豐田車載動(dòng)力電池典型產(chǎn)品專利布局

閻冬 馬宏珺 杜凱 崔巖 萬(wàn)軍偉

摘 要：車載動(dòng)力電池是新能源汽車的動(dòng)力來(lái)源，近年來(lái)由于動(dòng)力電池引發(fā)新能源汽車起火的事故頻頻發(fā)生，車載動(dòng)力電池安全技術(shù)直接決定了新能源汽車能否安全行駛。豐田聲稱其采用了非常高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)力電池的開發(fā)，包括電解液不能蒸發(fā)、泄露，用堅(jiān)固材料包裝電池，并能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)自動(dòng)切斷電路等等盡可能防止發(fā)生意外，這使得豐田所有的混合動(dòng)力轎車都沒有出現(xiàn)過(guò)電池事故，該文針對(duì)動(dòng)力電池安全技術(shù)，通過(guò)挖掘豐田NP2.0、Li1.0電池產(chǎn)品的專利，進(jìn)而了解豐田車載動(dòng)力電池的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 儲(chǔ)能裝置 安全 技術(shù)路線 產(chǎn)品布局

中圖分類號(hào)：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）02（b）-0047-03

1 豐田車載動(dòng)力電池代跡產(chǎn)品

1996年12月11日，也就是第一代普銳斯上市的一年前，由豐田和松下合資成立松下電動(dòng)汽車能源公司，主要用于生產(chǎn)鎳氫電池及鋰電池。該公司生產(chǎn)的電池主要用于提供給豐田的混合動(dòng)力車，另一部分也提供給出其他公司的混合動(dòng)力車，該公司2010年更名為Primearth EV能源公司（Primearth EV Energy Co.）。

圖1為Primearth EV能源公司生產(chǎn)的主要產(chǎn)品。豐田最開始采用的動(dòng)力電池是圓筒形的鎳氫電池，其電池模塊的設(shè)計(jì)為600～800 W/kg，應(yīng)用于第1代普銳斯混合動(dòng)力車，隨著電池模塊在混合動(dòng)力車中的應(yīng)用，豐田對(duì)該電池模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)，在1997年設(shè)計(jì)出了方形鎳氫電池，其由6個(gè)電池單元組成一個(gè)模塊，功率設(shè)計(jì)為1 000 W/kg。伴隨著混合動(dòng)力車型的發(fā)展，在1997年設(shè)計(jì)的方形鎳氫電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了新型的方形鎳氫電池NP 2.0，隨著電池技術(shù)的發(fā)展，方形樹脂外殼電池組NP2.0進(jìn)化為代號(hào)為NP2.5的金屬外殼電池組，由56個(gè)電池單元組成，包含冷卻扇的重量為41 kg。但由于NP2.0的技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)便宜，目前仍然是Primearth EV能源公司的主力產(chǎn)品。

NP2.0和LI1.0是Primearth EV能源公司典型產(chǎn)品，由其技術(shù)所處的行業(yè)地位，豐田公司選擇了不同的專利布局策略。同時(shí)對(duì)于上述不同的代跡產(chǎn)品的核心部件——?dú)獾澜Y(jié)構(gòu)，通過(guò)專利分析挖掘到其產(chǎn)品專利，并對(duì)比分析不同代跡間研發(fā)的側(cè)重點(diǎn)及其保護(hù)策略。

2 NP2.0專利布局

NP2.0的技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)便宜，目前仍然是Primearth EV能源公司的主力產(chǎn)品，其是鎳氫電池模塊，其由多個(gè)電池單元組成，該模塊加裝電池組管理系統(tǒng)和ECU后即成為一個(gè)電池組。NP2.0采用的是方形電池模塊，由6個(gè)電池單元組成一個(gè)模塊，其功率設(shè)計(jì)為1 300 W/kg，其是專為車載設(shè)計(jì)的電池結(jié)構(gòu)，在進(jìn)入量產(chǎn)之前，其經(jīng)過(guò)大量試制和評(píng)測(cè)，包括高溫、跌落試驗(yàn)、異物和外部短路、金屬撞擊、釘刺、擠壓和循環(huán)壽命等一系列嚴(yán)格的測(cè)試。由于NP2.0的整體技術(shù)成熟，量產(chǎn)后的價(jià)格相對(duì)便宜，目前是Primearth EV能源公司的主力產(chǎn)品，也是豐田混合動(dòng)力車中的主要使用的電池類型，其也是第2代普銳斯和第3代普銳斯使用的電池型號(hào)。

由于電池模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)易于觀察和模仿，且能夠通過(guò)相關(guān)專利的結(jié)構(gòu)和申請(qǐng)年代與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和上市時(shí)間進(jìn)行比對(duì)找出相關(guān)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的專利技術(shù)，本節(jié)試圖通過(guò)NP 2.0電池模塊的結(jié)構(gòu)和上市時(shí)間找到其對(duì)應(yīng)的相關(guān)專利，從而分析了NP2.0電池模塊涉及提高安全性的專利，同時(shí)獲得其專利布局策略。

