丰田车载动力电池典型产品专利布局

阎冬 马宏珺 杜凯 崔岩 万军伟

摘 要：车载动力电池是新能源汽车的动力来源，近年来由于动力电池引发新能源汽车起火的事故频频发生，车载动力电池安全技术直接决定了新能源汽车能否安全行驶。丰田声称其采用了非常高的标准进行动力电池的开发，包括电解液不能蒸发、泄露，用坚固材料包装电池，并能够实现及时自动切断电路等等尽可能防止发生意外，这使得丰田所有的混合动力轿车都没有出现过电池事故，该文针对动力电池安全技术，通过挖掘丰田NP2.0、Li1.0电池产品的专利，进而了解丰田车载动力电池的关键技术。

关键词：动力电池 储能装置 安全 技术路线 产品布局

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（b）-0047-03

1 丰田车载动力电池代迹产品

1996年12月11日，也就是第一代普锐斯上市的一年前，由丰田和松下合资成立松下电动汽车能源公司，主要用于生产镍氢电池及锂电池。该公司生产的电池主要用于提供给丰田的混合动力车，另一部分也提供给出其他公司的混合动力车，该公司2010年更名为Primearth EV能源公司（Primearth EV Energy Co.）。

图1为Primearth EV能源公司生产的主要产品。丰田最开始采用的动力电池是圆筒形的镍氢电池，其电池模块的设计为600～800 W/kg，应用于第1代普锐斯混合动力车，随着电池模块在混合动力车中的应用，丰田对该电池模块结构进行的改进，在1997年设计出了方形镍氢电池，其由6个电池单元组成一个模块，功率设计为1 000 W/kg。伴随着混合动力车型的发展，在1997年设计的方形镍氢电池的基础上进行了进一步的改进，设计出了新型的方形镍氢电池NP 2.0，随着电池技术的发展，方形树脂外壳电池组NP2.0进化为代号为NP2.5的金属外壳电池组，由56个电池单元组成，包含冷却扇的重量为41 kg。但由于NP2.0的技术成熟，价格相对便宜，目前仍然是Primearth EV能源公司的主力产品。

NP2.0和LI1.0是Primearth EV能源公司典型产品，由其技术所处的行业地位，丰田公司选择了不同的专利布局策略。同时对于上述不同的代迹产品的核心部件——气道结构，通过专利分析挖掘到其产品专利，并对比分析不同代迹间研发的侧重点及其保护策略。

2 NP2.0专利布局

NP2.0的技术成熟，价格相对便宜，目前仍然是Primearth EV能源公司的主力产品，其是镍氢电池模块，其由多个电池单元组成，该模块加装电池组管理系统和ECU后即成为一个电池组。NP2.0采用的是方形电池模块，由6个电池单元组成一个模块，其功率设计为1 300 W/kg，其是专为车载设计的电池结构，在进入量产之前，其经过大量试制和评测，包括高温、跌落试验、异物和外部短路、金属撞击、钉刺、挤压和循环寿命等一系列严格的测试。由于NP2.0的整体技术成熟，量产后的价格相对便宜，目前是Primearth EV能源公司的主力产品，也是丰田混合动力车中的主要使用的电池类型，其也是第2代普锐斯和第3代普锐斯使用的电池型号。

由于电池模块的机械结构易于观察和模仿，且能够通过相关专利的结构和申请年代与产品的结构和上市时间进行比对找出相关产品对应的专利技术，本节试图通过NP 2.0电池模块的结构和上市时间找到其对应的相关专利，从而分析了NP2.0电池模块涉及提高安全性的专利，同时获得其专利布局策略。

图2为NP2.0电池模块涉及在机械结构方面提高安全性的专利的布局情况。总的来看，NP2.0在结构方面涉及提高安全性的专利分别涉及其产品结构的各个部件，如定位部件（CN1292574A）、端子的连接金属件（CN1277462A）、单位电池之间形成致冷剂通路，和多个单位电池两端配置的端板联结夹紧装置（US2003118898A1）、夹紧带（EP1081784A1）、配置有安全阀的盖体（CN1277467A）、隔板的可变形部位（CN1180492C），以及排气管和密封阀整合结构（JP2001110377A）。技术角度方面，相对EV-95产品，NP2.0这一代产品的技术侧重于减少单电池的内压差异，避免部分单电池或单位电池因内压升高而造成输出和寿命变差、并能减少安装时的工序数，以降低成本。在专利布局策略方面，由于丰田对该特定技术领域的研发和创新有比较全面的把握，因此围绕NP2.0产品，细致地对各零部件或零部件间的匹配，进行以零部件结构为单位，分部件的全方位的专利保护。每篇产品专利的独立权利要求都是在必要技术特征——发电单元、单位电池侧面重叠并列配置、盖、电池槽和发电单元的正、负极柱的基础上，结合不同零部件的特定技术特征撰写并申请保护，从而最大限度地获得各零部件的保护范围。

