纯电动汽车电池管理系统重点专利技术分布

2011-06-14 14:54:02来源: 国家知识产权局专利局光电部

一、前言

  制约电动汽车普及的关键因素是车载动力电池的技术相对落后,尤其是电池管理系统(BMS)的相对落后。电池管理系统是在使用过程中检测电池能量的消耗量并预测电池剩余电量的综合性电子控制系统,此外,它还具备故障诊断、短路保护、显示报警及实时监测电池运行状态参数等功能。

  电动汽车可以根据参数运算及判断结果对电动汽车的运行工况进行智能调节。

  随着近几年电动汽车应用研究和产业化的不断升温,国外一些大的汽车生产企业和蓄电池生产厂家针对各种电动汽车电池做了大量研究及试验,构建出了各自的数学模型,成功地开发出各自的电池管理系统。其中典型的有:美国通用汽车公司生产的“EVI”型电动汽车上应用的电池管理系统;美国Aerovironment 公司研发的Long-Life Battery using Intelligent Modular Control System(通常称为smartGuard 电池管理系统);德国MentzerElectronic GmbH 和Werner Retzlaff 研发的BADICHEQ 电池管理系统和BADICOaCH电池管理系统; 德国B.Hauck 设计的BATTMAN系统;美国AC Propulsion 公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统。

  我国在“十五”期间设立了电动汽车重大专门研究项目,经过几年的发展,在电池管理系统技术方面取得了很大的突破,已与国外水平较为接近。经过近五年来的重点开发和研究,一些电池管理系统研究项目已经应用到电动车辆的实际运营中。我国多个地方政府也积极将电动汽车及其电池管理系统开发列入地方产业化发展规划中。此外,电动车辆快速发展和实际运营测试也极大地促进了我国电池管理系统的技术研发水平的提高。

二、电池管理系统重点专利技术分布

  本部分针对电动汽车电池管理系统领域的重点技术进行阐述,重点分析了技术分支的技术分布,并在此基础上指出重点专利技术的发展趋势,给出发展建议。

  本部分的分析数据来源于中国专利文献检索系统, 是基于1985 年以来的专利数据进行检索得到的。考虑到技术的发展和专利的时效性等问题,仅对1990 年至2009 年的相关专利进行统计分析。

  (一)驱动电池的充放电控制系统

  检索得到这一技术方向申请专利共61 篇。该技术方向可进一步分为充电装置(占46%)、分布式控制(占20%)和充电平衡控制和稳压(占34%)三个子方向。

  其中,充电装置子方向需求最旺盛,研发热情也最高,与此相关的充电平衡控制和稳压子方向申请数量也比较多,而分布式控制的专利申请数量相对最少。代表性专利申请如CN200944532Y。

  在充电装置技术子方向, 已经被美国的DALLAS SEMICONDUCTOR 和日本的DENSO等公司在硬件设计方面领先,我国电动汽车行业今后的突破主要在提高充电效率和能源转化率以及软件控制方向上。此技术方向又包括充电电路结构、驱动起动用的充电装置、以结构简单和低成本为目标的充电装置、重点在于充电装置的充电方式以及提高充电效率和能源转化率五个子方向。

  在充电平衡控制和稳压技术子方向,技术方案多体现在旁路电路设计方面,而我国电动汽车行业在这些方面并无明显优势。

  分布式控制技术方向是近年新兴的研发方向,其难点在于控制的稳定性和实现成本。我国目前具有较低的人力资源成本和生产成本,因此如果在这个方向上有所突破,必能在电动汽车电池管理系统领域中做出相当的成绩。

  (二)电池充电方法

  检索得到电池充电方法技术方向申请专利共21 篇。该技术方向可进一步分为根据电池端电压的值判断充电进程的方法(占62%)和其他方法(占38%)两个子方向。代表性专利申请如CN101346636A。

  电池充电方法的领军企业以日本SONY、TOYOTA 等公司为代表。由于电池充电方法研发成本高、周期长,因此本文建议我国具有一定实力的科研院所或者大型的电动汽车企业对此给予关注。

  根据电池端电压的值判断充电进程的方法是目前最成熟、最可靠的方法。我国南客、比亚迪等公司在此方向具有一定的实力。目前,该方向的研究趋向边缘化,即趋向于对现有技术的细节做出种种改进。其他方向一般是出于另辟蹊径考虑而做出的,这些非主流的技术方向目前距离大面积推广应用还存在相当差距,有些甚至仍然停留在实验室环境中。

