电力电子领域人工智能技术应用专利情报.pdf

中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-12-专利分析小功率的电力电子技术可用于日常电子产品的电源适配，如手机、笔记本电脑的电源适配器等；大功率的电力电子技术可用于汽车、高铁、地铁等供电变电领域；而超高压的电力电子技术，常用于电力系统，如分布式发电、高压直流输电等领域。由此可见，电力电子技术遍布生活的各个用电领域，是和当代人生活密不可分的电力技术。人工智能（Artificial Intelligence）技术是当今世界进入计算机信息时代以来飞速发展的一项高科学技术，是一个以计算机科学（Computer Science）为基础，并与计算机、大数据、控制学等多学科相融合的交叉新兴学科。人工智能技术近年来在各行各业飞速发展，并且随着半导体器件技术、传感器技术、控制技术、物联网以及大数据等不断发展，导致电力电子系统的数据处理量急剧增长。不断增长的大量数据为电力电子领域的人工智能应用和发展打下了夯实的基础。与用于图像处理、人脸识别等领域的人工智能算法不同，电力电子领域有着不同的需求，比如控制的高精度性、快速性、状态监测的高灵敏度及实时性。在工程设计方面，人工智能技术可应用在可靠性设计等方面，例如利用神经网络训练电力电子系统的热量模型，从而来估算器件温度，可以有效地减少计算时间并减轻工作量；在控制应用方面，人工智能算法可应用在 PID 参数设计、系统器件参数选定、各种数字控制策略的实现等。与传统控制策略相比，人工智能算法在动态性能、鲁棒性、收敛速度等方面具有相当的优势，但与此同时，其具有高度的计算复杂度及庞大的计算量，因此对计算机及软件的实现有较高的门槛；在维护方面，人工智能算法可以被应用在系统状态监测、电路故障诊断、器件剩余寿命估计等领域中。基于上述技术背景，本文以人工智能技术在电力电子领域的应用为分析对象，结合国家知识产权局专利局智能检索系统的 CNTXT 数据库和 ENTXT 数据库收录的全球相关发明专利的具体数据，对相关发明专利技术的发展趋势，申请人分布、重点申请人等方面进行系统分析，从而为相关企业、生产单位和科研院校在电力电子领域的人工智能技术应用提供理论基础和数据支持。数据获取本文分别以国家知识产权局专利局智能检索系统的CNTXT 数据库和 ENTXT 数据库为数据来源。其中，CNTXT 是中文专利数据的主数据库，其包含了中国大陆及港澳台地区的全部专利文献数据，按申请进行了整合加工。数据中包含中国专利的著录项目信息、分类信息、全文信息、引文信息等，同时包含了国家知识产权局自主加工的中国专利英文文摘信息和深加工信息，也包含了专利在 WPABS 中行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度电力电子领域人工智能技术应用专利情报刘姝晗 余细雨刘姝晗 余细雨（等同第一作者）国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心刘姝晗（1990），女，四川，硕士，研究员，研究方向：电力变换及控制技术专利审查。余细雨（1989），女，湖南，硕士，研究员，研究方向：保护电路及保护技术专利审查。电力电子技术（Power Electronics）是电气工程行业的一个分支，是一门应用于电力领域的电子技术，其在日常生活、生产中广泛应用。该技术具体是使用半导体电力电子器件，如常用的绝缘栅双极晶体管（IGBT）、可关断晶闸管（GTO）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）等，电力电子技术通过对电压或者电流进行变换、控制和调制，以期得到所需的电压或者电流。电力电子技术所转换调节的电力功率可大至数千 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚至uW，其通常以四种方式进行电力变换，即直流-直流变换（DC-DC）、直流-交流变换（DC-AC）变换、交流-直流（AC-DC）变换以及交流-交流（AC-AC）变换。-13-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期专利分析的文摘、分类、引文等信息，在德温特数据库中的文摘、分类、引文等信息。即，CNTXT 涵盖了可获得数据资源中，与中国专利有关的全部信息。ENTXT 是专利局利用已有的其他国家全文专利数据，按族进行整合加工的数据库。为了便于审查员专注检索外国专利，在按族进行整合加工时，去除了每一族中的中国专利，并在每一族中选取两篇外文专利，作为族代表文献，进而提取族代表文献的全文类字段数据。