具体技术如下：（1）CN1292574A，相对位置进行定位的凸部和凹部设置于与一体电池槽长度方向的中心线对称的任意电池槽的大致中央位置，进行准确地定位的方形电池组相互之间位置，并提高电池组装的操作性。（2）CN1277462A，而单位连接体是将连接相邻一对连接端子的连接金属件保持在树脂制框部中形成一体而构成。连接模块的上部和外侧面设有合成树脂制的罩子，即使各电池模块的连接端子位置有误差也能方便地固定连接模块且不会损坏密封性的电池组。（3）US2003118898A1，在多个单位电池之间形成致冷剂通路的状态下沿极板群迭层方向配置多个单位电池，可避免部分单电池或单位电池因内压升高而造成输出和寿命变差，并能以低的成本获得好的冷却性能。（4）CN1277467A，将多个电池槽相互连成一体的一体电池槽；整体封闭各电池槽的上面开口的盖体，在盖体上设有使相互相邻的适当数量的电池槽相互连通的通道，在盖体上设置单一的安全阀。（5）JP2001110377A将排气管的一端连接到外部排出用管，且将此外部排出用管在单元电池的排列方向上通过支撑部件而能移动地安装在固定部材上。支撑部件可由在具有弹性的带状板的一端上形成的相对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夹子所构成。具有次构造的电池包即使在因单元电池内压上升而发生膨胀的情况下，也能确保密封性能，并能减少安装时的工序数。（6）CN1180492C，当作用于容器的负荷使容器外壁上的应力大于预定允许值之前，隔板的可变形部位发生变形，可变形部件可为塑性或弹性变形构件，其强度可设定为小于预定允许应力值，即在外壁开裂之前，部件先断开，使得外部受到大于预定允许应力值的情况下，可防止外壁出现裂纹。（7）EP1081784A1，将单位电池并列配置，并用夹紧带夹紧配置在单位电池的排列方向两端的端板而使其成为一体，在端板内可形成相对电池组的宽侧面为垂直方向的冷却介质通道。其单位电池能被高效冷却且端板不会变形，具有高的体积效率，能以充分的强度装配夹紧带并能方便且操作性好地进行装配及维修保养。

3 Li 1.0专利布局

Li 1.0系列电池模块是丰田研发和生产的锂离子电池模块，目前搭载在众多丰田车型上，而且丰田准备逐步采用锂离子电池来替换镍氢电池。虽然Li 1.0系列锂离子电池模块的产量和应用车型远远小于NP2.0和NP2.5系列镍氢电池模块，但考虑到锂离子电池的在未来发展的重要地位，该节采用与分析NP2.0电池模块专利布局相同的方式来分析Li 1.0系列锂离子电池模块的专利布局，以试图通过分析Li 1.0系列锂离子电池模块涉及机械结构方面技术的专利，了解其专利布局策略。

图3为Li 1.0系列锂离子电池模块涉及机械结构方面技术的专利的布局情况。具体专利介绍如下。

（1）JP2008262733A，在气体排出部外设置了阻燃部件。能够在电池内部压力过高时，将电池组的高温高压电解液或气体从电池组中安全有效的排出；（2）JP2009048965A，在电池组的上部和下部设置束缚带以将电池组进行束紧固定，位于电池组下部的束缚带的束缚力大于上部的束缚力，从而避免电解液下移；（3）CN102210041A，在壳体的内压上升而超过了预定程度时，电流切断阀由于该内压而朝向壳体的外方变形、电流切断阀从连接构件分离，由此连接构件与电流切断阀的电连接被断开；（4）CN102210043A，在正极和负极之中的至少一方的隔板侧的表面，形成有绝缘粒子填充成形而成的多孔质绝缘层，作为构成多孔质绝缘层的绝缘粒子，以长期维持电池输出的循环寿命优异；（5）JP2010257735A汇流条的外部形成为圆柱形，而单体电池的连接端子的形成C型结构，所述圆柱形的汇流条能够嵌合于所述C型结构的连接中，从而将各单体电池进行连接形成电池组。（6）CN103650228A，电池壳体收纳层叠单元，单元电池在与层叠单元层叠方向相同的方向重叠，重叠的单元电池之间具备能流入流体的优选为多孔体、织物、无纺布、有槽物的间隙部件，以将各单元电池均等地加压。

4 丰田布局策略分析

由上节NP2.0相关专利来看，Li 1.0系列锂离子电池模块在上市之前，丰田已经进行了对电池模块的单体电池以及电池组之间的连接定位、排气和防短路等方面的技术储备和专利布局，因此针对LI1.0的研发和专利申请主要是围绕电池组的稳定性和耐久性方面提高安全性。这样的布局方式通过进行充分的专利挖掘，围绕锂离子电池在稳定性和耐久性方面形成牢固的专利网，因而能够有效地保护自己的核心技术，尽量阻止竞争者的进入，或者在竞争者进入该领域后通过专利诉讼等方式将其赶出自己的保护区。采用这种专利布局方式的原因在于：丰田进入锂离子电池及其电池组的研发相对较晚，且锂离子电池的技术在丰田展开对其的研发时已经存在大量的专利申请，且其技术具有一定的成熟度，丰田认为此时投入过多精力在锂离子电池基础结构和成组技术方面意义不大，而且早期的镍氢电池组的一部分技术完全也可以应用于锂离子电池组中，因而选定了一个相对重要的技术领域投入较大量的研发，并在该领域进行了持续且专注的研发与专利布局。由于离子电池的稳定性和耐久性是车载动力电池的核心性能且亟须提高，丰田认为该技术领域的发展必然是一个重要的、且不可忽视的技术方向。Li 1.0产品的布局策略适合于创新主体在整体技术方面比较薄弱的情况下，通过在某一技术领域形成自己的优势，实现专利的自我保护，并通过专利与技术的配合扩大自己的优势。

该文通过对丰田典型产品的专利分析，帮助创新主体了解丰田产品核心技术，同时分析比较了丰田针对不同技术所处的行业整体技术高度，确定不同的专利布局策略，供创新主体在保护自己产品或技术时借鉴，最后提醒我国创新主体在技术学习过程中，即时关注专利侵权风险。

参考文献

[1]王宏伟，刘军，肖海清，等.国内外锂离子动力电池相关标准对比分析[J].电子元件与材料.2012（10）：83-86.

[2]吴向亮，强毅.电动汽车锂离子动力蓄电池安全标准对比分析[J].机械工业标准化与质量，2011（8）：39-42.