特斯拉专利解析报告.docx
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特斯拉专利解析报告
特斯拉专利解析报告
北京新能源汽车股份有限公司
2014年7月
1特斯拉专利简介
1.1特斯拉公司简介
特斯拉（Tesla）汽车公司成立于2003年，总部设在美国加州的硅谷地带，以生产和销售电动汽车为主要业务，2010年6月29日，特斯拉在纳斯达克上市，其旗下的车型包括MODELS、ROADSTER，以及即将上市的MODELX。
2014年6月12日，特斯拉电动汽车公司创始人兼CEO伊隆·马斯克在其博客上发布文章，宣布“特斯拉将不会对任何处于善意使用我们技术的人发起专利诉讼”免费公开其所有专利。
对于特斯拉公司公开专利举动，业内存在不同的观点：
（1）降低电动汽车零部件供应商成本，推动更多电动汽车基础设施的发展，使电动车更具吸引力、更便宜，这些最终都有利于特斯拉；
（2）吸引其他汽车制造商使用特斯拉标准，当涉及电池和部分特种电动车时，选择特斯拉作为供应商；（3）利用特斯拉的曝光度引发深入对话，这可能最终带来专利体系改革，但当前美国三大汽车制造商（通用、克莱斯勒、福特汽车）并没有合作的意象；（4）仅仅是一种特斯拉宣传手段，特斯拉并没有以任何方式切断未来诉讼的可能。
不论特斯拉公司基于哪种考虑公开专利，特斯拉在电动汽车销售和技术集成方面的优越性，伴随着ROADSTER和MODELS的上市变得越来越明显。
借此特斯拉公司公开专利契机，开展对特斯拉专利的分析和对标比较，对于促进自身技术的完善和提升，具有重要的价值和意义。
针对特斯拉电动汽车专利公开事宜，北京汽车新能源汽车有限公司和北京理工大学合作，对特斯拉的专利进行了梳理和分析。
1.2特斯拉专利总体介绍
对特斯拉汽车公司在世界范围内的专利，进行了查询和整理，截止2014年共计671项专利，其中特斯拉公司在美国本土申请了绝不大部分的专利，其他少部分申请记录分布在欧洲、日本和其他地区，具体分布和各区域数量，如图11示：
图11特斯拉世界范围内专利申请分布
1.3专利初步筛选分析
针对上述专利671项专利，除去：
（1）和美国本土申请专利内容一致的其他区域的的专利；
（2）美国本土外观设计类等非重点专利中内容一致（权利要求不一致）的专利。
经筛选后还有360项申请记录，并对这360项专利进行了初步分析。
（1）年专利申请量
下图是特斯拉申请专利的时间分布，可以看出，申请专利数量主要集中在2010年~2013年，且以2013年居多。
申请数量逐年增加，2014年专利数量减少，可能由于两种原因：
（1）2014年申请的专利有较多还未进行第一次公示；
（2）2014年特斯拉公司未处于新车型开发期。
图12各年申请量
（2）专利分类统计
初步筛选后的360项专利的总体结构如图13所示：
图13总体分类结构
外观设计类主要包括整车、车门和轮毂三个子类。
其中整车部分包括：
触摸屏设计、座椅安装、车身外形设计、天窗控制；车门部分包括：
车门的密封，车门的控制，车门的设计；轮毂部分包括：
轮毂的外形设计。
金属电池相关专利共有6项，主要包括：
金属空气电池和非金属空气电池的复合使用，金属空气的充电管理和金属空气电池的安全管理。
金属电池的优点是能量密度高，但金属电池供氧要求高、放电率低、可循环次数少。
常见的有铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池和铁空气电池。
锂离子电池包括六个部分：
（1）动力电池热管理系统，其包括a）热管理系统结构；b）热管理的控制策略；c）热失控的防护措施。
（2）电池系统充电控制。
（3）电池系统集成方法，其包括a）总体系统布置与装配；b）排气系统；c）电池箱密封。
（4）电池安全监测或改进。
（5）单体电池结构优化。
