電動車輛發(fā)展概況介紹

1、<電動車輛發(fā)展概況介紹>電動車輛無法在短時間內(nèi)取代原有內(nèi)燃機(jī)車種的最主要原因不外乎以下三項：(1) 車輛的價格：由於電動車的發(fā)展尚在起步階段，許多研發(fā)的成本加上製造的數(shù)量，均無法與動輒年產(chǎn)百萬的大汽車廠相比擬，因此在購車成本上亦相對提高。(2) 車輛的性能：由於目前並未發(fā)展出成熟性的高效率電池，以提供車輛裝載大功率馬達(dá)、提昇整體續(xù)航力、及短時間的能源補(bǔ)充等，因此仍無法與一般機(jī)動車輛的性能互相抗衡。(3) 能源的補(bǔ)充：電動車輛補(bǔ)充能源的唯一方式為充電，但是相對地充電設(shè)備必須與目前的加油站相當(dāng)，具有一定的商業(yè)規(guī)模，並配合高效率電池的開發(fā)，降低充電的時間，方能符合現(xiàn)代生活的需求。除此之外

2、，電動車輛大量生產(chǎn)後，車上零組件的回收問題，尤其是電池，更成為未來環(huán)保工作上必須面臨的重要課題。有鑑於此，目前在發(fā)展電動車輛的同時，即應(yīng)將周邊設(shè)備與社會規(guī)模同時考量，逐步推廣以鼓勵民眾購置，並規(guī)劃長期目標(biāo)，以避免空氣污染改善完成後，另一種型式的污染問題又產(chǎn)生。有關(guān)於電動車的種類，可歸納成純電動車(Electrical Vehicle，EV)、混成電動車(Hybrid Electrical Vehicle)以及燃料電池電動車(Fuel Cell Vehicle)等三種，其中混成電動車屬於現(xiàn)階段過渡性的產(chǎn)品，但是為何需要這樣的過渡性產(chǎn)品呢?談到電動車就不得不談到電池，目前熟知的電池種類分別有鉛酸電

3、池(Lead/Acid)、鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)及鋰離子電池(Li-ion)等。然而不論為何種電池，其反應(yīng)原理均是使用電化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到能量的儲存與釋放。一般電池的構(gòu)成有四大要素，分別為正極(Anode)、負(fù)極(Cathode)、電解液(Electrolyte)與隔離物(Membrane)等，其中正負(fù)極通稱為電極(Bipolar)，而電極及電解液的材質(zhì)成為電池特性的重要指標(biāo)。以我們常用的鉛酸電池為例，其正負(fù)極分別為二氧化鉛及鉛板，電解液為稀硫酸(濃度約27 39%)。基於各種不同電池化學(xué)反應(yīng)所對應(yīng)出的特性，無法如內(nèi)燃機(jī)般產(chǎn)生穩(wěn)定的機(jī)械輸出，因此純電動車的發(fā)展亦受到此一層面

4、的限制，必須有相當(dāng)優(yōu)良的材料組合方能發(fā)展出高效率又通用的電池。因此為有效提高電動車的使用率，混成電動車於焉產(chǎn)生?；斐呻妱榆嚨脑韨S在車上裝載一具發(fā)電及動力輔助專用之內(nèi)燃機(jī)，以進(jìn)行充電或其他必須之動力輔助，如冷氣壓縮機(jī)或煞車空壓系統(tǒng)等，故實用性較高，為電動車輛發(fā)展過程中過渡性的產(chǎn)品。目前已經(jīng)應(yīng)用於潛艇上，即一般俗稱之柴電潛艦，其配置一組發(fā)電專用柴油引擎，以提供電力予電動馬達(dá)產(chǎn)生動力，並進(jìn)一步降低行駛的噪音，達(dá)到軍事目的。而應(yīng)用於車輛上的混成電動車可分為兩種不同的系統(tǒng)，說明如下：(1)平行式混成系統(tǒng)(Parallel Hybrid)：本系統(tǒng)所配置的方式與時下一般車輛較為類似，有如增加電池的數(shù)量，並

5、縮小內(nèi)燃機(jī)引擎的汽油車。另外具備一組電動馬達(dá)，當(dāng)車輛起步或於市區(qū)行駛時，可以電動馬達(dá)作為動力來源，如圖二所示，當(dāng)車輛進(jìn)入高速穩(wěn)定階段後，引擎方啟動以提供輔助的動力源，多餘的發(fā)電力並回充至電瓶內(nèi)，因此車輛必須有良好的控制系統(tǒng)，以提供行駛中車輛最佳之動力參數(shù)，並能同時有效降低污染。此型車多應(yīng)用於小型車，目前國內(nèi)亞太公司所生產(chǎn)的電動車即為此一系統(tǒng)。(2)連續(xù)式混成系統(tǒng)(Series Hybrid)：如之前所提到的柴電潛艦，本系統(tǒng)所配置的內(nèi)燃機(jī)引擎僅作為發(fā)電機(jī)，以提供電動馬達(dá)與蓄電池電力，並不提供作為車輛前進(jìn)之輔助動力。另外亦可依車種及地區(qū)性安裝冷氣壓縮機(jī)或煞車空壓系統(tǒng)等，此型車多用於大型車輛，目前行

