专利视域下的动力电池低温加热技术现状分析

赖玉军 陈益苞

(厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361012)

0 前言

新能源汽车技术是21世纪汽车工业发展的重点，世界各国都加大了对新能源汽车的研发力度，我国在2015年确定了新能源汽车十年发展路线图。在新能源汽车政策的引导下，我国新能源汽车应用地域不断得到拓展，在气温相对较低的北方地区，新能源汽车市场也在逐渐发展。然而，低温环境对新能源汽车电池性能的影响严重限制了其发展，不利于新能源汽车的推广，需要加大对动力电池低温加热技术的研究力度，为新能源汽车的发展奠定基础。

动力电池的管理可分为通信管理、热管理、安全管理、电量管理和均衡管理等。热管理技术中的低温加热技术为本文重点研究对象，低温加热技术不仅能防止电池综合性能在低温下的衰减，还能够避免低温下生成电池枝晶而导致的电池短路，保障动力电池的安全性。

1 电池管理技术专利申请概述

近20年来，我国的动力电池管理技术专利申请量整体呈现稳步上升的态势，特别是在2015年确定了新能源汽车十年发展路线后，我国相关专利的申请量出现了较为明显的增长。我国2002—2021年动力电池管理技术专利申请量趋势如图1所示。

早在2012年，我国制定了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，将新能源汽车列为我国汽车工业转型发展的战略目标。该发展规划明确指出，新能源汽车尤其是纯电动汽车，将是我国汽车产业实现“弯道超车”的重要机遇。通过对动力电池管理技术相关专利的分析发现，与其他专利申请量相比，在2017年之后，我国动力电池热管理技术的专利申请量开始快速上升。至2021年，动力电池热管理技术的专利申请量一直稳居动力电池相关专利的首位。由此可见，在我国电池热管理技术被持续关注，其发展态势良好。

图1 动力电池管理技术专利申请量趋势图

2 电池低温加热技术专利分析

2.1 专利申请趋势

动力电池热管理技术主要包括低温加热、高温冷却和温差控制等。低温加热技术主要应用于冬季，用于促使动力电池在低温环境下快速升温至适宜温度，确保动力电池发挥良好的充放电性能；高温冷却技术主要应用于夏季，用于促使动力电池及时将内部热量排出，确保动力电池安全；温差控制技术主要用于控制动力电池系统内部各个电芯之间的温差，一般需要将温差控制在5 ℃之内。2002—2021年，我国涉及电池热管理技术的专利申请共有6 310项，其中涉及电池低温加热技术的专利申请共有3 219项，两者的专利申请量对比情况如图2所示。自2002年起，动力电池低温加热技术的专利申请量呈现快速增长的态势。在2021年相关专利数据尚未完全公开的情况下，尽管低温加热技术的专利申请量出现了一定程度的下降，但就目前公开的专利信息可知，2021年低温加热技术专利申请量仍占电池热管理技术专利申请量的46.5%，其占比为近几年来最高，可见低温加热技术已成为各企业和科研机构的研究重点。

图2 动力电池低温加热技术的专利申请量

2.2 专利申请地域

从全国范围来看，2002—2021年动力电池低温加热技术专利申请量较为集中的省市分别为广东省、北京市、江苏省、浙江省、山东省和上海市，如图3所示。近20年来，广东省关于动力电池低温加热技术的专利申请总量为596项，占全国同类专利申请量的21%；北京市位列第二，其专利申请总量为330项，占全国同类专利申请量的12%。由图3可知，动力电池低温加热技术专利申请总量占比较高的省份大多集中在经济体量较大的省市和地区。广东、江苏、上海、浙江等省市的锂电池生产研发企业和新能源汽车主机厂较多，动力电池开发人才较集中，整体研究氛围较好，是我国新能源汽车重点发展区域，也是动力电池专利申请的主要地区。

图3 动力电池低温加热技术专利申请地域分布

2.3 专利所属机构情况

近20年来，我国动力电池低温加热技术专利所属机构情况如图4所示。该领域技术专利所属前10名的依次为比亚迪股份有限公司、北京新能源汽车股份有限公司、浙江吉利控股集团有限公司、北汽福田汽车股份有限公司、郑州宇通客车股份有限公司、中国第一汽车股份有限公司、北京理工大学、现代自动车株式会社、广州汽车集团股份有限公司和重庆长安汽车股份有限公司，包含有9家汽车生产企业和1所高校。这9家汽车生产企业大部分具备动力电池系统的生产与加工能力。比亚迪股份有限公司是我国新能源汽车的龙头企业，对动力电池低温加热技术研发资金投入较大，其相关专利申请总量高达152项，远超排名第2的北京新能源汽车股份有限公司。由此可见，低温加热技术的研究在汽车生产企业和动力电池生产企业中均备受关注。

