“温室效应”最早由法国数学家、命名了“傅里叶变换”的让·巴普蒂斯塔·傅立叶在1827年提出，傅里叶用三角级数理论为热传导建立了函数基础。函数表示成三角级数的过程就是现在所称的“傅里叶展开”，而那个级数就是“傅里叶级数”。傅里叶对“热”如此执迷，他认为“热”包治百病，比老西医放血疗法还灵。当傅里叶晚年病重时，他用毯子把自己紧紧包裹住，试图用热量缓解病痛，没留神在下楼梯的时候被绊倒，从楼梯上摔了下去而离世。
百余年后的1992年，人类终于在化石能源、二氧化碳、气候变暖三者的关联性上达成共识，当年联合国通过的《联合国气候变化框架公约》已有194个缔约国，是所有联合国协议中获得认可最多的一个。当今各国政府都在积极推动能源结构向清洁能源加速转型，如中国的“双碳”目标，即在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和；欧盟的《欧洲气候法案》要求成员国2030年的温室气体排放量与1990年相比至少削减55%；美国的《迈向 2050 年净零排放的长期战略》提出2050年实现碳中和。
根据碳排放估算数据库Carbon Monitor统计，2021年交通行业碳排放占全球碳排放比重为20.3%，其碳减排的主要方式为普及新能源车以减少对传统化石能源的使用。而以三元锂电池和磷酸铁锂为代表的新能源电池是清洁能源消费的重要保障和新能源车的动力来源之一，据SNE Research 统计，2021年全球新能源车动力电池使用量达2.968亿千瓦时，同比上一年增长102.3%。据中国汽车工业协会数据，2021年我国新能源汽车销量为352.1万辆，同比增长160%；电动化率为13.4%，同比增长8%。
新能源电池在交通行业迅速普及的过程中显现出许多亟需改进的问题，如续航能力、充电速率、电池寿命等，而新能源电池包（组）的数据化是解决上述问题改进电池性能的重要途径。所谓“数据化”是指通过在电池包中接入各种类型的传感器，监测电池包电压、电流、温度等各类状态参数，并对采集到的数据配合云计算、人工智能等手段进行处理分析，进而优化电池管理系统（BMS），最终以这样“软性”的手段达到提升电池性能的目的。
中国很早就由高校牵头建立了新能源监控平台，并在国标GB/T32960中规定了新能源车辆必须上传的数据，其中燃料电池应上传包括电压、电流、燃料消耗率等12项数据指标。在企业层面，一些新能源汽车厂商在进行新能源大数据管道的建设，利用云端服务器用来存贮训练数据，以提高电池管理能力，延长电池寿命；大型电池制造厂商正在开发云端电池，其服务对象包括各大网约车公司，实现功能包括实时检测诊断电池健康状况（SOH）、智能管理放电深度（DOD）以延长电池寿命等。
综上所述，在政策引导和市场推动下，新能源电池在交通行业的普及会越来越快，其数据化程度也会越来越深。本文在对专利数据统计和分析的基础上，结合对政策和市场信息的解读，解析新能源电池包数据化的发展历程和现状，并研判其未来可能的技术和市场的发展方向。
一、全球专利概览
1. PCT专利申请趋势
PCT（Patent Cooperation Treaty）即《专利合作条约》，缔约国的专利申请人可以根据条约规定通过PCT途径递交国际专利申请，然后在规定期限内向多个国家申请专利。由于PCT申请的便利性，通过该途径进行海外专利布局是当前各国技术出海，在外国市场建立专利壁垒的主流选择，因此对各国（地区）的PCT专利申请数量的统计能较好地反映其由市场主导的技术发展趋势。
下图展示了近20年以来世界范围内电池包数据化相关PCT专利的申请数量趋势。可以看出全球范围内的专利申请保持着总体增长的态势，说明电池包数据化的技术研发依然是市场关注的热点。其中美国和日本在本领域起步较早，但近10年的申请量保持了较为平稳的趋势，逐渐被中国和韩国赶超；欧洲地区则一直保持着缓慢的增长趋势。中国企业在电池包数据化领域较晚才意识到国际市场竞争，在2009年才开始有PCT申请，但随后便进入了快速发展期，这与国务院在2009年发布的《汽车产业调整和振兴规划》有密切关系，其中提到：“启动国家节能和新能源汽车示范工程，由中央财政安排资金给予补贴”；同年财政部也发布了《关于开展节能和新能源汽车示范推广试点工作的通知》，明确对试点城市公共服务领域购置新能源汽车给予补助，由此拉开了中国新能源汽车补贴时代的序幕。