  (三)充放电安全保护

  电池充放电安全保护技术是近几年才逐渐发展起来的。检索得到申请专利共16 篇。该技术方向进一步分为通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向(占56%)和依据非电压参数方法方向(占44%)两个子方向。代表性专利申请如CN101431245A。

  通过对充电时电池的端电压检测实现保护方向在技术思路上是成熟的。纵观这一技术方向的发展,是随着电压检测装置和器件的发展而发展的,如从最原始的电阻到超级电容器,再到光电隔离器件。

  依据非电压参数方法方向发展很快,技术方案繁杂。建议相关厂商能够从下面所列举的代表性专利中得到启示:CN101214797A、CN101085604A和CN101264734A。

  (四)电池控制系统及方法

  检索得到电池控制系统及方法技术方向申请专利共21 篇。该技术方向进一步分为侧重控制原理的技术方案(占62%)、侧重对电路结构和系统组成方面的技术方案(占38%)两个子方向。代表性专利申请如CN1474759A。

  电池控制系统及方法主要涉及对电动汽车电池的电性参数(例如电压、电流等)、环境参数(例如温度)和剩余电量(SOC)等参数进行控制,以保证电动汽车的正常供电、稳定供电或优化供电。侧重控制原理的技术方案的专利数量小于侧重对电路结构和系统组成方面的技术方案的专利数量,这正说明了从原理到真正实施这一过程需要付出巨大劳动和成本。基于我国电动汽车行业方兴未艾的现状,本文建议我国电动汽车电池管理系统的相关企业将注意力集中在电路结构和系统组成的研发和生产方面,依靠成本优势抢占国内外订单。

  (五)电池放电方法和装置

  检索得到电池放电方法和装置技术方向申请专利共8 篇。代表性专利申请如CN1556417A。
电池放电方法和装置在电动汽车中保证电池能够被有效地充电和健康地使用。鉴于我国目前电动汽车电池技术发展速度限制了电池放电技术的试验和实施,本文建议我国电动汽车电池管理系统的研发生产者如果不具备自行或联合研发电动汽车电池的技术实力,暂缓对这一技术方向的投入。

  (六)电池管理系统的异常与报警

  检索得到电池管理系统的异常与报警技术方向申请专利共12 篇。代表性专利申请如CN1614951A。

  电池管理系统的异常与报警是电动汽车消费者直接接触的一个环节。这个环节所需要的技术并不复杂,完全可以借鉴其他电子产品的异常和报警处理方案。因此,不论是以前还是将来,这一技术方向都不会成为具有竞争力的研发或生产方向。

  (七)电池管理系统通信技术

  检索得到电池管理系统通信技术方向申请专利共26 篇。该技术方向进一步分为CAN 总线(占65%)和其他总线(占35%)两个子方向。其中, 采用CAN 总线进行通信的电池管理技术占绝对主流,研发热情也最高。代表性专利申请如CN1555996A。

  目前,电池管理系统通信技术是电池管理系统内部各组件之间、电池管理系统与电动汽车其他控制和监测单元之间进行交互的重要媒介。可以预见,随着通信技术的日益发展,电池管理系统通信技术在电动汽车电池管理系统的应用中是大有可为的。

  (八)对电池状态进行监控技术

  检索得到对电池状态进行监控技术方向申请专利共109 篇。分为对单一电池参数的监控(占21%)、对多个电池参数的监控(占9%)、剩余容量估计(SOC 估计)(占33%)、SOH/异常状态与SOF(占10%)、对电池输出功率或能量的监控(占13%)以及电池的其他指标(占14%)六个子方向。代表性专利如CN1290418A。

  对电池状态进行监控的技术是整个电动汽车电池管理系统的核心技术。电动汽车电池状态一般包括有电压、电流、温度、功率、剩余容量等,对这些状态参数的快速、准确地监测和控制是衡量电动汽车电池管理系统研发生产者实力的最直接的指标。其中,剩余容量估计技术占绝对主流,研发热情也最高。

  在剩余容量估计技术分支中,又包括基于测量得到的电池参数计算电池SOC 和基于电池模型或状态函数计算电池SOC 两个子方向。

  在电池的其他指标技术分支中,又包括对温度的监控方向以及寿命、老化程度判断两个子方向。

  (九)在电池管理系统中对电池进行测试

  检索得到在电池管理系统中对电池进行测试技术方向申请专利共4 篇。代表性专利如专利申请CN101187696A。

  这一技术方向主要对电池参数(例如电压、电流、温度和内阻)等进行在线监测,并给出专业性的结论和建议,科技含量较高,是电动汽车电池管理系统今后发展的一个重要方向。

  (十)电动汽车充电站

  检索得到电动汽车充电站技术方向申请专利共6 篇。代表性专利如专利申请CN2821999Y。

  超级电动汽车及复合电源电动汽车可以用于城市公交车及其他短距离运输,对节能减排、提高城市运输运力能起到重要作用。在我国当前大规模城市化进程中,随着以电动公交车为首的电动汽车普及,电动汽车充电站是相关行业立足国内的一个很好的切入点。

