電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池的現(xiàn)狀和展望

(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(dòng)自行車的能源，是影響電動(dòng)自行車性能的關(guān)鍵部件，也是制約電動(dòng)自行車發(fā)展的關(guān)鍵。為適應(yīng)電動(dòng)自行車的需要，電動(dòng)自行車用蓄電池發(fā)展很快。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上的電動(dòng)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(dòng)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(dòng)自行車，鋰離子蓄電池用于電動(dòng)自行車的呼聲很高，閥控鉛酸蓄電池的優(yōu)勢(shì)地位受到挑戰(zhàn)。因此，電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池應(yīng)如何發(fā)展？是生產(chǎn)電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池的廠家和電動(dòng)自行車業(yè)界普遍關(guān)心的問(wèn)題。本文介紹電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題和改進(jìn)發(fā)展的方向。

1. 突破性進(jìn)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(jìn)提高，有的是革命性的飛躍式提高。我國(guó)的電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池水平十年來(lái)也有很大改善，其中DZM-10型電池提高尤為明顯，主要表現(xiàn)為：

（1）初容量和比能量大幅提高

1997年時(shí)，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池2小時(shí)率（5A）放電容量達(dá)不到或只能勉強(qiáng)達(dá)到10Ah，2小時(shí)率下的比能量達(dá)不到30Wh/kg，上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《電力助動(dòng)車專用蓄電池》（DB31/202-1997）中，對(duì)鉛酸蓄電池比能量要求是5小時(shí)率達(dá)到30Wh/kg。

現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)改進(jìn)和挖掘潛力，通過(guò)在電池外形尺寸不變的情況下略加高極板，使2小時(shí)率（5A）放電容量達(dá)到14Ah以上（提高約40%），比能量可達(dá)到35-37Wh/kg（提高20%）。

（2）壽命性能有明顯的提高

1999年時(shí)，按“全充全放”式2小時(shí)率（5A）放電，容量降到8Ah（80%）為壽命終點(diǎn)的循環(huán)壽命試驗(yàn)，只有少數(shù)廠家（約5%）的電池循環(huán)壽命可達(dá)到260-280次循環(huán)，放出的總?cè)萘考s為2700Ah，相應(yīng)累計(jì)行駛里程約為10800公里（按4公里/ Ah計(jì)算），可保用一年。大多數(shù)廠家的電池循環(huán)壽命達(dá)不到要求，使用壽命只有3-5個(gè)月。

現(xiàn)在，電池能夠保用一年的廠家數(shù)目明顯增加。我們檢測(cè)到的電池組最高的循環(huán)壽命超過(guò)600次，放出總?cè)萘繛?151Ah，相應(yīng)累計(jì)行駛里程約24600公里。如果深循環(huán)壽命指標(biāo)為250次或放出的總?cè)萘繛?250Ah，相應(yīng)累計(jì)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(xiàn)象有改善

早期容量衰減是電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池存在的普遍現(xiàn)象。我們?cè)诳偨Y(jié)多年試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了衡量早期容量衰減（PCL-1）性能的指標(biāo)，以考核蓄電池的早期容量衰減情況，即第1-50次循環(huán)的放電容量（25℃下）衰減應(yīng)小于10%。

1999年時(shí)，50次循環(huán)內(nèi)容量衰減在10%以內(nèi)的電池很少，正極為Pb-Ca-Sn-Al 合金的電池早期容量衰減現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，50次循環(huán)內(nèi)容量衰減在20-30%。

現(xiàn)在，50次循環(huán)后的容量衰減在10%以內(nèi)的電池明顯增加，約占被測(cè)樣本的80%。而且正極為Pb-Ca-Sn-Al合金的電池，通過(guò)改進(jìn)配方和工藝，也都能達(dá)到衡量早期容量衰減性能指標(biāo)的要求。這說(shuō)明早期容量衰減問(wèn)題已能夠解決。

（4）無(wú)鎘電池總體性能優(yōu)于有鎘電池

現(xiàn)在市場(chǎng)上使用的電動(dòng)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(wú)鎘電池(相對(duì)于前者稱其為綠色電池)。

1999年時(shí)，無(wú)鎘電池早期容量衰減現(xiàn)象嚴(yán)重，“全充全放”的深循環(huán)壽命性能較差，只有少數(shù)有實(shí)力的廠家采用國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和工藝生產(chǎn)的電池早期容量衰減和深循環(huán)壽命性能可以達(dá)到要求。因此，在中、小型廠家生產(chǎn)的電池大多數(shù)是有鎘電池。

