电动车电池

2009年日产聆风的实体剖面,露出其中的电池

电动车电池(electric-vehicle battery)简称EVB,是用在纯电动车(BEV)或混合动力电动汽车(HEV)上,供应电动机能量的电池。多半是可以充电的蓄电池,目前常见的是锂离子电池。电动车电池一般会设计为高容量,有较大的安培小时(或千瓦·时)规格。

电动车电池和一般车上负责启动、照明以及点火(SLI)的汽车蓄电池不同。电动车电池需要可以在较长的时间内持续有功率输出,属于需要输出相当程度电量的深循环电池。电动车电池的特点是其较高的功率重量比比能能量密度:若电动车电池较轻,车重也会比较轻,可以提升车辆的性能,因此一般会希望电动车电池的重量可以比较轻。相较于液态燃料而言,大部份电动车电池的比能仍然要过低,这也限制了车辆电动化的最大马力范围。里程数大到一定程度的车辆可能会因为重量问题而无法改为电动车。

电动车中的电池由于考虑其功率密度,最常见是锂离子电池锂离子聚合物电池。其他用在电动车中的蓄电池铅酸蓄电池(满槽铅酸电池、深循环铅酸电池,以及阀门调节铅酸电池)、镍镉电池镍氢电池等,偶尔也有使用锌空气电池熔融盐电池中的钠镍氯化物电池(zebra)[1]。电池中储存的电量(电荷数)是以安培小时或是库仑为单位,而其储存能量是以千瓦·时为单位。 自从1990年代末开始,可携式电子产品、笔记电脑、手机及电动工具的需求已带动锂离子电池的技术进展。电动车的市场也因此获益,在电池的性能及功率密度上都有所提升。锂离子电池和以往的镍镉电池不同,锂离子电池可以每天充放电,而且可以在任何电量状态下进行充电或放电。

电池组(battery pack)的成本占电动车总成本中相当的比例。截至2019年,若以千瓦小时的单位成本来看,电动车电池的成本已较2010年下降了87%[2]。2018年时,全电里程数超过250 mi(400 km)的电动车(像是Tesla Model S)已商品化,应用在不同的车辆领域中[3]。 若考虑运行时的成本,纯电动车在行驶时需要的电费是同功率汽车燃料费的一小部份而已,因此其能量转换效率较高。

电动车电池分类

有些电动车仍使用传统旳铅酸电池为其动力来源
在组立之前的圆柱电池芯(18650)
锂离子电池监控电路(过充电以及过放电保护)

铅酸电池

铅酸电池是最便宜的电动车电池,以往也是最常见的电动车电池。铅酸电池可以分为两种:负责车辆引擎发动点火的电池(汽车蓄电池),以及深循环电池。汽车蓄电池在设计时会只用其一部份的电力,提供较大的放电电流,以启动引擎,而深循环电池是持续性的提供电池,使电动载具(例如叉车或是高尔夫球车)运行[4]。深循环电池也用在娱乐性车辆的辅助电池,不过需要多级充电[5]。铅酸电池放电时,不能使电量降到其容量的50%以下,若电量过低,会降低其寿命[5]。铅酸电池需要定期检查电极及电解液,偶尔也需要补充电解液。

由于铅酸电池是成熟的技术,容易取得,价格低,早期的电动车几乎都是使用铅酸电池。只有少许厂商例外,例如底特律电机公司是用镍铁电池。深循环电池比较贵,寿命比较短一点,大约每三年就要更换。

电动车应用中的铅酸电池重量约占车辆总重的25–50%。铅酸电池其比能较石化燃料要低[6]。刚开始时,这个差异不太明显,因为电动车的传动系统重量比较轻,就算一般车辆上使用最好的电池(因此重量较重)也是如此。目前深循环电池的效率(70–75%)及储存电量会在温度较低时下降,而加热线圈最多会将效率及电池里程数降低40%。

