乘势待时，事半功倍——动力电池专利分析三部曲之三

一、序言

电池包广泛应用于新能源汽车制造领域。如果将汽车比作人体，汽车内载电池相当于人体的“供能系统”，而电池管理系统（Battery Management System，简称BMS）则相当于人体供能系统的“神经中枢”，电池管理系统是实现“操控”供能系统，辅助电池实现复杂功能的关键，在相关技术的发展中占据了举足轻重的地位。

2015年是中国新能源汽车产销爆发的元年[1]，因此在供应端，作为汽车“供能系统”的动力电池及其相关组件也开始迎来了市场的春天。新能源汽车的销量持续走高，至2021年全球新能源汽车销量为688.8万辆，中国市场贡献了350.7万的销量，超过全球销售总量的一半。[2]伴随着新能源汽车市场的蓬勃发展，充分的竞争使得诸公司纷纷精进自身的电池产品，电池管理系统相关技术也维持着高速的迭代，诸多的专利申请相继涌现。

此时，对BMS领域相关专利进行统计和分析具有一定的现实意义。而专利分析的第一步往往是对技术进行理解和拆分，通过对电池管理系统进行拆解可以发现，电池管理系统通常包括三片芯片，包括模拟前端（AFE）、微控制器（MCU）以及电量计（Fuel Gauge），三部分结合将通过传感器检测到的电池电压、电流、温度等数据进行提取或计算，通过CAN总线接口与车载控制系统等进行实时通信，以实现漏电检测、电池均衡管理、计算最佳充电电流、报告电池劣化程度（SOH）和电池荷电状态（SOC）等功能，以保证电池运行安全和延长电池使用寿命。

通过技术的拆解来限定电池管理系统相关专利的范围，笔者对检索范围内近10年的专利数据从宏观专利统计、微观的技术路线两个层面进行分析，并结合BMS系统的市场情况，总结出目前在电池管理系统领域，专利的竞争格局以及近些年中国专利在某些技术路线上的演进，最后会结合国际国内政策和市场现状对发展路径进行一定程度的研判，希望能够给大家一些帮助和启发。

二、电池管理系统的全球专利概览

1. 专利申请数量趋势

图1 中国与全球专利申请量数量对比与占比情况

如图1所示，电池管理系统在全球和中国的专利申请量从2012年至2020年总体上呈递增趋势，在该年限内中国专利申请的全球占比总体上也呈递增趋势且占比巨大（考虑到专利申请到专利公开的18 个月以及专利数据录入的延迟，故2021年的数据参考意义不大）。2012年后，在电池管理系统领域，中国专利申请量在全球专利申请数量中的占比均在50%以上并且在总体上呈上升趋势，2016年占比超过80%。

中国这种“碾压式”的专利申请数量不仅仅体现在电池管理系统技术上，据统计，中国专利申请数量于2011年达到全球第一，且已蝉联9年之久，至2019年，中国专利申请数量占全球申请总量的比例高达43.4%。[3]然而通过对比发现电池管理系统相关专利申请的全球占比仍然远高于中国所有专利申请的全球占比。究其原因，笔者认为这与中国对节能减排政策的积极落实有关，在该政策引导下带动了新能源市场的火热竞争，中国新能源企业纷纷申请专利巩固自身优势，抢占市场蓝海。

虽然时至今日，专利数量与行业的创新呈基本正相关成为了基本共识，中国专利的迅猛发展正在迎接“创造活动正在由西方转向东方”的夸赞，但与此同时也引发了国内外部分机构和学者们的质疑，他们认为中国爆炸式的专利数量增长只是“专利泡沫”和“创新假象”。[4] 那么，中国的电池管理系统相关专利申请的真实价值如何？是否存在所称的泡沫与假象？经过中国国家知识产权局递交的PCT申请数量以及该PCT申请数量在中国作为优先权国的专利总量中的占比情况可以较好地估算中国专利在全球的市场价值与相关技术的优劣。下图2为在电池管理系统技术领域，五个国家的PCT申请量变化趋势。

