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快速充電和非接觸充電技術的進步可能會大大改變包括產業設備及電動汽車在內的產品設計，并開創出新的市場（圖1）。可快速充電的鋰離子充電電池在電動汽車等領域推進，或將推動非接觸充電的引用。 圖1：快速充電與非接觸充電的結合將會使市場擴大 采用快速充電電池的電動工具市場在迅速成長。產業設備及電動汽車使用電線的充電方式較為麻煩，與非接觸充電相結合是擴大市場的關鍵。 具體而言，無人搬運機、產業機器人等產業設備，和新一代有軌電車、巴士和商用車輛等在固定線路運營的電動汽車等將對非接觸充電的應用起到推動作用。這是由其充電安全性的提高和方便省事的優點所決定的。 共振方式備受期待 目前，可為電動汽車等充電的大功率非接觸充電技術的開發比以往任何時候都興盛。其中，共振方式的非接觸充電技術引起極大關注。美國麻省理工學院（MIT）于2007年6月，美國英特爾于2008年8月發表了利用磁場耦合共振的技術，成為熱門話題，至今仍令人記憶猶新。盡管傳輸效率只有40％左右，但使用該技術有望對行駛中的汽車充電，其相關研發日趨活躍。 新共振方式的非接觸充電也已亮相。這就是竹中工務店開發中的利用電場耦合共振的技術（圖2）。該技術雖然需使送電端與受電端緊貼，但在水平方向錯位的狀態下也可供電，優點是不會發生像現在已應用的電磁感應式的非接觸充電技術那樣，當異物侵入時會產生過熱、以及電磁波、高頻波的泄漏等問題。 圖2：以電場耦合方式供電 竹中工務店正在開發利用電場耦合原理的供電系統（a）。使用串聯諧振的供電系統成功地以90％的效率向白熾燈泡供應了100W電力。 而且，與電磁感應方式不同，共振方式不使用鐵氧體及利茲線圈，因此可降低設備的重量及成本。另外，只需擴大接觸面積即可為大功率電器供電，這也是其優點。 竹中工務店技術研究所尖端技術研究所材料工程部門主任研究員原川健一表示，“未來可望在工廠、辦公室及公寓的墻壁及地板中嵌入可非接觸充電的功能”。目前設想的用途是與直流供電系統相結合，以實現對產業機器人、建筑機械、醫療器械及家電產品等供電。并且，還將力爭實現停車時由地板伸出臂桿與車身接觸進行快速充電的電動汽車充電系統。 竹中工務店正在開發的使用電場耦合共振的供電系統，分為串聯諧振和并聯諧振兩種方式。兩者各具所長：串聯諧振方式的構造較為簡單，并聯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值均為95％。 關于串聯諧振，已經實施了向白熾燈泡傳輸100W電力的試驗（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。為了令一次側和二次側緊貼，在二次側的接觸部分粘貼了導電性硅片。串聯諧振的優點在于，不僅電路構成簡單，而且在結電容發生變化時，可用改變驅動頻率的方法應對。只是該方式有施加電壓會增高的傾向。 另一方面，并聯諧振據悉尚處在由反復進行模擬研究的試制階段。并聯諧振的優點在于，即使結電容降低也可高效送電，即使輸出功率高時，也可將施加電壓抑制在較低水平。但該方式存在電路構成復雜的課題。竹中工務店表示，“目標是希望2012年前后實現實用化” 快速充電在電動工具領域大獲成功 非接觸充電技術雖大有興起之勢，但其應用的前期階段是快速充電鋰離子電池的采用。實際上，已有產品通過采用快速充電鋰離子電池提高了易用性，從而擴大了銷售額的事例。這就是電動工具。 電動工具對鋰離子充電電池的采用始于2004～2005年，近幾年飛速擴大。電動工具大廠商之一牧田（MAKITA）表示，電動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100萬單元，2006年第一季度即增至400萬單元，2007年第一季度增至900萬單元，2008年第一季度更進一步增至1300萬單元。 