專利視域下的動力電池低溫加熱技術(shù)現(xiàn)狀分析

賴玉軍 陳益苞

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012)

0 前言

新能源汽車技術(shù)是21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，世界各國都加大了對新能源汽車的研發(fā)力度，我國在2015年確定了新能源汽車十年發(fā)展路線圖。在新能源汽車政策的引導(dǎo)下，我國新能源汽車應(yīng)用地域不斷得到拓展，在氣溫相對較低的北方地區(qū)，新能源汽車市場也在逐漸發(fā)展。然而，低溫環(huán)境對新能源汽車電池性能的影響嚴(yán)重限制了其發(fā)展，不利于新能源汽車的推廣，需要加大對動力電池低溫加熱技術(shù)的研究力度，為新能源汽車的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

動力電池的管理可分為通信管理、熱管理、安全管理、電量管理和均衡管理等。熱管理技術(shù)中的低溫加熱技術(shù)為本文重點(diǎn)研究對象，低溫加熱技術(shù)不僅能防止電池綜合性能在低溫下的衰減，還能夠避免低溫下生成電池枝晶而導(dǎo)致的電池短路，保障動力電池的安全性。

1 電池管理技術(shù)專利申請概述

近20年來，我國的動力電池管理技術(shù)專利申請量整體呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢，特別是在2015年確定了新能源汽車十年發(fā)展路線后，我國相關(guān)專利的申請量出現(xiàn)了較為明顯的增長。我國2002—2021年動力電池管理技術(shù)專利申請量趨勢如圖1所示。

早在2012年，我國制定了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，將新能源汽車列為我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。該發(fā)展規(guī)劃明確指出，新能源汽車尤其是純電動汽車，將是我國汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的重要機(jī)遇。通過對動力電池管理技術(shù)相關(guān)專利的分析發(fā)現(xiàn)，與其他專利申請量相比，在2017年之后，我國動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請量開始快速上升。至2021年，動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請量一直穩(wěn)居動力電池相關(guān)專利的首位。由此可見，在我國電池?zé)峁芾砑夹g(shù)被持續(xù)關(guān)注，其發(fā)展態(tài)勢良好。

圖1 動力電池管理技術(shù)專利申請量趨勢圖

2 電池低溫加熱技術(shù)專利分析

2.1 專利申請趨勢

動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括低溫加熱、高溫冷卻和溫差控制等。低溫加熱技術(shù)主要應(yīng)用于冬季，用于促使動力電池在低溫環(huán)境下快速升溫至適宜溫度，確保動力電池發(fā)揮良好的充放電性能；高溫冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于夏季，用于促使動力電池及時(shí)將內(nèi)部熱量排出，確保動力電池安全；溫差控制技術(shù)主要用于控制動力電池系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)電芯之間的溫差，一般需要將溫差控制在5 ℃之內(nèi)。2002—2021年，我國涉及電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請共有6 310項(xiàng)，其中涉及電池低溫加熱技術(shù)的專利申請共有3 219項(xiàng)，兩者的專利申請量對比情況如圖2所示。自2002年起，動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。在2021年相關(guān)專利數(shù)據(jù)尚未完全公開的情況下，盡管低溫加熱技術(shù)的專利申請量出現(xiàn)了一定程度的下降，但就目前公開的專利信息可知，2021年低溫加熱技術(shù)專利申請量仍占電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請量的46.5%，其占比為近幾年來最高，可見低溫加熱技術(shù)已成為各企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。

圖2 動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請量

2.2 專利申請地域

從全國范圍來看，2002—2021年動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請量較為集中的省市分別為廣東省、北京市、江蘇省、浙江省、山東省和上海市，如圖3所示。近20年來，廣東省關(guān)于動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請總量為596項(xiàng)，占全國同類專利申請量的21%；北京市位列第二，其專利申請總量為330項(xiàng)，占全國同類專利申請量的12%。由圖3可知，動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請總量占比較高的省份大多集中在經(jīng)濟(jì)體量較大的省市和地區(qū)。廣東、江蘇、上海、浙江等省市的鋰電池生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)和新能源汽車主機(jī)廠較多，動力電池開發(fā)人才較集中，整體研究氛圍較好，是我國新能源汽車重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，也是動力電池專利申請的主要地區(qū)。

