電動車發展的關鍵因素 鋰離子電池+充電站

作者:Cheryl   |   2016 / 09 / 30

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Lisa


鋰離子電池早期應用不廣,直至1992年Sony成功開發出新的電解液,改善了電池的充放電次數及安全問題,首個商用鋰離子電池才正式推出。其後,因鋰離子電池具重量輕、容量大及無記憶性等優點,逐漸成為電池產業的研發重點,開始被廣泛地應用於消費電子產品。

鋰離子電池發展多年以來多半仍集中在高價值的3C產業,較少被應用於市場規模更大的儲能和動力電池市場,如純電動車、油電混合車、中大型UPS(不斷電供應系統)、航太設備與飛機用電池等領域,主要在於正極材料成本偏高,且應用於車子這類的行動裝置上,因安全性仍不足而遲遲無法有所進展。

直至近期的發展,如經過技術改良的三元電池,以及更安定的正極材料磷酸鐵鋰被發現等,都使鋰離子電池應用於動力電池市場有新的突破,電動車產業電池發展方向似乎也由鎳氫電池(Ni-MH battery)轉而以鋰離子電池(Li-ion battery)為主,從以往做3C產品頂多4~6顆的電池,到一輛電動車將使用7000顆以上的需求下,鋰離子電池產業將有一波前所未有的大爆發。

鋰電池市場

根據ITT指出2013年電動車對鋰離子的需求量已明顯的翻倍成長,2016年的需求量年複合成長更將超過120%。美國運輸產業研調機構Navigant Research亦預測,全球車用鋰離子電池市場,將從2013年的32億美元,成長至2023年的241億美元。

電動車續航力受限於電池儲存容量,各電池廠正在積極開發期望突破目前限制,若能提升效能、降低成本等,將有助於電動車的普及。

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鋰電池種類

廣義的可充電鋰離子電池是指由石墨為負極,鈷、錳或磷酸鐵等為正極,以及一種用於運送鋰離子的電解液所構成。依正極材料目前電池的主要種類,如下表:

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充電站

要使電動車成為一項完整產品,我們必須探討其所搭配的充電建設。

充電設備的普及程度與充電速度是消費者購買電動車時考量的重要因素,而與這兩項因素相關的就是充電系統成本、與電力公司的配電建設。若希望提升充電速度,伴隨的是設備成本與對配電建設的要求,而充電站的成本又直接影響著充電站的普及程度,這之間的彼此抵換關係是電動車業者需要思考的充電裝置市場。

由於充電站建設成本高、收益低、營利難,難以吸引投資建設者,目前充電樁的建設主要依賴政府和車廠投資,如中國政府大力扶植電動車產業,更於2015年祭出一連串政策,其中包括新建住宅停車位營建或預留安裝充電設施的比例應達到100%,大型公共建築物、公共停車場不低於10%等等。

欲提高電動車的普及度仍有些問題須克服,且這不是單一個案,各國都正面臨相同課題。要讓使用者將汽車換成電動車,必須拿出的當然是不影響使用者原有習慣或者比現在汽車加油還要更便利的充電解決方案。

2014年TESLA進軍中國,CEO Elon Musk曾發下豪語,要讓中國成為TESLA電動車最大的市場。但事情總是不如人們想的如此順利,2014 年的預期銷量目標是 10,000 輛,最終完成度不到 30%,因而特斯拉中國開始了一場大規模裁員行動。

雖然中國大力扶持電動車產業,包含提供補助、積極擴建充電站等,大環境看似充滿機會,那到底TESLA失利的問題點是什麼?除了關稅高、傾斜的補貼政策造就了Tesla在中國的高價以外,陷於困局的還有充電站及充電規格,由於中國的國家電網所佈局的充電站只支援中國品牌的電動車,中國TESLA車主必須自行購買充電樁,對於一般車主而言根本是不可能的事。

現任特斯拉中國區總經理朱曉彤,以教育市場為目標,採取兩項重點措施─增加體驗中心、完善充電樁網路,進行大規模的擴張。他認為特斯拉將重心擺在技術創新而非依靠補貼,因此提高市場接受度非常重要,完善充電網絡便是為了讓用戶對使用電動車的疑慮少一些,進而挽回車主的心。

充電站建設三要素

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營運建置三模式

若以平日生活型態來說,電動車可能停靠的地點將在住宅、工作地點、購物中心或交通轉乘點,而這些地點就是充電設備可能設置的選擇。考慮上段所述三項因素及配合使用者的移動地點,目前充電建設的營運建置模式可以分成三種:

