充电电池和充电技术介绍

充电电池和充电技术介绍

快速充电和非接触充电技术的进步可能会大大改变包括产业设备及电动汽车在内的产品设计，并开创出新的市场（图1）。可快速充电的锂离子充电电池在电动汽车等领域推进，或将推动非接触充电的引用。



图1：快速充电与非接触充电的结合将会使市场扩大

采用快速充电电池的电动工具市场在迅速成长。产业设备及电动汽车使用电线的充电方式较为麻烦，与非接触充电相结合是扩大市场的关键。

具体而言，无人搬运机、产业机器人等产业设备，和新一代有轨电车、巴士和商用车辆等在固定线路运营的电动汽车等将对非接触充电的应用起到推动作用。这是由其充电安全性的提高和方便省事的优点所决定的。

共振方式备受期待

目前，可为电动汽车等充电的大功率非接触充电技术的开发比以往任何时候都兴盛。其中，共振方式的非接触充电技术引起极大关注。美国麻省理工学院（MIT）于2007年6月，美国英特尔于2008年8月发表了利用磁场耦合共振的技术，成为热门话题，至今仍令人记忆犹新。尽管传输效率只有40％左右，但使用该技术有望对行驶中的汽车充电，其相关研发日趋活跃。

新共振方式的非接触充电也已亮相。这就是竹中工务店开发中的利用电场耦合共振的技术（图2）。该技术虽然需使送电端与受电端紧贴，但在水平方向错位的状态下也可供电，优点是不会发生像现在已应用的电磁感应式的非接触充电技术那样，当异物侵入时会产生过热、以及电磁波、高频波的泄漏等问题。


图2：以电场耦合方式供电

竹中工务店正在开发利用电场耦合原理的供电系统（a）。使用串联谐振的供电系统成功地以90％的效率向白炽灯泡供应了100W电力。

而且，与电磁感应方式不同，共振方式不使用铁氧体及利兹线圈，因此可降低设备的重量及成本。另外，只需扩大接触面积即可为大功率电器供电，这也是其优点。

竹中工务店技术研究所尖端技术研究所材料工程部门主任研究员原川健一表示，“未来可望在工厂、办公室及公寓的墙壁及地板中嵌入可非接触充电的功能”。目前设想的用途是与直流供电系统相结合，以实现对产业机器人、建筑机械、医疗器械及家电产品等供电。并且，还将力争实现停车时由地板伸出臂杆与车身接触进行快速充电的电动汽车充电系统。

竹中工务店正在开发的使用电场耦合共振的供电系统，分为串联谐振和并联谐振两种方式。两者各具所长：串联谐振方式的构造较为简单，并联谐振方式即使施加电压降低也可高效送电。两者的传输效率目标值均为95％。

关于串联谐振，已经实施了向白炽灯泡传输100W电力的试验（图2（b））。目前的传输效率为90％。频率约为600kHz，接触部分的绝缘膜为300μm。为了令一次侧和二次侧紧贴，在二次侧的接触部分粘贴了导电性硅片。串联谐振的优点在于，不仅电路构成简单，而且在结电容发生变化时，可用改变驱动频率的方法应对。只是该方式有施加电压会增高的倾向。

另一方面，并联谐振据悉尚处在由反复进行模拟研究的试制阶段。并联谐振的优点在于，即使结电容降低也可高效送电，即使输出功率高时，也可将施加电压抑制在较低水平。但该方式存在电路构成复杂的课题。竹中工务店表示，“目标是希望2012年前后实现实用化”

快速充电在电动工具领域大获成功

非接触充电技术虽大有兴起之势，但其应用的前期阶段是快速充电锂离子电池的采用。实际上，已有产品通过采用快速充电锂离子电池提高了易用性，从而扩大了销售额的事例。这就是电动工具。

电动工具对锂离子充电电池的采用始于2004～2005年，近几年飞速扩大。电动工具大厂商之一牧田（MAKITA）表示，电动工具用锂离子充电电池组的全球供货量在迅速增加，2005年第一季度仅为100万单元，2006年第一季度即增至400万单元，2007年第一季度增至900万单元，2008年第一季度更进一步增至1300万单元。