圖2為NP2.0電池模塊涉及在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面提高安全性的專利的布局情況?？偟膩?lái)看，NP2.0在結(jié)構(gòu)方面涉及提高安全性的專利分別涉及其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件，如定位部件（CN1292574A）、端子的連接金屬件（CN1277462A）、單位電池之間形成致冷劑通路，和多個(gè)單位電池兩端配置的端板聯(lián)結(jié)夾緊裝置（US2003118898A1）、夾緊帶（EP1081784A1）、配置有安全閥的蓋體（CN1277467A）、隔板的可變形部位（CN1180492C），以及排氣管和密封閥整合結(jié)構(gòu)（JP2001110377A）。技術(shù)角度方面，相對(duì)EV-95產(chǎn)品，NP2.0這一代產(chǎn)品的技術(shù)側(cè)重于減少單電池的內(nèi)壓差異，避免部分單電池或單位電池因內(nèi)壓升高而造成輸出和壽命變差、并能減少安裝時(shí)的工序數(shù)，以降低成本。在專利布局策略方面，由于豐田對(duì)該特定技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和創(chuàng)新有比較全面的把握，因此圍繞NP2.0產(chǎn)品，細(xì)致地對(duì)各零部件或零部件間的匹配，進(jìn)行以零部件結(jié)構(gòu)為單位，分部件的全方位的專利保護(hù)。每篇產(chǎn)品專利的獨(dú)立權(quán)利要求都是在必要技術(shù)特征——發(fā)電單元、單位電池側(cè)面重疊并列配置、蓋、電池槽和發(fā)電單元的正、負(fù)極柱的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同零部件的特定技術(shù)特征撰寫并申請(qǐng)保護(hù)，從而最大限度地獲得各零部件的保護(hù)范圍。

具體技術(shù)如下：（1）CN1292574A，相對(duì)位置進(jìn)行定位的凸部和凹部設(shè)置于與一體電池槽長(zhǎng)度方向的中心線對(duì)稱的任意電池槽的大致中央位置，進(jìn)行準(zhǔn)確地定位的方形電池組相互之間位置，并提高電池組裝的操作性。（2）CN1277462A，而單位連接體是將連接相鄰一對(duì)連接端子的連接金屬件保持在樹脂制框部中形成一體而構(gòu)成。連接模塊的上部和外側(cè)面設(shè)有合成樹脂制的罩子，即使各電池模塊的連接端子位置有誤差也能方便地固定連接模塊且不會(huì)損壞密封性的電池組。（3）US2003118898A1，在多個(gè)單位電池之間形成致冷劑通路的狀態(tài)下沿極板群迭層方向配置多個(gè)單位電池，可避免部分單電池或單位電池因內(nèi)壓升高而造成輸出和壽命變差，并能以低的成本獲得好的冷卻性能。（4）CN1277467A，將多個(gè)電池槽相互連成一體的一體電池槽；整體封閉各電池槽的上面開口的蓋體，在蓋體上設(shè)有使相互相鄰的適當(dāng)數(shù)量的電池槽相互連通的通道，在蓋體上設(shè)置單一的安全閥。（5）JP2001110377A將排氣管的一端連接到外部排出用管，且將此外部排出用管在單元電池的排列方向上通過(guò)支撐部件而能移動(dòng)地安裝在固定部材上。支撐部件可由在具有彈性的帶狀板的一端上形成的相對(duì)固定部件的嵌合部分、在另一端上形成的排出用管保持部分的夾子所構(gòu)成。具有次構(gòu)造的電池包即使在因單元電池內(nèi)壓上升而發(fā)生膨脹的情況下，也能確保密封性能，并能減少安裝時(shí)的工序數(shù)。（6）CN1180492C，當(dāng)作用于容器的負(fù)荷使容器外壁上的應(yīng)力大于預(yù)定允許值之前，隔板的可變形部位發(fā)生變形，可變形部件可為塑性或彈性變形構(gòu)件，其強(qiáng)度可設(shè)定為小于預(yù)定允許應(yīng)力值，即在外壁開裂之前，部件先斷開，使得外部受到大于預(yù)定允許應(yīng)力值的情況下，可防止外壁出現(xiàn)裂紋。（7）EP1081784A1，將單位電池并列配置，并用夾緊帶夾緊配置在單位電池的排列方向兩端的端板而使其成為一體，在端板內(nèi)可形成相對(duì)電池組的寬側(cè)面為垂直方向的冷卻介質(zhì)通道。其單位電池能被高效冷卻且端板不會(huì)變形，具有高的體積效率，能以充分的強(qiáng)度裝配夾緊帶并能方便且操作性好地進(jìn)行裝配及維修保養(yǎng)。

3 Li 1.0專利布局

Li 1.0系列電池模塊是豐田研發(fā)和生產(chǎn)的鋰離子電池模塊，目前搭載在眾多豐田車型上，而且豐田準(zhǔn)備逐步采用鋰離子電池來(lái)替換鎳氫電池。雖然Li 1.0系列鋰離子電池模塊的產(chǎn)量和應(yīng)用車型遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于NP2.0和NP2.5系列鎳氫電池模塊，但考慮到鋰離子電池的在未來(lái)發(fā)展的重要地位，該節(jié)采用與分析NP2.0電池模塊專利布局相同的方式來(lái)分析Li 1.0系列鋰離子電池模塊的專利布局，以試圖通過(guò)分析Li 1.0系列鋰離子電池模塊涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面技術(shù)的專利，了解其專利布局策略。

