電動(dòng)汽車：顛覆性的快速充電與非接觸充電技術(shù)

“充電”的概念將被徹底改變，原因在于業(yè)界出現(xiàn)了具有較長的使用壽命并可以快速充電的鋰離子電池，而且非接觸充電技術(shù)也得到了較大發(fā)展。為了延長電池每次充電后的使用時(shí)間，充電電池正朝著更大容量的方向發(fā)展。而在以往，充電時(shí)間需要數(shù)小時(shí)的大容量電池的壽命通常只有2年左右。

壽命長且可快速充電的電池的出現(xiàn)也為電子設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來了新的選擇。比如，設(shè)計(jì)工程師可以選擇小容量的電池，通過頻繁充電來解決容量不足的問題，只要電池的壽命夠長，就無需在設(shè)備的使用壽命期內(nèi)更換電池。

將上述電池與非接觸充電技術(shù)相結(jié)合，就能夠開發(fā)出可以隨時(shí)隨地進(jìn)行充電的新設(shè)備。此類設(shè)備的出現(xiàn)也將促使非接觸充電的基礎(chǔ)設(shè)施得到完善。相應(yīng)的設(shè)備與充電基礎(chǔ)設(shè)施的共同發(fā)展將能形成新的市場，產(chǎn)生驚人的利潤(見圖1)。實(shí)際上，壽命長且可快速充電的電池與非接觸充電技術(shù)的研發(fā)已頗為活躍，在各行業(yè)內(nèi)，利用此類技術(shù)所開發(fā)的充電基礎(chǔ)設(shè)施及各種設(shè)備也越來越多(見圖2)。

圖1 快速充電與非接觸充電技術(shù)將改變設(shè)備

圖2積極開發(fā)使用新充電電池與新充電方法的設(shè)備

*圖中的紅色標(biāo)記符表示汽車與工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，綠色標(biāo)記符表示便攜設(shè)備領(lǐng)域

電動(dòng)汽車是新技術(shù)的試金石

面向電動(dòng)汽車領(lǐng)域進(jìn)行的鋰離子電池的開發(fā)工作，催生了壽命長且可快速充電的電池。自2004年登場以來，這類電池先是廣泛應(yīng)用在電動(dòng)工具及工業(yè)設(shè)備上，到2009年可能會正式應(yīng)用于混合動(dòng)力車及電動(dòng)汽車。

汽車生產(chǎn)商將于今后的1年~2年內(nèi)正式投入電動(dòng)汽車的研發(fā)。為了大幅減少汽車的二氧化碳排放量，日產(chǎn)汽車企劃/先進(jìn)技術(shù)開發(fā)本部技術(shù)企劃部資深專家上田昌則認(rèn)為：“開發(fā)完全不排放氣體的電動(dòng)汽車勢在必行。”其它多家汽車生產(chǎn)商也都持相同觀點(diǎn)。

例如，三菱汽車將于2009年7月開始銷售電動(dòng)汽車iMiEV，公司計(jì)劃在推出后的第一年生產(chǎn)2000輛，第二年生產(chǎn)4000輛，之后將逐漸擴(kuò)大到年產(chǎn)2萬輛。日產(chǎn)汽車也計(jì)劃于2010年在日本和美國、2011年在中國銷售電動(dòng)汽車，到2012年則計(jì)劃推廣到世界各國。就連在電動(dòng)汽車研發(fā)方面不太積極的豐田汽車(該公司是混合動(dòng)力車市場的領(lǐng)先者)也表示將于2012年進(jìn)入電動(dòng)汽車市場。

要擴(kuò)大電動(dòng)汽車的市場，就必須加大充電站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。目前開發(fā)的電動(dòng)汽車用鋰離子電池的能量密度僅為100Wh/kg左右，還不到筆記本電腦與手機(jī)中采用的鋰離子電池的一半。這主要是因?yàn)椋c便攜設(shè)備相比，用于電動(dòng)汽車的電池更注重安全性與使用壽命。目前，受限于充電電池的成本與外形尺寸，電動(dòng)汽車每次充電后的續(xù)航距離最多也不過100km～200km，僅為引擎車的1/4左右。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善是電動(dòng)汽車獲得普及的重要前提。實(shí)際上，企業(yè)與地方政府共同完善充電基礎(chǔ)設(shè)施的行動(dòng)正在世界各國如火如荼地開展著，其中最為突出的就是美國Better Place公司。該公司與以色列、丹麥等國的政府聯(lián)手，正在積極準(zhǔn)備建設(shè)用于電動(dòng)汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施，僅在以色列就計(jì)劃將建設(shè)50萬座充電站。

