我國企業在電池管理系統的專利申請現狀分析及技術創新思考

■ 趙景煥崔伯雄常 力李 璐李曉惠翟琳娜隋 欣

我國企業在電池管理系統的專利申請現狀分析及技術創新思考

■ 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技術是電動汽車的一項關鍵技術。在簡述發展電動汽車及發展電池管理系統的重要性和電池管理系統主要構成的基礎上,重點介紹我國企業在電池管理系統領域的專利申請現狀分析,最后對我國企業在電池管理系統專利技術應當采取的技術創新角度做出思考。

電動汽車 電池管理系統 專利現狀 技術創新

目前,隨著全球性能源危機日益嚴重和幾乎遍布全球的經濟危機的擴散,大多數國家均在積極發展戰略性新興產業,推進產業結構調,尋求新的經濟轉機,另外全球環境的惡化也使人們積極尋求低碳經濟的合理發展模式。在此過程中,大力發展電動汽車產業是各國政府普遍意識到的產業轉型和發展契機。

一、研究背景

(一)發展電動汽車的重要性

汽車的出現已經一百多年,經歷了從歐洲的手工生產、美國的自動化生產、日本的精益生產三個階段以及現在的現代化、全球化的規模生產。汽車的生產和使用極大地促進了經濟的發展,極大地改善了人們的生活。但是汽車發展到今天,也帶來嚴重的問題,即能源、環保和安全。這些問題是對交通可持續發展的三大挑戰,也是對人類可持續發展的挑戰,但是這些問題也指明了 21世紀汽車革命的方向。就在世界各國努力研發安全、潔凈、環保汽車的時候,人們把目光再次投向了電動汽車上,一致認為發展電動汽車是解決未來能源與環境問題的最有希望的措施之一。在世界范圍內,此措施得到各國政府、汽車生產企業和科研機構的高度重視。

目前,不僅僅美、日、歐等發達國家和地區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展。在“八五”、“九五”、“十五”期間,在研發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、十五重大攻關項目。并且,科技部門、各個地區及各汽車生產企業也在積極進行電動汽車的研發。

伴隨著各方重視和人力、物力的投入,電動汽車及相關技術研究開發在短期內獲得了飛速發展。截至目前,已經有少量電動車型投入到實際運營中,如城市公交汽車、各種園區內的短途運營車輛及觀光車等。

(二)電池管理系統的重要性及構成概述

1.電池管理系統的重要性

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鍵因素是車載動力電池技術相對落后,尤其是電池管理系統技術的相對落后。過去及現在,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,但仍與期望目標存在較大差距。為了開發高性能的電池管理系統,各國或地區政府均給予政策扶持,并投入大量物力和技術力量。

電池管理系統技術是電動汽車技術的一項關鍵技術,電池管理系統的性能優劣直接決定了電池/電池組的使用壽命和效率。電池管理系統對動力電池的工作參數 (如電壓、電流、溫度、剩余電量和健康狀態等)進行檢測,以保證動力電池 /電池組安全工作,并對動力電池 /電池組的工作狀態進行準確估計,以便整車控制系統根據當前的電池狀態優化控制策略,提高整車的動力性和行車經濟性。

對電動汽車電池管理系統研究的巨大投入,為與電池管理系統相關的電池電子技術發展提供了巨大的契機。另外,隨著近年來半導體技術及集成電路技術的發展,利用電池電子技術,開發高智能電池能源管理系統,可以有效地解決電動汽車續航里程與乘坐舒適性之間的矛盾,并且可以在復雜多變的外界環境條件下,更高效地利用電池能量,并能延長電池壽命等。

2.電池管理系統構成概述

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

電池管理系統從結構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構形式。

分布式電池管理系統,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電池管理系統所需的各種功能,如數據采集、均衡充電、電量估計及通訊顯示等;各個控制單元通過 CAN總線進行數據通訊,實現單個電池及電池組模塊電壓、總電壓、充放電電流、溫度等數據的采集和測量、電量估算;同時,分布式電池管理系統具有很強的擴展性,可以進行具體電池診斷和電池安全性能保護等功能擴張。

