豐田車載動力電池安全技術路線

閻冬 馬宏珺 杜凱 崔巖 萬軍偉

摘 要：車載動力電池是新能源汽車的動力來源，近年來由于動力電池引發新能源汽車起火的事故頻頻發生，車載動力電池安全技術直接決定了新能源汽車能否安全行駛。豐田聲稱其采用了非常高的標準進行動力電池的開發，包括電解液不能蒸發、泄露，用堅固材料包裝電池，并能夠實現及時自動切斷電路等等盡可能防止發生意外，這使得豐田所有的混合動力轎車都沒有出現過電池事故，該文針對動力電池安全技術，通過專利檢索和分析，對豐田車載動力電池技術發展路線進行梳理，挖掘豐田重要技術。

關鍵詞：動力電池 儲能裝置 安全 專利分析 技術路線

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（b）-0032-02

車載動力電池是新能源汽車的動力來源，近年來由于動力電池引發新能源汽車起火的事故頻頻發生，車載動力電池安全技術直接決定了新能源汽車能否安全行駛。動力的安全隱患主要有短路、電解液的泄漏[1]、氣壓過高，因此針對上述安全隱患對電池單體和電池包的設計尤為重要。

申請專利的宗旨是公開換取保護，豐田公司的重要技術會通過專利申請進行保護，通過對豐田申請專利情況的分析，篩選其重要專利，通過專利引證情況，以及專利文獻中揭示的技術發展脈絡，該文梳理出豐田公司在動力電池安全技術方面的技術發展脈絡，且其技術具有一定的代表性。針對安全隱患，從電池組的防短路、吸能/增強強度、可靠連接、氣壓均勻和排氣等方面，分析了豐田在安全技術方面的技術路線，如圖1所示，以便全面了解技術發展脈絡，為創新主體提供知識、信息基礎。

由于鎳氫電池在電池內部導電路徑熔化或短路產生火花引燃電池內部氣體，從而導致電池內部隔板變形，上蓋和中蓋破裂，還會引起電解液泄漏。鋰電池在過充的情況下（甚至正常充放電時），在負極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內部短路，將導致大電流產生，電池內阻消耗大量能量，產生巨大熱量，內部氣壓均將升高，因此動力電池的防短路設計非常重要。在防短路方面，豐田技術主要涉及到對殼體以及輔助部件的材料選擇、金屬連接件設置方式，隔板結構和短路檢測及控制。2003年前的專利申請包括：采用樹脂制的框體，且將連接相鄰端子的連接金屬件保持在樹脂制框部中形成一體結構，從而可以防止車輛相撞時車體的金屬殼體變形時，連接端子與金屬殼體相接觸，能消除短路的可能性。2003—2008年的專利申請包括：采用絕緣性的樹脂制的輔助支承部件，以及絕緣性的填充部件設置在各單體電池之間或電池組與殼體之間。2009年以后的專利申請包括：將彎曲卷繞處的隔板設置為具有彎曲部，以及通過檢測電池內部的壓力異常判斷短路故障等。

在吸能/增強強度方面：豐田主要改進吸能部件的設置方式和結構。2003年前的專利申請包括：車體發生碰撞時，電池箱在車體內部的移動約束和斷電控制；實現單體之間電連接的斷開的結構；電池組設置在能夠彈性變形的整體吸能部件上，使電池組件之間能夠形成相對變位。2003—2008年的專利申請包括：將單體電池設置在具有彈性部的保持框體中進行吸能，使下部電池組框體的剛度大于電池組框體的剛度等有關框體結構的改進。2009年以后的專利申請包括：在電池模塊之間設置吸能部件；通過加強部件提高電池裝置與車輛的固定強度，將電池組與車輛在車輛發生碰撞時發生分離的支架等。

在可靠連接方面，豐田技術主要涉及到對單體電池之間的電極端子的電連接進行改進。2003年前的專利申請主要包括對連接電池端子的螺釘松緊程度的壓力自動檢測，以提高電極端子連接的可靠性；電池組的連接模塊為由連續設置的相互可發生相對位移的單位連接體來進行連接，即使各電池模塊的連接端子位置有誤差也能方便地固定連接模塊，和在電池箱底部設置錐形突起來將各單體電池進行固定。2003—2008年的專利申請主要包括：在電池模塊之間的間隙中設置多個在豎直方向上突出的多個彈性部件的保持隔離件，且在豎直方向上設置夾持保持隔離件的第一和第二隔離件支承部件，且保持隔離件彈性保持在第一和第二隔離件支承部件之間。2009年以后的專利申請主要包括在電池端部設置供電池端部插入的插入腔的保持裝置，從而可以利用適當的約束力保持電池的端部。

