動力電池安全技術(shù)專利分析與知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險應(yīng)對

王亮亮 王軍雷 孫禹

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：動力電池安全 專利分析 知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險 新能源汽車

1 前言

新能源汽車已成為全球汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，動力電池安全作為新能源汽車的“生命線”，成為消費者、企業(yè)以及監(jiān)管部門關(guān)注的焦點。動力電池安全事故引發(fā)的車輛起火不僅會危害消費者的人身安全，也有損車企品牌形象和產(chǎn)生召回?fù)p失。因此，動力電池供應(yīng)商和整車企業(yè)都十分關(guān)注動力電池安全技術(shù)的提升和改進(jìn)。從電池材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計以及電池管理系統(tǒng)4 個維度進(jìn)行技術(shù)升級和改進(jìn)，不斷提高動力電池的安全性。

本文聚焦主流動力電池企業(yè)和整車企業(yè)在上述領(lǐng)域的專利申請和布局情況，揭示當(dāng)前動力電池安全技術(shù)的最新進(jìn)展，分析新能源汽車行業(yè)未來技術(shù)研發(fā)方向和專利保護(hù)。

2 動力電池專利分析

2.1 數(shù)據(jù)范圍說明

本文專利檢索的數(shù)據(jù)以已經(jīng)公開的在華專利申請作為分析對象。企業(yè)層面選取當(dāng)前行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的整車和零部件企業(yè)。其中，動力電池供應(yīng)商包括：寧德時代、比亞迪、蜂巢能源、國軒高科、LG 化學(xué)、三星SDI、松下電池和孚能科技。整車企業(yè)中，選擇北汽新能源、長城汽車、東風(fēng)汽車、上汽集團(tuán)、廣汽集團(tuán)、大眾汽車、特斯拉作為專利申請人。上述申請人是目前市場占有份額以及專利布局?jǐn)?shù)量均排名靠前的企業(yè)，可以代表當(dāng)前動力電池安全技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)水平和發(fā)展動向。

本文檢索時限定專利公開的時間截止到2020年12月31日，由于發(fā)明專利申請自申請日（有優(yōu)先權(quán)的自優(yōu)先權(quán)日）起18個月（主動要求提前公開的除外）才能被公開，實用新型專利申請在授權(quán)后才能獲得公布（即其公布日的滯后程度取決于審查周期的長短），而專利合作條約（Patent Cooperation Treaty，PCT）專利申請自申請日起30 個月甚至更長時間之后才進(jìn)入到國家階段（導(dǎo)致其對應(yīng)的國家公布時間更晚），因此在實際數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)2019年之后的專利申請量比實際申請量少的情況。

2.2 專利申請趨勢

從近10年的專利申請態(tài)勢上可以看出，動力電池安全領(lǐng)域的專利申請在2015年以前都處于較為穩(wěn)步的增長階段，在2015年以后迎來爆發(fā)式增長（圖1）。一方面是由于我國新能源汽車產(chǎn)銷量的不斷增加，另一方面是由于在該領(lǐng)域的動力電池企業(yè)和整車企業(yè)均將新能源作為重點發(fā)展方向而加大了研發(fā)投入。2015年至今，專利申請一直保持高速增長的態(tài)勢，2019年、2020年專利申請量有所減少，主要原因是近2年申請專利尚未完全公開，因此不能完全代表申請量變化趨勢。

圖1 動力電池專利申請態(tài)勢分析

2.3 專利技術(shù)領(lǐng)域分布

本文主要圍繞電池化學(xué)安全、機(jī)械安全、電氣安全和功能安全4 大類開展分析（圖2）。其中，電池安全主要指電池單體結(jié)構(gòu)及材料本身的安全性，包括正負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)；機(jī)械安全主要指電池模組的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；電氣安全主要指電池中電氣系統(tǒng)，包括低壓電氣和高壓電氣；功能安全主要指電池管理系統(tǒng)、電池狀態(tài)監(jiān)控和電池?zé)崾Э毓芾怼?/p>

圖2 專利技術(shù)領(lǐng)域分布與占比

在技術(shù)領(lǐng)域分布方面，將動力電池安全分為以下4 大類：電池化學(xué)安全、電池機(jī)械安全、電池電氣安全和電池功能安全。將相關(guān)企業(yè)的專利按照這4 類進(jìn)行分類統(tǒng)計，結(jié)果如下。