牧田开发技术本部技术管理部开发企划课系长后藤宗利坦言“我们曾对将镍氢充电电池换成锂离子充电电池是否真的能赢得市场半信半疑”。市场需求迅速扩大的主要原因在于，锂离子充电电池既有重量轻又有与插电式几乎相同的输出功率特性的优点，再加上最快15分钟即可充满电的快速充电功能（图3）。



图3：可15分钟快速充电的牧田电动工具

牧田上市了15分钟即可充满电的电动工具（a，b）。通过采用锂离子充电电池，可大大缩短原来使用镍氢充电电池及镍镉电池的电动工具需时数十分钟的充电时间（c）。

以前美国消费者认为电动工具的机身和电池组越重越大，驱动时间就越长，机器就越坚固。而使用锂离子电池的电动工具的面世，使“这一认识发生了重大变化”（后藤）。这是由于，锂离子电池即使重量轻也能够以满功率长时间驱动，而且电池电量用完后还可迅速充电。“除了低价位产品还能畅销的新兴市场国家之外，其他市场基本上都会转向锂离子充电电池的电动工具”（后藤）。事实上，该公司采用锂离子充电电池的电动工具销售额已是连年倍增。

充电基础设施的建设出现热潮

与电动工具一样，充电时间短还有望成为电动汽车普及的重要武器。电动汽车的弱点之一就在于一次充电的持续行驶距离较短。如果与快速充电结合，这一弱点便可得以减轻。也许是受这一因素的推动，电动汽车充电基础设施的建设最近在各国活跃起来。

比如，美国Better Place公司正积极准备在以色列、丹麦、奥地利、加拿大为建设充电基础设施。日本汽车厂商中，日产汽车表现踊跃。包括与Better Place合作的以色列及丹麦在内，日产正在与20个行政组织及企业建立合作体制（图4）。“车辆开发和充电基础设施建设是电动汽车普及的两条腿。不两条腿走路的话，肯定无法实现普及”（日产汽车企划及先进技术开发本部技术企划部资深专家上田昌则）。



图4：建立充电基础设施建设合作体制

日产汽车为了2010年在美国和日本、2011年在中国、2012年在全球投放电动汽车，正在与政 府及企业建立合作体制。

2009年夏季上市电动汽车的三菱汽车也从美国俄勒冈州为代表，在日本、欧洲、加拿大、新西兰、澳大利亚展开旨在实用化的实证试验及调查活动，稳步推进充电基础设施建设的准备工作。此外，东京大学也将启动在冲绳县建设充电基础设施，目标是使冲绳主岛的2万8000辆租赁车逐步更换成电动汽车。

演变为国家间的竞争

因电动汽车的实用化前景已清晰可见，电池开发的方向也在逐渐变化。“如果5分钟能够充电80％，快速充电就足够用了。与此相比，应更重视低成本化和长寿命化”（NEC东金营销本部解决方案技术部部长堀仁孝）。

电池成本是电动汽车普及的一大障碍。比如，三菱汽车2009年夏季上市的电动汽车“i-MiEV”的价格在400万日元左右。车辆价格高就是因为电池成本高达200万日元以上。实际上，利用国家及地方政府提供的补贴，预计只需200万日元即可购买。但这意味着没有补贴也就不会形成电动汽车市场。

降低电池成本最常用的解决方法是提高电池的能量密度，降低单位容量的成本。但这并非一朝一夕可以实现的。实际上，在锂离子充电电池实用化后的约20年里，向高容量材料的过渡几乎未取得进展，充分说明了开发上的难度。

需要庞大开发费用的新一代锂离子充电电池开发呈现出产官学合作，以举国之力展开竞争的态势。实际上，美国、中国及德国已开始加强对锂离子充电电池的政策措施。尤其是美国，2009年1月就任总统的奥巴马作为绿色新政（Green New Deal）的一环，提出了2015年之前导入100万辆插电混合动力车的目标等，强化了对电动汽车的举措。

在日本，新能源及产业技术综合开发机构（NEDO）也于2009年3月设立了蓄电技术开发室。旨在将NEDO内各领域分别推进的充电电池技术开发系统化。蓄电技术开发室（NEDO燃料电池及氢技术开发部蓄电技术开发室室长弓取修二）表示，“除了追求锂离子充电电池极限性能的技术开发之外，还将推进超越锂离子充电电池的革新性电池系统的开发。并希望形成跨行业开发电池技术的联盟”。

