电动自行车阀控铅酸蓄电池的现状和展望

(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.

蓄电池是电动自行车的能源，是影响电动自行车性能的关键部件，也是制约电动自行车发展的关键。为适应电动自行车的需要，电动自行车用蓄电池发展很快。虽然现在市场上的电动自行车95%以上用阀控铅酸蓄电池，但多家公司正在积极研制并推出电动自行车用的锂离子蓄电池，整车厂也积极推出用锂离子蓄电池的电动自行车，锂离子蓄电池用于电动自行车的呼声很高，阀控铅酸蓄电池的优势地位受到挑战。因此，电动自行车用阀控铅酸蓄电池应如何发展？是生产电动自行车用阀控铅酸蓄电池的厂家和电动自行车业界普遍关心的问题。本文介绍电动自行车用阀控铅酸蓄电池发展现状、存在问题和改进发展的方向。

1. 突破性进展

铅酸蓄电池已有100多年的历史，在100多年中一直不断地在改进提高，有的是革命性的飞跃式提高。我国的电动自行车用阀控铅酸蓄电池水平十年来也有很大改善，其中DZM-10型电池提高尤为明显，主要表现为：

（1）初容量和比能量大幅提高

1997年时，国内的电动自行车用阀控铅酸蓄电池2小时率（5A）放电容量达不到或只能勉强达到10Ah，2小时率下的比能量达不到30Wh/kg，上海市地方标准《电力助动车专用蓄电池》（DB31/202-1997）中，对铅酸蓄电池比能量要求是5小时率达到30Wh/kg。

现在，经过改进和挖掘潜力，通过在电池外形尺寸不变的情况下略加高极板，使2小时率（5A）放电容量达到14Ah以上（提高约40%），比能量可达到35-37Wh/kg（提高20%）。

（2）寿命性能有明显的提高

1999年时，按“全充全放”式2小时率（5A）放电，容量降到8Ah（80%）为寿命终点的循环寿命试验，只有少数厂家（约5%）的电池循环寿命可达到260-280次循环，放出的总容量约为2700Ah，相应累计行驶里程约为10800公里（按4公里/ Ah计算），可保用一年。大多数厂家的电池循环寿命达不到要求，使用寿命只有3-5个月。

现在，电池能够保用一年的厂家数目明显增加。我们检测到的电池组最高的循环寿命超过600次，放出总容量为6151Ah，相应累计行驶里程约24600公里。如果深循环寿命指标为250次或放出的总容量为2250Ah，相应累计行驶里程为9000公里的电池组可保证使用一年，那么按折算，这样的电池组可使用二年以上。

（3）早期容量衰减现象有改善

早期容量衰减是电动自行车用阀控铅酸蓄电池存在的普遍现象。我们在总结多年试验经验的基础上，提出了衡量早期容量衰减（PCL-1）性能的指标，以考核蓄电池的早期容量衰减情况，即第1-50次循环的放电容量（25℃下）衰减应小于10%。

1999年时，50次循环内容量衰减在10%以内的电池很少，正极为Pb-Ca-Sn-Al 合金的电池早期容量衰减现象尤为严重，50次循环内容量衰减在20-30%。

现在，50次循环后的容量衰减在10%以内的电池明显增加，约占被测样本的80%。而且正极为Pb-Ca-Sn-Al合金的电池，通过改进配方和工艺，也都能达到衡量早期容量衰减性能指标的要求。这说明早期容量衰减问题已能够解决。

（4）无镉电池总体性能优于有镉电池

现在市场上使用的电动自行车阀控铅酸蓄电池，按其采用的正极板栅铅合金分类，可分为用Pb-Sb-Cd合金的有镉电池和用Pb-Ca-Sn-Al合金的无镉电池(相对于前者称其为绿色电池)。

1999年时，无镉电池早期容量衰减现象严重，“全充全放”的深循环寿命性能较差，只有少数有实力的厂家采用国外先进设备和工艺生产的电池早期容量衰减和深循环寿命性能可以达到要求。因此，在中、小型厂家生产的电池大多数是有镉电池。

现在，采用国内的先进配方和工艺，在中、小型厂家靠国内设备制造的无镉电池，早期容量衰减和深循环寿命性能已经可以达到要求。而且，深循环寿命性能有新的、突破性进展。我们在测评中发现无镉电池的深循环寿命可以达到或超过400次循环，放出总容量为4500Ah，相应累计行驶里程约18000公里。最高的深循环寿命超过600次，放出总容量为6151Ah，相应累计行驶里程约24600公里。

相比而言，含镉电池的深循环寿命性能逊于无镉电池。根据我们测评过的几十个厂家生产的DZM-10型含镉电池样品统计，深循环寿命在240-280次循环之间，极少超过300次循环；放出总容量为2500-3000Ah；相应累计行驶里程为10000-12000公里，因此，保证使用期只有一年。