铅酸电池的充电及运行会释放,这些是会自然产生的物质,若有适当通风,一般而言是无害的。早期的Citicar若没有适当的通风,在充电之后立刻会在车厢内出现异味。

早期的电动车会使用铅酸电池,例如通用汽车的原始版本EV1

镍氢电池

目前已将镍氢电池(NiMH)视为是比较成熟的技术[7]。其充电和放电的效率(60–70%)较铅酸电池低,但其比能为30–80 Wh/kg,比铅酸电池高很多。镍氢电池若正确使用,其寿命非常的长,例如在混合动力车辆以及第一代的NiMH Toyota RAV4 EV已运行了十年,里程超过100,000英里(160,000公里)仍可以正常运作。其缺点有效率低、高自放电、充电周期不稳定,以及在冷天气时的效能不佳。

GM Ovonic生产镍氢电池,用在第二代的EV-1中,Cobasys开发了几乎一样的电池(十个1.2 V 85 Ah NiMH 电池串联,和Ovonic的十一个电池不同)。在EV-1中的运作相当良好[8]大型汽车镍氢电池的专利权限制了近年来车辆上的镍氢电池使用。

Zebra电池

钠镍氯电池或称为Zebra电池,用熔化的四氯铝酸钠(NaAlCl4)为电极。Zebra电池是比较成熟的技术,其比能是 120 Wh/kg。因为电池要加热才能使用,在天气冷时使用,除了因为加热需要耗费的额外成本外,对性能的影响不大。Zebra电池曾用做Modec商用车辆的电池[9]。Zebra电池的充放电循环可以超过1000次,而且没有毒性。Zebra电池的缺点包括比功率较低(<300 W/kg),需要将电极加热到270 °C(518 °F),会消耗一些能量,在长程的能量储存上会是问题,而且也是潜在的危险[10]

锂离子电池

锂离子电池(以及机构类似的锂聚合物电池)一开始是用在笔记型电脑以及消费者电子产生品。由于这类电池的高能量密度以及寿命较长,后来成为电动车电池的主流。最早商品化的锂离子电池以钴酸锂为阴极,石墨为阳极,一开始是由N. Godshall在1979年发明,约翰·B·古迪纳夫吉野彰很快也开发了类似的产品[11][12][13][14]。传统锂离子电池的缺点包括对温度很敏感、低温的性能不佳、以及性能会随着使用时间而退化[15]。传统锂离子电池有会挥发的有机电解质、高危险的金属氧化物,且其阴极SEI层对热不稳定,若穿洞或是不正确充电,可能会着火[16]。早期的电池在极低温时无法充放电,因此有些气候下必须配合加热器使用。锂离子电池的技术成熟度算是中等。特斯拉Roadster以及特斯拉的其他车辆就使用传统锂离子电池,是用在笔电上的电池。

近来的电动车使用新一代的锂离子电池技术,在比能以及比功率上比较差,但是在防火、环境友善程度、快充能力(多半在几分钟即可充饱)以及寿命上比较好。这些差异(像是磷酸盐,钛酸盐,尖晶石)已证实可以提高寿命,而用磷酸锂铁A123型寿命可以超过10年,充放电周期超过7000次[17],LG化学预估所开发的锂离子氧化镁电池可以使用超过40年。

现在在实验室中也有许多有关锂离子电池的研究[18]速霸陆汽车的原型G4e中已使用钒酸锂电池,其能量密度可以到一般锂离子电池的二倍。阳极的矽奈米线[19][20]、矽奈米颗粒[21]及锡奈米颗粒[22][23]可能也可以提升能量密度[需要解释],而阴极的复合材料[24][25]及超晶格[26]也可能会提升能量密度。

有新的资料指出:锂离子电池受热以及快速充电都会使其退化的比一般使用要快,平均而言,电动车电池在服务六年六个月后,储电量仍可维持原来的90%。像是Nissan LEAF的电池的老化速度是Tesla的两倍,因为Tesla有电池的主动散热系统,而LEAF没有[27]

