基于專利分析的新能源汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

辛明華 王軍雷 呂惠

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：新能源汽車 動(dòng)力電池 熱管理 專利分析

1 引言

隨著新能源汽車普及應(yīng)用，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)成為電池系統(tǒng)的核心、守護(hù)電池安全的關(guān)鍵[1]，企業(yè)對(duì)電池管理的研發(fā)熱度不斷升溫。動(dòng)力電池管理功能可分為電管理、狀態(tài)管理和熱管理。電管理使動(dòng)力電池發(fā)揮優(yōu)異的輸出性能，同時(shí)不會(huì)發(fā)生過充和過放，電池單體之間容量均衡。電池狀態(tài)管理功能是電管理的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確估計(jì)電池荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、功率狀態(tài)等參數(shù)，為電池電管理提供依據(jù)；電池?zé)峁芾砟軌虮ＷC電池工作在適合的溫度范圍內(nèi)，低溫下電池輸出特性不發(fā)生衰減，也能夠避免低溫出現(xiàn)枝晶導(dǎo)致的內(nèi)短路和高溫電池過熱導(dǎo)致的熱失控，維護(hù)了動(dòng)力電池安全[2]。

2 電池管理核心技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)為中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫(kù)，收錄了全球104個(gè)國(guó)家1.3億余條汽車及相關(guān)領(lǐng)域的專利。專利選取范圍以申請(qǐng)日為入口，自2001年1月1日起，截至2020年12月31日。

對(duì)電池管理系統(tǒng)的電管理、熱管理和電池狀態(tài)管理這3項(xiàng)核心技術(shù)進(jìn)行專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析，如圖1所示。電池電管理包括電池充放電技術(shù)、均衡技術(shù)和電池保護(hù)等，電池狀態(tài)管理包括電池參數(shù)測(cè)量、荷電狀態(tài)估計(jì)、健康狀態(tài)估計(jì)、功率狀態(tài)估計(jì)等。電池狀態(tài)管理和電管理領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量從2001年開始保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，直至2013年增速放緩，同時(shí)電池狀態(tài)管理的申請(qǐng)量逐漸超過電池電管理。對(duì)電池?zé)峁芾韥碚f，2001年至2015年專利申請(qǐng)量與電池狀態(tài)管理和電管理同步增長(zhǎng)，2015年之后申請(qǐng)量同比增長(zhǎng)率快于電池狀態(tài)管理和電池電管理，并在2018年申請(qǐng)量超過其他2個(gè)領(lǐng)域，說明近年來電池?zé)峁芾硌芯康年P(guān)注度更高。

3 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利分析

3.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

截至2020年12月31日，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)全球14 178件，其中在中國(guó)申請(qǐng)7 904件，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)在全球和中國(guó)范圍逐年專利申請(qǐng)量如圖2所示。

圖2 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)全球和中國(guó)專利逐年申請(qǐng)量

從圖2可以看出，自2001年以來，中國(guó)和全球電池?zé)峁芾韺＠暾?qǐng)量同步快速增長(zhǎng)。由于2019年—2020年專利尚未完全公開，專利申請(qǐng)量有所下降。從全球?qū)＠暾?qǐng)來看，雖然2012—2015年專利申請(qǐng)同比增長(zhǎng)量趨于平緩，但電池?zé)峁芾砑夹g(shù)相關(guān)專利整體申請(qǐng)量處于增長(zhǎng)狀態(tài)。電池?zé)峁芾碛捎陔姵貑误w的多樣性和冷卻介質(zhì)的快速升級(jí)換代帶來了專利申請(qǐng)量的持續(xù)增長(zhǎng)。

中國(guó)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請(qǐng)從2001年開始起步，2001—2008年申請(qǐng)量增長(zhǎng)緩慢，在2009年同比增長(zhǎng)率快速上升，在全球申請(qǐng)總量的占比越來越高。2018年中國(guó)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)轉(zhuǎn)申請(qǐng)量達(dá)到1 534件，占2018年全球電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請(qǐng)量的76.5%。

