• 車源比較
    目前尚未加入比較項目

超級快速充電 電動車實用大邁進


刊登時間: 2014/02/09

文 許鴻德

 

過去幾年的車展中,電動車始終是鎂光燈的焦點,然而從去年的巴黎車展開始,不難發現電動車不再是宣傳重心,傳統內燃機引擎反而成為不折不扣的「新寵」。不論從基礎建設、電池技術、製造成本與使用吸引力而言,當今的電動車都難言成熟,即便如此,國際汽車集團其實仍沒有放慢推出電動車型的腳步,最好的例子就是日前歐洲第一大汽車集團VW所宣佈的電動車與混合動力車型戰略規劃,VW執行長Martin Winterkorn表示2014年將推出14款新能源車型(主要為電動車和混合動力車),如果未來市場需求繼續成長,則有望推出多達40款新能源車型。Martin Winterkorn強調目前VW集團內擁有400位專門研究電動能源的頂級專家以及超過7000位相關領域的工程師,該集團每年的研發開支超過70億歐元,其中對於電動車的投入比例最高。而BMW也早已成立被稱為MegaCity Vehicle(MCV)的城市電動車輛研發計畫,該計畫是BMW「i Project」的子計畫之一,致力於針對1000萬人以上城市地區的交通運輸方案,提供低排放、高燃油效率概念車款。經過兩年以上不斷在全球推廣純電動車、並且透過概念車向消費者溝通之後,去年7月29日於北京、倫敦、紐約三地同步發表首款純電動車BMW i3,瞄準的對手正是目前被視為世界上最快的電動跑車、最高時速近200 km/h的Tesla Model S。

雖然當今的電動車都難言成熟,但國際汽車集團仍然沒有放慢推出電動車型的腳步,包括VW與BMW集團都推出了電動車型。(圖為Audi e-tron)

 

目前電動車型的使用瓶頸

儘管車商努力推廣、油價也居高不下、然而全球電動車銷量仍然不如預期:2011年Chevrolet Volt與Nissan Leaf在美國市場銷售量總和低於兩萬,市佔率不到0.5%。歐洲第一大汽車市場:德國的狀況更差;根據德國聯邦汽車辦公室的數據,2013年8月份德國新車銷量為214044部,其中僅有435部為電動車(市佔率約2%)。全球汽車龍頭Toyota則早於2012年9月25日即宣佈誤判了汽車電池技術以及市場需求,放棄先前大規模銷售eQ小型電動車的計畫。

BMW長期投入研發的城市電動車輛研發計畫有了初步成果:2013年7月已於北京、倫敦、紐約三地同步發表該品牌首款純電動車BMW i3。

 

產業專家認為目前影響電動車大量普及的障礙來自幾方面:

(1)電動車的續駛里程短,一般電動車一次充電後的續航里程僅為100至150公里,勉強達成日常通勤任務,但任何旅遊行程都會輕鬆超過;

(2)由於動力用電池的成本居高不下,電動車的售價也很難降低(約為同級傳統動力車型的兩倍);

(3)最後一個、也最嚴重的障礙是充電時間長且充電不方便(由於充電基礎設施建設的滯後以及規劃不合理),若採普通充電方式,至少需要6至8小時,如果採用快速充電,又會對動力電池本身造成不可逆的壽命傷害。

 

 

許多車廠為了解決前述問題絞盡腦汁,Nissan就計畫混合多種策略以應付不同的駕駛模式:在家中及長期停車場的充電站充電將是主要策略。長途行駛時,駕駛人可在Nissan服務中心交換充滿電的電池;前提是你前往的地區在Nissan的服務範圍。光這點就會讓許多消費者對「純電動車」打退堂鼓,這是多數車商目前對純電動車依然卻步的主因,也是包括美國GM、德國BMW都選擇在電動車型內加入輔助汽油引擎的原因。以BMW推出的增程動力車型i3 Range Extender為例:除了可輸出170匹最大馬力、最高轉速為11400rpm的同步電動馬達之外,另搭載一顆擁有34匹最大馬力的650c.c.雙缸小引擎(並非直接驅動車輛而是推動發電機發電)。在日常使用的情況下,純電動版本i3預計擁有130公里至160公里的行駛距離,在ECO Pro+節能模式下的最大里程則上看200公里。增程動力車型儘管因為引擎和油箱的搭載而增加車重至1315公斤,卻可提高最大行駛距離來至300公里,對於不易找到充電站的車主來說更加實用。

Tesla車廠在北美地區架設的超級充電器(120 kW)裝置supercharger能夠在45分鐘內充至80%的電量,若要達到在短時間內充入大量能量的目標,對電池系統的散熱效率是一大考驗。

 

透過材料提昇改善充電速度

電池的充電速度不僅是純電動車輛的發展成敗關鍵,也是混合動力車輛回收能量效率優劣的技術核心。「油電混合動力」的理論「回收煞車時所浪費的能源」說來並不困難,但實用化的過程卻遭遇到許多技術瓶頸!工程師一直希望找到一個高速、有效率而且成本低廉的能量儲存媒介,目前多數商用化混合動力系統使用的二次電池技術(如Toyota Prius使用的鎳氫電池)其實並不合適:車輛煞車所產生的能量與電流皆以短時間供應。而不論鋰離子、鎳氫、鎳鎘甚至更老舊的鉛酸續電池在設計時都以「長時間充電」為考量,在極短時間內的充電效率都不理想。工程師甚至曾考慮過以密封於真空狀態的高轉速飛輪(Flywheel)做為儲能媒介,但如何整合轉速超過100000rpm的高速飛輪與多數時間轉速僅5000rpm以下的離合器飛輪?

