无模组电池技术专利概况研究

摘  要：对近年发展的热点——无模组电池技术发展现状及其专利概况进行研究，从技术发展的困境与方向、技术含义及其构成以及专利技术方面进行了调查，并重点在专利技术领域分类、专利申请趋势、申请国别、全球重要申请人、各个技术分支的专利技术实现方面进行了专利分析，为新能源汽车企业在应对无模组电池技术中出现的机遇和挑战，提供有力的支持和决策建议。

关键词：无模组技术;电池;专利

中图分类号：TM91         文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0033-04

Abstract： This paper studies the hot spots of development in recent years， the development status of module free battery technology and its patent overview， investigates the difficulties and direction of technology development， technical meaning and composition and patent technology， and focuses on patent analysis in terms of patent technology field classification， patent application trend， application country， important global applicants and patent technology realization of various technical branches， provide strong support and decision-making suggestions for new energy vehicle enterprises to deal with the opportunities and challenges of module free battery technology.

Keywords： module free technology; battery; patent

0  引  言

基于广东省新一代信息技术和生物产业重点企业专利导航工程项目要求以及广州小鹏汽车科技有限公司的技术研发需求，针对当前新能源汽车动力电池的前沿技术无模组技术的发展状况和专利进行调查，得到当前国内外无模组电池技术的发展状况及其专利布局状况，进而为新能源汽车企业的动力电池技术研发方向决策提供支持。

近年来，我国及其全球都在大力发展新能源汽车，而以动力电池作为动力源的新能源汽车企业在资本与市场的追捧下不断涌现，动力电池对新能源汽车的续航、充电和安全起着决定性的作用，其成本已经占到了整车成本的几乎一半。动力电池主要分为三元锂电池和磷酸铁锂电池。在2012年以前，动力电池生产的技术成熟度较低，單体电芯的一致性和稳定性相对较差，由之带来了安全性能不稳定的问题。为此，模组技术[1，2]作为一项关键技术被发展起来。模组是连接电芯和系统之间的桥梁，为电池安全系统管理提供了可能。电池模组主要由单体电芯、固定框架、电压检测控制、电连接装置、温度传感器、冷板等部分组成，电芯之间通过串并联的方式连接，加上保护线路板以及外壳后，构成动力电池内部的电芯模组，电芯模组配上模组管理[3，4]与系统连接。

1  模组技术的困境与方向

模组技术虽然能够很好地对电池包内部的多个独立模块进行集成管理，降低维修和维护成本。但是，模组带来的结构件、零部件增加，使得电池包的成组效率降低、制造成本增加，同时降低了电池包的空间利用率，影响了电池包的能量密度。目前行业内，一般动力电池的成本中，电芯的成本占比约为80%，模组成本占比约为20%左右。

经过几年的发展，为增加能力密度，动力电池包的设计在提高空间利用率和成组效力方面做了诸多改进，并推出了大尺寸和标准化设计，如大众推出的590标准模组等。但是模组技术已经开始遇到瓶颈，减少零部件或改进设计来提升模组的空间利用率和成组效率并不能从根本上降低动力电池的成本以及增大电池包的能量密度。在此基础上，国内企业率先提出了无模组技术，主要以宁德时代推出的CTP技术和比亚迪推出的刀片电池技术[5]。

2  无模组技术

无模组技术实际上并不是真正的无模组，无模组的称谓多半是出于商业的宣传的考虑，无模组实质上是简易模组、大模组，将这种模组相关配置直接集成到电池包中，这样使得原本的模组空间被释放出来用于扩大电池容量，提升了能量密度，另一方面，无模组技术也使得原本模组的各种零部件产品线被去除，采用一套管理系统以及套装外壳就可以完成整个动力电池的封装，大大简化了产品的流程。

由于无模组电池包将原本模组零件去除提升电池能量密度，那么电池包在能量密度增加的情况下，势必要提升电池包的安全性，因此，无模组的电压控制以及冷却散热以及空间设计是无模组技术重点考虑的地方，随着无模组技术的提出与发展，这些问题也将慢慢被很好的解决。

3  无模组电池技术专利分析

通过分析确定无模组电池技术的国际分类领域为B60L50/64、H01M2、H01M10及其它们的下位分类，它们的分类定义如下：

（1）B60L50/00用车辆内部电源的电力牵引;

（2）B60L50/50*使用电池或燃料电池提供的牵引功率;

（3）B60L50/64***特别适用于电动车辆的蓄电池结构特征;

（4）H01M用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组;

（5）H01M2/00*非活性部件的结构零件或制造方法;

