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)步可能會大大改變包括產(chǎn)業(yè)設(shè)備及電動汽車在內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并開創(chuàng)出新的市場（圖1）?？煽焖俪潆姷匿囯x子充電電池在電動汽車等領(lǐng)域推進(jìn)，或?qū)⑼苿臃墙佑|充電的引用。



圖1：快速充電與非接觸充電的結(jié)合將會使市場擴(kuò)大

采用快速充電電池的電動工具市場在迅速成長。產(chǎn)業(yè)設(shè)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(jié)合是擴(kuò)大市場的關(guān)鍵。

具體而言，無人搬運(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、巴士和商用車輛等在固定線路運(yùn)營的電動汽車等將對非接觸充電的應(yīng)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(yōu)點(diǎn)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(shù)的開發(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。美國麻省理工學(xué)院（MIT）于2007年6月，美國英特爾于2008年8月發(fā)表了利用磁場耦合共振的技術(shù)，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(shù)有望對行駛中的汽車充電，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)店開發(fā)中的利用電場耦合共振的技術(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)會產(chǎn)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(wù)店正在開發(fā)利用電場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(shè)想的用途是與直流供電系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對產(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，還將力爭實(shí)現(xiàn)停車時(shí)由地板伸出臂桿與車身接觸進(jìn)行快速充電的電動汽車充電系統(tǒng)。

竹中工務(wù)店正在開發(fā)的使用電場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：串聯(lián)諧振方式的構(gòu)造較為簡單，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)成簡單，而且在結(jié)電容發(fā)生變化時(shí)，可用改變驅(qū)動頻率的方法應(yīng)對。只是該方式有施加電壓會增高的傾向。

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”

快速充電在電動工具領(lǐng)域大獲成功

非接觸充電技術(shù)雖大有興起之勢，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)品通過采用快速充電鋰離子電池提高了易用性，從而擴(kuò)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(kuò)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(jìn)一步增至1300萬單元。

牧田開發(fā)技術(shù)本部技術(shù)管理部開發(fā)企劃課系長后藤宗利坦言“我們曾對將鎳氫充電電池?fù)Q成鋰離子充電電池是否真的能贏得市場半信半疑”。市場需求迅速擴(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(shí)數(shù)十分鐘的充電時(shí)間（c）。

以前美國消費(fèi)者認(rèn)為電動工具的機(jī)身和電池組越重越大，驅(qū)動時(shí)間就越長，機(jī)器就越堅(jiān)固。而使用鋰離子電池的電動工具的面世，使“這一認(rèn)識發(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功率長時(shí)間驅(qū)動，而且電池電量用完后還可迅速充電。“除了低價(jià)位產(chǎn)品還能暢銷的新興市場國家之外，其他市場基本上都會轉(zhuǎn)向鋰離子充電電池的電動工具”（后藤）。事實(shí)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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)出現(xiàn)熱潮

與電動工具一樣，充電時(shí)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(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，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)最近在各國活躍起來。

比如，美國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。日本汽車廠商中，日產(chǎn)汽車表現(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）?！败囕v開發(fā)和充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是電動汽車普及的兩條腿。不兩條腿走路的話，肯定無法實(shí)現(xiàn)普及”（日產(chǎn)汽車企劃及先進(jìn)技術(shù)開發(fā)本部技術(shù)企劃部資深專家上田昌則）。



圖4：建立充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)合作體制

日產(chǎn)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