圖3 動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請地域分布

2.3 專利所屬機(jī)構(gòu)情況

近20年來，我國動力電池低溫加熱技術(shù)專利所屬機(jī)構(gòu)情況如圖4所示。該領(lǐng)域技術(shù)專利所屬前10名的依次為比亞迪股份有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、浙江吉利控股集團(tuán)有限公司、北汽福田汽車股份有限公司、鄭州宇通客車股份有限公司、中國第一汽車股份有限公司、北京理工大學(xué)、現(xiàn)代自動車株式會社、廣州汽車集團(tuán)股份有限公司和重慶長安汽車股份有限公司，包含有9家汽車生產(chǎn)企業(yè)和1所高校。這9家汽車生產(chǎn)企業(yè)大部分具備動力電池系統(tǒng)的生產(chǎn)與加工能力。比亞迪股份有限公司是我國新能源汽車的龍頭企業(yè)，對動力電池低溫加熱技術(shù)研發(fā)資金投入較大，其相關(guān)專利申請總量高達(dá)152項(xiàng)，遠(yuǎn)超排名第2的北京新能源汽車股份有限公司。由此可見，低溫加熱技術(shù)的研究在汽車生產(chǎn)企業(yè)和動力電池生產(chǎn)企業(yè)中均備受關(guān)注。

圖4 動力電池低溫加熱技術(shù)專利所屬機(jī)構(gòu)情況

2.4 各技術(shù)分支專利申請情況

目前，動力電池低溫加熱技術(shù)按其傳導(dǎo)方式，主要分為內(nèi)部加熱法和外部加熱法，其中外部加熱法又分為液體加熱、電阻式加熱和氣體加熱等。內(nèi)部加熱法也稱為自加熱法，主要利用電芯內(nèi)部的阻抗或者內(nèi)部材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對電池進(jìn)行加熱，具有加熱效率高、電池升溫快和能耗低等特點(diǎn)。外部加熱法主要通過熱交換的形式對電芯進(jìn)行加熱。外部加熱方式雖然較容易實(shí)現(xiàn)，但具有較大的安全隱患。

基于動力電池低溫加熱技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，表1示出了對動力電池低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支專利申請量的統(tǒng)計(jì)。通過統(tǒng)計(jì)對比分析，可以了解動力電池低溫加熱技術(shù)未來的發(fā)展方向。

表1 動力電池低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支專利申請量

外部加熱法通過熱傳導(dǎo)的方式將外部熱量傳遞給電池。外部加熱法中的液體加熱是當(dāng)前動力電池低溫加熱技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的一種形式，其專利申請量占比高達(dá)41.7%，該方法主要應(yīng)用于乘用車、物流車等電池體量相對較小且對加熱效率要求較高的車型。電阻式加熱主要應(yīng)用于小客車、大巴車等電池體量較大且對加熱均衡要求較高的車型。氣體加熱因其效率較低、熱損失較大，應(yīng)用范圍受到限制，相關(guān)研究及專利也較少，其專利申請量占比僅為10.8%。

內(nèi)部加熱法在量產(chǎn)車型上應(yīng)用較少，其技術(shù)專利申請量占比為14.8%，但由于該加熱方法具備效率高、升溫快、能耗低等優(yōu)勢。目前，比亞迪股份有限公司、寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司和北京新能源汽車股份有限公司等重點(diǎn)企業(yè)均在內(nèi)部加熱技術(shù)研發(fā)上進(jìn)行了重點(diǎn)投入，相關(guān)技術(shù)專利申請也在逐年提高，內(nèi)部加熱法將是動力電池加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3 動力電池低溫加熱核心專利

