基于專利分析的新能源汽車動力電池熱管理技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

辛明華 王軍雷 呂惠

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：新能源汽車 動力電池 熱管理 專利分析

1 引言

隨著新能源汽車普及應用，動力電池管理系統(tǒng)成為電池系統(tǒng)的核心、守護電池安全的關鍵[1]，企業(yè)對電池管理的研發(fā)熱度不斷升溫。動力電池管理功能可分為電管理、狀態(tài)管理和熱管理。電管理使動力電池發(fā)揮優(yōu)異的輸出性能，同時不會發(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，準確估計電池荷電狀態(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)；電池熱管理能夠保證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)枝晶導致的內(nèi)短路和高溫電池過熱導致的熱失控，維護了動力電池安全[2]。

2 電池管理核心技術專利申請趨勢分析

本文使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術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，收錄了全球104個國家1.3億余條汽車及相關領域的專利。專利選取范圍以申請日為入口，自2001年1月1日起，截至2020年12月31日。

對電池管理系統(tǒng)的電管理、熱管理和電池狀態(tài)管理這3項核心技術進行專利申請趨勢分析，如圖1所示。電池電管理包括電池充放電技術、均衡技術和電池保護等，電池狀態(tài)管理包括電池參數(shù)測量、荷電狀態(tài)估計、健康狀態(tài)估計、功率狀態(tài)估計等。電池狀態(tài)管理和電管理領域的專利申請量從2001年開始保持快速增長態(tài)勢，直至2013年增速放緩，同時電池狀態(tài)管理的申請量逐漸超過電池電管理。對電池熱管理來說，2001年至2015年專利申請量與電池狀態(tài)管理和電管理同步增長，2015年之后申請量同比增長率快于電池狀態(tài)管理和電池電管理，并在2018年申請量超過其他2個領域，說明近年來電池熱管理研究的關注度更高。

3 電池熱管理技術專利分析

3.1 專利申請趨勢分析

截至2020年12月31日，電池熱管理技術相關專利申請全球14 178件，其中在中國申請7 904件，電池熱管理技術在全球和中國范圍逐年專利申請量如圖2所示。

圖2 電池熱管理技術全球和中國專利逐年申請量

從圖2可以看出，自2001年以來，中國和全球電池熱管理專利申請量同步快速增長。由于2019年—2020年專利尚未完全公開，專利申請量有所下降。從全球?qū)＠暾垇砜?，雖然2012—2015年專利申請同比增長量趨于平緩，但電池熱管理技術相關專利整體申請量處于增長狀態(tài)。電池熱管理由于電池單體的多樣性和冷卻介質(zhì)的快速升級換代帶來了專利申請量的持續(xù)增長。

中國電池熱管理技術專利申請從2001年開始起步，2001—2008年申請量增長緩慢，在2009年同比增長率快速上升，在全球申請總量的占比越來越高。2018年中國電池熱管理技術轉申請量達到1 534件，占2018年全球電池熱管理技術專利申請量的76.5%。

3.2 動力電池熱管理技術來源地域分布

從申請人所在國家/地區(qū)來進行電池熱管理技術來源地域分布分析，電池熱管理技術專利的技術來源國主要集中在中國、韓國、美國和日本，如表1所示。

表1 電池熱管理技術地域分布情況

具體來看，我國電池熱管理技術專利申請量達到6 344件，占比44.7%，專利申請量位居第1。其次為韓國1 515件，占比10.7%，位居第2，第3和第4名分別為美國和日本?？梢钥闯觯@幾個國家也是新能源汽車主要市場和動力電池主要產(chǎn)出國，龐大的市場需求推動了電池熱管理技術的快速發(fā)展。

3.3 動力電池熱管理技術申請人分析

電池熱管理技術全球主要申請人前10名如圖3所示，他們分別是LG化學、豐田、福特、本田、比亞迪、華霆動力、三星SDI、吉利、寧德時代和博世。前10名的申請總量為2 911件，占全球申請總量的20.5%，可見電池熱管理技術申請較為分散。排名前10的申請人中有4家動力電池供應商、4家整車企業(yè)、1家頭部汽車零部件企業(yè)和1家整車及動力電池的開發(fā)企業(yè)。電池供應商和整車企業(yè)在該領域均有相當均衡的研發(fā)投入。

圖3 電池熱管理技術全球主要申請人申請量排名

電池熱管理技術中國專利主要申請人前10名如圖4所示，中國范圍內(nèi)動力電池熱管理技術專利專利申請量前3名的分別為華霆動力、比亞迪和寧德時代。排名前3的企業(yè)專利申請總量占前10名專利申請總量的40%。LG化學和豐田在動力電池熱管理技術領域的全球?qū)＠季州^多，但在中國的專利布局相對不足，排名僅為第7名和第5名。另外，本田、三星SDI和博世，在動力電池熱管理全球?qū)＠暾埩咳伺琶羞M入前10名，但在中國專利布局較少。在中國專利主要申請人前10名的中國企業(yè)還包括：吉利、北汽新能源和蜂巢，他們在全球?qū)＠暾埩肯鄬^少，專利向外輸出的能力有所不足，全球?qū)＠暾埩繘]有進入前10名。

圖4 電池熱管理技術中國專利主要申請人申請量排名

3.4 動力電池熱管理技術發(fā)明人分析

基于第1發(fā)明人統(tǒng)計，動力電池熱管理技術全球?qū)＠暾埖?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）動力技術有限公司，在2013—2018年為華霆動力進行動力電池熱管理技術專利申請，其重點研究領域為圓柱電池的液體換熱技術。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，專利申請年大部分為2017年，研究重點集中在電池熱管理系統(tǒng)方案，車載空調(diào)及冷媒與電池熱管理系統(tǒng)的協(xié)同工作。從重點發(fā)明人的專利申請年也可以看出，2017年，動力電池熱管理技術產(chǎn)生了很多新變革。

