電動汽車
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電動車（英語：electric vehicle）或電動汽車（electric car）泛指所有能使用電能驅動電動機作為動力的私人輪式車輛。按照動力系統分類，電動車又可細分為純電動車或電池電動車（BEV）、混合動力車輛（HEV）和燃料電池車（FCEV）。行業術語中的「電動車」通常指充電式電動車輛（PIEV），即純電動車和插電式混合動力車（PHEV），但廣義上也可以包括增程電動車（REEV）和燃料電池車。
特點
[編輯]與傳統的內燃機汽車（燃油車）相比，從能量密度的角度來看，1公斤（2.2英磅）的汽油約含43百萬焦耳（12千瓦·小時）的化學能，而1公斤重的鋰離子電池僅可儲存0.15千瓦·小時（0.54百萬焦耳）的電能，遠低於同重量的化石燃料。但電動機的體積和重量也遠低於內燃機，而且不需要導油管、油泵和排氣系統等輔助系統，可以省掉大量的設計空間和重量。而且電動車電池理論上只要有電網覆蓋的地區就可以進行充電，所消耗的電費成本也遠低於石油工業:透過開採、精煉、運輸和銷售後轉嫁給消費者的成本，其普及的潛力巨大。但因為電動車大規模發展的歷史仍然較短，現有電池技術仍有局限，加上公共充電樁普及度目前仍遠低於加油站（燃油車在普及上有近一個世紀的先發優勢），所導致的里程焦慮是目前電動車普及的主要障礙[1]。
電動車屬於新能源車，車輛整體廢氣排放量較低（純電動車基本上無排放，但供電的發電廠可能會產生溫室氣體排放和空氣污染），行駛時更安靜、反應更靈敏、能量轉換效率優越且不依賴加油站（前提是有可靠便用的充電樁設施或家用電源）。此外，雖然電池的能量密度遠不如燃料，但從油箱/電池到車輪的引擎能量轉換效率相差很大，汽油車輛的能量轉換效率在14~33% ，柴油車輛在28~42%，電動車則在86%以上。這意味着化石燃料雖然能量密度遠高於電池，但大部分能量都被轉換成無用功（噪音、振動和廢氣動能等）浪費掉了，而且由於廢熱問題必須為引擎配備繁瑣且佔用空間和重量的冷卻系統，而電動機則沒有這方面問題。此外因為燃油的燃燒並不是完全可控的，內燃機在低速情況下效率不佳，而且車輛停住不動時也需要維持怠速才不會熄火，所以需要波箱和離合器來轉化扭矩；而電動機的輸出功率和扭矩基本上與電能輸入功率是線性關係，可以用單速傳動就做到無段變速波箱的效果。
第二次工業革命出現電氣化後，可充電池技術主要以鉛酸電池、鉻鎳電池和汞電池為基礎的電池組為主，其能量密度和輸出電壓與電流都無法滿足車輛驅動的實用需求，因此長期以來電動載具僅局限於依賴架空電纜或第三軌供電的電力機車、有軌/無軌電車和單軌電車等通勤軌道交通以及只能低速短程出行的電動機車與電動單車等輕型單人載具。進入2000年代後，以鋰電池為代表的儲能單元的能量密度加速提升，部分解決了困擾電動車近一個世紀的續航難題，以Tesla和比亞迪等中國造車新勢力為代表的新興電動車品牌崛起，一些傳統燃油汽車廠商（主要是德系和韓系，以及少量日系）也在加速轉型進行電動車的研發和生產。製造技術的進步、產業鏈的完善和產量提升所帶來的規模經濟也使得電動車部件（特別是電池）的成本已經大大降低，甚至整車售價已經可以與燃油車持平甚至更低。與此同時，電動車配套的充電樁、電池更換站、燃料電池配套（如加氫站）等基礎設施也在加速建設。在中國大陸、美國以及挪威、芬蘭等歐洲國家和地區，也給予了不同程度的政策支持，包括現金補貼、低息貸款、無償土地建廠等。同時一些國家和地區已立法逐步淘汰化石燃料汽車的銷售[2]，以減少空氣污染並緩解氣候變遷。據國際能源總署稱，到2023年，電動車預計將佔全球汽車銷量的近五分之一。
歷史
[編輯]初期探索（1830～1870年）
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電動汽車的歷史比現在最常見的內燃機車要早。匈牙利發明家兼工程師——「直流電機之父」耶德利克·阿紐什最早於1828年在實驗室試驗了電磁轉動的行動裝置[3]。美國人托馬斯·達文波特於1834年製造出第一輛直流電機驅動的電動汽車。1837年，托馬斯因此獲得美國電機行業的第一個專利[4]。在1832年至1838年之間，蘇格蘭人羅伯特·安德森發明了電驅動的馬車，這是一輛使用不能充電的初級電池驅動的車輛。1838年，蘇格蘭人羅伯特·戴維森發明了電驅動的火車。今天在路面上依然行駛的有軌電車是1840年在英國出現的專利。