上述两个专利数据库专利基础数据非常全面，更新频率较快，且统计分析功能强大，利于作者对专利技术进行分析研究。专利数据分析国内专利分布趋势对在中国境内申请的电力电子领域的人工智能技术应用的专利进行统计，通过初步统计，国内的相关专利申请在600 件左右。图 1 为相关专利申请公开年份趋势图，从图中可以看出，相关专利申请从 2010 年开始，20102016 年属于技术发展的萌芽期，该阶段申请量较少但数量相对稳定。然而从 2017 年，大量申请开始涌现，从申请量的增长趋势可以看出，20172022 年是技术发展的爆炸阶段，专利申请量大幅增加。由于专利申请到公开之间有18个月的滞后期，因此，20222023 年的数据应该不全面，即实际申请量应该更多，以此推断，目前仍然处于人工智能技术在电力电子领域应用相关技术的快速发展阶段。可以预期在接下来的时间，随着数据处理技术、区块链技术、数据传输技术的快速发展，电力电子领域的人工智能化水平将持续升高，相关专利申请数量也会不断攀升。图 2 为国内申请人的主要分布图，可以看到，在中国申请相关专利的申请人中，奥地利（绿色）的英飞凌公司在申请数量上具有绝对的优势，英飞凌是全球领先的半导体公司之一，其在汽车和工业功率器件、芯片、以及射频和控制装置领域具有极强的核心优势；华为技术有限公司以及华为数字能源技术有限公司，作为国内相关技术的引领者，在电力电子领域的人工智能技术应用方面具有明显优势。此外，苏州浪潮智能科技有限公司、三星电子、浙江日风电气、台达电子、国家电网公司等在电力系统、电力电子领域具有较强实力的企业，也有数量不多的相关申请；国内高校主要集中在清华大学、西安交通大学这两所在电气工程具有传统优势的学校。从国内主要申请人分析可以看出，电力电子领域的人工智能技术应用门槛较高，国外申请人数量较少，但总体申请量较多，而国内申请人数量较多，虽然单个申请人申请数量较少，但总体申请量与国外申请人持平。由此可见，在该新兴技术领域，国内外申请人具有势均力敌的实力。国外专利分布趋势通过初步统计，国外的相关专利申请量在 900 件左右，图3为国外电力电子领域人工智能应用相关专利申请趋势图。从图中可以看出，国外电力电子领域人工智能技术同样萌芽于 2010 年，与国内相同，且经过 20102017 年的稳定发展之后，在 20182022 年呈现快速增长模式，从专利的申请趋势来看，国内外申请趋势大致相同。然而从申请的数量上来看，国外相关申请在 20182022 年的数量总体上相对优于国内，由此可见，在国际上关于电力电子的人工智能技术应用与研究目前仍处于热门状态，其相关研究和发展具有可观的前景。图 4 为国外电力电子人工智能技术申请人分布，从该分析可以看出，国外申请人中 STRONG FORCE IOT PORTFOLIO 2016 LLC、SAMSUNG（三 星）和INFINEON（英飞凌）三家公司具有绝对的申请量优势，上述三家公司在电气系统与电力电子行业具有传统优势，同时在结合人工智能技术的新兴领域同样高屋建瓴，处于业内领先水平。值得关注的是，在国外的主要申请人中，我国的华为技术有限公司以及华为数字能源技术有限公司，其申请量分别处于第 7 位和第 14 位，相比于通信技术，电力电子技术不算是华为公司最具有优势的领域，但得益其先进的数据处理等技术优势，在电力电子领域的人工智能技术应用同样也有较好发展，虽然在国际上申请数量较落后，但是仍然可以看出华为公司对该领域专利申请全球布局的重视。图 1 国内电力电子人工智能技术申请趋势图 2 国内电力电子人工智能技术申请人分布图 3 国外电力电子人工智能技术专利申请趋势中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-14-专利分析通过上述国内外专利申请趋势和申请人分布分析，可以看出，电力电子领域的人工智能技术应用还处于快速增长期，主要申请人集中在传统电气、电子具有绝对优势的企业和高校，且业内相关企业对其知识产权保护非常关注与重视。技术主题分布基于 CNTXT 和 ENTXT 数据库，对专利申请的 IPC分类号进行统计，以此对专利技术的主要技术主题分布进行研究。图 5 和图 6 分别是相关专利申请的分类号大组和小组的区域分布图。图 5 为 IPC 分类号大组区域分布图，从图中可以看出，分布在 H02M3/00、H02M1/00 的专利申请是最多的，即电力电子领域人工智能技术应用最多的是 DC-DC变换（即直流变换）以及变换器装置的零部件领域。此外，分布在 H02M7/00（整流或逆变）、H02J7/00（电池的充电和放电）、G05B19/00（程序控制系统）等领域也相对较多。