中汽研-基于专利分析的新能源汽车动力电池热管理技术发展现状分析

2021-12-02 14:12:52·  来源:电动学堂  作者:辛明华等  
 
文章来源:中国汽车技术研究中心有限公司1引言随着新能源汽车普及应用,动力电池管理系统成为电池系统的核心、守护电池安全的关键,企业对电池管理的研发热度不
文章来源:中国汽车技术研究中心有限公司
1引言
随着新能源汽车普及应用,动力电池管理系统成为电池系统的核心、守护电池安全的关键,企业对电池管理的研发热度不断升温。动力电池管理功能可分为电管理、状态管理和热管理。电管理使动力电池发挥优异的输出性能,同时不会发生过充和过放,电池单体之间容量均衡。电池状态管理功能是电管理的基础,准确估计电池荷电状态、健康状态、功率状态等参数,为电池电管理提供依据;电池热管理能够保证电池工作在适合的温度范围内,低温下电池输出特性不发生衰减,也能够避免低温出现枝晶导致的内短路和高温电池过热导致的热失控,维护了动力电池安全。
2电池管理核心技术专利申请趋势分析
本文使用的专利检索数据库为中国汽车技术研究中心有限公司自主研发的全球汽车专利数据库,收录了全球104个国家1.3亿余条汽车及相关领域的专利。专利选取范围以申请日为入口,自2001年1月1日起,截至2020年12月31日。
对电池管理系统的电管理、热管理和电池状态管理这3项核心技术进行专利申请趋势分析,如图1所示。电池电管理包括电池充放电技术、均衡技术和电池保护等,电池状态管理包括电池参数测量、荷电状态估计、健康状态估计、功率状态估计等。电池状态管理和电管理领域的专利申请量从2001年开始保持快速增长态势,直至2013年增速放缓,同时电池状态管理的申请量逐渐超过电池电管理。对电池热管理来说,2001年至2015年专利申请量与电池状态管理和电管理同步增长,2015年之后申请量同比增长率快于电池状态管理和电池电管理,并在2018年申请量超过其他2个领域,说明近年来电池热管理研究的关注度更高。

3电池热管理技术专利分析
3.1专利申请趋势分析
截至2020年12月31日,电池热管理技术相关专利申请全球14178件,其中在中国申请7904件,电池热管理技术在全球和中国范围逐年专利申请量如图2所示。

从图2可以看出,自2001年以来,中国和全球电池热管理专利申请量同步快速增长。由于2019年—2020年专利尚未完全公开,专利申请量有所下降。从全球专利申请来看,虽然2012—2015年专利申请同比增长量趋于平缓,但电池热管理技术相关专利整体申请量处于增长状态。电池热管理由于电池单体的多样性和冷却介质的快速升级换代带来了专利申请量的持续增长。
中国电池热管理技术专利申请从2001年开始起步,2001—2008年申请量增长缓慢,在2009年同比增长率快速上升,在全球申请总量的占比越来越高。2018年中国电池热管理技术转申请量达到1534件,占2018年全球电池热管理技术专利申请量的76.5%。
3.2动力电池热管理技术来源地域分布
从申请人所在国家/地区来进行电池热管理技术来源地域分布分析,电池热管理技术专利的技术来源国主要集中在中国、韩国、美国和日本,如表1所示。

具体来看,我国电池热管理技术专利申请量达到6344件,占比44.7%,专利申请量位居第1。其次为韩国1515件,占比10.7%,位居第2,第3和第4名分别为美国和日本。可以看出,这几个国家也是新能源汽车主要市场和动力电池主要产出国,庞大的市场需求推动了电池热管理技术的快速发展。
3.3动力电池热管理技术申请人分析
电池热管理技术全球主要申请人前10名如图3所示,他们分别是LG化学、丰田、福特、本田、比亚迪、华霆动力、三星SDI、吉利、宁德时代和博世。前10名的申请总量为2911件,占全球申请总量的20.5%,可见电池热管理技术申请较为分散。排名前10的申请人中有4家动力电池供应商、4家整车企业、1家头部汽车零部件企业和1家整车及动力电池的开发企业。电池供应商和整车企业在该领域均有相当均衡的研发投入。

电池热管理技术中国专利主要申请人前10名如图4所示,中国范围内动力电池热管理技术专利专利申请量前3名的分别为华霆动力、比亚迪和宁德时代。排名前3的企业专利申请总量占前10名专利申请总量的40%。LG化学和丰田在动力电池热管理技术领域的全球专利布局较多,但在中国的专利布局相对不足,排名仅为第7名和第5名。另外,本田、三星SDI和博世,在动力电池热管理全球专利申请量人排名中进入前10名,但在中国专利布局较少。在中国专利主要申请人前10名的中国企业还包括:吉利、北汽新能源和蜂巢,他们在全球专利申请量相对较少,专利向外输出的能力有所不足,全球专利申请量没有进入前10名。

3.4动力电池热管理技术发明人分析
基于第1发明人统计,动力电池热管理技术全球专利申请第1发明人前10名如表2所示。排名第1的发明人为李树民,隶属于华霆(合肥)动力技术有限公司,在2013—2018年为华霆动力进行动力电池热管理技术专利申请,其重点研究领域为圆柱电池的液体换热技术。排名第2的发明人为伍星驰,隶属于比亚迪股份有限公司,专利申请年大部分为2017年,研究重点集中在电池热管理系统方案,车载空调及冷媒与电池热管理系统的协同工作。从重点发明人的专利申请年也可以看出,2017年,动力电池热管理技术产生了很多新变革。