如果充電基礎(chǔ)設(shè)施能夠得到進(jìn)一步的完善，那么對于用戶來說，電動(dòng)汽車每次充電后的續(xù)航距離就不再是問題。到時(shí)，用戶更關(guān)注的將是電池的充電時(shí)間及充電方式，這將導(dǎo)致電池開發(fā)過程中的思維轉(zhuǎn)換。以往為了延長續(xù)航距離而拼命提高電池能量密度的做法不再可取，對于開發(fā)者來說，更重要的是降低電池的成本及明確相應(yīng)的產(chǎn)品定位。

共振式非接觸充電技術(shù)值得期待

用戶一旦認(rèn)可了在較短時(shí)間內(nèi)對電池進(jìn)行反復(fù)充電的使用方式，那么，對于非接觸充電的需求就會越來越多(見圖3)。自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備通常會以固定的頻率反復(fù)啟動(dòng)、停止，因此，業(yè)界正在開發(fā)無需人工充電，而通過非接觸充電技術(shù)進(jìn)行充電的設(shè)備。在電動(dòng)汽車方面，如定期行駛的巴士等也已經(jīng)開始進(jìn)行非接觸充電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。

圖3 目標(biāo)是在移動(dòng)中進(jìn)行充電

目前，已實(shí)用化的非接觸充電系統(tǒng)主要采用電磁感應(yīng)方式，也就是通過一個(gè)線圈給另一個(gè)線圈供電。但是，電磁感應(yīng)式非接觸充電系統(tǒng)存在以下三方面的問題：首先，當(dāng)位置發(fā)生偏移時(shí)，會導(dǎo)致充電效率下降；其次，有異物進(jìn)入時(shí)，會出現(xiàn)局部發(fā)熱的情況；最后，電磁波及高頻方面的防護(hù)也不易解決。因此，電場或磁場共振式非接觸充電系統(tǒng)的開發(fā)在近期更為活躍。例如，日本竹中工務(wù)店正在開發(fā)的電場共振式非接觸充電系統(tǒng)就可以解決電磁感應(yīng)式系統(tǒng)中的局部發(fā)熱及電磁波和高頻防護(hù)等問題。

此外，麻省理工學(xué)院(MIT)于2007年6月曾公布了其對于磁場共振式非接觸充電技術(shù)的研究。如果這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展順利，那么就有可能進(jìn)行空間全方位的電力傳輸。應(yīng)用該技術(shù)，電動(dòng)汽車將可以在行駛過程中通過道路或護(hù)欄進(jìn)行充電。

也將影響到電力系統(tǒng)

電動(dòng)汽車的普及還可能產(chǎn)生新的商機(jī)，這就是電池的再利用。隨著充電次數(shù)的增加，電池的容量及輸出功率都會越來越小，使其無法再用于電動(dòng)汽車。但是，從電動(dòng)汽車上淘汰下來的電池還可以繼續(xù)用作家庭或小型發(fā)電站的蓄電設(shè)備。電池本身的生命周期延長了，也就等于降低了電池成本。家庭或小型發(fā)電站可以利用這些低成本電池建立蓄電系統(tǒng)，這將出現(xiàn)新的電力系統(tǒng)。

便攜設(shè)備也將發(fā)生改變

當(dāng)快速充電與非接觸充電在電動(dòng)汽車及工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)成功應(yīng)用后，這兩項(xiàng)技術(shù)在手機(jī)等便攜設(shè)備領(lǐng)域中的融合也將得到加速(見圖4)。

圖4 充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善將導(dǎo)致便攜設(shè)備發(fā)生變化

據(jù)NTT DoCoMo公司分析：“非接觸充電的優(yōu)點(diǎn)是可以隨地設(shè)置充電站，對用戶來說，這將非常方便。”因此，目前業(yè)界對于在各種場合設(shè)置可對便攜設(shè)備進(jìn)行充電的基礎(chǔ)設(shè)施十分關(guān)注。

寶馬公司于2009年2月開始在韓國銷售的寶馬7系列轎車中集成了三星手機(jī)專用的非接觸充電系統(tǒng)，只需將特定的手機(jī)放在中心控制臺上，就可以進(jìn)行非接觸充電。而精工愛普生公司也推出了用于非接觸充電系統(tǒng)的電磁感應(yīng)式充電模塊，有0.5W與2.5W兩款。

如果便攜設(shè)備具備了完善的可隨時(shí)隨地充電的環(huán)境，那么用戶就無需再在乎電池容量與充電時(shí)間，而對可快速充電的電池的需求也將會越來越大。惠普公司舉例說：“拿筆記本來說，在使用4個(gè)小時(shí)之后，充電30分鐘，就可以再使用4個(gè)小時(shí)，這種使用模式將會對用戶產(chǎn)生極大的吸引力。”不少廠商都對可快速充電的電池與非接觸充電技術(shù)在便攜設(shè)備領(lǐng)域的融合持樂觀態(tài)度。