開拓汽車新時代 環保電動車大放異彩

作者:Kang   |   2016 / 09 / 26

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Jayroz


在環境保護、節能減碳意識逐漸高漲的年代,過多的汽機車排碳量,已是各國政府(尤其是已開發國家)致力改善的環境汙染之一。

除了各國政策的推廣,2015年9月驚爆福斯柴油車廢氣檢驗造假案,讓大眾再次檢視內燃機所引發的環保議題,也帶動了新能源車的加速發展,尤其是近年的當紅寵兒電動車,更是備受矚目。

電動車的運作方式

純粹從外觀上來看,電動車和一般內燃機引擎車並沒有什麼差異,但是只要打開電動車的「引擎蓋」,就能發現車殼裡的內裝大不相同。內燃機的引擎蓋裡遍佈密密麻麻的不同管線,分別輸送油、廢氣、水等物質;電動車雖然也由大量管線連接各個系統,但管線所輸送的全都是電能或電力訊號,也因為幾乎全由電力管線組成,它在組裝時能夠彈性的安排各裝備的分佈位置。

要發動一台電動車,我們首先要回答電力從哪來?電動車的能量來源是透過外部裝置(充電站)連接上汽車的充電器,儲存於電池模組中。當駕駛踩下油門發動時,油門會連接到一對可變電阻,這對可變電阻會根據油門深淺改變電阻值的大小,並傳送給馬達控制器。控制器接收訊號之後,會控制馬達輸出轉速、轉矩或減速給傳動機構(輪胎),這時候輪胎就會與地面產生相對運動,推使汽車前進。

電動車的種類

電動車大致可分為三類,包括以豐田汽車為代表的油電混合車(HEV),以及插電式油電混合車(PHEV),和TESLA領頭的純電動車(BEV)。

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1. 油電混合車(HEV,Hybrid Electric Vehicles):同時搭載電池、馬達與燃油車所需的傳動系統,所以重量較一般傳統燃油車重,如豐田熱賣的油電混合車Prius與相同等級的1800cc引擎車Altis相比,還要重上一百多公斤。主要設計是讓引擎與馬達可以同時運轉,以藉此降低引擎的耗油速度,或是在需較多動力如爬坡時,可透過電動馬達加以輔助以避免浪費過多的燃油,而電池充電方式則是以引擎發電和回收煞車時的能量,並無外接充電裝置。

2. 插電式油電混合車(PHEV,Plug-in Hybrid Electric Vehicle):整體構造如同HEV,但使用更高容量的電池,並可外接一般市電充電,在短程市區中行駛時,完全以馬達驅動,不會產生任何廢氣,只有在電池電量低或長程行駛下,才會啟動引擎。因可外接充電故稱插電式油電混合車,如Chevrolet Volt、BMW i8、Porsche Panamera S E-Hybrid、以及Mitsubishi Outlander PHEV、中國比亞迪秦等。

3. 純電動車(BEV,Battery Electric Vehicles):只有電池與馬達,沒有燃油車的引擎與傳動系統,純靠電池電力運轉,完全不會有任何廢氣產生,故電池技術為整台車能否續存的關鍵,除了知名的TESLA之外,Nissan Leaf 、BMWi3、中國比亞迪的 E6皆是BEV。

電動車的內部構造

一台純電動車的結構因為全由電力輸送,和內燃機引擎車也有許多差異。在一輛電動車內,電池模組是最重要部分,佔了整車成本約20~50%,其中純電動車可高達60%;其次就是動力系統(馬達/控制器/變頻裝置等),大約有10~20%。為了更全面的瞭解電動車,接下來將深入拆解電動車的構造,介紹電動車的重要系統組成:

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電動車和傳統汽車的成本結構比較

1. 電源及儲能系統

電源系統是汽車的能量來源,其地位就如菠菜之於大力水手卜派,吃得夠才有力氣、吃不夠就病懨懨。一輛電動車的電源系統主要包含了蓄電池模組、電池管理系統及充電器等,其中,蓄電池的選擇目前多以鋰離子電池為主,它的品質是電動車能否順利運行的關鍵因素,主要會由幾項標準來評定:

  1. 能量:單位電池能儲存的電量多寡(W‧h/kg),影響汽車品質和行駛的里程數
  2. 能量密度:單對電池體積所能儲存的電量(W‧h/L),決定了電池的尺寸
  3. 功率:單位電池所能輸出的功率(W/kg),決定了汽車的性能,包含加速性、爬坡能力及最高車速
  4. 功率密度:單位電池體積所能輸出的功率(W/L)
  5. 迴圈壽命:充、放一次電形成一個迴圈,迴圈壽命為更換電池前所能運轉的迴圈數量,壽命短則需增加更換電池的維修費用

從上列五點可看出:蓄電池的品質主要看兩個方向,分別是「CP值」和「性能」。電池要在越小的體積儲存越多能量、輸出的功率越大越好、並且壽命長,以使得汽車不需隨時擔憂電力告罄也能輕鬆上山下海,滿足動力需求和行駛里程數。