电动车以及其电池容量的例子

全电动车

  • Addax MT:10-15 kWh
  • Audi e-tron:95 kWh
  • BMW X3:22–42 kWh
  • BMW X3:80 kWh
  • 比亚迪e6:60–82 kWh
  • Chevrolet Bolt / Opel Ampera-e:60 kWh, 66 kWh (2020)
  • 三菱iMiEV电动汽车 / Peugeot iOn (i.MIEV):16 kWh (2010) / 14,5 kWh (2013-)
  • DS 3 Crossback E-Tense:50 kWh
  • Fiat 500e:24 kWh
  • Ford Focus Electric:23 kWh (2012), 33.5 kWh (2018)
  • Harley-Davidson LiveWire:15.5 kWh
  • 本田Clarity (2018):25.5 kWh
  • Honda e:35.5 kWh
  • Hyundai Kona Electric:39.2–64 kWh
  • Hyundai Ioniq Electric:28 kWh
  • Kia Soul EV:27 kWh
  • Kia Niro EV:39.2–64 kWh
  • 捷豹I-Pace:90 kWh
  • Mini Cooper SE:32.6 kWh
  • 梅赛德斯·奔驰EQC:80 kWh
  • Mitsubishi i-MIEV:16 kWh
  • 日产聆风 I:24–30 kWh
  • 日产聆风 II:24-60 kWh
  • Opel Corsa-e:50 kWh
  • 标致208:50 kWh
  • Renault Fluence Z.E.:22 kWh
  • Renault Twizy:6 kWh
  • Renault Zoe:22 kWh (2012), 41 kWh (2016), 52 kWh (2019)
  • Smart electric drive II:16.5 kWh
  • Smart electric drive III:17.6 kWh
  • TATA Nexon:30.2 kWh
  • 特斯拉Model S:60–100 kWh
  • 特斯拉Model X:60–100 kWh
  • 特斯拉Model 3:54–75 kWh
  • 特斯拉Model Y:54–75 kWh
  • Toyota RAV4 EV:27.4 kWh (1997), 41.8 kWh (2012)
  • 大众高尔夫 Mk7:24–36 kWh
  • 福斯Up:18.7 kWh (2014), 32.3 kWh (2020)
  • Rimac C Two:120 kWh
  • Zero Motorcycles:7.2 or 14.4 kWh

插电式混合动力车

非插电式油电混合车

  • 奥迪A6 Hybrid (2012):1.3 kWh
  • Escalade 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Chevrolet Malibu (2016):1.5 kWh
  • Chevrolet Silverado / Chevrolet Tahoe 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Ford Fusion II / Ford C-Max II:1.4 kWh
  • GMC Yukon / GMC Yukon Denali 2008-2013 Dual-Mode Hybrid
  • Honda Civic Hybrid I (2003–2005):0.86 kWh
  • Honda Civic Hybrid II (2006–2011):0.87 kWh
  • Honda Civic Hybrid III (2012–2015):0.65 kWh
  • Hyundai Ioniq Hybrid:1.56 kWh
  • Kia Niro:1.56 kWh
  • 凌志CT 200h:1.3 kWh
  • 凌志NX 300h:1.6 kWh
  • 标致雪铁龙集团第一代的HYbrid4 system:1.1 kWh
  • Renault Clio E-Tech Hybrid:1.2 kWh
  • Toyota Prius I (2001–2003):1.78 kWh
  • Toyota Prius II (2004–2009):1.31 kWh
  • Toyota Prius III (2010–2015):1.31 kWh
  • Toyota Prius IV (2016–present):0.75 kWh
  • 丰田Prius c / 丰田Yaris Hybrid:0.9 kWh
  • 丰田凯美瑞 Hybrid (2012):1.6 kWh

电池成本

能量密度50 W⋅h/kg锂离子聚合物电池的原型。新型的锂离子能量密度可以到265 W⋅h/kg,在上千次充放电后,仍可以维持储电量

2010年时,丹麦技术大学花了美金一万元购买了经认证,电量有25 kWh的电动车电池(US$400/kWh)[29]。在十五个电池供应商中,只有二家可以提供有关品质以及消防安全相关的必要技术文件[30]。在2010年估计不到十年之后,电池价值就会降到当时的三分之一以下[29]

