賴玉軍 陳益苞

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361012)

0 前言

新能源汽車技術(shù)是21世紀汽車工業(yè)發(fā)展的重點，世界各國都加大了對新能源汽車的研發(fā)力度，我國在2015年確定了新能源汽車十年發(fā)展路線圖。在新能源汽車政策的引導(dǎo)下，我國新能源汽車應(yīng)用地域不斷得到拓展，在氣溫相對較低的北方地區(qū)，新能源汽車市場也在逐漸發(fā)展。然而，低溫環(huán)境對新能源汽車電池性能的影響嚴重限制了其發(fā)展，不利于新能源汽車的推廣，需要加大對動力電池低溫加熱技術(shù)的研究力度，為新能源汽車的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

動力電池的管理可分為通信管理、熱管理、安全管理、電量管理和均衡管理等。熱管理技術(shù)中的低溫加熱技術(shù)為本文重點研究對象，低溫加熱技術(shù)不僅能防止電池綜合性能在低溫下的衰減，還能夠避免低溫下生成電池枝晶而導(dǎo)致的電池短路，保障動力電池的安全性。

1 電池管理技術(shù)專利申請概述

近20年來，我國的動力電池管理技術(shù)專利申請量整體呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢，特別是在2015年確定了新能源汽車十年發(fā)展路線后，我國相關(guān)專利的申請量出現(xiàn)了較為明顯的增長。我國2002—2021年動力電池管理技術(shù)專利申請量趨勢如圖1所示。

早在2012年，我國制定了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，將新能源汽車列為我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。該發(fā)展規(guī)劃明確指出，新能源汽車尤其是純電動汽車，將是我國汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”的重要機遇。通過對動力電池管理技術(shù)相關(guān)專利的分析發(fā)現(xiàn)，與其他專利申請量相比，在2017年之后，我國動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請量開始快速上升。至2021年，動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請量一直穩(wěn)居動力電池相關(guān)專利的首位。由此可見，在我國電池?zé)峁芾砑夹g(shù)被持續(xù)關(guān)注，其發(fā)展態(tài)勢良好。

圖1 動力電池管理技術(shù)專利申請量趨勢圖

2 電池低溫加熱技術(shù)專利分析

2.1 專利申請趨勢

動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括低溫加熱、高溫冷卻和溫差控制等。低溫加熱技術(shù)主要應(yīng)用于冬季，用于促使動力電池在低溫環(huán)境下快速升溫至適宜溫度，確保動力電池發(fā)揮良好的充放電性能；高溫冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于夏季，用于促使動力電池及時將內(nèi)部熱量排出，確保動力電池安全；溫差控制技術(shù)主要用于控制動力電池系統(tǒng)內(nèi)部各個電芯之間的溫差，一般需要將溫差控制在5 ℃之內(nèi)。2002—2021年，我國涉及電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的專利申請共有6 310項，其中涉及電池低溫加熱技術(shù)的專利申請共有3 219項，兩者的專利申請量對比情況如圖2所示。自2002年起，動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請量呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢。在2021年相關(guān)專利數(shù)據(jù)尚未完全公開的情況下，盡管低溫加熱技術(shù)的專利申請量出現(xiàn)了一定程度的下降，但就目前公開的專利信息可知，2021年低溫加熱技術(shù)專利申請量仍占電池?zé)峁芾砑夹g(shù)專利申請量的46.5%，其占比為近幾年來最高，可見低溫加熱技術(shù)已成為各企業(yè)和科研機構(gòu)的研究重點。