現(xiàn)在，采用國(guó)內(nèi)的先進(jìn)配方和工藝，在中、小型廠家靠國(guó)內(nèi)設(shè)備制造的無(wú)鎘電池，早期容量衰減和深循環(huán)壽命性能已經(jīng)可以達(dá)到要求。而且，深循環(huán)壽命性能有新的、突破性進(jìn)展。我們?cè)跍y(cè)評(píng)中發(fā)現(xiàn)無(wú)鎘電池的深循環(huán)壽命可以達(dá)到或超過(guò)400次循環(huán)，放出總?cè)萘繛?500Ah，相應(yīng)累計(jì)行駛里程約18000公里。最高的深循環(huán)壽命超過(guò)600次，放出總?cè)萘繛?151Ah，相應(yīng)累計(jì)行駛里程約24600公里。

相比而言，含鎘電池的深循環(huán)壽命性能遜于無(wú)鎘電池。根據(jù)我們測(cè)評(píng)過(guò)的幾十個(gè)廠家生產(chǎn)的DZM-10型含鎘電池樣品統(tǒng)計(jì)，深循環(huán)壽命在240-280次循環(huán)之間，極少超過(guò)300次循環(huán)；放出總?cè)萘繛?500-3000Ah；相應(yīng)累計(jì)行駛里程為10000-12000公里，因此，保證使用期只有一年。

對(duì)占市場(chǎng)份額60%以上的電動(dòng)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(yuǎn)低于無(wú)鎘電池，更不盡人意，情況更嚴(yán)峻。近年來(lái)，我們測(cè)評(píng)過(guò)的樣本共10個(gè)。10個(gè)樣本中，6個(gè)樣本的無(wú)鎘電池循環(huán)壽命為200次循環(huán)左右或放出總?cè)萘考s4200Ah；4個(gè)樣本的有鎘電池循環(huán)壽命為23-98次循環(huán)，都不到100次循環(huán)。

正如沈陽(yáng)蓄電池研究所副所長(zhǎng)伊?xí)圆ㄏ壬?009年3月的國(guó)際鉛鋅組織高峰論壇上發(fā)表的《中國(guó)鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展概述》所述：“中國(guó)自主創(chuàng)新型產(chǎn)品—電動(dòng)自行車蓄電池為代表的深循環(huán)動(dòng)力電池制造技術(shù)在某些方面已超越歐美、日韓等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家技術(shù)，處于國(guó)際領(lǐng)先水平”。正是這些突破性的進(jìn)展，閥控鉛酸蓄電池在電動(dòng)自行車中所占份額保持在95%以上；電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池的總量（KWh數(shù)）已超過(guò)汽車起動(dòng)用的閥控鉛酸蓄電池，成為鉛酸蓄電池中總量第一的產(chǎn)品。因此，我們認(rèn)為：即使鋰離子蓄電池在電動(dòng)自行車上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，閥控鉛酸蓄電池將保持它在電動(dòng)自行車上應(yīng)有的地位，很難被完全取代。

2. 存在問(wèn)題

當(dāng)然，在面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的形勢(shì)下，我們要看到我國(guó)電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池發(fā)展中存在的問(wèn)題。據(jù)我們近十年來(lái)對(duì)上百個(gè)樣本進(jìn)行的測(cè)試評(píng)估和觀察，主要問(wèn)題有：

（1）質(zhì)量參差不齊嚴(yán)重，發(fā)展水平不平衡，合格率低。我國(guó)生產(chǎn)電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池的廠家很多，數(shù)量達(dá)幾百家，水平參差不齊。據(jù)2007年春和12月受國(guó)家質(zhì)檢總局委托蘇州化學(xué)電源研究所和國(guó)家自行車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池產(chǎn)品進(jìn)行了監(jiān)督抽查檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目是2小時(shí)率容量、-10℃下的低溫容量、過(guò)充電性能，合格率約為七成和74.3%?？梢?，在沒(méi)有對(duì)壽命性能檢測(cè)的情況下，合格率不算高。據(jù)我們近十年得到的數(shù)據(jù)，能夠穩(wěn)定達(dá)到壽命性能指標(biāo)的電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池成組產(chǎn)品不超過(guò)50%。這與因蓄電池壽命達(dá)不到要求而對(duì)電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池產(chǎn)品的投訴和引起的糾紛占60-70%的情況是一致的。質(zhì)量是企業(yè)的生命。壽命是蓄電池質(zhì)量的中心。沒(méi)有對(duì)壽命性能的檢測(cè)應(yīng)是不完整的檢測(cè)，其結(jié)果不能正確反映市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量狀況。

