电池健康状态的中国专利技术分析

孟 欣,金 鹏

(1.知识产权出版社,北京 100081;2.北方工业大学电气与控制工程学院,北京 100144;3.北京电动车辆协同创新中心,北京 100144)

电池健康状态(SOH)可用来表示当前电池相对于新电池存储电能的能力,可定量描述当前电池的性能状态,常以百分数的形式表示。人们对SOH有多种定义,概念上不统一,目前SOH的定义主要体现在容量、电量、内阻、循环次数和峰值功率等几个方面[1]。涉及锂离子电池的相关技术,尤其是SOH估算技术,正在成为研究的主要方向。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[2]。

本文作者通过对我国SOH估算技术的专利申请进行系统分析,探讨我国SOH估算技术的研究现状与发展趋势。

1 研究方法和数据来源

文中涉及的所有数据,都来源于国家知识产权局专利检索及分析平台,检索时间为2021年1月4日,检索范围为截至检索时间内的所有中国专利(包括港澳台地区)。在发明名称中用“SOH OR健康状态”+“电池”关键字进行检索,并进行数据整理和分类收集,最终筛选出涉及SOH估算技术的专利申请共366件。

采用专利计量学、统计学和专家咨询法等方法,统计分析专利申请类型、数量、区域、申请人的机构和技术领域分类号等字段,从专利角度研究SOH估算技术的创新趋势、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2019年9月以后的数据仅供参考[3]。

2 专利申请情况分析

2.1 专利类型情况

在检索到的366件专利申请中,发明专利共有349件,占专利申请总量的95.36%;实用新型专利共有16件,占申请总量的4.37%;外观设计专利共有1件,占0.27%。

2.2 专利申请量分析

第一件与SOH估算技术相关的专利申请出现在2006年,下面将主要针对2006～2020年的检索数据进行分析。在该时间范围内,检索到的SOH相关的专利申请共366件。

SOH专利申请量年度分布情况见图1。

图1 SOH专利申请量年度分布Fig.1 Annual distribution of SOH patent application

从图1可知,从2006年有SOH估算技术相关专利申请开始,经过3个发展期:①停滞发展期(2006—2011年),专利年申请量较低,在此期间专利申请共11件,占总申请量的3.01%;②缓慢发展期(2012—2015年),每年申请量不超过25件,在此期间专利申请共65件,占总申请量的17.76%;③快速发展期(2016—2020年),每年申请量多于30件,在此期间专利申请共290件,约占全部申请量的79.23%。

专利申请量最多的年份是2019年,达到95件,2020年有所回落。2017年申请量同比增长48.48%,增长幅度最大,共增长了16件,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,其中包括关于电池SOH估算技术的研究。

2.3 专利申请区域分析

因为每项专利申请的申请人数量大于等于1人次,所以在366件专利申请中,经过核算申请人的申请次数,申请人次总量为438人次。

图2为申请人的专利申请区域分布。

图2 专利申请区域分布Fig.2 Regional distribution of patent application

从图2可知:①北京市申请共77人次,居区域申请量第1位,占比为17.58%,申请人主要涉及国家电网公司、清华大学、中国电力科学研究院有限公司和北京新能源汽车股份有限公司等;②广东省以70人次居第2位,占比为15.98%,申请人主要涉及华为技术有限公司、惠州市亿能电子有限公司和深圳市沃特玛电池有限公司等企业机构;③江苏省以37人次居第3位,占比为8.45%,申请人主要涉及江苏大学、南京航空航天大学等高校。

排名前三的3个省市广东省、江苏省和北京市各自的专利申请情况,是最有代表性的3种典型发展方式:①以公司企业为主;②以高校和科研单位为主;③以高校、科研单位和公司企业齐头并进。

2.4 专利申请人分析

2.4.1 专利申请人机构属性分析

在438人次的申请中,各类企业申请共272人次,占比为62.10%;大专院校申请共125人次,占比为28.54%;科研单位申请共30人次,占比为6.85%;个人申请9人次,占总量的2.05%;机关团体申请2人次,占比为0.46%。

