純電動汽車電池管理系統(tǒng)重點專利技術(shù)分布

一、前言

制約電動汽車普及的關(guān)鍵因素是車載動力電池的技術(shù)相對落后，尤其是電池管理系統(tǒng)（BMS）的相對落后。
電池管理系統(tǒng)是在使用過程中檢測電池能量的消耗量并預(yù)測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、顯示報警及實時監(jiān)測電池運行狀態(tài)參數(shù)等功能。

電動汽車可以根據(jù)參數(shù)運算及判斷結(jié)果對電動汽車的運行工況進行智能調(diào)節(jié)。

隨著近幾年電動汽車應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國外一些大的汽車生產(chǎn)企業(yè)和蓄電池生產(chǎn)廠家針對各種電動汽車電池做了大量研究及試驗，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：美國通用汽車公司生產(chǎn)的“EVI”型電動汽車上應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)；美國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B.Hauck 設(shè)計的BATTMAN系統(tǒng)；美國AC Propulsion 公司開發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統(tǒng)。

我國在“十五”期間設(shè)立了電動汽車重大專門研究項目，經(jīng)過幾年的發(fā)展，在電池管理系統(tǒng)技術(shù)方面取得了很大的突破，已與國外水平較為接近。經(jīng)過近五年來的重點開發(fā)和研究，一些電池管理系統(tǒng)研究項目已經(jīng)應(yīng)用到電動車輛的實際運營中。我國多個地方政府也積極將電動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，電動車輛快速發(fā)展和實際運營測試也極大地促進了我國電池管理系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)水平的提高。

二、電池管理系統(tǒng)重點專利技術(shù)分布

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

本部分的分析數(shù)據(jù)來源于中國專利文獻檢索系統(tǒng)， 是基于1985 年以來的專利數(shù)據(jù)進行檢索得到的?？紤]到技術(shù)的發(fā)展和專利的時效性等問題，僅對1990 年至2009 年的相關(guān)專利進行統(tǒng)計分析。

（一）驅(qū)動電池的充放電控制系統(tǒng)

檢索得到這一技術(shù)方向申請專利共61 篇。該技術(shù)方向可進一步分為充電裝置（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)壓子方向申請數(shù)量也比較多，而分布式控制的專利申請數(shù)量相對最少。代表性專利申請如CN200944532Y。

在充電裝置技術(shù)子方向， 已經(jīng)被美國的DALLAS SEMICONDUCTOR 和日本的DENSO等公司在硬件設(shè)計方面領(lǐng)先，我國電動汽車行業(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)動起動用的充電裝置、以結(jié)構(gòu)簡單和低成本為目標(biāo)的充電裝置、重點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)計方面，而我國電動汽車行業(yè)在這些方面并無明顯優(yōu)勢。

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

檢索得到電池充電方法技術(shù)方向申請專利共21 篇。該技術(shù)方向可進一步分為根據(jù)電池端電壓的值判斷充電進程的方法（占62%）和其他方法（占38%）兩個子方向。代表性專利申請如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，因此本文建議我國具有一定實力的科研院所或者大型的電動汽車企業(yè)對此給予關(guān)注。

根據(jù)電池端電壓的值判斷充電進程的方法是目前最成熟、最可靠的方法。我國南客、比亞迪等公司在此方向具有一定的實力。目前，該方向的研究趨向邊緣化，即趨向于對現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)節(jié)做出種種改進。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驗室環(huán)境中。

（三）充放電安全保護

電池充放電安全保護技術(shù)是近幾年才逐漸發(fā)展起來的。檢索得到申請專利共16 篇。該技術(shù)方向進一步分為通過對充電時電池的端電壓檢測實現(xiàn)保護方向（占56%）和依據(jù)非電壓參數(shù)方法方向（占44%）兩個子方向。代表性專利申請如CN101431245A。

