充電電池和充電技術(shù)介紹

充電電池和充電技術(shù)介紹

快速充電和非接觸充電技術(shù)的進(jìn)步可能會(huì)大大改變包括產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并開(kāi)創(chuàng)出新的市場(chǎng)（圖1）?？煽焖俪潆姷匿囯x子充電電池在電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域推進(jìn)，或?qū)⑼苿?dòng)非接觸充電的引用。



圖1：快速充電與非接觸充電的結(jié)合將會(huì)使市場(chǎng)擴(kuò)大

采用快速充電電池的電動(dòng)工具市場(chǎng)在迅速成長(zhǎng)。產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動(dòng)汽車(chē)使用電線的充電方式較為麻煩，與非接觸充電相結(jié)合是擴(kuò)大市場(chǎng)的關(guān)鍵。

具體而言，無(wú)人搬運(yùn)機(jī)、產(chǎn)業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)設(shè)備，和新一代有軌電車(chē)、巴士和商用車(chē)輛等在固定線路運(yùn)營(yíng)的電動(dòng)汽車(chē)等將對(duì)非接觸充電的應(yīng)用起到推動(dòng)作用。這是由其充電安全性的提高和方便省事的優(yōu)點(diǎn)所決定的。

共振方式備受期待

目前，可為電動(dòng)汽車(chē)等充電的大功率非接觸充電技術(shù)的開(kāi)發(fā)比以往任何時(shí)候都興盛。其中，共振方式的非接觸充電技術(shù)引起極大關(guān)注。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年6月，美國(guó)英特爾于2008年8月發(fā)表了利用磁場(chǎng)耦合共振的技術(shù)，成為熱門(mén)話題，至今仍令人記憶猶新。盡管傳輸效率只有40％左右，但使用該技術(shù)有望對(duì)行駛中的汽車(chē)充電，其相關(guān)研發(fā)日趨活躍。

新共振方式的非接觸充電也已亮相。這就是竹中工務(wù)店開(kāi)發(fā)中的利用電場(chǎng)耦合共振的技術(shù)（圖2）。該技術(shù)雖然需使送電端與受電端緊貼，但在水平方向錯(cuò)位的狀態(tài)下也可供電，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生像現(xiàn)在已應(yīng)用的電磁感應(yīng)式的非接觸充電技術(shù)那樣，當(dāng)異物侵入時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、以及電磁波、高頻波的泄漏等問(wèn)題。


圖2：以電場(chǎng)耦合方式供電

竹中工務(wù)店正在開(kāi)發(fā)利用電場(chǎng)耦合原理的供電系統(tǒng)（a）。使用串聯(lián)諧振的供電系統(tǒng)成功地以90％的效率向白熾燈泡供應(yīng)了100W電力。

而且，與電磁感應(yīng)方式不同，共振方式不使用鐵氧體及利茲線圈，因此可降低設(shè)備的重量及成本。另外，只需擴(kuò)大接觸面積即可為大功率電器供電，這也是其優(yōu)點(diǎn)。

竹中工務(wù)店技術(shù)研究所尖端技術(shù)研究所材料工程部門(mén)主任研究員原川健一表示，“未來(lái)可望在工廠、辦公室及公寓的墻壁及地板中嵌入可非接觸充電的功能”。目前設(shè)想的用途是與直流供電系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人、建筑機(jī)械、醫(yī)療器械及家電產(chǎn)品等供電。并且，還將力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)停車(chē)時(shí)由地板伸出臂桿與車(chē)身接觸進(jìn)行快速充電的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)。

竹中工務(wù)店正在開(kāi)發(fā)的使用電場(chǎng)耦合共振的供電系統(tǒng)，分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種方式。兩者各具所長(zhǎng)：串聯(lián)諧振方式的構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，并聯(lián)諧振方式即使施加電壓降低也可高效送電。兩者的傳輸效率目標(biāo)值均為95％。

關(guān)于串聯(lián)諧振，已經(jīng)實(shí)施了向白熾燈泡傳輸100W電力的試驗(yàn)（圖2（b））。目前的傳輸效率為90％。頻率約為600kHz，接觸部分的絕緣膜為300μm。為了令一次側(cè)和二次側(cè)緊貼，在二次側(cè)的接觸部分粘貼了導(dǎo)電性硅片。串聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)在于，不僅電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，而且在結(jié)電容發(fā)生變化時(shí)，可用改變驅(qū)動(dòng)頻率的方法應(yīng)對(duì)。只是該方式有施加電壓會(huì)增高的傾向。

另一方面，并聯(lián)諧振據(jù)悉尚處在由反復(fù)進(jìn)行模擬研究的試制階段。并聯(lián)諧振的優(yōu)點(diǎn)在于，即使結(jié)電容降低也可高效送電，即使輸出功率高時(shí)，也可將施加電壓抑制在較低水平。但該方式存在電路構(gòu)成復(fù)雜的課題。竹中工務(wù)店表示，“目標(biāo)是希望2012年前后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化”

快速充電在電動(dòng)工具領(lǐng)域大獲成功?

