純電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)分布

一、前言

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

電動(dòng)汽車(chē)可以根據參數運算及判斷結果對電動(dòng)汽車(chē)的運行工況進(jìn)行智能調節。

隨著(zhù)近幾年電動(dòng)汽車(chē)應用研究和產(chǎn)業(yè)化的不斷升溫，國外一些大的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)和蓄電池生產(chǎn)廠(chǎng)家針對各種電動(dòng)汽車(chē)電池做了大量研究及試驗，構建出了各自的數學(xué)模型，成功地開(kāi)發(fā)出各自的電池管理系統。其中典型的有：美國通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的“EVI”型電動(dòng)汽車(chē)上應用的電池管理系統；美國Aerovironment 公司研發(fā)的Long-Life Battery using Intelligent Modular Control System（通常稱(chēng)為smartGuard 電池管理系統）；德國MentzerElectronic GmbH 和Werner Retzlaff 研發(fā)的BADICHEQ 電池管理系統和BADICOaCH電池管理系統； 德國B(niǎo).Hauck 設計的BATTMAN系統；美國AC Propulsion 公司開(kāi)發(fā)的名為BatOpt的高性能電池管理系統。

我國在“十五”期間設立了電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)門(mén)研究項目，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，在電池管理系統技術(shù)方面取得了很大的突破，已與國外水平較為接近。經(jīng)過(guò)近五年來(lái)的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和研究，一些電池管理系統研究項目已經(jīng)應用到電動(dòng)車(chē)輛的實(shí)際運營(yíng)中。我國多個(gè)地方政府也積極將電動(dòng)汽車(chē)及其電池管理系統開(kāi)發(fā)列入地方產(chǎn)業(yè)化發(fā)展規劃中。此外，電動(dòng)車(chē)輛快速發(fā)展和實(shí)際運營(yíng)測試也極大地促進(jìn)了我國電池管理系統的技術(shù)研發(fā)水平的提高。

二、電池管理系統重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)分布

本部分針對電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統領(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，并在此基礎上指出重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)的發(fā)展趨勢，給出發(fā)展建議。

本部分的分析數據來(lái)源于中國專(zhuān)利文獻檢索系統， 是基于1985 年以來(lái)的專(zhuān)利數據進(jìn)行檢索得到的?？紤]到技術(shù)的發(fā)展和專(zhuān)利的時(shí)效性等問(wèn)題，僅對1990 年至2009 年的相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行統計分析。

（一）驅動(dòng)電池的充放電控制系統

檢索得到這一技術(shù)方向申請專(zhuān)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壓子方向申請數量也比較多，而分布式控制的專(zhuān)利申請數量相對最少。代表性專(zhuān)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等公司在硬件設計方面領(lǐng)先，我國電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)今后的突破主要在提高充電效率和能源轉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構、驅動(dòng)起動(dòng)用的充電裝置、以結構簡(jiǎn)單和低成本為目標的充電裝置、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化率五個(gè)子方向。

在充電平衡控制和穩壓技術(shù)子方向，技術(shù)方案多體現在旁路電路設計方面，而我國電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)在這些方面并無(wú)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(diǎn)在于控制的穩定性和實(shí)現成本。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(gè)方向上有所突破，必能在電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統領(lǐng)域中做出相當的成績(jì)。

（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(zhuān)利共21 篇。該技術(shù)方向可進(jìn)一步分為根據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(zhuān)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(cháng)，因此本文建議我國具有一定實(shí)力的科研院所或者大型的電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)對此給予關(guān)注。

根據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，即趨向于對現有技術(shù)的細節做出種種改進(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用還存在相當差距，有些甚至仍然停留在實(shí)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(lái)的。檢索得到申請專(zhuān)利共16 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為通過(guò)對充電時(shí)電池的端電壓檢測實(shí)現保護方向（占56%）和依據非電壓參數方法方向（占44%）兩個(gè)子方向。代表性專(zhuān)利申請如CN101431245A。

通過(guò)對充電時(shí)電池的端電壓檢測實(shí)現保護方向在技術(shù)思路上是成熟的?？v觀(guān)這一技術(shù)方向的發(fā)展，是隨著(zhù)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。
依據非電壓參數方法方向發(fā)展很快，技術(shù)方案繁雜。建議相關(guān)廠(chǎng)商能夠從下面所列舉的代表性專(zhuān)利中得到啟示：CN101214797A、CN101085604A和CN101264734A。