对占市场份额60%以上的电动轻便摩托车采用的DZM-20型电池，有镉电池的情况更差，寿命性能远低于无镉电池，更不尽人意，情况更严峻。近年来，我们测评过的样本共10个。10个样本中，6个样本的无镉电池循环寿命为200次循环左右或放出总容量约4200Ah；4个样本的有镉电池循环寿命为23-98次循环，都不到100次循环。

正如沈阳蓄电池研究所副所长伊晓波先生在2009年3月的国际铅锌组织高峰论坛上发表的《中国铅酸蓄电池行业发展概述》所述：“中国自主创新型产品—电动自行车蓄电池为代表的深循环动力电池制造威廉希尔官方网站 在某些方面已超越欧美、日韩等先进工业国家威廉希尔官方网站 ，处于国际领先水平”。正是这些突破性的进展，阀控铅酸蓄电池在电动自行车中所占份额保持在95%以上；电动自行车用阀控铅酸蓄电池的总量（KWh数）已超过汽车起动用的阀控铅酸蓄电池，成为铅酸蓄电池中总量第一的产品。因此，我们认为：即使锂离子蓄电池在电动自行车上实现了商业化，阀控铅酸蓄电池将保持它在电动自行车上应有的地位，很难被完全取代。

2. 存在问题

当然，在面临严峻挑战的形势下，我们要看到我国电动自行车用阀控铅酸蓄电池发展中存在的问题。据我们近十年来对上百个样本进行的测试评估和观察，主要问题有：

（1）质量参差不齐严重，发展水平不平衡，合格率低。我国生产电动自行车用阀控铅酸蓄电池的厂家很多，数量达几百家，水平参差不齐。据2007年春和12月受国家质检总局委托苏州化学电源研究所和国家自行车产品质量监督检验中心对电动自行车阀控铅酸蓄电池产品进行了监督抽查检测，检测项目是2小时率容量、-10℃下的低温容量、过充电性能，合格率约为七成和74.3%。可见，在没有对寿命性能检测的情况下，合格率不算高。据我们近十年得到的数据，能够稳定达到寿命性能指标的电动自行车阀控铅酸蓄电池成组产品不超过50%。这与因蓄电池寿命达不到要求而对电动自行车阀控铅酸蓄电池产品的投诉和引起的纠纷占60-70%的情况是一致的。质量是企业的生命。寿命是蓄电池质量的中心。没有对寿命性能的检测应是不完整的检测，其结果不能正确反映市场上的产品质量状况。

（2）有镉电池比例太高。目前市场上销售的电池80-90%是有镉电池产品，而且有些原来生产无镉电池的厂家退回到生产有镉电池。这种情况与欧盟法令、国家产业政策都是背道而驰的，增加了国家有关部门对电动自行车阀控铅酸蓄电池环境保护问题的异议，希望能引起有关企业的警觉。2008年新颁布的《电动助力车用铅酸蓄电池》国家标准（GB/T7403.1～2-2008）对有镉电池和无镉电池要求用“含镉”和“无镉”进行标志，该标准虽未明确禁止有镉电池，但限制倾向是明显的。体现国家产业政策的《产品结构调整目录》2007年版将含镉板栅的铅酸蓄电池列入淘汰类。2008年初，国家环保总局将极板含镉类铅酸蓄电池列入第一批“高污染、高环境风险”（简称“双高”）产品名录。据2009年3月24日的《新民晚报》上报道，《2008年度浙江省食品安全状况报告》（白皮书）称，“食品中重金属铅、镉等超标情况日渐严重，可能与种养殖环境被污染有关”。因此，我们呼吁：国家有关部门要加紧推动含镉电池向无镉电池的转变；蓄电池生产厂家要自觉自律地逐步不用含镉的合金；整车生产厂家要自觉自律地逐步选用无镉电池；有关机构要积极宣传和推广长寿命的无镉电池的威廉希尔官方网站 。

（3）DZM-20型电池寿命性能差。据我们近年测评中得到的数据，按“全充全放”的循环寿命，无镉电池在200次左右，放出总容量约4100Ah，很少超过250次或放出总容量超过4500Ah；有镉电池情况更差，都不到100次循环，在25-98次循环之间；都不能保证使用一年。

（4）铅价高、成本提高。十年来铅价最高时上升约十倍，使电池成本和价格提高，与其它电池的性价比差距缩小，竞争力下降。

3. 改进发展的方向

基于严峻挑战的形势和存在问题，更要重视对电动自行车用阀控铅酸蓄电池的进一步研究和改进提高。对改进提高的方向，有很多人提出发展新型的阀控铅酸蓄电池，如圆柱形电池、双极性电池、铅布电池等。但笔者认为，比较实际和现实的研发工作重点是：在现有成绩的基础上，针对存在的问题，提高性能、降低成本，提高性价比，改善与环境友好程度，树立电池系统观念。具体的改进提高方向如下：

