基于專利分析的動力電池管理技術(shù)的發(fā)展趨勢

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：電動汽車 動力電池 電池管理 專利分析 SOC估計

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

電動汽車的高速發(fā)展，帶動了動力電池行業(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先進行研發(fā)的熱點技術(shù)。

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

2 動力電池管理核心技術(shù)

2.1 動力電池管理技術(shù)

基于前期對電池管理的技術(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)域的重點技術(shù)與專利檢索的特點，形成了電池管理技術(shù)的分解表（表1），并對進行技術(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)展熱點和難點，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)和電池保護技術(shù)。電池的充放電技術(shù)，主要包括對充放電過程的管理，實時監(jiān)控電池充放電時的溫度、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)時進行處理。電池的均衡技術(shù)，主要是指目前的主動式均衡以及被動式均衡技術(shù)。電池保護技術(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 動力電池?zé)峁芾?/h3>

電池?zé)峁芾碇饕侵笇﹄姵匕鼉?nèi)的溫度進行控制的技術(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行冷卻的方式；風(fēng)冷主要是指采用流動的空氣進行冷卻的方式；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行的監(jiān)控；熱控制系統(tǒng)是指對電池的溫度變化進行合理控制的系統(tǒng)。

2.4 動力電池狀態(tài)管理

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

3 動力電池管理技術(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個國家近1.2億條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利，并對電池管理的下級分支技術(shù)進行檢索，時間范圍為2000年1月1日～2020年1月30日。

檢索主要采用分類號和關(guān)鍵詞相結(jié)合的方式，關(guān)鍵詞包括：純電動、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等以及對上述技術(shù)進行擴展得到的關(guān)鍵詞。檢索后結(jié)合分類號，對專利文獻進行人工標(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 動力電池管理技術(shù)專利申請態(tài)勢分布

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，實用新型有4 413件。

電池管理技術(shù)相關(guān)專利申請量如圖1所示，受專利18個月公開期的影響，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)＠暾埛植记闆r看，智能決策技術(shù)申請量隨時間增加的趨勢明顯，可劃分為3個階段。第1個階段為2000～2006年，是動力電池管理技術(shù)的發(fā)展萌芽期，全球申請量相對較少，每年不足100件，這一時期電池管理技術(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，隨著純電動汽車不斷的量產(chǎn)，量產(chǎn)期間對電池性能以及安全性方面產(chǎn)生了更高的需求，這一時期專利數(shù)量穩(wěn)步增加，年專利申請量相對于前一時期出現(xiàn)了明顯增長，2015年專利申請量達到1 000件以上。第3個階段為2015年至今，隨著動力電池產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，動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)的專利申請量快速增長，2015年開始，年申請量突破2 000件，但此時期的增長率開始下降，此時期電池管理技術(shù)進入緩慢發(fā)展期。

圖1 電池管理技術(shù)專利申請趨勢

3.2 動力電池管理技術(shù)專利申請企業(yè)分布

從申請企業(yè)分布來看，TOP20的國內(nèi)申請企業(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，寧德時代新能源科技股份公司以及華霆（合肥）動力技術(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、吉利控股集團有限公司、奇瑞汽車股份有限公司、長安汽車股份有限公司等都進入到了前20的排名當(dāng)中。國外企業(yè)中，豐田自動車株式會社、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)球科技運作有限公司也躋身前10名，申請量都在150件以上。

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

特斯拉雖然在國外申請了近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，特斯拉專利申請量在中國并沒有位居前列。

圖2 專利申請企業(yè)分布情況

3.3 動力電池管理技術(shù)地域分布

動力電池管理技術(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 動力電池管理技術(shù)熱點技術(shù)分布情況

從動力電池管理技術(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；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；電池狀態(tài)管理中的電池參數(shù)及采集方法以及SOC估計成為了目前的研發(fā)熱點，詳見表3。

