孟 欣,金 鵬

(1.知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,北京 100081;2.北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,北京 100144;3.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100144)

電池健康狀態(tài)(SOH)可用來(lái)表示當(dāng)前電池相對(duì)于新電池存儲(chǔ)電能的能力,可定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài),常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。人們對(duì)SOH有多種定義,概念上不統(tǒng)一,目前SOH的定義主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個(gè)方面[1]。涉及鋰離子電池的相關(guān)技術(shù),尤其是SOH估算技術(shù),正在成為研究的主要方向。專利文獻(xiàn)作為體現(xiàn)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)研究開發(fā)活動(dòng)的重要載體,能客觀反映行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、熱點(diǎn)問(wèn)題、發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)。專利分析已成為一種重要的情報(bào)與信息分析手段[2]。

本文作者通過(guò)對(duì)我國(guó)SOH估算技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行系統(tǒng)分析,探討我國(guó)SOH估算技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

文中涉及的所有數(shù)據(jù),都來(lái)源于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析平臺(tái),檢索時(shí)間為2021年1月4日,檢索范圍為截至檢索時(shí)間內(nèi)的所有中國(guó)專利(包括港澳臺(tái)地區(qū))。在發(fā)明名稱中用“SOH OR健康狀態(tài)”+“電池”關(guān)鍵字進(jìn)行檢索,并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分類收集,最終篩選出涉及SOH估算技術(shù)的專利申請(qǐng)共366件。

采用專利計(jì)量學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和專家咨詢法等方法,統(tǒng)計(jì)分析專利申請(qǐng)類型、數(shù)量、區(qū)域、申請(qǐng)人的機(jī)構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)域分類號(hào)等字段,從專利角度研究SOH估算技術(shù)的創(chuàng)新趨勢(shì)、申請(qǐng)人區(qū)域及技術(shù)領(lǐng)域分布等情況。

專利申請(qǐng)到專利公開一般有滯后期,因此2019年9月以后的數(shù)據(jù)僅供參考[3]。

2 專利申請(qǐng)情況分析

2.1 專利類型情況

在檢索到的366件專利申請(qǐng)中,發(fā)明專利共有349件,占專利申請(qǐng)總量的95.36%;實(shí)用新型專利共有16件,占申請(qǐng)總量的4.37%;外觀設(shè)計(jì)專利共有1件,占0.27%。

2.2 專利申請(qǐng)量分析

第一件與SOH估算技術(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)出現(xiàn)在2006年,下面將主要針對(duì)2006～2020年的檢索數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在該時(shí)間范圍內(nèi),檢索到的SOH相關(guān)的專利申請(qǐng)共366件。

SOH專利申請(qǐng)量年度分布情況見圖1。

圖1 SOH專利申請(qǐng)量年度分布Fig.1 Annual distribution of SOH patent application

從圖1可知,從2006年有SOH估算技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)開始,經(jīng)過(guò)3個(gè)發(fā)展期:①停滯發(fā)展期(2006—2011年),專利年申請(qǐng)量較低,在此期間專利申請(qǐng)共11件,占總申請(qǐng)量的3.01%;②緩慢發(fā)展期(2012—2015年),每年申請(qǐng)量不超過(guò)25件,在此期間專利申請(qǐng)共65件,占總申請(qǐng)量的17.76%;③快速發(fā)展期(2016—2020年),每年申請(qǐng)量多于30件,在此期間專利申請(qǐng)共290件,約占全部申請(qǐng)量的79.23%。

專利申請(qǐng)量最多的年份是2019年,達(dá)到95件,2020年有所回落。2017年申請(qǐng)量同比增長(zhǎng)48.48%,增長(zhǎng)幅度最大,共增長(zhǎng)了16件,原因是2016年國(guó)家出臺(tái)了關(guān)于新能源汽車的利好政策,刺激了電動(dòng)汽車領(lǐng)域的研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,其中包括關(guān)于電池SOH估算技術(shù)的研究。

2.3 專利申請(qǐng)區(qū)域分析

因?yàn)槊宽?xiàng)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人數(shù)量大于等于1人次,所以在366件專利申請(qǐng)中,經(jīng)過(guò)核算申請(qǐng)人的申請(qǐng)次數(shù),申請(qǐng)人次總量為438人次。

