電動自行車蓄電池專利技術發展研究

白露雪

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北 武漢 430000）

1.電動自行車蓄電池技術發展歷程

自1881年第一輛以鉛酸電池為動力的三輪車在巴黎問世以來，電動自行車已有一百多年的發展。電動自行車逐漸成為家庭的代步工具，蓄電池作為其動力源，決定著電動車的續航能力以及是否使用方便。不同蓄電池在電動自行車上的應用體現了電動自行車的發展歷程。

（1）國外發展歷程

第一件有關電動自行車的專利是1895年12月31日申請的公開號為US552271的美國專利，發明人為OBOLTONBOLTON，但并沒有說明采用那種類型的蓄電池。隨后，KNAUER于1982年9月18日申請了專利（DE3234729A），并明確指出蓄電池為鉛酸蓄電池。

隨著電動自行車對續航能力需求的增加，日本成為輕型電動車的發源地，生產和市場都具備相當規模，其中日本的愛華推出了一款可以用于電動自行車上的鎳鎘蓄電池組（JP1998185240A），該蓄電池具有安全性能高、充電量大、充電快等特點，很快應用于電動自行車，但鎘是有毒金屬。隨后，1998年日本東芝電氣公司推出了用于電動自行車上的鎳氫蓄電池（JPH11283662）保證充放電量大的同時減少對環境的污染。

隨著射界各國對環境的重視，歐盟等發達國家已明文禁止鎘鎳電池應用于電動汽車和電動自行車，自2006年1月1日起不得出售用于電動汽車和電動自行車的含金屬鎘的電池。鋰蓄電池走進了人們的視線，雖然1991年申請用于電動自行車電池為鋰電池（JP198973675），但并不是用于電動車的動力源。直到2006年的本田技研推出了一款可以用作電動自行車動力源的鋰蓄電池（JP2008098012A）。

在鋰電池用于電動車以后，在發達國家，鋰蓄電池電動自行車取得了突飛猛進的發展，以其體積小、重量輕、容量大、壽命長等優點，成為國外電動自行車的主要動力源。

（2）國內發展歷程

在國內，作為電動自行車“四大件”的核心部件，此前蓄電池在動力驅動領域的研發和應用，一直處于相對空白的狀態。電動車蓄電池也經歷了3個階段。

第一階段：1995—1999年，我國的電動自行車還處于萌芽發展時期。出現了在改裝的自行車上配套使用的電池是開口富液式鉛酸蓄電池，性能很不穩定，也不成熟，處在啟蒙階段。

第二階段：2000—2011年，國內蓄電池行業在電動自行車鉛酸動力電池的研發和生產方面得到了發展，已經走在世界前列，有力促進了電動自行車的快速發展。其間，主要采用的鉛酸蓄電池是閥控密封鉛酸蓄電池，其穩定好、充電快、價格低等特點很快在電動自行車上取得應用，占據了95%的市場，目前仍是電動自行車主要的蓄電池類型。

第三階段：2011年至今，由于2011年5月18日，中華人民共和國環境保護部下發了《關于加強鉛蓄電池及再生鉛行業污染防治工作的通知》，以及《電動自行車通用技術條件》（GB/T17761—1999）標準，迫使電動自行車企業尋找新材料蓄電池，鋰電池電動自行車在此時快速增長，且有逐年增長的趨勢。如圖1所示，從2011年開始，鋰電池電動自行車取得了突飛猛進的發展。

圖1 中國鋰電池電動自行車產量

2 蓄電池專利及技術熱點分析

（1）國外蓄電池在電動自行車中應用專利分析

圖2為國外電動自行車用蓄電池專利申請量，可以看出，鉛酸蓄電池經過一百年多年的發展，其在國外的申請量穩步增長，從2006年，鉛酸蓄電池回收技術的發展，帶動了鉛酸蓄電池在電動車上應用的快速增長，在一定程度上緩解了鉛酸蓄電池對環境污染。但從2015年開始申請量明顯下降，這是由于各國對環境污染的重視，新型鋰蓄電池的快速發展，對鉛酸蓄電池帶來了沖擊。可以從鋰電池在電動自行車應用專利申請量看出，從2011年，鋰蓄電池在電動自行車上應用專利申請量增長明顯，逐步成為電動自行車的主要的動力來源。作為新興的鎳氫蓄電池，不僅擁有鎳鎘電池壽命長、充放電快等優點，還有效地解決了污染環境的問題，但因氫原料、催化劑等技術問題的制約，鎳氫蓄電池并沒有得到很好的發展。從2012年開始，上述問題得到了一定的解決，鎳氫電池開始出現快速增長的趨勢。