非接觸充電技術(shù)雖大有興起之勢(shì)，但其應(yīng)用的前期階段是快速充電鋰離子電池的采用。實(shí)際上，已有產(chǎn)品通過(guò)采用快速充電鋰離子電池提高了易用性，從而擴(kuò)大了銷(xiāo)售額的事例。這就是電動(dòng)工具。

電動(dòng)工具對(duì)鋰離子充電電池的采用始于2004～2005年，近幾年飛速擴(kuò)大。電動(dòng)工具大廠商之一牧田（MAKITA）表示，電動(dòng)工具用鋰離子充電電池組的全球供貨量在迅速增加，2005年第一季度僅為100萬(wàn)單元，2006年第一季度即增至400萬(wàn)單元，2007年第一季度增至900萬(wàn)單元，2008年第一季度更進(jìn)一步增至1300萬(wàn)單元。

牧田開(kāi)發(fā)技術(shù)本部技術(shù)管理部開(kāi)發(fā)企劃課系長(zhǎng)后藤宗利坦言“我們?cè)鴮?duì)將鎳氫充電電池?fù)Q成鋰離子充電電池是否真的能贏得市場(chǎng)半信半疑”。市場(chǎng)需求迅速擴(kuò)大的主要原因在于，鋰離子充電電池既有重量輕又有與插電式幾乎相同的輸出功率特性的優(yōu)點(diǎn)，再加上最快15分鐘即可充滿(mǎn)電的快速充電功能（圖3）。



圖3：可15分鐘快速充電的牧田電動(dòng)工具

牧田上市了15分鐘即可充滿(mǎn)電的電動(dòng)工具（a，b）。通過(guò)采用鋰離子充電電池，可大大縮短原來(lái)使用鎳氫充電電池及鎳鎘電池的電動(dòng)工具需時(shí)數(shù)十分鐘的充電時(shí)間（c）。

以前美國(guó)消費(fèi)者認(rèn)為電動(dòng)工具的機(jī)身和電池組越重越大，驅(qū)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)，機(jī)器就越堅(jiān)固。而使用鋰離子電池的電動(dòng)工具的面世，使“這一認(rèn)識(shí)發(fā)生了重大變化”（后藤）。這是由于，鋰離子電池即使重量輕也能夠以滿(mǎn)功率長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)，而且電池電量用完后還可迅速充電。“除了低價(jià)位產(chǎn)品還能暢銷(xiāo)的新興市場(chǎng)國(guó)家之外，其他市場(chǎng)基本上都會(huì)轉(zhuǎn)向鋰離子充電電池的電動(dòng)工具”（后藤）。事實(shí)上，該公司采用鋰離子充電電池的電動(dòng)工具銷(xiāo)售額已是連年倍增。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)出現(xiàn)熱潮

與電動(dòng)工具一樣，充電時(shí)間短還有望成為電動(dòng)汽車(chē)普及的重要武器。電動(dòng)汽車(chē)的弱點(diǎn)之一就在于一次充電的持續(xù)行駛距離較短。如果與快速充電結(jié)合，這一弱點(diǎn)便可得以減輕。也許是受這一因素的推動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)最近在各國(guó)活躍起來(lái)。

比如，美國(guó)Better Place公司正積極準(zhǔn)備在以色列、丹麥、奧地利、加拿大為建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施。日本汽車(chē)廠商中，日產(chǎn)汽車(chē)表現(xiàn)踴躍。包括與Better Place合作的以色列及丹麥在內(nèi)，日產(chǎn)正在與20個(gè)行政組織及企業(yè)建立合作體制（圖4）?！败?chē)輛開(kāi)發(fā)和充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是電動(dòng)汽車(chē)普及的兩條腿。不兩條腿走路的話，肯定無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及”（日產(chǎn)汽車(chē)企劃及先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)本部技術(shù)企劃部資深專(zhuān)家上田昌則）。



圖4：建立充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)合作體制

日產(chǎn)汽車(chē)為了2010年在美國(guó)和日本、2011年在中國(guó)、2012年在全球投放電動(dòng)汽車(chē)，正在與政府及企業(yè)建立合作體制。

2009年夏季上市電動(dòng)汽車(chē)的三菱汽車(chē)也從美國(guó)俄勒岡州為代表，在日本、歐洲、加拿大、新西蘭、澳大利亞展開(kāi)旨在實(shí)用化的實(shí)證試驗(yàn)及調(diào)查活動(dòng)，穩(wěn)步推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的準(zhǔn)備工作。此外，東京大學(xué)也將啟動(dòng)在沖繩縣建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施，目標(biāo)是使沖繩主島的2萬(wàn)8000輛租賃車(chē)逐步更換成電動(dòng)汽車(chē)。