图2 五大国PCT专利申请量

通过观察趋势可以发现，在各年总量上，由中国递交的PCT申请于2016年后超越了美国，后发势头强劲，成为仅次于韩国的PCT专利申请国。尽管在电池管理系统领域中国PCT申请量位居世界前列，然而各国自研技术中进行了PCT申请的比例如何？该数值可以更好地体现专利价值。如下图3所示，笔者对此数据进行了统计。

图3 五个国家PCT申请量占本国优先权专利中的占比

通过对比各国PCT申请量与本国优先权专利数量的比值可以发现，中国的该比值常年不足10%甚至大多数年份不足百分之5%，而其余四个国家的这一比值均达到了30%-50%的水平，日本甚至曾高达60%以上。在电池管理系统领域内中国作为优先权国，即源自中国的技术中提出了PCT申请的比例非常低，可以看出中国作为优先权国的专利多数在域内进行迭代，中国专利总量虽多，但高质量专利含量不高且进行海外布局的意识较弱。相对地，其他四国虽然专利总量远落后于中国，但其本国持有的技术进行海外布局的比例非常高，说明其技术较为成熟且具有较高的知识产权保护意识，技术落地后会积极进行海外布局。

2. 法律状态分布情况

下图4为中国专利法律状态分布，中国约有四分之三的专利处于授权或在审状态，四分之一的专利申请失效。

图4 中国专利法律状态

专利失效原因中的“未缴纳年费/放弃”占比可以体现专利本身的价值。因未缴年费/放弃的背后，大多数是因为企业囿于专利所产生的收益低于其专利维护费用，故而对该专利采取放任的态度。下图5示为五国因未缴年费/放弃而失效的专利数量在各国自研专利中的占比。

图5 五大国未缴年费或放弃专利申请比例

据中国环境保护产业协会统计，中国院校、研究所因未缴纳年费/放弃导致专利失效的比例高达59.7%，远高于全球平均占比26.1%。[5]未缴年费/放弃致使大量专利失效这一现象说明两个问题：一是部分专利的实用性、市场价值有限，没有获得市场的认可；二是许多中国院校、研究所在专利维护方面缺乏系统的安排，专利维护资金投入不足，专利资产管理机制还不健全。

中国作为优先权国的专利中因未缴纳年费而失效的专利占比约为43%。在电池管理系统领域，这一占比低于中国院校、研究所59.7%的比例，说明电池管理技术领域的专利相较于中国院校或科研所持有的专利来说具有较高价值，行业领域内企业具备较为雄厚的资金“供养”电池管理系统相关专利，专利的维护和管理较为完善。但相较于全球平均26.1%、图3中其余四个国家的占比水平，可以看出在电池管理系统领域中国专利仍有较大的发展和完善空间。

三、重点技术路线

电池管理系统是电动汽车动力电池的中央控制器，根据笔者对BMS技术领域专利的统计，专利数量排名前二位的技术领域分别为二次电池维修保养与电荷均衡电路，而二次电池维修和保养也仰仗于电荷的均衡，因此电池均衡占据着电池管理系统领域技术开发的核心。

动力电池（如锂离子）单体电压只有几伏，单体容量比较小，动力电池单体的电气特性都无法满足电动汽车在工作条件下对电压和电流的需求。因此，为了提高动力电池的容量及电压，需要将若干个单体电池串联成组使用。电池成组使用后，电池组的寿命、容量和功率等取决于性能最差的单体电池，这种“木桶效应”缩短了电池组的寿命。

电池均衡保证每个单体电池在正常的使用时保持相同状态以避免过充或过放，这对于延长电动汽车的续航里程和延长动力电池的使用寿命来说至关重要。

本文将从专利角度对电池均衡技术近10年来的申请情况进行了梳理，并分析出电池管理系统技术在几个方向上的发展趋势。本文选取的专利/专利申请为电池行业领军企业持有专利或专利价值[6]较高的代表性专利。

