新能源動力電池配組技術專利分析

摘要：對新能源動力電池配組技術的專利進行檢索、分類、總結，并針對國內新能源動力電池配組技術的發(fā)展情況、技術分支發(fā)展趨勢以及重要發(fā)明人專利布局情況進行介紹、分析。研究結論有助于國內申請人對新能源動力電池配組技術發(fā)展進行全面的了解。

關鍵詞：動力電池；配組；一致性；動態(tài)特性；專利分析

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2024-01-20

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405018

1 前言

新能源汽車以其靜音性好、使用成本低和近乎無污染的優(yōu)點日漸獲得人們青睞，其市場需求也在迅速攀升。據(jù)公安部數(shù)據(jù)顯示，截至2023年底，我國新能源汽車保有量達2 041萬輛，2023年1-12月份，新能源汽車銷量達到9495萬輛，同比增長379%。

動力電池是新能源汽車的動力來源，是新能源汽車的核心部件，動力電池的技術發(fā)展日新月異，生產更大容量和更長使用壽命的動力電池成了各大電池廠商的主要目標。配組工藝作為動力電池生產過程中必不可少的步驟，對于電池一致性的提升有著直接的影響。作為動力電池生產的頭部企業(yè)都開展其在動力電池相關技術的專利布局，專利在技術創(chuàng)新分析和評價中占據(jù)著舉足輕重的作用。本文從不同角度運用專利數(shù)據(jù)分析方法來研究動力電池配組技術領域的創(chuàng)新發(fā)展情況。

2 動力電池配組技術專利情況概況

本文以“動力電池配組”為基本檢索要素，結合“一致性”“分檔”“篩選”“測試”“電池”“電芯”“配組”等相關關鍵詞，同時輔以國際專利分類號，在中國專利全文數(shù)據(jù)庫中進行檢索，排除不相關的申請，獲得2004—2023年動力電池配組技術相關的2 254篇中國的專利申請情況。

21 動力電池配組技術專利申請量

根據(jù)統(tǒng)計分析，動力電池配組技術相關的2 254篇中實用新型專利申請為576篇，其余均是發(fā)明專利申請，圖1可以看出相關專利申請趨勢。第1個關于動力電池配組的專利申請為2004年9月3日深圳市創(chuàng)明電池技術有限公司申請的CN 1588673A（提高產品一致性和循環(huán)壽命的液態(tài)鋰離子電池制造方法），隨后比亞迪股份有限公司在2005-2007年連續(xù)申請了4件關于電池一致性檢測的專利申請CN 1963553A、CN 201110889Y、CN 101515022A、CN 101614793A，天津力神電池股份有限公司也在2007-2008年也連續(xù)申請了4件關于鋰電池配組的相關專利CN 201066707Y、CN 201303024Y、CN 201340451Y、CN 101458310A。

同時伴隨著新能源汽車的發(fā)展，動力電池配組技術相關的專利申請量逐年增加，在2020-2022年三年中申請量分別達到257、332、324件，這既有政策的扶持也有市場的需要，促使各大企業(yè)與科研院校都投身于電池行業(yè)進行研究和創(chuàng)新，加入到動力電池研發(fā)、制造的行列來。

22 動力電池配組技術分類號及技術領域

通過對2 254篇國內動力電池配組技術相關專利的IPC主分類號進行統(tǒng)計，IPC主分類號絕大部分都分布在G01R（占41%）、H01M（占22%）、B07C（占10%）、G01N（占6%）。

同時對申請量大的小組分類也進行了統(tǒng)計（圖2），并在IPC國際分類表[1]中查詢分類號的含義如下：

大組G01R 31/00（其含義為電性能的測試裝置；電故障的探測裝置；以所進行的測試在其他位置未提供為特征的電測試裝置）下面與動力電池配組技術相關的小組包括：G01R 31/36，含義為用于測試、測量或監(jiān)測蓄電池或電池的電氣狀況的設備；G01R 31/367，含義為其軟件；G01R 31/378，含義為特別適用的電池或蓄電池類型；G01R 31/385，含義為測量電池或蓄電池變量的裝置；G01R31/388，含義為基于電壓測量；G01R 31/389，含義為測量電池內部的阻抗、電導或相關變量；G01R 31/392，含義為確定電池老化或退化；G01R 31/396，含義為獲取或處理用于測試或監(jiān)測電池內單個電池或電池組的數(shù)據(jù)。

