基于专利分析的我国自动充电技术领域发展现状研究

吴冰 姜峰

1 引言

随着科技的不断进步，以住宅为单位、以对家居生活设施集成管理为特点的智能家居概念兴起，智能家居可以为家居生活提供更好的舒适度、便利性以及安全性，因此被认为是未来生活的发展趋势[1]。智能家居涉及的技术主要包括网络技术、物联网技术以及机器人技术。机器人具有一定的人工智能特性，能够自我学习和认知，可以根据不断收集的环境信息自动调整，真正实现智能化，因此也是智能家居未来发展的核心方向[2，3]。

蓄电池是一种可以储存化学能量，在需要时放出电能的一种能量存储设备，因此是机器人等移动设备的理想能源。但目前的蓄电池可存储能量有限，在使用一段时间后需要再次充电，特别是应用于电量需求较大的设备时，现有蓄电池的这种缺点更为突出。而人工的反复充电过程大大削减了能源技术智能化的便利性，因此，作为能源智能化发展的方向，充电过程的自动化也尤为关键[4，5]。

我国作为消费大国，智能家居的市场广阔，发展智能家居技术也势在必行。实现中国式创新，不仅要清楚行业现状，更要掌握技术发展趋势。本文以自动充电技术领域中的中国专利申请数据为样本，从多角度分析了我国自动充电技术领域中的专利现状，以此为基础，为国内自动充电技术领域的发展提供相关参考。

2 数据分析

2.1 申请整体概况

本文以中国专利文摘数据库（CNABS）为基础，通过分类号和关键词的组合检索方式，检索日期至2019年6月30日已公开的专利申请，检索统计得到智能充电技术领域中相关的专利总申请量为3 264件。截至上述检索日，部分申请由于未满18个月还未公布，导致2018—2019年的申请数据不完整。因此，涉及2018—2019年的专利申请数据仅供参考。

通过中国专利申请总体趋势分布图（图1）可以看出，就自动充电技术领域近三十余年在我国的申请量而言，在2008年之前该领域的专利申请年申请量基本保持平稳，但2009—2017年期间，专利申请量有了明显逐渐增加的趋势，并在近期達到了较高的势头。通过图1可知，通过近几年国家对自动充电技术领域的重视程度提高，国内企业和科研单位更加重视自动充电方法的研究，在核心技术领域取得了一定的成就。另外，目前国内申请人对自动充电技术的研究主要集中在自动充电设备的改进，以及自动充电方法的优化方面，并且近年来我国在该领域的研究还呈现上升势头，在产业化发展上仍有很大的空间。通过图1还可以看出，自动充电技术领域的首次中国申请出现在1985年，但申请量一直较低。直到2008年，申请量才呈现较为明显的上升，但申请量也处于较低水平，这也反应出，对于一种新技术，需要较长的酝酿发展期。2008年以后，申请量持续走高，这个时期申请量的明显增长主要归因于智能技术的快速发展，这也从一定程度带来了自动充电等相关领域技术的发展。

2.2 申请人分布

2.2.1 申请人属性分布

通过申请人属性分布情况（图2）可见，企业属性申请人占比66%，大学/科研机构属性的申请人占比17%，个人属性申请人占比17%。由此不难看出，在自动充电技术领域，企业依然是专利申请的主体，贡献了绝大部分的专利技术。这一方面反映出企业作为技术革新的领导者，对技术发展革新的敏锐嗅觉；另一方面也反映出企业作为利益相关方，技术专利化保护的领先意识。我国重视自动充电技术的发展，国内有若干家自动充电技术研发规模较大的企业，其带动着周边企业在自动充电技术的研发上进行投入，产生了显著的效果，提高了我国自动充电技术的核心竞争力，促进了自动充电技术在企业专利布局和专利保护方面的投入，加速了技术发展的更新换代。由于自动充电技术的科研主力多数存在于企业中，设定自动充电技术为研发方向的大学/科研机构占比较小，所以大学/科研机构属性的申请人占比也相对不大。另外，自动充电技术领域需要较为专业的技术投入以及较大规模的资本注入，因此，对于个人申请人有一定门槛，造成个人属性申请人占比也相对较小。

