我国企业在电池管理系统的专利申请现状分析及技术创新思考

■ 赵景焕崔伯雄常 力李 璐李晓惠翟琳娜隋 欣

我国企业在电池管理系统的专利申请现状分析及技术创新思考

■ 赵景焕＊崔伯雄＊＊常 力＊＊＊李 璐＊李晓惠＊＊＊＊翟琳娜＊＊＊＊隋 欣＊＊＊＊

电动汽车电池管理系统技术是电动汽车的一项关键技术。在简述发展电动汽车及发展电池管理系统的重要性和电池管理系统主要构成的基础上,重点介绍我国企业在电池管理系统领域的专利申请现状分析,最后对我国企业在电池管理系统专利技术应当采取的技术创新角度做出思考。

电动汽车 电池管理系统 专利现状 技术创新

目前,随着全球性能源危机日益严重和几乎遍布全球的经济危机的扩散,大多数国家均在积极发展战略性新兴产业,推进产业结构调,寻求新的经济转机,另外全球环境的恶化也使人们积极寻求低碳经济的合理发展模式。在此过程中,大力发展电动汽车产业是各国政府普遍意识到的产业转型和发展契机。

一、研究背景

(一)发展电动汽车的重要性

汽车的出现已经一百多年,经历了从欧洲的手工生产、美国的自动化生产、日本的精益生产三个阶段以及现在的现代化、全球化的规模生产。汽车的生产和使用极大地促进了经济的发展,极大地改善了人们的生活。但是汽车发展到今天,也带来严重的问题,即能源、环保和安全。这些问题是对交通可持续发展的三大挑战,也是对人类可持续发展的挑战,但是这些问题也指明了 21世纪汽车革命的方向。就在世界各国努力研发安全、洁净、环保汽车的时候,人们把目光再次投向了电动汽车上,一致认为发展电动汽车是解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一。在世界范围内,此措施得到各国政府、汽车生产企业和科研机构的高度重视。

目前,不仅仅美、日、欧等发达国家和地区投入很大财力于电动汽车的研制,我国政府也非常重视对电动汽车的发展。在“八五”、“九五”、“十五”期间,在研发电动汽车专项上国家投入了大量人力、物力,电动汽车也被列入“863”重点项目、十五重大攻关项目。并且,科技部门、各个地区及各汽车生产企业也在积极进行电动汽车的研发。

伴随着各方重视和人力、物力的投入,电动汽车及相关技术研究开发在短期内获得了飞速发展。截至目前,已经有少量电动车型投入到实际运营中,如城市公交汽车、各种园区内的短途运营车辆及观光车等。

(二)电池管理系统的重要性及构成概述

1.电池管理系统的重要性

电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车,但制约他们未能普及的关键因素是车载动力电池技术相对落后,尤其是电池管理系统技术的相对落后。过去及现在,世界各国都在为电动汽车潜心研制高性能车载电池以及动力电池管理系统,但仍与期望目标存在较大差距。为了开发高性能的电池管理系统,各国或地区政府均给予政策扶持,并投入大量物力和技术力量。

电池管理系统技术是电动汽车技术的一项关键技术,电池管理系统的性能优劣直接决定了电池/电池组的使用寿命和效率。电池管理系统对动力电池的工作参数 (如电压、电流、温度、剩余电量和健康状态等)进行检测,以保证动力电池 /电池组安全工作,并对动力电池 /电池组的工作状态进行准确估计,以便整车控制系统根据当前的电池状态优化控制策略,提高整车的动力性和行车经济性。

对电动汽车电池管理系统研究的巨大投入,为与电池管理系统相关的电池电子技术发展提供了巨大的契机。另外,随着近年来半导体技术及集成电路技术的发展,利用电池电子技术,开发高智能电池能源管理系统,可以有效地解决电动汽车续航里程与乘坐舒适性之间的矛盾,并且可以在复杂多变的外界环境条件下,更高效地利用电池能量,并能延长电池寿命等。

