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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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電動車最終是否會成功?

文/彼得‧費爾利(Peter Fairley)譯/張彥文

2010年終,通用(GM)和日產(Nissan)各自開始販售純電動車及大部分動力來自電池的汽車,通用的Volt及日產的Leaf,只是這些車廠未來將發表的許多電動車或是油電混合車其中的一款,每家主要的車廠都承諾在未來幾年中會推出這類的產品。全球油電混合動力科技發展居於領先地位的豐田汽車(Toyota),則計畫在2012年推出新一代的Prius,能夠以純電力行駛短距離。在此同時,有些新創公司像是Coda Automotive,也跟隨著Tesla汽車公司的引領,嘗試以純電動車或是混合動力車打入汽車市場。Tesla在2006年推出的電動跑車,已經幫動力性能奠立了新的風潮。

如果這些汽車能夠普及化,表示汽車產業已經展望了幾十年的巨大變化,將真正的開始:汽車不再完全依賴石油以及內燃機。剛從破產危機中脫困的通用汽車,希望依靠Volt改變以往大眾對於通用是悍馬(Hummer)及其他運動型多功能車(SUVs)供應商的形象,而能成為創新和節能的領導者。至於日產,則是將未來的重點押注在電動車上,該公司計畫在未來幾年內提高產量,每年銷售數十萬輛電動車,這個數字遠高於其他車廠。

現在的新式電動車跟過去常見的油電混合動力車(hybrids)不太一樣。過去的混合動力車,電池是用來做為汽油引擎的輔助,同時將煞車造成的能量儲存起來,而且也不使用插座來充電,其電能是來自於汽油引擎或是由煞車而來的再生制動(regenerative braking);此外,舊型的混合動力電動車若依靠電池行駛,只能以低速行駛短距離。不過新型的混合動力電動車,在不加油的情況下也可以跑個幾十英哩,而且可以靠家用插座來充電。有一些電動車,像是Leaf,可以完全依靠電池來運作。至於像Volt這種電動車,則是結合電池和汽油引擎兩者。不論是哪一種引擎結構都有其優缺點,不過最終它們都有一個共同的侷限:儘管近年來科技快速進展,電池仍然十分昂貴。因此新型電動車的命運,繫於車廠能否降低電池的成本,或是找到與高價電池共生的方式。

來看看Leaf,它的電池重300公斤,成本則是18,000美元,即使是像這麼大的電池,也只能讓汽車行駛73英哩。這對大多數的通勤需求是足夠了,但卻無法提供長程的旅行,而且行駛哩程數也會因為天氣或是駕駛條件而改變,對很多即使只是通勤的駕駛人來說,可能也不足夠。如果在一個怡人而溫暖的天氣下,以較低的車速穩定地駕駛,可能可以跑個100英哩;但如果在寒冷的天氣,你開著暖氣又塞在車陣中,充飽電的Leaf一次可能只能跑60英哩。

通用汽車的Volt則有不同的問題,它充一次電可跑35英哩,之後可以利用汽油引擎產生的電力再行駛數百英哩,但是結合汽油引擎的電池組與傳動系統搭配起來的成本極高。Volt的零售價格每輛41,000美元,很顯著地高於配置較大電池組的Leaf的32,780美元。TOYOTA的插電版Prius可算是一種折衷方案,它的製造成本較Volt低數千美元,但是它的電力引擎設計,在沒有汽油引擎輔助時,時速最高只能達到60英哩左右,不像Volt可以達到100英哩。最重要的不同點在於,插電版的Prius配置較小的電池組,只能能儲存Volt的三分之一電力,所以Prius純電力行駛的距離相較來說短得多,只有13或14英哩(Prius的設計比較近似Volt而不像Leaf,它有汽油引擎,可以在電力耗盡時讓車子繼續行進)。

目前還不清楚哪一種策略(如果有的話),可以創造受市場歡迎的電動車,車廠還沒找出可以讓最多消費者接受的價格及行駛距離的組合。對這類汽車的需求,會因為汽油價格上漲而變動,以及人們關注溫室氣體排放和對進口石油的依賴而不同。儘管有這麼多難以預測的變數,但幾乎可以確定的是,能夠最精確地掌握電池科技,以及未來十年最可能的創新方向,就能成為勝利者。

