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搞定电池 电动车轻松上路
充饱电 畅行无阻

【作者: 王岫晨】2010年10月12日 星期二

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一般汽车主要是使用石化燃料作为动力来源,不但耗用大量石油资源,也是温室气体排放的主要祸首之一。在全球节能减碳的趋势下,许多国家都将车辆电动化作为温室气体减量的重要措施之一,积极发展电动车产业。台湾多家厂商也针对电动车关键零组件的动力电池,投入研发、生产,以期在这一波全球动力车辆绿化转型之际,掌握关键技术及专利,拓展未来的庞大商机。


依据野村公司2009年的统计数据,随着电动车产业持续成长,电池需求将随之增加,预计2015年电动车电池市场规模可达123亿美元。且全球主要汽车制造业者及美国、中国等政府,也都相同预期电动车市场将快速成长,例如三菱公司预期在2020年电动车将占该公司汽车销量的20%;美国政府也预测电动车渗透率于2015年将达6%、2020年达11%;中国政府则以2011年底,新能源车销售量占大众运输汽车比重的5%为目标,这都有助于电池业者开拓更大市场。


(表一) 为何要发展电动车?

石油逐渐枯竭

2010年石油产量达到顶峰,2030年如有一半汽车改为电动车,美国每日进口石油将减少至600万桶(目前每日进口约1400万桶)。

地球暖化加剧

交通运输占CO2来源比重达24%,09年12月哥本哈根协议将取代京都议定书,制订碳排放标准。

空气污染日益严重

欧洲计划在2012年限制汽车的CO2排放达到120g/kg,2020年将进一步达到95g/kg,加利福尼亚州的零排放计划

大国石油战略

中国、美国政府决心摆脱对进口石油的依赖,发展电动车将大幅降低石油的使用量。

绿色经济新产业

拓璞预估,2020年若30%是电动车,将创造1兆元的产值,创造47万个就业机会。


电动车要普及 先解决电池问题

电动车目前尚有一些问题待解决,这些大部分都是电池方面的问题。例如在电池本身的重量方面,以现在可上路的电动机车,一个电瓶动辄都要5~6公斤了,更何况是汽车专用电池。另外,电池也必须做好防爆装置等安全性考虑。至于要将电瓶统一格式做成交换式电瓶,对车厂来说是不太可能的,毕竟这样一来,车厂根本就没有利润可赚。目前电动车在电池方面有以下三大缺点。


电池技术限制

既使是目前最新款的锂铁电池,尽管其体积与耐用度等技术都有了突破,但应用于电动车,其体积还是无可避免庞大的问题。例如纳智捷的EV+电动车款,其电池容量为40KWh,共使用了6000颗18650可充电式锂铁电池。


充电速度缓慢

一般汽车的内燃机(包括汽柴油、LPG等车款),最慢都能在几分钟内加满燃料上路。但以电动车来说,就算以现在市场上最先进的快充技术,一颗18650锂铁电池充满电也必须花费超过10分钟的时间。若以前文提到的纳智捷EV+车款,6000颗18650锂铁电池组要想在半小时内快充完毕,以目前的充电技术来说,真的是难上加难。


标准化问题

其实,电动车的充电电池与充电站规格的标准化,才是最大的问题所在。这就和3C厂商各自发展自家规格,谁也不让谁的道理一样,各大汽车厂一定是尽力发展自己的标准,不同厂商之间的规格将完全不同,谁也不愿去附和别人的规格。这是因为一旦电池规格标准化之后,将形同3C产品一样毫无利润,原厂也可能失去后续维修的商机。



《图一 各国的电动车发展目标》
《图一 各国的电动车发展目标》

解决电动车产业乱象 标准制订刻不容缓

近几年来,纯电动车技术持续不断发展,使得市面上又多了数款纯电动车。只不过,市场对于电动车产业前景仍存有疑虑。目前不管何种电动车,售价都偏高,因而影响消费者的接受度,若能克服成本过高,以及电池过热、供电续航力与稳定性等疑虑,再加上广设充电站,应可让更多消费者接受电动车,并提高普及率。


台湾NEC企划部项目工程师邱凡容指出,目前纯电动车不论在技术上、成本上、基础设施上,都还存在着商用化发展的瓶颈,亟需政府相关政策的支持。纯电动车的普及,需要透过政府各种鼓励政策与措施,来打造纯电动车市场起步阶段的良好环境,进而加速纯电动车的商用化过程。纯电动车的商用化,必须解决两大重要问题,一是购置的成本,二是能源的补给。而在能源补给的问题上,除了纯电动车在研发上缺少统一的标准之外,充电相关的基础设施也非常不完备。


另外,针对电池的问题,邱凡容也以例举目前最成熟的锂离子电池,其能量比只有汽油的1/50,从此可看出电动车发展的瓶颈,正出在其核心的电池技术上。事实上,电池专家早就不断呼吁,现今的电池理论早已局限电池技术有任何突破性的发展,唯有对电池技术换一种新的思维来架构新的理论,才可能会有所突破。