（6）电池其他方面的改进，主要包括电池的容错性设计，电池的绝缘电阻测量，电池箱的干燥等。
电机相关专利包括：
（1）电机控制，其主要包括电机的驱动管理。
（2）电机的结构改进或制造，包括a）转子制造；b）电机绕组制造方法；c）转子的冷却。
；（3）电机其他方面的改进，主要包括转子温度估计和电机连接件
整车部分的专利包括：
（1）整车驱动系统，主要包括a）双电机驱动模式；b）全驱动模式；
（2）结构优化，主要包括碰撞吸能结构；（3）整车其他方面，主要包括整车热管理和空气悬架控制系统；
在初步分析的专利中，未归类的其他类专利主要包括：
发电系统，充电站管理、出风口设计。
特斯拉公司在整车轻量化部分，没有专利申请的记录，其原因可能如下：
（1）整车轻量化不是特斯拉公司的核心技术，在整车轻量化技术方面，特斯拉公司不如其他汽车厂商；
（2）特斯拉电动汽车的车身参照了其他汽车企业的设计（例如莲花、菲斯克）。
（3）专利分类分布情况
在初步筛选后的360项专利中，各部分专利的数目和在总体内所占的比例如图14所示。
图14总体分类的分布
可以看出锂离子电池系统方面的专利占总体专利的50%以上（184项），是特斯拉公司专利战略的重点，也是该公司历年来研究工作的重点。
特斯拉公司在宣传中多次提及自身独特的动力电池系统技术，在专利保护战略中可以看出与宣传是一致的。
同时，特斯拉汽车独特的18650小容量电池成组技术虽在电动汽车业界存在不同的声音，但现阶段看，在商业应用上是成功的。
（4）专利所有权
初步筛选的360项专利中，特斯拉公司原申请了很多专利，并引进了一部分专利；但目前很大一部分专利做了抵押。
其分布情况如图15所示：
图15初步筛选专利所有权
特斯拉公司在锂离子电池部分做了很重要的专利布局，申请了大量有关锂离子电池的专利，并引进了一部分专利；目前作为特斯拉公司战略重点的锂离子电池部分的专利，很大一部分做了抵押。
其具体情况如图16所示。
图16锂离子电池部分专利所有权
由上可知，特斯拉公司已经失去了包括核心锂离子电池技术方面的大部分专利的所有权，至于其宣称专利公开，并不能完全消除侵权的可能性。
1.4重点专利介绍
针对上述初步筛选的360个专利，进行了进一步的分析，进一步筛选出75项专利，作为重点专利，进行了创新点的整理。
1.5重点专利分布统计
作为重点的专利，主要包括锂离子电池部分（58项）、电机部分（4项）、整车部分（6项）和界面控制系统（7项），其具体分类和分布情况如图17和图18所示：
图17重点专利分类明细
图18重点专利分类分布
在重点专利分析中，主要是对特斯拉核心技术—锂离子电池部分做了详细的专利解读，并分析了电机部分、整车部分的比较新颖的结构或控制和界面控制系统的组成。
1.6重点专利的专利所有权
75项重点专利中，基本上都是特斯拉专利原有的专利，只有很少一部分是引进的。
重点专利部分的所有权和重点专利中锂离子电池部分的专利所有权如图19和图110所示。
图19重点专利所有权
图110锂离子电池部分专利所有权
由图19和图110中可知，重点分析的75项专利中，有绝大部分专利做了抵押，其中特斯拉核心专利—锂离子电池部分，也绝大部分都做了抵押。
经咨询，多数专家认为，特斯拉此举在战略上是整合社会资源的一部分。
2锂离子电池
2.1电池热管理系统
当前，锂离子电池是电动汽车动力电池应用的主体，其充放电性能、使用寿命等均受到温度的影响，如图21~图23[]。
电池在放电过程中，要放出一定的热量，动力电池箱在狭小的空间中集中大量的锂离子电池（特斯拉汽车使用了近8000块电池单体），快速有效的散热冷却系统是必不可少的。
当电池的充放电倍率增加时，如产生的大量热量不能及时排出，会进一步加剧热量的集聚，严重时将导致热失控。
热失控也可能由电池内部短路、不正当的使用、机械滥用、制造缺陷，或者长期暴露在极端温度下等引起。