圖2 動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請量

2.2 專利申請地域

從全國范圍來看，2002—2021年動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請量較為集中的省市分別為廣東省、北京市、江蘇省、浙江省、山東省和上海市，如圖3所示。近20年來，廣東省關(guān)于動力電池低溫加熱技術(shù)的專利申請總量為596項，占全國同類專利申請量的21%；北京市位列第二，其專利申請總量為330項，占全國同類專利申請量的12%。由圖3可知，動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請總量占比較高的省份大多集中在經(jīng)濟體量較大的省市和地區(qū)。廣東、江蘇、上海、浙江等省市的鋰電池生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)和新能源汽車主機廠較多，動力電池開發(fā)人才較集中，整體研究氛圍較好，是我國新能源汽車重點發(fā)展區(qū)域，也是動力電池專利申請的主要地區(qū)。

圖3 動力電池低溫加熱技術(shù)專利申請地域分布

2.3 專利所屬機構(gòu)情況

近20年來，我國動力電池低溫加熱技術(shù)專利所屬機構(gòu)情況如圖4所示。該領(lǐng)域技術(shù)專利所屬前10名的依次為比亞迪股份有限公司、北京新能源汽車股份有限公司、浙江吉利控股集團有限公司、北汽福田汽車股份有限公司、鄭州宇通客車股份有限公司、中國第一汽車股份有限公司、北京理工大學(xué)、現(xiàn)代自動車株式會社、廣州汽車集團股份有限公司和重慶長安汽車股份有限公司，包含有9家汽車生產(chǎn)企業(yè)和1所高校。這9家汽車生產(chǎn)企業(yè)大部分具備動力電池系統(tǒng)的生產(chǎn)與加工能力。比亞迪股份有限公司是我國新能源汽車的龍頭企業(yè)，對動力電池低溫加熱技術(shù)研發(fā)資金投入較大，其相關(guān)專利申請總量高達152項，遠超排名第2的北京新能源汽車股份有限公司。由此可見，低溫加熱技術(shù)的研究在汽車生產(chǎn)企業(yè)和動力電池生產(chǎn)企業(yè)中均備受關(guān)注。

圖4 動力電池低溫加熱技術(shù)專利所屬機構(gòu)情況

2.4 各技術(shù)分支專利申請情況

目前，動力電池低溫加熱技術(shù)按其傳導(dǎo)方式，主要分為內(nèi)部加熱法和外部加熱法，其中外部加熱法又分為液體加熱、電阻式加熱和氣體加熱等。內(nèi)部加熱法也稱為自加熱法，主要利用電芯內(nèi)部的阻抗或者內(nèi)部材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量對電池進行加熱，具有加熱效率高、電池升溫快和能耗低等特點。外部加熱法主要通過熱交換的形式對電芯進行加熱。外部加熱方式雖然較容易實現(xiàn)，但具有較大的安全隱患。

基于動力電池低溫加熱技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，表1示出了對動力電池低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支專利申請量的統(tǒng)計。通過統(tǒng)計對比分析，可以了解動力電池低溫加熱技術(shù)未來的發(fā)展方向。

表1 動力電池低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支專利申請量

外部加熱法通過熱傳導(dǎo)的方式將外部熱量傳遞給電池。外部加熱法中的液體加熱是當(dāng)前動力電池低溫加熱技術(shù)應(yīng)用較為廣泛的一種形式，其專利申請量占比高達41.7%，該方法主要應(yīng)用于乘用車、物流車等電池體量相對較小且對加熱效率要求較高的車型。電阻式加熱主要應(yīng)用于小客車、大巴車等電池體量較大且對加熱均衡要求較高的車型。氣體加熱因其效率較低、熱損失較大，應(yīng)用范圍受到限制，相關(guān)研究及專利也較少，其專利申請量占比僅為10.8%。

內(nèi)部加熱法在量產(chǎn)車型上應(yīng)用較少，其技術(shù)專利申請量占比為14.8%，但由于該加熱方法具備效率高、升溫快、能耗低等優(yōu)勢。目前，比亞迪股份有限公司、寧德時代新能源科技股份有限公司和北京新能源汽車股份有限公司等重點企業(yè)均在內(nèi)部加熱技術(shù)研發(fā)上進行了重點投入，相關(guān)技術(shù)專利申請也在逐年提高，內(nèi)部加熱法將是動力電池加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3 動力電池低溫加熱核心專利

