電動車電池

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電動車電池(electric-vehicle battery)簡稱EVB,是用在純電動車(BEV)或混合动力电动汽车(HEV)上,供應電動機能量的電池。多半是可以充電的蓄電池,目前常見的是锂离子电池。電動車電池一般會設計為高容量,有較大的安培小時(或千瓦·時)規格。

2009年日产聆风的實體剖面,露出其中的電池

電動車電池和一般車上負責啟動、照明以及點火(SLI)的汽车蓄电池不同。電動車電池需要可以在較長的時間內持續有功率輸出,屬於需要輸出相當程度電量的深循環電池英语Deep-cycle battery。電動車電池的特點是其較高的功率重量比比能能量密度:若電動車電池較輕,車重也會比較輕,可以提昇車輛的性能,因此一般會希望電動車電池的重量可以比較輕。相較於液態燃料而言,大部份電動車電池的比能仍然要過低,這也限制了車輛電動化的最大馬力範圍。里程數大到一定程度的車輛可能會因為重量問題而無法改為電動車。

電動車中的電池由於考慮其功率密度,最常見是锂离子电池鋰離子聚合物電池。其他用在電動車中的蓄電池铅酸蓄电池(滿槽铅酸电池、深循環铅酸电池,以及閥門調節鉛酸電池英语valve regulated lead acid battery)、鎳鎘電池镍氢电池等,偶爾也有使用锌空气电池熔融鹽電池英语Molten salt battery中的鈉鎳氯化物電池(zebra)[1]。電池中儲存的電量(電荷數)是以安培小時或是库仑為單位,而其儲存能量是以千瓦·時為單位。 自從1990年代末開始,可攜式電子產品、筆記電腦、手機及電動工具的需求已帶動锂离子电池的技術進展。電動車的市場也因此獲益,在電池的性能及功率密度上都有所提昇。锂离子电池和以往的鎳鎘電池不同,锂离子电池可以每天充放電,而且可以在任何電量狀態下進行充電或放電。

電池組(battery pack)的成本佔電動車總成本中相當的比例。截至2019年 (2019-表达式错误:无法识别的标点“月”。),若以千瓦小時的單位成本來看,電動車電池的成本已較2010年下降了87%[2]。2018年時,全電里程數超過250 mi(400 km)的電動車(像是Tesla Model S)已商品化,應用在不同的車輛領域中[3]。 若考慮運行時的成本,純電動車在行駛時需要的電費是同功率汽車燃料費的一小部份而已,因此其能量轉換效率較高。

電動車電池分類编辑

 
有些電動車仍使用傳統旳鉛酸電池為其動力來源
 
在組立之前的圓柱電池芯(18650)
 
锂离子电池監控電路(過充電以及過放電保護)

鉛酸電池编辑

鉛酸電池是最便宜的電動車電池,以往也是最常見的電動車電池。鉛酸電池可以分為兩種:負責車輛引擎發動點火的電池(汽车蓄电池),以及深循環電池英语Deep-cycle battery。汽车蓄電池在設計時會只用其一部份的電力,提供較大的放電電流,以啟動引擎,而深循環電池是持續性的提供電池,使電動載具(例如叉車或是高爾夫球車)運行[4]。深循環電池也用在娛樂性車輛的輔助電池,不過需要多級充電[5]。鉛酸電池放電時,不能使電量降到其容量的50%以下,若電量過低,會降低其壽命[5]。鉛酸電池需要定期檢查電極及電解液,偶爾也需要補充電解液。

由於鉛酸電池是成熟的技術,容易取得,價格低,早期的電動車幾乎都是使用鉛酸電池。只有少許廠商例外,例如底特律電機公司英语Detroit Electric是用镍铁电池。深循環電池比較貴,壽命比較短一點,大約每三年就要更換。

電動車應用中的鉛酸電池重量約佔車輛總重的25–50%。鉛酸電池其比能較石化燃料要低[6]。剛開始時,這個差異不太明顯,因為電動車的傳動系統重量比較輕,就算一般車輛上使用最好的電池(因此重量較重)也是如此。目前深循環電池的效率(70–75%)及儲存電量會在溫度較低時下降,而加熱線圈最多會將效率及電池里程數降低40%[來源請求]