热失控的起始阶段，主要体现在电池内外部的温度的异常快速增加，以及电池内部副反应导致的气体排放引起的内压增加。
单体电池出现热失控的时候，高温高压有可能足以破坏电池封装，出现着火、甚至爆炸事故。
事故电池单体的高温在缺乏电池间隔离防护的情况下也会传播到邻近的电池单体（图24所示[]）。
图21不同温度下动力电池的放电特性
图22不同温度下动力电池的循环放电容量
图23不同温度下动力电池储能特性
图24电池热失控的蔓延
特斯拉公司公开的专利中涉及到电池热管理的专利共计68篇，其中热管理结构与控制策略共计36篇，热失控的检测及其防护措施共计32篇。
具体的分类如图25所示。
通过筛选，其中的28篇作为重点专利进行分析。
图25热管理相关专利分布
2.1.1冷却系统结构优化
特斯拉使用液体为导热介质，其冷却系统的形式多种多样。
本类型专利包含了两种，一是利用导热管的空间布置对电池进行冷却；二是直接利用冷却液对电池进行冷却。
2.1.1.1导热管型冷却系统优化
特斯拉专利针对圆柱形电池进行导热管的优化[][]，图26为优化前的流道结构，图27优化后的流道结构。
优化后的流道结构更适应电池的形状，从而提高空间的利用率，且增大了与电池的接触面积，提升了冷却效果。
图26优化前水道布置
图27优化后水道布置
虽然上述流道结构具有多种优点，但是在加工制造过程中，流道的弧度难以达到与电池严丝合缝的贴合，这就会导致电池与导热管的接触面积减小，造成导热不通畅。
采用热界面材料制成导热管的导热套，与导热流道结合，如图28和图29。
锯齿形的界面材料，不仅增大了与电池的接触面积，而且降低了对导热管生产工艺的要求[4]。
701—导热管；703—热界面；705—平滑面；707—非平滑面；901—波浪形凸起；903—局部放大图；905—平滑面热界面厚度；907—非平滑面热界面厚度
701—导热管；703—热界面；203—单体电池
图28导热管截面图
图29热界面与电池表面接触图
图28为导热管的截面图，导热套套在管道外面，利用导热套外侧锯齿形结构增大与电池的接触面积，如图29所示。
电池单体单体插入冷却管道时也需有特定的方向才能达到热界面与电池表面良好的接触情况，如图210所示。
701—导热管；703—热界面；901—波浪形凸起；1401—单体电池安装方向
图210电池单体相对导热管安装方向示意图
2.1.1.2冷却水套型冷却系统优化
冷却水套由一个空心的外壳组成，冷却液通过该壳体的入口和出口流入或流出，如图211所示[]。
电池以冷却剂隔离墙为界被划分若干组，冷却剂隔离墙将电池组和液体冷却剂隔离开流量控制器控制冷却液体流进和流出冷却水套的管道路径，例如使冷却剂流动路径在电池单体之间发生改变。
图211冷却水套整体结构
冷却水套的尺寸与其相应的电池单体数量相关，但也受制造工艺所限制，总体上来说，水套越大，对其进行密封就越难。
此外，单个水套所能有效密封的单体数量受冷却液的体积及流速、单体和导热管之间的热接触面积、冷却液流入的温度、电池热负载及期望的单体温度范围所限制。
图212电池模块隔离结构
图213隔离墙与冷却液流动1
图214隔离墙与冷却液流动2
图215隔离墙与冷却液流动3
如图212所示，采用机械可压缩的导热材料包裹每个单体，即使单体和水套孔在温度变化时会以不同速率膨胀、收缩，这层材料可以确保获得必要的导热性。
隔离墙可以控制冷却液的流动方向，以满足不同的功能需求，如图213~图215所示，通过改变隔离墙的位置可以得到如图所示的冷却液流动方式。
2.1.2温度控制的结构
图216为温度控制系统的拓扑结构[1]，其中能量存储系统ESS在本文中指动力电池包。
为将ESS（605）产生的热量及时疏散，特斯拉设计了两级冷却系统：
右侧为电池冷却子系统（601），通过冷却泵驱动冷却液对ESS进行液体冷却；左侧为制冷子系统（603），通过热交换器（605），对右侧高温的冷却液进行冷却，加强冷却效果。
