基于專利分析的動力電池系統與結構技術研究

劉蘭 郭少杰 王亮亮 冀然

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

新能源汽車屬于技術密集型產業(yè)，動力電池是新能源汽車至關重要的“三電”（電池、電機、電控）系統之一，是整車的動力來源，直接影響著車輛的性能與續(xù)航。隨著我國新能源汽車產業(yè)快速發(fā)展，動力電池需求越來越旺盛，動力電池研發(fā)投入越來越多。眾多資本不斷涌入到動力電池領域，一方面加速了動力電池領域的技術發(fā)展，另一方面加速了技術同質化和低質化不良現象，因此深入研究動力電池技術對于促進技術不斷走向高質量發(fā)展尤為重要。作為新興的儲能單位，動力電池是多學科技術的集成體，主要包括動力電池系統與結構、電池管理系統、鋰離子電池、鋰硫電池、固態(tài)電池、金屬空氣電池和動力電池回收技術。其中，電池系統與結構、電池管理系統和鋰離子電池是目前研究較多的熱點技術。本文僅對電池系統與結構領域的專利技術進行分析。動力電池系統與結構涉及車輛總體布置，動力電池性能、可靠性、一致性、安全性和與車輛適配性密切相關，并且目前動力電池系統與結構也是動力電池領域中專利量最大的細分領域，在動力電池領域中占據重要地位。

然而，目前大多數研究僅集中在動力電池系統與結構的某一方面，例如如何進行結構設計以實現更好的防爆效果、如何改進電池箱結構以實現結構簡化。對動力電池系統與結構的整體技術情況進行系統性研究的文獻較少，這不利于系統地掌握動力電池系統與結構領域技術。

系統地掌握動力電池系統與結構領域技術的方式有多種，例如專家訪談、行業(yè)報告調研、行業(yè)論文調研、專利文獻調研和市場調查。其中，專利文獻作為技術信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術情報，因而專利文獻調研是系統掌握動力電池系統與結構領域技術的有效方式。為了更加清晰、快速地獲知動力電池系統與結構領域的整體技術發(fā)展情況，本文基于專利分析，從專利申請趨勢、申請人情況、發(fā)明人情況及主要技術分支技術情況對該領域進行系統性研究，展示技術競爭動態(tài)以及專利文獻中所提出的新思路和新方法，激發(fā)新的研究點，促進動力電池系統與結構的技術研發(fā)與應用。

1 動力電池系統與結構技術專利申請趨勢

在國內車企中，比亞迪自主研發(fā)動力電池的時間最長，其他車企（如上汽、一汽、東風、長安、吉利）多采用與寧德時代成立合資公司的方式彌補車企供應鏈短板。長期來看，通過自主研發(fā)掌握電池核心技術的汽車企業(yè)具有更廣闊的發(fā)展空間，而動力電池系統與結構領域由于不涉及單電池及原材料基礎研究，較為適合作為汽車企業(yè)動力電池研發(fā)的切入點。

本文使用的專利檢索數據庫為中國汽車技術研究中心有限公司自主研發(fā)的全球汽車專利數據庫。專利選取范圍以申請日為入口，自2010年1月1日起，截至2022 年12 月31 日，選取中國專利申請。截至2022 年12 月31 日，動力電池系統與結構技術相關中國專利申請量為36 374件。

從專利申請趨勢角度對動力電池系統與結構進行分析，專利申請情況如圖1 所示。動力電池系統與結構領域中國專利申請量自2010 年至今基本呈現出逐漸增加的趨勢，2022 年專利申請量達到峰值。自2014 年起專利申請量均在4 位數以上，說明該領域技術處于不斷發(fā)展階段，申請人十分重視在該領域的技術積累以及專利布局。由于專利公開日相比于申請日有18個月的滯后期，因此圖1中展示的2022年專利申請量小于實際專利申請量。

圖1 動力電池系統與結構技術專利年度申請情況

2 動力電池系統與結構技術專利申請人

中國企業(yè)在動力電池系統與結構技術方面布局最多，中國地區(qū)申請人主要包括寧德時代、比亞迪、蜂巢能源、億緯動力、中創(chuàng)新航、沃瑪特電池、國軒高科，如圖2 所示。國外企業(yè)中，豐田、LG、羅伯特·博世、三星、福特排名較為靠前，但申請量相比寧德時代這樣的領先企業(yè)低很多?？梢钥闯?，國內企業(yè)較為重視動力電池系統與結構領域的技術研發(fā)和專利布局，有較高的技術優(yōu)勢。