（1）提高寿命及其稳定性。质量是企业的生命，寿命是蓄电池质量的中心。现在，能稳定达到寿命性能指标的产品比例不高，其原因比较复杂，有威廉希尔官方网站 上和管理上的因素。有的厂家还没有掌握制造长寿命电池的威廉希尔官方网站 ；有的厂家虽基本掌握了制造长寿命电池的威廉希尔官方网站 ，但在管理水平上存在严重缺陷，寿命性能不稳定，经常有电池出现微短路而提前失效。可见，要研究和掌握制造长寿命电池的威廉希尔官方网站 、改进电池结构、提高管理水平。为了电动自行车用蓄电池的健康发展，为对用户负责，我们建议国家质检部门要加强对蓄电池寿命的定期质量监督抽查检测，使广大总体单位和用户了解蓄电池寿命性能合格率水平，使蓄电池厂家更加重视自己产品的寿命性能合格率水平。

（2）改善与环境友好程度。铅酸蓄电池已被带上有污染产品帽子，因此我们更要改善与环境友好程度。具体措施是：

①首先，在产品选择上要将有镉电池向无镉电池过渡，最后淘汰有镉电池，使产品符合国家产业政策和国外有关法令；

②生产中自觉加强环保治理，改善与环境友好；

③自觉加强废电池回收，提供给符合国家准入条件的单位回收、处理，以提高回收效率，发挥铅的资源回收率高、可循环使用的优势，改善与环境友好。

（3）重视节约铅措施。十年来铅价最高上升约十倍，使铅占电池成本约40%上升到约80%，利润空间缩小，节约铅的意义重大。要从电池设计、生产的全过程挖掘节约铅的潜力。例如，同样性能的DZM-10型电池，最重的达4.5kg，最轻的只有4.1kg；负极板栅最轻的只有6g，最重的超过12 g；节约铅的潜力很大。生产过程中减少铅的损耗，对降低成本和改善环境都有好处，要采用节约铅的先进威廉希尔官方网站 和从点滴做起。

（4）提高DZM-20型电池寿命性能。DZM-20型电池是电动轻便摩托车采用的主力型号，电动轻便摩托车在电动自行车市场上占60%以上，而现在DZM-20型电池寿命性能还不能满足保证使用一年的基本要求。因此，提高DZM-20型电池寿命性能迫在眉睫。

（5）树立电池系统观念，加强电池组的管理。

鉴于国内电动自行车是自发的、自下而上的、作为一种组装产品发展起来的历史和背景；铅酸蓄电池的使用威廉希尔官方网站 比较成熟、安全性较好；电动自行车上电池的数量较少，只有2-4块12V电池等因素，对电动自行车阀控铅酸蓄电池的使用缺乏电池系统的观念，对电池组管理系统的需求不迫切。似乎电动自行车用的阀控铅酸蓄电池组只要2-4块电池加上电池盒组成就行，没有必要像锂离子蓄电池组那样有一个电池管理系统。

实际上，电动车电池的使用不能只看作为几块电池的使用，而是一个电池系统。譬如，潜艇是最大的电动车（船），潜艇使用的不只是几百块铅酸蓄电池，而是一个复杂的电池系统。这系统要考虑的内容包括：电池组在潜艇上的合适位置；电池的布置和位置状态；满足强烈的冲击、振动要求的电池间的固定；电池间连接方式及走向要考虑电流磁场的抵消和消除；电池组对地绝缘以及有电解液冒出或海水进入时的应急保护措施；电解液的搅拌；电池的水冷却装置和管路；电池舱的通风和酸雾、氢气等有害气体过滤、检测和消除；电池的电流、电压、温度、液面等数据采集、贮存、显示和报警等等。

电动自行车虽是一种小型电动车，实际上现在的一盒电池也是一个简单的电池系统，它包括电池盒、电池、充放电接插件、保险元件等，同样也考虑安放的合适位置、电池的布置和位置状态、电池间的固定等问题。只是原来没有从电池系统观念去积极、主动、自觉地去考虑问题。

如果树立电池系统观念，我们认为电动自行车的电池系统应该在上述简单系统基础上，要与现有控制器、充电器的功能整合，形成一个完整、合理的电池系统。这个系统应考虑：

①电池盒不能密封，要防止氢气积累爆炸；同时有通风通道和排积水通道。

②为充分发挥蓄电池的潜能，防止误用或滥用蓄电池，系统中应有一个适合阀控铅酸蓄电池特点的价廉、简单、实用的电池管理系统。这系统应具有如下功能：

a. 防短路、防过流和合适限流功能；

b. 防过放电的合适欠压保护；

c. 保证充电容量大于放电容量的充分充电；

d. 防止导致电池严重热失控而胀肚的过充电；

e. 对充电的恒压值有温度补偿功能；

f. 有记录充、放电容量和超过限流的运行情况，并可储存和调用；

g. 适当的电池间均衡功能和电池激活功能。