图 6 为 IPC 分类号小组区域分布图，从图中可以看出，具体到小组进行深入分析，技术主题主要分布在 H02M1/00（变换器装置的零部件）、H02M3/158（含有多个半导体器件的直流变换器）是最多的，此外，有较多专利申请分布在 G05B19/00、G05B23/02、G05B13/02 等程序控制系统相关领域，以及较多分布在 H02J7/00（电池的充电和放电）和 H02M3/335（具有中间变换为交流的直流变换器）。且根据图 5 和图 6 可以看出，中国（绿色）和欧洲（黄色）的专利申请主要集中在单纯的电力电子相关领域，而美国（橙色）的申请除了在单纯的电力电子领域分布，在与电力电子技术相交叉或者结合的控制系统、通信领域，也具有较平均的分布。由此可见，在电力电子与人工智能结合的领域，美国具有更全面的分布，而国内的申请人在单纯的电力电子领域具有更多的数量优势。代表性专利分析通过对重点申请人的相关专利浏览筛选，获取以下几篇电力电子领域人工智能技术应用的代表性专利。申 请 人 为 华 为 技 术 有 限 公 司，公 开 号 为CN114123740A 的专利公开了一种开关电源的控制方法、控制装置及电子设备，其技术方案主要为对直流-直流变换图 4 国外电力电子人工智能技术申请人分布图 5 分类号区域分布（大组）图 6 分类号区域分布（小组）图 7 专利 CN114123740A 公开的开关电源及其控制系统器进行闭环控制。该方案综合开关电源中电感的电流下限预设值和电感的电流瞬时值实际值的平均值，不仅能够实现开关电源的精准控制，同时提高了开关电源的效率，且减小开关电源的谐波电流。该技术方案中，可以根据开关电源的输-15-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期专利分析入电压瞬时值实际值 vin 和对应关系 CR，采用离线的人工智能（Artificial Intelligence，AI）搜索的方式获取电感的电流下限设定值，从而不仅提高了开关电源的效率，还能够实现开关电源的精准控制。申请人为三星电子，公开号为 US2023/0291240A1 的专利申请，其公开了一种无线充电装备及包括其的无线充电系统，该专利公开的技术方案中，无线充电系统的电子系统包括具有人工智能模型的辅助处理器，其可通过机器学习生成人工智能模型，学习算法可以包括监督学习、无监督学习、半监督学习或强化学习。通过该具有人工智能模型的辅助处理器，与主处理器协同工作以执行各种数据处理或计算工作。申请人为英飞凌科技奥地利有限公司，公开号为CN111313687A 的专利申请，其公开了一种功率转换器，该功率转换器具有多相并联连接的转换器单元，其需要在宽输出范围内满足稳定的调节要求。该功率转换器包括预测器，该预测器用于以前馈人工智能方式进行操作，预测器用于实现机器学习模型的算法，从而对功率转换器的 PID 控制参数进行计算预测计算，可以实现使调节器参数值更准确地适应功率转换器的实际操作条件。通过对上述国内外申请人代表性专利的技术方案分析可以看出，人工智能技术在电力电子领域的各个分支领域均可应用以促使技术方案的进步，如参数预测整定、系统数据协调处理、控制算法改进等。可以预测，随着人工智能技术日新月异的快速发展，其在电力电子领域各个技术分支方向的应用会越来越广泛和成熟，其必将对该行业发展带来可观的进步。总结本文以国家知识产权局专利局的 CNTXT 和 ENTXT数据库为数据源，对电力电子领域的人工智能技术应用相关全球发明专利数据情报进行搜集、统计和分析。从整体情况上来看，该领域的专利技术从 2010 年开始萌芽，经过稳定发展的 20102017 年，在 2018 年开始了快速发展时期，目前仍处于热门技术领域。通过对主要国内外申请人分析可知，由于电力电子与人工智能结合的技术门槛较高，主要申请人集中在国内外知名大企业，如英飞凌、STRONG FORCE、三星以及华为等在传统电力电子行业以及控制系统具有明显优势的企业。且在国内，清华大学和西安交通大学也对该领域具有相当的科研热情及知识产权保护意识。目前国内外在该领域的研究具有各自的优势和重点领域，国外数个大企业具有专利数量上的优势，而国内具有企业申请人较多的优势。总体来看，国内外在电力电子的人工智能应用领域实力旗鼓相当，不分伯仲。基于上述分析，电力电子领域的人工智能技术应用仍然具有较好的前景，在以各大公司和高校为代表的指引下，接下来应该关注相关专利法申请在成果转化方面的研究，将电力电子与人工智能技术相结合应用到实际产品及工程中，以期待促使电力电子行业更加进步。图 8 专利 US2023/0291240A1 公开的无线充电系统图 9 专利 CN111313687A 公开的功率转换器系统图 10 专利 CN111313687A 中由预测器实现的计算序列的示例图