动力电池安全技术专利分析与知识产权风险应对

王亮亮 王军雷 孙禹

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

主题词：动力电池安全 专利分析 知识产权风险 新能源汽车

1 前言

新能源汽车已成为全球汽车行业的发展趋势，动力电池安全作为新能源汽车的“生命线”，成为消费者、企业以及监管部门关注的焦点。动力电池安全事故引发的车辆起火不仅会危害消费者的人身安全，也有损车企品牌形象和产生召回损失。因此，动力电池供应商和整车企业都十分关注动力电池安全技术的提升和改进。从电池材料、机械结构设计、电气设计以及电池管理系统4 个维度进行技术升级和改进，不断提高动力电池的安全性。

本文聚焦主流动力电池企业和整车企业在上述领域的专利申请和布局情况，揭示当前动力电池安全技术的最新进展，分析新能源汽车行业未来技术研发方向和专利保护。

2 动力电池专利分析

2.1 数据范围说明

本文专利检索的数据以已经公开的在华专利申请作为分析对象。企业层面选取当前行业内领先的整车和零部件企业。其中，动力电池供应商包括：宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、国轩高科、LG 化学、三星SDI、松下电池和孚能科技。整车企业中，选择北汽新能源、长城汽车、东风汽车、上汽集团、广汽集团、大众汽车、特斯拉作为专利申请人。上述申请人是目前市场占有份额以及专利布局数量均排名靠前的企业，可以代表当前动力电池安全技术领域的技术水平和发展动向。

本文检索时限定专利公开的时间截止到2020年12月31日，由于发明专利申请自申请日（有优先权的自优先权日）起18个月（主动要求提前公开的除外）才能被公开，实用新型专利申请在授权后才能获得公布（即其公布日的滞后程度取决于审查周期的长短），而专利合作条约（Patent Cooperation Treaty，PCT）专利申请自申请日起30 个月甚至更长时间之后才进入到国家阶段（导致其对应的国家公布时间更晚），因此在实际数据中会出现2019年之后的专利申请量比实际申请量少的情况。

2.2 专利申请趋势

从近10年的专利申请态势上可以看出，动力电池安全领域的专利申请在2015年以前都处于较为稳步的增长阶段，在2015年以后迎来爆发式增长（图1）。一方面是由于我国新能源汽车产销量的不断增加，另一方面是由于在该领域的动力电池企业和整车企业均将新能源作为重点发展方向而加大了研发投入。2015年至今，专利申请一直保持高速增长的态势，2019年、2020年专利申请量有所减少，主要原因是近2年申请专利尚未完全公开，因此不能完全代表申请量变化趋势。

图1 动力电池专利申请态势分析

2.3 专利技术领域分布

本文主要围绕电池化学安全、机械安全、电气安全和功能安全4 大类开展分析（图2）。其中，电池安全主要指电池单体结构及材料本身的安全性，包括正负极、隔膜和电解质；机械安全主要指电池模组的机械结构设计；电气安全主要指电池中电气系统，包括低压电气和高压电气；功能安全主要指电池管理系统、电池状态监控和电池热失控管理。

图2 专利技术领域分布与占比

在技术领域分布方面，将动力电池安全分为以下4 大类：电池化学安全、电池机械安全、电池电气安全和电池功能安全。将相关企业的专利按照这4 类进行分类统计，结果如下。

从技术领域构成来看，电池化学安全和电池机械安全的占比最高，分别找到了该领域专利申请量的45%和35%，其次是电池功能安全，主要是电池管理系统相关专利，占比为15%，占比最少的是电池电气安全，占比为5%。专利技术领域的分布也反应了在当前以锂电池作为主流动力电池材料的前提下，提升电池安全性，主要还是要从材料本身和电池模组的排布以及结构设计作为主要的研发方向（图3）。

图3 不同技术领域专利申请量

从申请人的专利布局数量来看，比亚迪、宁德时代占据前2，这也与2者的市场份额占比相一致，国轩高科和蜂巢能源的专利申请量增长很快，也占据较为领先的位置。外资企业中，传统的电池供应商LG 化学、松下和三星SDI仍然持续在华进行专利布局，占据了申请人中3～6名，实力十分强劲。整车企业申请人中，北汽新能源和上汽排名靠前，外资整车企业的专利申请量相对落后，如大众、特斯拉（表1）。