专利申请量与市场发展有着密切关联。2022年5月，工业和信息化部发布了《中国锂电产业发展指数白皮书》，下图显示的中国锂电池消费在世界市场中的占有率，中国市场占比在2016年首次达到50%，并一直保持着全球最大锂电池消费市场的地位。中国庞大的锂电池消费市场是电池包数据化领域的中国专利申请量持续增长的重要原因。
数据来源：《中国锂电产业发展指数白皮书》
专利技术服务的产品形态变化也是影响专利申请量的重要因素。下图显示了中国在2015年和2021年锂电池下游消费领域分布。2015年以前，锂电池消费的主力是3C消费电子产品，占比超过七成；而到了2021年，新能源车所用动力电池已占用锂电池产能的一半。从电池包数据化需求的角度分析，消费电子产品所用的锂电池容量小、管理要求低，因而对电池数据监测和处理的需求不高；而新能源车辆所用的动力电池具有容量大、使用场景对电池性能敏感、电池占整车成本超40%等特点，以上因素都使得通过电池包数据化以提升电池性能成为迫切的需求，这也是各大科研主体持续在本领域的中国专利上投入大量资源的原因。
2015中国锂电池消费领域分布
2021中国锂电池消费领域分布
数据来源：中商产业研究院
2. 全球专利布局状态
下列饼状图显示了全球PCT专利申请总量分布。美国由于在电池包数据化技术领域起步早，并保持着持续的投入，以总量411件位居第一，其次是日本（356）、韩国（300）、中国（214）、欧洲（175）。上述五个国家和地区的PCT专利申请合计占全球总量的91.4%，是最主要的技术研发和输出地。
全球PCT专利申请量分布
下列柱状图显示了五大技术原研地PCT专利申请的平均同族专利数量。所谓PCT专利申请的同族数量即一个专利申请通过PCT途径进入各国产生专利的总和，其能较好地反映该专利代表的技术在全球布局的广度。从图中可以看出美国的PCT专利申请以平均同族数量11.3个位居第一，加之其PCT专利申请总量也是第一，美国在电池包数据化领域的技术输出能力和布局海外市场的积极性不容小觑。其后的韩国、欧洲、日本也展现出较强的全球技术布局能力。中国PCT专利申请的平均同族数仅5.2个，是五大技术原研地中最少的，说明在电池包数据化领域中国的技术输出和布局海外市场的能力还有待提高。
下图显示了五大技术研发地优先权专利总数和其中海外布局的专利数，所谓优先权专利指的是一个技术方案最早在某个国家或地区专利局申请产生的专利，随后该技术方案可以通过PCT、巴黎公约等途径（海外布局专利）在全球产生多个专利，这些专利可以合称为一个专利族，而优先权专利可以代表该技术的起源国家。[1]
在电池包数据化领域，中国优先权专利数量多达17380件，位居第一且远超其他四大技术研发地，说明中国的科研主体在本领域申请专利的热情很高。但其中仅有939件为海外布局的专利，仅占总量的5.4%。而其他四大技术研发地虽然在优先权专利的总量上远不及中国，但海外布局比例极高，最高的美国达到了56.6%，其次是欧洲（56.5%）、日本（49.6%）、韩国（42.9%）。造成这种现象的主要原因是中国专利申请受政策影响较大，许多科研主体申请专利并非出于技术保护或商业利益的驱动。如前文所述，在海外布局专利的主要目的是在当地建立专利壁垒形成市场竞争优势，而中国优先权专利中这类针对政策“刷数量”的存在自然没有动力去做海外布局。
二、重点技术路线（电池包数据化热管理）
通过对电池包数据化技术领域专利的研读，本文在各研发方向中选取了“热管理”作为重点分析的技术路线，其原因有三。
从技术的角度分析，锂电池的工作和维护对环境温度非常敏感。低温将造成电池容量的大幅下降和电池性能永久性的损害；而过高的温度则可能导致电池燃烧甚至爆炸，由于锂电池的化学特性，这种燃烧一旦发生几乎是不可控的。因此电池包热管理对锂电池的进一步推广和升级都是必须的技术保障。
从市场的角度分析，新能源车辆的使用场景对电池性能很敏感，续航能力、充电速率、电池寿命等都是左右消费者决策的重要因素，同时锂电池可能的燃爆风险也是消费者极为关注的痛点问题，而优化热管理是解决上述问题、提升电池性能的一条重要途径。
从专利权主体的角度分析，专利数据库统计到的本领域涉及诉讼的15件中国专利中，7件与“热管理”相关，说明相关科研和市场主体高度重视电池包数据化热管理。
因此本文梳理了电池包数据化热管理技术路线上近10年的重点专利（如下图所示），并总结出了电池包数据化热管理专利技术的三大发展趋势。
