基于专利分析的动力电池管理技术的发展趋势

1 前言

电池管理系统是电动汽车动力电池系统的重要组成，是对动力电池进行管理和控制的产品和技术。电池管理系统的主要功能包括：估测电池的荷电状态，检测电池的使用状态，管控电池的循环寿命，在充电过程中对电池进行热管理控制，启停锂电池的冷却系统，同时也管理单体电池之间的均衡，防止单体电池过充、过放产生危险以及监测整个电池的健康工作状态等。

2 动力电池管理核心技术

2.1 动力电池管理技术

基于前期对电池管理的技术探究、技术调研和专家讨论，本文通过对电池管理技术的调研以及专利信息的深度挖掘，结合本领域的重点技术与专利检索的特点，形成了电池管理技术的分解表（表1），并对进行技术分解后的分支技术构建了检索式，检索分析相应的专利信息，最终得到目前电池管理技术的专利分布情况，明晰目前的技术发展热点和难点，以及未来的发展方向。



2.2 动力电池电管理

电管理技术主要是指充放电技术以及均衡技术和电池保护技术。电池的充放电技术，主要包括对充放电过程的管理，实时监控电池充放电时的温度、电压、电流以及电池箱的绝缘性能等参数，并在异常状态时进行处理。电池的均衡技术，主要是指目前的主动式均衡以及被动式均衡技术。电池保护技术，是指为了避免电池在充放电过程如过充、过放现象造成的容量和寿命的急剧下降的技术。

2.3 动力电池热管理

电池热管理主要是指对电池包内的温度进行控制的技术，其技术分解包含液冷、风冷、导热结构与材料以及热失效和热监控技术。液冷主要是指采用冷却液进行冷却的方式；风冷主要是指采用流动的空气进行冷却的方式；导热结构和导热材料主要是指目前电池管理系统中散热所采用的材料或者结构方式。热失效监控指电池核心温度的变化在短时间内产生大量热量造成电池热失效的产生，为了避免该状态发生造成不可逆损伤而进行的监控；热控制系统是指对电池的温度变化进行合理控制的系统。

2.4 动力电池状态管理

电池状态管理主要是指对电池状态进行监测、对其故障进行诊断和容错运行以及对电池状态进行分析等技术。其中电池状态监测主要是指对电池内部的物理量进行监测，如电压、电流、温度等；故障诊断和容错进行主要是对电池管理单元中的故障码进行诊断，确定故障位置和故障级别，并做出相应的容错控制；电池状态分析主要是指对电池剩余电量SOC的估算，从而延长电池的寿命。

3 动力电池管理技术专利分析

本文使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究中心自主研发的全球汽车专利数据库，收录了全球104个国家近1.2亿条汽车及相关领域的专利，并对电池管理的下级分支技术进行检索，时间范围为2000年1月1日~2020年1月30日。

检索主要采用分类号和关键词相结合的方式，关键词包括：纯电动、汽车、电池管理、电池状态、电池冷却、均衡管理、故障诊断、数据采集、SOC、SOH、SOP等以及对上述技术进行扩展得到的关键词。检索后结合分类号，对专利文献进行人工标引获得最终数据，最大限度去除噪声，保证准确性。

3.1 动力电池管理技术专利申请态势分布

截止到2020年1月30日，电池管理技术方面的专利在中国有12 664件，其中发明专利有8 251件，实用新型有4 413件。



电池管理技术相关专利申请量如图1所示，受专利18 个月公开期的影响，部分数据并未公开，故2017~2018年数据略有下滑。从全球专利申请分布情况看，智能决策技术申请量随时间增加的趋势明显，可划分为3个阶段。第1个阶段为2000~2006年，是动力电池管理技术的发展萌芽期，全球申请量相对较少，每年不足100件，这一时期电池管理技术主要集中在高校及企业前端研究，电池管理技术还处于缓慢积累阶段。第2个阶段为2007~2015年，是电池管理技术的快速发展期，随着纯电动汽车不断的量产，量产期间对电池性能以及安全性方面产生了更高的需求，这一时期专利数量稳步增加，年专利申请量相对于前一时期出现了明显增长，2015 年专利申请量达到1000件以上。第3个阶段为2015年至今，随着动力电池产业的不断成熟，动力电池本身性能也有了很大的提升，电池制造成本大幅下降，电池管理技术的专利申请量快速增长，2015年开始，年申请量突破2 000件，但此时期的增长率开始下降，此时期电池管理技术进入缓慢发展期。

电池管理技术分解表一级电池管理技术二级电管理热管理电池状态管理三级均衡管理充放电技术电池标定/电池保护风冷液冷导热结构和导热材料热失效监控热控制系统电池参数采集方法SOC估计SOH估计SOP估计故障分析信号采集通讯汽车文摘8汽车文摘图1 电池管理技术专利申请趋势

3.2 动力电池管理技术专利申请企业分布



从申请企业分布来看，TOP20 的国内申请企业中，很多国内的企业排名靠前，排名第1的是比亚迪股份有限公司（图2）。电池企业当中，宁德时代新能源科技股份公司以及华霆（合肥）动力技术有限公司和深圳市沃特玛电池有限公司等一系列企业在电池管理技术方面申请的专利都超过200件。

新能源整车企业中，比亚迪股份有限公司、北京新能源汽车股份有限公司、吉利控股集团有限公司、奇瑞汽车股份有限公司、长安汽车股份有限公司等都进入到了前20的排名当中。国外企业中，丰田自动车株式会社、福特全球技术公司、罗伯特·博世有限公司以及通用汽车环球科技运作有限公司也跻身前10名，申请量都在150件以上。