大組H01M 10/00（其含義為二次電池）下，制造面與動力電池配組技術相關的小組包括：H01M 10/42，含義為使用或維護二次電池或二次半電池的方法及裝置；H01M 10/44，含義為充電或放電的方法；H01M 10/058，含義為構造或制造。

大組B07C 5/00（其含義為按照物品或材料的特性或特點分選）下面與動力電池配組技術相關的小組包括：B07C 5/344，其含義為根據(jù)電或電磁性質。

從上述分類號釋義也能夠看出技術分支情況。

3 國內動力電池配組技術關鍵申請人

本文同時還對國內動力電池配組技術申請專利的主要申請人進行統(tǒng)計（圖3）?？梢钥闯?，合肥國軒高科（將合肥國軒高科動力能源有限公司的91件和合肥國軒高科動力能源股份公司的15件進行了合并統(tǒng)計）為一支獨大，申請量遠遠大于其他競爭對手。

可見合肥國軒高科對專利布局的重視以及該項技術的創(chuàng)新水平，而其他申請人如天津力神電池、國家電網(wǎng)、蜂巢能源科技（將蜂巢能源科技有限公司和其無錫分公司以及蜂巢能源科技股份有限公司的申請量合并）、寧德時代、清華大學、湖北億緯動力等申請量比較均衡。雖然比亞迪是2005—2007對該技術領域進行最早專利布局的企業(yè)之一，但隨著它的發(fā)展壯大以及技術領域的擴大，其研發(fā)重點逐漸變化，其在動力電池配組技術上的專利申請量并不是很多，截至2023年12月22日僅為8件。

電池的一致性是限制電池包（PACK）使用壽命的關鍵要素[2]，同時也是限制眾多電池企業(yè)成本降低的關鍵。動力電池配組技術主要分為單參數(shù)配組法、多參數(shù)配組法和動態(tài)特性配組法。

單參數(shù)配組法是選取動力電池的某個特定參數(shù)作為電池配組的依據(jù)，常見的配組依據(jù)參數(shù)主要有電池內阻、電壓、靜態(tài)容量、自放電率等；單個參數(shù)作為配組依據(jù)存在局限性，采用電池的多個參數(shù)進行配組能夠保證電池的一致性；多參數(shù)配組法能夠更加全面區(qū)分動力電池特性的特點，在實際應用中配組效果優(yōu)于單參數(shù)配組法。

而動力電池在實際使用中，絕大多數(shù)的實際工況不是線性的，受到多種因素的影響，因此簡單單參數(shù)、多參數(shù)配組法的靜態(tài)數(shù)據(jù)并不能完整地表示電池的實際工作狀態(tài)。針對靜態(tài)配組方式的缺點，基于電池的動態(tài)特性的配組方式就能根據(jù)電池的實際使用工況對動力電池進行配組，能夠更準確地進行一致性配組，更有利于保證動力電池組的性能，但該方法相對復雜，耗費成本相對較高。

以下對主要申請人的相關專利進行分析，以申請量較大的合肥國軒高科、蜂巢能源科技、天津力神電池、寧德時代為例。

31 合肥國軒高科

合肥國軒高科成立于2006年5月，為中國動力電池產業(yè)最早進入資本市場的民族企業(yè)，其關于動力電池配組技術的第一件專利申請是于2011年1月12日申請的CN 102117937A（一種磷酸鐵鋰電池的自放電篩選方法），其全部106件專利中有56件處于有效狀態(tài)，其他為失效或進審或待審狀態(tài)。其中有79件發(fā)明專利申請，27件實用新型專利申請，發(fā)明專利申請中絕大部分是方法權利要求，其27件實用新型專利申請基本都是要求保護配組工藝或測試工藝中運用到的設備、裝置，其發(fā)明專利申請基本都是完整闡述一致性配組工藝的技術方案。