鉛酸電池的充電及運行會釋放,這些是會自然產生的物質,若有適當通風,一般而言是無害的。早期的Citicar英语Citicar若沒有適當的通風,在充電之後立刻會在車廂內出現異味。

早期的電動車會使用鉛酸電池,例如通用汽車的原始版本EV1

鎳氫電池编辑

目前已將鎳氫電池(NiMH)視為是比較成熟的技術英语mature technology[7]。其充電和放電的效率(60–70%)較鉛酸電池低,但其比能為30–80 Wh/kg,比鉛酸電池高很多。鎳氫電池若正確使用,其壽命非常的長,例如在混合動力車輛以及第一代的NiMH Toyota RAV4 EV英语Toyota RAV4 EV已運行了十年,里程超過100,000英里(160,000公里)仍可以正常運作。其缺點有效率低、高自放電、充電週期不穩定,以及在冷天氣時的效能不佳。

GM Ovonic生產鎳氫電池,用在第二代的EV-1中,Cobasys英语Cobasys開發了幾乎一樣的電池(十個1.2 V 85 Ah NiMH 電池串聯,和Ovonic的十一個電池不同)。在EV-1中的運作相當良好[8]大型汽車鎳氫電池的專利權英语Patent encumbrance of large automotive NiMH batteries限制了近年來車輛上的鎳氫電池使用。

Zebra電池编辑

鈉鎳氯電池或稱為Zebra電池,用熔化的四氯铝酸钠(NaAlCl4)為電極。Zebra電池是比較成熟的技術,其比能是 120 Wh/kg。因為電池要加熱才能使用,在天氣冷時使用,除了因為加熱需要耗費的額外成本外,對性能的影響不大。Zebra電池曾用做Modec商用车辆的電池[9]。Zebra電池的充放電循環可以超過1000次,而且沒有毒性。Zebra電池的缺點包括比功率較低(<300 W/kg),需要將電極加熱到270 °C(518 °F),會消耗一些能量,在長程的能量儲存上會是問題,而且也是潛在的危險[10]

鋰離子電池编辑

鋰離子電池(以及機構類似的鋰聚合物電池)一開始是用在筆記型電腦以及消費者電子產生品。由於這類電池的高能量密度以及壽命較長,後來成為電動車電池的主流。最早商品化的鋰離子電池以鈷酸鋰為陰極,石墨為陽極,一開始是由N. Godshall在1979年發明,约翰·B·古迪纳夫吉野彰很快也開發了類似的產品[11][12][13][14]。傳統鋰離子電池的缺點包括對溫度很敏感、低溫的性能不佳、以及性能會隨著使用時間而退化[15]。傳統鋰離子電池有會揮發的有機電解質、高危險的金屬氧化物,且其陰極SEI層對熱不穩定,若穿洞或是不正確充電,可能會著火[16]。早期的電池在極低溫時無法充放電,因此有些氣候下必須配合加熱器使用。鋰離子電池的技術成熟度算是中等。特斯拉Roadster以及特斯拉的其他車輛就使用傳統鋰離子電池,是用在筆電上的電池。

近來的電動車使用新一代的鋰離子電池技術,在比能以及比功率上比較差,但是在防火、環境友善程度、快充能力(多半在幾分鐘即可充飽)以及壽命上比較好。這些差異(像是磷酸鹽,鈦酸鹽,尖晶石)已證實可以提高壽命,而用磷酸鋰鐵A123英语A123 Systems型壽命可以超過10年,充放電週期超過7000次[17],LG化學預估所開發的鋰離子氧化鎂電池英语Lithium ion manganese oxide battery可以使用超過40年[來源請求]

現在在實驗室中也有許多有關鋰離子電池的研究[18]速霸陸汽車的原型G4e中已使用釩酸鋰電池,其能量密度可以到一般鋰離子電池的二倍[來源請求]。陽極的矽奈米線[19][20]、矽奈米顆粒[21]及錫奈米顆粒[22][23]可能也可以提昇能量密度[需要解释],而陰極的複合材料[24][25]及超晶格[26]也可能會提昇能量密度。

