國王車訊國王學苑專題企劃汽車零配件 【國王學苑】Hybrid、電動車電池種類介紹2018年度車王票選

【國王學苑】Hybrid、電動車電池種類介紹

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【國王學苑】Hybrid、電動車電池種類介紹

圖片來源:BMW

汽車電動化的速度在近幾年內發展得飛快,將時間推移到十幾年前,電動車當時還只是天馬行空的想法,而到了現在,全球汽車市場上已經有數十款不同的Hybrid、Plug-in Hybrid以及電動車能夠讓消費者選擇購買。就連《Ferrari》《Porsche》以及《McLaren》《Koenigsegg》這些高端品牌的旗艦車款都已經是Hybrid動力,加上Tesla推出性能強大的電動車之下,曾幾何時,電動化車款已經不再只是以環保為目的,也開始和性能、速度掛勾。

汽車電動化的關鍵,在於電池科技的進步。在近十年間,由於越來越多汽車製造商和相關領域的廠商投入資金研發,電池的效能、重量、體積等各方面性能都有了大幅改善。但是電池的種類百百種,究竟哪一種形式的電池才是最適合汽車使用?本篇文章就來介紹目前市場上最常見的車用電池種類,並且比較這些電池之間的優缺點。

鋰離子電池 Lithium-ion (Li-ion) Batteries

不只是汽車領域,目前多數商用電子產品當中都普遍使用了鋰離子電池,而在過去十多年以來,鋰離子電池也因為廣泛的使用,在效能上不斷進化。因此,除了現在多數的Hybrid與電動車都使用鋰離子電池之外,包括智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦等消費電子產品也都是使用鋰離子電池。

不過,「鋰離子」只是一種通稱,在這個形式的電池之下還分有許多種類。以消費電子產品來說,最常使用的是鋰鈷氧化電池(LiCoO2),是鋰離子電池當中能量密度相當高的一種。但是這種電池有著「熱失控(thermal runaway)」的缺點,也就是在過度充電或者溫度較高的環境之下,如果沒有正確使用即很容易發生過熱甚至爆炸起火的狀況,這也是鋰鈷氧化電池縱使有相當高的能量密度,也鮮少使用在汽車領域當中。

多數電動工具、醫療工具以及車用電動系統所使用的鋰電池種類多半為磷酸鋰鐵電池(LiFePO4)、錳酸鋰電池(LMO)、鋰鎳鈷錳三元電池(NMC)等,雖然這幾種電池的能量密度低於鋰鈷氧化電池,但是使用壽命以及安全性都更加優異,因此相當適合應用在電動化汽車領域當中,其中以鋰鎳鈷錳三元電池最為廣泛的應用在Hybrid與電動車上,目前《Formula E電動方程式》賽車所使用的電池也是基於鋰鎳鈷錳三元電池(NMC)製作而成。

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圖片來源:BMW

為什麼鋰離子電池是目前電動化汽車電池的大宗?基本上,鋰離子形式的電池有著優異的「能量重量比」、「充電速度快」以及「幾乎沒有記憶效應」這三大優勢。

較高的能量密度意味著電池重量較輕,這對於追求輕量化、高性能以及講求續航力的汽車來說相當合適。充電速度快當然也是電動車實用與否的關鍵之一,但是在現實環境當中鋰離子電池的充電速度只是「稍微」比其他形式的電池快而已,絕對不是天與地的分別。至於電池記憶效應則是幾乎不會發生在鋰離子電池上,因此鋰離子電池的電力容量並不容易隨著使用次數增加而大幅減少。

▼現在也有高性能啟動電池使用磷酸鋰鐵電池來製作

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圖片來源:King Autos

但是這並不代表鋰離子電池沒有缺點,以目前的電池製造技術來說,鋰離子電池主要的缺點在於成本比其他形式的電池高出不少。以鎳基電池為例,鋰離子電池的製造成本大約高出40%,這通常會讓希望推出平價電動車款的汽車製造商打退堂鼓。不過,無論是何種電池,在近年經濟規模的擴張之下,成本和多年前相比都已經大幅降低。