通過對充電時電池的端電壓檢測實現(xiàn)保護方向在技術(shù)思路上是成熟的。縱觀這一技術(shù)方向的發(fā)展，是隨著電壓檢測裝置和器件的發(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)方向申請專利共21 篇。該技術(shù)方向進一步分為側(cè)重控制原理的技術(shù)方案（占62%）、側(cè)重對電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成方面的技術(shù)方案（占38%）兩個子方向。代表性專利申請如CN1474759A。
電池控制系統(tǒng)及方法主要涉及對電動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)進行控制，以保證電動汽車的正常供電、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，這正說明了從原理到真正實施這一過程需要付出巨大勞動和成本?；谖覈妱悠囆袠I(yè)方興未艾的現(xiàn)狀，本文建議我國電動汽車電池管理系統(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)勢搶占國內(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)方向申請專利共8 篇。代表性專利申請如CN1556417A。
電池放電方法和裝置在電動汽車中保證電池能夠被有效地充電和健康地使用。鑒于我國目前電動汽車電池技術(shù)發(fā)展速度限制了電池放電技術(shù)的試驗和實施，本文建議我國電動汽車電池管理系統(tǒng)的研發(fā)生產(chǎn)者如果不具備自行或聯(lián)合研發(fā)電動汽車電池的技術(shù)實力，暫緩對這一技術(shù)方向的投入。

（六）電池管理系統(tǒng)的異常與報警

檢索得到電池管理系統(tǒng)的異常與報警技術(shù)方向申請專利共12 篇。代表性專利申請如CN1614951A。
電池管理系統(tǒng)的異常與報警是電動汽車消費者直接接觸的一個環(huán)節(jié)。這個環(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)品的異常和報警處理方案。因此，不論是以前還是將來，這一技術(shù)方向都不會成為具有競爭力的研發(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)方向申請專利共26 篇。該技術(shù)方向進一步分為CAN 總線（占65%）和其他總線（占35%）兩個子方向。其中， 采用CAN 總線進行通信的電池管理技術(shù)占絕對主流，研發(fā)熱情也最高。代表性專利申請如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)與電動汽車其他控制和監(jiān)測單元之間進行交互的重要媒介?？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)在電動汽車電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用中是大有可為的。

（八）對電池狀態(tài)進行監(jiān)控技術(shù)

檢索得到對電池狀態(tài)進行監(jiān)控技術(shù)方向申請專利共109 篇。分為對單一電池參數(shù)的監(jiān)控（占21%）、對多個電池參數(shù)的監(jiān)控（占9%）、剩余容量估計（SOC 估計）（占33%）、SOH/異常狀態(tài)與SOF（占10%）、對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%）六個子方向。代表性專利如CN1290418A。

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

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

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

（九）在電池管理系統(tǒng)中對電池進行測試

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

（十）電動汽車充電站

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

超級電動汽車及復(fù)合電源電動汽車可以用于城市公交車及其他短距離運輸，對節(jié)能減排、提高城市運輸運力能起到重要作用。在我國當(dāng)前大規(guī)模城市化進程中，隨著以電動公交車為首的電動汽車普及，電動汽車充電站是相關(guān)行業(yè)立足國內(nèi)的一個很好的切入點。

（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%）兩個子方向，它們幾乎并列發(fā)展。代表性專利申請如CN1933283A。

目前，電池管理系統(tǒng)與車輛管理系統(tǒng)的耦合技術(shù)在國內(nèi)和國外都是研究熱點，對電動汽車的整車安全性能有相當(dāng)大的影響，因此建議我國的電動汽車電池管理系統(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的耦合技術(shù)方案。

（十二）電池管理系統(tǒng)的模擬測試、建模和預(yù)測

檢索得到電池管理系統(tǒng)的模擬測試、建模和預(yù)測技術(shù)方向申請專利共10 篇。代表性專利申請如CN101504443A。
該方向技術(shù)是對電池的電池參數(shù)、電池管理系統(tǒng)的通信能力等進行測試、模擬、仿真和預(yù)測的技術(shù)。雖然其變化不會很大，發(fā)展也不快，但是由于每一家電動汽車生產(chǎn)廠家都需要這個環(huán)節(jié)，所以市場前景廣闊。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持下去，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。