有新的資料指出:鋰離子電池受熱以及快速充電都會使其退化的比一般使用要快,平均而言,電動車電池在服務六年六個月後,儲電量仍可維持原來的90%。像是Nissan LEAF的電池的老化速度是Tesla的兩倍,因為Tesla有電池的主動散熱系統,而LEAF沒有[27]

電動車以及其電池容量的例子编辑

全電動車编辑

插電式混合動力車编辑

非插電式油電混合車编辑

  • 奥迪A6 Hybrid (2012):1.3 kWh
  • Escalade 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Chevrolet Malibu (2016):1.5 kWh
  • Chevrolet Silverado / Chevrolet Tahoe 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Ford Fusion II / Ford C-Max II:1.4 kWh
  • GMC Yukon / GMC Yukon Denali 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Honda Civic Hybrid I (2003–2005):0.86 kWh
  • Honda Civic Hybrid II (2006–2011):0.87 kWh
  • Honda Civic Hybrid III (2012–2015):0.65 kWh
  • Hyundai Ioniq Hybrid:1.56 kWh
  • Kia Niro:1.56 kWh
  • 凌志CT 200h:1.3 kWh
  • 凌志NX 300h:1.6 kWh
  • 标致雪铁龙集团第一代的HYbrid4 system:1.1 kWh
  • Renault Clio E-Tech Hybrid:1.2 kWh
  • Toyota Prius I (2001–2003):1.78 kWh
  • Toyota Prius II (2004–2009):1.31 kWh
  • Toyota Prius III (2010–2015):1.31 kWh
  • Toyota Prius IV (2016–present):0.75 kWh
  • 豐田Prius c / 豐田Yaris Hybrid:0.9 kWh
  • 丰田凯美瑞 Hybrid (2012):1.6 kWh

電池成本编辑

 
能量密度50 W⋅h/kg鋰離子聚合物電池的原型。新型的鋰離子能量密度可以到265 W⋅h/kg,在上千次充放電後,仍可以維持儲電量

2010年時,丹麦技术大学花了美金一萬元購買了經認證,電量有25 kWh的電動車電池(US$400/kWh)[29]。在十五個電池供應商中,只有二家可以提供有關品質以及消防安全相關的必要技術文件[30]。在2010年估計不到十年之後,電池價值就會降到當時的三分之一以下[29]

根據美国国家学院在2010年進行的研究,鋰離子電池組的成本大約是1,700美元/千瓦·時可用能源,考慮插電式混合動力車-10需要約2.0 kWh,而PHEV-40需要8 kWh,製造商在PHEV-10電池組上的成本約為3,000美元,PHEV-10電池組上的成本則是14,000美元[31][32]麻省理工科技評論估計2020年時電動車電池組的成本約在每千瓦小時225美元500美元之間[33]。2013年 美國節能經濟委員會的研究指出電池成本從2007年的1,300美元/kWh降到2012年的500美元/kWh。美國能源部設定其贊助電池研究的目標成本,在2015年時是300美元/kWh,2022年時則是125美元/kWh。電池技術進步以及產量提昇帶來的成本下降,可以提昇插電電動車相較於傳統內燃機車輛的競爭力[34]。全世界在2016年的鋰離子電池產量對應的電力有41.57 GW⋅h[35]

大部份電動車製造商拒絕討論有關電池組價格的細節,因此實際成本仍有爭議,也有許多的懷疑。不過通用汽車在2015年在其年度全球商務會議上表示:他們預期鋰離子電池組的成本在2016年時,會降到145美元/kWh,比許多分析師的預估都要低。通用汽車也預期在2021年底時的成本是100美元/kWh[36]

根據彭博新能源財經(BNEF)2016年2月的研究,電池價格自2010年起跌了65%,自2015年起算,跌了35%,到達350美元/kWh。研究的結論是電池價格的趨勢會讓大部份國家沒有政府補助的電動車,和傳統汽車一樣,一般大眾可以負擔。BNEF預計在2040年,長里程的電動車會低於22,000美元(美金幣值以2016年的水準為準)。BNEF預計電池價格在2030年時會低於120美元/kWh,隨著新化學技術的使用,之後會降的更低[37][38]