牧田開發技術本部技術管理部開發企劃課系長后藤宗利坦言“我們曾對將鎳氫充電電池換成鋰離子充電電池是否真的能贏得市場半信半疑”。市場需求迅速擴大的主要原因在于，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點，再加上最快15分鐘即可充滿電的快速充電功能（圖3）。 圖3：可15分鐘快速充電的牧田電動工具 牧田上市了15分鐘即可充滿電的電動工具（a，b）。通過采用鋰離子充電電池，可大大縮短原來使用鎳氫充電電池及鎳鎘電池的電動工具需時數十分鐘的充電時間（c）。 以前美國消費者認為電動工具的機身和電池組越重越大，驅動時間就越長，機器就越堅固。而使用鋰離子電池的電動工具的面世，使“這一認識發生了重大變化”（后藤）。這是由于，鋰離子電池即使重量輕也能夠以滿功率長時間驅動，而且電池電量用完后還可迅速充電�！俺说蛢r位產品還能暢銷的新興市場國家之外，其他市場基本上都會轉向鋰離子充電電池的電動工具”（后藤）。事實上，該公司采用鋰離子充電電池的電動工具銷售額已是連年倍增。 充電基礎設施的建設出現熱潮 與電動工具一樣，充電時間短還有望成為電動汽車普及的重要武器。電動汽車的弱點之一就在于一次充電的持續行駛距離較短。如果與快速充電結合，這一弱點便可得以減輕。也許是受這一因素的推動，電動汽車充電基礎設施的建設最近在各國活躍起來。 比如，美國Better Place公司正積極準備在以色列、丹麥、奧地利、加拿大為建設充電基礎設施。日本汽車廠商中，日產汽車表現踴躍。包括與Better Place合作的以色列及丹麥在內，日產正在與20個行政組織及企業建立合作體制（圖4）。“車輛開發和充電基礎設施建設是電動汽車普及的兩條腿。不兩條腿走路的話，肯定無法實現普及”（日產汽車企劃及先進技術開發本部技術企劃部資深專家上田昌則）。 圖4：建立充電基礎設施建設合作體制 日產汽車為了2010年在美國和日本、2011年在中國、2012年在全球投放電動汽車，正在與政府及企業建立合作體制。 2009年夏季上市電動汽車的三菱汽車也從美國俄勒岡州為代表，在日本、歐洲、加拿大、新西蘭、澳大利亞展開旨在實用化的實證試驗及調查活動，穩步推進充電基礎設施建設的準備工作。此外，東京大學也將啟動在沖繩縣建設充電基礎設施，目標是使沖繩主島的2萬8000輛租賃車逐步更換成電動汽車。 演變為國家間的競爭 因電動汽車的實用化前景已清晰可見，電池開發的方向也在逐漸變化�！叭绻�5分鐘能夠充電80％，快速充電就足夠用了。與此相比，應更重視低成本化和長壽命化”（NEC東金營銷本部解決方案技術部部長堀仁孝）。 電池成本是電動汽車普及的一大障礙。比如，三菱汽車2009年夏季上市的電動汽車“i-MiEV”的價格在400萬日元左右。車輛價格高就是因為電池成本高達200萬日元以上。實際上，利用國家及地方政府提供的補貼，預計只需200萬日元即可購買。但這意味著沒有補貼也就不會形成電動汽車市場。 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現的。實際上，在鋰離子充電電池實用化后的約20年里，向高容量材料的過渡幾乎未取得進展，充分說明了開發上的難度。 需要龐大開發費用的新一代鋰離子充電電池開發呈現出產官學合作，以舉國之力展開競爭的態勢。實際上，美國、中國及德國已開始加強對鋰離子充電電池的政策措施。尤其是美國，2009年1月就任總統的奧巴馬作為綠色新政（Green New Deal）的一環，提出了2015年之前導入100萬輛插電混合動力車的目標等，強化了對電動汽車的舉措。 在日本，新能源及產業技術綜合開發機構（NEDO）也于2009年3月設立了蓄電技術開發室。旨在將NEDO內各領域分別推進的充電電池技術開發系統化。蓄電技術開發室（NEDO燃料電池及氫技術開發部蓄電技術開發室室長弓取修二）表示，“除了追求鋰離子充電電池極限性能的技術開發之外，還將推進超越鋰離子充電電池的革新性電池系統的開發。并希望形成跨行業開發電池技術的聯盟”。 