演變?yōu)閲?guó)家間的競(jìng)爭(zhēng)

因電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用化前景已清晰可見(jiàn)，電池開(kāi)發(fā)的方向也在逐漸變化?！叭绻?分鐘能夠充電80％，快速充電就足夠用了。與此相比，應(yīng)更重視低成本化和長(zhǎng)壽命化”（NEC東金營(yíng)銷(xiāo)本部解決方案技術(shù)部部長(zhǎng)堀仁孝）。

電池成本是電動(dòng)汽車(chē)普及的一大障礙。比如，三菱汽車(chē)2009年夏季上市的電動(dòng)汽車(chē)“i-MiEV”的價(jià)格在400萬(wàn)日元左右。車(chē)輛價(jià)格高就是因?yàn)殡姵爻杀靖哌_(dá)200萬(wàn)日元以上。實(shí)際上，利用國(guó)家及地方政府提供的補(bǔ)貼，預(yù)計(jì)只需200萬(wàn)日元即可購(gòu)買(mǎi)。但這意味著沒(méi)有補(bǔ)貼也就不會(huì)形成電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。

降低電池成本最常用的解決方法是提高電池的能量密度，降低單位容量的成本。但這并非一朝一夕可以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，在鋰離子充電電池實(shí)用化后的約20年里，向高容量材料的過(guò)渡幾乎未取得進(jìn)展，充分說(shuō)明了開(kāi)發(fā)上的難度。

需要龐大開(kāi)發(fā)費(fèi)用的新一代鋰離子充電電池開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)出產(chǎn)官學(xué)合作，以舉國(guó)之力展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。實(shí)際上，美國(guó)、中國(guó)及德國(guó)已開(kāi)始加強(qiáng)對(duì)鋰離子充電電池的政策措施。尤其是美國(guó)，2009年1月就任總統(tǒng)的奧巴馬作為綠色新政（Green New Deal）的一環(huán)，提出了2015年之前導(dǎo)入100萬(wàn)輛插電混合動(dòng)力車(chē)的目標(biāo)等，強(qiáng)化了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的舉措。

在日本，新能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）也于2009年3月設(shè)立了蓄電技術(shù)開(kāi)發(fā)室。旨在將NEDO內(nèi)各領(lǐng)域分別推進(jìn)的充電電池技術(shù)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)化。蓄電技術(shù)開(kāi)發(fā)室（NEDO燃料電池及氫技術(shù)開(kāi)發(fā)部蓄電技術(shù)開(kāi)發(fā)室室長(zhǎng)弓取修二）表示，“除了追求鋰離子充電電池極限性能的技術(shù)開(kāi)發(fā)之外，還將推進(jìn)超越鋰離子充電電池的革新性電池系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。并希望形成跨行業(yè)開(kāi)發(fā)電池技術(shù)的聯(lián)盟”。

電池業(yè)務(wù)將有變化

如果短期內(nèi)無(wú)望大幅提高能量密度，就只能推進(jìn)現(xiàn)有的鋰離子充電電池低成本化。也就是說(shuō)要通過(guò)量產(chǎn)來(lái)降低成本。而要獲得量產(chǎn)效果，就需要普及電動(dòng)汽車(chē)，增加銷(xiāo)量。這就是所謂先有雞還是先有蛋的關(guān)系。

因此，目前考慮的是電池的租賃。即通過(guò)采用租賃方式來(lái)減少高昂的初期費(fèi)用，以推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)普及，從而促進(jìn)電池的量產(chǎn)。在這種情況下，如果建立起根據(jù)行駛距離（充電量）而非年均負(fù)擔(dān)收費(fèi)的制度，便可輕松贏得用戶(hù)。之后，下一步就是將用過(guò)的電池再利用（二手銷(xiāo)售）。如果能夠啟動(dòng)蓄電用途市場(chǎng)，保證可以買(mǎi)到二手電池，便有望進(jìn)一步降低初期費(fèi)用及租賃負(fù)擔(dān)。

但要實(shí)現(xiàn)電池的再利用，電池廠商須徹底脫離以往的一次性收益模式，而建立新的業(yè)務(wù)。東芝（東芝電力流通及產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)公司SCiB業(yè)務(wù)推進(jìn)統(tǒng)括部技術(shù)負(fù)責(zé)人本多啓三）表示，“可充分考慮將電池租賃當(dāng)作業(yè)務(wù)”。該公司稱(chēng)，其正在開(kāi)發(fā)的鋰離子充電電池以長(zhǎng)壽命為特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)上使用后，還可在蓄電等市場(chǎng)上再利用。