趋势1：从本地监控到云计算+远程控制
早期的电池包热管理通常只在本地监测一个或几个简单的状态参数，并以此为基础来调控电池包温度。如2012年的专利KR101536143B1通过设置独立的温度检测构件并将其接入电池管理系统（BSM），从而实现对电池包温度的调控；2013年的专利DE102013215770B4、CN103682513B也只是通过监测电池温度这个单一指标来控制加热/冷却系统；2013年的专利CN104112883B则加入了电池包内阻、冷却风扇运行时间等更多调控参数。但上述系统都只是简单地在单体车内实现“监测-运算-控制”的循环，然而本地硬件的算力有限，难以同时监测大量不同类别的参数并进行复杂的实时运算和控制，同时也有运算部件出错或失效导致系统整体崩溃的风险。而云计算+远程控制的升级则不仅可以解决上述问题，还能对汇总自大量单体车辆的大数据进行处理分析，进一步提升电池管理水平。如2020年的专利CN212555899U就通过车载T-Box将电池包温度、电压等信息上传至服务器，同时服务器通过对实时数据的分析向用户提示电池包的热失控风险；而2021年的专利CN113067043A则通过远程控制的方式在低温时唤醒电池包温控系统，避免车辆在无人管理的低温环境下，电池受到不可逆的损害。
随着芯片和AI技术的发展，云端的处理能力和响应速度将大大超越单体车辆硬件的能力；同时5G技术的发展也使得通讯成本和延迟降低，车辆的实时远程控制成为可能。上述两点将进一步与电池包数据化结合，极大提升电池包热管理水平并降低热失控风险。
趋势2：从被动响应到超前预测+主动管理
早期的电池包热管理通常是被动响应式的，即在监测参数到达预设阈值时，根据程序设定做出响应动作。如2012年的专利CN103419652B即通过预设温度和电量两个阈值来判断是否启动电池包加热装置。但这种被动响应的方式极大降低了热管理的能量利用率，由于新能源车辆续航和热管理的能量来源于同一电池包，作为车辆核心竞争要素的续航里程将受到进一步压缩。而超前预测+主动管理的模式不仅能解决热管理能量利用率的问题，还能进一步提升电池寿命和排除潜在热失控风险。如2016年的专利EP3800725B1通过引入气压传感器，并结合电压、温度、温度变化率等参数有效提高电池包热失控预警的可靠性；2019年的专利CN109980317B则通过电池包中的多个温度传感器采集的数据形成温度地图，并引入具有主动调节冷却能力分布的冷板，通过对不同区域的冷却功率的精确调控，实现电源系统的整体均热，提升冷却效率；2019年的专利CN110416644A通过引入气敏传感器，并结合电池包压力等其他参数进行综合运算并判定电池包隐形损伤，从而预判热失控并在早期即释放阻燃泡沫将其压制。
电池包热管理的能耗对续航里程的影响一直是行业痛点，而消费者对锂电池热失控燃爆的担忧也是新能源汽车普及的一大障碍，通过引入更多类别的参数传感器并配合更优化的预测算法和多样的主动管理手段，不仅可以有效提高热管理的能量利用效率，还可以更加精准地预测热失控风险并在早期压制，避免锂电池燃爆事故的发生。
趋势3：单体管控到系统资源协调
早期电池包热管理多是本地监测本地控制，当前虽然引入了云计算和远程控制，大多数也是对电池包进行单体热管理的优化，但对能量的系统管理乃至“万物互联”的趋势也已经在电池包热管理的技术领域显现出来。如2018年的专利CN108099544A通过协调电池组热管理、车内热泵式空调、电控冷却三个系统，实现整车热管理效率的提升；2019年的专利US11021064B2通过外置加热接口连接多台车辆形成一个系统，在系统内的车辆间能共享电压、温度、绝缘阻抗等数据，实现电池包能量的互通，并实现多台车辆电池包的共同高效热管理；2021年的专利CN115246320A则通过将车辆热失控监测数据共享给其他车辆、充电站等终端，实现交通系统整体应对单台车辆的热失控风险，提升了新能源交通系统整体的人员财产安全性。
“万物互联”在电池包热管理领域的实现包括两个方面：能量共享、信息共享。能量在越大规模的系统内协调越能提升使用效率；信息共享则能调动起系统的整体资源应对局部的需求，这不仅能提高问题解决的效率，还能有效防止局部问题的失控扩散，提升系统整体的安全性。
综上所述，由于车用新能源电池的自身特性和使用场景，电池包数据化热管理一直是本领域的重点技术路线，是解决现有问题和进一步提升电池性能的重要手段。在未来，电池包数据化热管理将与大数据、AI、5G等技术深度融合，在远程控制、主动预测管理、系统资源统一协调等技术方向有着巨大的发展潜力。