（6）H01M10/00*二次电池;及其制造。

在检索环节，考虑到无模组技术本身是在提高电池包空间利用率、能量密度、简化模组方面做出的改进，因此，在检索关键词确定时，在确定必要检索关键词的基础上，还需要在在提高模组空间利用率、能量密度等方面进行关键词扩展。结合关键词和技术领域分类号进行检索，并对检索结果进行数据标引、筛选、去噪后，共检索到相关专利申请6 745件，经过同族合并后3 932件，其中实用新型专利904件。

3.1  无模组电池技术专利申请趋势

将全球3 932件相关专利按照申请年进行统计，得到年度申请量趋势，如图1所示，由于2020—2021年申请的专利尚未完全公开，该年度数据不准确。

从图1可以看出，无模组电池技术的专利申请趋势强度大致可分为三个阶段：早期阶段（2002—2008年）、中期阶段（2009—2013年）、快速增长期（2014—至今）。

对于早期阶段（2002—2008年）相关专利技术属于何种情况，通过上图可知，这个阶段，专利申请的体量较小，进一步查看专利申请国的统计数据分析可知，该阶段已经开始申请一些电池组专利，其中一半以上均为日本申请，1/3为韩国申请，美国有5%左右，中国仅仅占比2%左右。显然，电池包的技术早期阶段，主要申请国还是日韩两国。然而，虽然该阶段有一些电池包的成组的技术发展，但电池组的应用方向比较多元化，考虑到当时的实际市场，新能源汽车还并未大力发展，该阶段的电池组的技术的应用方向并不是汽车的动力电池。

对于中期阶段（2009—2013年），该阶段电池组的申请量已经有了一个小幅度的提升。通过查看专利申请国的统计数据分析可知，日本比例相比早期阶段有所下降，但是仍然和韩国作为主要申请国，占据头两位，美国和中国的申请量有所提升。该阶段，电池包技术已经在向动力电池的方向发展，并且其中主要以韩国LG为主，其中作为动力电池的冷却散热技术也开始出现。通过查看具体专利可知，该阶段的电池包专利的应用领域多为电动汽车，考虑到当时市场的环境，电动汽车正处在一个萌芽阶段，并且由于特斯拉电动汽车的出现并逐渐成为热点，电动汽车成为了市场追捧的对象，随着资本不断进入，新成立的电动汽车公司也越来越多。这期间，中国企业虽然有很多初创公司，在研发产出方面自然是要延后的，因此在相关专利上面，并没有进行较多的布局。

对于快速增长阶段（2014—至今），从2014年开始，电池包技术的专利申请量以非常快的增速逐年增长，从申请国来看，在该阶段中，中国已经跃居第一，如图2所示，并且该阶段申请体量也是上升了一个等级，而韩国也超过日本，跃居第二。

该阶段中，中国申请量大增，通过查看专利数据可知有两个原因，第一个原因自然是在该阶段，电动汽车已经逐渐成为资本市场、消费市场、科技市场的重要风口，作为电动汽车最核心的部件动力电池，相关企业自然是要进行重点布局，并且中国消费市场已经成为全球电动汽車最主要的市场，中国本土的企业经过多年的发展，在这个阶段的相关研发成果也在这个阶段转化为专利布局，即中国本土企业的研发成果在这个阶段的专利布局开始产生效果，并参与国际竞争。第二原因在于外资企业特别是日韩动力电池企业大厂看好中国市场，纷纷进入中国进行专利布局。考虑到该阶段总体申请体量的增大，聚类分析统计出8个企业，如图3所示。

可以看到，该阶段，动力电池的模组、阵列等主题逐渐形成聚类，即模组相关技术开始大力发展。对于体量而言，老牌大厂韩国LG（乐金集团）依然占据着重要的份额，而对于中国国内的一些动力电池的新生力量如比亚迪、宁德时代等企业也开始逐渐占据重要份额。

实际上，在早期阶段、中期阶段的电池包技术实际上应该属于在提高电池空间利用率和能量密度的技术功效上作出的改进的相关技术，并非近两年提出来的无模组电池技术，但它确是为无模组电池技术的提出打下了坚固的基础。无模组电池技术是最近两三年开始提出新技术，因此，在快速增长阶段申请的电池包技术专利才可以被称作实际意义上的无模组电池技术。

而在快速增长阶段的后期，2019年，新能源汽车的在资本市场也是开始成为炒作的风口，随着电动汽车厂商的出货量逐渐增加，特别是特斯拉的出货量逐渐走高，市场表现超过预期，从2019年到2020年新能源汽车厂商在资本市场逐渐被推高，随着特斯拉的市值登顶全球第一，国内的新兴纯电动汽车厂商如蔚来汽车、小鹏汽车市值也达到百亿美元的体量，新能源造车不可谓不是潮流词汇。随着新能源汽车的火热，国内动力电池的研发生产企业如比亚迪、宁德时代、蜂巢等也由于多年的研发布局，成功打入电动汽车的产业链，成为动力电池供应商，他们申请的相关专利自然是产业链的生存保障。