此外,鋰離子電池雖然比較沒有記憶效應的問題,但是仍然會隨著時間以及使用環境而產生衰退。以目前汽車製造商的評估,車用鋰離子電池的運轉壽命大約在10年左右,但是目前還沒有電動車運轉足夠的時間與實際資料來驗證這個理論。不過以目前的電池技術來看,鋰離子電池是所有形式的電池當中缺點最少的,因此被視為當下最佳的車用電池來源。

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圖片來源:BMW

鎳氫電池 Nickel-metal-hydride (Ni-MH) Batteries

在鋰離子電池廣泛商用化之前,較早期的Hybrid車款多半使用鎳氫電池(Ni-MH),即使到現在逐漸被鋰離子電池取代,還是有不少Hybrid車款在使用這種形式的電池。

鎳氫電池的優勢為相對低廉的製造成本,這種電池主要以鎳、氫、鈦或者其他類型的金屬組成,在製造成本上比鋰離子電池低廉許多,但是隨著市場投入越來越多資源到鋰離子電池領域,兩種電池之間的成本差距正在不斷縮小。

即使如此,鎳氫電池有著一個相當大的優勢,就是耐用性。只要保養得宜,鎳氫電池可以擁有非常久的使用壽命。除此之外,因為鎳氫電池含有的有毒元素非常少,使得其回收成本相對低,而成本當中含有大量的鎳金屬以及其他貴金屬更讓鎳氫電池的回收利潤比其他形式的電池還要高。

▼Toyota過去的Hybrid系統為鎳氫電池,現在則有部分新車款使用鋰電池

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圖片來源:Toyota

可惜,鎳氫電池的能量密度並不高,大約比一般鋰離子電池低了40%,這意味著要達到同樣的電容量,鎳氫電池需要更大的體積也更重,這使得鎳氫電池與現在汽車製造商追求大空間與輕量化的理念背道而馳。

另外,在密集且快速的充放電情況之下,鎳氫電池容易產生大量熱能,因此需要額外的冷卻系統,使得整個電池系統的重量又增加更多。

其他形式的電池

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圖片來源:Jaguar

除了以上兩種電池之外,目前許多研究機構都在研發效率更高的電池系統。包括鈷氧化物電池(Cobalt Dioxide)、磷酸鐵電池(FePo)、磷酸鋰鐵電池(LiFePO4)、鋰空氣電池(Li-Air)、鋰聚合物電池(LiPo)、鎳鈷錳電池(NCM)、鎳鈷鋁電池(NCA)以及錳氧化物尖晶石電池(MnO)都是未來有可能成為電動車能量來源的電池種類。

鈷氧化物電池已經問世很長一段時間,但是目前的困境仍然在於熱失控以及製造成本,否則這種電池的高能量密度將會是極佳的高性能車用電池。

磷酸鐵電池則是目前最穩定且成本合理的電池類別,可惜因為其採取低電壓的運作方式,如果要做為車用電池,將需要使用較多的電池數量,造成重量與體積增加。

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圖片來源:Volvo

鋰聚合物電池也是鋰離子電池的一種,但是現行的鋰聚合物電池需要製作成「袋狀」,對於空間配置較為不利,因此目前僅有少數電動車用電池為此種類型。

鎳鈷錳電池和鎳鈷鋁電池現在的製造成本還太高,而且熱失控的問題尚未解決,因此無論效能如何,距離商用化還有相當長的路要走。

鋰空氣電池為較新的電池技術,擁有極佳的能量密度,其能量重量比幾乎與現在的汽油相當,更是目前鋰離子電池的5至15倍之多,但是仍然處於研發初期,因此也是需要好一段時間才能夠達成量產。

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圖片來源:Tesla

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