表1 动力电池领域主要申请人专利布局情况

日、韩传统动力电池企业布局较早，持续发力，电池安全专利质量较高。外资电池供应商，如LG化学、松下、三星SDI 等，专利申请量略少于中国企业，但外资电池企业主要以发明专利为主，发明专利占比在90%以上，专利质量相对较高（图4）。

图4 日韩动力电池企业专利布局细分领域年度申请趋势

国内动力电池供应商，在近10年内实现了跨越发展，在很多领域技术水平已经与外资企业相当。以比亚迪、宁德时代为代表的民营自主企业，加速创新，塑造品牌核心竞争力。民营自主企业在专利申请质量上虽然同外资车企还有一定的差距，但专利公开量及发明专利保有量均位居行业前列，特别是比亚迪，其发明专利持有量在动力电池领域国内自主企业中排名第1（图5）。

图5 国内动力电池企业专利布局细分领域年度申请趋势

以北汽新能源、上汽集团为代表的国有整车企业逐渐重视技术创新，专利质量不断提升，有较大上升空间。

动力电池安全技术主要布局在电池材料、结构和手段等方向，主要围绕电池制造商、供应商环节布局，从整车结构、控制方法优化电池安全的手段相对较少，因此整车企业专利数量相对较少，而电池供应商的专利布局占据了整体申请量的大部分。从布局的技术领域来看，电池供应商围绕化学材料和结构安全布局更多，整车企业围绕电池模组结构以及电池管理系统布局较多，除比亚迪以外，在电池材料领域布局很少（图6）。

图6 国内自主整车企业专利布局细分领域年度申请趋势

3 典型高安全性动力电池产品及其专利布局分析

近年来，电池供应商和车企纷纷推出高安全性产品来解决动力电池起火这一问题。如比亚迪的刀片电池、宁德时代的无模组（Cell To Pack,CTP）技术、广汽埃安的弹匣电池以及蜂巢能源的冷锋系列电池等。这些产品和技术基本上都是围绕电池材料、模组结构和电池管理系统方面进行的，目的在于保证动力电池能够在针刺、碰撞、涉水、高温的严苛环境下不会发生起火爆炸的事故，从而提高车辆驾乘人员的安全性。

宁德时代在2020年推出了永不起火的811 电池系统，该电池系统从材料、电芯结构和系统热扩散保证不会出现热失控。

（1）电芯材料：从材料来看，正极材料和电解液是提升电芯安全性的关键。宁德时代通过原子层级创新，开发出了高稳定性正极材料和高安全电解液，电池耐高温边界提高了40 ℃，热稳定性大幅提高。

（2）电芯结构：设计了高集成、强鲁棒的防内短路电极。电芯进行各种滥用测试，保证其可以不起火、不冒烟。

（3）电池热失控预警：基于电池的物理化学特性，精确掌控温度、电压和电流安全边界，确保电池在安全舒适区工作，完善监控模型，第一时间识别安全风险并及时预警。

（4）阻隔热扩散：采用航空级耐热材料和定向热导流技术，即使单体发生热失控，也能做到系统不蔓延、不起火。超低导热系数的航空级热阻隔材料，独特的纳米孔结构可抑制空气对流传导和辐射导热，避免热量快速传递引发相邻电池温度骤升而发生热失控。

关于永不起火的811 电池专利布局，围绕不起火的高镍811电池安全，宁德时代在电芯材料、电芯结构、热失控预警和阻隔热扩散领域均有专利布局（图7）。

图7 宁德时代811电池专利布局

4 动力电池领域技术知识产权纠纷案例

2020年3 月，根据公开报道，宁德时代新能源科技股份有限公司（简称“宁德时代”）诉江苏塔菲尔新能源科技股份有限公司（简称“塔菲尔”）专利侵权，案件诉讼标的金额高达1.2 亿元，受到业内广泛关注。2021年10月，宁德时代起诉塔菲尔新能源专利侵权一案的一审结果正式公布，塔菲尔败诉，被判向宁德时代赔偿2 330 万元。