電池成本預計比較
電池種類 年份 成本(US$/kWh)
鋰離子電池 2016年 130[39]-145[36]
鋰離子電池 2014年 200–300[40]
鋰離子電池 2012年 500–600[41]
鋰離子電池 2012年 400[42]
鋰離子電池 2012年 520–650[43]
鋰離子電池 2012年 752[43]
鋰離子電池 2012年 689[43]
鋰離子電池 2013年 800–1000[44]
鋰離子電池 2010年 750[45]
鎳氫電池 2004年 750[46]
鎳氫電池 2013年 500–550[44]
鎳氫電池 350[47]
鉛酸電池 256.68

[48]

電池里程預計比較
電池種類 預計年份 充放電次數 里程 可使用年份
鋰離子電池 2016年 >4000[48] 1,000,000[48] >10[49]
鋰離子電池 2008年 100,000[50] 5[50]
鋰離子電池 60,000 5
鋰離子電池 2002年 2-4[51]
鋰離子電池 1997年 >1,000[52]
鎳氫電池 2001年 100,000[53] 4[53]
鎳氫電池 1999年 >90,000[54]
鎳氫電池 200,000[47]
鎳氫電池 1999年 1000[55] 93,205.7[55]
鎳氫電池 1995年 <2,000[56]
鎳氫電池 2002年 2000[51]
鎳氫電池 1997年 >1,000[57]
鎳氫電池 1997年 >1,000[52]
鉛酸電池 1997年 300–500[52] 3

電動車和燃油車的比較编辑

電池研究者Poul Norby在2010年時表示,他相信為了要衝擊燃油車輛的市場,鋰離子電池的比能要加倍,而價格需從2010年的US$500/kWh,降到US$100/kWh[58]。花旗集團則認為是US$230/kWh。

豐田Prius 2012年版電動車的官網宣稱充電後的里程數可到21公里(13英里),電池容量為5.2 kWh,里程及電量比值為4公里(2.5英里)/kWh,而Addax(2015年款)多功能車已可以到110公里(68.5英里),里程及電量比值為7.5公里(4.6英里)/kWh.[59]

電池電動車的里程及電量比值可以到5英里(8.0公里)/kWh。雪佛兰沃蓝达若用輔助動力單元(小的車上發電機)作動力來源,且熱效率有33%,預計可以達到50 MPGe,相當於12 kWh的電能可行駛50英里(80公里),每英里需要的電能是240瓦時。

美國能源部長朱棣文估計40英里時程的電池費用會從2008年的美金12000元,降到2015年的美金3600元,在2020年會再降到美金1500元[60][61]。相較於傳統的燃油車,锂离子电池鋰離子聚合物電池铝空气电池锌空气电池的比能足以高到有夠理想的充電後里程數以及充電後次數。

成本考量编辑

各種成本都很重要。其中一個議題是採購成本,另一個則是擁有者的總成本(包括燃料或電力)。2015年時,電動車的初始採購成本比燃油車高,但後續運行的成本較低,在少數的例子中,電動車的總成本比燃油車低。

根據Kammen等人在2008年的研究,若電池價值從US$1300/kWh降到約US$500/kWh,新混合動力車輛對消費者而言有成本上的優勢(因電池增加的價格可以用日後持續節省的能源支出中賺回來)[62]

2010年時,日产聆风的電池組生產成本為US$18,000[63]。在聆风上市時,日產的初始生產成本為US$750/kWh(針對24 kWh電池)[63]

麥肯錫季刊在2012年時以五年車輛擁有總成本英语total cost of ownership為基礎,連結電池價格以及汽油價值,估計油價的US$3.50/gallon對應電池價格的US$250/kWh[64]麥肯錫在2017年估計若電池組價格到US$100/kWh(約在2030年可以達成),電動車就具有成本上的競爭力,並且預計電池組在2020年的價格為US$190/kWh[65]

