純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)重點(diǎn)專利技術(shù)分布

一、前言

制約電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵因素是車載動(dòng)力電池的技術(shù)相對(duì)落后，尤其是電池管理系統(tǒng)（BMS）的相對(duì)落后。
電池管理系統(tǒng)是在使用過(guò)程中檢測(cè)電池能量的消耗量并預(yù)測(cè)電池剩余電量的綜合性電子控制系統(tǒng)，此外，它還具備故障診斷、短路保護(hù)、顯示報(bào)警及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等功能。

電動(dòng)汽車可以根據(jù)參數(shù)運(yùn)算及判斷結(jié)果對(duì)電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

隨著近幾年電動(dòng)汽車應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國(guó)外一些大的汽車生產(chǎn)企業(yè)和蓄電池生產(chǎn)廠家針對(duì)各種電動(dòng)汽車電池做了大量研究及試驗(yàn)，構(gòu)建出了各自的數(shù)學(xué)模型，成功地開發(fā)出各自的電池管理系統(tǒng)。其中典型的有：美國(guó)通用汽車公司生產(chǎn)的“EVI”型電動(dòng)汽車上應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)；美國(guó)Aerovironment 公司研發(fā)的Long-Life Battery using Intelligent Modular Control System（通常稱為smartGuard 電池管理系統(tǒng)）；德國(guó)MentzerElectronic GmbH 和Werner Retzlaff 研發(fā)的BADICHEQ 電池管理系統(tǒng)和BADICOaCH電池管理系統(tǒng)； 德國(guó)B.Hauck 設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)；美國(guó)AC Propulsion 公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。

我國(guó)在“十五”期間設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專門研究項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，在電池管理系統(tǒng)技術(shù)方面取得了很大的突破，已與國(guó)外水平較為接近。經(jīng)過(guò)近五年來(lái)的重點(diǎn)開發(fā)和研究，一些電池管理系統(tǒng)研究項(xiàng)目已經(jīng)應(yīng)用到電動(dòng)車輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中。我國(guó)多個(gè)地方政府也積極將電動(dòng)汽車及其電池管理系統(tǒng)開發(fā)列入地方產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規(guī)劃中。此外，電動(dòng)車輛快速發(fā)展和實(shí)際運(yùn)營(yíng)測(cè)試也極大地促進(jìn)了我國(guó)電池管理系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)水平的提高。

二、電池管理系統(tǒng)重點(diǎn)專利技術(shù)分布

本部分針對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行闡述，重點(diǎn)分析了技術(shù)分支的技術(shù)分布，并在此基礎(chǔ)上指出重點(diǎn)專利技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，給出發(fā)展建議。

本部分的分析數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)專利文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)， 是基于1985 年以來(lái)的專利數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索得到的?？紤]到技術(shù)的發(fā)展和專利的時(shí)效性等問(wèn)題，僅對(duì)1990 年至2009 年的相關(guān)專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（一）驅(qū)動(dòng)電池的充放電控制系統(tǒng)

檢索得到這一技術(shù)方向申請(qǐng)專利共61 篇。該技術(shù)方向可進(jìn)一步分為充電裝置（占46%）、分布式控制（占20%）和充電平衡控制和穩(wěn)壓（占34%）三個(gè)子方向。

其中，充電裝置子方向需求最旺盛，研發(fā)熱情也最高，與此相關(guān)的充電平衡控制和穩(wěn)壓子方向申請(qǐng)數(shù)量也比較多，而分布式控制的專利申請(qǐng)數(shù)量相對(duì)最少。代表性專利申請(qǐng)如CN200944532Y。

在充電裝置技術(shù)子方向， 已經(jīng)被美國(guó)的DALLAS SEMICONDUCTOR 和日本的DENSO等公司在硬件設(shè)計(jì)方面領(lǐng)先，我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)今后的突破主要在提高充電效率和能源轉(zhuǎn)化率以及軟件控制方向上。此技術(shù)方向又包括充電電路結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)起動(dòng)用的充電裝置、以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低成本為目標(biāo)的充電裝置、重點(diǎn)在于充電裝置的充電方式以及提高充電效率和能源轉(zhuǎn)化率五個(gè)子方向。

在充電平衡控制和穩(wěn)壓技術(shù)子方向，技術(shù)方案多體現(xiàn)在旁路電路設(shè)計(jì)方面，而我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)在這些方面并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。

分布式控制技術(shù)方向是近年新興的研發(fā)方向，其難點(diǎn)在于控制的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)成本。我國(guó)目前具有較低的人力資源成本和生產(chǎn)成本，因此如果在這個(gè)方向上有所突破，必能在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域中做出相當(dāng)?shù)某煽?jī)。

（二）電池充電方法

檢索得到電池充電方法技術(shù)方向申請(qǐng)專利共21 篇。該技術(shù)方向可進(jìn)一步分為根據(jù)電池端電壓的值判斷充電進(jìn)程的方法（占62%）和其他方法（占38%）兩個(gè)子方向。代表性專利申請(qǐng)如CN101346636A。

