丰田车载动力电池安全技术路线

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，通过专利检索和分析，对丰田车载动力电池技术发展路线进行梳理，挖掘丰田重要技术。

关键词：动力电池 储能装置 安全 专利分析 技术路线

中图分类号：TM912.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（b）-0032-02

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。动力的安全隐患主要有短路、电解液的泄漏[1]、气压过高，因此针对上述安全隐患对电池单体和电池包的设计尤为重要。

申请专利的宗旨是公开换取保护，丰田公司的重要技术会通过专利申请进行保护，通过对丰田申请专利情况的分析，筛选其重要专利，通过专利引证情况，以及专利文献中揭示的技术发展脉络，该文梳理出丰田公司在动力电池安全技术方面的技术发展脉络，且其技术具有一定的代表性。针对安全隐患，从电池组的防短路、吸能/增强强度、可靠连接、气压均匀和排气等方面，分析了丰田在安全技术方面的技术路线，如图1所示，以便全面了解技术发展脉络，为创新主体提供知识、信息基础。

由于镍氢电池在电池内部导电路径熔化或短路产生火花引燃电池内部气体，从而导致电池内部隔板变形，上盖和中盖破裂，还会引起电解液泄漏。锂电池在过充的情况下（甚至正常充放电时），在负极堆积形成枝晶，刺穿隔膜，形成内部短路，将导致大电流产生，电池内阻消耗大量能量，产生巨大热量，内部气压均将升高，因此动力电池的防短路设计非常重要。在防短路方面，丰田技术主要涉及到对壳体以及辅助部件的材料选择、金属连接件设置方式，隔板结构和短路检测及控制。2003年前的专利申请包括：采用树脂制的框体，且将连接相邻端子的连接金属件保持在树脂制框部中形成一体结构，从而可以防止车辆相撞时车体的金属壳体变形时，连接端子与金属壳体相接触，能消除短路的可能性。2003—2008年的专利申请包括：采用绝缘性的树脂制的辅助支承部件，以及绝缘性的填充部件设置在各单体电池之间或电池组与壳体之间。2009年以后的专利申请包括：将弯曲卷绕处的隔板设置为具有弯曲部，以及通过检测电池内部的压力异常判断短路故障等。

在吸能/增强强度方面：丰田主要改进吸能部件的设置方式和结构。2003年前的专利申请包括：车体发生碰撞时，电池箱在车体内部的移动约束和断电控制；实现单体之间电连接的断开的结构；电池组设置在能够弹性变形的整体吸能部件上，使电池组件之间能够形成相对变位。2003—2008年的专利申请包括：将单体电池设置在具有弹性部的保持框体中进行吸能，使下部电池组框体的刚度大于电池组框体的刚度等有关框体结构的改进。2009年以后的专利申请包括：在电池模块之间设置吸能部件；通过加强部件提高电池装置与车辆的固定强度，将电池组与车辆在车辆发生碰撞时发生分离的支架等。

在可靠连接方面，丰田技术主要涉及到对单体电池之间的电极端子的电连接进行改进。2003年前的专利申请主要包括对连接电池端子的螺钉松紧程度的压力自动检测，以提高电极端子连接的可靠性；电池组的连接模块为由连续设置的相互可发生相对位移的单位连接体来进行连接，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，和在电池箱底部设置锥形突起来将各单体电池进行固定。2003—2008年的专利申请主要包括：在电池模块之间的间隙中设置多个在竖直方向上突出的多个弹性部件的保持隔离件，且在竖直方向上设置夹持保持隔离件的第一和第二隔离件支承部件，且保持隔离件弹性保持在第一和第二隔离件支承部件之间。2009年以后的专利申请主要包括在电池端部设置供电池端部插入的插入腔的保持装置，从而可以利用适当的约束力保持电池的端部。

同时为保证单电池一致性，还需尽可能地做到单电池间气压均匀。在气压均匀方面，丰田技术主要涉及到对采用外部紧固结构和内部连接方式进行改进。2003年前的专利申请主要包括：在电池组的两端设置整体端板，并用通过连接杆将置于两端板之间的电池组和端部整体连接固定。2003—2008年的专利申请主要包括：将多个长方体形状的电池槽形成为一体的一体电池槽，各个电池槽内分别容纳有由电极组件构成的单电池，并使其两端配置的端板互相联结夹紧，从而避免全部单电池内压差异，或避免部分单电池、单位电池因内压升高造成输出和寿命变差；以及对连接电池组约束力的检测方法和在电池箱内部设置弹性部件以改善压力的均匀性。2009年以后在气压均匀方面的专利申请较少。

锂离子电池内部各组成部分都有可能成为其所排出气体的产生源，这些气体需要通过一定装置释放出来以不至于造成电池内压过大而引起其他更大伤害如爆炸等。可见设置气体排出的排气结构是十分必要的，当内部压力或温度大于预置标准时，排气结构打开，开始进行卸压，以防止内部气体积累过多发生形变导致壳体爆炸。USABC的测试项目就包括液体泄漏与气体的产生的体积和速度[1]。在排气方面，丰田技术主要涉及到在电池中设置排气阀，电池组中设置排气管以及通过对排气阀的结构、位置等进行进一步的优化改进。2003年前的专利申请主要包括：在电池中设置释放内压的安全阀，将排气阀排出的气体通过排气管排出到电池组的外部，以及通过冷却风扇与排气管道连接，加速气体的排出。2003—2008年的专利申请主要包括：提供压力释放辅助部件配合压力释放阀使用；在正负极上设置利于气体排出的小孔，从而进一步通过排气阀排出。2009年以后的专利申请主要包括：蓄电模块具有第一阀及第二阀，第一阀响应于发电元件壳体内的压力上升达到第一阈值而从关闭状态切换至打开状态，第二阀响应于发电元件壳体外部的压力上升达到第二阈值而从关闭状态切换至打开状态；电池具备非复位型的安全阀，且安全阀具有在开阀时断裂的阀部、包围该阀部的阀周围部和防止飞散单元，防止飞散单元配设于阀周围部形成安全阀部的一部分，可以防止在开阀时阀部断裂而成的断裂部向电池的外部飞散；电池具有安全阀，且安全阀具有裂开槽，在裂开槽局部形成有比其他部分宽度宽的测定槽，测定槽设置于裂开槽的多个部位；将电池组的排气管道设置在电池组的绝缘保持部件上，简化排气管道的结构。

根据对电池组的防短路、吸能/增强强度、可靠连接、气压均匀和排气5个方面在机械结构安全技术方面的技术路线方面的分析可知：在防短路方面，从电池组外部壳体绝缘材料的选择，发展到电池组内部辅助部件的绝缘材料的选择，并进一步发展到对短路的检测和监控。在吸能/增强强度方面，从电池组设置在能够弹性变形的整体吸能部件上，发展到在电池模块之间设置吸能部件。在可靠连接方面，从连接稳定性发展到连接的便利性。在气压均匀方面，从外部均匀紧固发展到在电池箱内部设置弹性部件来改善压力的均匀性。在排气方面，从传统的对排气孔的结构设计发展到将排气通道与电池组的盖体结构或壳体结构进行整体设计，从而简化排气通道的结构。

参考文献

[1]沙集堂.密封镍镉电池的失效分析及机理[J].电源技术，1986（6）：25-29.