電池SOC估算算法的中國專利分析

孟 欣，金 鵬

(1.知識產(chǎn)權(quán)出版社， 北京 100088； 2.北方工業(yè)大學電氣與控制工程學院，北京 100144)

電池是電動汽車的能量來源，為確保電池組性能良好，并延長電池使用壽命，需要準確、可靠地獲得容量狀態(tài)的參數(shù)[1]。目前，國內(nèi)外較為普遍的方法是采用荷電狀態(tài)(SOC)來描述電池容量狀態(tài)[2]。專利文獻作為體現(xiàn)科研機構(gòu)和企業(yè)研究開發(fā)活動的重要載體，能客觀反映行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點、熱點問題、發(fā)展動態(tài)和趨勢。專利分析已成為一種重要的情報與信息分析手段[3]。

本文作者通過對我國電池SOC估算算法的專利申請進行分析，探討我國SOC估算算法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

文中數(shù)據(jù)來源于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析平臺，檢索時間為2017年11月30日，范圍為截至檢索時間內(nèi)的所有中國專利(包括港澳臺地區(qū))。利用關(guān)鍵詞“荷電狀態(tài)”(或“SOC”)加“電池”進行檢索，并進行數(shù)據(jù)整理和分類收集，篩選出涉及SOC估算算法方面的專利申請597件。

采用專利計量學、統(tǒng)計學和專家咨詢法等方法，對專利申請類型、數(shù)量、區(qū)域、申請人的機構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)域分類號等字段進行統(tǒng)計分析[4]，從專利角度研究SOC估算算法的創(chuàng)新趨勢、申請人區(qū)域及技術(shù)領(lǐng)域分布等情況。

專利申請到專利公開一般有滯后期，因此2016年5月以后的數(shù)據(jù)僅供參考。

2 專利申請情況分析

2.1 專利申請量分析

第一件電池SOC相關(guān)的專利申請出現(xiàn)在2003年，因此主要針對2003-2017年的檢索數(shù)據(jù)進行分析。在該時間范圍內(nèi)，檢索到相關(guān)專利申請量共597件，年度分布情況見圖1。

從圖1可知，專利申請量最多的年份是2016年，2013年以前，每年的專利申請量都未超過50件，而2013-2017年，相關(guān)的專利申請共471件，約占全部申請量的78.9%。專利申請量從2013年開始逐年增加，到2016年達到最大值133件，2017年有所回落。2016年申請量的年增長量最大，增長率達到38.5%，原因是2016年國家出臺了關(guān)于新能源汽車的利好政策，刺激了電動汽車領(lǐng)域的研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，其中就包括關(guān)于電池SOC估算算法的研究。

2.2 專利類型情況

在檢索到的597件專利申請中，發(fā)明專利共有552件，占專利申請總量的92.46%；實用新型專利共有45件，占專利申請總量的7.54%。

2.3 專利申請區(qū)域分析

圖2為在中國的相關(guān)專利中申請數(shù)量區(qū)域分布。

從圖2可知，外國及港澳臺地區(qū)申請共94件，占全部專利申請量的16.24%，剩余的專利申請涉及22個省市自治區(qū)。廣東省以95件居第1位，主要涉及惠州億能、深圳沃特瑪、比亞迪和欣旺達電子等企業(yè)；北京市以81件居第2位，主要涉及國家電網(wǎng)公司、北汽福田等企業(yè)機構(gòu)，清華大學、北京交通大學和北京理工大學高校；江蘇省以51件居第3位，主要涉及鹽城工學院、南京航空航天大學和江蘇大學等高校。這3個省市各自的專利申請情況也是3種典型的發(fā)展方式：以公司企業(yè)為主、以高校為主和高校與公司企業(yè)齊頭并進。

2.4 專利申請人分析

2.4.1 專利申請人機構(gòu)屬性分析

各類企業(yè)申請326件，占全部申請量的60.59%；大專院校申請177件，占32.89%；科研單位申請33件，占6.13%；機關(guān)團體申請2件，占0.37%。各類企業(yè)的申請量超過全部申請量的60%，表明近幾年來，尤其是2016年新能源汽車市場一片利好，各企業(yè)加大了對電池技術(shù)研發(fā)的力度，且非常重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，努力通過提升自身的科技創(chuàng)新能力和技術(shù)水平來為企業(yè)贏得核心競爭力，并已成為新能源汽車電池SOC技術(shù)創(chuàng)新的主力。各大專院校也紛紛與企業(yè)進行校企合作，共同開發(fā)新能源汽車電池技術(shù)。

2.4.2 專利申請人前10名具體情況分析

通過對全部597件專利申請的申請人的申請數(shù)量進行分析和比對，剔除掉一些重復(fù)或沒有技術(shù)含量的實用新型專利等因素后，篩選出申請量排名前10的申請人，共涉及131件專利，占申請總量的22%。具體情況見表1。

表1 專利申請數(shù)量前10名具體情況Table 1 Top ten specific cases of patent application quantity