（2）有鎘電池比例太高。目前市場(chǎng)上銷售的電池80-90%是有鎘電池產(chǎn)品，而且有些原來(lái)生產(chǎn)無(wú)鎘電池的廠家退回到生產(chǎn)有鎘電池。這種情況與歐盟法令、國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策都是背道而馳的，增加了國(guó)家有關(guān)部門對(duì)電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的異議，希望能引起有關(guān)企業(yè)的警覺(jué)。2008年新頒布的《電動(dòng)助力車用鉛酸蓄電池》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7403.1～2-2008）對(duì)有鎘電池和無(wú)鎘電池要求用“含鎘”和“無(wú)鎘”進(jìn)行標(biāo)志，該標(biāo)準(zhǔn)雖未明確禁止有鎘電池，但限制傾向是明顯的。體現(xiàn)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的《產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)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(guó)家環(huán)?？偩謱O板含鎘類鉛酸蓄電池列入第一批“高污染、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”（簡(jiǎn)稱“雙高”）產(chǎn)品名錄。據(jù)2009年3月24日的《新民晚報(bào)》上報(bào)道，《2008年度浙江省食品安全狀況報(bào)告》（白皮書）稱，“食品中重金屬鉛、鎘等超標(biāo)情況日漸嚴(yán)重，可能與種養(yǎng)殖環(huán)境被污染有關(guān)”。因此，我們呼吁：國(guó)家有關(guān)部門要加緊推動(dòng)含鎘電池向無(wú)鎘電池的轉(zhuǎn)變；蓄電池生產(chǎn)廠家要自覺(jué)自律地逐步不用含鎘的合金；整車生產(chǎn)廠家要自覺(jué)自律地逐步選用無(wú)鎘電池；有關(guān)機(jī)構(gòu)要積極宣傳和推廣長(zhǎng)壽命的無(wú)鎘電池的技術(shù)。

（3）DZM-20型電池壽命性能差。據(jù)我們近年測(cè)評(píng)中得到的數(shù)據(jù)，按“全充全放”的循環(huán)壽命，無(wú)鎘電池在200次左右，放出總?cè)萘考s4100Ah，很少超過(guò)250次或放出總?cè)萘砍^(guò)4500Ah；有鎘電池情況更差，都不到100次循環(huán)，在25-98次循環(huán)之間；都不能保證使用一年。

（4）鉛價(jià)高、成本提高。十年來(lái)鉛價(jià)最高時(shí)上升約十倍，使電池成本和價(jià)格提高，與其它電池的性價(jià)比差距縮小，競(jìng)爭(zhēng)力下降。

3. 改進(jìn)發(fā)展的方向

基于嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的形勢(shì)和存在問(wèn)題，更要重視對(duì)電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池的進(jìn)一步研究和改進(jìn)提高。對(duì)改進(jìn)提高的方向，有很多人提出發(fā)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(rèn)為，比較實(shí)際和現(xiàn)實(shí)的研發(fā)工作重點(diǎn)是：在現(xiàn)有成績(jī)的基礎(chǔ)上，針對(duì)存在的問(wèn)題，提高性能、降低成本，提高性價(jià)比，改善與環(huán)境友好程度，樹立電池系統(tǒng)觀念。具體的改進(jìn)提高方向如下：

（1）提高壽命及其穩(wěn)定性。質(zhì)量是企業(yè)的生命，壽命是蓄電池質(zhì)量的中心?，F(xiàn)在，能穩(wěn)定達(dá)到壽命性能指標(biāo)的產(chǎn)品比例不高，其原因比較復(fù)雜，有技術(shù)上和管理上的因素。有的廠家還沒(méi)有掌握制造長(zhǎng)壽命電池的技術(shù)；有的廠家雖基本掌握了制造長(zhǎng)壽命電池的技術(shù)，但在管理水平上存在嚴(yán)重缺陷，壽命性能不穩(wěn)定，經(jīng)常有電池出現(xiàn)微短路而提前失效。可見，要研究和掌握制造長(zhǎng)壽命電池的技術(shù)、改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、提高管理水平。為了電動(dòng)自行車用蓄電池的健康發(fā)展，為對(duì)用戶負(fù)責(zé)，我們建議國(guó)家質(zhì)檢部門要加強(qiáng)對(duì)蓄電池壽命的定期質(zhì)量監(jiān)督抽查檢測(cè)，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(chǎn)品的壽命性能合格率水平。

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

①首先，在產(chǎn)品選擇上要將有鎘電池向無(wú)鎘電池過(guò)渡，最后淘汰有鎘電池，使產(chǎn)品符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和國(guó)外有關(guān)法令；

