随着传统化石能源的不可再生消耗以及城市环境污染的日益严重，新能源的开发利用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中，动力电池，特别是锂电池在交通领域的应用，对于减少温室气体的排放、降低大气污染有着十分重要的意义，也受到越来越多的关注。目前，影响动力电池推广应用的主要因素在于其安全性和使用成本问题，延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。作为电池和车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁，电池管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。本文以动力电池管理系统（Battery Management System，BMS）为研究对象，通过对专利文献著录项目数据和技术要点进行多角度分析，揭示电池管理系统的技术分支领域、发展现状、国家和区域专利布局特点、主要申请人的情况、技术重点等重要信息。
数据检索
充分理解技术内涵对检索、准确筛选检索结果以及对有关文献的技术定位至关重要。在查阅大量技术资料并和企业技术专家及工程师进行深入沟通后，我们将BMS技术按9个技术分支作一级聚类，分别是：电池组均衡管理、电池组工作参数检测、电池组工作状态监测、充/放电控制、电池组热管理、电池组安全监控、BMS通信、BMS实现及其与外部系统的耦合以及BMS测试、建模及其它。
为了能够获得尽量完整的数据，本文制定了三阶段检索策略，即第一阶段的主题检索、第二阶段的按技术分支检索以及第三阶段的以申请人为入口进行的补充检索的综合检索策略。其中，第一阶段检索到2602条数据，第二阶段检索到1.9721万条数据，第三阶段检索到5026条数据，专利文献数据累计检索结果为2.7349万条。数据筛选后的统计显示，电池组均衡管理技术分支筛选得到中外文文献共317条，电池组工作参数检测技术分支筛选得到中外文文献共169条，电池组工作状态监测筛选得到中外文文献共613条，充/放电控制技术分支筛选得到中外文文献共1016条，电池组热管理技术分支筛选得到中外文文献共415条，电池组安全监控技术分支筛选得到中外文文献共404条，BMS通信技术分支筛选得到中外文文献共94条，BMS实现及其与外部系统的耦合技术分支筛选得到中外文文献共133条，BMS测试/建模及其它技术分支筛选得到中外文文献共53条。筛选出的有效专利文献总计3215条。
BMS技术全球专利布局
1.申请人排名情况
图1显示了BMS技术主要专利申请人大致分成3个集团，处于第一集团的有丰田、尼桑、松下、现代、株式会社电装和丰田，专利申请量均超过100件；处于第二集团的有三洋、富士、比亚迪、三星、三菱、奇瑞、通用、矢崎总业株式会社和LG，专利申请量在50件至100件之间；处于第三集团的有马自达、日本电池株式会社、日立、重庆长安、标志雪铁龙和住友，申请量在20件至40件之间。其中，日本申请人占了全球主要申请人数量的近一半，且前三甲均是日本公司，丰田以381件专利申请排名第一，处于世界领先地位。此外，现代、三星和LG是在BMS领域也占有一定技术优势的3家韩国公司，而申请量超过20件的中国公司也是3家，分别为比亚迪、奇瑞和重庆长安。
2.全球专利申请量趋势
从图2中BMS技术历年专利申请量分布情况可以看出，虽然该技术早在20世纪70年代开始出现，但在之后的10年间一直没怎么受到关注。从1991年开始，专利申请量呈稳步增长，表明随着能源的紧缺、石油价格的上涨和环境污染的加重， BMS技术逐渐引起高度重视，并且在2005年之后一直呈快速增长趋势。
3.目标市场国分析
企业在决策将一项技术在哪些国家申请同族专利时，往往更多的考虑市场因素，如果企业将一项技术在某个国家申请了专利，那么企业已经将该国视为目标市场国，希望取得在该国的技术垄断。考虑到这个因素，在分析涉及目标市场国的指标时，申请量均以实际申请量为准，即将同族申请拆分成多个单件的申请。
图3显示日本专利申请量占到了全球的1/3以上，其次是中国大陆，专利申请量占到19%。从前面的申请人排名来看，虽然排在前面的中国申请人仅有3家公司，但在BMS领域的专利申请量却排名第二，这说明有一大部分中国专利申请是国外申请人提出的，大量国外申请人在中国进行了专利布局，企图在新能源汽车领域抢占市场。