圖2為申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)區(qū)域分布。

圖2 專利申請(qǐng)區(qū)域分布Fig.2 Regional distribution of patent application

從圖2可知:①北京市申請(qǐng)共77人次,居區(qū)域申請(qǐng)量第1位,占比為17.58%,申請(qǐng)人主要涉及國(guó)家電網(wǎng)公司、清華大學(xué)、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司和北京新能源汽車股份有限公司等;②廣東省以70人次居第2位,占比為15.98%,申請(qǐng)人主要涉及華為技術(shù)有限公司、惠州市億能電子有限公司和深圳市沃特瑪電池有限公司等企業(yè)機(jī)構(gòu);③江蘇省以37人次居第3位,占比為8.45%,申請(qǐng)人主要涉及江蘇大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校。

排名前三的3個(gè)省市廣東省、江蘇省和北京市各自的專利申請(qǐng)情況,是最有代表性的3種典型發(fā)展方式:①以公司企業(yè)為主;②以高校和科研單位為主;③以高校、科研單位和公司企業(yè)齊頭并進(jìn)。

2.4 專利申請(qǐng)人分析

2.4.1 專利申請(qǐng)人機(jī)構(gòu)屬性分析

在438人次的申請(qǐng)中,各類企業(yè)申請(qǐng)共272人次,占比為62.10%;大專院校申請(qǐng)共125人次,占比為28.54%;科研單位申請(qǐng)共30人次,占比為6.85%;個(gè)人申請(qǐng)9人次,占總量的2.05%;機(jī)關(guān)團(tuán)體申請(qǐng)2人次,占比為0.46%。

各類企業(yè)的申請(qǐng)量占全部申請(qǐng)人次總量的60%以上,表明在近幾年來(lái),尤其是2016年,新能源汽車市場(chǎng)一片利好,各企業(yè)加大了對(duì)電池技術(shù)的研發(fā)力度,且非常重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),努力通過(guò)提升自身的科技創(chuàng)新能力和技術(shù)水平來(lái)為企業(yè)贏得核心競(jìng)爭(zhēng)力,并已成為新能源汽車電池SOH估算技術(shù)創(chuàng)新的中堅(jiān)力量。各大專院校、研究機(jī)構(gòu)等也紛紛與企業(yè)進(jìn)行校企合作,共同開發(fā)新能源汽車電池技術(shù)。

2.4.2 專利申請(qǐng)數(shù)量前13名具體情況分析

對(duì)全部366件專利申請(qǐng)的438申請(qǐng)人次進(jìn)行分析和比對(duì),剔除掉實(shí)用新型專利和外觀專利后,篩選出申請(qǐng)量排名前13的申請(qǐng)人,共涉及77件專利、92人次,占申請(qǐng)總量的21.04%,占總共申請(qǐng)人次的21.00%,具體情況見表1。

表1 專利申請(qǐng)數(shù)量前13名具體情況Table 1 Specific cases of top 13 patent applications

從表1可知,在申請(qǐng)數(shù)量排名前13的單位中,有5家高校,分別是清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、江蘇大學(xué)和重慶郵電大學(xué);有8家企業(yè),分別是國(guó)家電網(wǎng)公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院、華為技術(shù)有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司、安徽銳能科技有限公司、惠州市億能電子有限公司和鄭州宇通客車股份有限公司。

從專利申請(qǐng)人的情況可以看出,對(duì)電池SOH估算技術(shù)比較關(guān)注的主要是高校、企業(yè)和電力系統(tǒng)。這符合電池的應(yīng)用領(lǐng)域和國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。從申請(qǐng)數(shù)量上看,企業(yè)的申請(qǐng)人次為60件,占比超過(guò)一半。市場(chǎng)是最大的推動(dòng)力,隨著分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車的發(fā)展,關(guān)鍵技術(shù)的掌握與企業(yè)市場(chǎng)地位息息相關(guān),企業(yè)若想取得發(fā)展,必須從技術(shù)著手。

2.5 技術(shù)領(lǐng)域分析

國(guó)際專利分類(IPC)可從一定程度上反映技術(shù)的集中點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

根據(jù)IPC分類號(hào)進(jìn)行歸納分析,得到的專利申請(qǐng)主要技術(shù)領(lǐng)域分析情況見圖3。

圖3 專利申請(qǐng)主要技術(shù)領(lǐng)域分析Fig.3 Major technical fields analysis of patent application

由于每件專利不止一個(gè)IPC分類號(hào),經(jīng)對(duì)全部366件專利的IPC分類號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后,得IPC分類號(hào)總數(shù)為429件。從圖3可知,涉及G01(測(cè)量;測(cè)試),主要是G01R(測(cè)量電變量),此類專利329件,占76.69%;涉及G06(計(jì)算;推算;計(jì)數(shù)),主要是G06F、G06N(數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理;基于生物學(xué)模型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)),此類專利37件,占8.62%;涉及B60(一般車輛),主要是B60L(電動(dòng)車輛電池的充電和控制),此類專利22件,占5.13%;涉及H01(基本電氣元件),主要是H01M(二次電池及制造),此類專利21件,占4.90%;涉及H02(發(fā)電、變電或配電),主要是H02J(電池組的充電和供電),此類專利16件,占3.73%;其他的專利共4件,占0.93%。