总体来说，国内部分企业已经掌握了动力电池管理技术的核心技术，并形成了自主的知识产权，与国外企业在该技术领域方面技术实力相当。

特斯拉虽然在国外申请了近400件左右的电池管理相关的专利，但其在中国布局的电池管理相关的专利仅有21件，特斯拉专利申请量在中国并没有位居前列。

3.3 动力电池管理技术地域分布



动力电池管理技术的中国专利布局情况如表2所示，专利布局省份地区较为集中，广东、北京、安徽、江苏、浙江等排名前5的省份专利占比超过63%，占全国总量的3/5。

3.4 动力电池管理技术热点技术分布情况

从动力电池管理技术的核心技术来看，目前电池管理技术的均衡管理技术、充放电技术成为了目前的研发热点；热管理技术当中的液冷技术以及风冷技术成为了目前的研发热点；电池状态管理中的电池参数及采集方法以及SOC估计成为了目前的研发热点，详见表3。



4 锂电池管理技术研发重点及空白点

4.1 动力电池管理技术研发重点分布

通过对专利的大量阅读以及统计发现，目前针对电池热管理技术当中，涉及对电池组的电池冷却或保持低温的专利占比最多，其占比达到39%，研发热度极高；其次为对电池温度控制的专利，主要涉及电池的加热或冷却的控制，其占比达到22%；对热管理技术中的结构改进，尤其是热管理技术中的安装结构以及管道布置等技术专利，其占比达到11%；为保持电池的加热或保温，以及对电池温度分布或温度的均匀性控制的专利大概占比为4~7%左右，此外，还有涉及专门采用风冷技术以及维护电池的装置，强制流动的改进以及其他的专利等，但占比都在4%以内。表4给出了目前热管理技术的研发热点分布，并给出了目前研发热点的热度。



通过对充放电技术的专利进行标引和分类，对大量专利的统计和研究表明，目前针对充放电技术领域，涉及对电池组的充电以及向电池组进行负载供电的装置，占比达到44%；其次为从变换器为电池组进行充电的专利，占比达到31%；对具体的充电以及放电的方法以及维护二次电池的方法以及装置的专利，占比达到7%；对充电电流以及电压调节的专利，占比达到5%。此外还涉及一些对电阻变化进行调节，对充放电状态进行测试以及对变换装置的电池组等其他情况进行的改进等。表5给出了目前在电管理技术的研发热点分布，并给出了目前研发热点的热度。



通过对电池状态管理技术的专利进行标引和分类，对大量专利的统计和研究表明，目前针对电池管理技术当中，涉及对电动车上电池电气状况测试的专利占比最高，占比达到23%；其次为对电池容量进行测试的相关专利，占比达到22%；对具体的测试充电状态的专利，占比达到14%；涉及一些对负载进行供电，对初级电池、二次电池供电的专利也占有一定的比例，大致在7~8%左右。此外，对电池电量的估算方法、对安全用电装置的监测以及专门只针对电池的电流、电压进行测试的专利也都占有一定的比重，在5%以内。表6给出了目前在电池状态管理技术的研发热点分布，并给出了目前研发热点的热度。



4.2 动力电池管理技术重要企业研发分布

对电池管理技术的重要企业的研发热点情况进行研究，并对各重点企业的专利进行统计，得到不同企业的核心技术方向如图3所示。



比亚迪注重均衡管理和电池参数采集方法的研究；丰田更为重视充放电技术以及SOC估计技术的研究；福特重点在SOC估计以及充电技术进行研发；宁德时代注重在电池参数采集方法以及大热结构和导热材料方向的研发；华霆动力公司注重在液冷技术以及导热结合和导热材料方面的研发；深圳市沃特玛电池企业注重在电池参数采集以及充放电技术方面的研发；惠州亿能公司注重在充放电技术以及电池参数采集方法方面的研发；博世公司注重在充放电技术以及电池参数残疾方法方面的研发；北京新能源汽车公司注重在充放电技术以及电池参数采集方面的研发；惠州市蓝微公司主要在电池参数采集方法以及均衡管理方面的研发。

从主流进行电池管理技术研发企业来看，大部分企业将充放电技术、均衡管理以及电池参数采集、SOC估计以及液冷技术作为研发重点。

4.3 动力电池管理技术重要企业研发点核心专利分布

选取了目前电池管理技术水平较为领先的企业，对其专利分布的核心技术方向情况研究，并对企业的核心专利进行了统计如表7所示，供企业进行参考。



5 动力电池管理技术的发展思考与建议

电池管理技术随着电池技术的快速发展也呈快速发展态势，成为降低成本最快速的办法，因此整车企业、科技公司、电池企业都竞相研发，呈现出非常激烈的竞争态势。从技术上面来看，目前存在严重的两极分化。部分企业通过自身研究或收购，掌握了先进的电池管理系统技术；另一部分企业选择价格低廉的电池管理技术，但性能会相对较差。未来随着电动汽车的规模化生产，国内车企对于电池管理系统的技术要求必然会随之提升，电池管理系统市场发展面临巨大机遇和挑战。

从电管理技术专利分布来看，均衡技术成为市场的主流，尤其是以主动式均衡发展更为迅速。未来企业发展可以着重在均衡技术以及充放电核心技术上投入研发。

随着电池固有续驶里程的增加，电池成组的不断改进，电池管理技术的热管理技术也在不断的飞速发展，目前还有很大的发展空间。风冷和液冷作为目前电池热管理技术的主流趋势，主流企业液冷技术的专利布局已经超过风冷的专利布局。

电池状态管理技术中，以电池参数采集方法以及电池SOC估计成为目前专利分布主流的核心技术，尤其以科技公司和部分高校中掌握有较多的核心技术及专利，企业可以采取和高校合作的模式，在研发上会节省一定的时间和成本。