各类企业的申请量占全部申请人次总量的60%以上,表明在近几年来,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的研发力度,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SOH估算技术创新的中坚力量。各大专院校、研究机构等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 专利申请数量前13名具体情况分析

对全部366件专利申请的438申请人次进行分析和比对,剔除掉实用新型专利和外观专利后,筛选出申请量排名前13的申请人,共涉及77件专利、92人次,占申请总量的21.04%,占总共申请人次的21.00%,具体情况见表1。

表1 专利申请数量前13名具体情况Table 1 Specific cases of top 13 patent applications

从表1可知,在申请数量排名前13的单位中,有5家高校,分别是清华大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学、江苏大学和重庆邮电大学;有8家企业,分别是国家电网公司、中国电力科学研究院、华为技术有限公司、北京新能源汽车股份有限公司、安徽江淮汽车集团股份有限公司、安徽锐能科技有限公司、惠州市亿能电子有限公司和郑州宇通客车股份有限公司。

从专利申请人的情况可以看出,对电池SOH估算技术比较关注的主要是高校、企业和电力系统。这符合电池的应用领域和国家的发展战略。从申请数量上看,企业的申请人次为60件,占比超过一半。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。

图3 专利申请主要技术领域分析Fig.3 Major technical fields analysis of patent application

由于每件专利不止一个IPC分类号,经对全部366件专利的IPC分类号进行统计后,得IPC分类号总数为429件。从图3可知,涉及G01(测量;测试),主要是G01R(测量电变量),此类专利329件,占76.69%;涉及G06(计算;推算;计数),主要是G06F、G06N(数字数据处理;基于生物学模型的计算机系统),此类专利37件,占8.62%;涉及B60(一般车辆),主要是B60L(电动车辆电池的充电和控制),此类专利22件,占5.13%;涉及H01(基本电气元件),主要是H01M(二次电池及制造),此类专利21件,占4.90%;涉及H02(发电、变电或配电),主要是H02J(电池组的充电和供电),此类专利16件,占3.73%;其他的专利共4件,占0.93%。

近10年SOH专利申请前5项技术领域专利申请量的增长趋势见图4。

图4 主要技术领域专利申请趋势分析Fig.4 Trend analysis of patent application in themajor technical fields

从图4可知,只有G01专利数量众多并增长迅速。G01专利2010年前发展迟缓,从2010年后开始迅猛增长,并于2019年达到峰值94件,2020年有一个小的回落,原因是部分2020年申请的专利还未进行公布。涉及B60、G06、H01和H02的专利申请,数量则增长缓慢。

3 技术及发展趋势分析

3.1 SOH估算方法介绍

SOH的估算方法主要有离线法和在线法。

3.1.1 离线法

离线法是将电池从使用环境中取出,然后使用专门的设备进行分析的方法[4]。离线法有完全充放电法、阻抗分析法和化学分析法等,目前也有研究者用超声波等方法进行电池SOH的分析和估计。

离线法的缺点是需要将电池从使用环境中分离出来,单独进行非破坏性甚至破坏性的实验,时间较长,影响电池的使用,无法对电池的使用过程进行保护[5]。

3.1.2 在线法

在线法是在电池的使用环境下,对电池的SOH进行实时估算的方法[6]。在线法不影响电池的正常工作状态,能够实时提供SOH数据,提高电池使用的安全性,因此成为目前研究的重点和热点。在线法有查表法、曲线拟合法、容量增量法、特征参数法和数据驱动法等[7]。

在线法的缺点是算法比较复杂,在线应用时需消耗较多的硬件资源进行计算。同时,很多方法也需要前期进行大量的实验,获取足够的离线数据,以保证算法的准确性和可靠性[8]。

3.2 SOH估算技术专利技术及发展趋势分析

对申请数量前13名的共77件发明专利进行具体解读和分析可知:SOH估算技术目前主要有SOH估算方法研究,对使用中的电池的SOH进行修正,实现SOH估算的硬件系统和使用已估算出的SOH进行其他控制等研究方向。根据表1的数据,结合涉及申请数量前13名的申请人的77件专利内容,可分析出我国SOH估算技术的主要核心技术及发展趋势。

