申請(qǐng)的專利都超過200件。

新能源整車企業(yè)中，比亞迪股份有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、吉利控股集團(tuán)有限公司、奇瑞汽車股份有限公司、長(zhǎng)安汽車股份有限公司等都進(jìn)入到了前20的排名當(dāng)中。國外企業(yè)中，豐田自動(dòng)車株式會(huì)社、福特全球技術(shù)公司、羅伯特·博世有限公司以及通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限公司也躋身前10名，申請(qǐng)量都在150件以上。

總體來說，國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)掌握了動(dòng)力電池管理技術(shù)的核心技術(shù)，并形成了自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，與國外企業(yè)在該技術(shù)領(lǐng)域方面技術(shù)實(shí)力相當(dāng)。

特斯拉雖然在國外申請(qǐng)了近400件左右的電池管理相關(guān)的專利，但其在中國布局的電池管理相關(guān)的專利僅有21件，特斯拉專利申請(qǐng)量在中國并沒有位居前列。

圖2 專利申請(qǐng)企業(yè)分布情況

3.3 動(dòng)力電池管理技術(shù)地域分布

動(dòng)力電池管理技術(shù)的中國專利布局情況如表2所示，專利布局省份地區(qū)較為集中，廣東、北京、安徽、江蘇、浙江等排名前5的省份專利占比超過63%，占全國總量的3/5。

表2 電池管理技術(shù)省市分布情況

3.4 動(dòng)力電池管理技術(shù)熱點(diǎn)技術(shù)分布情況

從動(dòng)力電池管理技術(shù)的核心技術(shù)來看，目前電池管理技術(shù)的均衡管理技術(shù)、充放電技術(shù)成為了目前的研發(fā)熱點(diǎn)；熱管理技術(shù)當(dāng)中的液冷技術(shù)以及風(fēng)冷技術(shù)成為了目前的研發(fā)熱點(diǎn)；電池狀態(tài)管理中的電池參數(shù)及采集方法以及SOC估計(jì)成為了目前的研發(fā)熱點(diǎn)，詳見表3。

表3 電池管理技術(shù)熱點(diǎn)技術(shù)分布情況

4 鋰電池管理技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)及空白點(diǎn)

4.1 動(dòng)力電池管理技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)分布

通過對(duì)專利的大量閱讀以及統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)當(dāng)中，涉及對(duì)電池組的電池冷卻或保持低溫的專利占比最多，其占比達(dá)到39%，研發(fā)熱度極高；其次為對(duì)電池溫度控制的專利，主要涉及電池的加熱或冷卻的控制，其占比達(dá)到22%；對(duì)熱管理技術(shù)中的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，尤其是熱管理技術(shù)中的安裝結(jié)構(gòu)以及管道布置等技術(shù)專利，其占比達(dá)到11%；為保持電池的加熱或保溫，以及對(duì)電池溫度分布或溫度的均勻性控制的專利大概占比為4～7%左右，此外，還有涉及專門采用風(fēng)冷技術(shù)以及維護(hù)電池的裝置，強(qiáng)制流動(dòng)的改進(jìn)以及其他的專利等，但占比都在4%以內(nèi)。表4給出了目前熱管理技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)分布，并給出了目前研發(fā)熱點(diǎn)的熱度。

表4 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研發(fā)熱點(diǎn)分布

通過對(duì)充放電技術(shù)的專利進(jìn)行標(biāo)引和分類，對(duì)大量專利的統(tǒng)計(jì)和研究表明，目前針對(duì)充放電技術(shù)領(lǐng)域，涉及對(duì)電池組的充電以及向電池組進(jìn)行負(fù)載供電的裝置，占比達(dá)到44%；其次為從變換器為電池組進(jìn)行充電的專利，占比達(dá)到31%；對(duì)具體的充電以及放電的方法以及維護(hù)二次電池的方法以及裝置的專利，占比達(dá)到7%；對(duì)充電電流以及電壓調(diào)節(jié)的專利，占比達(dá)到5%。此外還涉及一些對(duì)電阻變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)充放電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試以及對(duì)變換裝置的電池組等其他情況進(jìn)行的改進(jìn)等。表5給出了目前在電管理技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)分布，并給出了目前研發(fā)熱點(diǎn)的熱度。

表5 電池電管理技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)分布

通過對(duì)電池狀態(tài)管理技術(shù)的專利進(jìn)行標(biāo)引和分類，對(duì)大量專利的統(tǒng)計(jì)和研究表明，目前針對(duì)電池管理技術(shù)當(dāng)中，涉及對(duì)電動(dòng)車上電池電氣狀況測(cè)試的專利占比最高，占比達(dá)到23%；其次為對(duì)電池容量進(jìn)行測(cè)試的相關(guān)專利，占比達(dá)到22%；對(duì)具體的測(cè)試充電狀態(tài)的專利，占比達(dá)到14%；涉及一些對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，對(duì)初級(jí)電池、二次電池供電的專利也占有一定的比例，大致在7～8%左右。此外，對(duì)電池電量的估算方法、對(duì)安全用電裝置的監(jiān)測(cè)以及專門只針對(duì)電池的電流、電壓進(jìn)行測(cè)試的專利也都占有一定的比重，在5%以內(nèi)。表6給出了目前在電池狀態(tài)管理技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)分布，并給出了目前研發(fā)熱點(diǎn)的熱度。