圖2 中國地區(qū)動力電池系統與結構技術申請人分布

中國本土企業(yè)中，寧德時代、比亞迪和蜂巢能源的專利申請量占據絕對優(yōu)勢，技術積累深厚。

從申請人類型來看，寧德時代、蜂巢能源等動力電池研發(fā)與制造企業(yè)占比更高，而豐田、北汽新能源等整車企業(yè)占比較低，說明該領域的技術大多掌握在動力電池研發(fā)與制造企業(yè)。

3 動力電池系統與結構技術發(fā)明人

對動力電池系統與結構技術中國專利申請發(fā)明人分布情況進行分析，結果如表1 所示。排名前10 的發(fā)明人均為中國發(fā)明人，且發(fā)明人并不集中在少數幾家企業(yè)當中。排名第1 的發(fā)明人王鵬，就職于寧德時代新能源科技股份有限公司，自2010年開始一直為寧德時代公司進行動力電池系統與結構技術專利申請。

表1 動力電池系統與結構技術中國專利申請發(fā)明人分布

排名第2 的發(fā)明人周鵬，就職于華霆（合肥）動力技術有限公司，自2012年開始一直致力于動力電池系統與結構技術的研究。排名第8 的發(fā)明人勞力也就職于華霆動力公司，且2 位發(fā)明人之間擁有共同的專利，說明這2 位發(fā)明人有可能屬于同一研究團隊。排名第3 的發(fā)明人朱燕就職于比亞迪股份有限公司，排名第4 的發(fā)明人曲凡多和排名第9 的發(fā)明人張海建都就職于蜂巢能源科技有限公司，且2 位發(fā)明人之間擁有共同的專利，說明這2 位發(fā)明人有可能屬于同一研究團隊。

總結來看，動力電池研發(fā)與制造企業(yè)掌握更多的動力電池系統與結構領域發(fā)明專利。發(fā)明人排名情況與申請人排名情況大體吻合，例如申請人排名前3 的寧德時代、比亞迪和蜂巢能源，其發(fā)明人排名也靠前，這在一定程度上體現出其技術團隊的穩(wěn)定性。對比發(fā)明人專利量與申請人專利量可得知，企業(yè)核心發(fā)明人專利貢獻雖然較大，但并未形成絕對優(yōu)勢（即核心發(fā)明人專利申請量并未達到企業(yè)專利申請量的一半以上），這說明企業(yè)創(chuàng)新技術并不由某個團隊獨占。

4 動力電池系統與結構技術

4.1 技術領域專利申請情況

本文將動力電池系統與結構技術分為6 個技術分類，即電池箱結構、電池成組技術、電池防護技術、電池防爆技術、無模組結構和其他結構，并對這6 個技術分類專利進行統計，結果如圖3 所示。其中，電池箱結構是指包含動力電池模組、箱體和附件等部件結構，用于將電池組裝起來形成整體。具體來說，電池箱結構包括箱體結構及安裝附件、模組結構、承載結構和其他附件。其他結構是指除電池箱結構、電池成組技術、電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構之外的其他結構技術，例如零部件（線束、極耳、連接片）、測試裝置。電池成組技術是指將若干電池單體串、并聯以獲得適合電壓和容量這一過程中所涉及的技術。通常對動力電池成組技術的要求包括能量密度高、結構可靠、安全性好、熱管理性能好。電池防護是指用于保障動力電池安全使用、不受損壞的技術。電池防爆是指用于防止電池發(fā)生爆炸的技術與措施。無模組結構是指減少或去除電池“電芯-模組-整包”三級電池包（Pack）結構的技術。

圖3 動力電池系統與結構技術分類專利分布

圖3 表明，電池箱結構的專利申請量最大，占據絕對優(yōu)勢，說明申請人在該領域的研發(fā)投入最大，技術相對來說更為成熟和密集，且對于動力電池系統與結構起著至關重要的作用。其他結構、電池成組技術、電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構技術類型的專利申請量依次降低，特別是電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構技術類型專利申請量均在2 000 件以下，說明這些技術類型的專利申請空間較大。近年來，新興無模組結構技術專利量最少，相關企業(yè)可加大該領域研發(fā)力度，盡早進行專利布局。