判决书中称，法院认定塔菲尔新能源构成对宁德时代实用新型专利权的侵害，应依法停止侵权、赔偿损失，并判其向宁德时代赔偿2 330 万元，涉及经济损失和制止侵权的相关费用。法院认定，塔菲尔新能源所侵犯的专利为动力电池的“防爆装置”实用新型专利，由宁德时代在2016年获得国家知识产权局授权。塔菲尔新能源生产、销售的NCM100Ah动力电池使用了上述专利技术方案，因此被判处专利侵权。

2021年7 月，宁德时代诉中航锂电专利侵权，案件已由福州市中级人民法院受理。宁德时代称，中航锂电涉嫌侵权范围覆盖其全系产品，涉案专利涉及发明与实用新型专利，涉嫌侵权的电池已搭载在数万辆车上。对于此次诉讼，中航锂电在声明中表示，公司重视知识产权保护，在进行全方位知识产权布局的同时，其提供给客户的产品都经过专业知识产权团队的全面风险排查，以保障不侵犯他人知识产权。但是，从目前的情形来看，诉讼对于中航锂电的影响可能还不止于专利纠纷本身。

通过分析近2年来宁德时代的系列诉讼案，宁德时代作为动力电池行业出货量最大的企业，为了保持其市场竞争优势，采用知识产权诉讼作为市场竞争的手段，通过诉讼竞争对手来维护自身的权益和市场竞争优势。从这一角度分析，根据公开报道来看，该领域的专利诉讼呈现出日趋增多的趋势，相关企业应该做好预案并提前制定相应的知识产权风险应对策略。

5 动力电池安全技术发展趋势展望

动力电池安全是一个跨学科的系统工程，涉及电化学、力学、热学、电学和计算科学领域。动力电池安全技术发展需要化学安全、机械安全、功能安全和电气安全的协作配合，共同推进安全技术进步。因此，对于电池供应商应该更多分析动力电池在整车的工作环境和工况特点，开展有针对性的研发。同样，整车企业的动力电池研发应该深入了解电池材料特性，将电池特性融入系统集成和电池管理系统设计。

5.1 改进电池内化学环境是提高电池安全性的重要途径

从电池单体来看，优化单体结构和原材料特性是提高电池安全性的重要途径。单体结构可以从被动和主动安全2 个方面来进行安全设计，如被动防爆和主动预防短路。材料安全可以通过以下3个方面来提高锂离子电池安全性：

（1）改善电极材料稳定性，积极提高电池本身安全性能；

（2）改进锂离子电池电解质，使用更安全型的电解质，比如固态电解质；

（3）通过添加特种添加剂，阻断电池内部化学放热反应。

5.2 新材料应用是改善机械安全的重要保障

机械安全除了通过结构设计来保证安全，也与新型材料开发应用密不可分。在提高机械强度、防火、阻燃、防腐蚀设计中，除了通过结构来实现以上功能，也应该注重研究新型高分子材料、轻质材料和阻燃隔热材料，将它们应用于电池系统设计。

5.3 测试验证对提升功能安全具有重要作用

电池管理系统进行功能开发过程中，在每个阶段进行特定的测试，用来验证功能安全要求是否正确实施，安全机制的正确性和准确性、诊断或失效覆盖的有效性非常必要。测试可以包括硬件-软件接口测试，终端模块子系统测试，中控模块子系统测试，系统集成测试。

5.4 高压电气防护是电气安全的设计重点

电动汽车安全与传统燃油汽车最大的不同之处在于其电危害的存在。目前，电动汽车的使用电压达到300～600 V（DC），甚至更高，电流也达到几百安培。而在电压达到30 V（DC），或电流达到5 mA（DC），就会对人的生命造成危害。与此同时，高电压、大电流的工作环境也会对电气部件带来危害，并进一步引发安全事故。因此，与低压电气相比，高压电气是安全设计重点之一。

6 结束语

本文从专利数据统计分析出发，结合动力电池安全的产业发展现状，分析并研究了当前动力电池安全领域的专利申请态势、专利技术领域分布、主要申请人分布及专利布局，同时以宁德时代811 电池产品为例，围绕该电池产品在电芯材料、电芯结构、热失控预警、阻隔热扩散技术维度进行的技术研发和专利布局，为行业、企业围绕高安全性电池产品的专利保护和布局提供建议，并且根据专利技术分析和产品的专利布局分析，给出动力电池安全技术发展建议和企业专利布局建议。