2.电池管理系统构成概述

电动汽车电池管理系统中的动力电池多采用串联方式连接,并且由于电池组内各单电池充放的不一致性,因此在充放电的过程中,以串联方式供电的电池的运行状况要比单电池供电的情况复杂得多。并且,电池的不一致性会严重影响电动汽车的性能,因此对每个单电池运行状况的监测也是十分重要的。

电池管理系统从结构上可以分为分布式和集中式两种方案,分别适用于不同动力电池包结构形式。

分布式电池管理系统,其在中央处理器 (电池综合管理器)总的控制下,使用多个控制单元分别实现电池管理系统所需的各种功能,如数据采集、均衡充电、电量估计及通讯显示等;各个控制单元通过 CAN总线进行数据通讯,实现单个电池及电池组模块电压、总电压、充放电电流、温度等数据的采集和测量、电量估算;同时,分布式电池管理系统具有很强的扩展性,可以进行具体电池诊断和电池安全性能保护等功能扩张。

集中式电池管理系统,其将电池信息测量与采样模块和主控制模块集中在一起,通过设计多路控制选择开关分时完成对单个电池及电池组数据采集和测量,然后在数据处理模块中进行数据加工和处理,如电量估算等;集中式电池管理系统具有高性能、高可靠性的特点,但可扩展性不强。

二、我国企业在电池管理系统领域的专利申请现状

目前进行电动汽车研发的主要企业有一汽、上海大众、东风汽车、长安汽车、奇瑞汽车、吉利汽车、比亚迪汽车、上海华普、上海通用等企业。然而,除奇瑞和比亚迪外,其他企业在电池管理领域没有或仅有很少的专利申请。究其原因,一方面,一些电动车研发企业还没有将研发重心放到电池管理系统上;另一方面,国内企业在知识产权保护上意识不足,还没有自己的专利技术。

目前,我国一些企业已经就电池管理系统技术申请了专利。在电池管理领域专利申请量排前六位的国内企业有:比亚迪、奇瑞汽车、深圳市比克电池有限公司、中兴、天津力神电池股份有限公司和华为。从图 1中可以看出,这些企业在电池管理领域的研究普遍起步较晚,比亚迪和中兴从2000年才开始申请电池管理领域的专利,其他 4家企业更晚,尤其是奇瑞汽车,从 2005年才第一次申请相关专利。虽然国内企业对该领域的研究比国外要晚,但是发展还是比较迅速的,2007年,各企业的申请量都比起步时有了大幅增长。比亚迪尤为突出,达到 36件。

图 1 在电池管理领域专利申请量排前六位的国内企业

以下分别对上述六家国内企业在电池管理领域的专利分布和技术路线进行分析。

(一 )比亚迪公司

比亚迪股份有限公司创立于 1995年,是一家香港上市的高新技术民营企业。比亚迪在广东、北京、上海和西安等地区建有七大生产基地,并在美国、欧洲、日本、韩国、印度、中国台湾、中国香港等地设有分公司或办事处。比亚迪现拥有 IT和汽车两大产业群。

1997年,公司自主研发并开始生产锂离子电池,很快投入量产。2006年 6月,比亚迪纯电动汽车研发成功,成功搭载 ET-POWER技术的动力电池,实现零污染、零排放、零噪音的三无目标,续航里程达 350K M,标志着比亚迪纯电动汽车技术处于世界领先地位。2008年 12月 15日,全球第一款不依赖专业充电站的双模电动车——比亚迪双模电动车在深圳正式上市。2009年,比亚迪计划将推出纯电动汽车,提前 20年实现世界汽车工业追逐的梦想。

比亚迪在电池管理领域的专利申请量按年份分布如图 2所示,比亚迪 2000年申请了第一个电池管理领域的相关专利,2001年没有申请相关专利,2002年也仅申请了一项。实质上,比亚迪在电池管理领域的研究和发展从 2003年才真正开始。从 2003年至今,比亚迪的年申请量持续增长。