邱凡容说,目前部分纯电动车采用插电式充电,也就是电力耗尽后利用插座充电;也有些纯电动车采用电池式供电,也就是电力耗尽后直接更换电池,不需要插座。充电式的纯电动车,由于各厂商的电池尺寸大小不一致,有些连充电接口也不相同。而采用电池式的电动车,未来如果真的量产了,这些大量废电池的处理,势必成为新的环境灾害。这些问题的解决,都必须仰赖一套统一的标准规范尽快出炉,才有可能解决。


搞定充电站 电动车问题解决一大半

纯电动车顾名思义,就是完全以电力来当作动力来源。动力系统则使用马达与电机控制驱动,不使用液态石化燃料,因此没有引擎轰轰作响的问题,也省去排气管排放废气的困扰,具有绝佳的环保优势。当然,纯电动车越轻则越省电,也能提高续航力,但由于电池本身便有一定的重量与体积,目前相关厂商努力的方向,是设法减轻纯电动车整体的重量。


能元科技副总经理郑宗田指出,除了重量问题之外,电动车上路,最重要的当然是充电设施。充电设施不能只设置于住家,工作地点、以及沿路都必须设置充电站,或者在加油站增加充电设备,才有办法说服用车人,安心开着电动车上路。


郑宗田说,只不过目前由于各国电动车充电的基础设施都不完善,也严重限制了纯电动车的发展。例如,除非是私有的屋舍,否则很难在公有大楼或公寓里设置充电设备,而户外的停车空间,要想设置充电设备更是不可能。另外,纯电动车基础设施的建置,由于耗电量惊人,还需要政府与电力相关单位的支持才行。而缺少充电设备的标准规范,更是让充电站的实际应用大打折扣,可能会造成多数电动车根本无法进入充电站进行充电。


对于充电站的问题,国外已经在纯电动车的基础设施建设方面,进行了许多新的尝试。例如日本东京目前就有超过80个充电站,大楼和道路旁随处可见充电设备。至于美国加州史丹佛大学里,则设置了专供电动车充电的停车位,每两个车位间就有一个充电座。至于美国的家庭,普遍都是独栋且拥有车库,因此更容易解决充电问题。郑宗田说,解决了充电站的问题,电动车普及的问题与挑战,几乎就能解决一大半。



《图二 电动车发展的目标》
《图二 电动车发展的目标》

车厂视纯电动车为发展核心

正由于各国政府的支持,包括日产、雷诺、Subaru(速霸陆)、Mitsubishi(三菱)、Peugeot(标致)、Benz(奔驰)与BMW等传统车厂,开始积极切入纯电动车的开发设计与制造,而包括Ecotricity、Westfield、Delta Motorsport、Lightning等规模较小的车厂也进行了纯电动车的研发。台湾裕隆汽车也自创标榜智能科技车的纳智捷(LUXGEN)品牌,由华创负责关键设计,进军纯电动车市场。


据了解,小型纯电动车适合进行短程的运输用途,例如用于都市内短程代步、机场、科学或工业园区、游乐渡假区等,行驶距离不超过100公里之内的短程用途。而大型纯电动车,如电动巴士等,则适合由政府单位来支持,以求提供更具环保功能的大众运输工具,并减少都会区的二氧化碳排放量。


目前已有日本东京电力公司将带头参与电动车基础设施的建置,预计在2010年之前在东京建置超过200个充电站,三年内更将增加到1000个以上,以为新款电动车的上市做好准备。日产汽车也预估,旗下Leaf等电动车的电池成本,将在四年内大幅下降。目前日产的Leaf电动车已于日本、美国和欧洲等地销售。


(表二) 电动车规格战-国家级战争

中国

美国

战略:以市场换技术

战略:以科技、规格渗透市场

  1. 中国2012年的汽车产量中有10%,就是至少100万辆以上是新能源汽车。
  2. 十城千辆计划:斥资200亿人民币在13座城市,每个城市每年推出不少于1000辆新能源汽车开展示范运行。
  3. 中国电动汽车大战略:既然以「汽油」为主的汽车产业无法和欧、美、日本抗衡,干脆「一步到位」直接锁定电动汽车,希望用庞大市场快速壮大中国汽车工业。
  1. 欧巴马宣示,2015年美国新环保车保有量将达100万辆 。
  2. 美国经济振兴方案中,今年有20亿美元指定发展先进电池技术。
  3. 美国政府提供80亿美元贷款给福特、日产、Tesla发展新能源车。
  4. 愈来愈严苛的能耗与温室气体排放法规。

快充和加强续航力为电池发展关键

节能减碳已是全世界共同的话题,各国政府与民间单位也积极开发各种替代能源。纯电动车便是这样的一种产物,标榜纯电动,不会造成空气的污染。目前各大车厂都积极投入纯电动车的研发,只不过初期研发出来的电动车,续航力普遍不足,只适合都会区或小区型使用。