1. 均衡方式的演进：被动均衡→主动均衡与复合均衡

图6 均衡方式的演进

被动均衡又称耗散型均衡，是指能量较高单体电池通过电阻来消耗掉多余能量以获得单体电池间均衡，如上图中US9356452B2，虽然电路简单、成本较低，但电阻耗能的方式会造成不必要的能量浪费，且均衡速度较慢，故而无法适应高端市场需求。

与之相比，主动均衡技术不是通过能量消耗而是通过单体电池间的能量转移来实现均衡，故而被称为非耗散型均衡，如上图中CN105656142B。主动电池均衡效率高，但电路复杂，成本较高。

主被动均衡各有优缺点，因此将主被动均衡结合的复合均衡可以较好平衡两种方式的优势，如上图中CN105576751B和CN113489094A，复合型均衡可以实现耗能低、结构简单、成本适中的均衡电路。

2. 均衡变量的演进：单变量均衡→多变量、分段式均衡

图7 均衡变量的演进

均衡变量是指在判断电池是否均衡时采取的电池数据指标。传统的电池在均衡的过程中所参考的变量往往是电压或者SOC单一变量，如上图中CN102918738B。通过分析近年专利，可以发现在变量选取范围、选取方式上均进行了延展和细化。

在变量的范围上，CN110015188A提出了电池的内阻值作为确定需要均衡的单体电池所依据的电池信息。此外还有通过电压变化曲线计算电池容量，再将电池容量作为变量的方式，如上图CN110323793B，参照体系逐渐丰富。

在选取方式上，传统的单变量的处理方式没有考虑到不同变量具有平台期，若在变量平台期收集和处理数据则会造成较大的误差。如上图CN109038707B，近年专利申请采用分段混合的均衡控制方法，在电池组电压非平台期采用以电压作为均衡控制变量，在电池组处于电压平台期时采用以SOC作为均衡控制变量，在不同的范围选择不同的均衡变量，以实现电池均衡精确度的提升。

此外，对于均衡变量达到何值时可以开启均衡？以往专利往往为变量设置固定均衡值，而上图CN112550068B，将电池均衡分为粗调均衡和精调均衡，在不同的电池状态范围内采取不同的均衡精度，解决了设置固定值方式在均衡精度和均衡速度无法兼顾的问题。

3. 电路结构的演进：单层结构→多层化和模块化结构

图8 电路结构的演进

锂离子单体电池电压在3.7V左右，为了达到较高的电压，需要将几十节甚至上百节单体电池串联形成电池包，早期电池均衡仅考虑电池单体间的均衡，如上图中US14/092392。

然而，其中一节电池均衡失灵便可能影响均衡系统正常运行，带来较高的维修成本。为增强电池均衡系统的鲁棒性、抗干扰性，电池均衡的电路设计便向多模块化、多层次性方向上演进，如上图中CN110783987B，将电池进行模块化并进行分层控制可以使得单体电池的影响仅限于模块内。

笔者进一步阅读文献发现，在分层化控制的基础上有专利提出了进一步的优化，意图解决模块化均衡可能引发的均衡堆叠的问题，如上图中CN111817374A。可以看出在模块化的趋势基础上，相关技术仍然在不断的演进与发展，呈现愈发精细化控制的特点。

四、市场展望

1. 国产BMS芯片处于技术储备阶段，替代进程即将加速

芯片是BMS系统的核心。根据本文在宏观分析中所统计的数据，中国BMS领域相关专利专利数量庞大，但在专利质量和价值上却略显颓势；同时，根据前瞻产业研究院统计，2020年汽车半导体市场规模约460亿美元，其中中国自主车规级芯片产业规模仅占4.5%，进口率超90%。可以看出中国的BMS相关技术仍然较为薄弱，尤其是在BMS系统的核心芯片上，长期大量依赖域外进口。