图 2 比亚迪在电池管理领域的专利申请量按年份分布情况

比亚迪在电池管理领域的专利申请主要涉及的技术主题包括:电池的充放电及其控制、电池的保护、电池管理系统、防止电池过充或过放的检测及保护、电池短路的检测、电池电压监测、电池性能的测试、电池剩余电量的检测、电池的均衡管理和电池内阻的检测。涉及这些技术主题的专利申请共 54件,其中发明专利申请33件,实用新型 21件。在这些技术主题中,电池的充放电及其控制、电池管理系统、电池剩余电量的检测、电池的均衡管理的专利申请量相对较高,分别是 14件、14件、4件和 7件。这说明上述技术主题是比亚迪在电池管理领域的重点研究方向,其投入了较大的研发力量并获得了一定的研究成果。

(二 )奇瑞公司

奇瑞汽车有限公司为 1997年由安徽地方国有投资公司投资成立的汽车公司。奇瑞公司申请电池管理领域专利的情况为:2005年 2件,2006年 8件,2007年 18件,2008年 15件。可见,自2005年至今,奇瑞公司的专利申请量逐年稳步增长。奇瑞在电池管理领域的专利申请主要涵盖的技术主题有:电池余量检测、分布式电池管理、电池温度检测、电池内阻检测、电池的均衡化管理、电池电压监测、电池性能检测和电池充放电电流的限制保护。奇瑞在电池管理领域的专利申请共16件,其中发明专利申请 15件、实用新型 1件。奇瑞在该领域的专利申请量不大,且专利申请量在各技术主题间的分布比较均匀,没有明显的重点研究方向。

(三 )比克电池

深圳市比克电池有限公司 (简称为比克电池)是一家集锂电池研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业。公司产品涵盖手机、数码、笔记本等 IT通讯类领域以及电动工具、电动自行车、电动汽车等动力电池领域,广泛应用于二次电池能源需求行业,目前日产能约 150万只,已跻身世界专业锂离子电池制造商前列。深圳市比克电池有限公司以中国科学院长春应用化学研究所、吉林大学、深圳大学、厦门大学、北京理工大学、北京科技大学等科研院校为技术依托建立了独立的研发中心,由国际高端人才组建了加拿大比克研发中心,并设有国家人事部批准设立的博士后工作站,在锂离子电芯领域申请专利 600多项。在电池管理系统领域的专利主要集中在充电装置 (如CN200956520Y锂离子电池预充电电路)、锂离子电池安全检测 (如 CN101046503A一种锂离子电池爆炸原因测试方法)、充放电均衡和电池保护(如 CN101394080A电池组保护装置)及电压检测(如 CN201060259Y一种自动检测电池电压装置及预充柜)等方面。

(四 )中兴公司

这里的中兴公司是包括中兴通讯股份有限公司、深圳市中兴通讯股份有限公司及深圳市中兴移动通信有限公司。其在电池管理领域研发作为其主要研发方向的辅助研发技术方向。中兴公司在电池管理系统领域也具有一定的专利申请量,主要集中在电池的充电 /放电的方法或装置的技术方向,如 CN1389950A蓄电池充放电状态的判断方法、CN1885669A一种充电电池的充电方法及其装置、CN101340011A一种智能充电方法和装置,还具有充电保护方面的专利技术如 CN101174770A充电保护方法及装置和电池电压检测方面的专利如 CN101236235A蓄电池组单节电池的电压采样装置及方法。

(五 )力神电池

天津力神电池股份有限公司 (简称为力神电池)是一家拥有自主知识产权核心技术的,专业从事锂离子蓄电池技术研发、生产和经营的股份制高新技术企业。力神公司在产业化建设过程中,深刻认识到培育拥有自主知识产权核心技术的重要性,始终高度重视技术研发工作,参与到国家和部委的多个重大专项项目,并申请了多项专利。力神电池经过十多年的发展,自主研发的各类锂离子电池已经广泛应用到便携电子设备、电动汽车、电动工具、储能系统等相关领域。力神公司在电池管理系统领域的专利申请主要集中在锂离子电池测试、锂离子电池保护和电池电阻检测方面,如 CN1937350A用于方形锂离子二次电池预充电的控制装置、CN200947542Y多串大功率锂离子电池组过充过放保护电压检测装置和CN201203658Y一种锂离子动力电池极组的短路检验装置。

