纯电动汽车

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纯电动汽车,又稱純電動車电瓶车英語:Battery Electric Vehicle,缩写:BEV),是指以蓄電池供電給電動機,由電動機推動行走的車輛,而電池的電量由外部電源補充[2],媒體常簡稱作「電動車」,故常與其他以電力推動的車輛(如無軌電車)混淆。

日產聆風,至2012年二月是全球銷售量最高的純電動車,總銷售量高於22,000架[1]
第三代Smart ED英语Smart ED

纯电动汽车自身不排放廢氣,因此不會污染行經路面周遭的空氣[3][4][5]。電動馬達在低速及加速的能力及能量效率十分傑出,因此纯电动汽车應用在走走停停頻繁的工作車輛(巴士、垃圾車高扭力需求的車輛等)可以提高效率。燃油汽車在停車時引擎仍然需要怠速轉動以免熄火,如此就把燃料白白浪費掉,同時產生不必要的碳排放、污染,相比之下纯电动汽车在停車時電動機完全靜止,避免了不必要的能量消耗,而且在制動及下坡時可以回收動能以回充電池,充份善用能量之餘也不會產生煞車的廢熱,同時避免零件損耗,也不需要任何保養,即使是私人電動車,在交通擁擠的都市也有減少浪費、環境控制的效果。

但電動車也會產生污染及碳排放,纯电动汽车的排碳主要在其生產過程,特別是電池的製造過程,碳排量比起燃油汽車的製造過程多很多;產生電力給純電用車充電也產生相當碳排放,排碳量視發電方式而有所不同。在整個纯电动汽车的生命週期,包括製造、供電及棄置後的處理等,車所產生的碳排放不一定比燃油汽車少,這要視乎供電給纯电动汽车充電的電源碳排放量多少而定,例如高效率的石化發電(因為內燃機效率常低於25%,採用發電廠渦輪則能換率就能達到60%)或是水力(例如北歐的挪威80%利用水力發電)、風能(例如荷蘭的鐵路多數為風能驅動)以及太陽能(光電成本已經大幅下探[6])等再生能源來協助降低碳排放,所以若想利用纯电动汽车達到減少排碳量,就必需配合採用潔淨能源發電的产业结构。[7]

原理编辑

纯电动汽车以蓄電池為車輛提供電力給電動機,電動機把電能轉化為動能,推動車輛[2],結構上非常簡單,電池模組一般配置在底盤,側撞車輛重心比較低,也會加強提高安全性。特別是電動機在2萬轉內都能有效提供扭力,只需要結構可靠的單速變速箱傳遞,方式可以是像傳統車輛般經差速器傳動到車輪,較新的作法是每個推動輪各自有一個電動機,電動機則直接推動車輪,更省減了差速器與驅動系統,保養車輛的工作與成本可以極大的減少。在電動機通常除用作推動車輛外在剎車時也充作再生制動系統的能量轉換器,把車輛的動能回收轉化為電能重新蓄存放電池中,而汽油車只能將其動能在煞車上摩擦浪費掉變成廢熱。因為電動車所使用的電池是蓄電池[2]把能量存於車上,相等於一般汽車的油箱,在電力用盡後也經由車外輸入電源把電池充電,一般來說最好在夜間返家後,接入離峰電力,隔天一早上滿了就可以出發,至停車位再行駐車充電(或稱目的地充電)。若是長途行車則利用快速充電服務或換電服務,通常設於公路服務區或沿路城市中的站點。

電池编辑

 
第二代Prius鎳氫電池
 
50 Whr/kg 鋰離子聚合物電池樣版。新鋰離子電池能提供130 Wh/kg並有數千次充放電次數。
 
新研發出的鈦酸鋰電池SCiB,在6分鐘內可以充至80%滿,而且長壽,但成本相當高。

電池性能決定了纯电动汽车的最大行程、充電時間。電池成本佔了整體成本相當大的比重[8][9],制造電池的排碳量也佔了整個使用週期排碳量相當大部份(43%)。所以電池是纯电动汽车發展的最重要的技術關鍵,重要的電池性能參數有:

  1. 電池容量
    這取決於制造電池物質的能量密度,能量密度可以指在一定體積或重量下的儲存能量的多少,在纯电动汽车中,一般較關注的是重量能量密度(Wh/kg),因為重量越大,車輛加速等情況消耗的能量越高。而當外來因素如上坡等需要增大輸出功率時,會使電池容量會變小,使得行駛距離比標稱預期的短。電池容量影響二次充電之間最遠的行駛距離,在合理體積及重量下現今的電池還未能提供纯电动汽车及得上一般汽車的行程。