2.2.2 申请人地域分布

申请人地域分布情况示意图TOP10（图3）显示了中国范围内（不包括港澳台地区）自动充电技术领域申请人申请量的分布情况。其中广东省的申请量占国内全部申请量的20%，江苏省占比14%，北京市占比9%，上海市占比8%，浙江省占比7%。由此可以看出，南方工业发达地区以及北京、上海一线城市的申请人占据了国内自动充电技术领域专利申请的主体。

2.2.3 主要申请人

申请人申请量分布图（图4）列出了自动充电技术领域中排名前10位的申请人，从高到低依次为国家电网有限公司（简称“国家电网”）、TCL集团股份有限公司（简称“TCL”）、富士康科技集团（简称“富士康”）、中国科学院、中兴通讯股份有限公司（简称“中兴通讯”）、宁波大叶园林设备有限公司（简称“宁波大叶园林设备”）、杨泰和、苏州宝时得电动工具有限公司（简称“苏州宝时得电动工具”）、中国南方电网有限责任公司（简称“南方电网”）、海洋王照明科技股份有限公司（简称“海洋王照明”），其中企业占据8席，仅有1位为国内科研机构（中国科学院），1位为个人申请人（杨泰和）。这也从侧面反映出国内企业在该领域的大量投入。排在第1位的国家电网中央直接管理的国有独资公司，也是关系国民经济命脉和国家能源安全的特大型国有重点骨干企业。该公司的专利申请量达到了141件，占总申请量的5%，从图4中可以看出，国家电网处于绝对领先的龙头地位，这反映出该公司在自动充电技术领域的领先地位，也反映出企业战略层面的重视和国家政策方面的扶持是密不可分的。

排在第2位的TCL是全球化的智能产品制造及互联网应用服务企业集团，在全球80多个国家和地区设有研发或销售基地，在世界范围内具有较强影响力，其智能机器人、多媒体显示装置在全球都占有较大保有量。该公司的专利申请量为32件，占总申请量的1%。

排在第3位的富士康与排在第4位的中国科学院的专利申请量分别为27件和26件，这反映出了民营企业和科研院所在自动充电技术领域也占有一定的份额。通过对主要申请人的分析可知，我国企业在该领域的发展势头强劲，技术也较为先进和成熟，这和我国对自动充电技术的密切关注是分不开的，体现了我国在科研领域的大幅投入。

2.3 重要专利技术

2002年1月7日，北京航空航天大学提交的专利申请（CN1367565A），提供了一种串联电池组自动均衡充电装置。该发明的特点是去掉了现有技术中的功率开关和由它组成的旁路分流网络，取而代之的是放电网络。其隔离驱动电路的每一个输出端连接在MOS管的控制端上，串联电池组的单体电池的正极连接在金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOS管）输入端上。MOS管的输出端连接功率电阻，功率电阻的另一端连接在串联电池组的单体电池的负极上，来实现对串联电池组的充电速度快、安全可靠，达到串联电池组的自动均衡充电。

2002年4月4日，北京航空航天大学提交的专利申请（CN1402375A），公开了一种基于电池动态电量差异补偿的自动均衡充放电方法与装置。该发明的特点是：①由电量计算单元根据非易失性存储器中的公式和图表以及采集电路得到的温度、充放电循环次数、电池端电压等计算电池的最大电量、充放电前的初始电量，再根据电池的充放电电流和时间计算电池的动态电量；②充电过程中采用直流变直流变换器（DC/DC变换器）模块对动态电量值较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电量同步升高，同时充足，达到串联电池组的自动均衡；③充电过程中，对高于平均电量的单体电池放电的同时，充电过程继续进行；④对单体电池进行放电时，利用DC/DC变换器，将放电能量回收利用给其他电池的充电，能源利用率高；⑤接通负载放电的过程中也采用同一DC/DC变换器模块对电量较多的单体电池通过充放电母线放电供负载使用或为整个电池组充电，对电量较少的电池进行补偿，实现动态过程中电池组电量的均衡。这既可防止个别电池“过放电”，又可充分利用电池组的能量，与现有技术相比，更科学、更充分地利用电池组能量。以各个单体电池的电量为衡量依据，在充电过程中，当发现电池组中的单体之间电量差异较大，就对电量值较高的单体电池进行适量放电，放出的电量回馈到充放电母线，为电池组辅助充电，实现充电过程的自动均衡。同样在接通负载放电使用过程中，电量多的单体电池通过充放电母线为放电供负载使用或为整个电池组辅助充电，实现放电过程的自动均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的自动均衡充放电。