表3 電池管理技術(shù)熱點技術(shù)分布情況

4 鋰電池管理技術(shù)研發(fā)重點及空白點

4.1 動力電池管理技術(shù)研發(fā)重點分布

通過對專利的大量閱讀以及統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前針對電池?zé)峁芾砑夹g(shù)當(dāng)中，涉及對電池組的電池冷卻或保持低溫的專利占比最多，其占比達到39%，研發(fā)熱度極高；其次為對電池溫度控制的專利，主要涉及電池的加熱或冷卻的控制，其占比達到22%；對熱管理技術(shù)中的結(jié)構(gòu)改進，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，其占比達到11%；為保持電池的加熱或保溫，以及對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)以及維護電池的裝置，強制流動的改進以及其他的專利等，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)熱點分布，并給出了目前研發(fā)熱點的熱度。

表4 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)研發(fā)熱點分布

通過對充放電技術(shù)的專利進行標(biāo)引和分類，對大量專利的統(tǒng)計和研究表明，目前針對充放電技術(shù)領(lǐng)域，涉及對電池組的充電以及向電池組進行負載供電的裝置，占比達到44%；其次為從變換器為電池組進行充電的專利，占比達到31%；對具體的充電以及放電的方法以及維護二次電池的方法以及裝置的專利，占比達到7%；對充電電流以及電壓調(diào)節(jié)的專利，占比達到5%。此外還涉及一些對電阻變化進行調(diào)節(jié)，對充放電狀態(tài)進行測試以及對變換裝置的電池組等其他情況進行的改進等。表5給出了目前在電管理技術(shù)的研發(fā)熱點分布，并給出了目前研發(fā)熱點的熱度。

表5 電池電管理技術(shù)研發(fā)熱點分布

通過對電池狀態(tài)管理技術(shù)的專利進行標(biāo)引和分類，對大量專利的統(tǒng)計和研究表明，目前針對電池管理技術(shù)當(dāng)中，涉及對電動車上電池電氣狀況測試的專利占比最高，占比達到23%；其次為對電池容量進行測試的相關(guān)專利，占比達到22%；對具體的測試充電狀態(tài)的專利，占比達到14%；涉及一些對負載進行供電，對初級電池、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，對電池電量的估算方法、對安全用電裝置的監(jiān)測以及專門只針對電池的電流、電壓進行測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)熱點分布，并給出了目前研發(fā)熱點的熱度。

表6 電池狀態(tài)管理技術(shù)研發(fā)熱點分布

4.2 動力電池管理技術(shù)重要企業(yè)研發(fā)分布

對電池管理技術(shù)的重要企業(yè)的研發(fā)熱點情況進行研究，并對各重點企業(yè)的專利進行統(tǒng)計，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估計技術(shù)的研究；福特重點在SOC估計以及充電技術(shù)進行研發(fā)；寧德時代注重在電池參數(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)；華霆動力公司注重在液冷技術(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估計以及液冷技術(shù)作為研發(fā)重點。

圖3 重點申請企業(yè)專利布局

4.3 動力電池管理技術(shù)重要企業(yè)研發(fā)點核心專利分布

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

表7 電池管理技術(shù)專利技術(shù)點布局

5 動力電池管理技術(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，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)都競相研發(fā)，呈現(xiàn)出非常激烈的競爭態(tài)勢。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，掌握了先進的電池管理系統(tǒng)技術(shù)；另一部分企業(yè)選擇價格低廉的電池管理技術(shù)，但性能會相對較差。未來隨著電動汽車的規(guī)模化生產(chǎn)，國內(nèi)車企對于電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求必然會隨之提升，電池管理系統(tǒng)市場發(fā)展面臨巨大機遇和挑戰(zhàn)。

從電管理技術(shù)專利分布來看，均衡技術(shù)成為市場的主流，尤其是以主動式均衡發(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，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，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)上會節(jié)省一定的時間和成本。