圖2 國外電動自行車用蓄電池專利申請量

對上述4種蓄電池專利申請量的統計情況，可以看出，日本在電動自行車蓄電池的技術專利申請較多，這也證實日本是“電動輕騎發源地”的地位。鉛酸蓄電池在電動自行車上的應用在主要電動車產量國的專利申請量都是相對穩定的，這因為鉛酸蓄電池曾在電動自行車蓄電池領域處于壟斷的地位，可以說，鉛酸蓄電池對電動自行車的發展起了決定性的作用。從圖3中可以看出，鎳氫蓄電池在電動自行車上的應用在日本發展較快，也正是因為日本在氫原料和催化劑以及安全性等技術比較先進，促進了鎳氫蓄電池的快速發展。隨著各國對電動自行車技術指標的限制，鋰蓄電池在電動自行車的應用開始增加。從圖3可以看出，國外幾個電動自行車產銷國在鋰蓄電池以及在電動自行車方面的應用的專利申請數量差距不大。作為電動車蓄電池技術的發源國，日本在鋰蓄電池的發展方面還是處于主導的地位。

圖4是上述4種蓄電池的技術原創國（即首次申請國）的申請量分布情況。可以看出，無論是哪種蓄電池，日本在電動自行車蓄電池的應用中始終走在世界前列，這正與日本提倡發展電動車的政策息息相關。同時可以看出，鋰蓄電池在歐盟地區發展也較迅速，特別是德國鋰蓄電池的發展處于領先的地位。

（2）國內蓄電池在電動自行車中應用專利分析

圖5是我國上述4種類型蓄電池在電動自行車方面應用歷年來申請量的發展趨勢。我國1988年申請了第一份用于電動自行車的鉛酸蓄電池專利，2000年以后，鉛酸蓄電池快速發展，這也與中國電動自行車產業迅速發展相對應，但在2003—2004年，專利申請量銳減，這是因為國家對環境污染整治力度加大，鉛污染防治問題引用廣泛的關注。從2005年，閥門式封閉鉛酸電池的出現，在一定程度上為鉛酸蓄電池解決了酸泄露、污染環境的問題，鉛酸電池的申請量開始增加。到2011年達到頂峰。由于GB/T17761—1999標準的執行，鉛酸蓄電池在電動車上的應用申請量開始下降，與此同時，鋰蓄電池在電動自行車上的應用專利申請量開始增加，這與鋰蓄電電池所具有的優點息息相關。由于鎳氫蓄電池原料以及催化劑等技術問題，且價格昂貴，中國將鎳氫蓄電池用于電動自行車上的專利申請不是很多。

3.電動自行車用蓄電池技術發展方向

通過上述專利分析，作為電動自行車的主要部件，蓄電池在今后可能有以下發展方向。

（1）鉛酸電池

鉛酸蓄電池由于價格便宜等原因仍占據目前市場的主導，新一代鉛酸蓄電池比能量和循環次數仍存在嚴重的限制，但其制造價格便宜，同時2012年美國推出一種超級電池，是將超級電容器與鉛酸電池并聯使用，具有高比功率、長壽命以及價格便宜等優勢。但在環保問題愈來愈受重視的今天，鉛酸蓄電池的發展前景并不被行業看好。

圖5 我國蓄電池在電動自行車上應用歷年申請量

（2）鎳氫蓄電池

氫鎳電池由于具有較高的比容量和比功率，安全性好，對環境友好，成為近階段電動自行車的最佳電源，也是電動車電池的重點發展方向之一。但其制造成本高，一致性、貯存性能和高倍率循環性能差，是該系列電池需要深入研究的課題。同時電池管理系統的開發是高功率氫鎳電池今后的研究重點。

（3）鋰蓄電池

從前面的分析可以看出，鋰電池是未來最具有發展前景的電動自行車蓄電池，我國具有豐富的鋰蓄電池原材料，為降低制造成本提供了可能性，同時安全性、價格成本、工藝一致性一直是制約電動自行車鋰離子電池發展的關鍵指標。隨著我國電動車科技發展“十二五”專項規劃中指出，將推動以鋰電池為重點的車用動力電池產業發展，給鋰電池的發展帶來契機。經過十多年的發展，電動自行車用鋰離子電池取得了很大技術發展。隨著工藝的成熟，鋰蓄電池一致性也有了較好提高，若能降低制造成本、減少充電時間，鋰蓄電池將把電動自行車蓄電池行業推向新高度。

4 結語

電動自行車蓄電池的前景十分誘人，動力電池將向著高比能量、高可靠性、低成本、安全環保等方向發展。高功率鉛蓄電池的技術進步，使近階段鉛蓄電池仍在電動自行車市場上占主導地位，但氫鎳電池、鋰蓄電池將是今后的重點發展方向。

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