3.2  无模组电池技术专利的技术构成

而对于无模组电池技术的具体构成，涉及技术细节的方方面面，本文根据相关专利的技术特点以及市场需求，大致将其分为如下几个分支：壳体结构、电气连接、防爆安全、冷却技术、电芯固定、膨胀控制。

无模组电池技术的壳体结构主要在于密封、挂载、固定方式等结构设计。将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到492件专利。全球前十申请人中，LG稳居第一，比亚迪、宁德时代、蜂巢能源科技分列2～4位。其中，LG的专利WO2015080421A1公开了一种电池盒电池单元可以被堆叠的固定方式，单元电池相对地面直线水平的被设置于安装盒中，使得各盒的电极端子彼此面对并联连接，盒相互层叠。比亚迪的专利CN104953055A公开了一种电池容纳组件，通过多个分隔件和密封板将基体分隔成多个容纳电池的容纳槽。

无模组电池技术的电气连接涉及电池单元之间即内部元件之间的电气连接设计。将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到489件专利。全球前十申请人中，LG稳居第一，深圳市沃特玛电池优先公司、比亚迪、三星分列2～4位。其中，LG的专利US20200350547A1公开了一种用于电池单元的汇流条组件，包括以杆状导体固定的汇流条，一对可动的汇流被设置成在横向上与固定汇流条两侧隔开，固定汇流条插入其间形成装配空间，电极线被插入其中从而使得一对可移动的汇流条靠近固定汇流条时，电极线能够粘附到固定汇流条，

无模组电池技术的防爆安全方面的专利，将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到763件专利。全球前十申请人中，宁德时代、LG、蜂巢能源科技、比亚迪分列1～4位。其中，宁德时代的专利CN112331990A公开了一种缓解电池包热失控蔓延的控制方法，通过设置薄弱部，并引导失控的热流能冲破薄弱部而排除，薄弱部对应设有喷淋管路。

无模组电池技术的冷却相关专利，将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到286件专利。全球前十申请人中，蜂巢能源科技、LG、华庭（合肥）动力技术有限公司、宁德时代分列1～4位。其中，蜂巢能源科技的专利CN213093277U公开了一种电池包，多个电芯模块一一对应设置于多个液冷板上。

無模组电池技术的电芯固定相关专利，将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到267件专利。全球前十申请人中，蜂巢能源科技、LG、华庭（合肥）动力技术有限公司、本田分列1～4位。其中，华霆（合肥）动力技术有限公司的专利CN211480131U公开了一种动力电池包，通过限位件和紧固件将电芯单体固定在承载件的容置区内。

无模组电池技术的膨胀控制相关专利，将时间限定在快速增长阶段，经过二次检索、合并同族、去噪后得到61件专利。全球前十申请人中，宁德时代、LG、威容电动汽车技术（宁波）有限公司、浙江吉利控股有限公司分列1～4位。其中浙江吉利控股有限公司的专利CN111540854A公开了一种高能量密度电池系统，将导热件和流到装置组成热管理装置以对电芯进行热管理从而提高电芯膨胀的抵抗力。

4  结  论

通过以上分析可知，无模组电池技术的发展比较快，相关技术均有布局，其中韩国LG凭借早期技术优势已占得先机，而我国相关研发型企业如比亚迪、宁德时代也已紧跟步伐，相关新能源汽车企业应在机遇和挑战中与具有无模组电池专利技术优势的头部企业比如LG、比亚迪、宁德时代等加强合作，资源优化配置。

参考文献：

[1] 李日步，王海林，吴东升，等.纯电动汽车动力电池包轻量化技术综述 [J].汽车零部件，2019（7）：101-107.

[2] 李东明，苑全红，张亚琼，等.车用动力电池PACK工厂设计综述 [J].电气时代，2021（1）：18-21.

[3] 阳楚雄，杨承昭，吕又付.新能源汽车锂离子电池模组的一致性影响分析 [J].化工进展，2018，37（S1）：75-79.

[4] 王震坡，袁昌贵，李晓宇.新能源汽车动力电池安全管理技术挑战与发展趋势分析 [J].汽车工程，2020，42（12）：1606-1620.

[5] 朱小燕.无模组技术在新能源汽车动力电池中的应用与研究 [J].科技与创新，2020（15）：159-161.

作者简介：江超（1985—），男，汉族，湖北武汉人，助理研究员，硕士，研究方向：专利信息技术利用。