同時為保證單電池一致性，還需盡可能地做到單電池間氣壓均勻。在氣壓均勻方面，豐田技術主要涉及到對采用外部緊固結構和內部連接方式進行改進。2003年前的專利申請主要包括：在電池組的兩端設置整體端板，并用通過連接桿將置于兩端板之間的電池組和端部整體連接固定。2003—2008年的專利申請主要包括：將多個長方體形狀的電池槽形成為一體的一體電池槽，各個電池槽內分別容納有由電極組件構成的單電池，并使其兩端配置的端板互相聯結夾緊，從而避免全部單電池內壓差異，或避免部分單電池、單位電池因內壓升高造成輸出和壽命變差；以及對連接電池組約束力的檢測方法和在電池箱內部設置彈性部件以改善壓力的均勻性。2009年以后在氣壓均勻方面的專利申請較少。

鋰離子電池內部各組成部分都有可能成為其所排出氣體的產生源，這些氣體需要通過一定裝置釋放出來以不至于造成電池內壓過大而引起其他更大傷害如爆炸等。可見設置氣體排出的排氣結構是十分必要的，當內部壓力或溫度大于預置標準時，排氣結構打開，開始進行卸壓，以防止內部氣體積累過多發生形變導致殼體爆炸。USABC的測試項目就包括液體泄漏與氣體的產生的體積和速度[1]。在排氣方面，豐田技術主要涉及到在電池中設置排氣閥，電池組中設置排氣管以及通過對排氣閥的結構、位置等進行進一步的優化改進。2003年前的專利申請主要包括：在電池中設置釋放內壓的安全閥，將排氣閥排出的氣體通過排氣管排出到電池組的外部，以及通過冷卻風扇與排氣管道連接，加速氣體的排出。2003—2008年的專利申請主要包括：提供壓力釋放輔助部件配合壓力釋放閥使用；在正負極上設置利于氣體排出的小孔，從而進一步通過排氣閥排出。2009年以后的專利申請主要包括：蓄電模塊具有第一閥及第二閥，第一閥響應于發電元件殼體內的壓力上升達到第一閾值而從關閉狀態切換至打開狀態，第二閥響應于發電元件殼體外部的壓力上升達到第二閾值而從關閉狀態切換至打開狀態；電池具備非復位型的安全閥，且安全閥具有在開閥時斷裂的閥部、包圍該閥部的閥周圍部和防止飛散單元，防止飛散單元配設于閥周圍部形成安全閥部的一部分，可以防止在開閥時閥部斷裂而成的斷裂部向電池的外部飛散；電池具有安全閥，且安全閥具有裂開槽，在裂開槽局部形成有比其他部分寬度寬的測定槽，測定槽設置于裂開槽的多個部位；將電池組的排氣管道設置在電池組的絕緣保持部件上，簡化排氣管道的結構。

根據對電池組的防短路、吸能/增強強度、可靠連接、氣壓均勻和排氣5個方面在機械結構安全技術方面的技術路線方面的分析可知：在防短路方面，從電池組外部殼體絕緣材料的選擇，發展到電池組內部輔助部件的絕緣材料的選擇，并進一步發展到對短路的檢測和監控。在吸能/增強強度方面，從電池組設置在能夠彈性變形的整體吸能部件上，發展到在電池模塊之間設置吸能部件。在可靠連接方面，從連接穩定性發展到連接的便利性。在氣壓均勻方面，從外部均勻緊固發展到在電池箱內部設置彈性部件來改善壓力的均勻性。在排氣方面，從傳統的對排氣孔的結構設計發展到將排氣通道與電池組的蓋體結構或殼體結構進行整體設計，從而簡化排氣通道的結構。

參考文獻

[1]沙集堂.密封鎳鎘電池的失效分析及機理[J].電源技術，1986（6）：25-29.