电动自行车蓄电池专利技术发展研究

白露雪

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430000）

1.电动自行车蓄电池技术发展历程

自1881年第一辆以铅酸电池为动力的三轮车在巴黎问世以来，电动自行车已有一百多年的发展。电动自行车逐渐成为家庭的代步工具，蓄电池作为其动力源，决定着电动车的续航能力以及是否使用方便。不同蓄电池在电动自行车上的应用体现了电动自行车的发展历程。

（1）国外发展历程

第一件有关电动自行车的专利是1895年12月31日申请的公开号为US552271的美国专利，发明人为OBOLTONBOLTON，但并没有说明采用那种类型的蓄电池。随后，KNAUER于1982年9月18日申请了专利（DE3234729A），并明确指出蓄电池为铅酸蓄电池。

随着电动自行车对续航能力需求的增加，日本成为轻型电动车的发源地，生产和市场都具备相当规模，其中日本的爱华推出了一款可以用于电动自行车上的镍镉蓄电池组（JP1998185240A），该蓄电池具有安全性能高、充电量大、充电快等特点，很快应用于电动自行车，但镉是有毒金属。随后，1998年日本东芝电气公司推出了用于电动自行车上的镍氢蓄电池（JPH11283662）保证充放电量大的同时减少对环境的污染。

随着射界各国对环境的重视，欧盟等发达国家已明文禁止镉镍电池应用于电动汽车和电动自行车，自2006年1月1日起不得出售用于电动汽车和电动自行车的含金属镉的电池。锂蓄电池走进了人们的视线，虽然1991年申请用于电动自行车电池为锂电池（JP198973675），但并不是用于电动车的动力源。直到2006年的本田技研推出了一款可以用作电动自行车动力源的锂蓄电池（JP2008098012A）。

在锂电池用于电动车以后，在发达国家，锂蓄电池电动自行车取得了突飞猛进的发展，以其体积小、重量轻、容量大、寿命长等优点，成为国外电动自行车的主要动力源。

（2）国内发展历程

在国内，作为电动自行车“四大件”的核心部件，此前蓄电池在动力驱动领域的研发和应用，一直处于相对空白的状态。电动车蓄电池也经历了3个阶段。

第一阶段：1995—1999年，我国的电动自行车还处于萌芽发展时期。出现了在改装的自行车上配套使用的电池是开口富液式铅酸蓄电池，性能很不稳定，也不成熟，处在启蒙阶段。

第二阶段：2000—2011年，国内蓄电池行业在电动自行车铅酸动力电池的研发和生产方面得到了发展，已经走在世界前列，有力促进了电动自行车的快速发展。其间，主要采用的铅酸蓄电池是阀控密封铅酸蓄电池，其稳定好、充电快、价格低等特点很快在电动自行车上取得应用，占据了95%的市场，目前仍是电动自行车主要的蓄电池类型。

第三阶段：2011年至今，由于2011年5月18日，中华人民共和国环境保护部下发了《关于加强铅蓄电池及再生铅行业污染防治工作的通知》，以及《电动自行车通用技术条件》（GB/T17761—1999）标准，迫使电动自行车企业寻找新材料蓄电池，锂电池电动自行车在此时快速增长，且有逐年增长的趋势。如图1所示，从2011年开始，锂电池电动自行车取得了突飞猛进的发展。

图1 中国锂电池电动自行车产量

2 蓄电池专利及技术热点分析

（1）国外蓄电池在电动自行车中应用专利分析

图2为国外电动自行车用蓄电池专利申请量，可以看出，铅酸蓄电池经过一百年多年的发展，其在国外的申请量稳步增长，从2006年，铅酸蓄电池回收技术的发展，带动了铅酸蓄电池在电动车上应用的快速增长，在一定程度上缓解了铅酸蓄电池对环境污染。但从2015年开始申请量明显下降，这是由于各国对环境污染的重视，新型锂蓄电池的快速发展，对铅酸蓄电池带来了冲击。可以从锂电池在电动自行车应用专利申请量看出，从2011年，锂蓄电池在电动自行车上应用专利申请量增长明显，逐步成为电动自行车的主要的动力来源。作为新兴的镍氢蓄电池，不仅拥有镍镉电池寿命长、充放电快等优点，还有效地解决了污染环境的问题，但因氢原料、催化剂等技术问题的制约，镍氢蓄电池并没有得到很好的发展。从2012年开始，上述问题得到了一定的解决，镍氢电池开始出现快速增长的趋势。