19世紀末的發展（1860～1920年）
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隨着蓄電池技術的發展，電動汽車的運用在19世紀的下半葉在歐美得到了較為廣泛的運用。1859年法國物理學家、發明家加斯東·普朗忒發明了可充電的鉛酸電池[5]。
1896年，哈特福德電燈公司推出可更換電池的電動貨車，買家只買下車輛，但不包括電池，然後在使用時再以每里計交付充電及保養費。[6]
19世紀末期到1920年是純電動汽車發展的一個高峰。在早期的車輛消費市場上電動汽車比內燃機驅動車輛有着更多優勢：無氣味、無震盪、無噪音、不用換擋和價格低廉，這形成了以蒸汽、電動和內燃機三分天下的車輛市場[7]。
發展停滯（1920～1990年）
[編輯]隨着美國德州石油的開發和內燃機技術的提高，電動汽車在1920年之後漸漸地失去了優勢。車輛市場逐步被內燃機驅動的汽車取代。只有少數城市保留着很少的有軌電車和無軌電車以及很有限的電瓶車（使用鉛酸電池組，被使用在高爾夫球場、鏟車等領域）。電動汽車的發展從此停滯了大半個世紀。隨着石油資源不斷流向市場，人們幾乎忘記還有電動汽車的存在。相對的，運用在電動汽車上的技術：電驅動、電池材料、動力電池組、電池管理等也無法得到發展或運用。
復甦期（1990年至今）
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隨着20世紀晚期石油資源的日益減少、產油國地緣政治不穩定、以及公眾對大氣污染等環保議題的重視提升，人們重新關注起電動汽車。1990年之前，提倡使用電動汽車主要還是以民間為主，比如1969年建立的民間學術團體組織世界電動汽車協會每一年半在世界不同國家和地區舉辦專業電動汽車學術會議和展覽（Electric Vehicle Symposium and Exposition，EVS）。1990年代開始，隨着電池儲能單元的發展，以及對礦石能源儲量、油價不斷升高的擔憂，各個主要的汽車生產廠家開始在新能源車領域做出嘗試。
在1990年1月的洛杉磯車展上，通用汽車的總裁向全球推介Impact純電動概念轎車。1992年福特汽車推出鈉硫電池的Ecostar，1996年豐田汽車使用鎳氫電池的RAV4LEV，1996年法國雷諾汽車的Clio，1997年豐田普銳斯Prius混合動力轎車下線，日產汽車也在同年推出世界上第一輛鋰離子電池的電動汽車Prairie Joy EV。1999年本田汽車發佈、銷售混合動力車本田洞察者。
除了傳統汽車製造企業的嘗試外，也有新成立的汽車製造企業嘗試。如在2003年美國新成立的Tesla公司和在中國大陸新成立的比亞迪汽車公司。兩者都以生產純電動車為主。其中Tesla在2006年推出的Roadster跑車0~60英里加速只要3.9秒，每次充電可行駛400公里（250英里）；而比亞迪在2008年12月15日推出了以磷酸鐵鋰電池為主的世界上第一款量產的插電式混合動力車——比亞迪F3DM，直到2010年5月才推出其真正意義上的純電動車比亞迪e6。
2020年代起，有國家和地區已經初步計劃在未來十幾年後禁售燃油車（預定禁止日期大部分在 2030-2040年），往發展電動車的方向去走。[8][9]2023年2月14日，歐盟的歐洲議會通過法案，2035年起禁售燃油車[10][11]。
核心技術
[編輯]電動車的技術關鍵在於「三電」，即電機、電池和電控。雖然其它車輛部件也很重要，但是電動車作為載具，最重要的是這三個與車輛移動運行息息相關的方面。
電動機
[編輯]不通品牌的電動車會有不同的電機設計，比如Tesla生產的純電動車通常使用異步電動機，日產聆風和雪佛蘭Bolt則使用永磁同步電動機[12]，而比亞迪生產的一些純電動車和插電混燃車則使用直流無刷電動機。相比汽油和柴油引擎，電動機可以產生更高的力矩，同時不需要依賴波箱和離合器來應對加速和怠速時的力矩變化，加速時的反應速度也優於燃油車（燃油車因為波箱運行的原因，通常會有一定滯後）。電動車的電機還可以結合再生制動將已產生的力矩以發電形式回收並儲存在飛輪、蓄電池或超級電容內，從而在增強制動效果的情況下還能回收能量，有效延長車輛行駛里程。