(六 )华为公司

华为技术有限公司是一家总部位于中国广东深圳市的高技术科技公司,于 1988年成立于中国深圳。华为公司一直以来对知识产权高度重视,连续数年成为中国申请专利最多的企业,并且 PCT专利申请量位居世界前列。在电池管理领域方面的专利申请作为其主要研发方向的辅助技术方向,主要申请集中在电池的充电 /放电的方法或装置领域,如 CN1738149A一种蓄电池组系统及使用方法和 CN201084793Y电池管理的装置。

三、技术创新角度的思考

根据我国企业在电池管理系统领域的专利申请现状,综合目前电动汽车电池管理系统以及汽车电子技术发展,我国企业若想在电池管理领域取得长足发展,应重点从以下两个角度把握技术创新:

首先,在长期技术路线规划上,要注意以下四点:

第一,要密切关注国际大型汽车公司的电动汽车技术发展,例如大众、丰田、通用等巨头,掌握他们的技术发展脉络和方向并了解他们最新专利布局情况。应当关注掌握这些公司,尤其是日本公司对电动汽车电池管理系统方面的发展及其在中国申请情况,从而了解其技术专长和未来技术发展侧重点。

第二,要时刻注意国际知名的汽车电子、具体为动力电池电子制造商,尤其是涉及到汽车电池制造商的发展动向,例如日本的松下、索尼、丰田和三洋,还有韩国的三星和 LG公司等在业内的新动态。

第三,要关注汽车电子芯片及电池电子芯片的技术发展,随着制造技术和集成技术的提高,电子技术越来越多的使用单一芯片就能解决原来抗干扰性能较差的分离电路技术。因此,应当加强对汽车电子芯片及电池电子芯片技术的集成电路技术的跟踪和提高这方面的创新能力。注重与该领域中芯片制造商的合作,实现互利互惠、合作双嬴的技术经济发展局面。

第四,加强国内各方面的强强联合。由于电池管理系统需要应用到电动汽车上,由于各方面原因,形成了国内几大汽车制造集团,如一汽、二汽等,形成了数个大电池制造公司,如比亚迪、天津力神、深圳比克、风帆股份、咸阳偏转和深圳山木及德赛电池等,而对电池管理系统的技术研究大多集中在高校,如清华大学、北京理工大学、上海交通大学等,应当实现国内企业、企业国内的强强联合,上下游研发力量的组合,快速占领技术的“制高点”。

其次,在短期的技术路线规划上,要结合我国在控制领域的优势,重点发展智能化的电动汽车电池管理系统,要注意以下两点:

第一,提高电池充放电控制技术,包括充放电监控、充放电安全、充放电平衡技术、容量估算技术。在电池成本一定的情况下,电池的使用寿命决定了电动汽车的运营成本,而电池充放电控制技术直接决定了电池的使用寿命,因此必须提高电池充放电控制技术。现在提高电池充放电控制技术的手段,不仅仅在于硬件技术的发展,还在于软件技术的发展,如剩余容量 (SOC)计算、实时充电电流计算、电池健康状态的监控等。

第二,提高电池管理系统的安全性能,包括电池管理系统抗干扰技术、电池管理系统异常及报警技术和电池组热管理技术。电池管理系统应用在非常恶劣的环境下,环境会对电池管理系统产生极其大的干扰,因此必须提高电池管理系统的抗干扰技术,包括硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术;同时还需要加强对异常情况的及时处理,如充放电突然增大或电池损坏等;还有加强对电池/电池组和电池管理系统的热管理。

在短期的技术路线规划上,这两点既是发展电池管理系统技术的突破点,也是电池管理系统的关键支撑点。{本文分析及数据来源:CPRS(中国专利数据库)及 CNKI数据库}■

＊作者系国家知识产权局专利局光电部三级审查员。

＊＊作者系国家知识产权局专利局光电部部长。

＊＊＊ 作者系中国知识产权研究会专利委员会秘书组负责人。

＊＊＊＊ 作者系国家知识产权局专利局光电部六级审查员。