從表1可知，在申請數(shù)量排名前10的單位中，有4家為高校，3家為汽車企業(yè)，排名第一的是國家電網(wǎng)公司。從專利申請人可看出，對電池SOC估算較關(guān)注的主要是高校、汽車企業(yè)和電力系統(tǒng)。這符合電池的使用領(lǐng)域和國家的發(fā)展戰(zhàn)略。從申請數(shù)量上看，企業(yè)的申請量普遍多于高校，市場是最大的推動力。隨著分布式儲能系統(tǒng)和電動汽車的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的掌握與企業(yè)市場地位息息相關(guān)，企業(yè)若想取得發(fā)展，必須從技術(shù)著手。

2.5 技術(shù)領(lǐng)域分析

國際專利分類(IPC)可從一定程度上反映技術(shù)的集中點和研究熱點。根據(jù)IPC分類號進行歸納分析，得到的專利申請主要技術(shù)領(lǐng)域分析情況見圖3。

從圖3可知，涉及G01(主要是電變量的監(jiān)測)的專利438件，占61.00%；涉及H01(主要是二次電池)的專利81件，占11.28%；涉及H02(主要是電能存儲系統(tǒng)、電池組)的專利68件，占9.47%；涉及B60(主要是電池控制系統(tǒng))的專利60件，占8.36%；涉及G06(主要是電池估算)的專利47件，占6.55%；其他共24件，占3.44%。近10年SOC專利申請前5項技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩康脑鲩L趨勢見圖4。

從圖4可知，其中只有G01專利數(shù)量眾多并增長迅速，從2011年開始迅猛增長，并于2016年達到峰值96件，至2017年有一個小的回落。涉及H01、H02、B60和G06的專利，數(shù)量增長緩慢。

3 技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

SOC估算目前主要有對SOC進行直接估算算法研究，對已估算出的SOC進行修正的方法，實現(xiàn)SOC估算的硬件系統(tǒng)和使用已估算出的SOC進行其他控制等研究方向。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，從專利申請量前10位單位的131件專利內(nèi)容，可分析出我國SOC估算的主要核心技術(shù)及發(fā)展趨勢。

從專利中涉及的主要相關(guān)技術(shù)可知，高校和一些企業(yè)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域主要是SOC直接估算算法和提高算法精度。汽車企業(yè)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域是使用中對估算得到的SOC數(shù)據(jù)進行修正的方法，以及可進行SOC估算的硬件系統(tǒng)。由此可見，高校關(guān)注的是電池SOC估算算法上的創(chuàng)新，汽車企業(yè)關(guān)心的是新能源汽車產(chǎn)品的最終使用效果。此外，電網(wǎng)關(guān)注的領(lǐng)域是用SOC數(shù)據(jù)來進行功率等其他方面的控制。

在這些與SOC有關(guān)的專利中，關(guān)于SOC估算算法的專利有81件。精確地估算電池的SOC是一切應(yīng)用的基礎(chǔ)和重點。目前，SOC的估算算法還未達到令市場滿意的程度，SOC估算算法仍然是研究的重點和難點。

鋰離子電池正成為動力和儲能電池市場的主流[5]。在81件關(guān)于SOC估算算法的專利中，明確關(guān)于鋰離子電池的有26件。未來5年，鋰離子電池仍是研究的重點、熱點。

SOC估算方法主要有安時積分法、開路電壓法、內(nèi)阻估算法和卡爾曼濾波法等[2]。在81件關(guān)于SOC估算算法的專利當中，有19件算法涉及卡爾曼濾波，其中15件為2015年后申請的專利，說明目前研究的重點是卡爾曼濾波算法。

此外，近兩年的專利中，已出現(xiàn)了SOC與電池健康狀態(tài)(SOH)聯(lián)合估計的專利。SOH是用于衡量電池壽命和是否需要維護的重要指標[1]，隨著新能源汽車銷量和使用年限的增加，SOH將會成為研究的重點。其他儲能裝置，如超級電容器、液流電池等，也在專利申請中有所體現(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

通過對我國SOC技術(shù)相關(guān)專利申請的分析，得出如下結(jié)論：目前對于電池SOC估算較關(guān)注的主要是高校、汽車企業(yè)和電力系統(tǒng)。3類申請人分別在各自的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵豐OC估算有不同的需求。目前的電池類型中，鋰離子電池仍是主流。從算法上，卡爾曼濾波算法是目前的研究熱點，復(fù)合SOC估算算法也是研究的主要方向。SOH將會成為下一個研究熱點，SOC估算算法也會向新型儲能裝置領(lǐng)域擴展。

針對以上的現(xiàn)狀和情況，提出以下幾點建議：加強高校和相關(guān)企業(yè)之間的合作創(chuàng)新，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，加大投入和研發(fā)力度，實現(xiàn)共同創(chuàng)新，以突破核心技術(shù)，促進我國電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；研究者應(yīng)進一步加強SOC、SOH的技術(shù)研發(fā)，為電動汽車技術(shù)、電池技術(shù)的持續(xù)和良性發(fā)展提供動力和保障；電動汽車和電池相關(guān)的企業(yè)應(yīng)重視知識產(chǎn)權(quán)信息的研究和分析，結(jié)合自身的特點和優(yōu)勢、相關(guān)的行業(yè)需求，指導(dǎo)自身的發(fā)展方向，制定科學的開發(fā)策略和發(fā)展規(guī)劃。