  2. 充電時間
    近年電池技術在充電速度上有突破性進展,一般充電大約需時3至4個小時,某些種類的電池使用專用充電設施的話可以在半小時內充完80%,理論上的未來的電池可在8分鐘充至充滿。新技術使電池能在十數分鐘完成充電,但較慢速的充電方式相對地有利延長電池壽命,部份新研發的電池能令快速充電對壽命的影響降低,而快速充電能力帶來的另一好處是能更有效地在再生制動時,如剎車、落斜時回收並儲起在車輛的動能或位能,能增加實質行駛距離。

  3. 電池壽命
    一般的充電電池只能充放電數百次,之後電量就會步入衰減,對纯电动汽车來說,續航350公里的車款循環1000次,即僅駕駛30萬公里之後電池老化,顯然並不足夠耐用,所以使用在纯电动汽车的電池都針對電池壽命作出改進。影響電池壽命的因素除制造電池的物質及電極外,同一電池在不同使用條件下,電池壽命也有不同。在不同的電量狀態下,以不同的電流充電或放電會對電池壽命有不同影響;放電低於某一水平及充電至高於另一水平都會對電池壽命有損害,也即在剩餘電量不太高也不太低的一個"窗口"內充放電才不至損害電池壽命,而且這個窗口的大小會因放電電流或充電電流的變化而改變,基於這個原因,Tesla讓用家可自行設定充電至在未完全滿的較低容量時就停充,以延長電池壽命。[10]混合動力車上在需要時可以即時由發電機向電池充電,使電池保持在理想電量之內,大幅延長電池壽命,有些型號的電池大多可使用超過10年。但在纯电动汽车上不可能在電池需要充電時就馬上有充電用的電源,而電動車本身的行程就已不太足夠,要預留一部份電量有用就變相減少電池可用電量。所以制造商在增加電池容量的同時,也研究如何增加不會損害電池壽命的電量範圍。此外,工作溫度影響著電池的能量轉換效率,電池能量轉換效率提升,充一次電能行走更遠距離,相同距離的充電次就可以減少,因此也同時影響電池壽命,過熱過冷也會影響電池的能量轉換效率,在極端的低溫情況,電池效率可低至原有的50%。[11]日產汽車是第一家生產產對電池提供有限保養,若電池在5年內或行走少於60,000里後容量少於70%,廠方將提供全新或翻修電池替換。[12]Tesla沒有提供類似保證,但整體上Tesla的纯电动汽车電池壽命比預期好,Roadster預期5年後或行走50,000里後電池容量會剩下70%,而根據一美國組織Plug In America研究,在2013年(也即Roadster投入市場5年後)根據126輛Roadster的數據,在平均行走了100,000里後電池容量仍然有80-85%。Model S的數據也理想,根據84輛Model S的數據,在行走了30,000里後電池容量仍有95%,而當行走到50,000里後更有94%,以此推算,行走100,000里後應可有92%。[10]

現今纯电动汽车所使用的電池有鎳氫電池鋰離子電池[2],兩種電池都可以回收再用做儲能等用途,報廢也可以提煉出回收金屬。

  • 鎳氫電池(Ni-MH battery)是指以鎳及能吸收儲存、释放氫離子的金屬組成的電池。鎳氫電池較重,能量密度(30-80 Wh/kg),比鉛酸電池高,比鋰離子電池低。但輸出功率較低,而充放電效率也不及鋰離子電池,只有60-70%[13]。壽命相當長,這在混合動力車上已得到證實。自放電較大及在低溫下性能較差的問題在近年已大為改進。雖然成本較鋰離子電池低,但由於效率低、較重及充電需時,新的纯电动汽车大多不再使用鎳氫電池。
  • 鋰離子電池(Li-ion battery)是以鋰及其他物質組成的電池。鋰離子電池較輕,能量密度高達(200+ Wh/kg)[14],輸出功率較高,充放電效率高達80-90%,而自放電較鎳氫細少,但價格較鎳氫高。但一般手提電腦手提電話用的鋰離子電池只有數百次的充放電壽命,即使儲存不使用,隨時間增加容量也會衰減,而且有潛在危險,例如爆炸等[15]。而使用在纯电动汽车的鋰離子電池有別於上述一般鋰離子電池,大幅改充放電次數、存放壽命等問題,缺點是是容量較一般鋰電池略小(但仍比鎳氫電池大[14])。