（四）電池控制系統及方法

檢索得到電池控制系統及方法技術(shù)方向申請專(zhuān)利共21 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為側重控制原理的技術(shù)方案（占62%）、側重對電路結構和系統組成方面的技術(shù)方案（占38%）兩個(gè)子方向。代表性專(zhuān)利申請如CN1474759A。
電池控制系統及方法主要涉及對電動(dòng)汽車(chē)電池的電性參數（例如電壓、電流等）、環(huán)境參數（例如溫度）和剩余電量（SOC）等參數進(jìn)行控制，以保證電動(dòng)汽車(chē)的正常供電、穩定供電或優(yōu)化供電。側重控制原理的技術(shù)方案的專(zhuān)利數量小于側重對電路結構和系統組成方面的技術(shù)方案的專(zhuān)利數量，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?；谖覈妱?dòng)汽車(chē)行業(yè)方興未艾的現狀，本文建議我國電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的相關(guān)企業(yè)將注意力集中在電路結構和系統組成的研發(fā)和生產(chǎn)方面，依靠成本優(yōu)勢搶占國內外訂單。

（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(zhuān)利共8 篇。代表性專(zhuān)利申請如CN1556417A。
電池放電方法和裝置在電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(shí)施，本文建議我國電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的研發(fā)生產(chǎn)者如果不具備自行或聯(lián)合研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)電池的技術(shù)實(shí)力，暫緩對這一技術(shù)方向的投入。

（六）電池管理系統的異常與報警

檢索得到電池管理系統的異常與報警技術(shù)方向申請專(zhuān)利共12 篇。代表性專(zhuān)利申請如CN1614951A。
電池管理系統的異常與報警是電動(dòng)汽車(chē)消費者直接接觸的一個(gè)環(huán)節。這個(gè)環(huán)節所需要的技術(shù)并不復雜，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(lái)，這一技術(shù)方向都不會(huì )成為具有競爭力的研發(fā)或生產(chǎn)方向。

（七）電池管理系統通信技術(shù)

檢索得到電池管理系統通信技術(shù)方向申請專(zhuān)利共26 篇。該技術(shù)方向進(jìn)一步分為CAN 總線(xiàn)（占65%）和其他總線(xiàn)（占35%）兩個(gè)子方向。其中， 采用CAN 總線(xiàn)進(jìn)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(zhuān)利申請如CN1555996A。

目前，電池管理系統通信技術(shù)是電池管理系統內部各組件之間、電池管理系統與電動(dòng)汽車(chē)其他控制和監測單元之間進(jìn)行交互的重要媒介?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)通信技術(shù)的日益發(fā)展，電池管理系統通信技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的應用中是大有可為的。

（八）對電池狀態(tài)進(jìn)行監控技術(shù)

檢索得到對電池狀態(tài)進(jìn)行監控技術(shù)方向申請專(zhuān)利共109 篇。分為對單一電池參數的監控（占21%）、對多個(gè)電池參數的監控（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控（占13%）以及電池的其他指標（占14%）六個(gè)子方向。代表性專(zhuān)利如CN1290418A。

對電池狀態(tài)進(jìn)行監控的技術(shù)是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的核心技術(shù)。電動(dòng)汽車(chē)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)參數的快速、準確地監測和控制是衡量電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統研發(fā)生產(chǎn)者實(shí)力的最直接的指標。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計算電池SOC 和基于電池模型或狀態(tài)函數計算電池SOC 兩個(gè)子方向。

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

（九）在電池管理系統中對電池進(jìn)行測試

檢索得到在電池管理系統中對電池進(jìn)行測試技術(shù)方向申請專(zhuān)利共4 篇。代表性專(zhuān)利如專(zhuān)利申請CN101187696A。
這一技術(shù)方向主要對電池參數（例如電壓、電流、溫度和內阻）等進(jìn)行在線(xiàn)監測，并給出專(zhuān)業(yè)性的結論和建議，科技含量較高，是電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（十）電動(dòng)汽車(chē)充電站

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

超級電動(dòng)汽車(chē)及復合電源電動(dòng)汽車(chē)可以用于城市公交車(chē)及其他短距離運輸，對節能減排、提高城市運輸運力能起到重要作用。在我國當前大規模城市化進(jìn)程中，隨著(zhù)以電動(dòng)公交車(chē)為首的電動(dòng)汽車(chē)普及，電動(dòng)汽車(chē)充電站是相關(guān)行業(yè)立足國內的一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

（十一）電池管理系統與車(chē)輛管理系統的耦合

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

目前，電池管理系統與車(chē)輛管理系統的耦合技術(shù)在國內和國外都是研究熱點(diǎn)，對電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)安全性能有相當大的影響，因此建議我國的電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統從業(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(chē)特點(diǎn)的耦合技術(shù)方案。

（十二）電池管理系統的模擬測試、建模和預測

檢索得到電池管理系統的模擬測試、建模和預測技術(shù)方向申請專(zhuān)利共10 篇。代表性專(zhuān)利申請如CN101504443A。
該方向技術(shù)是對電池的電池參數、電池管理系統的通信能力等進(jìn)行測試、模擬、仿真和預測的技術(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(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家都需要這個(gè)環(huán)節，所以市場(chǎng)前景廣闊。建議行業(yè)內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。