电池SOC估算算法的中国专利分析

孟 欣，金 鹏

(1.知识产权出版社， 北京 100088； 2.北方工业大学电气与控制工程学院，北京 100144)

电池是电动汽车的能量来源，为确保电池组性能良好，并延长电池使用寿命，需要准确、可靠地获得容量状态的参数[1]。目前，国内外较为普遍的方法是采用荷电状态(SOC)来描述电池容量状态[2]。专利文献作为体现科研机构和企业研究开发活动的重要载体，能客观反映行业面临的关键技术难点、热点问题、发展动态和趋势。专利分析已成为一种重要的情报与信息分析手段[3]。

本文作者通过对我国电池SOC估算算法的专利申请进行分析，探讨我国SOC估算算法的研究现状与发展趋势。

1 研究方法和数据来源

文中数据来源于国家知识产权局专利检索及分析平台，检索时间为2017年11月30日，范围为截至检索时间内的所有中国专利(包括港澳台地区)。利用关键词“荷电状态”(或“SOC”)加“电池”进行检索，并进行数据整理和分类收集，筛选出涉及SOC估算算法方面的专利申请597件。

采用专利计量学、统计学和专家咨询法等方法，对专利申请类型、数量、区域、申请人的机构和技术领域分类号等字段进行统计分析[4]，从专利角度研究SOC估算算法的创新趋势、申请人区域及技术领域分布等情况。

专利申请到专利公开一般有滞后期，因此2016年5月以后的数据仅供参考。

2 专利申请情况分析

2.1 专利申请量分析

第一件电池SOC相关的专利申请出现在2003年，因此主要针对2003-2017年的检索数据进行分析。在该时间范围内，检索到相关专利申请量共597件，年度分布情况见图1。

从图1可知，专利申请量最多的年份是2016年，2013年以前，每年的专利申请量都未超过50件，而2013-2017年，相关的专利申请共471件，约占全部申请量的78.9%。专利申请量从2013年开始逐年增加，到2016年达到最大值133件，2017年有所回落。2016年申请量的年增长量最大，增长率达到38.5%，原因是2016年国家出台了关于新能源汽车的利好政策，刺激了电动汽车领域的研究、技术开发和产业迅速发展，其中就包括关于电池SOC估算算法的研究。

2.2 专利类型情况

在检索到的597件专利申请中，发明专利共有552件，占专利申请总量的92.46%；实用新型专利共有45件，占专利申请总量的7.54%。

2.3 专利申请区域分析

图2为在中国的相关专利中申请数量区域分布。

从图2可知，外国及港澳台地区申请共94件，占全部专利申请量的16.24%，剩余的专利申请涉及22个省市自治区。广东省以95件居第1位，主要涉及惠州亿能、深圳沃特玛、比亚迪和欣旺达电子等企业；北京市以81件居第2位，主要涉及国家电网公司、北汽福田等企业机构，清华大学、北京交通大学和北京理工大学高校；江苏省以51件居第3位，主要涉及盐城工学院、南京航空航天大学和江苏大学等高校。这3个省市各自的专利申请情况也是3种典型的发展方式：以公司企业为主、以高校为主和高校与公司企业齐头并进。

2.4 专利申请人分析

2.4.1 专利申请人机构属性分析

各类企业申请326件，占全部申请量的60.59%；大专院校申请177件，占32.89%；科研单位申请33件，占6.13%；机关团体申请2件，占0.37%。各类企业的申请量超过全部申请量的60%，表明近几年来，尤其是2016年新能源汽车市场一片利好，各企业加大了对电池技术研发的力度，且非常重视知识产权的保护，努力通过提升自身的科技创新能力和技术水平来为企业赢得核心竞争力，并已成为新能源汽车电池SOC技术创新的主力。各大专院校也纷纷与企业进行校企合作，共同开发新能源汽车电池技术。

2.4.2 专利申请人前10名具体情况分析

通过对全部597件专利申请的申请人的申请数量进行分析和比对，剔除掉一些重复或没有技术含量的实用新型专利等因素后，筛选出申请量排名前10的申请人，共涉及131件专利，占申请总量的22%。具体情况见表1。

