電動自行車蓄電池專利技術(shù)發(fā)展研究

白露雪

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430000）

1.電動自行車蓄電池技術(shù)發(fā)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(fā)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(xù)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(yīng)用體現(xiàn)了電動自行車的發(fā)展歷程。

（1）國外發(fā)展歷程

第一件有關(guān)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(fā)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(xù)航能力需求的增加，日本成為輕型電動車的發(fā)源地，生產(chǎn)和市場都具備相當規(guī)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(yīng)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(huán)境的污染。

隨著射界各國對環(huán)境的重視，歐盟等發(fā)達國家已明文禁止鎘鎳電池應(yīng)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(fā)達國家，鋰蓄電池電動自行車取得了突飛猛進的發(fā)展，以其體積小、重量輕、容量大、壽命長等優(yōu)點，成為國外電動自行車的主要動力源。

（2）國內(nèi)發(fā)展歷程

在國內(nèi)，作為電動自行車“四大件”的核心部件，此前蓄電池在動力驅(qū)動領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用，一直處于相對空白的狀態(tài)。電動車蓄電池也經(jīng)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(fā)展時期。出現(xiàn)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(wěn)定，也不成熟，處在啟蒙階段。

第二階段：2000—2011年，國內(nèi)蓄電池行業(yè)在電動自行車鉛酸動力電池的研發(fā)和生產(chǎn)方面得到了發(fā)展，已經(jīng)走在世界前列，有力促進了電動自行車的快速發(fā)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(wěn)定好、充電快、價格低等特點很快在電動自行車上取得應(yīng)用，占據(jù)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(huán)境保護部下發(fā)了《關(guān)于加強鉛蓄電池及再生鉛行業(yè)污染防治工作的通知》，以及《電動自行車通用技術(shù)條件》（GB/T17761—1999）標準，迫使電動自行車企業(yè)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(fā)展。

圖1 中國鋰電池電動自行車產(chǎn)量

2 蓄電池專利及技術(shù)熱點分析

（1）國外蓄電池在電動自行車中應(yīng)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(jīng)過一百年多年的發(fā)展，其在國外的申請量穩(wěn)步增長，從2006年，鉛酸蓄電池回收技術(shù)的發(fā)展，帶動了鉛酸蓄電池在電動車上應(yīng)用的快速增長，在一定程度上緩解了鉛酸蓄電池對環(huán)境污染。但從2015年開始申請量明顯下降，這是由于各國對環(huán)境污染的重視，新型鋰蓄電池的快速發(fā)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(yīng)用專利申請量看出，從2011年，鋰蓄電池在電動自行車上應(yīng)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(yōu)點，還有效地解決了污染環(huán)境的問題，但因氫原料、催化劑等技術(shù)問題的制約，鎳氫蓄電池并沒有得到很好的發(fā)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(xiàn)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(tǒng)計情況，可以看出，日本在電動自行車蓄電池的技術(shù)專利申請較多，這也證實日本是“電動輕騎發(fā)源地”的地位。鉛酸蓄電池在電動自行車上的應(yīng)用在主要電動車產(chǎn)量國的專利申請量都是相對穩(wěn)定的，這因為鉛酸蓄電池曾在電動自行車蓄電池領(lǐng)域處于壟斷的地位，可以說，鉛酸蓄電池對電動自行車的發(fā)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(yīng)用在日本發(fā)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(shù)比較先進，促進了鎳氫蓄電池的快速發(fā)展。隨著各國對電動自行車技術(shù)指標的限制，鋰蓄電池在電動自行車的應(yīng)用開始增加。從圖3可以看出，國外幾個電動自行車產(chǎn)銷國在鋰蓄電池以及在電動自行車方面的應(yīng)用的專利申請數(shù)量差距不大。作為電動車蓄電池技術(shù)的發(fā)源國，日本在鋰蓄電池的發(fā)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(shù)原創(chuàng)國（即首次申請國）的申請量分布情況?？梢钥闯?，無論是哪種蓄電池，日本在電動自行車蓄電池的應(yīng)用中始終走在世界前列，這正與日本提倡發(fā)展電動車的政策息息相關(guān)。同時可以看出，鋰蓄電池在歐盟地區(qū)發(fā)展也較迅速，特別是德國鋰蓄電池的發(fā)展處于領(lǐng)先的地位。

（2）國內(nèi)蓄電池在電動自行車中應(yīng)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(yīng)用歷年來申請量的發(fā)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(fā)展，這也與中國電動自行車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展相對應(yīng)，但在2003—2004年，專利申請量銳減，這是因為國家對環(huán)境污染整治力度加大，鉛污染防治問題引用廣泛的關(guān)注。從2005年，閥門式封閉鉛酸電池的出現(xiàn)，在一定程度上為鉛酸蓄電池解決了酸泄露、污染環(huán)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(zhí)行，鉛酸蓄電池在電動車上的應(yīng)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(yīng)用專利申請量開始增加，這與鋰蓄電電池所具有的優(yōu)點息息相關(guān)。由于鎳氫蓄電池原料以及催化劑等技術(shù)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(shù)發(fā)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(fā)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(jù)目前市場的主導，新一代鉛酸蓄電池比能量和循環(huán)次數(shù)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(lián)使用，具有高比功率、長壽命以及價格便宜等優(yōu)勢。但在環(huán)保問題愈來愈受重視的今天，鉛酸蓄電池的發(fā)展前景并不被行業(yè)看好。

圖5 我國蓄電池在電動自行車上應(yīng)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(huán)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(fā)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(huán)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(tǒng)的開發(fā)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(fā)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(fā)展的關(guān)鍵指標。隨著我國電動車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃中指出，將推動以鋰電池為重點的車用動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，給鋰電池的發(fā)展帶來契機。經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動自行車用鋰離子電池取得了很大技術(shù)發(fā)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(yè)推向新高度。

4 結(jié)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(huán)保等方向發(fā)展。高功率鉛蓄電池的技術(shù)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(fā)展方向。

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