通用汽車在2015年10月的年度全球商務會議上預估:2016年時鋰離子電池的價格會是US$145/kWh[36]

路程考量编辑

車輛路程考量是指電動車輛在充電後可行駛的里程和一般內燃機車輛的平均值(500公里或310英里)相當,電池的比能需大於1 kWh/kg[66]。里程越長表示電動車輛在不再充電的情形下可以行駛更長的距離。

日本和歐盟的官方在討論要聯合開發先進的電動車可充電電池,以減少溫室氣體的排放。日本電池供應商GS-YUASA英语GS-YUASA表示,開發一次充電後可以讓電動車行駛500公里(310英里)的電池,在技術上是可行的。夏普和GS Yuasa是日本的太陽能廠商以及電池廠商,會因合作而獲益[67]

  • AC Propulsion tzer中的鋰離子電池單一次充電後可以行駛400至500 km(200至300 mi)[68]。車輛2003年上市時的價格是美金22萬元[69]
  • 日本電動車俱樂部用大發Mira英语Daihatsu Mira配備74 kWh的鋰離子電池,創造了電動車單次充電之後,行駛1,003公里(623英里)的世界記錄。
  • 超級跑車Rimac Concept One英语Rimac Concept One電池容量是 82 kWh,可以行駛500 km,此車是2013年製造的。
  • 純電動車比亚迪e6電池容量是 60 kWh,可以行駛300 km[70]

細節编辑

內部零件编辑

 
電動公車車頂上的電池組
 
電車卡車英语Electric trucke-Force One。電池組在車軸之間

為電動車所設計的電池組很複雜,會依製造商以及特別需求而有許多的變化。不過都包括了許多簡單的機械及電子系統,以達到電池組需提供的基本機能。

實際的電池可能會依製造商不同,有不同的化學成份、實體外形以及大小。電池組都是由電池並聯及串聯整合,以達到要求的電壓以及電荷需求。一部電動車中的所有電池組,其中可能包括上百個電池。每一個電池的電壓約在3-4伏特,依其化學組成而定。

為了製造及組裝方便,這些電池會以較小的數量先整合成模組。幾個模組再整合成電池組。每一個模組內的電池都是以銲接方式相聯,以提供使用時電流流動的路徑。模組也可能加入散熱機構、溫度感測器及其他元件。大部份的情形下,電池模組也可以用电池管理系统(BMS)來監控電池模組產生的電壓[71]

電池組會有一個主保險絲,在短路條件下會限制流過的電路。也有"service plug"或"service disconnect"可以移除,讓電池分為二個電氣隔離的二部份。在service plug移除後,電池組表面的金屬接點不會有高電壓,不會造成維修人員的危險[71][72]

電池包中也可能會包括繼電器或是接觸器,控制各電池包中的供電分布。大部份情形至少有二個繼電器,分別接在正端和負端的接頭和設備電源之間,讓電池可以提供大電流給電動車。有些電池包設計也有透過緩衝電阻提供額外的充電路徑,使控制系統充電,或是有額外控制繼電器,可提供電源給AUX輔助電源。由於安全考慮,其繼電器都是不通時會閉合的。因為安全考量,這些的繼電器都是常開型的繼電器[71][72]

電池包中也可能有許多溫度、電壓及電流感測器。從感測器蒐集資料,以及驅動電池包中的繼電器,都是用電池管理單元(BMU)或电池管理系统(BMS)處理。BMS也負責和電池以外的其他車輛單元進行通訊[71]

充電编辑

電動車的電池必須定期充電。充電的電力來源多半是輸電網路(在家中充電,或是用路邊或是停車場的充电桩),電力可能是由其他的能源所轉換,例如火力發電廠水力發電核動力燃氣發電等。不論是家庭用電或是輸電網路的能源,也有可能是來自太阳能光伏風能或是微水力發電英语Micro hydro,這些發電方式的好處是可以減少全球变暖的效應。

若有適當的電力來源,電池在充電速率適當,一小時內充電量低於其電量的一半(0.5 C),電池可以維持較長的壽命[73],因此電池充滿的時間最好是二個小時以上,不過就算是較大電量的電池,也可用快速充電的方式充電[74]