根据美国国家学院在2010年进行的研究,锂离子电池组的成本大约是1,700美元/千瓦·时可用能源,考虑插电式混合动力车-10需要约2.0 kWh,而PHEV-40需要8 kWh,制造商在PHEV-10电池组上的成本约为3,000美元,PHEV-10电池组上的成本则是14,000美元[31][32]麻省理工科技评论估计2020年时电动车电池组的成本约在每千瓦小时225美元500美元之间[33]。2013年 美国节能经济委员会的研究指出电池成本从2007年的1,300美元/kWh降到2012年的500美元/kWh。美国能源部设定其赞助电池研究的目标成本,在2015年时是300美元/kWh,2022年时则是125美元/kWh。电池技术进步以及产量提升带来的成本下降,可以提升插电电动车相较于传统内燃机车辆的竞争力[34]。全世界在2016年的锂离子电池产量对应的电力有41.57 GW⋅h[35]

大部份电动车制造商拒绝讨论有关电池组价格的细节,因此实际成本仍有争议,也有许多的怀疑。不过通用汽车在2015年在其年度全球商务会议上表示:他们预期锂离子电池组的成本在2016年时,会降到145美元/kWh,比许多分析师的预估都要低。通用汽车也预期在2021年底时的成本是100美元/kWh[36]

根据彭博新能源财经(BNEF)2016年2月的研究,电池价格自2010年起跌了65%,自2015年起算,跌了35%,到达350美元/kWh。研究的结论是电池价格的趋势会让大部份国家没有政府补助的电动车,和传统汽车一样,一般大众可以负担。BNEF预计在2040年,长里程的电动车会低于22,000美元(美金币值以2016年的水准为准)。BNEF预计电池价格在2030年时会低于120美元/kWh,随着新化学技术的使用,之后会降的更低[37][38]

电池成本预计比较
电池种类 年份 成本(US$/kWh)
锂离子电池 2016年 130[39]-145[36]
锂离子电池 2014年 200–300[40]
锂离子电池 2012年 500–600[41]
锂离子电池 2012年 400[42]
锂离子电池 2012年 520–650[43]
锂离子电池 2012年 752[43]
锂离子电池 2012年 689[43]
锂离子电池 2013年 800–1000[44]
锂离子电池 2010年 750[45]
镍氢电池 2004年 750[46]
镍氢电池 2013年 500–550[44]
镍氢电池 350[47]
铅酸电池 256.68

[48]

电池里程预计比较
电池种类 预计年份 充放电次数 里程 可使用年份
锂离子电池 2016年 >4000[48] 1,000,000[48] >10[49]
锂离子电池 2008年 100,000[50] 5[50]
锂离子电池 60,000 5
锂离子电池 2002年 2-4[51]
锂离子电池 1997年 >1,000[52]
镍氢电池 2001年 100,000[53] 4[53]
镍氢电池 1999年 >90,000[54]
镍氢电池 200,000[47]
镍氢电池 1999年 1000[55] 93,205.7[55]
镍氢电池 1995年 <2,000[56]
镍氢电池 2002年 2000[51]
镍氢电池 1997年 >1,000[57]
镍氢电池 1997年 >1,000[52]
铅酸电池 1997年 300–500[52] 3

电动车和燃油车的比较

电池研究者Poul Norby在2010年时表示,他相信为了要冲击燃油车辆的市场,锂离子电池的比能要加倍,而价格需从2010年的US$500/kWh,降到US$100/kWh[58]。花旗集团则认为是US$230/kWh。

丰田Prius 2012年版电动车的官网宣称充电后的里程数可到21公里(13英里),电池容量为5.2 kWh,里程及电量比值为4公里(2.5英里)/kWh,而Addax(2015年款)多功能车已可以到110公里(68.5英里),里程及电量比值为7.5公里(4.6英里)/kWh.[59]

电池电动车的里程及电量比值可以到5英里(8.0公里)/kWh。雪佛兰沃蓝达若用辅助动力单元(小的车上发电机)作动力来源,且热效率有33%,预计可以达到50 MPGe,相当于12 kWh的电能可行驶50英里(80公里),每英里需要的电能是240瓦时。

美国能源部长朱棣文估计40英里时程的电池费用会从2008年的美金12000元,降到2015年的美金3600元,在2020年会再降到美金1500元[60][61]。相较于传统的燃油车,锂离子电池锂离子聚合物电池铝空气电池锌空气电池的比能足以高到有够理想的充电后里程数以及充电后次数。