  (十一)电池管理系统与车辆管理系统的耦合

  检索得到电池管理系统与车辆管理系统的耦合技术方向申请专利共26 篇。该技术方向可分为与车辆控制系统紧耦合的电池管理系统(占58%)和与车辆控制系统松耦合的电池管理系统(占42%)两个子方向,它们几乎并列发展。代表性专利申请如CN1933283A。

  目前,电池管理系统与车辆管理系统的耦合技术在国内和国外都是研究热点,对电动汽车的整车安全性能有相当大的影响,因此建议我国的电动汽车电池管理系统从业者能够引起足够的重视,尽早地研发出符合自己品牌汽车特点的耦合技术方案。

  (十二)电池管理系统的模拟测试、建模和预测

  检索得到电池管理系统的模拟测试、建模和预测技术方向申请专利共10 篇。代表性专利申请如CN101504443A。

  该方向技术是对电池的电池参数、电池管理系统的通信能力等进行测试、模拟、仿真和预测的技术。虽然其变化不会很大,发展也不快,但是由于每一家电动汽车生产厂家都需要这个环节,所以市场前景广阔。建议行业内有意从事此方面研究和制造的单位能够坚持下去,拥有自主知识产权。

三、思考与启示

  (一)未来几年内的技术发展方向

  根据上文对我国电动汽车电池管理系统重点技术方向的专利数据的统计分析,我们得到技术方向分布图(参见图1)。


  从图1 中可以看出,“对电池状态进行监控技术”以及“驱动电池的充放电控制系统”这两个技术方向是电动汽车电池管理系统领域里最受关注的两个方向。具体来讲,“对电池状态进行监控技术”这个技术方向涉及的内容较多,包括对单一电池参数的监控、对多个电池参数的监控、剩余容量估计(SOC 估计)、SOH/异常状态与SOF、对电池输出功率或能量的监控以及电池的其他指标六个子方向。鉴于近期内电动汽车行业仍然处于起步阶段,很多面向应用的技术,例如SOH/异常状态与SOF、对电池输出功率或能量的监控等还没有成熟,所以在未来一段时期内发展比较看好的技术是剩余容量估计和对单一电池参数的监控。

  此外,未来几年内,另一个值得关注的技术方向是智能化的电动汽车电池管理系统。从近几年专利申请所集中的技术方向看,在短期的技术路线规划上,我国的电动汽车电池管理系统行业要结合我国在控制领域的优势,重点发展智能化的电动汽车电池管理系统。我国在电子控制领域已经跻身世界先进行列,从载人火箭、大飞机等项目的逐步实现就可见一斑;同时,随着我国多个五年计划的实施,我国在信息产业中对各种人工智能的技术也有了相当的掌握;更重要的是,在当今世界电动汽车电池管理系统的发展中,还没有哪个大型公司乃至国家将注意力集中在这一领域,这一点从上述专利分析中即可看出。因此,大力发展智能化的电动汽车电池管理系统,不但可以充分发挥我国自身优势,帮助我国在本行业竞争中迅速占据领先优势,而且还可以有效降低我国电动汽车行业在电动汽车用锂离子电池这种投资巨大、研发周期长、见效缓慢的技术路线上可能遇到的研发风险。

  (二)我国可能有所突破的方面

  一方面,在短期内值得关注的技术方向是混合动力电动汽车的电池管理系统的研发。因为电动汽车的成本居高不下,短期内无法解决,直接导致从燃料汽车向电动汽车产业的过渡周期较长,在这个过程中,混合动力汽车作为过渡产品将占领相当市场,因此应用于混合动力汽车的电池管理系统就是我国电动汽车厂商在世界范围内站稳脚跟的关键。

  另一方面,我国的电动汽车行业应当将技术发展中长期重点放在锂离子电池或锂离子电池组的电动汽车电池管理系统上,在例如系统稳定性、智能性、续航管理等技术发展方向上实现技术创新和突破。一旦在这些技术发展方向上占领先机,我国的电动汽车行业必将走在世界同行的前列,为我国电动汽车行业发展潮流奠定良好的基础。

关键字:电动汽车  电池管理  电池均衡

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0614/article_3862.html
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