豐田車載動(dòng)力電池安全技術(shù)路線

閻冬 馬宏珺 杜凱 崔巖 萬(wàn)軍偉

摘 要：車載動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力來(lái)源，近年來(lái)由于動(dòng)力電池引發(fā)新能源汽車起火的事故頻頻發(fā)生，車載動(dòng)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(dòng)力電池的開(kāi)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(shí)自動(dòng)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(dòng)力轎車都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電池事故，該文針對(duì)動(dòng)力電池安全技術(shù)，通過(guò)專利檢索和分析，對(duì)豐田車載動(dòng)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(dòng)力電池 儲(chǔ)能裝置 安全 專利分析 技術(shù)路線

中圖分類號(hào)：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）02（b）-0032-02

車載動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力來(lái)源，近年來(lái)由于動(dòng)力電池引發(fā)新能源汽車起火的事故頻頻發(fā)生，車載動(dòng)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(dòng)力的安全隱患主要有短路、電解液的泄漏[1]、氣壓過(guò)高，因此針對(duì)上述安全隱患對(duì)電池單體和電池包的設(shè)計(jì)尤為重要。

申請(qǐng)專利的宗旨是公開(kāi)換取保護(hù)，豐田公司的重要技術(shù)會(huì)通過(guò)專利申請(qǐng)進(jìn)行保護(hù)，通過(guò)對(duì)豐田申請(qǐng)專利情況的分析，篩選其重要專利，通過(guò)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(dòng)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(duì)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(shí)、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(huì)引起電解液泄漏。鋰電池在過(guò)充的情況下（甚至正常充放電時(shí)），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(dòng)力電池的防短路設(shè)計(jì)非常重要。在防短路方面，豐田技術(shù)主要涉及到對(duì)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(cè)及控制。2003年前的專利申請(qǐng)包括：采用樹(shù)脂制的框體，且將連接相鄰端子的連接金屬件保持在樹(shù)脂制框部中形成一體結(jié)構(gòu)，從而可以防止車輛相撞時(shí)車體的金屬殼體變形時(shí)，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(qǐng)包括：采用絕緣性的樹(shù)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(qǐng)包括：將彎曲卷繞處的隔板設(shè)置為具有彎曲部，以及通過(guò)檢測(cè)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(qǐng)包括：車體發(fā)生碰撞時(shí)，電池箱在車體內(nèi)部的移動(dòng)約束和斷電控制；實(shí)現(xiàn)單體之間電連接的斷開(kāi)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(duì)變位。2003—2008年的專利申請(qǐng)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(qǐng)包括：在電池模塊之間設(shè)置吸能部件；通過(guò)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(shí)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(duì)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(qǐng)主要包括對(duì)連接電池端子的螺釘松緊程度的壓力自動(dòng)檢測(cè)，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(duì)位移的單位連接體來(lái)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(lái)將各單體電池進(jìn)行固定。2003—2008年的專利申請(qǐng)主要包括：在電池模塊之間的間隙中設(shè)置多個(gè)在豎直方向上突出的多個(gè)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(qǐng)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(shí)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(duì)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(qǐng)主要包括：在電池組的兩端設(shè)置整體端板，并用通過(guò)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(qǐng)主要包括：將多個(gè)長(zhǎng)方體形狀的電池槽形成為一體的一體電池槽，各個(gè)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(duì)連接電池組約束力的檢測(cè)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(qǐng)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(guò)一定裝置釋放出來(lái)以不至于造成電池內(nèi)壓過(guò)大而引起其他更大傷害如爆炸等?？梢?jiàn)設(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(shí)，排氣結(jié)構(gòu)打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過(guò)多發(fā)生形變導(dǎo)致殼體爆炸。USABC的測(cè)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(guò)對(duì)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(qǐng)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(guò)排氣管排出到電池組的外部，以及通過(guò)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(qǐng)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(guò)排氣閥排出。2009年以后的專利申請(qǐng)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(kāi)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(kāi)狀態(tài)；電池具備非復(fù)位型的安全閥，且安全閥具有在開(kāi)閥時(shí)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(kāi)閥時(shí)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(kāi)槽，在裂開(kāi)槽局部形成有比其他部分寬度寬的測(cè)定槽，測(cè)定槽設(shè)置于裂開(kāi)槽的多個(gè)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(jiǎn)化排氣管道的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對(duì)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(gè)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(duì)短路的檢測(cè)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(lái)改善壓力的均勻性。在排氣方面，從傳統(tǒng)的對(duì)排氣孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，從而簡(jiǎn)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.