現在適合並已用於纯电动汽车的鋰電池有磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池

  • 磷酸鐵鋰電池,相對一般鋰離子電池,磷酸鐵鋰電池輸功率較大,充電速度較快,但容量低14%、低溫性能也較差。磷酸鐵鋰電池可有數千次的充放電次數及超過十年的使用期,有的更可以達7000次以上的充放電週期[16],而且有較佳的化學及熱穩定性,不會爆炸,較為安全。
  • 鈦酸鋰電池,相對一般鋰離子電池,輸出功率較大,安全性比鋰鐵電池高[17],充電速度極高,壽命相當長,但容量有待改進而且成本特別高。

現時有兩間公司研發鋰鈦電池:

  • 日本東芝研發的鋰鈦電池SCiB,20Ah電池在4000次1C充放電後仍有80%的容量,5000次後也有75%以上[18],4.5Ah版本更達6000次10C充15A放電後仍有超過80%,只需6分鐘就能充滿80%容量,除減小等候充電的時間外,也帶來另一重要好處,能極快速充電,配合適當的再生制動系統便能更好地回收車輛行走時的動能及位能,增加行走里程,廠商公報因此鈦酸鋰電池可以以同樣容量走多1.7倍路程[19]。另一特點就是可以在相當闊的溫度範圍使用(-30℃至55℃)。三菱重工i-MiEV英语i-MiEV在2011年六月宣布將會改用這款電池,本田飛度Fit EV也是採用SCiB。
  • 另外鋰酸鈦電池為Altairnano英语Altairnano的Nanosafe電池,可在充放電15000次,12年後仍保有80%的容量。

由於鋰離子電池優點多,很多新研究都基於鋰離子電池;其他相關的研究有lithium-manganese spinel batteries[20]、Lithium vanadium oxide、Silicon nanowire[21][22]、silicon nanoparticles[23]及tin nanoparticles[24][25]

電動機编辑

左:FCX Clarity後輪的輪轂電動機,右:Colt EV概念車上的輪轂電動機。

由於電動機(馬達)的功率重量比內燃機引擎高,在同樣動力輸出下重量較輕,而且扭力穩定,沒有內燃機引擎在轉速低時扭力大幅下降的缺點。一般汽油引擎的效率只有15%(即所消耗汽油有85%被浪費掉,只有15%用作推動汽車),而柴油引擎略好一點,有20%,而電動車用的電動機則有80%以上,效率比內燃機引擎高很多。

由於電動機的扭力穩定而且較內燃機大,可以不靠齒輪增強扭力就足以直接推動車輪。有些純設計每個車輪都由獨立的電動機推動,電動機放近車輪,每個電動機可以個別調整速度,以保持良好的循跡性能,免卻了離合器變速器差速器等機械傳動系統的能量損耗,減輕了車身重量,減低了噪音及震蕩,也省卻了部份機械維護工作,增加了可靠性,而且讓出更多車箱空間,讓車廂內的空間佈局更理想[26]。由於電動機體積小,某些設計直接把電動機裝在車輪之內,這種設計叫輪轂電動機英语Wheel hub motor或輪內電動機。

使用在纯电动汽车的電動機有多種,大致分為交流電動機直流電動機

交流電動機方面則有交流感應電動機,或是有永久磁鐵的永磁同步馬達。由於電池輸出的是直流電,電供電給交流電動機就需要轉換器把直流轉成交流,設計較複雜,效率也較低。但交流感應電動機有較高的扭力,早期特斯拉的電動車就是採用三相四極的交流感應電動機。

直流電動機方面有傳統的串聯直流無刷電動機,效率約有85-90%,最高紀錄達96%[27],另由步進馬達衍生出來的開關式磁阻電動機-SRM)。 這些電動機全部都是無刷設計,其成本較高,但效率較也較高,且較耐用及所需保養較少。直流無刷電動機及永磁同步馬達需要使用永久磁鐵,當中直流無碳刷電動機的推動相對較簡單。

特斯拉較新的設計用上了新研發的PMSRM(永磁同步磁阻電動機),首次使用在Model 3的AWD版本中用作推動後輪,而前輪則沿用交流的异步电动机,接著,在2019年後生產的modle Smode X 也會在前輪使用PMSRM。PMSRM使用永久磁鐵是一種永磁馬達,部份磁場由永久磁鐵提供,而不是需要耗電的電磁體,因此效率較高、較省電,使用PMSRM的Mode 3 效率可達97%,相比未轉用PMSRM的 Model S 及 Model X 只有93%[28]