表6 電池狀態(tài)管理技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)分布

4.2 動(dòng)力電池管理技術(shù)重要企業(yè)研發(fā)分布

對(duì)電池管理技術(shù)的重要企業(yè)的研發(fā)熱點(diǎn)情況進(jìn)行研究，并對(duì)各重點(diǎn)企業(yè)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同企業(yè)的核心技術(shù)方向如圖3所示。

比亞迪注重均衡管理和電池參數(shù)采集方法的研究；豐田更為重視充放電技術(shù)以及SOC估計(jì)技術(shù)的研究；福特重點(diǎn)在SOC估計(jì)以及充電技術(shù)進(jìn)行研發(fā)；寧德時(shí)代注重在電池參數(shù)采集方法以及大熱結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱材料方向的研發(fā)；華霆?jiǎng)恿咀⒅卦谝豪浼夹g(shù)以及導(dǎo)熱結(jié)合和導(dǎo)熱材料方面的研發(fā)；深圳市沃特瑪電池企業(yè)注重在電池參數(shù)采集以及充放電技術(shù)方面的研發(fā)；惠州億能公司注重在充放電技術(shù)以及電池參數(shù)采集方法方面的研發(fā)；博世公司注重在充放電技術(shù)以及電池參數(shù)殘疾方法方面的研發(fā)；北京新能源汽車公司注重在充放電技術(shù)以及電池參數(shù)采集方面的研發(fā)；惠州市藍(lán)微公司主要在電池參數(shù)采集方法以及均衡管理方面的研發(fā)。

從主流進(jìn)行電池管理技術(shù)研發(fā)企業(yè)來看，大部分企業(yè)將充放電技術(shù)、均衡管理以及電池參數(shù)采集、SOC估計(jì)以及液冷技術(shù)作為研發(fā)重點(diǎn)。

圖3 重點(diǎn)申請(qǐng)企業(yè)專利布局

4.3 動(dòng)力電池管理技術(shù)重要企業(yè)研發(fā)點(diǎn)核心專利分布

選取了目前電池管理技術(shù)水平較為領(lǐng)先的企業(yè)，對(duì)其專利分布的核心技術(shù)方向情況研究，并對(duì)企業(yè)的核心專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)如表7所示，供企業(yè)進(jìn)行參考。

表7 電池管理技術(shù)專利技術(shù)點(diǎn)布局

5 動(dòng)力電池管理技術(shù)的發(fā)展思考與建議

電池管理技術(shù)隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展也呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，成為降低成本最快速的辦法，因此整車企業(yè)、科技公司、電池企業(yè)都競(jìng)相研發(fā)，呈現(xiàn)出非常激烈的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。從技術(shù)上面來看，目前存在嚴(yán)重的兩極分化。部分企業(yè)通過自身研究或收購，掌握了先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)技術(shù)；另一部分企業(yè)選擇價(jià)格低廉的電池管理技術(shù)，但性能會(huì)相對(duì)較差。未來隨著電動(dòng)汽車的規(guī)?；a(chǎn)，國內(nèi)車企對(duì)于電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求必然會(huì)隨之提升，電池管理系統(tǒng)市場(chǎng)發(fā)展面臨巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

從電管理技術(shù)專利分布來看，均衡技術(shù)成為市場(chǎng)的主流，尤其是以主動(dòng)式均衡發(fā)展更為迅速。未來企業(yè)發(fā)展可以著重在均衡技術(shù)以及充放電核心技術(shù)上投入研發(fā)。

隨著電池固有續(xù)駛里程的增加，電池成組的不斷改進(jìn)，電池管理技術(shù)的熱管理技術(shù)也在不斷的飛速發(fā)展，目前還有很大的發(fā)展空間。風(fēng)冷和液冷作為目前電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的主流趨勢(shì)，主流企業(yè)液冷技術(shù)的專利布局已經(jīng)超過風(fēng)冷的專利布局。

電池狀態(tài)管理技術(shù)中，以電池參數(shù)采集方法以及電池SOC估計(jì)成為目前專利分布主流的核心技術(shù)，尤其以科技公司和部分高校中掌握有較多的核心技術(shù)及專利，企業(yè)可以采取和高校合作的模式，在研發(fā)上會(huì)節(jié)省一定的時(shí)間和成本。