在電池的安裝方面,有些車廠為了獲得較多的電量容積,會將電池體積做得非常大,但如此一來也增加了安全風險,因此有些廠商改以集中式、小體積的電池組成模組來分散風險,但這樣電池的生產成本也會增加。Tesla則是採用Panasonic的圓柱形電池,以分散式、小體積的方式搭配液體冷卻系統分佈於車體上,使車輛有辦法支撐起來,一台Model S上就安裝了6000多顆鋰電池,可說是Tesla獨特的電池戰略。

不同的電動車種類著重的地方也會有所不同,HEV因為有兩個以上的動力來源,著重的是能量轉換的效率,設計時會以功率為主,以整體能量損失最小、系統效率最大化為目標;PHEV則須兼顧純電能與混合動力兩種模式,電池容量比HEV大但比BEV小,對電池系統的要求介於兩者之間;BEV因為純電力發動,要具備最充足的能量與容量,因此會聚焦於電池的能量密度。

電池管理系統則是以電池控制器(Battery Control Unit, BCU)為主要的控制中樞,它除了負責電源的散熱系統運作,也會隨時偵測電池的電壓、溫度及容量的變化,將數據傳給其他控制器,做及時調整,並讓駕駛充分掌握狀況。另外,還有一項重要的控制元件-繼電器,功能類似煞車,可以在發現充電狀況異常時,透過控制器下達指令給BCU,進而執行斷路與漏電安全防護動作。

2. 驅動系統

電動車的驅動系統好比電影裡駕馬車時甩下的那條鞭子,鞭子甩下後馬兒便會奮力往前跑。驅動系統包含動力馬達(Traction Motor)、馬達控制器(Motor Controller)及功率轉換器等,主要是透過馬達控制器將來自電池模組的電能透過馬達轉換為機械能。

一般來說,動力馬達又可依照電流種類分成直流馬達與交流馬達兩種。直流馬達是在90年代最常被使用於電動車的馬達,原因是技術相對成熟、啟動時驅動力較大而且操作簡單,它的電流需要經過換向器才能持續轉動,但換向器會產生電火花、容易燒蝕,維修成本高。後來新出產的無換向器直流無刷馬達改善了這個缺點,因為結構簡單、運行成本低且維護方便,目前在電動車的應用也與日俱增,寶馬的BMW EI就是用這種馬達。

但目前應用最廣泛的還是交流馬達,原因是交流馬達具備「再生制動」功能,可以在踩煞車時,將馬達當成發電機,運用煞車時的制動力發電並向電瓶充電,形成循環回充的效果,可以讓能量使用得更有效率。直流馬達雖然也可具備這種功能,但需耗費龐大成本改裝。

目前電動車輛上最常使用的交流馬達是感應馬達與永磁馬達,方法是由馬達控制器將來自電池模組的直流電轉換成交流電來驅動馬達運轉。感應馬達的優點是當它採用變頻調速時,可以省去複雜笨重的機械變速器,實施無級變速,大大增加傳動效率,Tesla、Nissan都是用這種馬達。永磁馬達是以永久磁鐵來取代銅質繞線,它可以省去電刷和滑環,而且不會產生繞線的銅損,比感應馬達的效率更高、體積更小,但因成本也較高,目前多用於油電混合車的輔助,主要的應用廠商為Honda、Mitsubishi。

除了以上兩種系統,電動車也包含非常多的周邊輔助設備。例如在車體及底盤結構方面,因為配載電池體積龐大、負荷重,需要更輕量化的車體構造。其他附件系統包括:電控轉向系統(EPS)、電控煞車系統(EMB, EPB)、冷卻系統等則是相應需要從機械傳動改成電力控制的設備,而因為各系統間幾乎是以電線連接,這些線纜組成的控制線組也是其中一項關鍵技術。除了以上這些系統能幫助達成更好的操縱性,也有一些系統例如導航、照明與除霜、空調系統等是設計來提升乘員的舒適度,在此便不贅述。

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據統計2015年電動車銷售前三名依序為中國大陸(18.8萬輛)、美國(11.5萬輛)與荷蘭(4.3萬輛),其次依序為挪威、英國與日本。美國加州州政府就預計在2025年零碳排車輛(Zero Emissions Vehicle)達加州新車銷售的15.4%,如果以加州全年150萬的汽車銷售量來看,ZEV車款銷售將達23萬輛。而發展潛力最被看好的中國大陸,其政府更祭出多項措施支持發展,目標將於5年內建設出滿足超過500萬輛需求的充電基礎設備,並推動充電設施標準化。

純電動車的趨勢能否化為市場主流取決於電池技術的突破,以及解決里程焦慮問題的充電站。另一方面在各國大力推動電動車時,豐田推出技術大躍進的氫燃料電池車且開放其技術平台,期望一呼百應,將氫燃料電池車推向高峰,但目前看來,短時間內電動車還會是新能源車中最閃亮的那個星。

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Kang
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