電池的賭注

日產及雷諾(Renault)汽車的執行長,同時也是電動車最大倡議者之一的高恩(Carlos Ghosn)認為,大量製造電動車,將可以降低電池的成本,讓純電動車可以跟傳統汽車競爭。高恩說,一百萬輛是一個讓電池價格降到市場可接受的門檻,他希望很快就可以達到這個目標。日產和雷諾預計在2012年在全球生產20萬輛電動車,2014年則達到50萬輛。

相關車廠並未明確宣示他們投入多少資金在電池領域,不過獨立的研究報告指出,每千瓦-小時(kilowatt-hour)的成本將介於600至850美元之間。為了讓Leaf能夠獲利,日產的代表指出,該公司計畫讓每千瓦-小時的成本降至370美元。許多專家認為,這是一個未來十年還無法觸及的目標,不過日產似乎有信心可以在十年內達成。要讓Leaf的行駛距離與汽油車相較更有競爭力(大約是300英哩),電池的成本必須降低更多,因為需要的電池大概是現在電動車的四倍大。依據美國能源部的資料,要讓像是Volt這種插電式的混合動力車在市場上生存,在成本上也得積極地付出相同的努力。能源部估計,即使考慮節能的需求,插電式的混合動力車在成本上也不足以和傳統汽車競爭,除非電池的成本可以降到每千瓦-小時在168到280美元之間。

儘管高恩提出這樣的預期,不過只是增加電池的生產,可能無法將價格壓得夠低。新型的電動車和插電式的混合動力車使用的是鋰電池,比起用在前一代電動車及Prius的鎳氫電池,鋰電池的結構更緊密且重量更輕。包括通用汽車在內的許多電池專家認為,在筆記型電腦及行動電話的大量需求之下,已經擠出了鋰電池的額外成本;此外,增加鋰電池生產以符合汽車產業需求,至少在短期內,可能會推升像是錳這類電池材料的成本。

如果增加生產量無法完成任務,剩下的希望就唯有創新一途。新型的電池使用較便宜的材料,而且能儲存較多的電量,用較小的電池就可以提供足夠驅動汽車的電量,降低成本。全世界的研究人員正在實驗室中發展數種電池的新科技,奈米結構的矽電極已經被用來製造電池的原型,可以儲存現行鋰電池兩倍的電量,而固態的電池取代了使用電解液的電池,結構更為緊密,不易燃燒,所以減少了對體積龐大的冷卻系統的依賴。另一種被稱為「金屬空氣電池」(metal-air)的新型電池,依據美國能源部的資料,理論上可以讓充飽電的車跑500英哩。

雖然在這個領域出現了希望,不過要讓實驗室裡的結果裝置在量產的汽車上,還得花上數年甚至是數十年的時間。即使某些電池技術已經被應用在像行動電話這樣的裝置上,但要讓電池合於標準更高的汽車規格,不是一件容易的事。汽車製造商希望電池的壽命可以持續8到10年,在這個期間,電池容量的耗損率要在30%以下。此外,電池除了在室溫下運作良好外,也要在像美國北方、加拿大的極度低溫,以及亞歷桑那州、內華達州或是南加州極熱的溫度下,都能保持正常。要設計出可以負荷這些條件,同時承受在路面行駛時產生的顛簸和震動的電池,就得花上幾年時間,而驗證電池符合標準的過程,所花費的時間甚至更長。

加州大學戴維斯分校的電動車電池專家柏克(Andrew Burke)表示,新型鋰電池的化學性質是「未來可行的方式」,可能在10年左右就可以應用。如果他的看法是正確的,使用較小型的電池,即使讓汽車的行駛距離受限,也會是一個最好的方式,這能讓插電式的電動車往前邁進,並保持它的成本夠低,能讓多數的消費者接受。就如同美國能源部下的阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)資深經濟學家森堤尼(Dan Santini)所說的:「成本問題暗示你應該製造短距行駛的車輛,那是一種較安全的方式。」

歷史重演?