從表2 中可以看出，電池箱結構、電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構技術類型的發(fā)明專利數量小于實用新型專利數量，而其他結構和電池成組技術類型的發(fā)明專利數量大于實用新型專利數量，以上技術類型均未申請外觀設計專利。電池箱結構、電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構技術類型中發(fā)明占比相對較低，說明這些技術類型中含有大量創(chuàng)新水平一般的技術。綜合整個動力電池系統與結構技術類型來看，電池箱結構、其他結構和電池成組技術類型的發(fā)明專利數量相對電池防護技術、電池防爆技術和無模組結構的專利數量具有顯著優(yōu)勢，說明電池箱結構、其他結構和電池成組技術類型具有更多較高創(chuàng)新水平的技術。

表2 動力電池系統與結構技術專利類型分布

4.2 電池箱結構核心專利解讀

電池箱結構技術還可細分為4 個技術分支，即箱體結構及安裝附件、模組結構、承載結構和其他附件。從專利申請量來看，箱體結構及安裝附件、模組結構、承載結構和其他附件的申請量依次減少。本文選擇技術分支中具有代表性的核心專利進行解讀，闡述電池箱結構技術中分支技術的發(fā)展情況。

箱體結構及安裝附件的核心技術主要集中在保證結構可靠性和安全性。例如，寧德時代新能源科技股份有限公司專利CN216850204U[1]提出將封堵件設于內孔處并將內孔封閉，封堵件受到氣壓沖擊開啟后，將容納腔與第一型腔連通，從而改善電池的安全性（圖4、圖5）。合肥國軒高科動力能源有限公司專利CN213199444U[2]提出通過底部支撐架連接2 組電池包，再通過倒U 型結構將底部支撐架安裝在車體主梁上，然后通過斜拉梁將倒U 型結構加固在車體主梁上提高穩(wěn)定性，以此改善電池包在行駛過程中的受力情況，降低電池包焊接區(qū)域的斷裂風險。華霆(合肥)動力技術有限公司專利CN112366377A[3]提出其至少1個第一蓋板和與其連接的第二蓋板之間的相對位置可根據相對位置變化信息進行調控，使得極片處于預設安全范圍內，以改善電芯與集流板相對位移過大導致的極片斷裂問題。江蘇塔菲爾新能源科技股份有限公司專利CN216015608U[4]提出蓋體的第二配合面蓋接于座體的第一配合面，使座體和蓋體凹凸相配合連接，從而有效防止輸出極保護組件中各部件之間出現配合失效的現象，從而提高輸出極保護組件的裝配強度和穩(wěn)定性。

圖4 專利CN216850204U電池箱體拆分結構示意[1]

圖5 專利CN216850204U電池箱體截面示意[1]

模組結構的核心技術主要集中在提高電池安全性和能量密度。寧德時代新能源科技股份有限公司專利CN216849989U[5]提出通過疊加并反復折疊第一極片、隔膜及第二極片形成連續(xù)疊片，其中第一活性區(qū)域和第二活性區(qū)域分別位于連續(xù)疊片的非折疊部分，且二者相互對應，進而有效降低切片而成的疊片式鋰離子電池存在析鋰的安全隱患。中創(chuàng)新航科技股份有限公司專利CN216850116U[6]提出特定尺寸的正負極極柱及特定的正負極阻值，使正極極柱和負極極柱更快地向外傳遞熱量，防止大量熱量向電池內部傳遞，在保障了獲得更高能量密度的同時，避免了因為大倍率充放電引發(fā)電池熱失控，以改善電池性能。比亞迪股份有限公司專利CN114665183A[7]提出電池模組的結構件與冷卻流道集成，節(jié)省模組空間，冷卻流道集成在模組外殼上，形成液冷通道后，冷卻液即可直接通過模組外殼對電池模組進行冷卻，省略中間導熱件，降低了冷卻系統成本，同時提高導熱效率（圖6）。

圖6 專利CN114665183A電池模組分解結構示意[7]