圖3為L(zhǎng)i 1.0系列鋰離子電池模塊涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面技術(shù)的專利的布局情況。具體專利介紹如下。

（1）JP2008262733A，在氣體排出部外設(shè)置了阻燃部件。能夠在電池內(nèi)部壓力過(guò)高時(shí)，將電池組的高溫高壓電解液或氣體從電池組中安全有效的排出；（2）JP2009048965A，在電池組的上部和下部設(shè)置束縛帶以將電池組進(jìn)行束緊固定，位于電池組下部的束縛帶的束縛力大于上部的束縛力，從而避免電解液下移；（3）CN102210041A，在殼體的內(nèi)壓上升而超過(guò)了預(yù)定程度時(shí)，電流切斷閥由于該內(nèi)壓而朝向殼體的外方變形、電流切斷閥從連接構(gòu)件分離，由此連接構(gòu)件與電流切斷閥的電連接被斷開；（4）CN102210043A，在正極和負(fù)極之中的至少一方的隔板側(cè)的表面，形成有絕緣粒子填充成形而成的多孔質(zhì)絕緣層，作為構(gòu)成多孔質(zhì)絕緣層的絕緣粒子，以長(zhǎng)期維持電池輸出的循環(huán)壽命優(yōu)異；（5）JP2010257735A匯流條的外部形成為圓柱形，而單體電池的連接端子的形成C型結(jié)構(gòu)，所述圓柱形的匯流條能夠嵌合于所述C型結(jié)構(gòu)的連接中，從而將各單體電池進(jìn)行連接形成電池組。（6）CN103650228A，電池殼體收納層疊單元，單元電池在與層疊單元層疊方向相同的方向重疊，重疊的單元電池之間具備能流入流體的優(yōu)選為多孔體、織物、無(wú)紡布、有槽物的間隙部件，以將各單元電池均等地加壓。

4 豐田布局策略分析

由上節(jié)NP2.0相關(guān)專利來(lái)看，Li 1.0系列鋰離子電池模塊在上市之前，豐田已經(jīng)進(jìn)行了對(duì)電池模塊的單體電池以及電池組之間的連接定位、排氣和防短路等方面的技術(shù)儲(chǔ)備和專利布局，因此針對(duì)LI1.0的研發(fā)和專利申請(qǐng)主要是圍繞電池組的穩(wěn)定性和耐久性方面提高安全性。這樣的布局方式通過(guò)進(jìn)行充分的專利挖掘，圍繞鋰離子電池在穩(wěn)定性和耐久性方面形成牢固的專利網(wǎng)，因而能夠有效地保護(hù)自己的核心技術(shù)，盡量阻止競(jìng)爭(zhēng)者的進(jìn)入，或者在競(jìng)爭(zhēng)者進(jìn)入該領(lǐng)域后通過(guò)專利訴訟等方式將其趕出自己的保護(hù)區(qū)。采用這種專利布局方式的原因在于：豐田進(jìn)入鋰離子電池及其電池組的研發(fā)相對(duì)較晚，且鋰離子電池的技術(shù)在豐田展開對(duì)其的研發(fā)時(shí)已經(jīng)存在大量的專利申請(qǐng)，且其技術(shù)具有一定的成熟度，豐田認(rèn)為此時(shí)投入過(guò)多精力在鋰離子電池基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和成組技術(shù)方面意義不大，而且早期的鎳氫電池組的一部分技術(shù)完全也可以應(yīng)用于鋰離子電池組中，因而選定了一個(gè)相對(duì)重要的技術(shù)領(lǐng)域投入較大量的研發(fā)，并在該領(lǐng)域進(jìn)行了持續(xù)且專注的研發(fā)與專利布局。由于離子電池的穩(wěn)定性和耐久性是車載動(dòng)力電池的核心性能且亟須提高，豐田認(rèn)為該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展必然是一個(gè)重要的、且不可忽視的技術(shù)方向。Li 1.0產(chǎn)品的布局策略適合于創(chuàng)新主體在整體技術(shù)方面比較薄弱的情況下，通過(guò)在某一技術(shù)領(lǐng)域形成自己的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)專利的自我保護(hù)，并通過(guò)專利與技術(shù)的配合擴(kuò)大自己的優(yōu)勢(shì)。

該文通過(guò)對(duì)豐田典型產(chǎn)品的專利分析，幫助創(chuàng)新主體了解豐田產(chǎn)品核心技術(shù)，同時(shí)分析比較了豐田針對(duì)不同技術(shù)所處的行業(yè)整體技術(shù)高度，確定不同的專利布局策略，供創(chuàng)新主體在保護(hù)自己產(chǎn)品或技術(shù)時(shí)借鑒，最后提醒我國(guó)創(chuàng)新主體在技術(shù)學(xué)習(xí)過(guò)程中，即時(shí)關(guān)注專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

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