純電動車

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日產的Leaf,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
電動機車

純電動車,又稱电瓶车電池電動車英语Battery Electric Vehicle,缩写:BEV),是指以事前已充滿電的蓄電池(大容量电瓶)供電給電動機,由電動機推動的車輛,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(如無軌電車电动自行车)混淆。由於不會在路面排放廢氣,因此不會污染路面的空氣[3][4][5],但這不代表電動車必定不會產生污染或排碳,在產生電力給純電用車的過程中,視發電方式而會有不同程度的污染及碳排放;在製造過程,純電動車產生的碳排放量也較多[6]

歷史[编辑]

原理[编辑]

純電動車以蓄電池把能量存於車上,相等於一般汽車的油箱,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。

電車所使用的電池是蓄電池[2],在電力用盡後經由車外輸入電源把電池充電。電動機推動車輪的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,省減了差速器。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蓄存放電池中。不同於一般汽車,純電動在停下來時電動機是完全停下,完全不消耗能量。

電池[编辑]

第二代Prius鎳氫電池
75 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。

電池性能決定了純電動車的最大行程、充電時間。電池成本佔了整體成本相當大的比重[7][8],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%)。所以電池是純電動車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,在純電動車中,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純電動車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15-20分鐘內充完滿,快將實化的新電池可在8分鐘充至80%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
    一般的充電池只能充放電數百次,對純電動車來說並不足夠,所以使用在純電動車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(即剩餘電量,State of charge—SOC)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,但是這個窗口的大小會因放電電流或充電電流的變化而改變。在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。但在純電動車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。

現今純電動車所使用的電池有鎳氫電池Ni-MH)或鋰離子電池Li-ion battery[2],兩種電池都可以回收再用。

  • 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%[9]。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,新的純電動車大多不再使用鎳氫電池。使用鎳氫電池的純電動車的例子有豐田的RAV4 EV。
  • 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)[10],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[11]。而使用在純電動車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[12])。

現在適合並已用於純電動車的鋰電池有磷酸鋰鐵電池及鈦酸鋰電池

  • 磷酸鋰鐵電池,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%。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[13],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,較安全[14],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[15],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[16]。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[17]、Lithium vanadium oxide、Silicon nanowire[18][19]、silicon nanoparticles[20]及tin nanoparticles[21][22]

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,在同樣輸出動力下重量較輕,而且扭力穩定得多,沒有內燃機引擎在轉速低時扭力低的缺點。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%,電動車用的電動機則有80%以上,效率非常高。

現在使用在純電動車有多種電動機,有直流電動機,也有交流電動機。直流電動機方面一般是串聯直流無刷電動機,效率約有85-90%,最高紀錄達96%[23]。另外有由步進馬達衍生出來的開關式磁阻電動機Switched reluctance motor-SRM)。
交流電動機方面則有交流無碳刷電動機電感電動機(非同步電動機)。由於電池輸出的是直流電,需要轉換器把直流轉成交流後才供應給交流電動機,設計較複雜。

這些電動機全部都是無刷設計,的無刷設計成本較高,但效率較高,且較耐用及所需保養較少。直流無刷電動機及交流無碳刷電動機需要使用永久磁鐵,當中直流無碳刷電動機的推動相對較簡單。

由於電動機的扭力穩定而且較內燃機大,可以不經齒輪增強扭力就直接推動車輪。有些純設計在每個車輪都有獨立的電動機推動,電動機放近並直接推動車輪每個電動機,因而可以個別調整速度,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。

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Wheel hub motor)或輪內電動機。

電動機輸出控制[编辑]

純電動車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PWM), 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。包括純電動車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 Roadster使用鋰離子電池充一次電可行393km,加速由0至97km/hour(公里/小時)只需3.9秒。

現今的純電動車性能在多方面都相當不錯,跑車方面,Tesla Roadster,加速由0至97公里/小時只需3.9秒,一般房車例如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,使用純電動車的還不多,這可能是由於電池的性能及成本所至。在扭力方面是電動機的強項,因此在一般用途扭力不會的是問題。

至於極速,很多純電動車都能達至100km/h以上,像Tesla Roadster一類跑車更達到200km/h以上!而且只需轉一次檔。

由於電動機的扭力輸出穩定,控制也比內燃機容易,純電動車的行駛較暢順,震動及噪聲也較小[24];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]

Nissan Leaf的電池組

純電動車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,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純電動車行程距離測試標準,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是相當少有的例子,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就只有240km。總的來說,現今的純電動車的行程未及得上一般汽車。

加速性能[编辑]

純電動車的加速性能取決於電池的放電功率大小。現時純電動車的加速性能已經與一般汽車無異,甚至較優。

充電時間[编辑]

Nissan Leaf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(左:感應式Magne-charge gen2 SPI,右:接觸式EVII ICS-200 AVCON.
一部REVAi/G-Wiz i在倫敦街頭充電

理論上,純電動車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[25],該次的行駛距離會明顯減少,對電池壽命也有不利影響。另一個限制是現時純電動車的充電時間多是受制於輸電網路的輸出功率,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,如用專用充電配套,則可以有10分鐘至4個鐘頭,視乎電池種類大小而定。Mitsubishi i-MiEV就可以在30分鐘內充電達80%電量。