通過對低溫加熱技術(shù)各技術(shù)分支核心專利的解讀，進一步分析動力電池低溫加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢及方向。

內(nèi)部加熱法是利用高頻脈沖充放電產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱對電池自身進行加熱，其核心技術(shù)和研究熱點主要集中在電池內(nèi)阻、脈沖參數(shù)和脈沖等數(shù)據(jù)的獲取。欣旺達電動汽車電池有限公司在其《動力電池自加熱方法、裝置及可讀存儲介質(zhì)》(CN 111864313A)的發(fā)明專利中提到，合理控制動力電池內(nèi)阻值，施加適宜的脈沖電流和脈沖時間，可以得到很好的電池加熱效果。比亞迪股份有限公司在其《電池自加熱電路、電池充電和自加熱集成電路和車輛》(CN 212579671U)的發(fā)明專利中公開了一種獲取脈沖電流的自加熱集成電路。該電路包括加熱電路和儲能模塊，儲能模塊與電池包通過加熱電路進行循環(huán)往復(fù)的相互充放電，產(chǎn)生的高頻諧振交流電使電池包內(nèi)阻產(chǎn)生熱量，為電池加熱。

目前，外部加熱法的核心技術(shù)和研究熱點主要集中在控制電池溫差和防止管路泄露等課題上。在進行外部加熱的過程中，由于熱量分布不均，容易導(dǎo)致電芯間存在一定的溫差，影響電池整體性能。合理設(shè)計外部加熱法的熱量分布，維持較小的動力電池系統(tǒng)溫差尤為重要。比亞迪股份有限公司在其《一種液冷板、電池液冷系統(tǒng)及具有該電池液冷系統(tǒng)的車輛》(CN 213483829U)的發(fā)明專利中設(shè)計了一種液冷板，可以液冷和液熱共用，并設(shè)置有獨立循環(huán)通道。通道的兩端連接進液口和出液口，且通道沿著液冷板邊緣內(nèi)周設(shè)置，避免冷卻液因流向單一而導(dǎo)致電池溫度不均，電芯溫差過大。

為了保證在冷卻液泄漏時電池系統(tǒng)安全，合肥國軒高科動力能源有限公司在其《一種內(nèi)置冷卻管路的動力電池包》(CN 111370813A)的發(fā)明專利中提出了在液熱板和電池之間增加導(dǎo)熱墊的方式。當(dāng)制熱劑在液熱板通道內(nèi)發(fā)生泄漏時，電池單體下方的導(dǎo)熱墊可以吸收制熱劑，避免動力電池發(fā)生漏電。此外，華霆(合肥)動力技術(shù)有限公司在其《液冷管路、漏液檢測裝置、液冷管路系統(tǒng)和電池包》(CN 112524389A)的發(fā)明專利中提出了在液熱管路外側(cè)由里到外分別包裹黏合層和反應(yīng)層的解決方案。當(dāng)制熱劑突破黏合層發(fā)生外泄時，會與反應(yīng)層反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池局部溫度升高，并產(chǎn)生膠狀物質(zhì)。對液熱管路進行二次密封，可以很好地避免制熱劑發(fā)生泄漏。

4 結(jié)語

通過對動力電池管理技術(shù)專利申請地域、專利所屬機構(gòu)等要素的分析發(fā)現(xiàn)，低溫加熱技術(shù)已成為動力電池?zé)峁芾淼暮诵募夹g(shù)，在近20年相關(guān)專利申請量一直保持高增長態(tài)勢。其中，內(nèi)部加熱法專利申請量在2002—2021年僅占低溫加熱技術(shù)專利申請量的14.8%，但因內(nèi)部加熱法的加熱效率和安全性均優(yōu)于外部加熱法，其專利申請量比重逐年上升，是未來動力電池低溫加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向。