电动车的发展史及种类

电动车的发展史及种类
电动车的发展史及种类

电动车的发展史及种类
电动车的发展至今已超过百年的历史,然而期间由於内燃机工业的逐渐成熟,相关周边设备的发明(如启动马达等),使得往后的车辆工业朝向此方面发展.直到最近几年,由於环保与能源的议题抬头,激起各国政府与车厂开始正视此一问题,电动车的研发才又热络起来.拜近代科技与电子工业发达之赐,电动车产品已不若百年前的电动车一般,除了在电池科技有大幅的进步以外,在车辆的动力控制上亦将能源作有效的分配与撷取,以使得车辆功率与续航力大增,直逼一般内燃机车辆的水准.
然而由於内燃机车辆的发展亦有近百年的历史,其实用性与普遍性不容质疑,成为我们生活中不可或缺的一部份.如何在目前数以亿计的内燃机车辆世界中,说服人们放弃原有的使用观与价值观,改用以无污染的电动车辆,并成为主流车种,实为一段艰钜又漫长的路.
电动车辆无法在短时间内取代原有内燃机车种的最主要原因不外乎以下三项：
(1) 车辆的价格：由於电动车的发展尚在起步阶段,许多研发的成本加上制造的数量,均无法与动辄年产百万的大汽车厂相比拟,因此在购车成本上亦相对提高.
(2) 车辆的性能：由於目前并未发展出成熟性的高效率电池,以提供车辆装载大功率马达、提升整体续航力、及短时间的能源补充等,因此仍无法与一般机动车辆的性能互相抗衡.
(3) 能源的补充：电动车辆补充能源的唯一方式为充电,但是相对地充电设备必须与目前的加油站相当,具有一定的商业规模,并配合高效率电池的开发,降低充电的时间,方能符合现代生活的需求.
除此之外,电动车辆大量生产后,车上零组件的回收问题,尤其是电池,更成为未来环保工作上必须面临的重要课题.有鉴於此,目前在发展电动车辆的同时,即应将周边设备与社会规模同时考量,逐步推广以鼓励民众购置,并规划长期目标,以避免空气污染改善完成后,另一种型式的污染问题又产生.
有关於电动车的种类,可归纳成纯电动车(Electrical Vehicle,EV)、混成电动车(Hybrid Electrical Vehicle)以及燃料电池电动车(Fuel Cell Vehicle)等三种,其中混成电动车属於现阶段过渡性的产品,但是为何需要这样的过渡性产品呢?
谈到电动车就不得不谈到电池,目前熟知的电池种类分别有铅酸电池(Lead/Acid)、镍镉电池(Ni-Cd)、镍氢电池(Ni-MH)及锂离子电池(Li-ion)等.然而不论为何种电池,其反应原理均是使用电化学反应来达到能量的储存与释放.一般电池的构成有四大要素,分别为正极(Anode)、负极(Cathode)、电解液(Electrolyte)与隔离物(Membrane)等,其中正负极通称为电极(Bipolar),而电极及电解液的材质成为电池特性的重要指标.以我们常用的铅酸电池为例,其正负极分别为二氧化铅及铅板,电解液为稀硫酸(浓度约27 ~ 39%),其放电反应如下式：
正极(+)：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e → PbSO4 + 2H2O
负极(-)：Pb + SO42- → PbSO4 +2e
因此在使用一段时间后,由於电化学的作用,两极的生成物均为硫酸铅,且由於正极不断反应产生水,因此电池的效率渐渐降低,电解液中硫酸浓度的亦降低,此时即必须进行充电的工作.充电反应恰好与放电反应相反,使两极分别还原,电解液亦回复为原硫酸浓度.
然而电池并非可如此永远进行充放电而不需更换,由於铅酸电池两极反应生成物均为硫酸铅,其本身为一固体,过度集中会造成电极板的硫酸盐化(Sulfating)而无法复原,因此一般在使用上不宜过度放电,以免造成电极的损坏,此即为铅酸电池的特性,因此有的人使用铅酸电池仅充放电100余次就无法使用,有的人却可使用充放电达500此以上,因此不同的使用者所造成的差异相当大,另外不同的电池亦有不同的化学特性,在此不再说明,仅将相关电池特性详列如表一所述.在电池的设计上,已可将所有液态的电解液以黏稠状物质取代,以方便携带,并将电极板制作成小型紧密地配置在每一单元(Cell)内,以提高电池的效率,如图一所示.
基於各种不同电池化学反应所对应出的特性,无法如内燃机般产生稳定的机械输出,因此纯电动车的发展亦受到此一层面的限制,必须有相当优良的材料组合方能发展出高效率又通用的电池.因此为有效提高电动车的使用率,混成电动车於焉产生.