表2 電池熱管理技術全球?qū)＠l(fā)明人前10名

3.5 動力電池熱管理技術技術分布分析

動力電池熱管理技術按技術分支主要可分為液冷、風冷、導熱結構和材料、熱管理控制系統(tǒng)、電加熱。動力電池液冷技術是在電池包內(nèi)設計換熱結構，結構外部與電池單體貼合，結構內(nèi)部為換熱液體通道，將動力電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量帶走或者低溫時為電池加熱，使電池工作在適合的溫度范圍內(nèi)，其冷卻效果好，但由于換熱液體進入電池包內(nèi)部，為系統(tǒng)帶來安全隱患；風冷技術是電池包內(nèi)部設計有冷卻換熱風道，通過接口連通電池包外部管路，與外部冷卻風機相通形成散熱循環(huán)，風道內(nèi)的風將電池產(chǎn)生的熱量帶走，冷卻效果較好，但次于液冷設計，其優(yōu)點是成本低、安全性好。動力電池熱管理是協(xié)調(diào)控制熱管理各部件是否工作及開啟和關閉時序，并協(xié)調(diào)與駕駛艙熱管理、驅(qū)動電池熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)工作，適時利用車輛熱量。

以動力電池熱管理技術的研發(fā)難點為核心，綜合考慮動力電池熱管理方式、檢索可能性、行業(yè)分類習慣等因素，提出相對簡單且研發(fā)關注較低的部分，確定了電池熱管理技術的技術分支，并對技術分布進行統(tǒng)計，如表3所示。

表3 動力電池熱管理技術分解表

從表4可以看出，液冷技術是動力電池熱管理占比最高的領域，占比44.2%，液冷技術目前較為成熟，且冷卻效果和成本具有較好的綜合優(yōu)勢，市場上大部分動力電池系統(tǒng)采用液冷技術進行冷卻；風冷技術占比30.2%，比液冷技術的專利申請量稍低，但由于其與冷卻相比更加安全，并且易于布置，也是動力電池熱管理重要的技術分支；熱管理控制占比25.6%，他相當于熱管理系統(tǒng)的大腦，統(tǒng)籌調(diào)配熱管理系統(tǒng)部件按需運轉，保證動力電池工作溫度適合。

3.6 動力電池熱管理技術路線及核心專利解讀

動力電池熱管理技術目前主流技術分支包括液冷和風冷技術，選擇各技術分支具有代表性的核心專利進行解讀，來說明動力電池熱管理的各技術路線。

液冷的核心技術主要集中在冷卻管路或冷卻板設計及防漏液方面。根據(jù)電池單體形狀不同，比如方形或者圓柱形，其冷卻構件從不同位置貼合被冷卻電池。例如LG化學專利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行熱交換。這種布置方式需要水冷板具有一定的剛性，同時不降低冷卻性能。因此，CN111630708A在冷卻板的上板和下板之間設計了支撐部件，支撐部件的凸凹設計與上下板形成冷卻劑流路，該設計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保證電池系統(tǒng)安全，LG化學的專利CN108292785B[4]發(fā)明了帶有吸收體的散熱板，當冷卻劑通道內(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化學的防漏液措施，華霆動力提出了在液冷管路外側包裹粘合層，粘合層外側包裹反應層，在發(fā)生漏液時反應層與冷卻劑發(fā)生反應，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)，對冷卻管路本體進行密封，改善了冷卻劑泄漏問題。

動力電池風冷技術更多應用于厚度和長、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構時換熱效果較好，但軟包或刀片電池單體之間如果布置液冷結構不僅會增加電池包總重量，而且會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道，風道與的1個方向與外界相通，另一個方向從電池陣列的一側流動到另一側，使外界冷卻風可以進入換熱風道并于電池單體外殼表面直接接觸，從而對電池單體進行冷卻。

動力電池熱管理控制系統(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)處于關閉狀態(tài)時，控制車輛的空調(diào)啟動，將冷卻介質(zhì)從電池熱交換器引入空調(diào)蒸發(fā)器，實現(xiàn)電池系統(tǒng)冷卻。電池熱管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)，比亞迪的專利CN110015193B提出的熱管理系統(tǒng)包括半導體熱交換器和控制器，可以根據(jù)動力電池的實際狀態(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或者過低時對溫度進行調(diào)節(jié)，使車載電池的溫度維持在預設范圍，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 結論

目前動力電池熱管理技術已經(jīng)成為動力電池管理各領域中專利申請量同比增長最快的技術領域，并且中國已經(jīng)成為動力電池熱管理技術最大的技術來源國，占比44.7%。

從申請人看，有4家國內(nèi)企業(yè)全球動力電池熱管理專利前10名申請人，分別為比亞迪、華霆動力、吉利和寧德時代，分別位居第5、第6、第8和第9名，其專利申請量和國外頭部企業(yè)還有一定差距。國外企業(yè)應該更加重視全球?qū)＠季郑巩a(chǎn)品在進入國際市場的時候不受專利制約。

動力電池熱管理技術主要以液冷、風冷和熱管理控制為研發(fā)熱點，從專利來看，液冷由于冷卻效果優(yōu)于風冷，液冷申請量稍大于風冷，而風冷具有使電池系統(tǒng)比能量高，安全性好等特點，也被整車企業(yè)和電池供應商做為冷卻方案之一。熱管理控制方面，將車輛冷卻系統(tǒng)與電池熱管理系統(tǒng)協(xié)同工作，最大限度利用電動汽車有限的能量已成為重要發(fā)展趨勢。