从专利涉及的领域来看,电动汽车和电网储能是SOH专利涉及的两个主要领域,其中明确应用于电动汽车领域的专利有42件,占54.55%。电动汽车领域目前是我国动力电池的主要应用领域,电池的SOH直接关系电动汽车用户的安全性和使用体验,因此成为了主要的研究领域。

从专利涉及的相关技术可知,目前的研究的重点主要是SOH估算方法,目的是提高估算速度和精度。在77件专利中,涉及估算方法的专利有63件,占81.82%;涉及SOH修正的有4件,以SOH为控制指标的专利有6件。目前对于SOH估算方法的研究仍处于初级阶段,远未成熟,因此,以SOH为基础进行应用的专利还很少。目前的研究重点,仍然是如何精确地估算电池的SOH。

专利涉及的SOH估算方法有查表法、特征参数法和数据驱动法等。查表法有6件,占7.79%,涉及的3个申请人均为汽车企业;特征参数法有32件,占41.56%,是当前的主要研究方向;数据驱动法有15件,占19.48%,全部为2016年以后申请的专利,其中11件为2018年以后申请的最新专利,可见数据驱动法正在成为SOH估算技术的一个热点。

在排名前13的申请人中,有5所高校,涉及专利27件,全部是SOH估算方法;有8家企业,涉及专利50件,关注的技术领域有SOH的估算方法,还有对使用中的动力电池SOH进行修正的方法以及可实现SOH估算的硬件系统。涉及SOH修正方法的专利有4件,全部是汽车企业申请的;涉及SOH估算的硬件系统的专利有21件,也全部是企业申请的。由此可见,高校关注的是电池SOH估算方法上的创新,汽车企业关心的是在产品上的具体实现。汽车企业目前是SOH估算技术研究的主力。

目前,锂离子电池是动力电池和储能电池市场的主流。在77件关于SOH估算技术的专利中,明确关于锂离子电池的有42件,占54.55%。锂离子电池以较高的比能量和循环寿命,在占据市场的同时,也带来了安全性问题。精确地估算锂离子电池的SOH可以提高锂离子电池使用的安全性,降低事故风险。未来除非有新的电池体系出现,否则SOH研究领域中,锂离子电池依然是主流。

在对SOH估算技术的专利分析中,有一些技术发展趋势值得关注。在366件专利中,出现了以下方法:使用超声波仪器分析电池内部结构,进行SOH估算的方法;通过测量电池内部压力,建立内压与SOH的对应关系,从而实现对SOH的估算的方法;建立电池比热容与SOH关系函数,通过测量电池比热容实现对SOH的估算的方法。这些方法脱离了传统的通过检测电池的外部电特性(电压、电流和温度)估算SOH的方法,采用的思路和技术手段,也许会为电池SOH估算开辟研究方向。在最近两年申请的专利当中,出现了一些多方法融合的估算技术,如将特征参数法与数据驱动法融合,结合两者的优点得到更快速精确的估算技术。检测手段和估算技术的丰富,将会给SOH估算带来变化。

4 结论

通过对我国SOH估算技术相关专利申请的分析,可以得出如下结论:

目前,对于电池SOH估算技术比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SOH估算技术有不同的需求。在SOH估算技术涉及的电池类型中,锂离子电池仍然是主流。电池SOH的研究当前仍然处于起步阶段,大部分专利都集中在SOH估算技术上。如何对电池的SOH进行快速准确估算是目前的主要研究方向,如何应用估算出的电池SOH,将是估算技术成熟后的研究方向。从估算技术来看,特征参数法是目前的研究热点,数据驱动法正在成为未来的热点。多种估算技术的融合,新技术和新思路的引入,将会给电池SOH估算技术的研究带来更多的变化。

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,共同突破核心技术,促进我国电池技术产业的发展;

研究者应进一步加强SOH估算技术研发,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、相关的行业需求来指导自身的发展方向,制定科学的开发策略和发展规划。