图2 国外电动自行车用蓄电池专利申请量

对上述4种蓄电池专利申请量的统计情况，可以看出，日本在电动自行车蓄电池的技术专利申请较多，这也证实日本是“电动轻骑发源地”的地位。铅酸蓄电池在电动自行车上的应用在主要电动车产量国的专利申请量都是相对稳定的，这因为铅酸蓄电池曾在电动自行车蓄电池领域处于垄断的地位，可以说，铅酸蓄电池对电动自行车的发展起了决定性的作用。从图3中可以看出，镍氢蓄电池在电动自行车上的应用在日本发展较快，也正是因为日本在氢原料和催化剂以及安全性等技术比较先进，促进了镍氢蓄电池的快速发展。随着各国对电动自行车技术指标的限制，锂蓄电池在电动自行车的应用开始增加。从图3可以看出，国外几个电动自行车产销国在锂蓄电池以及在电动自行车方面的应用的专利申请数量差距不大。作为电动车蓄电池技术的发源国，日本在锂蓄电池的发展方面还是处于主导的地位。

图4是上述4种蓄电池的技术原创国（即首次申请国）的申请量分布情况。可以看出，无论是哪种蓄电池，日本在电动自行车蓄电池的应用中始终走在世界前列，这正与日本提倡发展电动车的政策息息相关。同时可以看出，锂蓄电池在欧盟地区发展也较迅速，特别是德国锂蓄电池的发展处于领先的地位。

（2）国内蓄电池在电动自行车中应用专利分析

图5是我国上述4种类型蓄电池在电动自行车方面应用历年来申请量的发展趋势。我国1988年申请了第一份用于电动自行车的铅酸蓄电池专利，2000年以后，铅酸蓄电池快速发展，这也与中国电动自行车产业迅速发展相对应，但在2003—2004年，专利申请量锐减，这是因为国家对环境污染整治力度加大，铅污染防治问题引用广泛的关注。从2005年，阀门式封闭铅酸电池的出现，在一定程度上为铅酸蓄电池解决了酸泄露、污染环境的问题，铅酸电池的申请量开始增加。到2011年达到顶峰。由于GB/T17761—1999标准的执行，铅酸蓄电池在电动车上的应用申请量开始下降，与此同时，锂蓄电池在电动自行车上的应用专利申请量开始增加，这与锂蓄电电池所具有的优点息息相关。由于镍氢蓄电池原料以及催化剂等技术问题，且价格昂贵，中国将镍氢蓄电池用于电动自行车上的专利申请不是很多。

3.电动自行车用蓄电池技术发展方向

通过上述专利分析，作为电动自行车的主要部件，蓄电池在今后可能有以下发展方向。

（1）铅酸电池

铅酸蓄电池由于价格便宜等原因仍占据目前市场的主导，新一代铅酸蓄电池比能量和循环次数仍存在严重的限制，但其制造价格便宜，同时2012年美国推出一种超级电池，是将超级电容器与铅酸电池并联使用，具有高比功率、长寿命以及价格便宜等优势。但在环保问题愈来愈受重视的今天，铅酸蓄电池的发展前景并不被行业看好。

图5 我国蓄电池在电动自行车上应用历年申请量

（2）镍氢蓄电池

氢镍电池由于具有较高的比容量和比功率，安全性好，对环境友好，成为近阶段电动自行车的最佳电源，也是电动车电池的重点发展方向之一。但其制造成本高，一致性、贮存性能和高倍率循环性能差，是该系列电池需要深入研究的课题。同时电池管理系统的开发是高功率氢镍电池今后的研究重点。

（3）锂蓄电池

从前面的分析可以看出，锂电池是未来最具有发展前景的电动自行车蓄电池，我国具有丰富的锂蓄电池原材料，为降低制造成本提供了可能性，同时安全性、价格成本、工艺一致性一直是制约电动自行车锂离子电池发展的关键指标。随着我国电动车科技发展“十二五”专项规划中指出，将推动以锂电池为重点的车用动力电池产业发展，给锂电池的发展带来契机。经过十多年的发展，电动自行车用锂离子电池取得了很大技术发展。随着工艺的成熟，锂蓄电池一致性也有了较好提高，若能降低制造成本、减少充电时间，锂蓄电池将把电动自行车蓄电池行业推向新高度。

4 结语

电动自行车蓄电池的前景十分诱人，动力电池将向着高比能量、高可靠性、低成本、安全环保等方向发展。高功率铅蓄电池的技术进步，使近阶段铅蓄电池仍在电动自行车市场上占主导地位，但氢镍电池、锂蓄电池将是今后的重点发展方向。

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