电池业务将有变化

如果短期内无望大幅提高能量密度，就只能推进现有的锂离子充电电池低成本化。也就是说要通过量产来降低成本。而要获得量产效果，就需要普及电动汽车，增加销量。这就是所谓先有鸡还是先有蛋的关系。

因此，目前考虑的是电池的租赁。即通过采用租赁方式来减少高昂的初期费用，以推动电动汽车普及，从而促进电池的量产。在这种情况下，如果建立起根据行驶距离（充电量）而非年均负担收费的制度，便可轻松赢得用户。之后，下一步就是将用过的电池再利用（二手销售）。如果能够启动蓄电用途市场，保证可以买到二手电池，便有望进一步降低初期费用及租赁负担。

但要实现电池的再利用，电池厂商须彻底脱离以往的一次性收益模式，而建立新的业务。东芝（东芝电力流通及产业系统公司SCiB业务推进统括部技术负责人本多啓三）表示，“可充分考虑将电池租赁当作业务”。该公司称，其正在开发的锂离子充电电池以长寿命为特点，在电动汽车上使用后，还可在蓄电等市场上再利用。

东芝开发了负极材料采用钛酸锂（LTO），安全性和寿命都很出色的锂离子充电电池（图5）。该公司2009年秋季开始样品供货可用于电动汽车、能量密度提高至100Wh/kg的电池单元。虽然细节未公布，但据悉正极材料从以前的钴酸锂改为可实现更高容量的材料。电池容量为20Ah。并且，该公司还在开发能量密度为150Wh/kg左右的电池单元，并力争在2011年之前实用化。



图5：积极推广快速充电锂离子充电电池

东芝正加快推广负极材料使用钛酸锂的锂离子充电电池。将来有望实现单位重量能量密度达到150Wh/kg的电池单元。

电池技术人员一致认为，要将电动汽车用过的二手电池再用于其他用途，还有另一课题需要解决。这就是要正确诊断电池的剩余寿命。如果没有简单且精度高的诊断方法，就无法适当设定再利用的电池价格。今后似有必要加快剩余寿命诊断的相关开发。

快速充电器开始市售

电动汽车用快速充电器的开发也在不断推进。比如，HASETEC于2006年度与东京电力共同开发出了快速充电器，并从2009年3月底开始销售（图6）。电动汽车的快速充电器可设置在住宅公寓、公司的停车场、公共设施及购物中心等多种场所，可满足广泛的需求。并已经“有来自个人的订单”（HASETEC代表董事社长千村正）。现在估计每年可收到200～300台订单。

该公司快速充电器的最大输出功率为50kW，直流输出时的最大电压为500V，最大电流为125A。外形尺寸为宽1060mm×高1420mm×进深730mm，重量为380kg。充电至电池容量的80％，三菱汽车的i-MiEV需要约25分钟，富士重工业的电动汽车需要约15分钟。

该充电器的特点是采用自主开发的风扇作为散热措施，并通过降低负荷L来抑制反电动势。另外考虑到操作时的安全性，还具备在接上连接器后，可通过绝缘测试确认有无连接及漏电问题后再行充电的安全功能。价格目前在400万日元左右。

不过，50kW级快速充电器不仅外形尺寸大，价格也较高。因此，该公司还准备面向停留时间较长、能保证一定充电时间的购物中心等，开发输出功率更小的快速充电器。“使充电时间在30分钟到1小时左右”（HASETEC充电事业推进室室长中田昌幸）。

日本九州电力也开发出了电动汽车用快速充电器，今日将开始通过关联公司销售（图6（b））。



图6：接连面世的电动汽车用快速充电器

HASETEC开始销售与东京电力共同开发的快速充电站（a）。九州电力也预定开始通过关联公司销售快速充电站（b）。
该公司将来自电网的交流电转换成直流电的直流电源部分分离，可最多连接4台小型充电站。“不宽敞的地方可以只设置小型充电站，而把体积较大的直流供电部分可分开设置” （九州电力综合研究所锂电池及EV推进部门仓山功治）。
并且还配备了“并行充电”功能：当多台充电站上都连接着电动汽车时，即使只有一个直流电源部，也可相应于各充电站的输出功率进行高效充电，可缩短充电等待时间。