電池業務將有變化 如果短期內無望大幅提高能量密度，就只能推進現有的鋰離子充電電池低成本化。也就是說要通過量產來降低成本。而要獲得量產效果，就需要普及電動汽車，增加銷量。這就是所謂先有雞還是先有蛋的關系。 因此，目前考慮的是電池的租賃。即通過采用租賃方式來減少高昂的初期費用，以推動電動汽車普及，從而促進電池的量產。在這種情況下，如果建立起根據行駛距離（充電量）而非年均負擔收費的制度，便可輕松贏得用戶。之后，下一步就是將用過的電池再利用（二手銷售）。如果能夠啟動蓄電用途市場，保證可以買到二手電池，便有望進一步降低初期費用及租賃負擔。 但要實現電池的再利用，電池廠商須徹底脫離以往的一次性收益模式，而建立新的業務。東芝（東芝電力流通及產業系統公司SCiB業務推進統括部技術負責人本多啓三）表示，“可充分考慮將電池租賃當作業務”。該公司稱，其正在開發的鋰離子充電電池以長壽命為特點，在電動汽車上使用后，還可在蓄電等市場上再利用。 東芝開發了負極材料采用鈦酸鋰（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年秋季開始樣品供貨可用于電動汽車、能量密度提高至100Wh/kg的電池單元。雖然細節未公布，但據悉正極材料從以前的鈷酸鋰改為可實現更高容量的材料。電池容量為20Ah。并且，該公司還在開發能量密度為150Wh/kg左右的電池單元，并力爭在2011年之前實用化。 圖5：積極推廣快速充電鋰離子充電電池 東芝正加快推廣負極材料使用鈦酸鋰的鋰離子充電電池。將來有望實現單位重量能量密度達到150Wh/kg的電池單元。 電池技術人員一致認為，要將電動汽車用過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。如果沒有簡單且精度高的診斷方法，就無法適當設定再利用的電池價格。今后似有必要加快剩余壽命診斷的相關開發。 快速充電器開始市售 電動汽車用快速充電器的開發也在不斷推進。比如，HASETEC于2006年度與東京電力共同開發出了快速充電器，并從2009年3月底開始銷售（圖6）。電動汽車的快速充電器可設置在住宅公寓、公司的停車場、公共設施及購物中心等多種場所，可滿足廣泛的需求。并已經“有來自個人的訂單”（HASETEC代表董事社長千村正）。現在估計每年可收到200～300臺訂單。 該公司快速充電器的最大輸出功率為50kW，直流輸出時的最大電壓為500V，最大電流為125A。外形尺寸為寬1060mm×高1420mm×進深730mm，重量為380kg。充電至電池容量的80％，三菱汽車的i-MiEV需要約25分鐘，富士重工業的電動汽車需要約15分鐘。 該充電器的特點是采用自主開發的風扇作為散熱措施，并通過降低負荷L來抑制反電動勢。另外考慮到操作時的安全性，還具備在接上連接器后，可通過絕緣測試確認有無連接及漏電問題后再行充電的安全功能。價格目前在400萬日元左右。 不過，50kW級快速充電器不僅外形尺寸大，價格也較高。因此，該公司還準備面向停留時間較長、能保證一定充電時間的購物中心等，開發輸出功率更小的快速充電器。“使充電時間在30分鐘到1小時左右”（HASETEC充電事業推進室室長中田昌幸）。 日本九州電力也開發出了電動汽車用快速充電器，今日將開始通過關聯公司銷售（圖6（b））。 圖6：接連面世的電動汽車用快速充電器 HASETEC開始銷售與東京電力共同開發的快速充電站（a）。九州電力也預定開始通過關聯公司銷售快速充電站（b）。 該公司將來自電網的交流電轉換成直流電的直流電源部分分離，可最多連接4臺小型充電站。“不寬敞的地方可以只設置小型充電站，而把體積較大的直流供電部分可分開設置” （九州電力綜合研究所鋰電池及EV推進部門倉山功治）。 并且還配備了“并行充電”功能：當多臺充電站上都連接著電動汽車時，即使只有一個直流電源部，也可相應于各充電站的輸出功率進行高效充電，可縮短充電等待時間。 |
