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中汽研-基于專利分析的新能源汽車動力電池熱管理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

2021-12-02 14:12:52·  來源：電動學堂  作者：辛明華等  
　
文章來源：中國汽車技術(shù)研究中心有限公司1引言隨著新能源汽車普及應(yīng)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(guān)鍵，企業(yè)對電池管理的研發(fā)熱度不
文章來源：中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
1引言
隨著新能源汽車普及應(yīng)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(guān)鍵，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(chǔ)，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電池管理核心技術(shù)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(shù)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(guān)領(lǐng)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(shù)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(shù)、均衡技術(shù)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(lǐng)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(lǐng)域，說明近年來電池熱管理研究的關(guān)注度更高。

3電池熱管理技術(shù)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(shù)相關(guān)專利申請全球14178件，其中在中國申請7904件，電池熱管理技術(shù)在全球和中國范圍逐年專利申請量如圖2所示。

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)＠暾垇砜矗m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(shù)相關(guān)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(shù)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(shù)轉(zhuǎn)申請量達到1534件，占2018年全球電池熱管理技術(shù)專利申請量的76.5%。
3.2動力電池熱管理技術(shù)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(shù)來源地域分布分析，電池熱管理技術(shù)專利的技術(shù)來源國主要集中在中國、韓國、美國和日本，如表1所示。

具體來看，我國電池熱管理技術(shù)專利申請量達到6344件，占比44.7%，專利申請量位居第1。其次為韓國1515件，占比10.7%，位居第2，第3和第4名分別為美國和日本。可以看出，這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(shù)的快速發(fā)展。
3.3動力電池熱管理技術(shù)申請人分析
電池熱管理技術(shù)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2911件，占全球申請總量的20.5%，可見電池熱管理技術(shù)申請較為分散。排名前10的申請人中有4家動力電池供應(yīng)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(yīng)商和整車企業(yè)在該領(lǐng)域均有相當均衡的研發(fā)投入。

電池熱管理技術(shù)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(shù)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(shù)領(lǐng)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。

3.4動力電池熱管理技術(shù)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(shù)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(shù)有限公司，在2013—2018年為華霆動力進行動力電池熱管理技術(shù)專利申請，其重點研究領(lǐng)域為圓柱電池的液體換熱技術(shù)。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(shù)產(chǎn)生了很多新變革。

3.5動力電池熱管理技術(shù)技術(shù)分布分析
動力電池熱管理技術(shù)按技術(shù)分支主要可分為液冷、風冷、導熱結(jié)構(gòu)和材料、熱管理控制系統(tǒng)、電加熱。動力電池液冷技術(shù)是在電池包內(nèi)設(shè)計換熱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外部與電池單體貼合，結(jié)構(gòu)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(shù)是電池包內(nèi)部設(shè)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(shè)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(guān)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(shù)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(guān)注較低的部分，確定了電池熱管理技術(shù)的技術(shù)分支，并對技術(shù)分布進行統(tǒng)計，如表3所示。

從表4可以看出，液冷技術(shù)是動力電池熱管理占比最高的領(lǐng)域，占比44.2%，液冷技術(shù)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(shù)進行冷卻；風冷技術(shù)占比30.2%，比液冷技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)，保證動力電池工作溫度適合。
3.6動力電池熱管理技術(shù)路線及核心專利解讀動力電池熱管理技術(shù)目前主流技術(shù)分支包括液冷和風冷技術(shù)，選擇各技術(shù)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(shù)路線。液冷的核心技術(shù)主要集中在冷卻管路或冷卻板設(shè)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(gòu)件從不同位置貼合被冷卻電池。例如LG化學專利CN111630708A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(shè)計了支撐部件，支撐部件的凸凹設(shè)計與上下板形成冷卻劑流路，該設(shè)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(cè)包裹粘合層，粘合層外側(cè)包裹反應(yīng)層，在發(fā)生漏液時反應(yīng)層與冷卻劑發(fā)生反應(yīng)，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(shù)更多應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)流動到另一側(cè)，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(guān)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(yù)設(shè)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(jié)論
目前動力電池熱管理技術(shù)已經(jīng)成為動力電池管理各領(lǐng)域中專利申請量同比增長最快的技術(shù)領(lǐng)域，并且中國已經(jīng)成為動力電池熱管理技術(shù)最大的技術(shù)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(yīng)該更加重視全球?qū)＠季?，使產(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(shù)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(yīng)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。
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