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

二、我國企業在電池管理系統領域的專利申請現狀

目前進行電動汽車研發的主要企業有一汽、上海大眾、東風汽車、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。然而,除奇瑞和比亞迪外,其他企業在電池管理領域沒有或僅有很少的專利申請。究其原因,一方面,一些電動車研發企業還沒有將研發重心放到電池管理系統上;另一方面,國內企業在知識產權保護上意識不足,還沒有自己的專利技術。

目前,我國一些企業已經就電池管理系統技術申請了專利。在電池管理領域專利申請量排前六位的國內企業有: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,這些企業在電池管理領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域的專利,其他 4家企業更晚,尤其是奇瑞汽車,從 2005年才第一次申請相關專利。雖然國內企業對該領域的研究比國外要晚,但是發展還是比較迅速的,2007年,各企業的申請量都比起步時有了大幅增長。比亞迪尤為突出,達到 36件。

圖 1 在電池管理領域專利申請量排前六位的國內企業

以下分別對上述六家國內企業在電池管理領域的專利分布和技術路線進行分析。

(一 )比亞迪公司

比亞迪股份有限公司創立于 1995年,是一家香港上市的高新技術民營企業。比亞迪在廣東、北京、上海和西安等地區建有七大生產基地,并在美國、歐洲、日本、韓國、印度、中國臺灣、中國香港等地設有分公司或辦事處。比亞迪現擁有 IT和汽車兩大產業群。

1997年,公司自主研發并開始生產鋰離子電池,很快投入量產。2006年 6月,比亞迪純電動汽車研發成功,成功搭載 ET-POWER技術的動力電池,實現零污染、零排放、零噪音的三無目標,續航里程達 350K M,標志著比亞迪純電動汽車技術處于世界領先地位。2008年 12月 15日,全球第一款不依賴專業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年實現世界汽車工業追逐的夢想。

比亞迪在電池管理領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域的相關專利,2001年沒有申請相關專利,2002年也僅申請了一項。實質上,比亞迪在電池管理領域的研究和發展從 2003年才真正開始。從 2003年至今,比亞迪的年申請量持續增長。

圖 2 比亞迪在電池管理領域的專利申請量按年份分布情況

比亞迪在電池管理領域的專利申請主要涉及的技術主題包括:電池的充放電及其控制、電池的保護、電池管理系統、防止電池過充或過放的檢測及保護、電池短路的檢測、電池電壓監測、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阻的檢測。涉及這些技術主題的專利申請共 54件,其中發明專利申請33件,實用新型 21件。在這些技術主題中,電池的充放電及其控制、電池管理系統、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。這說明上述技術主題是比亞迪在電池管理領域的重點研究方向,其投入了較大的研發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域專利的情況為:2005年 2件,2006年 8件,2007年 18件,2008年 15件。可見,自2005年至今,奇瑞公司的專利申請量逐年穩步增長。奇瑞在電池管理領域的專利申請主要涵蓋的技術主題有:電池余量檢測、分布式電池管理、電池溫度檢測、電池內阻檢測、電池的均衡化管理、電池電壓監測、電池性能檢測和電池充放電電流的限制保護。奇瑞在電池管理領域的專利申請共16件,其中發明專利申請 15件、實用新型 1件。奇瑞在該領域的專利申請量不大,且專利申請量在各技術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、生產、銷售為一體的國家高新技術企業。公司產品涵蓋手機、數碼、筆記本等 IT通訊類領域以及電動工具、電動自行車、電動汽車等動力電池領域,廣泛應用于二次電池能源需求行業,目前日產能約 150萬只,已躋身世界專業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院長春應用化學研究所、吉林大學、深圳大學、廈門大學、北京理工大學、北京科技大學等科研院校為技術依托建立了獨立的研發中心,由國際高端人才組建了加拿大比克研發中心,并設有國家人事部批準設立的博士后工作站,在鋰離子電芯領域申請專利 600多項。在電池管理系統領域的專利主要集中在充電裝置 (如CN200956520Y鋰離子電池預充電電路)、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(如 CN101394080A電池組保護裝置)及電壓檢測(如 CN201060259Y一種自動檢測電池電壓裝置及預充柜)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。其在電池管理領域研發作為其主要研發方向的輔助研發技術方向。中興公司在電池管理系統領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方向,如 CN1389950A蓄電池充放電狀態的判斷方法、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,還具有充電保護方面的專利技術如 CN101174770A充電保護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權核心技術的,專業從事鋰離子蓄電池技術研發、生產和經營的股份制高新技術企業。力神公司在產業化建設過程中,深刻認識到培育擁有自主知識產權核心技術的重要性,始終高度重視技術研發工作,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。力神電池經過十多年的發展,自主研發的各類鋰離子電池已經廣泛應用到便攜電子設備、電動汽車、電動工具、儲能系統等相關領域。力神公司在電池管理系統領域的專利申請主要集中在鋰離子電池測試、鋰離子電池保護和電池電阻檢測方面,如 CN1937350A用于方形鋰離子二次電池預充電的控制裝置、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