從技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成來看，電池化學(xué)安全和電池機(jī)械安全的占比最高，分別找到了該領(lǐng)域?qū)＠暾埩康?5%和35%，其次是電池功能安全，主要是電池管理系統(tǒng)相關(guān)專利，占比為15%，占比最少的是電池電氣安全，占比為5%。專利技術(shù)領(lǐng)域的分布也反應(yīng)了在當(dāng)前以鋰電池作為主流動力電池材料的前提下，提升電池安全性，主要還是要從材料本身和電池模組的排布以及結(jié)構(gòu)設(shè)計作為主要的研發(fā)方向（圖3）。

圖3 不同技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩?/p>

從申請人的專利布局?jǐn)?shù)量來看，比亞迪、寧德時代占據(jù)前2，這也與2者的市場份額占比相一致，國軒高科和蜂巢能源的專利申請量增長很快，也占據(jù)較為領(lǐng)先的位置。外資企業(yè)中，傳統(tǒng)的電池供應(yīng)商LG 化學(xué)、松下和三星SDI仍然持續(xù)在華進(jìn)行專利布局，占據(jù)了申請人中3～6名，實力十分強(qiáng)勁。整車企業(yè)申請人中，北汽新能源和上汽排名靠前，外資整車企業(yè)的專利申請量相對落后，如大眾、特斯拉（表1）。

表1 動力電池領(lǐng)域主要申請人專利布局情況

日、韓傳統(tǒng)動力電池企業(yè)布局較早，持續(xù)發(fā)力，電池安全專利質(zhì)量較高。外資電池供應(yīng)商，如LG化學(xué)、松下、三星SDI 等，專利申請量略少于中國企業(yè)，但外資電池企業(yè)主要以發(fā)明專利為主，發(fā)明專利占比在90%以上，專利質(zhì)量相對較高（圖4）。

圖4 日韓動力電池企業(yè)專利布局細(xì)分領(lǐng)域年度申請趨勢

國內(nèi)動力電池供應(yīng)商，在近10年內(nèi)實現(xiàn)了跨越發(fā)展，在很多領(lǐng)域技術(shù)水平已經(jīng)與外資企業(yè)相當(dāng)。以比亞迪、寧德時代為代表的民營自主企業(yè)，加速創(chuàng)新，塑造品牌核心競爭力。民營自主企業(yè)在專利申請質(zhì)量上雖然同外資車企還有一定的差距，但專利公開量及發(fā)明專利保有量均位居行業(yè)前列，特別是比亞迪，其發(fā)明專利持有量在動力電池領(lǐng)域國內(nèi)自主企業(yè)中排名第1（圖5）。

圖5 國內(nèi)動力電池企業(yè)專利布局細(xì)分領(lǐng)域年度申請趨勢

以北汽新能源、上汽集團(tuán)為代表的國有整車企業(yè)逐漸重視技術(shù)創(chuàng)新，專利質(zhì)量不斷提升，有較大上升空間。

動力電池安全技術(shù)主要布局在電池材料、結(jié)構(gòu)和手段等方向，主要圍繞電池制造商、供應(yīng)商環(huán)節(jié)布局，從整車結(jié)構(gòu)、控制方法優(yōu)化電池安全的手段相對較少，因此整車企業(yè)專利數(shù)量相對較少，而電池供應(yīng)商的專利布局占據(jù)了整體申請量的大部分。從布局的技術(shù)領(lǐng)域來看，電池供應(yīng)商圍繞化學(xué)材料和結(jié)構(gòu)安全布局更多，整車企業(yè)圍繞電池模組結(jié)構(gòu)以及電池管理系統(tǒng)布局較多，除比亞迪以外，在電池材料領(lǐng)域布局很少（圖6）。

圖6 國內(nèi)自主整車企業(yè)專利布局細(xì)分領(lǐng)域年度申請趨勢

3 典型高安全性動力電池產(chǎn)品及其專利布局分析

近年來，電池供應(yīng)商和車企紛紛推出高安全性產(chǎn)品來解決動力電池起火這一問題。如比亞迪的刀片電池、寧德時代的無模組（Cell To Pack,CTP）技術(shù)、廣汽埃安的彈匣電池以及蜂巢能源的冷鋒系列電池等。這些產(chǎn)品和技術(shù)基本上都是圍繞電池材料、模組結(jié)構(gòu)和電池管理系統(tǒng)方面進(jìn)行的，目的在于保證動力電池能夠在針刺、碰撞、涉水、高溫的嚴(yán)苛環(huán)境下不會發(fā)生起火爆炸的事故，從而提高車輛駕乘人員的安全性。