因為電動機的能量轉換效率的能量轉換效率遠超基於活塞引擎原理的各種傳統內燃機，所產生的廢熱很少，因此不需要龐大的冷卻液-散熱器系統來為引擎降溫，可以省去大量的空間和重量讓給車輛的其它部件。同時電動車在採用二輪驅動設計時不需要擁有傳動軸為前後輪分配力矩，如果是四輪驅動則可以採用前後兩台電機統一電控的設計也不需要傳動軸，這就為底盤和座艙省出了額外的空間。一些特殊設計的電動車（比如仰望U8）甚至可以使用四台電機分別驅動四個輪子，使得各個輪子可以獨立運轉，更可以靈活應對複雜地形。
電動機相對傳統內燃機最大的優勢是環保和經濟性。雖然不同地區的電費有異，但總體來說電機每百公里的運行成本仍要優於汽車燃油經濟性。而且電車能量效率高，運行產生的噪音污染更低，所用的電能也不像燃油車那樣必須依賴化石能源，而是可以部分甚至完全利用可再生能源，許多電動車用戶甚至可以完全使用私家光伏充電。此外電車運行不需要燃燒也不會產生廢氣排放，即使把發電廠造成的溫室氣體和空氣污染也算上，所產生的碳足跡也遠小於燃油車賴以運行的石油工業。有許多牴觸電動車的組織和個人常常會散佈恐懼、困惑和懷疑說法，將生產電動車和發電造成的污染也算入電動車的環境成本，但卻往往避談製造燃油車和採油/煉油造成的環境成本相比之下只高不低。
電池組
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電動車電池（electric-vehicle battery，簡稱EVB）通常是可插入電網充電補能的蓄電池，一般會設計為有較大千瓦小時規格的大容量，因此目前最常見的是能量密度較高的鋰電池。與傳統燃油車上負責啟動、照明及點火（SLI）的汽車蓄電池不同，電動車電池需要能長時間持續輸出較高的功率，因此需要是能夠深度放電的深循環電池（deep-cycle battery），因此需要較高的功率重量比。因為目前的電池技術與傳統的液態化石燃料（汽油和柴油）相比，比能仍然處於劣勢，有此造成的里程焦慮也成為電動車普及的最大障礙，雖然未來的固態電池有潛力可能克服這方面的局限。
早期的電動車使用的蓄電池是鉛酸電池，後續也有使用鎘鎳電池、鎳氫電池，偶爾也有鋅空氣電池及納鎳氯化物電池等熔鹽電池[13]，但因為其續航能力較差，以蓄電池為基礎的電動車輛在1920年代汽油車輛普及後基本上被市場拋棄。從1990年代末開始，因為各種可攜式電子產品（比如膝上電腦、平板電腦、PDA、智能手機等）和個人輕型交通工具（如電動電單車、電動單車和電動滑板車等）的普及帶動了電池技術和性能的提升，鋰電池高容量、高功率密度和幾乎無記憶效應可在任何電量狀態下充/放電等特性使其受到青睞，電動車也因此獲益，目前最常使用的電動車電池是鋰離子電池和鋰離子聚合物電池。到2018年，全電里程超過250英里（400公里）的電動車（比如Tesla Model S）已商品化，其電池衍生的技術也應用在不同的車輛領域中[14]。
鋰電池的製造和原料供應（鋰礦以及其它稀土元素）的成本一直是個問題（雖然截至2019年[update]，電池車電池的單位成本已較2010年下降了87%[15]），而且受損或出現短路時容易出現熱失控起火有着很大的安全隱患。目前增勢最猛的電動車電池是以比亞迪刀片電池為代表的磷酸鐵鋰電池，雖然能量密度不如鋰離子電池，但安全性、電池壽命和深度充/放電性能都具有優勢，也被大量使用在光伏儲能等領域。
因為電動車電池的電能容量和功率輸出都遠超傳統車輛，因此也可以用來支持許多傳統車輛難以做為標準配置的車載電器，比如飲料製冷機、資訊娛樂屏顯和電動加熱座椅，即所謂「冰箱、彩電、大沙發」的新能源車標配「三大件」。此外，許多新型電動車還支持V2G功能，在停電、戶外出行和應急時可以作為備用電源來直接供給其它電器和電動工具的使用。
充電接口
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全球主要的有線充電技術標準包括：IEC 62196、日本五大整車廠提出的CHAdeMO標準、Tesla專有插頭、聯合充電系統（CCS）標準、SAE J1772和中國推薦標準GB/T 20234[1]。