若ESS温度处于第一温度范围内（较低温度范围，但需要冷却），则开启液体冷却（617）和散热片（623）进行散热；若动力电池放电电流较大，发热量较高，使得ESS温度达到第二温度范围内，则在上述基础上增加风扇强制对流散热；若动力电池发热量进一步加大、或出现热失控，使得ESS温度高于第二温度范围，则在上述基础上开启制冷子系统，即双冷却系统，对冷却剂进行降温。
在后续的专利申请中[]，特斯拉对该结构进行了改进，在ESS内部布置多条流道结构1001、1003，通过节流阀控制流道内冷却剂的流量，可实现ESS内部的分区温度控制，提高其内部温度的均匀性，如图217。
501-能量存储系统；601-电池冷却系统；603-制冷系统；605-热交换装置；607-压缩机；609冷凝室；611-风扇；613-热平衡阀；615-干燥分离装置；617-导热管；619-冷却泵；621-冷却剂存储器；623-散热片；625-风扇；627-加热器
图216动力电池温度控制系统结构
501-能量存储系统；601-电池冷却系统；603-制冷系统；605-热交换装置；607-压缩机；609冷凝室；611-风扇；613-热平衡阀；615-干燥分离装置；617-导热管；619-冷却泵；621-冷却剂存储器；623-散热片；625-风扇；627-加热器；1001，1003-导热管导热管；1005-节流阀；
图217改进的动力电池温度控制系统结构
为了满足电池的正常工作条件以及给乘客制热和制冷等需求，电动汽车一般需要多个独立的热管理系统，这使得其结构复杂、控制难度大。
特斯拉针对上述情况提出了一种解决方法[]，其主要结构分为冷却子系统，控制子系统，电池循环子系统和乘客舱循环子系统。
如图218所示，冷却子系统（202）有多种降温的方法，例如，压缩制冷剂降温，制冷剂可以为四氟化碳或R134a（国际主流的环保制冷剂之一）等；通过电热方法如帕尔贴效应[]（PeltierEffect,利用电流通过两种特殊物质的结点处而产生温度降低的现象）降温。
乘客舱空调子系统（206），用于为车厢降温。
在传统汽车中，乘客舱空调子系统包括电风扇，导管和通风管等。
如果该子系统中含有冷却剂，则子系统中还应有膨胀阀和蒸发器。
可以通过电风扇吹过蒸发器使得蒸发器为车厢提供冷却空气。
控制子系统用于管理冷却液或其他冷却介质在冷却子系统与电池循环子系统或车厢冷却子系统之间的流动。
202—冷却子系统；204—电池循环子系统；206—车厢循环子系统；208—控制系系统
图218集中式冷却系统结构示意图
将专利[6]与专利[7]结合，特斯拉给出了更广义的分区控制结构，通过程序（310）控制电磁阀（308）调节冷却系统对不同区域冷却剂的流量，实现不同区域的温度控制，如图219所示。
302—冷却子系统；304—除电池以外需要冷却的区域1；306—电池区域；308—阀门；310—控制子系统
图219集中式冷却系统功能模块图
在上述专利基础上，特斯拉从整车温度控制出发，建立了整车热管理的系统结构，如图220所示[]。
驱动冷却子系统、电池冷却子系统、乘客舱通风冷却子系统均以液体为主要的传热介质，并配有风扇和散热片。
当散热量不大时，各子系统可自行完成温度控制；外界温度较高时，需要对驱动系统，乘客舱和电池箱进行散热降温，制冷子系统通过热交换装置，吸收电池箱和乘客舱冷却导管中的热量，达到降低冷却剂温度的作用，驱动系统中的冷却剂可通过节流阀，从乘客舱的冷却剂流道中引流低温冷却剂，从而加强冷却效果；环境温度较低时，需要对乘客舱进行加热，驱动系统发热量较大，需进行冷却，可联通节流阀（155）和（157），将驱动冷却系统中已经加热的冷却液倒流到乘客舱中，待加热器和风扇将这部分热量散热至乘客舱后，再通过节流阀（159）将低温的冷却剂倒流回驱动冷却系统。
通过节流阀调节各子系统冷却剂的流向，合理调配车辆运行中产生的热量，实现了低能耗下的整车温度的综合控制。
