(Technical service center, Technical Commission of Electrically Operated Motorcars, China Electrotechnical Society)

Abstract: The achievement, problem and improvement direction of VRLA battery for electric bicycles were introduced.

蓄電池是電動自行車的能源，是影響電動自行車性能的關鍵部件，也是制約電動自行車發展的關鍵。為適應電動自行車的需要，電動自行車用蓄電池發展很快。雖然現在市場上的電動自行車95%以上用閥控鉛酸蓄電池，但多家公司正在積極研制并推出電動自行車用的鋰離子蓄電池，整車廠也積極推出用鋰離子蓄電池的電動自行車，鋰離子蓄電池用于電動自行車的呼聲很高，閥控鉛酸蓄電池的優勢地位受到挑戰。因此，電動自行車用閥控鉛酸蓄電池應如何發展？是生產電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的廠家和電動自行車業界普遍關心的問題。本文介紹電動自行車用閥控鉛酸蓄電池發展現狀、存在問題和改進發展的方向。

1. 突破性進展

鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，在100多年中一直不斷地在改進提高，有的是革命性的飛躍式提高。我國的電動自行車用閥控鉛酸蓄電池水平十年來也有很大改善，其中DZM-10型電池提高尤為明顯，主要表現為：

（1）初容量和比能量大幅提高

1997年時，國內的電動自行車用閥控鉛酸蓄電池2小時率（5A）放電容量達不到或只能勉強達到10Ah，2小時率下的比能量達不到30Wh/kg，上海市地方標準《電力助動車專用蓄電池》（DB31/202-1997）中，對鉛酸蓄電池比能量要求是5小時率達到30Wh/kg。

現在，經過改進和挖掘潛力，通過在電池外形尺寸不變的情況下略加高極板，使2小時率（5A）放電容量達到14Ah以上（提高約40%），比能量可達到35-37Wh/kg（提高20%）。

（2）壽命性能有明顯的提高

1999年時，按“全充全放”式2小時率（5A）放電，容量降到8Ah（80%）為壽命終點的循環壽命試驗，只有少數廠家（約5%）的電池循環壽命可達到260-280次循環，放出的總容量約為2700Ah，相應累計行駛里程約為10800公里（按4公里/ Ah計算），可保用一年。大多數廠家的電池循環壽命達不到要求，使用壽命只有3-5個月。

現在，電池能夠保用一年的廠家數目明顯增加。我們檢測到的電池組最高的循環壽命超過600次，放出總容量為6151Ah，相應累計行駛里程約24600公里。如果深循環壽命指標為250次或放出的總容量為2250Ah，相應累計行駛里程為9000公里的電池組可保證使用一年，那么按折算，這樣的電池組可使用二年以上。

（3）早期容量衰減現象有改善

早期容量衰減是電動自行車用閥控鉛酸蓄電池存在的普遍現象。我們在總結多年試驗經驗的基礎上，提出了衡量早期容量衰減（PCL-1）性能的指標，以考核蓄電池的早期容量衰減情況，即第1-50次循環的放電容量（25℃下）衰減應小于10%。

1999年時，50次循環內容量衰減在10%以內的電池很少，正極為Pb-Ca-Sn-Al 合金的電池早期容量衰減現象尤為嚴重，50次循環內容量衰減在20-30%。

現在，50次循環后的容量衰減在10%以內的電池明顯增加，約占被測樣本的80%。而且正極為Pb-Ca-Sn-Al合金的電池，通過改進配方和工藝，也都能達到衡量早期容量衰減性能指標的要求。這說明早期容量衰減問題已能夠解決。

（4）無鎘電池總體性能優于有鎘電池

現在市場上使用的電動自行車閥控鉛酸蓄電池，按其采用的正極板柵鉛合金分類，可分為用Pb-Sb-Cd合金的有鎘電池和用Pb-Ca-Sn-Al合金的無鎘電池(相對于前者稱其為綠色電池)。

1999年時，無鎘電池早期容量衰減現象嚴重，“全充全放”的深循環壽命性能較差，只有少數有實力的廠家采用國外先進設備和工藝生產的電池早期容量衰減和深循環壽命性能可以達到要求。因此，在中、小型廠家生產的電池大多數是有鎘電池。

現在，采用國內的先進配方和工藝，在中、小型廠家靠國內設備制造的無鎘電池，早期容量衰減和深循環壽命性能已經可以達到要求。而且，深循環壽命性能有新的、突破性進展。我們在測評中發現無鎘電池的深循環壽命可以達到或超過400次循環，放出總容量為4500Ah，相應累計行駛里程約18000公里。最高的深循環壽命超過600次，放出總容量為6151Ah，相應累計行駛里程約24600公里。

相比而言，含鎘電池的深循環壽命性能遜于無鎘電池。根據我們測評過的幾十個廠家生產的DZM-10型含鎘電池樣品統計，深循環壽命在240-280次循環之間，極少超過300次循環；放出總容量為2500-3000Ah；相應累計行駛里程為10000-12000公里，因此，保證使用期只有一年。