1. 住宅與公司充電:(=>慢充)

一般住宅與公司建置的充電設備,提供住戶或公司員工使用。家庭與公司一般受限於電力設備規格與必須私人負擔充電設備建置成本,且停留於這兩處時間較長,因此通常建置較便宜且容易建設的AC Level 1或AC Level 2交流電慢充設備,即可滿足使用者大部分情況的充電需求。此外若要建置住宅充電設備也另須考慮使用者是否擁有自有車位。

2. 停車場、路邊停車格充電:(=>慢充為主,快充為輔)

因為停留在停車場或停車格的停車時間有很大的不確定性,因此必須同時具有快充及慢充兩種規格的充電設備,此外停車場還有公營及私營停車場兩種分別,在充電站建設初期,政府的推廣補助,多由公營停車場開始建置。

3. 交通轉運站、路邊充電站、購物中心:(=>快充)

在這類結點通常時間很短,因此需要追求的便是快充設備。路邊充電站如加油站一般希望以提供充電服務營利,短期之內難以達到規模經濟,因此與購物中心建置充電設備類似,希望帶來的是周邊效益、訪客數,例如充電站旁的便利商店、咖啡廳等。

充電設備零組件

在對充電站建設有概念後。從圖中我們可以看到一台Nissan Leaf正在進行充電,我們可以將整個充電組合做簡單拆解:充電站設備可分為充電樁、充電連接線、充電槍頭、車輛端充電座、電源供應端的配電設備等。

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國際快速充電規格

除了設備以外,在上圖中的充電樁上還有一個CHAdeMO標誌,其代表的是此充電樁符合日本CHAdeMO協會規格並取得認證。目前全球5大電動車充電連接器標準為:日規的CHAdeMO、美國的SAE J1772、TESLA的 Super Chargers、中國的GB/T及美系和德系的八大廠商於2012年發布了“聯合充電系統”(Combined Charging System),即“CCS”標準。

不同規格除了制定充電槍頭與車輛充電座的連接規格以外,還包括符合協會制定的電壓、電流、測試程序等各種規範。各大車廠有其擁護的規格,在不同地區各種規格的發展現況也不太一樣,因此,對充電設備廠來說,積極取得認證以及取得哪一種規格的認證是值得注意的。

無線充電技術

無線充電技術利用磁場產生電流的原理進行充電,較常見的方法有磁感應(Magnetic Induction)與磁共振(Magnetic Resonance)兩種。在公共場合中電動車以無線充電站充電時,需要將車子內部的感應線圈對準充電站的感應線圈,以使產生磁場。

2015年8月一則引人注意的消息是,英國公路局發表聲明表示,預計將投入5億英鎊,未來五年內在主要道路、高速公路中增設電動車專用車道,導入自行開發的動態充電技術,讓電動車可以邊走邊充電。預計今年底開始測試,計畫18個月後檢視成果。

其實,這並不是第一次將無線充電概念運用在電動車上,BMW、GM、Volvo、Toyota、Nissan等車廠皆有推出相關的無線充電模組。南韓曾嘗試過無線充電公車道,而2014年高通公司(Qualcomm) 在電動方程式賽車Formula E中,藉BMW i8 Safety Car展示其Halo無線充電技術。不過此技術仍在實驗中,尚未推廣到日常生活。

由於技術有安全性及技術性的考量,無線充電屬於非接觸式裝置,若在充電過程中,有金屬異物介入傳送端與接收端之間,有可能因異物發熱而有起火危險。技術上要如何改進充電功率及效能不佳問題等,都是無線充電技術無法在短時間內商用普及的原因之一。

國際汽車工程協會SAE(Society of Automotive Engineers)在2010年底成立SAE J2954的無線充電標準工作組(Task force),積極討論電動車及插電式混合車之無線充電及定位標準,已於2016年5月公布新規範,將輕量車充電系統的常用頻帶訂在85 kHz(81.39-90 kHz),以便各家電動車製造商打造的無線充電接收器,能在統一規格的無線充電基地台進行充電,不會產生不相容的問題。

若英國政府實行成果優異,將可能再次將電動車產業推向更高峰,未來無線充電究竟是噱頭還是真的具備實用性,仍有待觀察。

新能源車推廣的”最後一哩路”能否走得順暢,有賴充電設施的普及與電池的再升級。

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「一個不務正業的藥師,盡力讓自己在這未知的人生旅程活得精彩 活出自我』
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