油电混合车已经发展了好几年,这种车款平常适合在市区行驶,非常省油,也没有噪音的污染,一旦需要长途驾驶就,就依靠燃烧油料带动引擎来进行高速行驶。这种油电混合动力车,成效非常不错,目前缺点是车价过于昂贵,并非一般百姓负担得起。


纯电动车无法普及的最大关键,就在于充电站的设置。目前充电站少之又少不提,曾有大厂提出设立交换电瓶服务站的构想,然而这也是行不通的,毕竟电瓶的重量,以目前所研发最小的电瓶,少说也有5~6公斤,位置还是安装在底盘油箱和引擎的位子,光是要拆卸就有很大的问题,若遇到女性驾驶则更是不容易。


为了提高普及率,目前已有国外业者广设充电站来为电动车补充电力,至于台湾,由于形式和规格无法统一,造成设置上多头马车的现象。而且目前部分厂商所提出的充电续航力数据,是只载一个人,完全无其他负载的状况下所测出来的数据,若套用到一般车辆正常行驶状况下,能达到三分之二的续航力就很不错了。此外,电池充一次电需要超过十小时,加上一组电池寿命仅约2~3年,售价则约10~20万,这些都将影响购买纯电动车的意愿。也由于电池组的体积无法再有效缩小,目前相关业者多朝向快速充电和加强续航力的方向来发展。


(表三) 锂离子电池主要生产厂商

台湾

能元科技、兴能高科技、必翔电能、台湾超能源、量威电池、动能科技、有量科技、威力能源、兰阳科技、金山电能

中国

比亚迪、比克、天津力神、湖南神舟、中炬森莱、苏州星恒、中信国安盟固利、科立远

日本

Sanyo、Panasonic、Sony、GS Uasa、NEC

韩国

Samsung、LG Chemical

美国

A123、Johnson Controls

德国

Saft


(表四) 台湾科技投资主轴

70年代

家电

80年代

PC

90年代

光电、半导体、太阳能

100年~

电动车、新能源


政府提供助力 产业更快起飞

据了解,电池成本占电动车成本结构相当高之比例,将近50%,因此直接影响了电动车的售价及市场普及。为突破成本过高的困境,新型态的服务契约模式应运而生,例如业者可提供电池租赁服务模式,消费者不需购买价格昂贵的电池;或提供一定里程数内、不限次数更换电池的服务(如电池交换),以降低电动车价格,达到推广使用电动车之政策目标。


《图三 台湾NEC企划部项目工程师邱凡容指出,目前纯电动车还存在着商用化瓶颈,亟需政府政策的支持。》
《图三 台湾NEC企划部项目工程师邱凡容指出,目前纯电动车还存在着商用化瓶颈,亟需政府政策的支持。》

此外,电池专利技术主要包括化学相关化合物及制程技术的研发等,随着电池产业持续发展,掌握关键核心技术的厂商将能主导产业发展趋势,因此包括台湾、美国、日本、中国、韩国等国的厂商,均积极投入技术研发,以提升技术层次及竞争力,并掌握技术专利。


全球推动电动车产业发展的国家,均对电池产业寄予高度重视,例如美国及中国政府均提供电动车购置补贴或租税减免措施等,来鼓励消费者购买电动车辆。目前中国政府提供针对商用车、公务车等运输车辆的购车补助,美国政府也提供业者研发高阶电池之政策诱因,以鼓励电池技术之发展。


《图四 能元科技副总经理郑宗田指出,除了电池重量问题之外,电动车上路,最重要的当然是充电设施。》
《图四 能元科技副总经理郑宗田指出,除了电池重量问题之外,电动车上路,最重要的当然是充电设施。》

结语

电动车名为环境保护而战,实则是各车厂之间的角力大战。曾有研究指出,制造电动车的电池过程中所产生的二氧化碳,比传统燃油汽车还多,而且电动汽车的充电过程中,也会导致用电量大增,这也是必须考虑的。电动车的迷思,或许只是把燃油这个环节的排气污染,改成电力与电池生产过程的污染罢了。但无论如何,电动车都将是未来汽车产业与政府重点发展的项目。


配合产业发展趋势,政府已陆续推出相关政策措施,大力协助台湾电动车电池产业之拓展,例如提高锂电池研发之法人科专预算补助,由2009年的1.2亿元,提高为今年度的1.6亿元。除法人科专外,业界科专亦将电动车辆关键零组件纳入补助范围,其中即包括电动车用储能系统(如锂离子电池、超级电容)与电源管理系统等,以积极协助发展电动车关键零组件及建立系统整合技术,加速带动台湾电动车产业之兴起。


  • 美国战略智库Starfor总裁George Friedman预言,电池在21世纪战场的重要性将凌驾石油。


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