然而中国的芯片进口之路却“四面楚歌”，2022年10月12日白宫发布的《美国国家安全战略》表明了美国的出口管制主要目的之一是使美国在与中国的竞争中胜出。该文件还同时提出美国将与其盟友及合作伙伴进行协调，以确保相关出口管制措施的一致性。该技术领域不仅包括半导体和先进计算领域，还延伸到了清洁能源和生物科技等领域。[7]

可见美国不仅要构建本国先进技术的“芯片围墙”，同时，未来还可能会与其盟友或合作伙伴联合形成国际多边出口管制。并且，在核心技术的范围上拓展至清洁能源，这会使得中国不仅在BMS芯片领域的技术引入难度加大，芯片以外的其他相关能源技术也存在引入困境。因此，中国亟需研发出车规级芯片及清洁能源的国产替代产品，从对域外的技术依赖中解脱出来。

目前，各领域芯片的国产替代正在加速进行。在消费电子和工业控制领域，国内芯片厂商已逐渐在主流手机市场完成国产替代；在笔记本电脑等小型储能市场，国内芯片厂商也在加紧进行验证测试，正处于国产替代的成长期。

尽管车规级芯片技术要求高、研发周期长，但是由于中国新能源汽车产业的需求强劲、具备电子产品终端整机及电池产业链优势、国家出台众多政策扶持汽车电子及电池管理相关芯片行业发展并且与美国芯片贸易摩擦频发，未来国产BMS芯片的前景会非常广阔，中国BMS芯片无疑会借助芯片国产替代的东风加速自主研发并在未来走向世界。

2. 高端新能源市场需求逐年攀升，电池主动均衡技术前景广阔

根据汽车之家研究院资料显示，目前中国的高端新能源汽车占新能源汽车市场的19%，市场渗透率持续增长，2022年已实现渗透率25%的突破。

配套的不完善是新能源汽车销售的首要壁垒。目前，中国新能源汽车的配套基础设施仍不完善，尤其是中小型城市，而未来的完善地区也会首要选择新能源汽车保有量大的一线城市。因此，笔者认为未来的一段时间，一线城市的新能源汽车市场增速仍会继续领跑其他城市。

一线城市同时又是高端新能源汽车绝对的主力市场，占据50%的市场份额，购买者的家庭年收入为30-60万，该数额高于一线城市家庭年平均收入的水平，目标客户群具备购买高端机型的市场潜力，未来高端新能源汽车市场潜力较大。

高端新能源汽车的广阔市场会使得代表着先进技术的电池管理系统加速研发，根据上文对于相关专利的分析，作为BMS系统分支的电池均衡技术中成本较高、结构复杂的主动均衡、复合均衡等复杂程度高、控制精细化的技术手段在未来会获得市场更多的青睐。

五、结语

2017年底，中国气候变化事务特别代表解振华表示“中国已提前3年落实《巴黎协定》部分承诺，将在2020年百分之百兑现承诺。” 2020年中国向世界表明了将在“2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的目标。

如此宏大的目标之下，我国甚至世界目前尚处于解决能源问题的萌芽阶段，新能源汽车行业作为实现目标的先行者需要借此机会蓬勃发展，中国车企在积极拓展新能源汽车领域业务的同时要更加充分关注电池管理系统领域技术研发尤其是自研芯片的开发，技术成果落地后及时申请专利并积极进行海外布局或作为商业秘密保护。在美国单边出口管制向国际多边出口管制演变的国际局势下，企业的技术研发与专利撰写的过程中要注意与美国等国家和地区持有专利技术相区分。

未来中国新能源汽车事业大有可为，而作为其组成部分的BMS管理系统也将保持着较高的专利申请热度，笔者将会持续关注动力电池领域相关专利与技术的动态，并及时提供分享与解读。

感谢实习生张雯对本文作出的贡献。

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