成本考量

各种成本都很重要。其中一个议题是采购成本,另一个则是拥有者的总成本(包括燃料或电力)。2015年时,电动车的初始采购成本比燃油车高,但后续运行的成本较低,在少数的例子中,电动车的总成本比燃油车低。

根据Kammen等人在2008年的研究,若电池价值从US$1300/kWh降到约US$500/kWh,新混合动力车辆对消费者而言有成本上的优势(因电池增加的价格可以用日后持续节省的能源支出中赚回来)[62]

2010年时,日产聆风的电池组生产成本为US$18,000[63]。在聆风上市时,日产的初始生产成本为US$750/kWh(针对24 kWh电池)[63]

麦肯锡季刊在2012年时以五年车辆拥有总成本为基础,连结电池价格以及汽油价值,估计油价的US$3.50/gallon对应电池价格的US$250/kWh[64]麦肯锡在2017年估计若电池组价格到US$100/kWh(约在2030年可以达成),电动车就具有成本上的竞争力,并且预计电池组在2020年的价格为US$190/kWh[65]

通用汽车在2015年10月的年度全球商务会议上预估:2016年时锂离子电池的价格会是US$145/kWh[36]

路程考量

车辆路程考量是指电动车辆在充电后可行驶的里程和一般内燃机车辆的平均值(500公里或310英里)相当,电池的比能需大于1 kWh/kg[66]。里程越长表示电动车辆在不再充电的情形下可以行驶更长的距离。

日本和欧盟的官方在讨论要联合开发先进的电动车可充电电池,以减少温室气体的排放。日本电池供应商GS-YUASA表示,开发一次充电后可以让电动车行驶500公里(310英里)的电池,在技术上是可行的。夏普和GS Yuasa是日本的太阳能厂商以及电池厂商,会因合作而获益[67]

  • AC Propulsion tzer中的锂离子电池单一次充电后可以行驶400至500 km(200至300 mi)[68]。车辆2003年上市时的价格是美金22万元[69]
  • 日本电动车俱乐部用大发Mira配备74 kWh的锂离子电池,创造了电动车单次充电之后,行驶1,003公里(623英里)的世界记录。
  • 超级跑车Rimac Concept One电池容量是 82 kWh,可以行驶500 km,此车是2013年制造的。
  • 纯电动车比亚迪e6电池容量是 60 kWh,可以行驶300 km[70]

细节

内部零件

在电动公车车顶上的电池组
电车卡车e-Force One。电池组在车轴之间

为电动车所设计的电池组很复杂,会依制造商以及特别需求而有许多的变化。不过都包括了许多简单的机械及电子系统,以达到电池组需提供的基本机能。

实际的电池可能会依制造商不同,有不同的化学成份、实体外形以及大小。电池组都是由电池并联及串联整合,以达到要求的电压以及电荷需求。一部电动车中的所有电池组,其中可能包括上百个电池。每一个电池的电压约在3-4伏特,依其化学组成而定。

为了制造及组装方便,这些电池会以较小的数量先整合成模组。几个模组再整合成电池组。每一个模组内的电池都是以銲接方式相联,以提供使用时电流流动的路径。模组也可能加入散热机构、温度感测器及其他元件。大部份的情形下,电池模组也可以用电池管理系统(BMS)来监控电池模组产生的电压[71]

电池组会有一个主保险丝,在短路条件下会限制流过的电路。也有"service plug"或"service disconnect"可以移除,让电池分为二个电气隔离的二部份。在service plug移除后,电池组表面的金属接点不会有高电压,不会造成维修人员的危险[71][72]

电池包中也可能会包括继电器或是接触器,控制各电池包中的供电分布。大部份情形至少有二个继电器,分别接在正端和负端的接头和设备电源之间,让电池可以提供大电流给电动车。有些电池包设计也有透过缓冲电阻提供额外的充电路径,使控制系统充电,或是有额外控制继电器,可提供电源给AUX辅助电源。由于安全考虑,其继电器都是不通时会闭合的。因为安全考量,这些的继电器都是常开型的继电器[71][72]