圖4為國軒高科動力電池配組工藝中各技術分支的發(fā)展趨勢，可以看出，早期國軒高科進行電池配組時多進行單參數(shù)配組，后期更注重多參數(shù)配組，隨著技術的發(fā)展，對電池配組一致性要求更高，也引入了一些其他的新參數(shù)，例如動力學參數(shù)、燃燒性能、阻抗等。

針對單參數(shù)或多參數(shù)的靜態(tài)特性配組的局限，國軒高科動力電池配組工藝也對基于動態(tài)特性配組的方法進行專利布局，發(fā)明專利申請有17個，占發(fā)明專利申請的2152%。其考慮動態(tài)特性進行配組的專利申請首次出現(xiàn)在2015年11月25日申請的CN 105280969A（一種縮小串聯(lián)電池組之間放電壓差的磷酸鐵鋰電池配組方法），其中基于放電平均電壓壓差范圍和放電容量差范圍來進行分檔配組。

隨后對動態(tài)特性配組逐漸重視起來，僅在2021—2023年3年內就申請了11件基于動態(tài)特性進行配組的專利申請，其中專利申請CN 108511815A通過增加電池在低溫下的交流阻抗測試，用以改善電池在常溫條件下電性能一致性較好，而在低溫條件下一致性較差的問題。CN 114879063A中同時考慮靜態(tài)壓差和動態(tài)壓差，以及通過對庫存風險電池分容后電池自放電K值、V4電壓檢測、高溫老化以及配組后電池包的循環(huán)測試，剔除風險電池。CN 114035066A中將動態(tài)及靜態(tài)測試相結合，根據(jù)鋰電池特性，實行寬溫度范圍針對性的測試，能更全面評估電池在不同使用場景下的一致性特性。

32 蜂巢能源科技

蜂巢能源成立于2018年，主要針對新能源汽車動力電池及儲能電池系統(tǒng)的研發(fā)、生產和銷售，雖然該公司成立較晚，但其對專利布局尤為重視，從2018年開始陸續(xù)申請了39件有關動力電池配組技術相關的專利。

第一篇專利是2018年12月26日申請的CN 109663756A，公開了一種基于自放電速率的電芯篩選方法加強了電芯自放電篩選強度，通過以某一電芯的微分差容曲線中的波谷位作為截止電壓并對該電芯的其他同體系各電芯進行預充，然后測定一段時間后各電芯的電壓，并結合預充的截止電壓計算各電芯的自放電速率k值，從而篩選出符合質量等級的電芯。

CN 110221226A公開了一種電池包容量一致性的測試方法及測試系統(tǒng)，基于各個電芯的充放電電壓，分別計算電池包的充電截止電壓偏移和放電截止電壓偏移，在充放電截止電壓偏移均屬于預設不良率范圍的情況下，確定電池包的容量一致性合格。

CN 113109727A公開了一種疊片式鋰電池電芯內阻一致性分析方法及分析系統(tǒng)，通過對相鄰的每組正極片和負極片進行充電，采集電阻值，再通過比較、判斷采集的電阻值是否超出預設阻值范圍，獲得電芯內阻的一致性。

CN 113589174A公開了一種鋰離子動力電池系統(tǒng)電芯一致性預測方法及裝置，基于預設工況及最高容量單體電池和最低容量單體電池對應的充放電曲線，計算最高容量單體電池和最低容量單體電池在待測時間周期對應的充電和放電末期壓差，以此確定待測鋰離子動力電池系統(tǒng)在待測時間周期的電芯一致性預測結果。

CN 114284543A公開了一種電芯配組方法及采用該方法配組的電池模組，通過將再次篩選可減小由于中間電芯溫升引起的容量電壓不一致，改變電芯的布置，利用電池模組兩側散熱性能優(yōu)于中間位置的特點，解決電池模組充放電容量及電壓不一致的問題。