電動機輸出控制编辑

纯电动汽车的行駛速度及輸出扭力控制有多種模式,視乎所用電動機種類而定,包括有直流脈衝寬度調變, 而交流的有頻率調變或電壓調變等,這些方法都是直接改變輸入功率。

再生制動编辑

車輛行駛時蓄有動能,是燃油經引擎轉化得來的。一般內燃機引擎車輛在剎車時為使車輛停下來,靠摩擦力把動能傳化為熱能,白白浪費了這些能量。包括纯电动汽车在內的電動車則可以把這些能量回收後存放回電池上,叫作再生制動。原理是轉動中的車輪帶動發電機,把動能轉回電能後蓄入電池。再生制動也可以用在下坡時,等同把上斜路時積聚的位能蓄回電池。一般會用電動機當作發電機,而回收能量的效率約小於20%。

性能编辑

Tesla model s使用鋰離子電池充一次電可行大約400km,加速由0至100km/hour(公里/小時)只需3秒。

現今的纯电动汽车性能在多方面都相當不錯,跑車方面,Tesla model s,加速由0至100公里/小時只需3秒,一般房車例如Smart ED英语Smart ED0至50km/h是6.5秒,這主要歸功於電動機的性能,但當用在負重較大的用途上時,使用纯电动汽车的還不多,這可能是由於電池的性能及成本所致。在扭力方面是電動機的強項,因此在一般的用途扭力不會是問題。

至於極速,很多纯电动汽车都能達至100km/h以上,像Tesla Roadster一類跑車更達到200km/h以上。

由於電動機的扭力輸出穩定,控制也比內燃機容易,纯电动汽车的行駛較暢順,震動及噪聲也較小[29];也不需如一般汽車那樣需要經常换档才能確保有足夠動力。例如Tesla Roadster由靜止到極速只需轉一次檔。

行駛距離编辑

 
日产聆风的電池組

纯电动汽车的最大行駛距離一向都未如理想,這完全取決於電池的技術及成本。另外由於路面、交通情況、溫度、負重等多種因素都會令電池的效率、容量有變化,行駛距離不可能準確地掌握。因此需要有在不同路面情況下行駛距離的測試準則,在各地區都有自己的纯电动汽车行程距離測試標準,而也有分為一般行走距離與市區行走距離。美國的標準由美國國家環境保護局定立(EPA標準)。

Tesla Roadster充一次電可行320km在當時是相當少有的例子,Model S更可達426km。因為溫度對電池容量有相當影響,Tesla為確保電池在貼近理想溫度下運作,設計了一套電池溫度控制系統,該系統能利用電動機的廢熱在需要時為電池加熱。[11]其他的型號則差很多,一般現在生產中的型號為多於100至200km/h,例如Mini E英语Mini E就只有240km。整體來說,現今的纯电动汽车的行程未及得上一般汽車。

加速性能编辑

纯电动汽车的加速性能取決於電池的放電功率大小。早期電動車給人速度不快的印象,但現時纯电动汽车的加速性能已經與一般汽車無異,甚至遠優於引擎,部分性能版本僅需1秒多即可從靜止狀態瞬間加速至100公里以上[30]

充電時間编辑

 
日产聆风使用的Level 2充電站
 
歐洲的公用充電站標誌
 
舊金山的公共充電站
 
洛杉磯國際機場附近停車場的公用充電站中兩舊款(6kW level2)EVSE英语Charging station(左:感應式Magne-charge gen2 SPI,右:接觸式EVII ICS-200 AVCON.
 
一部REVAi/G-Wiz i英语REVAi在倫敦街頭充電

理論上,纯电动汽车的電池能在極短時間內充滿(10分鐘內),但快速充電代價是該次充電所得的電量較少,該次的行駛距離會明顯減少,對電池壽命也有不利影響。另一個限制是現時纯电动汽车的充電時間多是受制於輸電網路的輸出功率,如果使用普通插座充電,例如北美國家最大是1.5kW(110V),3kW(240V),歐洲國家多數能夠提供三相電源,可以有20~30kW,充電時間約為7-20小時,僅能滿足日常所需。

如用專用充電配套(50+ kW),則可以有10分鐘至4個鐘頭的直流快充,甚至5分鐘充電100km[31]Mitsubishi i-MiEV英语Mitsubishi i-MiEV就可以在30分鐘內充電達80%電量。視乎電池種類大小而定。對於部份使用場合,中等的充電速度(50~75kW,城市超充)已經相當足夠,因為纯电动汽车不一定到充電站才可以充電,只要停泊處有輸電網路能及並略為加建配套就能為纯电动汽车充電,使用者可以在到達目的地後開始充電,離開時車子已經充了一段時間電。[32]