對占市場份額60%以上的電動輕便摩托車采用的DZM-20型電池，有鎘電池的情況更差，壽命性能遠低于無鎘電池，更不盡人意，情況更嚴峻。近年來，我們測評過的樣本共10個。10個樣本中，6個樣本的無鎘電池循環壽命為200次循環左右或放出總容量約4200Ah；4個樣本的有鎘電池循環壽命為23-98次循環，都不到100次循環。

正如沈陽蓄電池研究所副所長伊曉波先生在2009年3月的國際鉛鋅組織高峰論壇上發表的《中國鉛酸蓄電池行業發展概述》所述：“中國自主創新型產品—電動自行車蓄電池為代表的深循環動力電池制造技術在某些方面已超越歐美、日韓等先進工業國家技術，處于國際領先水平”。正是這些突破性的進展，閥控鉛酸蓄電池在電動自行車中所占份額保持在95%以上；電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的總量（KWh數）已超過汽車起動用的閥控鉛酸蓄電池，成為鉛酸蓄電池中總量第一的產品。因此，我們認為：即使鋰離子蓄電池在電動自行車上實現了商業化，閥控鉛酸蓄電池將保持它在電動自行車上應有的地位，很難被完全取代。

2. 存在問題

當然，在面臨嚴峻挑戰的形勢下，我們要看到我國電動自行車用閥控鉛酸蓄電池發展中存在的問題。據我們近十年來對上百個樣本進行的測試評估和觀察，主要問題有：

（1）質量參差不齊嚴重，發展水平不平衡，合格率低。我國生產電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的廠家很多，數量達幾百家，水平參差不齊。據2007年春和12月受國家質檢總局委托蘇州化學電源研究所和國家自行車產品質量監督檢驗中心對電動自行車閥控鉛酸蓄電池產品進行了監督抽查檢測，檢測項目是2小時率容量、-10℃下的低溫容量、過充電性能，合格率約為七成和74.3%。可見，在沒有對壽命性能檢測的情況下，合格率不算高。據我們近十年得到的數據，能夠穩定達到壽命性能指標的電動自行車閥控鉛酸蓄電池成組產品不超過50%。這與因蓄電池壽命達不到要求而對電動自行車閥控鉛酸蓄電池產品的投訴和引起的糾紛占60-70%的情況是一致的。質量是企業的生命。壽命是蓄電池質量的中心。沒有對壽命性能的檢測應是不完整的檢測，其結果不能正確反映市場上的產品質量狀況。

（2）有鎘電池比例太高。目前市場上銷售的電池80-90%是有鎘電池產品，而且有些原來生產無鎘電池的廠家退回到生產有鎘電池。這種情況與歐盟法令、國家產業政策都是背道而馳的，增加了國家有關部門對電動自行車閥控鉛酸蓄電池環境保護問題的異議，希望能引起有關企業的警覺。2008年新頒布的《電動助力車用鉛酸蓄電池》國家標準（GB/T7403.1～2-2008）對有鎘電池和無鎘電池要求用“含鎘”和“無鎘”進行標志，該標準雖未明確禁止有鎘電池，但限制傾向是明顯的。體現國家產業政策的《產品結構調整目錄》2007年版將含鎘板柵的鉛酸蓄電池列入淘汰類。2008年初，國家環保總局將極板含鎘類鉛酸蓄電池列入第一批“高污染、高環境風險”（簡稱“雙高”）產品名錄。據2009年3月24日的《新民晚報》上報道，《2008年度浙江省食品安全狀況報告》（白皮書）稱，“食品中重金屬鉛、鎘等超標情況日漸嚴重，可能與種養殖環境被污染有關”。因此，我們呼吁：國家有關部門要加緊推動含鎘電池向無鎘電池的轉變；蓄電池生產廠家要自覺自律地逐步不用含鎘的合金；整車生產廠家要自覺自律地逐步選用無鎘電池；有關機構要積極宣傳和推廣長壽命的無鎘電池的技術。

（3）DZM-20型電池壽命性能差。據我們近年測評中得到的數據，按“全充全放”的循環壽命，無鎘電池在200次左右，放出總容量約4100Ah，很少超過250次或放出總容量超過4500Ah；有鎘電池情況更差，都不到100次循環，在25-98次循環之間；都不能保證使用一年。

（4）鉛價高、成本提高。十年來鉛價最高時上升約十倍，使電池成本和價格提高，與其它電池的性價比差距縮小，競爭力下降。

3. 改進發展的方向

基于嚴峻挑戰的形勢和存在問題，更要重視對電動自行車用閥控鉛酸蓄電池的進一步研究和改進提高。對改進提高的方向，有很多人提出發展新型的閥控鉛酸蓄電池，如圓柱形電池、雙極性電池、鉛布電池等。但筆者認為，比較實際和現實的研發工作重點是：在現有成績的基礎上，針對存在的問題，提高性能、降低成本，提高性價比，改善與環境友好程度，樹立電池系統觀念。具體的改進提高方向如下：