家庭充電的充電時間會受到家用交流電源插頭與插座的輸出功率限制,除非有特殊的電力配線有可能有較大的電力。美國、日本以及其他家用電壓是110V的國家,一般家用插頭的輸出功率是1.5kW。若是像歐洲,家用電壓是230 V的國家,可以提供7到14 kW的電力,(單相及三相 230 V/400V,400V是相間電壓)。在歐洲,400 V(三相230V)的電網越來越普及,這是歐洲新住宅因為安全規定不會有天然氣管線,因此需要的電力也就比較大。

充電時間编辑

特斯拉Model SRenault Zoe英语Renault Zoe宝马i3等電動車,可以在快速充電站內30分鐘將電充到80%[75][76][77][78]。例如Tesla Model 3 Long Range若是用250 kW的Tesla Version 3 Supercharger充電,電量從2%開始充電,對應里程6英里(9.7 km)),可以在27分鐘內充電到80%,對應里程240英里(390 km)),相當於充電一小時後可以行駛520英里(840公里)[79]

連接器编辑

充電設備可以用二種方式進行充電。一種是直接用導體連接充電設備和電動車,稱為傳導式耦合英语conductive coupling,此作法可以簡單到像將有市電的插頭接到防水的插座中,電線是可承受高電流的導線,且接頭有絕緣,避免使用者誤觸高壓電。現在的有線充電標準有美國的SAE J1772(IEC 62196,第一類)。歐洲汽車製造業協會英语European Automobile Manufacturers Association(ACEA)選擇了VDE-AR-E 2623-2-2英语VDE-AR-E 2623-2-2(IEC 62196,第二類)。

另一種作法是無線充電。會將無線充電座放在車的特定位置,充電座中有变压器,車的特定位置也有變壓器。無線充電座置入後形成封閉的磁路,因此可以提供電力和電池組。有一種無線充電系統[80]是將一個繞組放在車的下方,其他的則在車庫的地上。無線充電的好處是沒有裸露的導體,因此沒有電擊傷的風險(不過有線充電配合互鎖機制,特殊的連接器以及接地漏电保护插座,安全程度也相近)。無線充電將部份充電元件放在車外,因此可以減輕車重[81]。在一份豐田汽車提出的無線充電資料中,他們指出無線充電和有線充電的總成本差異不大,不過在福特汽車提出的有線充電資料中,有線充電比較有成本優勢[81]

充電設備编辑

截至2020年4月年 (2020年4月-Missing required parameter 1=month!),全世界有93,439個地方有充電站,共有178,381個充電椿[82]

充電前可以行駛的里程编辑

電動車可以行駛的里程和使用電池的種類及數量有關。車輛的車型及重量,以及地形、天氣及駕駛者的省油技術會影響傳統內燃車車輛的行駛里程,也會影響電動車的行駛里程。電動汽車能量轉換的性能也會受到許多因素影響,包括電池的化學:

  • 鉛酸電池是最普遍以及最便宜的電池,每顆大約可以對應里程30至80公里(20至50英里)。使用鉛酸電池的電動車每次充電最多可行駛到130公里(80英里)。
  • 镍氢电池的比能比鉛酸電池要高。原型的電動車可以行駛到200公里(120英里)。
  • 使用新生產锂离子电池的電動車,每次充電可以行駛到320–480公里(200–300英里)[83]。锂的價格也比镍要便宜[84]
  • 鎳鋅電池英语Nickel-zinc battery的價格較鎳鎘電池低,重量也比較輕。鎳鋅電池也比锂离子电池便宜,但重量比較重[85]

有些電池在低溫時,其内阻會顯著上昇[86],因此會造成電動車里程的顯著降低,電池壽命也會明顯減少。

對電動車的製造商而言,如何在里程及性能、電池電量以及重量、電池種類及價格之間取捨,是非常困難的問題。

配合交流系統或是進階的直流系統,再生制動將能量再儲存回電池,可以在沒有完全停車的極端條件下,延長50%的里程。若是在都市駕駛,可以延長10%至15%的里程,在高速駕駛下,延長里程很短,幾乎可忽略。