東芝開(kāi)發(fā)了負(fù)極材料采用鈦酸鋰（LTO），安全性和壽命都很出色的鋰離子充電電池（圖5）。該公司2009年秋季開(kāi)始樣品供貨可用于電動(dòng)汽車(chē)、能量密度提高至100Wh/kg的電池單元。雖然細(xì)節(jié)未公布，但據(jù)悉正極材料從以前的鈷酸鋰改為可實(shí)現(xiàn)更高容量的材料。電池容量為20Ah。并且，該公司還在開(kāi)發(fā)能量密度為150Wh/kg左右的電池單元，并力爭(zhēng)在2011年之前實(shí)用化。



圖5：積極推廣快速充電鋰離子充電電池

東芝正加快推廣負(fù)極材料使用鈦酸鋰的鋰離子充電電池。將來(lái)有望實(shí)現(xiàn)單位重量能量密度達(dá)到150Wh/kg的電池單元。

電池技術(shù)人員一致認(rèn)為，要將電動(dòng)汽車(chē)用過(guò)的二手電池再用于其他用途，還有另一課題需要解決。這就是要正確診斷電池的剩余壽命。如果沒(méi)有簡(jiǎn)單且精度高的診斷方法，就無(wú)法適當(dāng)設(shè)定再利用的電池價(jià)格。今后似有必要加快剩余壽命診斷的相關(guān)開(kāi)發(fā)。

快速充電器開(kāi)始市售

電動(dòng)汽車(chē)用快速充電器的開(kāi)發(fā)也在不斷推進(jìn)。比如，HASETEC于2006年度與東京電力共同開(kāi)發(fā)出了快速充電器，并從2009年3月底開(kāi)始銷(xiāo)售（圖6）。電動(dòng)汽車(chē)的快速充電器可設(shè)置在住宅公寓、公司的停車(chē)場(chǎng)、公共設(shè)施及購(gòu)物中心等多種場(chǎng)所，可滿(mǎn)足廣泛的需求。并已經(jīng)“有來(lái)自個(gè)人的訂單”（HASETEC代表董事社長(zhǎng)千村正）?，F(xiàn)在估計(jì)每年可收到200～300臺(tái)訂單。

該公司快速充電器的最大輸出功率為50kW，直流輸出時(shí)的最大電壓為500V，最大電流為125A。外形尺寸為寬1060mm×高1420mm×進(jìn)深730mm，重量為380kg。充電至電池容量的80％，三菱汽車(chē)的i-MiEV需要約25分鐘，富士重工業(yè)的電動(dòng)汽車(chē)需要約15分鐘。

該充電器的特點(diǎn)是采用自主開(kāi)發(fā)的風(fēng)扇作為散熱措施，并通過(guò)降低負(fù)荷L來(lái)抑制反電動(dòng)勢(shì)。另外考慮到操作時(shí)的安全性，還具備在接上連接器后，可通過(guò)絕緣測(cè)試確認(rèn)有無(wú)連接及漏電問(wèn)題后再行充電的安全功能。價(jià)格目前在400萬(wàn)日元左右。

不過(guò)，50kW級(jí)快速充電器不僅外形尺寸大，價(jià)格也較高。因此，該公司還準(zhǔn)備面向停留時(shí)間較長(zhǎng)、能保證一定充電時(shí)間的購(gòu)物中心等，開(kāi)發(fā)輸出功率更小的快速充電器?！笆钩潆姇r(shí)間在30分鐘到1小時(shí)左右”（HASETEC充電事業(yè)推進(jìn)室室長(zhǎng)中田昌幸）。

日本九州電力也開(kāi)發(fā)出了電動(dòng)汽車(chē)用快速充電器，今日將開(kāi)始通過(guò)關(guān)聯(lián)公司銷(xiāo)售（圖6（b））。



圖6：接連面世的電動(dòng)汽車(chē)用快速充電器

HASETEC開(kāi)始銷(xiāo)售與東京電力共同開(kāi)發(fā)的快速充電站（a）。九州電力也預(yù)定開(kāi)始通過(guò)關(guān)聯(lián)公司銷(xiāo)售快速充電站（b）。
該公司將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成直流電的直流電源部分分離，可最多連接4臺(tái)小型充電站。“不寬敞的地方可以只設(shè)置小型充電站，而把體積較大的直流供電部分可分開(kāi)設(shè)置” （九州電力綜合研究所鋰電池及EV推進(jìn)部門(mén)倉(cāng)山功治）。
并且還配備了“并行充電”功能：當(dāng)多臺(tái)充電站上都連接著電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，即使只有一個(gè)直流電源部，也可相應(yīng)于各充電站的輸出功率進(jìn)行高效充電，可縮短充電等待時(shí)間。