图4 动力电池低温加热技术专利所属机构情况

2.4 各技术分支专利申请情况

目前，动力电池低温加热技术按其传导方式，主要分为内部加热法和外部加热法，其中外部加热法又分为液体加热、电阻式加热和气体加热等。内部加热法也称为自加热法，主要利用电芯内部的阻抗或者内部材料发生化学反应产生的热量对电池进行加热，具有加热效率高、电池升温快和能耗低等特点。外部加热法主要通过热交换的形式对电芯进行加热。外部加热方式虽然较容易实现，但具有较大的安全隐患。

基于动力电池低温加热技术的研发现状，表1示出了对动力电池低温加热技术各技术分支专利申请量的统计。通过统计对比分析，可以了解动力电池低温加热技术未来的发展方向。

表1 动力电池低温加热技术各技术分支专利申请量

外部加热法通过热传导的方式将外部热量传递给电池。外部加热法中的液体加热是当前动力电池低温加热技术应用较为广泛的一种形式，其专利申请量占比高达41.7%，该方法主要应用于乘用车、物流车等电池体量相对较小且对加热效率要求较高的车型。电阻式加热主要应用于小客车、大巴车等电池体量较大且对加热均衡要求较高的车型。气体加热因其效率较低、热损失较大，应用范围受到限制，相关研究及专利也较少，其专利申请量占比仅为10.8%。

内部加热法在量产车型上应用较少，其技术专利申请量占比为14.8%，但由于该加热方法具备效率高、升温快、能耗低等优势。目前，比亚迪股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司和北京新能源汽车股份有限公司等重点企业均在内部加热技术研发上进行了重点投入，相关技术专利申请也在逐年提高，内部加热法将是动力电池加热技术的主要发展方向。

3 动力电池低温加热核心专利

通过对低温加热技术各技术分支核心专利的解读，进一步分析动力电池低温加热技术的发展趋势及方向。

内部加热法是利用高频脉冲充放电产生的化学反应热对电池自身进行加热，其核心技术和研究热点主要集中在电池内阻、脉冲参数和脉冲等数据的获取。欣旺达电动汽车电池有限公司在其《动力电池自加热方法、装置及可读存储介质》(CN 111864313A)的发明专利中提到，合理控制动力电池内阻值，施加适宜的脉冲电流和脉冲时间，可以得到很好的电池加热效果。比亚迪股份有限公司在其《电池自加热电路、电池充电和自加热集成电路和车辆》(CN 212579671U)的发明专利中公开了一种获取脉冲电流的自加热集成电路。该电路包括加热电路和储能模块，储能模块与电池包通过加热电路进行循环往复的相互充放电，产生的高频谐振交流电使电池包内阻产生热量，为电池加热。

目前，外部加热法的核心技术和研究热点主要集中在控制电池温差和防止管路泄露等课题上。在进行外部加热的过程中，由于热量分布不均，容易导致电芯间存在一定的温差，影响电池整体性能。合理设计外部加热法的热量分布，维持较小的动力电池系统温差尤为重要。比亚迪股份有限公司在其《一种液冷板、电池液冷系统及具有该电池液冷系统的车辆》(CN 213483829U)的发明专利中设计了一种液冷板，可以液冷和液热共用，并设置有独立循环通道。通道的两端连接进液口和出液口，且通道沿着液冷板边缘内周设置，避免冷却液因流向单一而导致电池温度不均，电芯温差过大。

为了保证在冷却液泄漏时电池系统安全，合肥国轩高科动力能源有限公司在其《一种内置冷却管路的动力电池包》(CN 111370813A)的发明专利中提出了在液热板和电池之间增加导热垫的方式。当制热剂在液热板通道内发生泄漏时，电池单体下方的导热垫可以吸收制热剂，避免动力电池发生漏电。此外，华霆(合肥)动力技术有限公司在其《液冷管路、漏液检测装置、液冷管路系统和电池包》(CN 112524389A)的发明专利中提出了在液热管路外侧由里到外分别包裹黏合层和反应层的解决方案。当制热剂突破黏合层发生外泄时，会与反应层反应产生大量热量，导致电池局部温度升高，并产生胶状物质。对液热管路进行二次密封，可以很好地避免制热剂发生泄漏。

4 结语

通过对动力电池管理技术专利申请地域、专利所属机构等要素的分析发现，低温加热技术已成为动力电池热管理的核心技术，在近20年相关专利申请量一直保持高增长态势。其中，内部加热法专利申请量在2002—2021年仅占低温加热技术专利申请量的14.8%，但因内部加热法的加热效率和安全性均优于外部加热法，其专利申请量比重逐年上升，是未来动力电池低温加热技术的主要发展方向。