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以電代油的呼聲──電動車電池發展概況

2004/04/05 經濟部能源局 點閱人次: 269

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▓撰文:夏宗義

地球能源的合理使用,無疑以電能為最佳選擇,它可從多種的物質轉換中取得,是較經濟而又安全的能源。目前的交通工具大多使用石油的提煉品做為內燃機能量來源,在二次能源轉換過程中,除了排放大量的廢氣外,並無法取得較佳的能源使用率;且經專家之研究報告指出:「全球石油能源預計將可再提供40年」,因此必須再開發其他能源以利多元化發展,而電能則是現在較佳的選擇之一。

由於可產生電能的來源甚多,除以化石燃料生產外,尚可使用風能、水力、太陽能、地熱、潮汐等發電,可說範圍相當廣泛,具分散性;且由於能源短缺、環保意識高漲、要求低污染、低噪音,以及再加上電能來源較為廣泛等因素影響下,電動車於是因應而生,在永續概念推波助瀾之下已成為21世紀全球重大工業發展之一。

電動車輛之定義與分類

電動車輛係以電力為行駛動力來源,依其使用特性分類有:可在一般道路上行駛的電動車,例如電動機車、電動汽車、電動巴士等,以及必須在特定地區或場所中行駛的電動車,例如電動高爾夫球車、電動搬運車、電動代步車。

電動車主要是以「以電代油」驅動動力系統之交通運輸工具,其關鍵技術包括車體、電池、電動馬達、控制器、傳動力系統以及充電器等六大系統。我國政府已將電動車明定為重點發展產業,近年來已投資近百億元於電動車技術研發、生產與產業推動。然而至今電動車最大的瓶頸仍在於電池、車輛各系統的匹配、馬達傳動系統的改善、行銷策略與整體使用環境的建構等問題,其中尤以電池突破為迫切且最有發揮空間。

電動車電池產業發展現況

電池為電動車動力來源,目前用於電動車的可充式二次電池有鉛酸(Lead Acid)電池、鎳鎘(Nickel cadmium)電池、鎳氫(Nickel Hydrite)電池和鋰電池(Lithium)。若以各式二次電池之特性來做比較,鉛酸電池為發展最早、生產最為成熟而且已達到量產階段,因此製造成本相對較低,且其具有瞬間放電強、使用溫度範圍廣的特點,然而鉛酸電池在能量密度、體積、重量和循環壽命等性能則顯得略遜一籌。至於鎳鎘電池則具有充電記憶效應,且鎘的毒性強,會造成環境污染,將為重視環保議題的歐美國家所禁用。

此近十年來,全球主要電池廠轉而開發質輕、性能高、符合環保主張的鎳氫電池或鋰電池,不過相對而言,該類次世代蓄電池的技術未臻成熟、價格偏高,鎳氫電池在高溫時自放電率會增高,造成電容量下降之缺點;至於鋰電池則因內含鋰活性物質,易產生化學作用,遇火、氮、酸或氧化劑時,可能會有爆炸或著火危險等安全性議題,此為享受鋰電池高工作電壓(3.6V)、高能量密度、工作溫度區間大等優點之餘所需克服之技術挑戰。

純電動車的發展,受限於充電環境及電池的性能上仍有許多待克服的地方,所以在電動車發展的近程目標上,主要是以燃油引擎與電動馬達兩種不同驅動系統的混合式電動車(Hybrid Electrical Vehicle)為主。混合式電動車在車輛啟動或低速行駛時,使用純電動系統做為車輛的驅動模式,而在高速或爬坡時則改用燃油引擎來做為傳動模式,而當電池電壓下降時,車輛電腦就會啟動燃油引擎來繼續行程,這樣就可以即時解決無法立即充電的問題,而且還可以節省燃料消耗達30%。

而新一代太陽能電動車用電池板,則是利用太陽能的輻射光能轉換成電能的新能源載具,但由於太陽能電池板的光電轉換率不高,約為14~26%左右,因此需使用體積較為龐大的電池陣列組,才能符合實際上路的需求,不但生產成本高、車體體積龐大,也容易給人既「貴」 且「重」的印象。

而燃料電池是用汽油、酒精、天然氣、氫氣、沼氣等燃料轉換成電流的一種發電方式,簡單來說燃料電池就是一座發電機,其作用原理是以氫氣為燃料和氧氣經電化反應後,透過質子交換膜(PEM)來產生電能,其具備的優點為發電效益高(50~80%)、低污染、無噪音、免充電時間、燃料來源廣等優點。但由於燃料電池的關鍵組件質子交換膜仍屬於開發公司的專利權,故其技術層面仍無法量產普及化。

替代的競爭空間

目前幾種開發中的高性能電池,其所能提供的能量或功率已大致可符合電動車電力系統的需求,所以今後電力系統的開發和車輛製造業者更應能更密切的配合,以期這些高性能電池經由系統的整合,成功的應用在電動車上,使電動車的性能推昇至可與燃油引擎車相競爭,進而在不需要政府的政策協助下,依市場的自由競爭機制下,逐漸取代使用傳統化石能源之燃料車。(作者就讀於高雄師範大學工業科技教育學系)


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