3.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)來源地域分布

從申請(qǐng)人所在國(guó)家/地區(qū)來進(jìn)行電池?zé)峁芾砑夹g(shù)來源地域分布分析，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利的技術(shù)來源國(guó)主要集中在中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)和日本，如表1所示。

表1 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)地域分布情況

具體來看，我國(guó)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請(qǐng)量達(dá)到6 344件，占比44.7%，專利申請(qǐng)量位居第1。其次為韓國(guó)1 515件，占比10.7%，位居第2，第3和第4名分別為美國(guó)和日本。可以看出，這幾個(gè)國(guó)家也是新能源汽車主要市場(chǎng)和動(dòng)力電池主要產(chǎn)出國(guó)，龐大的市場(chǎng)需求推動(dòng)了電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的快速發(fā)展。

3.3 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)申請(qǐng)人分析

電池?zé)峁芾砑夹g(shù)全球主要申請(qǐng)人前10名如圖3所示，他們分別是LG化學(xué)、豐田、福特、本田、比亞迪、華霆?jiǎng)恿Α⑷荢DI、吉利、寧德時(shí)代和博世。前10名的申請(qǐng)總量為2 911件，占全球申請(qǐng)總量的20.5%，可見電池?zé)峁芾砑夹g(shù)申請(qǐng)較為分散。排名前10的申請(qǐng)人中有4家動(dòng)力電池供應(yīng)商、4家整車企業(yè)、1家頭部汽車零部件企業(yè)和1家整車及動(dòng)力電池的開發(fā)企業(yè)。電池供應(yīng)商和整車企業(yè)在該領(lǐng)域均有相當(dāng)均衡的研發(fā)投入。

圖3 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)全球主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量排名

電池?zé)峁芾砑夹g(shù)中國(guó)專利主要申請(qǐng)人前10名如圖4所示，中國(guó)范圍內(nèi)動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利專利申請(qǐng)量前3名的分別為華霆?jiǎng)恿Α⒈葋喌虾蛯幍聲r(shí)代。排名前3的企業(yè)專利申請(qǐng)總量占前10名專利申請(qǐng)總量的40%。LG化學(xué)和豐田在動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)領(lǐng)域的全球?qū)＠季州^多，但在中國(guó)的專利布局相對(duì)不足，排名僅為第7名和第5名。另外，本田、三星SDI和博世，在動(dòng)力電池?zé)峁芾砣驅(qū)＠暾?qǐng)量人排名中進(jìn)入前10名，但在中國(guó)專利布局較少。在中國(guó)專利主要申請(qǐng)人前10名的中國(guó)企業(yè)還包括：吉利、北汽新能源和蜂巢，他們?cè)谌驅(qū)＠暾?qǐng)量相對(duì)較少，專利向外輸出的能力有所不足，全球?qū)＠暾?qǐng)量沒有進(jìn)入前10名。

圖4 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)中國(guó)專利主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量排名

3.4 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)發(fā)明人分析

基于第1發(fā)明人統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)第1發(fā)明人前10名如表2所示。排名第1的發(fā)明人為李樹民，隸屬于華霆（合肥）動(dòng)力技術(shù)有限公司，在2013—2018年為華霆?jiǎng)恿M(jìn)行動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請(qǐng)，其重點(diǎn)研究領(lǐng)域?yàn)閳A柱電池的液體換熱技術(shù)。排名第2的發(fā)明人為伍星馳，隸屬于比亞迪股份有限公司，專利申請(qǐng)年大部分為2017年，研究重點(diǎn)集中在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)方案，車載空調(diào)及冷媒與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的協(xié)同工作。從重點(diǎn)發(fā)明人的專利申請(qǐng)年也可以看出，2017年，動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)產(chǎn)生了很多新變革。