電池電動車(包括公車及卡車)若在特殊情形下,希望充電後有較長的行駛里程,但平時只要短程行駛,又不希望因此增加車重,可以加掛拖車發電機英语genset trailer動力拖車英语pusher trailer。已放電的拖車可以在路途中更換為充飽電的拖車。

有些電動車可能可以搭配內燃機拖車,變成混合動力車輛

電池拖車编辑

電動車也可以加裝電池拖車(trailer),上面有額外的電池組可以供電,此作法可提昇整體的行駛距離,但也會增加阻力造成的損失,增加重量轉移英语weight transfer效果,減少循跡性英语Traction (engineering)能力。.

電池交換以及移除電池编辑

另一種取代充電的方式是將沒有電(或幾乎沒有電)的電池換成已充飽電的電池。這稱為電池交換,也簡稱為換電,一般也會有專門的設備(換電站),可以取下設備中已充飽電的電池,換為車上沒有電的電池[87]。台灣的Gogoro機車估計在2020年會有將近二千座換電站[88]

換電站的好處有[89]

  1. 顧客不需考慮電池的成本、壽命、技術、保養以及保固問題
  2. 換電池比充電要快,Better Place公司開發的電池更換設備,自動換電池只需要60秒[90]
  3. 換電站可以增加電網中的分散式能源儲存。

換電站的缺點有:

  1. 詐騙的風險(電池品質需要透過一個完整的放電週期才能得知。電池壽命需要透過反覆的充放電才能知道。換電站除非有電池的充放電資訊,很難知道收到的電池是否有損壞,品質及效能情形,而且電池的品質會隨時間而變差,因此系統中品質不好的電池可能會日漸增加。)
  2. 製造商沒有意願將電動車電池取得及實現的細節標準化[91],因此不太容易出現跨廠牌的電池換電站。
  3. 安全考量[91]
  4. 換電站需將舊電池取出,再換上新電池,若電池重量或體積較大,又沒有自動化設備,不太容易進行。

重新裝填编辑

鋅-溴電池英语Zinc–bromine battery可以用加入液體的方式增加電力,不需透過連接器充電,可以節省時間。

電動車電池的生命週期编辑

接近生命週期尾聲電池的再利用编辑

電動車電池的生命週期若已接近尾聲(其充放電能力已經減退,不適合電動車供電用)可以用在其他的應用中英语Downcycling,例如公車的電池組、大樓的備用電源、家庭備用電源英语home energy storage、太陽能發電或是風力發電機的供電穩定裝置、電信中心以及資料中心的備用電源、叉車供電、電動摩托車以及電單車的電源等[92][93][94][95]。電動車電池的降級回收再使用需要專門的逆向物流。Alexander Kupfer在奧迪汽車負責可持續產品管理以及循環經濟,曾提到需要開發「共用的接口介面,讓固定式的能源管理系統可以控制電動車的電池。」這類的介面可可以提供儲存管理系統通訊的介面,不受電池廠牌的影響。需要和電源儲存設備的供應商共同開發此一介面。

太平洋瓦電公司(PG&E)曾建議電力公司可以購買用過的電動車電池,作為電源備援以及負載調控用。他們提到這些電池可能不適合用在電動車上,但殘餘電量仍有相當的量[來源請求]

使用年限编辑

電動車電池在應用時,會用數個電池,依需求的電壓安培小時組成電池組,提供所需要的能量。電動車的車池會慢慢老化,有可能會需要更換,在考慮電動車主的延伸成本英语extended cost時,需要考慮其使用年限英语service life。其老化速率和很多因素有關。

電池放電深度英语depth of discharge是電池在可以達到其額定充放電週期的條件下,建議放電的比例。深周期鉛酸電池的放電深度建議不要超過20%。

在實際應用中,有使用镍氢电池Toyota RAV4 EV英语Toyota RAV4 EV,已行駛超過100,000英里(160,000公里),電池的老化不太明顯[96]