有別於一般汽車的入油情況,充電所需時間與電池容量關係不大,因為同一物料的電池,容量大的,充電電流也可相對應加大。

更換電池编辑

除充電外,也有直接換上已充滿的電池,只要設計得宜,只要一兩分鐘就可以完成,但電池成本相對高。用換電池方式的話,除非能制訂固定標準,否則各款車所需電池也不同,若自行多買一兩組則成本很高,若由政府或廠商提供則難以同時在各處存放足夠多款電池。而對汽車及更大型的車輛而言,電池體積同重量也不小,要常更換也不是好主意,而且能快速更換電池的設計很難以低成本兼顧安全性。因此目前更換電池的設計只有機車有實用性。

里程焦慮编辑

里程焦慮一詞是源自於纯电动汽车的問題,因為電池剩餘容量不能準確得知,所以當電池電量顯示讀數低時,駕駛者不能足夠精確地掌握餘下電量足以行走多遠。

碳排放量及環境污染编辑

纯电动汽车同樣會產生碳排放及污染,不同的是纯电动汽车把污染及排碳轉移到生產的工廠及發電廠,污染排放位置較遠離人口,也有較好的污染控制可以降低整體空氣污染。一般而言,電動車的能源效率較高(「大型發電廠+電力傳輸損耗+充電損耗」是優於「小型內燃機+變速箱損耗」),而且發電廠的排碳量視乎發電方式而有很大差別,例如若使用燃煤發電,纯电动汽车的碳排放會比混合動力車還高。因此纯电动汽车的碳排放不一定較低,這非常取決於所使用的發電方式;纯电动汽车會被強力推廣的原因是希望提高都會區的空氣品質(使用燃煤發電的電動車無法降低溫室氣體排放、但仍可大幅降低其他空氣污染排放)。

雖然多數燃煤發電廠在離峰時間的效率較低、此時增加負載所增加的碳排放及污染物都很少,離峰時間充電則碳排放相對較小,但也要考慮燃煤發電本身是就是碳排放最高的發電方式,而且離峰時間充電對有里程焦慮的纯电动汽车來說也較難實行。

碳排放量编辑

電動車的碳排放量有兩個源頭,一是車輛的生產過程,二是行駛時需要發電廠提供電力,根據英國的一個報導[7],以英國的情況:每度電產生500g二氧化碳(500g/kWh)及10%的汽油是生質燃料下,整個產品生命週期,包括生產、使用過程及棄置,各類車輛所產生的二氧化碳如下:

總排碳量估算值(噸) 生產過程排碳量比例 生產過程排碳量(噸,估算值)
一般汽油內燃機的汽車: 24 23% 5.6
油電混合動力 21 31% 6.5
插電式混合動力車 19 35% 6.7
纯电动汽车: 19 46% 8.8

纯电动汽车產生的二氧化碳是一般汽車的79%,而混合動力車則是87.5%,但若是在發電結構以燃煤發電為主的情況,例如在中國(可再生能源只佔20%),纯电动汽车的碳排碳量會比混合動力車還高,即使以水力和風力發電為主,例如挪威,纯电动汽车會有略為較佳的碳排放[33]

然而,相關的論述沒有提及如果將燃油在運輸過程中的耗能納入考量(例如將汽油透過管線或油罐車運輸至加油站的過程中之耗能),纯电动汽车與混合動力車的單位里程碳排放量誰高誰低仍然不易直接導出結論。

另一個纯电动汽车的二氧化碳來源是電池,制造電池時產生的二氧化碳佔了整個生產程序的43%。

所以,纯电动汽车若要真正能有助減低碳排放量就要以下四點配合:

  1. 增加可再生能源在當地的發電量佔的比重,及發電設施的發電效率,以減小發電過程產生的二氧化碳。
  2. 降低輸電網路的能量損耗。
  3. 在離峰時間充電的碳排放會比在尖峰時間充電還要低。
  4. 改善電池生產技術,以減小生產時產生的二氧化碳。

使用情況编辑

礙於電池技術,部份電動車車速有限,因此以Neighborhood Electric Vehicle英语Neighborhood Electric Vehicle(NEV)的規格出售,符合美國運輸法例low-speed vehicle英语low-speed vehicle(LSV)的速度限制(40km/h)[34]。車速略為高的則以City speed的規格(60-100km/h)出售。 至於性能及得上一般內燃機引擎(Highway capable)的纯电动汽车,則在近幾年開始在市面出售,有小量能達到跑車規格,商用方面,第一條以純電動巴士行走的巴士線服務在南韓營運,使用由現代重工集團研發,使用Hankuk Fiber的碳纖維複合材料減輕車身重量。[35][36]

相關條目编辑

外部連結编辑

參考資料编辑

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