電動(dòng)汽車(chē)：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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(guò)頻繁充電來(lái)解決容量不足的問(wèn)題，只要電池的壽命夠長(zhǎng)，就無(wú)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(kāi)發(fā)出可以隨時(shí)隨地進(jìn)行充電的新設(shè)備。此類(lèi)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(chǎng)，產(chǎn)生驚人的利潤(rùn)(見(jiàn)圖1)。實(shí)際上，壽命長(zhǎng)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(lèi)技術(shù)所開(kāi)發(fā)的充電基礎(chǔ)設(shè)施及各種設(shè)備也越來(lái)越多(見(jiàn)圖2)。

圖1 快速充電與非接觸充電技術(shù)將改變?cè)O(shè)備

圖2積極開(kāi)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(chē)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(chē)是新技術(shù)的試金石

面向電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域進(jìn)行的鋰離子電池的開(kāi)發(fā)工作，催生了壽命長(zhǎng)且可快速充電的電池。自2004年登場(chǎng)以來(lái)，這類(lèi)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(huì)正式應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)。

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

例如，三菱汽車(chē)將于2009年7月開(kāi)始銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē)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(wàn)輛。日產(chǎn)汽車(chē)也計(jì)劃于2010年在日本和美國(guó)、2011年在中國(guó)銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē)，到2012年則計(jì)劃推廣到世界各國(guó)。就連在電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)方面不太積極的豐田汽車(chē)(該公司是混合動(dòng)力車(chē)市場(chǎng)的領(lǐng)先者)也表示將于2012年進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。

要擴(kuò)大電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)，就必須加大充電站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。目前開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)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)?，與便攜設(shè)備相比，用于電動(dòng)汽車(chē)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(chē)每次充電后的續(xù)航距離最多也不過(guò)100km～200km，僅為引擎車(chē)的1/4左右。

充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善是電動(dòng)汽車(chē)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(guó)如火如荼地開(kāi)展著，其中最為突出的就是美國(guó)Better Place公司。該公司與以色列、丹麥等國(guó)的政府聯(lián)手，正在積極準(zhǔn)備建設(shè)用于電動(dòng)汽車(chē)的充電基礎(chǔ)設(shè)施，僅在以色列就計(jì)劃將建設(shè)50萬(wàn)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(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)每次充電后的續(xù)航距離就不再是問(wèn)題。到時(shí)，用戶(hù)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(kāi)發(fā)過(guò)程中的思維轉(zhuǎn)換。以往為了延長(zhǎng)續(xù)航距離而拼命提高電池能量密度的做法不再可取，對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，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(hù)一旦認(rèn)可了在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行反復(fù)充電的使用方式，那么，對(duì)于非接觸充電的需求就會(huì)越來(lái)越多(見(jiàn)圖3)。自動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備通常會(huì)以固定的頻率反復(fù)啟動(dòng)、停止，因此，業(yè)界正在開(kāi)發(fā)無(wú)需人工充電，而通過(guò)非接觸充電技術(shù)進(jìn)行充電的設(shè)備。在電動(dòng)汽車(chē)方面，如定期行駛的巴士等也已經(jīng)開(kāi)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(guò)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(wèn)題：首先，當(dāng)位置發(fā)生偏移時(shí)，會(huì)導(dǎo)致充電效率下降；其次，有異物進(jìn)入時(shí)，會(huì)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(chǎng)或磁場(chǎng)共振式非接觸充電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在近期更為活躍。例如，日本竹中工務(wù)店正在開(kāi)發(fā)的電場(chǎng)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(wèn)題。

此外，麻省理工學(xué)院(MIT)于2007年6月曾公布了其對(duì)于磁場(chǎng)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(chē)將可以在行駛過(guò)程中通過(guò)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(chē)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(huì)越來(lái)越小，使其無(wú)法再用于電動(dòng)汽車(chē)。但是，從電動(dòng)汽車(chē)上淘汰下來(lái)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(zhǎng)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(chē)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(jiàn)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(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這將非常方便。”因此，目前業(yè)界對(duì)于在各種場(chǎng)合設(shè)置可對(duì)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(kāi)始在韓國(guó)銷(xiāo)售的寶馬7系列轎車(chē)中集成了三星手機(jī)專(zhuān)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(tái)上，就可以進(jìn)行非接觸充電。而精工愛(ài)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(hù)就無(wú)需再在乎電池容量與充電時(shí)間，而對(duì)可快速充電的電池的需求也將會(huì)越來(lái)越大?；萜展九e例說(shuō)：“拿筆記本來(lái)說(shuō)，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(huì)對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生極大的吸引力。”不少?gòu)S商都對(duì)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(lè)觀態(tài)度。