6、政院環(huán)保署將於88年中引進(jìn)的電動公車即為此類型車種。在國外相關(guān)文獻(xiàn)上，亦有將燃料電池視為混成電動車的一種，係基於燃料電池能夠源源不斷地供應(yīng)電能予電池的特性。燃料電池反應(yīng)的原理與一般電池十分類似，將儲存於燃料中的化學(xué)能，不經(jīng)過燃燒程序而經(jīng)由電化學(xué)的程序釋放出來，而氫氣是目前被使用在燃料電池上，最普遍的電極反應(yīng)物。一般電池的電極均採用特定反應(yīng)材料，由於反應(yīng)後產(chǎn)生副產(chǎn)物，將原電極物質(zhì)覆蓋，以致於必須進(jìn)行充電還原。然而燃料電池的電極卻只是一種催化劑，作用原理如圖四所示，以多孔性碳石墨電極表面上塗有鎳、銀或鉑作為催化劑，當(dāng)源源不斷的氫氣通過負(fù)極(-)時，受到催化劑的作用，氫原子中的電子與質(zhì)子分開，通電時

7、電子流自負(fù)極流出，經(jīng)過動力單元後回到正極，與氧氣結(jié)合形成帶負(fù)電氧分子(2O2-)，該分子再經(jīng)由催化劑的催化作用，立即與通過電解液(如氫氧化鈣)介面(PEM)，且?guī)д姷臍滟|(zhì)子結(jié)合成為水，化學(xué)反應(yīng)式如下：PtPt陽極(-)：2H2+4OH-4H2O+4e陰極(+)：O2+2H2O+4e4OH-Pt淨(jìng)反應(yīng)：2H2+O22H2O由上述淨(jìng)反應(yīng)式得知，氫燃料電池放電反應(yīng)時並不消耗電解液(OH-)，且電極亦不會有反應(yīng)或消耗，只要?dú)渑c氧能夠不斷供應(yīng)，相對地電源亦源源不斷。相對於內(nèi)燃機(jī)，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高(理論70%以上、實際可超過40%)，燃料轉(zhuǎn)換後的產(chǎn)物為水，因此不會造成空氣污染。另外亦有以甲醇作為

8、燃料電池的電極反應(yīng)物，相較於氫燃料電池，甲醇作為燃料電池較氫方便許多，主要是因為甲醇在常溫常壓下即為液態(tài)，容易儲存與運(yùn)送，可如同汽油車一般在普通加油站補(bǔ)充能源，因此亦是各國研究的對象。但是在電化學(xué)反應(yīng)上，甲醇燃料電池的反應(yīng)卻不如氫燃料電池的反應(yīng)般符合現(xiàn)行的要求，其反應(yīng)式如下：CH3OH+O2CO2+H20縱觀上述反應(yīng)式，甲醇燃料電池在反應(yīng)過程中仍會製造出二氧化碳是其缺點(diǎn)，另外在25的環(huán)境下，其理論放電電位亦較氫燃料電池低許多，氫燃料電池的放電電位為1.23V，而甲醇燃料電池僅0.5V。另外亦有將甲醇轉(zhuǎn)換成氫後，再供應(yīng)作為氫燃料電池的作法，如此則可兼具使用甲醇與氫兩者共同有利的特性來發(fā)揮。日本豐

9、田汽車公司發(fā)展出一款以甲醇為燃料的小型客車，使用一般的油箱，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換程序前先將甲醇與純水混合，經(jīng)觸媒反應(yīng)後產(chǎn)生氫氣，然後進(jìn)入燃料電池中進(jìn)行反應(yīng)，如圖五所示。類似的方法亦可應(yīng)用於甲烷(天然氣)、汽油或聯(lián)氨(Hydrazine)等氫化合物中，以作為反應(yīng)的能源。若僅設(shè)計用純氫氣反應(yīng)則車上必須安置高壓容器，在負(fù)載過程中逐步地將氫氣釋放出來，然而由於氫氣為相當(dāng)不穩(wěn)定的氣體，因此裝載上其安全性需進(jìn)一步加強(qiáng)。無論如何，燃料電池的高效率、能源轉(zhuǎn)換特性及電動車體的搭配性等，應(yīng)是未來邁向新車輛工業(yè)過程中一項重要的里程碑?；蛟S可預(yù)見的將來，以燃料電池為主的車輛可改善電動車的動力性能，提昇續(xù)航力，並逐漸取代現(xiàn)有機(jī)動車輛在此方面表現(xiàn)，成為二十一世紀(jì)車輛動力的明日之星。表一：各種電池特性分析電池種類鉛酸電池(SLA)鎳鎘電池(Ni-Cd)鎳氫電池(Ni-MH)鋰離子電池(Li-ion)高分子電池(Li-Polymer)正極PbO2NiOOHNiOOHLiCoO2LiCoO2電解液H2SO4KOHKOHLiPF6PVDF負(fù)極PbCdMH(H)CC能量密度(Wh/kg)3040606080100150200基本電壓(Cell voltage)2V1.25V1.25V3.6V3V自我放電率(月)5%20%