电池包中也可能有许多温度、电压及电流感测器。从感测器搜集资料,以及驱动电池包中的继电器,都是用电池管理单元(BMU)或电池管理系统(BMS)处理。BMS也负责和电池以外的其他车辆单元进行通讯[71]

充电

电动车的电池必须定期充电。充电的电力来源多半是输电网路(在家中充电,或是用路边或是停车场的充电桩),电力可能是由其他的能源所转换,例如火力发电厂水力发电核动力燃气发电等。不论是家庭用电或是输电网路的能源,也有可能是来自太阳能光伏风能或是微水力发电,这些发电方式的好处是可以减少全球暖化的效应。

若有适当的电力来源,电池在充电速率适当,一小时内充电量低于其电量的一半(0.5 C),电池可以维持较长的寿命[73],因此电池充满的时间最好是二个小时以上,不过就算是较大电量的电池,也可用快速充电的方式充电[74]

家庭充电的充电时间会受到家用交流电源插头与插座的输出功率限制,除非有特殊的电力配线有可能有较大的电力。美国、日本以及其他家用电压是110V的国家,一般家用插头的输出功率是1.5kW。若是像欧洲,家用电压是230 V的国家,可以提供7到14 kW的电力,(单相及三相 230 V/400V,400V是相间电压)。在欧洲,400 V(三相230V)的电网越来越普及,这是欧洲新住宅因为安全规定不会有天然气管线,因此需要的电力也就比较大。

充电时间

特斯拉Model SRenault Zoe宝马i3等电动车,可以在快速充电站内30分钟将电充到80%[75][76][77][78]。例如Tesla Model 3 Long Range若是用250 kW的Tesla Version 3 Supercharger充电,电量从2%开始充电,对应里程6英里(9.7 km)),可以在27分钟内充电到80%,对应里程240英里(390 km)),相当于充电一小时后可以行驶520英里(840公里)[79]

连接器

充电设备可以用二种方式进行充电。一种是直接用导体连接充电设备和电动车,称为传导式耦合,此作法可以简单到像将有市电的插头接到防水的插座中,电线是可承受高电流的导线,且接头有绝缘,避免使用者误触高压电。现在的有线充电标准有美国的SAE J1772(IEC 62196,第一类)。欧洲汽车制造业协会(ACEA)选择了VDE-AR-E 2623-2-2(IEC 62196,第二类)。

另一种作法是无线充电。会将无线充电座放在车的特定位置,充电座中有变压器,车的特定位置也有变压器。无线充电座置入后形成封闭的磁路,因此可以提供电力和电池组。有一种无线充电系统[80]是将一个绕组放在车的下方,其他的则在车库的地上。无线充电的好处是没有裸露的导体,因此没有电击伤的风险(不过有线充电配合互锁机制,特殊的连接器以及接地漏电保护插座,安全程度也相近)。无线充电将部份充电元件放在车外,因此可以减轻车重[81]。在一份丰田汽车提出的无线充电资料中,他们指出无线充电和有线充电的总成本差异不大,不过在福特汽车提出的有线充电资料中,有线充电比较有成本优势[81]

充电设备

截至2020年4月年,全世界有93,439个地方有充电站,共有178,381个充电椿[82]

充电前可以行驶的里程

电动车可以行驶的里程和使用电池的种类及数量有关。车辆的车型及重量,以及地形、天气及驾驶者的省油技术会影响传统内燃车车辆的行驶里程,也会影响电动车的行驶里程。电动汽车能量转换的性能也会受到许多因素影响,包括电池的化学:

  • 铅酸电池是最普遍以及最便宜的电池,每颗大约可以对应里程30至80公里(20至50英里)。使用铅酸电池的电动车每次充电最多可行驶到130公里(80英里)。
  • 镍氢电池的比能比铅酸电池要高。原型的电动车可以行驶到200公里(120英里)。
  • 使用新生产锂离子电池的电动车,每次充电可以行驶到320–480公里(200–300英里)[83]。锂的价格也比镍要便宜[84]
  • 镍锌电池的价格较镍镉电池低,重量也比较轻。镍锌电池也比锂离子电池便宜,但重量比较重[85]