表2 電池?zé)峁芾砑夹g(shù)全球?qū)＠l(fā)明人前10名

3.5 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)技術(shù)分布分析

動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)按技術(shù)分支主要可分為液冷、風(fēng)冷、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和材料、熱管理控制系統(tǒng)、電加熱。動(dòng)力電池液冷技術(shù)是在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)換熱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外部與電池單體貼合，結(jié)構(gòu)內(nèi)部為換熱液體通道，將動(dòng)力電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量帶走或者低溫時(shí)為電池加熱，使電池工作在適合的溫度范圍內(nèi)，其冷卻效果好，但由于換熱液體進(jìn)入電池包內(nèi)部，為系統(tǒng)帶來安全隱患；風(fēng)冷技術(shù)是電池包內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻換熱風(fēng)道，通過接口連通電池包外部管路，與外部冷卻風(fēng)機(jī)相通形成散熱循環(huán)，風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)將電池產(chǎn)生的熱量帶走，冷卻效果較好，但次于液冷設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、安全性好。動(dòng)力電池?zé)峁芾硎菂f(xié)調(diào)控制熱管理各部件是否工作及開啟和關(guān)閉時(shí)序，并協(xié)調(diào)與駕駛艙熱管理、驅(qū)動(dòng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的系統(tǒng)工作，適時(shí)利用車輛熱量。

以動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研發(fā)難點(diǎn)為核心，綜合考慮動(dòng)力電池?zé)峁芾矸绞健z索可能性、行業(yè)分類習(xí)慣等因素，提出相對(duì)簡(jiǎn)單且研發(fā)關(guān)注較低的部分，確定了電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的技術(shù)分支，并對(duì)技術(shù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)分解表

從表4可以看出，液冷技術(shù)是動(dòng)力電池?zé)峁芾碚急茸罡叩念I(lǐng)域，占比44.2%，液冷技術(shù)目前較為成熟，且冷卻效果和成本具有較好的綜合優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)上大部分動(dòng)力電池系統(tǒng)采用液冷技術(shù)進(jìn)行冷卻；風(fēng)冷技術(shù)占比30.2%，比液冷技術(shù)的專利申請(qǐng)量稍低，但由于其與冷卻相比更加安全，并且易于布置，也是動(dòng)力電池?zé)峁芾碇匾募夹g(shù)分支；熱管理控制占比25.6%，他相當(dāng)于熱管理系統(tǒng)的大腦，統(tǒng)籌調(diào)配熱管理系統(tǒng)部件按需運(yùn)轉(zhuǎn)，保證動(dòng)力電池工作溫度適合。

3.6 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)路線及核心專利解讀

動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)目前主流技術(shù)分支包括液冷和風(fēng)冷技術(shù)，選擇各技術(shù)分支具有代表性的核心專利進(jìn)行解讀，來說明動(dòng)力電池?zé)峁芾淼母骷夹g(shù)路線。

液冷的核心技術(shù)主要集中在冷卻管路或冷卻板設(shè)計(jì)及防漏液方面。根據(jù)電池單體形狀不同，比如方形或者圓柱形，其冷卻構(gòu)件從不同位置貼合被冷卻電池。例如LG化學(xué)專利CN111630708A[3]中提出將液冷板放置在方形電池下方，與電池下表面接觸，冷卻劑通過冷卻板中的冷卻劑流路進(jìn)行熱交換。這種布置方式需要水冷板具有一定的剛性，同時(shí)不降低冷卻性能。因此，CN111630708A在冷卻板的上板和下板之間設(shè)計(jì)了支撐部件，支撐部件的凸凹設(shè)計(jì)與上下板形成冷卻劑流路，該設(shè)計(jì)不僅增大了熱交換的面積而且提高了水冷按整體剛性。為了在冷卻液泄漏時(shí)保證電池系統(tǒng)安全，LG化學(xué)的專利CN108292785B[4]發(fā)明了帶有吸收體的散熱板，當(dāng)冷卻劑通道內(nèi)的冷卻劑發(fā)生泄漏，電池單體下方的吸收體吸收冷卻劑，防止安全事故發(fā)生。除了LG化學(xué)的防漏液措施，華霆?jiǎng)恿μ岢隽嗽谝豪涔苈吠鈧?cè)包裹粘合層，粘合層外側(cè)包裹反應(yīng)層，在發(fā)生漏液時(shí)反應(yīng)層與冷卻劑發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生熱量，粘合層在熱量作用下與冷卻劑發(fā)生發(fā)硬，產(chǎn)生粘性物質(zhì)，對(duì)冷卻管路本體進(jìn)行密封，改善了冷卻劑泄漏問題。