（1）提高壽命及其穩定性。質量是企業的生命，壽命是蓄電池質量的中心。現在，能穩定達到壽命性能指標的產品比例不高，其原因比較復雜，有技術上和管理上的因素。有的廠家還沒有掌握制造長壽命電池的技術；有的廠家雖基本掌握了制造長壽命電池的技術，但在管理水平上存在嚴重缺陷，壽命性能不穩定，經常有電池出現微短路而提前失效。可見，要研究和掌握制造長壽命電池的技術、改進電池結構、提高管理水平。為了電動自行車用蓄電池的健康發展，為對用戶負責，我們建議國家質檢部門要加強對蓄電池壽命的定期質量監督抽查檢測，使廣大總體單位和用戶了解蓄電池壽命性能合格率水平，使蓄電池廠家更加重視自己產品的壽命性能合格率水平。

（2）改善與環境友好程度。鉛酸蓄電池已被帶上有污染產品帽子，因此我們更要改善與環境友好程度。具體措施是：

①首先，在產品選擇上要將有鎘電池向無鎘電池過渡，最后淘汰有鎘電池，使產品符合國家產業政策和國外有關法令；

②生產中自覺加強環保治理，改善與環境友好；

③自覺加強廢電池回收，提供給符合國家準入條件的單位回收、處理，以提高回收效率，發揮鉛的資源回收率高、可循環使用的優勢，改善與環境友好。

（3）重視節約鉛措施。十年來鉛價最高上升約十倍，使鉛占電池成本約40%上升到約80%，利潤空間縮小，節約鉛的意義重大。要從電池設計、生產的全過程挖掘節約鉛的潛力。例如，同樣性能的DZM-10型電池，最重的達4.5kg，最輕的只有4.1kg；負極板柵最輕的只有6g，最重的超過12 g；節約鉛的潛力很大。生產過程中減少鉛的損耗，對降低成本和改善環境都有好處，要采用節約鉛的先進技術和從點滴做起。

（4）提高DZM-20型電池壽命性能。DZM-20型電池是電動輕便摩托車采用的主力型號，電動輕便摩托車在電動自行車市場上占60%以上，而現在DZM-20型電池壽命性能還不能滿足保證使用一年的基本要求。因此，提高DZM-20型電池壽命性能迫在眉睫。

（5）樹立電池系統觀念，加強電池組的管理。

鑒于國內電動自行車是自發的、自下而上的、作為一種組裝產品發展起來的歷史和背景；鉛酸蓄電池的使用技術比較成熟、安全性較好；電動自行車上電池的數量較少，只有2-4塊12V電池等因素，對電動自行車閥控鉛酸蓄電池的使用缺乏電池系統的觀念，對電池組管理系統的需求不迫切。似乎電動自行車用的閥控鉛酸蓄電池組只要2-4塊電池加上電池盒組成就行，沒有必要像鋰離子蓄電池組那樣有一個電池管理系統。

實際上，電動車電池的使用不能只看作為幾塊電池的使用，而是一個電池系統。譬如，潛艇是最大的電動車（船），潛艇使用的不只是幾百塊鉛酸蓄電池，而是一個復雜的電池系統。這系統要考慮的內容包括：電池組在潛艇上的合適位置；電池的布置和位置狀態；滿足強烈的沖擊、振動要求的電池間的固定；電池間連接方式及走向要考慮電流磁場的抵消和消除；電池組對地絕緣以及有電解液冒出或海水進入時的應急保護措施；電解液的攪拌；電池的水冷卻裝置和管路；電池艙的通風和酸霧、氫氣等有害氣體過濾、檢測和消除；電池的電流、電壓、溫度、液面等數據采集、貯存、顯示和報警等等。

電動自行車雖是一種小型電動車，實際上現在的一盒電池也是一個簡單的電池系統，它包括電池盒、電池、充放電接插件、保險元件等，同樣也考慮安放的合適位置、電池的布置和位置狀態、電池間的固定等問題。只是原來沒有從電池系統觀念去積極、主動、自覺地去考慮問題。

如果樹立電池系統觀念，我們認為電動自行車的電池系統應該在上述簡單系統基礎上，要與現有控制器、充電器的功能整合，形成一個完整、合理的電池系統。這個系統應考慮：

①電池盒不能密封，要防止氫氣積累爆炸；同時有通風通道和排積水通道。

②為充分發揮蓄電池的潛能，防止誤用或濫用蓄電池，系統中應有一個適合閥控鉛酸蓄電池特點的價廉、簡單、實用的電池管理系統。這系統應具有如下功能：

a. 防短路、防過流和合適限流功能；

b. 防過放電的合適欠壓保護；

c. 保證充電容量大于放電容量的充分充電；

d. 防止導致電池嚴重熱失控而脹肚的過充電；

e. 對充電的恒壓值有溫度補償功能；

f. 有記錄充、放電容量和超過限流的運行情況，并可儲存和調用；

g. 適當的電池間均衡功能和電池激活功能。