101-驱动冷却子系统；103-制冷系统；105-电池冷却系统；107-乘客舱空调；133-热交换装置；109、139、151导热管；141-冷却泵；155、157、159-节流阀；137-能量存储系统；
图220整车热管理系统
2.1.3温度控制的控制策略
2.1.3.1冷却系统控制策略
针对不同复杂程度的系统结构，特斯拉给出了多个温度控制策略，有的仅以ESS内部温度作为参考，有的也将环境温度考虑在内，而且环境温度有多重获取方法如
传感器直接检测，
根据历史记录查表，
根据时间地点，去数据库查询等。
本文给出了两个典型的温度控制策略[6]。
图221为ESS分区温度控制策略流程图，首先判断ESS平均温度是否处于一定范围内（901），如高于该范围，则开启双冷却系统（903）；若低于该温度范围则关闭冷却系统（707）；若处于该范围内，则将环境温度与ESS分区内的平均温度进行对比（709），若环境温度高于分区平均温度则关闭该分区导热管导热管（1105、1107）；若环境温度低于分区内温度则开启分区流道，对该区域进行冷却（1109、1111）。
低温下动力电池的充放电能力会下降，所以低温环境下应对动力电池进行加热，以提高其充放电性能，所以图222给出了带有加热系统的控制策略。
若ESS平均温度低于第一个温度范围（T1，T2），则进一步判断是否低于第二个温度范围（T3，T1）（1503）；若低于该温度范围则需要对动力电池进行加热（1505），若处于该范围则关闭冷却系统（715）。
图221ESS温度分区控制策略
图222ESS温度综合控制策略
2.1.3.2加热控制策略
动力电池预热的热量来源包括如下几个方面：
动力电池上附加加热器；
弱化或停止冷却系统；
从环境中吸热；
主电动机冷却系统中的冷却液；
将散热用的冷却剂加热。
图223为预加热系统拓扑结构[]，温度比较装置（208）监测动力电池温度并与预设温度值进行比较，当动力电池温度低于预设温度值则向控制回路（210）发出低温信号；控制回路会确定当前温度点至预设启动车辆时间点的剩余时间，并发出可预加热指令；根据该指令，控制回路驱动加热系统对动力电池进行预加热。
能耗评估系统会检测预加热能耗因数，并与预设值进行比较，高于预设值时停止预加热，低于预设值时会重新发送可预加热指令至控制回路，继续进行预加热，如图224所示。
若剩余时间低于一定数值时，预加热则不受能耗因数限制，直到加热至预设温度值。
206-动力电池系统；214-加热系统；208-温度比较器；210-控制回路；212进一步控制回路；能耗评价回路；用户界面
图223预加热系统拓扑结构
图224预加热能耗和电池温度对时间的关系
2.1.4热失控的检测
2.1.4.1热失控的检测方法
探测热失控最好的方法就是尽可能提前预报热事件，这样可以提供充裕的时间消除或降低对电池的伤害。
以下专利分别采用不同的方法预报热失控，依据不同的检测参数可分为：
气体压力检测法、热敏电阻检测法、绝缘电阻检测法、电压检测法、光纤检测法。
（1）气体压力检测法
通过检测电池包内部气体压力变化来判断是否发生了热失控[]。
其原理实：
在一个密闭的电池箱内，检测发生热失控时箱内气体压力的变化。
通过拟合检测的压力曲线（拟合的时间段是8-13秒），判断其是否按照指数衰减的，如果是按指数衰减则未发生热失控；如果不是按指数衰减，则表示出现热失控。
其检测流程，如图225所示。
将监测的电池箱内部最近100秒的压力数值与压力数据进行比较（303）；若压力异常，则拟合压力曲线（305）；将拟合的压力曲线与热失控时的压力曲线比较，是否是按照指数衰减；如果是，做出非热失控的响应（313）；如果不是，则有可能是热失控引起的事件，再次检测二次的响应（505）；若再次确认的二次影响在一定的时间内，则确认发生了热失控并做出响应（309）。