近10年SOH專利申請(qǐng)前5項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)見圖4。

圖4 主要技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)分析Fig.4 Trend analysis of patent application in themajor technical fields

從圖4可知,只有G01專利數(shù)量眾多并增長(zhǎng)迅速。G01專利2010年前發(fā)展遲緩,從2010年后開始迅猛增長(zhǎng),并于2019年達(dá)到峰值94件,2020年有一個(gè)小的回落,原因是部分2020年申請(qǐng)的專利還未進(jìn)行公布。涉及B60、G06、H01和H02的專利申請(qǐng),數(shù)量則增長(zhǎng)緩慢。

3 技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)分析

3.1 SOH估算方法介紹

SOH的估算方法主要有離線法和在線法。

3.1.1 離線法

離線法是將電池從使用環(huán)境中取出,然后使用專門的設(shè)備進(jìn)行分析的方法[4]。離線法有完全充放電法、阻抗分析法和化學(xué)分析法等,目前也有研究者用超聲波等方法進(jìn)行電池SOH的分析和估計(jì)。

離線法的缺點(diǎn)是需要將電池從使用環(huán)境中分離出來(lái),單獨(dú)進(jìn)行非破壞性甚至破壞性的實(shí)驗(yàn),時(shí)間較長(zhǎng),影響電池的使用,無(wú)法對(duì)電池的使用過(guò)程進(jìn)行保護(hù)[5]。

3.1.2 在線法

在線法是在電池的使用環(huán)境下,對(duì)電池的SOH進(jìn)行實(shí)時(shí)估算的方法[6]。在線法不影響電池的正常工作狀態(tài),能夠?qū)崟r(shí)提供SOH數(shù)據(jù),提高電池使用的安全性,因此成為目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在線法有查表法、曲線擬合法、容量增量法、特征參數(shù)法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法等[7]。

在線法的缺點(diǎn)是算法比較復(fù)雜,在線應(yīng)用時(shí)需消耗較多的硬件資源進(jìn)行計(jì)算。同時(shí),很多方法也需要前期進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn),獲取足夠的離線數(shù)據(jù),以保證算法的準(zhǔn)確性和可靠性[8]。

3.2 SOH估算技術(shù)專利技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)分析

對(duì)申請(qǐng)數(shù)量前13名的共77件發(fā)明專利進(jìn)行具體解讀和分析可知:SOH估算技術(shù)目前主要有SOH估算方法研究,對(duì)使用中的電池的SOH進(jìn)行修正,實(shí)現(xiàn)SOH估算的硬件系統(tǒng)和使用已估算出的SOH進(jìn)行其他控制等研究方向。根據(jù)表1的數(shù)據(jù),結(jié)合涉及申請(qǐng)數(shù)量前13名的申請(qǐng)人的77件專利內(nèi)容,可分析出我國(guó)SOH估算技術(shù)的主要核心技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)。

從專利涉及的領(lǐng)域來(lái)看,電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能是SOH專利涉及的兩個(gè)主要領(lǐng)域,其中明確應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域的專利有42件,占54.55%。電動(dòng)汽車領(lǐng)域目前是我國(guó)動(dòng)力電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域,電池的SOH直接關(guān)系電動(dòng)汽車用戶的安全性和使用體驗(yàn),因此成為了主要的研究領(lǐng)域。

從專利涉及的相關(guān)技術(shù)可知,目前的研究的重點(diǎn)主要是SOH估算方法,目的是提高估算速度和精度。在77件專利中,涉及估算方法的專利有63件,占81.82%;涉及SOH修正的有4件,以SOH為控制指標(biāo)的專利有6件。目前對(duì)于SOH估算方法的研究仍處于初級(jí)階段,遠(yuǎn)未成熟,因此,以SOH為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用的專利還很少。目前的研究重點(diǎn),仍然是如何精確地估算電池的SOH。

專利涉及的SOH估算方法有查表法、特征參數(shù)法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法等。查表法有6件,占7.79%,涉及的3個(gè)申請(qǐng)人均為汽車企業(yè);特征參數(shù)法有32件,占41.56%,是當(dāng)前的主要研究方向;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法有15件,占19.48%,全部為2016年以后申請(qǐng)的專利,其中11件為2018年以后申請(qǐng)的最新專利,可見數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法正在成為SOH估算技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)。