有些电池在低温时,其内阻会显著上升[86],因此会造成电动车里程的显著降低,电池寿命也会明显减少。

对电动车的制造商而言,如何在里程及性能、电池电量以及重量、电池种类及价格之间取舍,是非常困难的问题。

配合交流系统或是进阶的直流系统,再生制动将能量再储存回电池,可以在没有完全停车的极端条件下,延长50%的里程。若是在都市驾驶,可以延长10%至15%的里程,在高速驾驶下,延长里程很短,几乎可忽略。

电池电动车(包括公车及卡车)若在特殊情形下,希望充电后有较长的行驶里程,但平时只要短程行驶,又不希望因此增加车重,可以加挂拖车发电机动力拖车。已放电的拖车可以在路途中更换为充饱电的拖车。

有些电动车可能可以搭配内燃机拖车,变成混合动力车辆

电池拖车

电动车也可以加装电池拖车(trailer),上面有额外的电池组可以供电,此作法可提升整体的行驶距离,但也会增加阻力造成的损失,增加重量转移效果,减少循迹性能力。.

电池交换以及移除电池

另一种取代充电的方式是将没有电(或几乎没有电)的电池换成已充饱电的电池。这称为电池交换,也简称为换电,一般也会有专门的设备(换电站),可以取下设备中已充饱电的电池,换为车上没有电的电池[87]。台湾的Gogoro机车估计在2020年会有将近二千座换电站[88]

换电站的好处有[89]

  1. 顾客不需考虑电池的成本、寿命、技术、保养以及保固问题
  2. 换电池比充电要快,Better Place公司开发的电池更换设备,自动换电池只需要60秒[90]
  3. 换电站可以增加电网中的分散式能源储存。

换电站的缺点有:

  1. 诈骗的风险(电池品质需要透过一个完整的放电周期才能得知。电池寿命需要透过反复的充放电才能知道。换电站除非有电池的充放电资讯,很难知道收到的电池是否有损坏,品质及效能情形,而且电池的品质会随时间而变差,因此系统中品质不好的电池可能会日渐增加。)
  2. 制造商没有意愿将电动车电池取得及实现的细节标准化[91],因此不太容易出现跨厂牌的电池换电站。
  3. 安全考量[91]
  4. 换电站需将旧电池取出,再换上新电池,若电池重量或体积较大,又没有自动化设备,不太容易进行。

重新装填

锌-溴电池可以用加入液体的方式增加电力,不需透过连接器充电,可以节省时间。

电动车电池的生命周期

接近生命周期尾声电池的再利用

电动车电池的生命周期若已接近尾声(其充放电能力已经减退,不适合电动车供电用)可以用在其他的应用中,例如公车的电池组、大楼的备用电源、家庭备用电源、太阳能发电或是风力发电机的供电稳定装置、电信中心以及资料中心的备用电源、叉车供电、电动摩托车以及机车的电源等[92][93][94][95]。电动车电池的降级回收再使用需要专门的逆向物流。Alexander Kupfer在奥迪汽车负责可持续产品管理以及循环经济,曾提到需要开发「共用的接口介面,让固定式的能源管理系统可以控制电动车的电池。」这类的介面可可以提供储存管理系统通讯的介面,不受电池厂牌的影响。需要和电源储存设备的供应商共同开发此一介面。

太平洋瓦电公司(PG&E)曾建议电力公司可以购买用过的电动车电池,作为电源备援以及负载调控用。他们提到这些电池可能不适合用在电动车上,但残余电量仍有相当的量。

使用年限

电动车电池在应用时,会用数个电池,依需求的电压安培小时组成电池组,提供所需要的能量。电动车的车池会慢慢老化,有可能会需要更换,在考虑电动车主的延伸成本时,需要考虑其使用年限。其老化速率和很多因素有关。

电池放电深度是电池在可以达到其额定充放电周期的条件下,建议放电的比例。深周期铅酸电池的放电深度建议不要超过20%。

在实际应用中,有使用镍氢电池Toyota RAV4 EV,已行驶超过100,000英里(160,000公里),电池的老化不太明显[96]