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

三、技術創新角度的思考

根據我國企業在電池管理系統領域的專利申請現狀,綜合目前電動汽車電池管理系統以及汽車電子技術發展,我國企業若想在電池管理領域取得長足發展,應重點從以下兩個角度把握技術創新:

首先,在長期技術路線規劃上,要注意以下四點:

第一,要密切關注國際大型汽車公司的電動汽車技術發展,例如大眾、豐田、通用等巨頭,掌握他們的技術發展脈絡和方向并了解他們最新專利布局情況。應當關注掌握這些公司,尤其是日本公司對電動汽車電池管理系統方面的發展及其在中國申請情況,從而了解其技術專長和未來技術發展側重點。

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公司等在業內的新動態。

第三,要關注汽車電子芯片及電池電子芯片的技術發展,隨著制造技術和集成技術的提高,電子技術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。因此,應當加強對汽車電子芯片及電池電子芯片技術的集成電路技術的跟蹤和提高這方面的創新能力。注重與該領域中芯片制造商的合作,實現互利互惠、合作雙嬴的技術經濟發展局面。

第四,加強國內各方面的強強聯合。由于電池管理系統需要應用到電動汽車上,由于各方面原因,形成了國內幾大汽車制造集團,如一汽、二汽等,形成了數個大電池制造公司,如比亞迪、天津力神、深圳比克、風帆股份、咸陽偏轉和深圳山木及德賽電池等,而對電池管理系統的技術研究大多集中在高校,如清華大學、北京理工大學、上海交通大學等,應當實現國內企業、企業國內的強強聯合,上下游研發力量的組合,快速占領技術的“制高點”。

其次,在短期的技術路線規劃上,要結合我國在控制領域的優勢,重點發展智能化的電動汽車電池管理系統,要注意以下兩點:

第一,提高電池充放電控制技術,包括充放電監控、充放電安全、充放電平衡技術、容量估算技術。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?，F在提高電池充放電控制技術的手段,不僅僅在于硬件技術的發展,還在于軟件技術的發展,如剩余容量 (SOC)計算、實時充電電流計算、電池健康狀態的監控等。

第二,提高電池管理系統的安全性能,包括電池管理系統抗干擾技術、電池管理系統異常及報警技術和電池組熱管理技術。電池管理系統應用在非常惡劣的環境下,環境會對電池管理系統產生極其大的干擾,因此必須提高電池管理系統的抗干擾技術,包括硬件抗干擾技術和軟件抗干擾技術;同時還需要加強對異常情況的及時處理,如充放電突然增大或電池損壞等;還有加強對電池/電池組和電池管理系統的熱管理。

在短期的技術路線規劃上,這兩點既是發展電池管理系統技術的突破點,也是電池管理系統的關鍵支撐點。{本文分析及數據來源:CPRS(中國專利數據庫)及 CNKI數據庫}■

＊作者系國家知識產權局專利局光電部三級審查員。

＊＊作者系國家知識產權局專利局光電部部長。

＊＊＊ 作者系中國知識產權研究會專利委員會秘書組負責人。

＊＊＊＊ 作者系國家知識產權局專利局光電部六級審查員。