通過對低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支核心專利的解讀，進(jìn)一步分析動力電池低溫加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向。

內(nèi)部加熱法是利用高頻脈沖充放電產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱對電池自身進(jìn)行加熱，其核心技術(shù)和研究熱點(diǎn)主要集中在電池內(nèi)阻、脈沖參數(shù)和脈沖等數(shù)據(jù)的獲取。欣旺達(dá)電動汽車電池有限公司在其《動力電池自加熱方法、裝置及可讀存儲介質(zhì)》(CN 111864313A)的發(fā)明專利中提到，合理控制動力電池內(nèi)阻值，施加適宜的脈沖電流和脈沖時(shí)間，可以得到很好的電池加熱效果。比亞迪股份有限公司在其《電池自加熱電路、電池充電和自加熱集成電路和車輛》(CN 212579671U)的發(fā)明專利中公開了一種獲取脈沖電流的自加熱集成電路。該電路包括加熱電路和儲能模塊，儲能模塊與電池包通過加熱電路進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的相互充放電，產(chǎn)生的高頻諧振交流電使電池包內(nèi)阻產(chǎn)生熱量，為電池加熱。

目前，外部加熱法的核心技術(shù)和研究熱點(diǎn)主要集中在控制電池溫差和防止管路泄露等課題上。在進(jìn)行外部加熱的過程中，由于熱量分布不均，容易導(dǎo)致電芯間存在一定的溫差，影響電池整體性能。合理設(shè)計(jì)外部加熱法的熱量分布，維持較小的動力電池系統(tǒng)溫差尤為重要。比亞迪股份有限公司在其《一種液冷板、電池液冷系統(tǒng)及具有該電池液冷系統(tǒng)的車輛》(CN 213483829U)的發(fā)明專利中設(shè)計(jì)了一種液冷板，可以液冷和液熱共用，并設(shè)置有獨(dú)立循環(huán)通道。通道的兩端連接進(jìn)液口和出液口，且通道沿著液冷板邊緣內(nèi)周設(shè)置，避免冷卻液因流向單一而導(dǎo)致電池溫度不均，電芯溫差過大。

為了保證在冷卻液泄漏時(shí)電池系統(tǒng)安全，合肥國軒高科動力能源有限公司在其《一種內(nèi)置冷卻管路的動力電池包》(CN 111370813A)的發(fā)明專利中提出了在液熱板和電池之間增加導(dǎo)熱墊的方式。當(dāng)制熱劑在液熱板通道內(nèi)發(fā)生泄漏時(shí)，電池單體下方的導(dǎo)熱墊可以吸收制熱劑，避免動力電池發(fā)生漏電。此外，華霆(合肥)動力技術(shù)有限公司在其《液冷管路、漏液檢測裝置、液冷管路系統(tǒng)和電池包》(CN 112524389A)的發(fā)明專利中提出了在液熱管路外側(cè)由里到外分別包裹黏合層和反應(yīng)層的解決方案。當(dāng)制熱劑突破黏合層發(fā)生外泄時(shí)，會與反應(yīng)層反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池局部溫度升高，并產(chǎn)生膠狀物質(zhì)。對液熱管路進(jìn)行二次密封，可以很好地避免制熱劑發(fā)生泄漏。

4 結(jié)語

通過對動力電池管理技術(shù)專利申請地域、專利所屬機(jī)構(gòu)等要素的分析發(fā)現(xiàn)，低溫加熱技術(shù)已成為動力電池?zé)峁芾淼暮诵募夹g(shù)，在近20年相關(guān)專利申請量一直保持高增長態(tài)勢。其中，內(nèi)部加熱法專利申請量在2002—2021年僅占低溫加熱技術(shù)專利申請量的14.8%，但因內(nèi)部加熱法的加熱效率和安全性均優(yōu)于外部加熱法，其專利申請量比重逐年上升，是未來動力電池低溫加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向。