電池充電方法的領(lǐng)軍企業(yè)以日本SONY、TOYOTA 等公司為代表。由于電池充電方法研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，因此本文建議我國(guó)具有一定實(shí)力的科研院所或者大型的電動(dòng)汽車企業(yè)對(duì)此給予關(guān)注。

根據(jù)電池端電壓的值判斷充電進(jìn)程的方法是目前最成熟、最可靠的方法。我國(guó)南客、比亞迪等公司在此方向具有一定的實(shí)力。目前，該方向的研究趨向邊緣化，即趨向于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)節(jié)做出種種改進(jìn)。其他方向一般是出于另辟蹊徑考慮而做出的，這些非主流的技術(shù)方向目前距離大面積推廣應(yīng)用還存在相當(dāng)差距，有些甚至仍然停留在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

（三）充放電安全保護(hù)

電池充放電安全保護(hù)技術(shù)是近幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)的。檢索得到申請(qǐng)專利共16 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為通過(guò)對(duì)充電時(shí)電池的端電壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)保護(hù)方向（占56%）和依據(jù)非電壓參數(shù)方法方向（占44%）兩個(gè)子方向。代表性專利申請(qǐng)如CN101431245A。

通過(guò)對(duì)充電時(shí)電池的端電壓檢測(cè)實(shí)現(xiàn)保護(hù)方向在技術(shù)思路上是成熟的?？v觀這一技術(shù)方向的發(fā)展，是隨著電壓檢測(cè)裝置和器件的發(fā)展而發(fā)展的，如從最原始的電阻到超級(jí)電容器，再到光電隔離器件。
依據(jù)非電壓參數(shù)方法方向發(fā)展很快，技術(shù)方案繁雜。建議相關(guān)廠商能夠從下面所列舉的代表性專利中得到啟示：CN101214797A、CN101085604A和CN101264734A。

（四）電池控制系統(tǒng)及方法

檢索得到電池控制系統(tǒng)及方法技術(shù)方向申請(qǐng)專利共21 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為側(cè)重控制原理的技術(shù)方案（占62%）、側(cè)重對(duì)電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成方面的技術(shù)方案（占38%）兩個(gè)子方向。代表性專利申請(qǐng)如CN1474759A。
電池控制系統(tǒng)及方法主要涉及對(duì)電動(dòng)汽車電池的電性參數(shù)（例如電壓、電流等）、環(huán)境參數(shù)（例如溫度）和剩余電量（SOC）等參數(shù)進(jìn)行控制，以保證電動(dòng)汽車的正常供電、穩(wěn)定供電或優(yōu)化供電。側(cè)重控制原理的技術(shù)方案的專利數(shù)量小于側(cè)重對(duì)電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成方面的技術(shù)方案的專利數(shù)量，這正說(shuō)明了從原理到真正實(shí)施這一過(guò)程需要付出巨大勞動(dòng)和成本。基于我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)方興未艾的現(xiàn)狀，本文建議我國(guó)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的相關(guān)企業(yè)將注意力集中在電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成的研發(fā)和生產(chǎn)方面，依靠成本優(yōu)勢(shì)搶占國(guó)內(nèi)外訂單。

（五）電池放電方法和裝置

檢索得到電池放電方法和裝置技術(shù)方向申請(qǐng)專利共8 篇。代表性專利申請(qǐng)如CN1556417A。
電池放電方法和裝置在電動(dòng)汽車中保證電池能夠被有效地充電和健康地使用。鑒于我國(guó)目前電動(dòng)汽車電池技術(shù)發(fā)展速度限制了電池放電技術(shù)的試驗(yàn)和實(shí)施，本文建議我國(guó)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研發(fā)生產(chǎn)者如果不具備自行或聯(lián)合研發(fā)電動(dòng)汽車電池的技術(shù)實(shí)力，暫緩對(duì)這一技術(shù)方向的投入。

（六）電池管理系統(tǒng)的異常與報(bào)警

檢索得到電池管理系統(tǒng)的異常與報(bào)警技術(shù)方向申請(qǐng)專利共12 篇。代表性專利申請(qǐng)如CN1614951A。
電池管理系統(tǒng)的異常與報(bào)警是電動(dòng)汽車消費(fèi)者直接接觸的一個(gè)環(huán)節(jié)。這個(gè)環(huán)節(jié)所需要的技術(shù)并不復(fù)雜，完全可以借鑒其他電子產(chǎn)品的異常和報(bào)警處理方案。因此，不論是以前還是將來(lái)，這一技術(shù)方向都不會(huì)成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的研發(fā)或生產(chǎn)方向。

（七）電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)