承載結構的核心技術主要集中在提高電池包安全性及集成度方面。比亞迪股份有限公司專利CN114552095A[8]提出通過第一防護板、第二防護板結構以及參數限定，進一步提高電池托盤的抗沖擊能力，降低外部沖擊對電池模組的影響，提高電池包的安全性。 比亞迪股份有限公司專利CN114361683A[9]提出在容納槽設置吸能裝置，其至少包括1 組彈性組件，吸能裝置朝向電池包空間的一側為電池接觸側，電池接觸側突出于立板的內側壁。在電池接觸側受到擠壓力狀態(tài)下，彈性組件壓縮變形。電芯膨脹時，能夠讓電芯擠壓吸能裝置，使電池接觸側向容納槽內的方向運動，進而使吸能裝置吸收電芯膨脹時的作用力，避免電池組件損壞。蜂巢能源科技有限公司專利CN215621360U[10]提出將殼體構造為車身地板，以殼體替代車身地板，從而提升電池包和車身集成度，有助于利用車輛高度空間，還可以降低車輛質量。豐田自動車株式會社專利CN113224438A[11]提出第一緩沖部件，其配置方式為通過將電池組容器固定在地板上，使其夾在多個電池單元與地板之間。第一緩沖部件構成在車輛前后方向及車輛左右方向上延伸的矩形形狀。而且，在第一緩沖部件中，距懸架安裝部位遠的第一區(qū)域彈性模量采用第一彈性模量，而距懸架安裝部位近的第二區(qū)域彈性模量采用比第一彈性模量低的第二彈性模量（第一緩沖部件優(yōu)選使用由橡膠、海綿等構成的彈性體，也可以是剛性體；第一彈性模量比第二彈性模量高，為第二彈性模量的100 倍），該方案具有高可靠性，并且能以簡易的結構搭載電池組（圖7、圖8）。

圖7 專利CN113224438A電池組車載結構[11]

圖8 專利CN113224438A第一緩沖部件正視圖[11]

4.3 電池成組技術核心專利解讀

本節(jié)對電池成組技術中具有代表性的專利進行解讀，闡述重點企業(yè)在電池成組技術方面的研發(fā)傾向。電池成組技術領域中，寧德時代、比亞迪和蜂巢能源的專利申請量排名較為靠前。

寧德時代在電池成組技術領域的研究重點主要集中在提高裝配效率、結構穩(wěn)定性和能量密度方面。專利CN216015534U[12]提出將圓柱電芯放置在容納腔體中后，容納腔體即可形成對圓柱電芯的徑向以及軸向第一端限位，在將壓蓋卡接在支架上即可形成對多個圓柱電芯第二端限位。而且用于容納圓柱電芯的容納腔體僅由支架1 個結構形成，無需與其他結構配合，降低了裝配難度，整個裝配過程相對簡單。專利CN113725531A[13]提出動力電池頂蓋組件，電極連接板和頂蓋片之間通過絕緣密封圈來實現二者密封連接，同時設置壓板對絕緣密封圈施加壓力以壓緊絕緣密封圈，保證絕緣密封圈的位置穩(wěn)定，提升密封性能可靠，動力電池頂蓋組件裝配難度低，電極連接板與頂蓋片之間密封狀態(tài)穩(wěn)定。CN113140874A[14]提出通過電極輸出連接片、跨接電極連接片和鄰接電極連接片以使電池模組形成供電通路。通過上述方案，使得該電池模組應用場景更多樣化，有利于提高電池模組的安全性及能量密度（圖9）。

圖9 專利CN113140874A電池模組結構示意[14]

比亞迪和蜂巢能源在電池成組技術領域的研究重點主要集中在提高空間利用率和可靠性方面。如專利CN114649616A[15]提出了1 種包含多個折疊連接片的動力電池，該動力電池包括多個沿電池寬度方向依次排列的多個電芯、電芯支架和折疊連接片，每個電芯兩端分別具有陽極柱和陰極柱。每個電芯端部分別固定到電芯支架上。每個折疊連接片包括至少2個折疊形成的電連接片，至少2個電連接片呈層疊分布且相鄰層的電連接片連接，每個折疊連接片在電芯的端部連接其中一個電芯陽極柱和一個相鄰電芯的陰極柱，多個折疊連接片將多個電芯串聯連接（圖10）。

圖10 專利CN114649616A電池端部結構示意[15]

