電動車電池

電動車電池規格。電動車電池和一般車上負責啟動、照明以及點火的汽車蓄電池不同。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。電動車電池的特點是其較高的功率重量比、比能及能量密度：若電動車電池較輕，車重也會比較輕，可以提昇車輛的效能，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，最常見是鋰離子電池及鋰離子聚合物電池。其他用在電動車中的蓄電池有鉛酸蓄電池是以安培小時或是庫侖為單位，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鋰離子電池的技術進展。電動車的市場也因此獲益，在電池的效能及功率密度上都有所提昇。鋰離子電池和以往的鎳鎘電池不同，鋰離子電池可以每天充放電，而且可以在任何電量狀態下進行充電或放電。電池組已商品化，應用在不同的車輛領域中。若考慮執行時的成本，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.鉛酸電池.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執行。深迴圈電池也用在娛樂性車輛的輔助電池，不過需要多級充電。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。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，例如是用鎳鐵電池。深迴圈電池比較貴，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。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%。鉛酸電池的充電及執行會釋放氫、氧、硫，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.目前已將鎳氫電池較鉛酸電池低，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 已運行了十年，里程超過仍可以正常運作。早期的鎳氫電池有著高自放電、充電週期不穩定，以及在冷天氣時的效能不佳等缺點。新一代的低自放電鎳氫電池已大幅改善，在自放電問題及低溫下效能甚至比一般鋰離子電池更好。GM Ovonic生產鎳氫電池，用在第二代的EV-1中，開發了幾乎一樣的電池。在EV-1中的運作相當良好。限制了近年來車輛上的鎳氫電池使用。Zebra電池.鈉鎳氯電池或稱為Zebra電池，用熔化的四氯鋁酸鈉，需要將電極加熱到，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。鋰離子電池.鋰離子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，約翰·B·古迪納夫及吉野彰很快也開發了類似的產品。傳統鋰離子電池的缺點包括對溫度很敏感、低溫的效能不佳、以及效能會隨著使用時間而退化。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。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、快充能力已證實可以提高壽命，而用磷酸鋰鐵的型壽命可以超過10年，充放電週期超過7000次，LG化學預估所開發的可以使用超過40年。現在在實驗室中也有許多有關鋰離子電池的研究。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。陽極的矽奈米線、矽奈米顆粒及錫奈米顆粒可能也可以提昇能量密度，而陰極的複合材料及超晶格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。電池成本.2010年時，丹麥技術大學花了美金一萬元購買了經認證，電量有25 kWh的電動車電池。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檔案。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。根據美國國家學院在2010年進行的研究，鋰離子電池組的成本大約是美元/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美元，PHEV-10電池組上的成本則是美元。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美元到美元之間。2013年美國節能經濟委員會的研究指出電池成本從2007年的美元/kWh降到2012年的美元/kWh。美國能源部設定其贊助電池研究的目標成本，在2015年時是美元/kWh，2022年時則是美元/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。全世界在2016年的鋰離子電池產量對應的電力有41.57 GW⋅h。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年底時的成本是美元/kWh。根據彭博新能源財經。BNEF預計電池價格在2030年時會低於美元/kWh，隨著新化學技術的使用，之後會降的更低。電動車和燃油車的比較.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。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，電池容量為5.2 kWh，里程及電量比值為/kWh，而Addax/kWh.。電池電動車的里程及電量比值可以到/kWh。雪佛蘭沃藍達若用輔助動力單元作動力且熱效率有33%，預計可以達到50 MPGe，相當於12 kWh的電能可行駛，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。相較於傳統的燃油車，鋰離子電池、鋰離子聚合物電池、鋁空氣電池及鋅空氣電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.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。2015年時，電動車的初始採購成本比燃油車高，但後續執行的成本較低，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。2010年時，日產聆風的電池組生產成本為US$18,000。在聆風上市時，日產的初始生產成本為US$750/kWh。麥肯錫季刊在2012年時以五年車輛為基礎，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。麥肯錫在2017年估計若電池組價格到US$100/kWh，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。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。路程考量.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相當，電池的比能需大於1 kWh/kg。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。日本電池供應商表示，開發一次充電後可以讓電動車行駛的電池，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。細節.內部零件.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，電池模組也可以用電池管理系統來監控電池模組產生的電壓。