 

這個問題一直困擾著工程師(有趣的是,此技術卻在今天的F1賽車上實現),其他包括壓縮空氣(法國PSA已使用)、甚至巨型橡皮筋等構想都曾提出,卻都與實用化階段有一段不短的距離。提高鋰電池充電速度的第一個方向是改變負極材料,美國EnerDel 、Altair及日本Toshiba等公司均已成功開發負極使用Li4Ti5O12,正極使用LiMn2O4,平均工作電壓2.4V 之動力鋰離子電池。日本Toshiba最新鋰電池「SCiB」能在5分鐘內快速充電達90%,主要供應工業使用如電動車及叉架起貨機等機具,壽命長且至少能夠循環使用5000次,已於2008年3月開始量產。Li4Ti5O12負極材料雖有快速充電的優點,但缺點是電容量低(~155mAh/g)且導電性差,這對電動車輛的應用是致命的(將大幅增加鋰電池模組重量)。目前許多研究專注於Li4Ti5O12與導電材複合,設法增加Li4Ti5O12之導電性及電容量。

 

 

麻省理工學院的學者則從不同的方向出發,幾年前他們判斷磷酸鐵鋰電池中的鋰離子運動速度應該非常快,但事實卻並非如此。最後他們發現原因在於攜帶電荷的鋰離子通過電池粉體晶粒表面之奈米導電網路TEM構造時的速度太慢,沒有透過構造通道穿越的鋰離子難以進入材料內部,為此麻省理工學院研究小組設計出類似公路支線系統的鍍膜,讓鋰離子可以在材料表面迅速運動,如同汽車沿著「環城公路」高速行駛,鋰離子可迅速穩定地流向通道入口並抵達電極。此技術的優勢在於改良電池內的元件而非新材料,且不需大幅修改生產製程,因此在製造成本上不會有太大差異,實驗室中採用新技術的電池其充放電時間只需10秒到20秒,用未經處理的材料製成的電池對照組則需要6分鐘才能完全充放電,這項技術最快可在兩年內商業化。

BMW集團對外表示將收購英國充電設備製造商Chargemaster公司2%股權,以作為集團提昇在電動車基礎設施領域的一步,這將增加未來問世的BMW i8電動跑車日常使用的便利性。

 

Tesla押注快速充電技術

與多數車廠(包括Chevrolet Volt、Nissan Leaf、比亞迪E6和Fisker Karma等車型)採用磷酸鐵鋰作為電池材料不同,美國Tesla選擇使用目前大量用於3C電子產品的18650鋰鈷鎳三元電池,並在Tesla的美國加州工廠組裝,單顆電池容量為3100mAh,容量和內阻在1000次充放電後仍能保持穩定。Tesla MODEL S高性能版車型的電池組由7000多顆電池組成,也保障了其續航距離。作為電動車的核心零組件,Tesla的電池技術(鋰鈷鎳三元電池)曾被外界嘲笑無核心競爭力;18650鋰鈷鎳三元電池擁有技術較成熟,功率高、能量密度大等優勢,但安全係數較低、熱特性和電特性較差,材料成本也相對較高,然而Tesla的電池管理模組(以及高出一般電動車電池儲能三倍的電池組)卻絕對大幅領先同業。

 

 

為了讓電動車更加實用,Tesla工程師正在拼命縮短充電時間,目前Model S的充電方式共有5種,通過普通220V和110V家庭用電源充電需要30小時才可充滿;若採用單極10 kW規格充電器(Single Charger)需要10小時充滿、採用雙極20千瓦充電器(或高功率強充電器)充滿則僅需5小時;若用Tesla在北美地區架設的超級充電器(120 kW)裝置supercharger能夠在45分鐘內充至80%的電量,2013年5月Tesla剛完成升級計劃,前述充電時間已縮短至20分鐘。能以遠高於競爭對手的功率及電流(C數)完成充電作業,也側面顯示了該廠電池組的品質與性能。

在Tesla進入中國市場之前,該廠已計畫在中國境內架設充電站走廊,並已經與包括物業所有者以及電力公司進行溝通。

 

未來電動車普及的關鍵技術

快速充電技術有多重要?這可以從Tesla即將進入中國市場之前,就已經在規劃沿著京滬線(北京到上海)建設第一條免費超級充電器(120 kW)裝置Supercharger充電走廊看得出來。目前中國消費者已可預訂Tesla Model X和Model S兩款電動車型,只需繳交25萬元人民幣的訂金,Model S將於2014年3月底交車給中國買主。經過多年發展之後,車用鋰電池成本已經下降很多但依然不菲,目前國際平均水準是每度電(kW-h)的電池成本大約是1,000美元(仍在持續降低),一般電動車要達到150公里續航里程需要20度以上的電能,這意味著僅是電池成本就要2萬美元。

經過多年發展之後,車用鋰電池成本已經下降很多但依然不菲,目前國際平均水準是每度電(kW-h)的電池成本大約是1,000美元(仍在持續降低中)。

 

Tesla Model S的Signature Performance頂級版本(扣稅之後的價格近10萬美元)包括一組容量高達85kWh的鋰離子電池(重量將近700公斤),電池容量較小的Model S入門版本則包括起價5萬7,400美元(搭載40 kWh的鋰離子電池)以及起價6萬7,400美元(搭載60 kWh的鋰離子電池)。若採用快速充電技術,未來電動車僅需採用更小續航里程的電池(可減輕電池重量與成本40%),旅途中在充電站以15分鐘快速補電一次即可滿足後續行程;也難怪,有志於發展電動車產品線的廠商都瞄準此一領域。

除了充電時間大量減少之外,電動車內電池組的安全性能也是工程師的一大考量重點;目前以最新的奈米技術製成的碳纖維板可取代原本車身的鋼材,包括車體、車頂等,同時也可作為車輛電池系統的一部分。