三、市场趋势
根据招商银行研究院的预测，到2025年中国电池管理系统BMS的市场规模将达到160亿，电池包数据化作为BMS的重要组成部分也将获得持续的资源投入。本文结合对专利数据的分析和对市场情报的解读，研判出电池包数据化技术领域的两大市场走势。
1. 电池厂和整车厂将成为行业主导，专利技术到产品的转化将快速进行
专利申请的主体大致可分为以高校为主的非盈利性科研单位和以企业为主的盈利性市场主体。前者申请专利的动机较为复杂，受非市场因素影响较大；后者则更多处于形成专利壁垒进而抢占市场的目的，因此企业申请的专利会更快地转化为产品投入市场，故其专利申请趋势可以看作未来产品的风向标。
根据华经产业研究院的数据，在2015年第三方BMS开发企业数量占行业的60%。但由于电池厂和整车厂掌握了大量完整的一手电池数据，因而能在BMS开放过程中占据主导地位，并凭借此优势逐渐渗透到上游产业链，通过吸收人才、并购和战略合作等方式将包括BMS开发纳入业务版图。到2020年，电池厂和整车厂已经分别占据BMS参与企业的46%和21%。
通过对专利申请趋势的分析可以印证上述趋势。笔者研究了近5年在电池包数据化领域全球专利申请量排名前10的主体，发现申请量前10的主体均为企业，并且以电池生产厂商和整车厂商为主。可以预见在完成了从软件到硬件的垂直整合后，这些电池厂和整车厂在电池包数据化领域的技术研发将更加迅速，并且能快速适配运用到自家的终端产品中。
2. BMS芯片进口受限，国产车规级芯片和云计算将成为两大发展方向
当前电池包数据化所需的运算单元大部分为车辆本地搭载的车规级芯片，但车规级BMS芯片技术门槛高，目前国内厂商主要依赖产品和技术的进口。如车规级的MCU芯片目前大量成熟解决方案被欧美厂商掌握；AFE芯片的主要供应商也是海外公司。受全球疫情和国际贸易争端的影响，相关芯片和技术的进口受到极大限制。根据金杜研究院对最新修订的美国《出口管理条例》的解读，本次修订将GAAFET芯片所用ECAD软件列入管控物项，后续利用相关ECAD软件设计的芯片只要参数在规定描述范围内，即使该芯片在美国境外设计、流片，也将受到《出口管理条例》的管辖。[2]可以预见，中国在芯片领域的产品和技术进口渠道将受到进一步的压缩，因此要解决电池包数据化运算环节的困局，国产车规级芯片和云计算将成为两大发展方向。
在国产芯片方向上，具有自主开发车规级MCU与AFE芯片能力的中国厂商已经加快了布局速度。已经在研车规级芯片的厂商陆续在2022年推出新系列的芯片；一些有较强研发实力的电子厂商也纷纷宣布入局车规级芯片。
而云计算不仅能另辟蹊径绕开车规级芯片“卡脖子”的难题，云端强大的算力还能有效应对由于数据化程度加深而产生的庞大数据的监测和处理需求，并运用复杂的算法进行更精细化的BMS调控，以适应市场对电池性能和能源效率越来越高的要求。同时中国积极的5G基础建设也为云计算解决方案的落地打下了坚实基础。根据国元证券的统计，全国运营商5G累计投资金额达到4016亿元，境内5G网络基站数量累计达185.4万个。上述因素都将促使各个科研主体在利用云计算解决电池包数据化运算需求的技术路线上投入更多资源。
尾声
2009年，在著名的哥本哈根世界气候大会上来自192个国家的谈判代表激烈地争论了12天，但最终未能产生一份具有法律效力的文件。时任中科院副院长、中国代表团科技顾问的丁仲礼院士在会后接受记者采访时言道：人类要拯救的不是地球，人类要拯救的是自己。2021年丁院士再次接受央视采访时表示：对中国的减排充满信心，并认为在碳中和的道路上“技术为王”将得到充分体现。
减少化石能源的使用以缓解温室效应问题已经是人类的共识，而达到这一目标则需要强大的技术支撑，舍弃传统工具最有效的办法就是找到更好的替代方案。在中国已经明确2060年非化石能源消费比重须超过 80%的长期目标下，电动车的普及是大势所趋，而电池包数据化则是解决目前电动车续航里程、电池安全性、使用寿命等问题，提升电池性能的重要技术手段。在可预见的未来，电池包数据化领域的技术研发仍然会保持高热度，国内市场也将迎来更多机遇。
扫码下载文章
《专利检索与分析系列之二：国际主流专利族的异同及应用场景》马俊豪
《美国出口管制新规解读（一）》楼仙英、戴梦皓等