寧德時代在2020年推出了永不起火的811 電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)從材料、電芯結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)熱擴(kuò)散保證不會出現(xiàn)熱失控。

（1）電芯材料：從材料來看，正極材料和電解液是提升電芯安全性的關(guān)鍵。寧德時代通過原子層級創(chuàng)新，開發(fā)出了高穩(wěn)定性正極材料和高安全電解液，電池耐高溫邊界提高了40 ℃，熱穩(wěn)定性大幅提高。

（2）電芯結(jié)構(gòu)：設(shè)計了高集成、強(qiáng)魯棒的防內(nèi)短路電極。電芯進(jìn)行各種濫用測試，保證其可以不起火、不冒煙。

（3）電池?zé)崾Э仡A(yù)警：基于電池的物理化學(xué)特性，精確掌控溫度、電壓和電流安全邊界，確保電池在安全舒適區(qū)工作，完善監(jiān)控模型，第一時間識別安全風(fēng)險并及時預(yù)警。

（4）阻隔熱擴(kuò)散：采用航空級耐熱材料和定向熱導(dǎo)流技術(shù)，即使單體發(fā)生熱失控，也能做到系統(tǒng)不蔓延、不起火。超低導(dǎo)熱系數(shù)的航空級熱阻隔材料，獨特的納米孔結(jié)構(gòu)可抑制空氣對流傳導(dǎo)和輻射導(dǎo)熱，避免熱量快速傳遞引發(fā)相鄰電池溫度驟升而發(fā)生熱失控。

關(guān)于永不起火的811 電池專利布局，圍繞不起火的高鎳811電池安全，寧德時代在電芯材料、電芯結(jié)構(gòu)、熱失控預(yù)警和阻隔熱擴(kuò)散領(lǐng)域均有專利布局（圖7）。

圖7 寧德時代811電池專利布局

4 動力電池領(lǐng)域技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)糾紛案例

2020年3 月，根據(jù)公開報道，寧德時代新能源科技股份有限公司（簡稱“寧德時代”）訴江蘇塔菲爾新能源科技股份有限公司（簡稱“塔菲爾”）專利侵權(quán)，案件訴訟標(biāo)的金額高達(dá)1.2 億元，受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。2021年10月，寧德時代起訴塔菲爾新能源專利侵權(quán)一案的一審結(jié)果正式公布，塔菲爾敗訴，被判向?qū)幍聲r代賠償2 330 萬元。

判決書中稱，法院認(rèn)定塔菲爾新能源構(gòu)成對寧德時代實用新型專利權(quán)的侵害，應(yīng)依法停止侵權(quán)、賠償損失，并判其向?qū)幍聲r代賠償2 330 萬元，涉及經(jīng)濟(jì)損失和制止侵權(quán)的相關(guān)費用。法院認(rèn)定，塔菲爾新能源所侵犯的專利為動力電池的“防爆裝置”實用新型專利，由寧德時代在2016年獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。塔菲爾新能源生產(chǎn)、銷售的NCM100Ah動力電池使用了上述專利技術(shù)方案，因此被判處專利侵權(quán)。

2021年7 月，寧德時代訴中航鋰電專利侵權(quán)，案件已由福州市中級人民法院受理。寧德時代稱，中航鋰電涉嫌侵權(quán)范圍覆蓋其全系產(chǎn)品，涉案專利涉及發(fā)明與實用新型專利，涉嫌侵權(quán)的電池已搭載在數(shù)萬輛車上。對于此次訴訟，中航鋰電在聲明中表示，公司重視知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，在進(jìn)行全方位知識產(chǎn)權(quán)布局的同時，其提供給客戶的產(chǎn)品都經(jīng)過專業(yè)知識產(chǎn)權(quán)團(tuán)隊的全面風(fēng)險排查，以保障不侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)。但是，從目前的情形來看，訴訟對于中航鋰電的影響可能還不止于專利糾紛本身。