在排名前13的申請(qǐng)人中,有5所高校,涉及專利27件,全部是SOH估算方法;有8家企業(yè),涉及專利50件,關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域有SOH的估算方法,還有對(duì)使用中的動(dòng)力電池SOH進(jìn)行修正的方法以及可實(shí)現(xiàn)SOH估算的硬件系統(tǒng)。涉及SOH修正方法的專利有4件,全部是汽車企業(yè)申請(qǐng)的;涉及SOH估算的硬件系統(tǒng)的專利有21件,也全部是企業(yè)申請(qǐng)的。由此可見,高校關(guān)注的是電池SOH估算方法上的創(chuàng)新,汽車企業(yè)關(guān)心的是在產(chǎn)品上的具體實(shí)現(xiàn)。汽車企業(yè)目前是SOH估算技術(shù)研究的主力。

目前,鋰離子電池是動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池市場(chǎng)的主流。在77件關(guān)于SOH估算技術(shù)的專利中,明確關(guān)于鋰離子電池的有42件,占54.55%。鋰離子電池以較高的比能量和循環(huán)壽命,在占據(jù)市場(chǎng)的同時(shí),也帶來(lái)了安全性問(wèn)題。精確地估算鋰離子電池的SOH可以提高鋰離子電池使用的安全性,降低事故風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)除非有新的電池體系出現(xiàn),否則SOH研究領(lǐng)域中,鋰離子電池依然是主流。

在對(duì)SOH估算技術(shù)的專利分析中,有一些技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)值得關(guān)注。在366件專利中,出現(xiàn)了以下方法:使用超聲波儀器分析電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)行SOH估算的方法;通過(guò)測(cè)量電池內(nèi)部壓力,建立內(nèi)壓與SOH的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SOH的估算的方法;建立電池比熱容與SOH關(guān)系函數(shù),通過(guò)測(cè)量電池比熱容實(shí)現(xiàn)對(duì)SOH的估算的方法。這些方法脫離了傳統(tǒng)的通過(guò)檢測(cè)電池的外部電特性(電壓、電流和溫度)估算SOH的方法,采用的思路和技術(shù)手段,也許會(huì)為電池SOH估算開辟研究方向。在最近兩年申請(qǐng)的專利當(dāng)中,出現(xiàn)了一些多方法融合的估算技術(shù),如將特征參數(shù)法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法融合,結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)得到更快速精確的估算技術(shù)。檢測(cè)手段和估算技術(shù)的豐富,將會(huì)給SOH估算帶來(lái)變化。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)SOH估算技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)的分析,可以得出如下結(jié)論:

目前,對(duì)于電池SOH估算技術(shù)比較關(guān)注的主要是高校、汽車企業(yè)和電力系統(tǒng)。3類申請(qǐng)人分別在各自的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵豐OH估算技術(shù)有不同的需求。在SOH估算技術(shù)涉及的電池類型中,鋰離子電池仍然是主流。電池SOH的研究當(dāng)前仍然處于起步階段,大部分專利都集中在SOH估算技術(shù)上。如何對(duì)電池的SOH進(jìn)行快速準(zhǔn)確估算是目前的主要研究方向,如何應(yīng)用估算出的電池SOH,將是估算技術(shù)成熟后的研究方向。從估算技術(shù)來(lái)看,特征參數(shù)法是目前的研究熱點(diǎn),數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法正在成為未來(lái)的熱點(diǎn)。多種估算技術(shù)的融合,新技術(shù)和新思路的引入,將會(huì)給電池SOH估算技術(shù)的研究帶來(lái)更多的變化。

針對(duì)以上的現(xiàn)狀和情況,提出以下幾點(diǎn)建議:

加強(qiáng)高校和相關(guān)企業(yè)之間的合作創(chuàng)新,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),加大投入和研發(fā)力度,實(shí)現(xiàn)共同創(chuàng)新,共同突破核心技術(shù),促進(jìn)我國(guó)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;

研究者應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)SOH估算技術(shù)研發(fā),為電動(dòng)汽車技術(shù)、電池技術(shù)的持續(xù)和良性發(fā)展提供動(dòng)力和保障;

電動(dòng)汽車和電池相關(guān)的企業(yè)應(yīng)重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息的研究和分析,結(jié)合自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)、相關(guān)的行業(yè)需求來(lái)指導(dǎo)自身的發(fā)展方向,制定科學(xué)的開發(fā)策略和發(fā)展規(guī)劃。