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。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佈。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裝置電源之間，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。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處理。BMS也負責和電池以外的其他車輛單元進行通訊。充電.電動車的電池必須定期充電。充電的電力半是輸電網路，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，也有可能是來自太陽能光伏、風能或是，這些發電方式的好處是可以減少全球變暖的效應。若有適當的電力電池在充電速率適當，一小時內充電量低於其電量的一半，電池可以維持較長的壽命，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。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，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.像特斯拉Model S、及寶馬i3等電動車，可以在快速充電站內30分鐘將電充到80%。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），可以在27分鐘內充電到80%，對應里程），相當於充電一小時後可以行駛。聯結器.充電裝置可以用二種方式進行充電。一種是直接用導體連線充電裝置和電動車，稱為，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。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，充電座中有變壓器，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。無線充電將部份充電元件放在車外，因此可以減輕車重。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。充電裝置.截至2020年4月年 (2020年4月)[ [update]]，全世界有93,439個地方有充電站，共有178,381個充電椿。充電前可以行駛的里程.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效能也會受到許多因素影響，包括電池的化學：有些電池在低溫時，其內阻會顯著上昇，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，如何在里程及效能、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，可以加掛或。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.電動車也可以加裝電池拖車，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，增加重量轉移效果，減少能力。.電池交換以及移除電池.另一種取代充電的方式是將沒有電，可以取下裝置中已充飽電的電池，換為車上沒有電的電池。臺灣的Gogoro機車估計在2020年會有將近二千座換電站。換電站的好處有：換電站的缺點有：重新裝填.可以用加入液體的方式增加電力，不需透過聯結器充電，可以節省時間。電動車電池的生命週期.接近生命週期尾聲電池的再利用.電動車電池的生命週期若已接近尾聲可以，例如公車的電池組、大樓的備用電源、、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。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迴圈經濟，曾提到需要開發「共用的介面介面，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。需要和電源儲存裝置的供應商共同開發此一介面。太平洋瓦電公司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。使用年限.電動車電池在應用時，會用數個電池，依需求的電壓及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，在考慮電動車主的時，需要考慮其。其老化速率和很多因素有關。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。深週期鉛酸電池的放電深度建議不要超過20%。在實際應用中，有使用鎳氫電池的，已行駛超過100,000英里，電池的老化不太明顯。和鎳氫電池比較，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。鎳氫電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，磷酸鐵鋰電池在放電深度到70%時，仍可以充放電5000個週期以上。比亞迪是全世界最大的磷酸鐵鋰電池電池製造商，已開發了許多針對深週期應用的電池。這類電池有用在中。在充放電7500個週期，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個週期約可以對應20.5年。回收.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。汽車對電網.智慧電網讓電動車也可以提供能量給供電網路，尤其是在以下的情境：安全性.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。該標準分為三個部份：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，電動車比較安全效能測試.電動車電池的效能測試一般會包括以下幾項：效能測試會依車商指定的條件，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，測試電動車電池的效能。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.電動車電池的專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。相關研究.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效能。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以及寧德時代新能源參與投資。雙電層電容器.有些車輛會使用雙電層電容器作為動力一，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。目前已販售的雙電層電容器比能較低，所以在已量產的電動車中，沒有任何一款電動車使用雙電層電容器作為唯一的能量特斯拉的CEO伊隆·馬斯克在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雙電層電容器。2020年5月，有研究報告指出，超級電容擁有放電時間極短、使用壽命長以及高可靠度等優點，同時具顯著缺點，能量密度極低、不到鋰電池的10%，因此不常應用於電動汽車領域。若超級電容器能和鋰電池模組結合，可以實現各種改良，但目前此一應用方向仍處於試驗階段。相關條目.