混成电动车的原理系在车上装载一具发电及动力辅助专用之内燃机,以进行充电或其他必须之动力辅助,如冷气压缩机或煞车空压系统等,故实用性较高,为电动车辆发展过程中过渡性的产品.目前已经应用於潜艇上,即一般俗称之柴电潜舰,其配置一组发电专用柴油引擎,以提供电力予电动马达产生动力,并进一步降低行驶的噪音,达到军事目的.而应用於车辆上的混成电动车可分为两种不同的系统,说明如下：
(1) 平行式混成系统(Parallel Hybrid)：本系统所配置的方式与时下一般车辆较为类似,有如增加电池的数量,并缩小内燃机引擎的汽油车.另外具备一组电动马达,当车辆起步或於市区行驶时,可以电动马达作为动力来源,如图二所示,当车辆进入高速稳定阶段后,引擎方启动以提供辅助的动力源,多余的发电力并回充至电瓶内,因此车辆必须有良好的控制系统,以提供行驶中车辆最佳之动力参数,并能同时有效降低污染.此型车多应用於小型车,目前国内亚太公司所生产的电动车即为此一系统.
(2) 连续式混成系统(Series Hybrid)：如之前所提到的柴电潜舰,本系统所配置的内燃机引擎仅作为发电机,以提供电动马达与蓄电池电力,并不提供作为车辆前进之辅助动力,其系统如图三所示.另外亦可依车种及地区性安装冷气压缩机或煞车空压系统等,此型车多用於大型车辆,目前行政院环保署将於88年中引进的电动公车即为此类型车种.
在国外相关文献上,亦有将燃料电池视为混成电动车的一种,系基於燃料电池能够源源不断地供应电能予电池的特性.燃料电池反应的原理与一般电池十分类似,将储存於燃料中的化学能,不经过燃烧程序而经由电化学的程序释放出来,而氢气是目前被使用在燃料电池上,最普遍的电极反应物.一般电池的电极均采用特定反应材料,由於反应后产生副产物,将原电极物质覆盖,以致於必须进行充电还原.然而燃料电池的电极却只是一种催化剂,作用原理如图四所示,以多孔性碳石墨电极表面上涂有镍、银或铂作为催化剂,当源源不断的氢气通过负极(-)时,受到催化剂的作用,氢原子中的电子与质子分开,通电时电子流自负极流出,经过动力单元后回到正极,与氧气结合形成带负电氧分子(2O2-),该分子再经由催化剂的催化作用,立即与通过电解液(如氢氧化钙)介面(PEM),且带正电的氢质子结合成为水,化学反应式如下：
阳极(-)：2H2+4OH- 4H2O+4e
阴极(+)：O2+2H2O+4e 4OH-
净反应：2H2+O2 2H2O
由上述净反应式得知,氢燃料电池放电反应时并不消耗电解液(OH-),且电极亦不会有反应或消耗,只要氢与氧能够不断供应,相对地电源亦源源不断.相对於内燃机,燃料电池的能量转换效率高(理论70%以上、实际可超过40%),燃料转换后的产物为水,因此不会造成空气污染.
另外亦有以甲醇作为燃料电池的电极反应物,相较於氢燃料电池,甲醇作为燃料电池较氢方便许多,主要是因为甲醇在常温常压下即为液态,容易储存与运送,可如同汽油车一般在普通加油站补充能源,因此亦是各国研究的对象.但是在电化学反应上,甲醇燃料电池的反应却不如氢燃料电池的反应般符合现行的要求,其反应式如下：
CH3OH+O2 CO2+H20
纵观上述反应式,甲醇燃料电池在反应过程中仍会制造出二氧化碳是其缺点,另外在25℃的环境下,其理论放电电位亦较氢燃料电池低许多,氢燃料电池的放电电位为1.23V,而甲醇燃料电池仅0.5V.
另外亦有将甲醇转换成氢后,再供应作为氢燃料电池的作法,如此则可兼具使用甲醇与氢两者共同有利的特性来发挥.日本丰田汽车公司发展出一款以甲醇为燃料的小型客车,使用一般的油箱,在进行转换程序前先将甲醇与纯水混合,经触媒反应后产生氢气,然后进入燃料电池中进行反应,如图五所示.类似的方法亦可应用於甲烷(天然气)、汽油或联氨(Hydrazine)等氢化合物中,以作为反应的能源.若仅设计用纯氢气反应则车上必须安置高压容器,在负载过程中逐步地将氢气释放出来,然而由於氢气为相当不稳定的气体,因此装载上其安全性需进一步加强.无论如何,燃料电池的高效率、能源转换特性及电动车体的搭配性等,应是未来迈向新车辆工业过程中一项重要的里程碑.或许可预见的将来,以燃料电池为主的车辆可改善电动车的动力性能,提升续航力,并逐渐取代现有机动车辆在此方面表现,成为二十一世纪车辆动力的明日之星.
整体而言,电动车的发展应是一项无可避免的趋势,目前国内电动车的发展已由工研院的电动机车计画带动了起来,藉由相关环保议题的投入,我们仍有许多的领域仍未触及,此点均有待本中心全体同仁共同努力,以开创新世纪的未来.
按车型分：可分为电摩、简易和载重；
按电源种类分：可分为锂电和铅酸电池；
按轮子分：可分为两轮、三轮和四轮；
按电机分：可分为有刷和无刷.