和镍氢电池比较,锂离子电池比较脆弱,就算没有使用,其储电能力也会渐渐减退。镍氢电池的储电能力不太容易降低,考虑储电能力,其价格较相关储电能力的锂离子电池便宜,但重量较重。

依照供应商的资讯,磷酸铁锂电池在放电深度到70%时,仍可以充放电5000个周期以上[97]。比亚迪是全世界最大的磷酸铁锂电池电池制造商,已开发了许多针对深周期应用的电池。这类电池有用在电池储能电站中。在充放电7500个周期,放电深度85%的条件下,在放电率为1 C的条件下,其容量仍有80%,若每天充放电一次,充放电7500个周期约可以对应20.5年。

回收

电动车电池到了其生命周期的末端时,可以再用在其他应用中,也可以回收。随着国际电动车市场的成长,美国能源部已经有研究计划在研究如何回收用过的电动车锂离子电池。目前在研究中的回收方式有:火法冶金(还原为元素)、水法治金(还原至组成金属)及直接回收法(在维持原始材料结构的情形下,重新建立其电化学的特性)[98]

汽车对电网

智慧电网让电动车也可以提供能量给供电网路(汽车对电网、Vehicle-to-grid、简称V2G)、所在大楼(车辆对大楼供电、vehicle-to-building、简称V2B)或家庭(车辆对家庭的供电、Vehicle-to-home、简称V2H),尤其是在以下的情境:

  • 用电尖峰时。此时的电价会比较贵。电动车可以在此时供电给电网,在离峰电费较便宜时再将电动车充电。电动车就类似分散式的备用储能系统。
  • 停电时,电动车可作为家中备用电力的来源。.

安全性

纯电动车的安全议题大部份在国际标准化组织的ISO 6469标准中有规范[99]。该标准分为三个部份:

  • 车上的电能储存(电池)
  • 机能安全的作法以及避免失效的防护
  • 保护人员不会受到电力相关的危害

消防员及救难人员在面对电动车或是油电混合车的事故时,由于其高电压以及其化学物质特性,需要额外的训练。纯电动车的事故可能会出现一些其他车祸不会出现的问题,例如因为电池快速放电产生的火焰以及烟,不过很多专家同意一般已上市的纯电动车是安全的,在后端碰撞时也是安全的,相较于油箱在后方的燃油车而言,电动车比较安全[100]

性能测试

电动车电池的性能测试一般会包括以下几项:

  • 电量状态(SOC)
  • 电池健康状态(SOH)
  • 能量效率

性能测试会依车商(OEM)指定的条件,模拟纯电动车、油电混合车以及插电油电混合车的负载变化,测试电动车电池的性能。测试时,也会将电池依其要求条件进行冷却,再控制其车内的环境温度。

也有些测试会用可控制温度、湿度的测试chamber,在测试时模拟环境条件,并且可以模拟温度以及环境条件的变化。

专利

电动车电池的专利有可能用来抑制电动车电池的开发。例如,有关在车内使用镍氢电池的专利是由传统燃油车公司雪佛龙旗下的分公司所有,对于任何想要购买或是授权镍氢电池专利的公司都一律反对[101][102]

相关研究

到2019年12月为止,全世界已有上千亿美元的研究计划要提升电池的性能[103][104]

欧洲在电动车电池的开发和生产上有大量的投资,印尼也计划在2023年生产电池,邀请中华人民共和国格林美股份有限公司(GEM)以及宁德时代新能源参与投资[105][106][107][108]

双电层电容器

有些车辆会使用双电层电容器(也称为超级电容器)作为动力来源之一,例如AFS Trinity的概念车。因为其比功率大,可以快速储存需要的能量,可以让电池维持在安全的电阻发热范围内,也可以延长电池寿命[109][110]

目前已贩售的双电层电容器比能较低,目前在已量产的电动车中,没有任何一款电动车用双电层电容器作为唯一的能量来源。

特斯拉的CEO伊隆·马斯克在2020年1月提到:由于锂离子电池的进步,电动车已不需要使用双电层电容器[111]

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外部连结

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