最近一次主要車廠大規模推廣電動車,是將近十年前的事,當時通用汽車發表EV1,而豐田則推出RAV4這款SUV,以回應加州政府對於零排放車輛的要求。5年後的1998年,豐田出售或是出租了1,484輛的RAV4,這個不佳的數字表現,部分是因為電池的成本和行駛距離,RAV4的價格是42,500美元,行駛距離大約是100英哩。

 大約在此同時,其他的電動車也紛紛問世,豐田開始銷售他們的油電混合車Prius,車價不到RAV4的一半,行駛距離也較大。Prius代表電動車工程上的一大突破,流暢地解決了電動馬達和汽油引擎混合運作的問題,自從該車款於1997年問世,已經售出了數百萬輛。到今天豐田仍然主宰混合動力車的市場,銷售數字是距離它最近的競爭者的3倍。

這次豐田是在創新上落後,還是再度智取了它的競爭者呢?它的新車較晚上市,而且行駛距離也大幅小於Volt或是Leaf,不過決定使用較小的電池,可能是一個聰明的手段。對於短程通勤者來說,插電式Prius的優勢很明顯,科羅拉多大學電子、電腦和能源工程學教授馬克席莫維奇(Dragan Maksimovic)曾經做過Prius行駛測試,他每天行駛科羅拉多博爾德市(Boulder)18到20英哩,以及週末開往山區。在這些測試當中,他記錄下來的整體燃油效率是每加侖行駛92.3英哩,比之前的Prius增加了81%。

阿岡實驗室的研究人員,在分析插電式混合動力車對於美國境內汽油消費的潛在影響時,發現使用較大的電池行駛較長的距離,雖然可以省下很多燃料消耗,不過成本卻不成比例地偏高。以一輛插電式的Prius來說,它可以讓美國境內行駛的車輛,有25%的行駛哩程依靠電池驅動;相較來說,如果是一輛依靠純電力可行駛40英哩的汽車,這個比例就升高為32%,也就是大約可省下三分之一的汽油。但這麼做會讓電池的成本提升到3倍之多。

研究人員表示,像是Leaf這樣的純電動車,對石油消耗的影響性微乎其微,因為這種車輛售出的數量極少:消費者希望在長途旅行時能有汽油當做備案。「跟插電式混合動力車相較,純電動車僅有利基市場,因此能省下來的燃油也有限,」森堤尼說,「押注在行駛距離20英哩的插電式混合動力車,會比那些能跑40英哩的車種有利,很大一部分美國人可以在節省成本的考量下使用這種車。」

位於法國巴黎的國際能源署(International Energy Agency)資深運輸能源專家富爾頓(Lew Fulton)指出,如果汽車製造商可以將他們的訴求打動多數人,那麼純靠電力、行駛距離有限的汽車就會大幅成長。豐田汽車挾著在混合動力科技的領先優勢,表現可能特別亮眼。「在未來3年左右,有許多其他的汽車製造商將只有抱怨咒罵的份,」富爾頓說,「豐田則將像玫瑰般芬芳。」

這樣的預測是否準確將取決於許多因素,汽車駕駛人可能會願意付出較高的成本,以取得比阿岡實驗室專家預期更長的行駛距離,那他們就會支持Volt。純電動車的市場可能比10年前要大得多——已經有2萬人付了100美元預訂Leaf,足夠壓倒EV1和電動RAV4的銷售數字。政府補貼也可能改變市場平衡:在美國,聯邦租稅減免計畫(federal tax credit program)已經對於插電式混合動力車以及配置較大電池組的電動車,提供了較高的補貼,消費者將可以見到電動車與傳統汽車的價差拉近(在車廠賣出第20萬輛車後,這項補貼將逐步取消)。而最終,電池成本下降也會比預期要快,美國能源部將挹注數十億美元給新成立的電池廠,以及數億美元於研發領域。

在這麼多不確定的因素下,最佳策略可能就是保持最大的彈性,豐田的策略就是一個很可能成功的方法:如果電池成本下降,豐田就會擴大插電式Prius上的電池尺寸,以增加行駛距離,而且他們會將相關科技應用於預計於2012年推出的六款新式混合動力車上。

「所有的車型可能都是插電式,」豐田汽車在加州巴薩迪納市(Pasadena)有一所科技中心,該中心前瞻動力列車計畫(advanced power train program)經理沃德(Justin Ward)表示,「不管這項計畫有沒有意義,市場會替我們決定,」他同時補充,電池的未來也是如此。

Copyright © 2011, Peter Fairley. All Rights Reserved.



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