为了避免外界环境或者其他因素的影响，需要二次检测系统，它利用温度、湿度、冷却液的温度作为参数，辅助判断热失控。
检测周期可分别设定为5s、30s、1min、5min、10min。
记录温度、时间、压力，并输出：
警告、启动热管理系统、传输时间信息、灭火、功率输出管理等信号。
301-开始压力检测；303-压力异常检测；305-拟合压力曲线；313-非异常响应；501-二次影响检测；
503-时间检测；309-热失控响应
图225内部压力检测流程图
（2）热敏电阻检测法
图226所示，热敏电阻（103）测量电池（101）表面的电阻值变化[]（阻值随温度而变化）；以测量到的电阻值的连续性作为第一判断条件，当温度升高的时候，电阻值的连续性被打断（由于阻值的突然增大）；并结合第二判断条件：
温度变化速率、温度值（避免功率输出带来的温升）。
（301）是一个已知温度特性的热敏电阻，用来监督装置（105）是否正常工作，在正常工作时可以显示准确的（301）电阻值。
101-电池；103热敏电阻；105电阻检测；109-控制系统；113-报警系统；115-负载控制；117-冷却系统；
119-火控系统；121-系统检测；123输出系统
图226热敏电阻值检测原理
（3）绝缘电阻检测法
图227是通过检测电池包的绝缘电阻值的变化来判断是否发生了热失控的事件[][]。
绝缘电阻的变化过程如下所述，（703）表示绝缘电阻降。
由于电池箱内部过热产生的导电气体，（705）是由于排气阀打开导电气体释放，使得绝缘电阻值恢复至初始值；基于第一次的后续的导电气体的释放，（707）绝缘电阻值下降，导致第二次的导电气体的释放，恢复过程有些缓慢。
但是若发生了热失控，则出现（709）绝缘电阻值降低后是无法恢复的。
703-绝缘电阻降；705-绝缘电阻升；707-绝缘电阻降；709-失控时绝缘电阻
图227电池包绝缘电阻阻值变化
（4）电压检测法
图228为热失控的电压检测方法[]。
该装置将一个绝热导电部件置于或接近电池或电池组的外表面。
电压测量系统（105），测量导热部件内部导电电芯（301）的电压，若电池或电池组处于预定温度范围内，则电压测量系统输出第一种信号；若电池或电池组超过或低于预定温度范围内，则电压测量系统输出第二种信号。
101-电池；301-导电体；303-导电体；305-绝缘部件；
图228电阻阻值检测方法
图228中，（103）由同轴的两种导体和中间的绝缘物质组成，其中的一个导体（301）连接着参考电压源和限流电阻，另一个导体（303）与电压测量装置连接。
（105）是电压测量装置，（107）是参考电压值，（301）和（303）分别是两种不同的电导体，（305）是绝缘物质。
在发生热失控时，（305）绝缘的物质会融化，这样使得（303）与（301）连接到一起，在（105）监控（303）的电压会变化，由此判断热事件的发生。
如果是两个导体分别包裹着不同融化温度的绝缘物质，则可检测到两种不同的热事件的温度。
（5）光纤检测法
图229提供了一种方法和装置可用于判断电池包中电池单体或多个电池出现异常的热行为[]。
如热失控，该系统使用的光纤安装在靠近或接触要监控的电池或电池组的外表面。
光纤103一端耦合一个光源105，探测器107，通过检测光纤另一端的输出光的强度确定电池的健康状态。
101-电池；103光纤；105-光源；107-接收器；109-控制系统；113-报警系统；115-负载控制；117-冷却系统；119-火控系统；121-系统检测；123输出系统
图229光纤检测热失控方法
图230所示，为了提高探测的灵敏度，对温度变化的灵敏度，添加了滤光片（301），（301）是一个带通滤光片；所以在发生热事件使得温度上升时，波长
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