4.全球主要申请人的目标市场
通过分析全球主要申请人的目标市场发现，除本土外，几乎所有大公司在海外专利申请数量较大的市场都是美国和中国。其中，丰田关于BMS技术的专利申请量遥遥领先于其它公司，这与丰田对电动汽车BMS技术的研发起步较早有关，同时丰田还拥有普锐斯（Prius）等较为成熟的商用混合动力车型，为了维持自身的优势，必然在BMS技术的研发方面投入较大，专利产出较多。相对而言，国内企业关于BMS技术的专利申请量较少，基本都是在本国申请，而在海外市场上的专利申请总量非常小，与国外企业尤其是日本企业有着明显差距。
5.技术分支分析
从图4中可以看出，充放电控制这一技术分支的专利申请量最大，表明电池组充放电控制是BMS技术的关键。电池组工作状态监测也是目前行业内技术人员较为关注的另一个技术分支，专利申请量仅次于充放电控制，这是因为BMS管理和控制的基础在于准确地获知电池组当前的工作状态，只有准确监测了电池组当前状态，才能合理地进行BMS管理和控制。由于BMS管理的电池组多是用于电动汽车上的，对散热性和安全性都有着较高的要求，因此电池组热管理和电池组安全监控也是行业内技术人员普遍关注的。电池组均衡与否直接影响到电动汽车的动力性能，所以在这一技术分支中也有较多的研究成果。电池组工作参数、BMS实现及其与外部系统的耦合、BMS通信以及BMS测试/建模等分支的专利申请数量明显减少，说明行业内技术人员在BMS技术研发过程中也有所关注，但还不是研发的重点。
图5中坐标横轴的数字含义对应如下：1-电池组均衡管理；2-电池组工作参数检测；3-电池组工作状态监测；4-充、放电控制；5-电池组热管理；6-电池组安全监控；7-BMS通信；8-BMS实现及其与外部系统的耦合；9-BMS测试、建模及其它。从图5可以看出，在电池组工作参数检测、电池组工作状态监测、充放电控制分支、电池组热管理分支及电池组安全监控分支，丰田的申请量均占据绝对优势；在电池组均衡管理分支，富士和比亚迪的申请量较多；在BMS通信，奇瑞的申请量占据绝对优势，其次是比亚迪；对于BMS实现及其与外部系统的耦合分支，丰田和三星的申请量相对较多，而其它申请人的申请量都很少；对于BMS测试、建模及其它这一分支，所有申请人的专利申请量都不多，还不是研发重点领域。
BMS技术中国专利布局
1.历年专利申请量趋势
从图6可以看出，上世纪八十年代末至九十年代末，中国出现了少量涉及BMS技术的专利申请，数量不多，这与国外申请的趋势一致。虽然在1999年曾出现一个小高峰，但在随后两年内又快速回落。直到2002年关于该技术的申请才进入到快速增长期。随着丰田、三星等公司在中国相关专利布局的逐步深入，国外申请人的专利申请量呈稳步增长态势，而从2002年开始，中国申请人的专利申请量及增长速度都开始超越国外申请人。进入2004年以后，中国专利申请总量进入爆发式增长阶段，到2009年达到峰值。其中，国外申请人的专利申请量自2006年开始停滞不前，并且在2009年出现下降趋势，与之相反的是中国申请人的专利申请量从2004年开始每年以150%左右的增长速度快速上升，进入2008年以后专利申请量的增长速度更是明显加快，并取得了较为显著的技术突破和创新。从申请人的国别可以看出：中国申请人的申请量占到了全部申请人申请量的2/3左右，并且专利申请量的增长速度仍在持续加快。可见，我国在BMS领域的自主创新技术已经进入了快速发展阶段，但要注意规避专利壁垒和侵权风险。
2.主要申请人分析
按照申请量来排名（见图7），中国的比亚迪和奇瑞分别占据第一和第二的位置，重庆长安也表现不俗，进入了前五名。日本、韩国和中国基本形成三分天下的格局。值得注意的是，与国外申请人均为企业不同，中国的高校和科研院所，如清华大学和北京理工大学在BMS领域也有一定的研究。
在中国提出的有关BMS的专利申请中，国外申请人提出的专利申请量约占1/3。在中国申请人的地区分布中，深圳、安徽、北京为前三甲，因为比亚迪、奇瑞分别位于深圳和安徽，而在北京，除北汽福田这样的大型汽车企业外，还有众多高校和科研院所参与了BMS的研究，所以申请量也很多。清华大学、北京理工大学等高校掌握了一些专利技术，如果要发展BMS产业，可以积极寻求与这些高校的合作，争取较高的研发起点，但是在实施过程中要注意规避风险。