和镍氢电池比較,鋰離子電池比較脆弱,就算沒有使用,其儲電能力也會漸漸減退。镍氢电池的儲電能力不太容易降低,考慮儲電能力,其價格較相關儲電能力的鋰離子電池便宜,但重量較重。

依照供應商的資訊,磷酸铁锂电池在放電深度到70%時,仍可以充放電5000個週期以上[97]。比亞迪是全世界最大的磷酸铁锂电池電池製造商,已開發了許多針對深週期應用的電池。這類電池有用在電池儲能電站英语Battery storage power station中。在充放電7500個周期,放電深度85%的條件下,在放電率為1 C的條件下,其容量仍有80%,若每天充放電一次,充放電7500個周期約可以對應20.5年。

回收编辑

電動車電池到了其生命週期的末端時,可以再用在其他應用中,也可以回收。隨著國際電動車市場的成長,美國能源部已經有研究計劃在研究如何回收用過的電動車鋰離子電池。目前在研究中的回收方式有:火法冶金(還原為元素)、水法治金(還原至組成金屬)及直接回收法(在維持原始材料結構的情形下,重新建立其電化學的特性)[98]

汽車對電網编辑

智慧電網讓電動車也可以提供能量給供電網路(汽車對電網、Vehicle-to-grid、簡稱V2G)、所在大樓(車輛對大樓供電、vehicle-to-building、簡稱V2B)或家庭(車輛對家庭的供電、Vehicle-to-home、簡稱V2H),尤其是在以下的情境:

  • 用電尖峰英语peak load時。此時的電價會比較貴。電動車可以在此時供電給電網,在離峰電費較便宜時再將電動車充電。電動車就類似分散式的備用儲能系統。
  • 停電時,電動車可作為家中備用電力的來源。.

安全性编辑

純電動車的安全議題大部份在國際標準化組織的ISO 6469標準中有規範[99]。該標準分為三個部份:

  • 車上的電能儲存(電池)
  • 機能安全的作法以及避免失效的防護
  • 保護人員不會受到電力相關的危害

消防員及救難人員在面對電動車或是油電混合車的事故時,由於其高電壓以及其化學物質特性,需要額外的訓練。純電動車的事故可能會出現一些其他車禍不會出現的問題,例如因為電池快速放電產生的火焰以及煙,不過很多專家同意一般已上市的純電動車是安全的,在後端碰撞時也是安全的,相較於油箱在後方的燃油車而言,電動車比較安全[100]

性能測試编辑

電動車電池的性能測試一般會包括以下幾項:

性能測試會依車商(OEM)指定的條件,模擬純電動車、油電混合車以及插電油電混合車的負載變化,測試電動車電池的性能。測試時,也會將電池依其要求條件進行冷卻,再控制其車內的環境溫度。

也有些測試會用可控制溫度、濕度的測試chamber,在測試時模擬環境條件,並且可以模擬溫度以及環境條件的變化。

專利编辑

電動車電池的专利有可能用來抑制電動車電池的開發。例如,有關在車內使用鎳氫電池的專利是由傳統燃油車公司雪佛龍旗下的分公司所有,對於任何想要購買或是授權鎳氫電池專利的公司都一律反對[101][102]

相關研究编辑

到2019年12月為止,全世界已有上千億美元的研究計劃要提昇電池的性能[103][104]

歐洲在電動車電池的開發和生產上有大量的投資,印尼也計劃在2023年生產電池,邀請中華人民共和國格林美股份有限公司(GEM)以及宁德时代新能源參與投資[105][106][107][108]

双电层电容器编辑

有些車輛會使用双电层电容器(也稱為超級電容器)作為動力來源之一,例如AFS Trinity的概念車。因為其比功率大,可以快速儲存需要的能量,可以讓電池維持在安全的電阻發熱範圍內,也可以延長電池壽命[109][110]

目前已販售的双电层电容器比能較低,目前在已量產的電動車中,沒有任何一款電動車用双电层电容器作為唯一的能量來源。

特斯拉的CEO伊隆·马斯克在2020年1月提到:由於鋰離子電池的進步,電動車已不需要使用双电层电容器[111]

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