2010年6月30日，武汉理工大学提交的专利申请（CN101895136A），介绍了一种插电式电动汽车自助充电系统，包括多个充电站、数据服务中心以及移动通信服务中心。每个充电站包括紫蜂协议（ZigBee）组网设备、充电站计算机监控中心以及多个充电机。ZigBee组网设备通过ZigBee无线通信网络与插电式电动汽车的ZigBee终端节点装置连接。每个充电机包括充电机信息管理单元、磁卡识别装置、触摸屏、打印机和充电装置。该系统克服了与插电式电动汽车有线通讯连接导致的电气连接不稳定、无线通讯连接导致的组网难度大及实施费用高的问题，能实现自助充电，用户操作简单、便利、安全，充电过程自动化、智能化，并且无需人工值守。另外，该系统能提供多种类型的充电服务模式。

2010年9月8日，许继集团有限公司与北京许继电气有限公司联合提交的专利申请（CN101950998A），涉及电动汽车物联网充电系统，其以物联网技术为基础，通过汽车、电池以及充电设施之间架起的信息交互渠道构建起了面向电动汽车业务的物联网，通过将物联网信息整合传递给监控系统进行综合管理运营，并实现与电网的技术整合和信息交互。该发明中电池的充电时间和地点上实现了与汽车动力服务的解耦，可以灵活有序安排电池的充放电运行，可以支持用户通过被远程控制的分布式充电桩进行自主充电，只要相应的信息得到记录和交互，用户即可享受最大限度的自由和服务。物联网的平台实现了信息全面的采集和共享，使得为客户提供更加复杂和高级的服务成为可能。

山东鲁能智能技术有限公司成立于2000年，经营范围包括电气自动化设备的研发、设计、生产等，属于电能相关领域，因此对自动充电技术有所关注。2011年7月30日，该公司提交的专利申请（CN102280826A），公开了一种变电站智能机器人巡检系统及巡检方法，它包括监控中心，所述监控中心与至少一個变电站的站级机器人智能巡检系统通过网络连接。所述各站级机器人智能巡检系统包括至少一个基站，同时在变电站内还设有环境信息采集子系统以及安装在变电站内各个需要监控设备处的固定点辅助监控子系统。所述智能巡检机器人上设有智能巡检机器人下位机，所述智能巡检机器人下位机还与检测单元连接，所述检测单元包括红外检测单元和紫外检测单元，所述紫外检测单元包含紫外视频服务器和紫外检测装置。该发明巡检路径优化，安全防护好，智能化程度高，具有全时段故障检测和无缝隙视频监控的优点，为智能变电站提供了全新的技术检测手段和全方位的安全保障。

3 结语

通过以上的专利分析可知，自动充电技术作为智能能源技术的一个重要分支，随着智能技术的发展将越来越受到重视。我国自动充电技术仍处在快速发展阶段，存在很多机遇，但目前仍缺乏系统的专利布局，仍未形成有效的专利壁垒。面对这些机遇与挑战，如何整合技术发展优势，在现有技术基础上，寻求新的突破，是自动充电技术领域共同面对的问题。国内企业应该更加重视专利布局，将研发成果尽早申请专利，并形成专利网，利用专利为企业的发展保驾护航，促进企业发展壮大。

参考文献

[1] 张周，周剑扬，闫沫.ZigBee在智能家居系统中的应用研究[J].工业控制计算机，2006，19（12）：7—9.

[2] 曹文祥，冯雪梅.工业机器人研究现状及发展趋势[J].机械制造，2011，49（558）：41—43.

[3] 葛艳红，李文锋，董文涛.物联网环境下群体机器人协同演化机制研究[J].武汉理工大学学报，2012，34（9）：135—138.

[4] 徐国保，尹怡欣，周美娟.智能移动机器人技术现状及展望[J].机器人技术与应用，2007（2）：29—34.

[5] 张晶，贠超.安防机器人自动充电研究[J].传感器与微系统，2012，31（3）：60—62.