3.技术分支分析
从图8可以看出，在中国有关BMS专利申请的技术分支中，涉及电池组充、放电控制的专利申请最多，为300件，排第一位，是专利申请的热点，属于BMS重点关注的分支之一。涉及电池组热管理的专利申请较多，为172件，排第二位，也是专利申请的热点。涉及电池组工作状态监测的专利申请为149件，排第三位。涉及电池组均衡管理的专利申请为147件，排第四位，由于电池组均衡管理直接关系到动力电池组的使用寿命，因此均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。涉及电池组安全监控的专利申请不算太多，为141件，排第五位。涉及电池组BMS通信、电池组工作参数检测、BMS实现及其与外部系统的耦合的专利申请较少，分别为79件、71件和68件。涉及BMS测试/建模及其它分支的专利申请最少，为23件。
从图9可以看出，在我国的专利申请中，在1999年之前，专利申请量保持最大的为电池组工作状态监测，其次是充/放电控制，但是从1999年至今，每年申请量最大的技术分支为充放电控制，并且申请量基本上呈逐年上升的态势。同样呈逐年上升态势的技术分支还有电池组热管理、电池组安全监控、电池组均衡管理、BMS通信。值得注意的是，电池组工作参数检测和电池组工作状态监测这两个技术分支，其申请量在2008年以前均呈逐年上升的态势，但在2008、2009这两年均为逐年下降的趋势。
通过对相关分类号的统计分析可以发现，BMS领域技术分支中最受关注的具体技术是其在供电或配电的电路装置或系统、电能存储系统中的应用（对应于IPC分类号H02J，该分类号包括用于电池组供电的电路装置，包括对电池组充电或控制的电路装置，或从两个或两个以上任意类型的电源配合供电的电路装置），占所有专利申请量的33％；其次是用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组（对应于IPC分类号H01M，该分类号包含一次或二次电池或电池组，以及燃料电池或电池组），占所有专利申请量的30％；再次是测量电变量和磁变量（对应于IPC分类号G01R，包括以直接的方式或以从其他电或磁变量导出的方式测量所有种类的电或磁变量），占所有专利申请量的12％；然后是其他，占8％；再然后是电动车辆的电力装备或动力装置（对应于IPC分类号B60L），占所有专利申请量的6％；最后是用于车辆动力装置或传动装置的布置或安装（对应于IPC分类号B60K）和不包含在其他类目中的车辆、车辆配件或车辆部件（对应于IPC分类号B60R），分别占3％。
通过与全球数据的分析结果进行对比不难发现，我国BMS领域的关注热点与全球的关注热点基本一致，有1/3的专利申请集中在对电池组充、放电或控制的电路装置上，另外有近1/3的专利申请集中在二次电池或电池组上。这种现象产生的原因已经在上文作了分析，在BMS领域9个技术分支里，专利申请量最多的就是电池组充/放电控制。而所有9个技术分支里，都涉及到二次电池组。
结论
关于BMS技术，中国最早提出的专利申请是在1989年，但随后的十几年申请量比较少，直到2002年之后才开始稳步增长。日本企业在BMS技术专利申请量中占绝对优势，既包括丰田、尼桑、本田、三洋、富士、三菱等全球较大的汽车制造商，也包括株式会社电装、矢崎总业株式会社等汽车零部件提供商，还包括非汽车行业的松下，说明日本在BMS领域的研发创新不仅仅局限在汽车行业，而是充分调动各相关行业优势。韩国有3家企业专利申请量比较大，分别是现代、三星和LG，然而这3家公司中仅有现代属于汽车制造公司，其它两家公司虽不属于汽车厂商，但在汽车的BMS领域占有一定的技术优势。中国申请人专利申请量比较多的有比亚迪、奇瑞和重庆长安，但申请量远不如日本企业多。在中国的专利申请中，国外申请人的在华申请量占到了1/3，可见，国外申请人已经在中国进行了专利布局，圈定了各自的范围，而中国在BMS技术领域自主创新的技术相对比较欠缺，如果中国企业希望在该领域谋求发展，要注意规避这些已经设置的专利壁垒。
因此，中国汽车企业及相关科研院所在BMS技术方面还有较长的路要走，一方面要重视专利信息的利用，做好专利预警工作，尽量避免专利侵权的发生；另一方面要加强对自主创新技术的专利布局。
（作者单位：北京国之企业专利应急和预警咨询服务中心）