豐田車載動力電池安全技術(shù)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(fā)新能源汽車起火的事故頻頻發(fā)生，車載動力電池安全技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動力電池的開發(fā)，包括電解液不能蒸發(fā)、泄露，用堅(jiān)固材料包裝電池，并能夠?qū)崿F(xiàn)及時自動切斷電路等等盡可能防止發(fā)生意外，這使得豐田所有的混合動力轎車都沒有出現(xiàn)過電池事故，該文針對動力電池安全技術(shù)，通過專利檢索和分析，對豐田車載動力電池技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，挖掘豐田重要技術(shù)。

關(guān)鍵詞：動力電池 儲能裝置 安全 專利分析 技術(shù)路線

中圖分類號：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)新能源汽車起火的事故頻頻發(fā)生，車載動力電池安全技術(shù)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(shè)計尤為重要。

申請專利的宗旨是公開換取保護(hù)，豐田公司的重要技術(shù)會通過專利申請進(jìn)行保護(hù)，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(xiàn)中揭示的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，該文梳理出豐田公司在動力電池安全技術(shù)方面的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，且其技術(shù)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(qiáng)強(qiáng)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(shù)方面的技術(shù)路線，如圖1所示，以便全面了解技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，為創(chuàng)新主體提供知識、信息基礎(chǔ)。

由于鎳氫電池在電池內(nèi)部導(dǎo)電路徑熔化或短路產(chǎn)生火花引燃電池內(nèi)部氣體，從而導(dǎo)致電池內(nèi)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(fù)極堆積形成枝晶，刺穿隔膜，形成內(nèi)部短路，將導(dǎo)致大電流產(chǎn)生，電池內(nèi)阻消耗大量能量，產(chǎn)生巨大熱量，內(nèi)部氣壓均將升高，因此動力電池的防短路設(shè)計非常重要。在防短路方面，豐田技術(shù)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(shè)置方式，隔板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)置為具有彎曲部，以及通過檢測電池內(nèi)部的壓力異常判斷短路故障等。

在吸能/增強(qiáng)強(qiáng)度方面：豐田主要改進(jìn)吸能部件的設(shè)置方式和結(jié)構(gòu)。2003年前的專利申請包括：車體發(fā)生碰撞時，電池箱在車體內(nèi)部的移動約束和斷電控制；實(shí)現(xiàn)單體之間電連接的斷開的結(jié)構(gòu)；電池組設(shè)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(shè)置在具有彈性部的保持框體中進(jìn)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(guān)框體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。2009年以后的專利申請包括：在電池模塊之間設(shè)置吸能部件；通過加強(qiáng)部件提高電池裝置與車輛的固定強(qiáng)度，將電池組與車輛在車輛發(fā)生碰撞時發(fā)生分離的支架等。

在可靠連接方面，豐田技術(shù)主要涉及到對單體電池之間的電極端子的電連接進(jìn)行改進(jìn)。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(xù)設(shè)置的相互可發(fā)生相對位移的單位連接體來進(jìn)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(shè)置錐形突起來將各單體電池進(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)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(dāng)?shù)募s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(shù)主要涉及到對采用外部緊固結(jié)構(gòu)和內(nèi)部連接方式進(jìn)行改進(jìn)。2003年前的專利申請主要包括：在電池組的兩端設(shè)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(nèi)分別容納有由電極組件構(gòu)成的單電池，并使其兩端配置的端板互相聯(lián)結(jié)夾緊，從而避免全部單電池內(nèi)壓差異，或避免部分單電池、單位電池因內(nèi)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(nèi)部設(shè)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(nèi)部各組成部分都有可能成為其所排出氣體的產(chǎn)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(nèi)壓過大而引起其他更大傷害如爆炸等?？梢娫O(shè)置氣體排出的排氣結(jié)構(gòu)是十分必要的，當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度大于預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)時，排氣結(jié)構(gòu)打開，開始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過多發(fā)生形變導(dǎo)致殼體爆炸。USABC的測試項(xiàng)目就包括液體泄漏與氣體的產(chǎn)生的體積和速度[1]。在排氣方面，豐田技術(shù)主要涉及到在電池中設(shè)置排氣閥，電池組中設(shè)置排氣管以及通過對排氣閥的結(jié)構(gòu)、位置等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。2003年前的專利申請主要包括：在電池中設(shè)置釋放內(nèi)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(fēng)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(fù)極上設(shè)置利于氣體排出的小孔，從而進(jìn)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(yīng)于發(fā)電元件殼體內(nèi)的壓力上升達(dá)到第一閾值而從關(guān)閉狀態(tài)切換至打開狀態(tài)，第二閥響應(yīng)于發(fā)電元件殼體外部的壓力上升達(dá)到第二閾值而從關(guān)閉狀態(tài)切換至打開狀態(tài)；電池具備非復(fù)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(shè)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(shè)置于裂開槽的多個部位；將電池組的排氣管道設(shè)置在電池組的絕緣保持部件上，簡化排氣管道的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對電池組的防短路、吸能/增強(qiáng)強(qiáng)度、可靠連接、氣壓均勻和排氣5個方面在機(jī)械結(jié)構(gòu)安全技術(shù)方面的技術(shù)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(fā)展到電池組內(nèi)部輔助部件的絕緣材料的選擇，并進(jìn)一步發(fā)展到對短路的檢測和監(jiān)控。在吸能/增強(qiáng)強(qiáng)度方面，從電池組設(shè)置在能夠彈性變形的整體吸能部件上，發(fā)展到在電池模塊之間設(shè)置吸能部件。在可靠連接方面，從連接穩(wěn)定性發(fā)展到連接的便利性。在氣壓均勻方面，從外部均勻緊固發(fā)展到在電池箱內(nèi)部設(shè)置彈性部件來改善壓力的均勻性。在排氣方面，從傳統(tǒng)的對排氣孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展到將排氣通道與電池組的蓋體結(jié)構(gòu)或殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計，從而簡化排氣通道的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

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