②生產(chǎn)中自覺(jué)加強(qiáng)環(huán)保治理，改善與環(huán)境友好；

③自覺(jué)加強(qiáng)廢電池回收，提供給符合國(guó)家準(zhǔn)入條件的單位回收、處理，以提高回收效率，發(fā)揮鉛的資源回收率高、可循環(huán)使用的優(yōu)勢(shì)，改善與環(huán)境友好。

（3）重視節(jié)約鉛措施。十年來(lái)鉛價(jià)最高上升約十倍，使鉛占電池成本約40%上升到約80%，利潤(rùn)空間縮小，節(jié)約鉛的意義重大。要從電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的全過(guò)程挖掘節(jié)約鉛的潛力。例如，同樣性能的DZM-10型電池，最重的達(dá)4.5kg，最輕的只有4.1kg；負(fù)極板柵最輕的只有6g，最重的超過(guò)12 g；節(jié)約鉛的潛力很大。生產(chǎn)過(guò)程中減少鉛的損耗，對(duì)降低成本和改善環(huán)境都有好處，要采用節(jié)約鉛的先進(jìn)技術(shù)和從點(diǎn)滴做起。

（4）提高DZM-20型電池壽命性能。DZM-20型電池是電動(dòng)輕便摩托車采用的主力型號(hào)，電動(dòng)輕便摩托車在電動(dòng)自行車市場(chǎng)上占60%以上，而現(xiàn)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(tǒng)觀念，加強(qiáng)電池組的管理。

鑒于國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車是自發(fā)的、自下而上的、作為一種組裝產(chǎn)品發(fā)展起來(lái)的歷史和背景；鉛酸蓄電池的使用技術(shù)比較成熟、安全性較好；電動(dòng)自行車上電池的數(shù)量較少，只有2-4塊12V電池等因素，對(duì)電動(dòng)自行車閥控鉛酸蓄電池的使用缺乏電池系統(tǒng)的觀念，對(duì)電池組管理系統(tǒng)的需求不迫切。似乎電動(dòng)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(méi)有必要像鋰離子蓄電池組那樣有一個(gè)電池管理系統(tǒng)。

實(shí)際上，電動(dòng)車電池的使用不能只看作為幾塊電池的使用，而是一個(gè)電池系統(tǒng)。譬如，潛艇是最大的電動(dòng)車（船），潛艇使用的不只是幾百塊鉛酸蓄電池，而是一個(gè)復(fù)雜的電池系統(tǒng)。這系統(tǒng)要考慮的內(nèi)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(tài)；滿足強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)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(chǎng)的抵消和消除；電池組對(duì)地絕緣以及有電解液冒出或海水進(jìn)入時(shí)的應(yīng)急保護(hù)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(fēng)和酸霧、氫氣等有害氣體過(guò)濾、檢測(cè)和消除；電池的電流、電壓、溫度、液面等數(shù)據(jù)采集、貯存、顯示和報(bào)警等等。

電動(dòng)自行車雖是一種小型電動(dòng)車，實(shí)際上現(xiàn)在的一盒電池也是一個(gè)簡(jiǎn)單的電池系統(tǒng)，它包括電池盒、電池、充放電接插件、保險(xiǎn)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(tài)、電池間的固定等問(wèn)題。只是原來(lái)沒(méi)有從電池系統(tǒng)觀念去積極、主動(dòng)、自覺(jué)地去考慮問(wèn)題。

如果樹立電池系統(tǒng)觀念，我們認(rèn)為電動(dòng)自行車的電池系統(tǒng)應(yīng)該在上述簡(jiǎn)單系統(tǒng)基礎(chǔ)上，要與現(xiàn)有控制器、充電器的功能整合，形成一個(gè)完整、合理的電池系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)考慮：

①電池盒不能密封，要防止氫氣積累爆炸；同時(shí)有通風(fēng)通道和排積水通道。

②為充分發(fā)揮蓄電池的潛能，防止誤用或?yàn)E用蓄電池，系統(tǒng)中應(yīng)有一個(gè)適合閥控鉛酸蓄電池特點(diǎn)的價(jià)廉、簡(jiǎn)單、實(shí)用的電池管理系統(tǒng)。這系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

a. 防短路、防過(guò)流和合適限流功能；

b. 防過(guò)放電的合適欠壓保護(hù)；

c. 保證充電容量大于放電容量的充分充電；

d. 防止導(dǎo)致電池嚴(yán)重?zé)崾Э囟浂堑倪^(guò)充電；

e. 對(duì)充電的恒壓值有溫度補(bǔ)償功能；

f. 有記錄充、放電容量和超過(guò)限流的運(yùn)行情況，并可儲(chǔ)存和調(diào)用；

g. 適當(dāng)?shù)碾姵亻g均衡功能和電池激活功能。