33 天津力神電池

天津力神電池成立于1997年，專業(yè)從事鋰離子蓄電池以及動力電池的技術研發(fā)、生產和經(jīng)營，其專利布局較早，2008年就有針對動力電池配組的相關專利，其中比較重要的專利如下：

CN 101458310A公開了一種電池一致性的評價方法，將評價使用性的一致性指標和評價儲存性的一致性指標作為電池的一致性指標。

CN 101907688A公開了一種鋰離子電池電性能一致性的檢測方法，先進行容量分擋，然后進行低溫直流內阻測試，按照電池直流內阻值再分擋，可保證鋰離子電池在低溫下電性能一致性。

CN 102476104A公開了一種通過放電電壓變化篩選內阻不良電池的方法，利用電池在高倍率放電狀態(tài)下電壓下降一致性衡量電池的動態(tài)內阻，剔除動態(tài)內阻不良品。

CN 109254249A公開了一種鋰離子電池組一致性的篩選方法，結合電池的靜態(tài)變化（容量，自放電率，內阻）和動態(tài)變化（脈沖放電V-T曲線）進行篩選。

CN 111987378A公開了一種提高鋰離子電池OCV一致性的充放電方法，有效提高鋰離子電池開路電壓OCV的一致性。

CN 112068007A公開了一種電池極組一致性的檢測方法，綜合多個電池極組的滿電時間分布分析和電壓降的分布分析，進行微短路自放電的分析，進行極組的一致性篩選。

34 寧德時代新能源

寧德時代成立于2011年，是國內率先具備國際競爭力的動力電池制造商之一，其關于動力電池配組技術的專利布局開始于2016年。其中比較重要的專利如下：

CN 107617582A公開了一種動力電芯梯次利用篩選成組方法，在保證電芯容量一致的同時保證成組后電芯的自放電、倍率性能的一致性。

CN 115808632A公開了一種電池一致性檢測方法，根據(jù)接收到的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，選取預定工況下的第一電池狀態(tài)數(shù)據(jù)來計算電池中不同電池單體之間的當次一致性差異。

CN 115840151A公開了一種電池容量一致性的分析方法，根據(jù)第一剩余電量差異值和所述第二剩余電量差異值，對電池組的容量一致性進行分析，解決電池容量一致性分析復雜的問題。

35 專利關鍵申請人比較分析

通過對各公司的相關專利技術的分析，可以看出，合肥國軒高科作為老牌的民族企業(yè)，其專利布局延伸到了多個技術分支，近年來的研究不僅限于傳統(tǒng)的單參數(shù)、多參數(shù)的配組方法，發(fā)展出多參數(shù)、新參數(shù)、靜動態(tài)等多種因素融合的配組方法，技術根基牢固；另一老牌企業(yè)天津力神對動力電池配組技術的專利布局相對而言較為欠缺，但其配組方法也考慮到多參數(shù)和靜動態(tài)結合的方式；從新興企業(yè)蜂巢能源和寧德時代的專利申請量來看，企業(yè)對專利布局的重視程度很高，且其技術發(fā)展站在前人的肩膀上不再僅考慮單參數(shù)或幾個參數(shù)的簡單組合，而是結合多種實際應用工況，考慮溫度等實際因素的影響，能夠得到更實用的配組方法。

4 結語

本文梳理了動力電池配組技術的專利情況，從專利分布、重要技術分支、關鍵申請人進行歸納和總結，詳細分析了動力電池配組技術的專利申請狀況以及發(fā)展趨勢。通過對動力電池配組技術的專利分析，為技術人員提供參考，更好地把握該領域的技術實質，為企業(yè)在研發(fā)和生產過程中可以排除相關知識產權風險，提前做好產品布局。

參考文獻：

[1]世界知識產權組織國際專利分類表[M]北京：知識產權出版社，2006

[2]于京諾，王強，陳煒電動汽車磷酸鐵鋰動力電池技術的發(fā)展[J] 汽車電器，2011（10）：11-13.

作者簡介：

龍筱曄，女，1987生，助理研究員，研究方向電池制造設備、測試、分類。