檢索得到電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)方向申請(qǐng)專利共26 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為CAN 總線（占65%）和其他總線（占35%）兩個(gè)子方向。其中， 采用CAN 總線進(jìn)行通信的電池管理技術(shù)占絕對(duì)主流，研發(fā)熱情也最高。代表性專利申請(qǐng)如CN1555996A。

目前，電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)是電池管理系統(tǒng)內(nèi)部各組件之間、電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車其他控制和監(jiān)測(cè)單元之間進(jìn)行交互的重要媒介?？梢灶A(yù)見，隨著通信技術(shù)的日益發(fā)展，電池管理系統(tǒng)通信技術(shù)在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用中是大有可為的。

（八）對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控技術(shù)

檢索得到對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控技術(shù)方向申請(qǐng)專利共109 篇。分為對(duì)單一電池參數(shù)的監(jiān)控（占21%）、對(duì)多個(gè)電池參數(shù)的監(jiān)控（占9%）、剩余容量估計(jì)（SOC 估計(jì)）（占33%）、SOH/異常狀態(tài)與SOF（占10%）、對(duì)電池輸出功率或能量的監(jiān)控（占13%）以及電池的其他指標(biāo)（占14%）六個(gè)子方向。代表性專利如CN1290418A。

對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的技術(shù)是整個(gè)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的核心技術(shù)。電動(dòng)汽車電池狀態(tài)一般包括有電壓、電流、溫度、功率、剩余容量等，對(duì)這些狀態(tài)參數(shù)的快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和控制是衡量電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)者實(shí)力的最直接的指標(biāo)。其中，剩余容量估計(jì)技術(shù)占絕對(duì)主流，研發(fā)熱情也最高。

在剩余容量估計(jì)技術(shù)分支中，又包括基于測(cè)量得到的電池參數(shù)計(jì)算電池SOC 和基于電池模型或狀態(tài)函數(shù)計(jì)算電池SOC 兩個(gè)子方向。

在電池的其他指標(biāo)技術(shù)分支中，又包括對(duì)溫度的監(jiān)控方向以及壽命、老化程度判斷兩個(gè)子方向。

（九）在電池管理系統(tǒng)中對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試

檢索得到在電池管理系統(tǒng)中對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試技術(shù)方向申請(qǐng)專利共4 篇。代表性專利如專利申請(qǐng)CN101187696A。
這一技術(shù)方向主要對(duì)電池參數(shù)（例如電壓、電流、溫度和內(nèi)阻）等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并給出專業(yè)性的結(jié)論和建議，科技含量較高，是電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（十）電動(dòng)汽車充電站

檢索得到電動(dòng)汽車充電站技術(shù)方向申請(qǐng)專利共6 篇。代表性專利如專利申請(qǐng)CN2821999Y。

超級(jí)電動(dòng)汽車及復(fù)合電源電動(dòng)汽車可以用于城市公交車及其他短距離運(yùn)輸，對(duì)節(jié)能減排、提高城市運(yùn)輸運(yùn)力能起到重要作用。在我國(guó)當(dāng)前大規(guī)模城市化進(jìn)程中，隨著以電動(dòng)公交車為首的電動(dòng)汽車普及，電動(dòng)汽車充電站是相關(guān)行業(yè)立足國(guó)內(nèi)的一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

（十一）電池管理系統(tǒng)與車輛管理系統(tǒng)的耦合

檢索得到電池管理系統(tǒng)與車輛管理系統(tǒng)的耦合技術(shù)方向申請(qǐng)專利共26 篇。該技術(shù)方向可分為與車輛控制系統(tǒng)緊耦合的電池管理系統(tǒng)（占58%）和與車輛控制系統(tǒng)松耦合的電池管理系統(tǒng)（占42%）兩個(gè)子方向，它們幾乎并列發(fā)展。代表性專利申請(qǐng)如CN1933283A。

目前，電池管理系統(tǒng)與車輛管理系統(tǒng)的耦合技術(shù)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外都是研究熱點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)汽車的整車安全性能有相當(dāng)大的影響，因此建議我國(guó)的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)從業(yè)者能夠引起足夠的重視，盡早地研發(fā)出符合自己品牌汽車特點(diǎn)的耦合技術(shù)方案。

（十二）電池管理系統(tǒng)的模擬測(cè)試、建模和預(yù)測(cè)

檢索得到電池管理系統(tǒng)的模擬測(cè)試、建模和預(yù)測(cè)技術(shù)方向申請(qǐng)專利共10 篇。代表性專利申請(qǐng)如CN101504443A。
該方向技術(shù)是對(duì)電池的電池參數(shù)、電池管理系統(tǒng)的通信能力等進(jìn)行測(cè)試、模擬、仿真和預(yù)測(cè)的技術(shù)。雖然其變化不會(huì)很大，發(fā)展也不快，但是由于每一家電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家都需要這個(gè)環(huán)節(jié)，所以市場(chǎng)前景廣闊。建議行業(yè)內(nèi)有意從事此方面研究和制造的單位能夠堅(jiān)持下去，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。