動(dòng)力電池風(fēng)冷技術(shù)更多應(yīng)用于厚度和長(zhǎng)、寬尺寸相差較大的電池，比如軟包電池、比亞迪的刀片電池等。其主要原因是在最大面積位置布置換熱結(jié)構(gòu)時(shí)換熱效果較好，但軟包或刀片電池單體之間如果布置液冷結(jié)構(gòu)不僅會(huì)增加電池包總重量，而且會(huì)增加液冷管路接口數(shù)量，帶來安全隱患。比亞迪的專利CN113036256A[5]的電池包有上下蓋體和外殼，蓋體與外殼之間形成風(fēng)道，風(fēng)道與的1個(gè)方向與外界相通，另一個(gè)方向從電池陣列的一側(cè)流動(dòng)到另一側(cè)，使外界冷卻風(fēng)可以進(jìn)入換熱風(fēng)道并于電池單體外殼表面直接接觸，從而對(duì)電池單體進(jìn)行冷卻。

動(dòng)力電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)的功能是基于電池工作狀態(tài)和車輛工況，來確定電池加熱或者冷卻，以及換熱介質(zhì)的流動(dòng)方向。福特汽車的專利CN112659844A[6]提出在車輛靜止的充電模式下，車載空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，控制車輛的空調(diào)啟動(dòng)，將冷卻介質(zhì)從電池?zé)峤粨Q器引入空調(diào)蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)冷卻。電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)，比亞迪的專利CN110015193B提出的熱管理系統(tǒng)包括半導(dǎo)體熱交換器和控制器，可以根據(jù)動(dòng)力電池的實(shí)際狀態(tài)精確控制車載的電池的加熱功率和冷卻功率，在車載電池溫度過高時(shí)或者過低時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車載電池的溫度維持在預(yù)設(shè)范圍，避免發(fā)生由于溫度過高或過低影響車載電池性能的情況。

4 結(jié)論

目前動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)已經(jīng)成為動(dòng)力電池管理各領(lǐng)域中專利申請(qǐng)量同比增長(zhǎng)最快的技術(shù)領(lǐng)域，并且中國(guó)已經(jīng)成為動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)最大的技術(shù)來源國(guó)，占比44.7%。

從申請(qǐng)人看，有4家國(guó)內(nèi)企業(yè)全球動(dòng)力電池?zé)峁芾韺＠?0名申請(qǐng)人，分別為比亞迪、華霆?jiǎng)恿Α⒓蛯幍聲r(shí)代，分別位居第5、第6、第8和第9名，其專利申請(qǐng)量和國(guó)外頭部企業(yè)還有一定差距。國(guó)外企業(yè)應(yīng)該更加重視全球?qū)＠季郑巩a(chǎn)品在進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的時(shí)候不受專利制約。

動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要以液冷、風(fēng)冷和熱管理控制為研發(fā)熱點(diǎn)，從專利來看，液冷由于冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷，液冷申請(qǐng)量稍大于風(fēng)冷，而風(fēng)冷具有使電池系統(tǒng)比能量高，安全性好等特點(diǎn)，也被整車企業(yè)和電池供應(yīng)商做為冷卻方案之一。熱管理控制方面，將車輛冷卻系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)協(xié)同工作，最大限度利用電動(dòng)汽車有限的能量已成為重要發(fā)展趨勢(shì)。