對於部份使用場合,這樣的充電速度已經相當足夠,因為純電動車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純電動車充電,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。

有別於一般汽車的入油情況,充電所需時間與電池容量關系不大,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,多購一兩份電池,起始成本就高了不小,況且各款車所需電池也不同,難以同時在各處存放足夠各款電池。對大型車輛來說,電池體積同重量也不小,要常更換也不是好主意。另一個問題則是能快速更換電池的設計很難以低成本兼顧安全性。

里程焦慮[编辑]

里程焦慮Range anxiety)一詞是源自於純電動車的問題,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。其實如果電池容量夠大,這並不是問題。

碳排放量及環境污染[编辑]

純電動車同樣會產生污染及碳排放,不同的是純電動車把污染及排碳轉移到生產的工廠及發電廠,而且所產生的碳排放比想像中多。

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,根據英國的一個研究[6],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
插電式混合動力汽車 19 35% 6.7
純電動車: 19 46% 8.8

純電動車產生的二氧化碳是一般汽車的79%,而混合動力車則是87.5%,但若果在發電廠主要使用燃煤發電的情況,例如在中國(可再生能源只佔20%),純電動車的碳排碳量會比混合動力車還大![26]
另一個純電動車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,純電動車若要真正能有助減低碳排放量就要以下三點配合:

  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. 改善電池生產技術,以減小生產時產生的二氧化碳。

電池產生的問題[编辑]

電池的生產過程會產生大量二氧化碳,佔整個生產過程的43%,大大增加純電動車的排碳量。

純電動車所用的電池多是鎳氫電池Ni-MH)或鋰離子電池Li-ion),可回收再用。但鎳化物被確認為致癌物質,因此回收時需要小心處理。

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(NEV)的規格出售,符合美國運輸法例low-speed vehicle(LSV)的速度限制(40km/h)[27]。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)的純電動車,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。[28][29][30]

發售中的純電動車[编辑]

型號 最高速度 加速 載客量

(成人+小童)

充電時間 一般行程 發售日期/其他
QBeak 90 km/h 0 - 90 km/h,12秒 4名 8小時 250 km 已在丹麥發售[31]
BEV, 'Electron' 110 km/h 0 - 60 km/h,7秒 5名 1.5小時 (外置亮電機) 9小時(內置充電機) 120 km 只在澳洲出售[32][33]
BMW Mini E 153 km/h 100 km/h,8秒[34] 2名 3.5小時(快速充電系統),20小時 (一般情況)[35] 240 km 在英美地方,為作測試而供出租[36][37]
比亞迪e6 140 km/h 0 - 97 km/h,< 8秒 5名 300 km 於2010年5月在中華人民共和國深圳市以的士型式作路面測試[38]。使用磷酸鐵鋰電池
Citroën C-Zero 130 km/h 4名 30分鐘80%(快速充電系統),7 - 14小時 (家用插座)[39] 170 km 已在歐洲發售[40]
Lightning GT 200 km/h 0 - 97 km/h,5秒 2名 2.5小時(專用電源),5小時(內置充電機),15小時(13A家用插座) 240 km 預計在2012年於英國、歐洲及亞洲地區小量發售。使用Altairnano的鈦酸鋰電池
納智捷EV+ 7人(MPV)、5人(SUV) 2.2小時(220V 80A充電座) 2010年起少量生產,供測試及短程接駁使用,尚未對外販售
平治SLS AMG Electric Drive 250km/h 0 - 100km/h,3.9秒 2名 20小時(懼充),3小時(快充) 250km
Mitsubishi i MiEV 130 km/h 4名 30分鐘80%(快速充電系統),7 - 14小時 (家用插座)[39] 170 km,100 km 美國國家環境保護局EPA標準) 已在日本香港[41]澳洲[42]及歐發售,北美地區預計在2012年發售。
Nissan Leaf 159 km/h 5名 8小時(220V/240V家用插座),20小時(120V家用插座) 117 km 美國國家環境保護局EPA標準) 已在日本香港美國發售[43][44] 2011年1月葡萄牙、2月愛爾蘭、3月英國、6月荷蘭,2012年全球發售[45]
Smart ED 120 km/h 0 - 50 km/h,6.5秒 2名 4小時[46] 110 km 於2010年10月開始在美國及歐洲部份地區為作測試而供出租.[47][48]
特斯拉S型

40kWh
60kWh
80kWh


180km/h
190km/h
201km/h


0 - 97km/h,6.5秒
0 - 97km/h,5.9秒
0 - 97km/h,5.6秒

5人 + 2小童

260km
370km,335km (EPA)
480km,426km(EPA)

美國
Tesla Roadster[49] 217 km/h (安全限制)[49] 0 - 97 km/h,3.9秒 2名 3.5小時(240V及90A過苛保護),48小時(115V及15A過苛保護) 320 km[49] 北美歐洲及亞洲部份地區發售中
Th!nk City 100 km/h 2(+2選項)名   170 km 挪威荷蘭西班牙法國奧地利瑞士芬蘭發售[50]
Venturi Fétis[51] 170 km/h[51]     1小時 (快速充電), 3 - 4小時 (家用插座)[52] 300 km[51] 限量生產25部[53]

相關條目[编辑]

外部連結[编辑]

參考資料[编辑]

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