表1 专利申请数量前10名具体情况Table 1 Top ten specific cases of patent application quantity

从表1可知，在申请数量排名前10的单位中，有4家为高校，3家为汽车企业，排名第一的是国家电网公司。从专利申请人可看出，对电池SOC估算较关注的主要是高校、汽车企业和电力系统。这符合电池的使用领域和国家的发展战略。从申请数量上看，企业的申请量普遍多于高校，市场是最大的推动力。随着分布式储能系统和电动汽车的发展，关键技术的掌握与企业市场地位息息相关，企业若想取得发展，必须从技术着手。

2.5 技术领域分析

国际专利分类(IPC)可从一定程度上反映技术的集中点和研究热点。根据IPC分类号进行归纳分析，得到的专利申请主要技术领域分析情况见图3。

从图3可知，涉及G01(主要是电变量的监测)的专利438件，占61.00%；涉及H01(主要是二次电池)的专利81件，占11.28%；涉及H02(主要是电能存储系统、电池组)的专利68件，占9.47%；涉及B60(主要是电池控制系统)的专利60件，占8.36%；涉及G06(主要是电池估算)的专利47件，占6.55%；其他共24件，占3.44%。近10年SOC专利申请前5项技术领域专利申请量的增长趋势见图4。

从图4可知，其中只有G01专利数量众多并增长迅速，从2011年开始迅猛增长，并于2016年达到峰值96件，至2017年有一个小的回落。涉及H01、H02、B60和G06的专利，数量增长缓慢。

3 技术及发展趋势分析

SOC估算目前主要有对SOC进行直接估算算法研究，对已估算出的SOC进行修正的方法，实现SOC估算的硬件系统和使用已估算出的SOC进行其他控制等研究方向。根据表1的数据，从专利申请量前10位单位的131件专利内容，可分析出我国SOC估算的主要核心技术及发展趋势。

从专利中涉及的主要相关技术可知，高校和一些企业关注的技术领域主要是SOC直接估算算法和提高算法精度。汽车企业关注的技术领域是使用中对估算得到的SOC数据进行修正的方法，以及可进行SOC估算的硬件系统。由此可见，高校关注的是电池SOC估算算法上的创新，汽车企业关心的是新能源汽车产品的最终使用效果。此外，电网关注的领域是用SOC数据来进行功率等其他方面的控制。

在这些与SOC有关的专利中，关于SOC估算算法的专利有81件。精确地估算电池的SOC是一切应用的基础和重点。目前，SOC的估算算法还未达到令市场满意的程度，SOC估算算法仍然是研究的重点和难点。

锂离子电池正成为动力和储能电池市场的主流[5]。在81件关于SOC估算算法的专利中，明确关于锂离子电池的有26件。未来5年，锂离子电池仍是研究的重点、热点。

SOC估算方法主要有安时积分法、开路电压法、内阻估算法和卡尔曼滤波法等[2]。在81件关于SOC估算算法的专利当中，有19件算法涉及卡尔曼滤波，其中15件为2015年后申请的专利，说明目前研究的重点是卡尔曼滤波算法。

此外，近两年的专利中，已出现了SOC与电池健康状态(SOH)联合估计的专利。SOH是用于衡量电池寿命和是否需要维护的重要指标[1]，随着新能源汽车销量和使用年限的增加，SOH将会成为研究的重点。其他储能装置，如超级电容器、液流电池等，也在专利申请中有所体现。

4 结论与建议

通过对我国SOC技术相关专利申请的分析，得出如下结论：目前对于电池SOC估算较关注的主要是高校、汽车企业和电力系统。3类申请人分别在各自的应用领域对电池SOC估算有不同的需求。目前的电池类型中，锂离子电池仍是主流。从算法上，卡尔曼滤波算法是目前的研究热点，复合SOC估算算法也是研究的主要方向。SOH将会成为下一个研究热点，SOC估算算法也会向新型储能装置领域扩展。

针对以上的现状和情况，提出以下几点建议：加强高校和相关企业之间的合作创新，充分发挥各自的优势，加大投入和研发力度，实现共同创新，以突破核心技术，促进我国电池技术产业的发展；研究者应进一步加强SOC、SOH的技术研发，为电动汽车技术、电池技术的持续和良性发展提供动力和保障；电动汽车和电池相关的企业应重视知识产权信息的研究和分析，结合自身的特点和优势、相关的行业需求，指导自身的发展方向，制定科学的开发策略和发展规划。