折疊連接片既能保證過流截面面積，又能提高折疊連接片變形能力，便于工裝壓緊時，折疊連接片能夠充分變形以緊貼極柱面，避免出現電芯與折疊連接片接觸不良，使折疊連接片對電芯的電連接更可靠。CN215451691U[16]提出了1 種電連接件，由第1 電連接部、第2 電連接部和彎折連接部組成，第1 電連接部及第2電連接部分別一體連接于彎折連接部彎折的兩端，且第2 電連接部靠向第1 電連接部。在垂直于彎折中心線的方向上，第2電連接部長度大于第1電連接部長度，采用該電連接件將2個電池模組中的電芯進行連接后，2個電池模組之間的間距最小可以做到等于電連接件的第1電連接部與第2電連接部厚度之和，較現有技術降低了電池模組之間的間距，因此提高了動力電池殼體內的空間利用率，進而提高了動力電池的體積能量密度。專利CN213278201U[17]提出電芯蓋板，其包括基板組件、極柱、固定塊和連接塊。基板組件用來密封安裝在電芯殼體的一端。極柱位于基板組件的一側面上并且凸出于基板組件。固定塊將極柱鉚固在基板組件上，且固定塊一端位于基板組件的另一側面上。連接塊和極柱位于基板組件的同一側面上，且間隔開布置。連接塊固定在基板組件上，且凸出于基板組件。該電芯蓋板可以實現2個電芯直接串聯，避免使用連接件，增加了電池包空間利用率，降低了成本，同時保證了串聯結構強度要求。CN212542626U[18]通過電芯排布將整個模組用于對外連接的正負極設于殼體的同一側，多層模組組合成電池包時，僅需較短的匯流排即可實現相鄰層模組之間的電連接，可有效避免長匯流排帶來的各種安全隱患。

5 結束語

動力電池系統與結構技術處于不斷發(fā)展階段，申請人十分重視在該技術領域的技術積累以及專利布局。

從技術競爭力動態(tài)分析來看，動力電池系統與結構技術主要掌握在電池企業(yè)（典型的電池廠商包括寧德時代、蜂巢能源、億緯動力和中創(chuàng)新航）手中，占有較高的技術優(yōu)勢，特別是寧德時代專利申請量在所有申請人中排名第1位。這些企業(yè)深耕動力電池領域，在動力電池領域已具備較強的競爭優(yōu)勢，因此在一定程度上可預見其在動力電池系統與結構領域（動力電池領域的下一級技術領域）同樣占據優(yōu)勢。整車企業(yè)中，比亞迪、豐田、北京新能源和福特排名較為靠前。綜合發(fā)明人的情況來看，專利申請量排名前10的發(fā)明人中，僅有1人就職于車企（比亞迪），其余發(fā)明人均就職于電池廠商，說明動力電池系統與結構領域內的核心發(fā)明人也更傾向于選擇電池廠商，這有利于電池廠商技術的持續(xù)發(fā)展，聚集更多核心技術人員更容易對技術進行保護。但對于車企來說并不是一個樂觀的情況，車企在該領域需要更多投入，才能形成競爭優(yōu)勢。

動力電池系統與結構技術目前以電池箱結構和電池成組技術為研發(fā)熱點，特別是電池箱結構專利占比高達65%（圖3），而電池成組技術專利占比相對較低，為11%。各企業(yè)主要以零部件結構技術創(chuàng)新為切入點，進而延展到結構相關參數以及整體結構上，以提升可靠性、電化學性能和裝配效率方面性能，該方式屬于結構技術類型專利較為常見的手段，未來專利可朝著“結構+電控”結合方向布局。電池防爆技術和無模組結構專利占比之和不足4%，然而優(yōu)異的電池防爆技術可極大緩解用戶對新能源汽車的安全焦慮，無模組結構可增加車內空間、提升續(xù)駛里程、降低成本，以上2項技術對用戶選擇何種車型產品、甚至是否選擇新能源汽車有重要影響。當前專利競爭并不激烈，技術壁壘尚未形成，企業(yè)可加大電池防爆技術和無模組結構的研發(fā)以占據先機，特別是在其他類型專利技術已有落后趨勢的汽車企業(yè)可在此類專利技術上抓緊布局以實現“彎道超車”。