3.5动力电池热管理技术技术分布分析
动力电池热管理技术按技术分支主要可分为液冷、风冷、导热结构和材料、热管理控制系统、电加热。动力电池液冷技术是在电池包内设计换热结构,结构外部与电池单体贴合,结构内部为换热液体通道,将动力电池充放电过程中产生的热量带走或者低温时为电池加热,使电池工作在适合的温度范围内,其冷却效果好,但由于换热液体进入电池包内部,为系统带来安全隐患;风冷技术是电池包内部设计有冷却换热风道,通过接口连通电池包外部管路,与外部冷却风机相通形成散热循环,风道内的风将电池产生的热量带走,冷却效果较好,但次于液冷设计,其优点是成本低、安全性好。动力电池热管理是协调控制热管理各部件是否工作及开启和关闭时序,并协调与驾驶舱热管理、驱动电池热管理系统的系统工作,适时利用车辆热量。
以动力电池热管理技术的研发难点为核心,综合考虑动力电池热管理方式、检索可能性、行业分类习惯等因素,提出相对简单且研发关注较低的部分,确定了电池热管理技术的技术分支,并对技术分布进行统计,如表3所示。

从表4可以看出,液冷技术是动力电池热管理占比最高的领域,占比44.2%,液冷技术目前较为成熟,且冷却效果和成本具有较好的综合优势,市场上大部分动力电池系统采用液冷技术进行冷却;风冷技术占比30.2%,比液冷技术的专利申请量稍低,但由于其与冷却相比更加安全,并且易于布置,也是动力电池热管理重要的技术分支;热管理控制占比25.6%,他相当于热管理系统的大脑,统筹调配热管理系统部件按需运转,保证动力电池工作温度适合。
3.6动力电池热管理技术路线及核心专利解读动力电池热管理技术目前主流技术分支包括液冷和风冷技术,选择各技术分支具有代表性的核心专利进行解读,来说明动力电池热管理的各技术路线。液冷的核心技术主要集中在冷却管路或冷却板设计及防漏液方面。根据电池单体形状不同,比如方形或者圆柱形,其冷却构件从不同位置贴合被冷却电池。例如LG化学专利CN111630708A中提出将液冷板放置在方形电池下方,与电池下表面接触,冷却剂通过冷却板中的冷却剂流路进行热交换。这种布置方式需要水冷板具有一定的刚性,同时不降低冷却性能。因此,CN111630708A在冷却板的上板和下板之间设计了支撑部件,支撑部件的凸凹设计与上下板形成冷却剂流路,该设计不仅增大了热交换的面积而且提高了水冷按整体刚性。为了在冷却液泄漏时保证电池系统安全,LG化学的专利CN108292785B发明了带有吸收体的散热板,当冷却剂通道内的冷却剂发生泄漏,电池单体下方的吸收体吸收冷却剂,防止安全事故发生。除了LG化学的防漏液措施,华霆动力提出了在液冷管路外侧包裹粘合层,粘合层外侧包裹反应层,在发生漏液时反应层与冷却剂发生反应,并产生热量,粘合层在热量作用下与冷却剂发生发硬,产生粘性物质,对冷却管路本体进行密封,改善了冷却剂泄漏问题。
动力电池风冷技术更多应用于厚度和长、宽尺寸相差较大的电池,比如软包电池、比亚迪的刀片电池等。其主要原因是在最大面积位置布置换热结构时换热效果较好,但软包或刀片电池单体之间如果布置液冷结构不仅会增加电池包总重量,而且会增加液冷管路接口数量,带来安全隐患。比亚迪的专利CN113036256A[5]的电池包有上下盖体和外壳,盖体与外壳之间形成风道,风道与的1个方向与外界相通,另一个方向从电池阵列的一侧流动到另一侧,使外界冷却风可以进入换热风道并于电池单体外壳表面直接接触,从而对电池单体进行冷却。
动力电池热管理控制系统的功能是基于电池工作状态和车辆工况,来确定电池加热或者冷却,以及换热介质的流动方向。福特汽车的专利CN112659844A[6]提出在车辆静止的充电模式下,车载空调处于关闭状态时,控制车辆的空调启动,将冷却介质从电池热交换器引入空调蒸发器,实现电池系统冷却。电池热管理控制系统实现对温度的调节,比亚迪的专利CN110015193B提出的热管理系统包括半导体热交换器和控制器,可以根据动力电池的实际状态精确控制车载的电池的加热功率和冷却功率,在车载电池温度过高时或者过低时对温度进行调节,使车载电池的温度维持在预设范围,避免发生由于温度过高或过低影响车载电池性能的情况。
4结论
目前动力电池热管理技术已经成为动力电池管理各领域中专利申请量同比增长最快的技术领域,并且中国已经成为动力电池热管理技术最大的技术来源国,占比44.7%。
从申请人看,有4家国内企业全球动力电池热管理专利前10名申请人,分别为比亚迪、华霆动力、吉利和宁德时代,分别位居第5、第6、第8和第9名,其专利申请量和国外头部企业还有一定差距。国外企业应该更加重视全球专利布局,使产品在进入国际市场的时候不受专利制约。
动力电池热管理技术主要以液冷、风冷和热管理控制为研发热点,从专利来看,液冷由于冷却效果优于风冷,液冷申请量稍大于风冷,而风冷具有使电池系统比能量高,安全性好等特点,也被整车企业和电池供应商做为冷却方案之一。热管理控制方面,将车辆冷却系统与电池热管理系统协同工作,最大限度利用电动汽车有限的能量已成为重要发展趋势。
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