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交流電
[編輯]- 參考IEC國際標準規範IEC 62196-2
- SAE J1772（又稱Type 1）：北美單相交流電充電標準，主要在北美、中美洲、日本、韓國和台灣採用。
- IEC 62196 Type 2：歐洲單相和三相交流電充電標準，主要在歐洲、南美洲、南非、中東、澳洲和印度、新加坡、香港、台灣等亞洲國家和地區採用。中國大陸GB/T交流電充電標準以此基礎開發但不相容。
直流電
[編輯]- 參考IEC國際標準規範IEC 62196-3
- 組合充電系統（CCS）
- CCS1：衍生自 SAE J1772 在此基礎上增加直流電DC端子實現快速充電，主要用於北美、中美洲、韓國和台灣。
- CCS2：衍生自 IEC 62196 Type 2 在此基礎上增加直流電DC端子實現快速充電，主要用於歐洲、南美洲、南非、中東、澳洲和亞洲國家和地區。
- CHAdeMO：日本直流電充電標準
- GB/T 20234：中國大陸直流電充電標準
無線充電
[編輯]- IEC 61980 電動汽車無線電力傳輸 (WPT) 系統
- SAE J2954 202208 輕型插電式/電動汽車無線功率傳輸和對準方法
- EN ISO 19363:2021 電動道路車輛：磁場無線電力傳輸、安全和互操作性要求
- GB/T 38775 電動汽車無線電力傳輸標準
| 電力供應模式 | 美國 | 歐盟 | 日本 | 中國 |
|---|---|---|---|---|
| 單相交流電 (62196.2) |
 Type 1 (SAE J1772) |
.svg) Type 2[a][b] （DE、UK）  Type 3 （IT、FR，已棄用） |
Type 1 (SAE J1772) |
.svg) Type 2 (GB/T 20234.2)[c] |
| 三相交流電 (62196.2) |
Type 2 (SAE J3068) |
不適用 | ||
| 直流電 (62196.3) |
.svg) EE (CCS Combo 1) |
.svg) FF (CCS Combo 2)[b] |
 AA (CHAdeMO)[b] |
.svg) BB (GB/T 20234.3)[a] |
 ChaoJi （計劃） | ||||
- Notes
- ^ 1.0 1.1 在印度，電池電壓小於100伏的「低性能」車輛使用「婆羅多電動車充電器」（Bharat EV Charger）標準：交流充電（230伏×15安，最高10千瓦）時，婆羅多AC-001標準支持IEC 60309三針插口；直流充電（48～72伏×200安，最高15千瓦）時支持中國的GB/T 20234.3標準[17]。
- ^ 2.0 2.1 2.2 在高性能車上，印度基本上已經採納了國際標準：交流充電（≥22千瓦）使用IEC 62196 Type 2 connector；直流充電（≥50千瓦）使用CHAdeMO和CCS Combo 2[16]
- ^ 雖然GB/T 20234.2實質上可以支持三相電，但充電標準不包括使用三相電。
電子控制
[編輯]電控系統被稱為新能源汽車的「大腦」，替代了傳統波箱的功能，同時需要能夠應對頻繁起停和加減速，同時還需要有較大的變速範圍，低速/爬坡時要求高轉矩，高速行駛時要求低轉矩；如果是混合動力車還需要處理電機啟動、電機發電、回饋制動回收能量等特殊功能，直接決定了爬坡、加速、最高速度等主要性能指標。
一般來說，電動車的電控系統主要包含三個共性子系統，之間都是:透過CAN網絡等實現相互通信：
- 整車控制器（vehicle control unit，簡稱VCU），是各個電控子系統的調控中樞，負責協調和管理整個車的運行狀態，也是與駕駛員互動的主要接口，接收各項操作指令、診斷和分析整車及部件狀態、以及控制其它子系統的動作；
- 電機控制器（motor control unit，簡稱MCU），是電動車特有的核心功率電子單元，:透過接收整車控制器的控制指令調整電機輸出指定的扭矩和轉速；