通過分析近2年來寧德時代的系列訴訟案，寧德時代作為動力電池行業(yè)出貨量最大的企業(yè)，為了保持其市場競爭優(yōu)勢，采用知識產(chǎn)權(quán)訴訟作為市場競爭的手段，通過訴訟競爭對手來維護(hù)自身的權(quán)益和市場競爭優(yōu)勢。從這一角度分析，根據(jù)公開報道來看，該領(lǐng)域的專利訴訟呈現(xiàn)出日趨增多的趨勢，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該做好預(yù)案并提前制定相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險應(yīng)對策略。

5 動力電池安全技術(shù)發(fā)展趨勢展望

動力電池安全是一個跨學(xué)科的系統(tǒng)工程，涉及電化學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和計算科學(xué)領(lǐng)域。動力電池安全技術(shù)發(fā)展需要化學(xué)安全、機(jī)械安全、功能安全和電氣安全的協(xié)作配合，共同推進(jìn)安全技術(shù)進(jìn)步。因此，對于電池供應(yīng)商應(yīng)該更多分析動力電池在整車的工作環(huán)境和工況特點，開展有針對性的研發(fā)。同樣，整車企業(yè)的動力電池研發(fā)應(yīng)該深入了解電池材料特性，將電池特性融入系統(tǒng)集成和電池管理系統(tǒng)設(shè)計。

5.1 改進(jìn)電池內(nèi)化學(xué)環(huán)境是提高電池安全性的重要途徑

從電池單體來看，優(yōu)化單體結(jié)構(gòu)和原材料特性是提高電池安全性的重要途徑。單體結(jié)構(gòu)可以從被動和主動安全2 個方面來進(jìn)行安全設(shè)計，如被動防爆和主動預(yù)防短路。材料安全可以通過以下3個方面來提高鋰離子電池安全性：

（1）改善電極材料穩(wěn)定性，積極提高電池本身安全性能；

（2）改進(jìn)鋰離子電池電解質(zhì)，使用更安全型的電解質(zhì)，比如固態(tài)電解質(zhì)；

（3）通過添加特種添加劑，阻斷電池內(nèi)部化學(xué)放熱反應(yīng)。

5.2 新材料應(yīng)用是改善機(jī)械安全的重要保障

機(jī)械安全除了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證安全，也與新型材料開發(fā)應(yīng)用密不可分。在提高機(jī)械強(qiáng)度、防火、阻燃、防腐蝕設(shè)計中，除了通過結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)以上功能，也應(yīng)該注重研究新型高分子材料、輕質(zhì)材料和阻燃隔熱材料，將它們應(yīng)用于電池系統(tǒng)設(shè)計。

5.3 測試驗證對提升功能安全具有重要作用

電池管理系統(tǒng)進(jìn)行功能開發(fā)過程中，在每個階段進(jìn)行特定的測試，用來驗證功能安全要求是否正確實施，安全機(jī)制的正確性和準(zhǔn)確性、診斷或失效覆蓋的有效性非常必要。測試可以包括硬件-軟件接口測試，終端模塊子系統(tǒng)測試，中控模塊子系統(tǒng)測試，系統(tǒng)集成測試。

5.4 高壓電氣防護(hù)是電氣安全的設(shè)計重點

電動汽車安全與傳統(tǒng)燃油汽車最大的不同之處在于其電危害的存在。目前，電動汽車的使用電壓達(dá)到300～600 V（DC），甚至更高，電流也達(dá)到幾百安培。而在電壓達(dá)到30 V（DC），或電流達(dá)到5 mA（DC），就會對人的生命造成危害。與此同時，高電壓、大電流的工作環(huán)境也會對電氣部件帶來危害，并進(jìn)一步引發(fā)安全事故。因此，與低壓電氣相比，高壓電氣是安全設(shè)計重點之一。

6 結(jié)束語

本文從專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出發(fā)，結(jié)合動力電池安全的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析并研究了當(dāng)前動力電池安全領(lǐng)域的專利申請態(tài)勢、專利技術(shù)領(lǐng)域分布、主要申請人分布及專利布局，同時以寧德時代811 電池產(chǎn)品為例，圍繞該電池產(chǎn)品在電芯材料、電芯結(jié)構(gòu)、熱失控預(yù)警、阻隔熱擴(kuò)散技術(shù)維度進(jìn)行的技術(shù)研發(fā)和專利布局，為行業(yè)、企業(yè)圍繞高安全性電池產(chǎn)品的專利保護(hù)和布局提供建議，并且根據(jù)專利技術(shù)分析和產(chǎn)品的專利布局分析，給出動力電池安全技術(shù)發(fā)展建議和企業(yè)專利布局建議。