- 電池管理系統（battery management system，簡稱BMS），主要對電池系統的電壓、電流、溫度等狀態數據進行採集並監測和分析，以便保護電池安全、管理能量控制和行駛信息。
因為電動車有着更大容量電池的能源支持，使其可以裝備功能更複雜、更多樣化的消費電子產品和車載電腦，並配合各種傳感器來輔助防偏離、防撞和盲點監測，或:透過無線通信實現OTA軟件更新，現在許多概念車甚至在嘗試融合無線感測網絡、物聯網和人工智能來做到自動駕駛。而相比之下，傳統燃油車通常很難在將成本和價格控制在大眾消費水平的情況下運行這些複雜的電控系統。
維修成本
[編輯]在歐盟和美國（但尚未在中國），由於燃料和維護成本較低，電動汽車的總擁有成本比同等汽油汽車便宜。[18][19][20]2024年《消費者報告》對29個汽車品牌的分析發現，Tesla的維護成本最低；Tesla是唯一入選的全電動品牌。[21]
電動汽車組織
[編輯]- 世界電動汽車協會
- 世界純電動汽車、混合動力車和燃料電池車大會暨展覽會（The World Electric Vehicle Symposium and Exposition，EVS）
- 亞太電動汽車協會（The Electric Vehicle Association of Asia Pacific，EVAAP）
- 中國電動汽車百人會
圖庫
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參考
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- ^ Governor Newsom Announces California Will Phase Out Gasoline-Powered Cars & Drastically Reduce Demand for Fossil Fuel in California's Fight Against Climate Change. California Governor. 2020-09-23 [2020-09-26]. （原始內容存檔於2023-10-10） （英語）.
- ^ Hungarian contributions to world civilization Compiled by Béla J. Kardos, 2000, page 4
- ^ 存档副本. [2011-08-07]. （原始內容存檔於2008-10-16）.
- ^ The Automobile Age, 作者James J. Flink，1990，page 9
- ^ Kirsch, David A. The Electric Vehicle and the Burden of History. Rutgers University Press. 2000: 153–162. ISBN 978-0-8135-2809-0.
- ^ 《Build Your Own Electric Vehicle》 , 作者：Bob Brant page 44-45
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- ^ 除了日本...這些國家也規劃禁售燃油車. [2021-04-19]. （原始內容存檔於2021-04-22）.
- ^ 歐洲議會通過法案 2035年起禁售燃油車. [2023-04-07]. （原始內容存檔於2023-05-01）.
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- ^ Widmar, Martin. Electric vehicle traction motors without rare earth magnets. Sustainable Materials and Technologies. 2015, 3: 7–13. ISSN 2214-9937. doi:10.1016/j.susmat.2015.02.001
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