从结构来看,汽车的驱动系统是引擎,是将油箱中的燃料(汽柴油)点火产生的化学能(热能),转化为机械能(动能)的装置,让车子行驶;而电动车的驱动系统是马达,由电池中的电力提供马达运转将「电能」转化为「动能」。简单来说,电动车是把油箱换成电池,以电能取代燃油,用马达代替引擎,以电力驱动马达,带动车轮运转。
从电动车的英文「Electric Vehicle」直译,指的是电子化的运载车辆。广义来说,只要配备电池及马达系统,利用「电能」驱动的车子,都可称为电动车(EV)。
在电动车发展演进过程中,研发出许多电能技术驱动马达,加上电池研发技术的困难、电池电力持久问题等因素,而衍生不同形式的电动车,多元化的电动车类型可以概分为以下三大类型:
一、纯电动车(BEV)
电池动力车(Battery Electric Vehicle, BEV),是指单纯以电池供应动力的车辆,以电池的电能驱动马达和变流器取代引擎,发挥传输动力的功能,这是一般狭义的电动车,或者称为纯电动车。
纯电动车没有引擎、不需要油箱,无需考虑进气、排气系统,不会排放废气,没有空气污染的问题,在环保意识高涨下,逐渐成为近年大多数车厂研发推出的主流车款。世界最知名的电动车大厂特斯拉,就是生产纯电动车的代表厂商。
二、混合动力车(HV)
混合动力车(Hybrid Vehicle, HV),或称复合动力车,是使用两种以上能源产生动能驱动的车辆,可能同时拥有汽油引擎、电动马达等两种以上的驱动系统。常用的能量来源是燃料(包括汽油、柴油、液化石油气等)、电池、燃料电池、太阳能电池、压缩气体等,常用的驱动系统包含内燃机、电动机、涡轮机等技术。
1. 油电混合车(HEV)
在混合动力电动车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)中,油、电混合动力是最常见的,因此HEV 亦称油电混合车(简称为油电车)。油电车同时运用「汽油引擎」和「电动马达」两种动力。但一般的油电车并不是透过电网充电,电能是倚赖引擎发电,并透过煞车减速时回收动能,转换而成;因此,当油电车电量不足时,汽油引擎将自动启动,带动发电机充电,故车辆油箱里一定要有油,不可在完全无油的状态下行驶。
油电车在车辆起步时,或在市区低速行驶时,是使用电动马达辅助动力,比起纯燃油车,油电混合车的油耗少、加速快,相对也较环保;但由于采用油、电两种动力系统,需要配备油箱、内燃机和电池等,占用车体空间较大。
对于混合动力的油电车技术发展来说, 保时捷(Porsche) 车厂创办人斐迪南.保时捷(Ferdinand Porsche)被誉为油电车发展的先锋,他发明一辆配置在前轮轮毂上的两具电动马达所驱动的电动车。1901 年,这辆车被改良由汽油引擎发电,供电给电动马达驱动,被视为油电混合车之始。
但油电车席卷全球的起点,却推迟到二十世纪末。
故事要从1992 年1 月16 日说起。那一天,丰田汽车发表《地球宪章》(Earth Charter),宣示将发展低污染车辆。1997 年,丰田汽车成功推出全球第一款搭载油电混合动力系统的量产车,开启了二十一世纪油电车款的新页,丰田汽车也成为领先全球并集大成的油电车厂商代表。
2. 插电式油电混合车(PHEV)
随着创新技术的演进,研发出既可加油,又可充电的插电式混合动力车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV),或称插电式油电混合车。插电式油电混合车最大的特色是,可加油,也可以外接电源,利用充电站或家用充电设备,从外部电网为车辆电池充电;换言之,在纯电模式下行驶时,如同一般纯电池电动车。当电力不足时,引擎将自动启动,转换为油电模式下继续行驶,免除电池续航力不足的焦虑。
插电式油电混合车电池容量虽大于油电混合动力车,但比纯电动车小,电池续航力大多只有几十公里,主要是为短程通勤而设计。若是要长途驾驶,则必须仰赖内燃机,利用汽油辅助,因此插电式油电混合车依赖充电站的程度较低,且相对比燃油车环保,又拥有汽柴油车的方便性,兼具油电两种优势。
3. 增程型油电混合车(EREV)
另外还有一种增程型油电混合电动车(Extended Range Electric Vehicle, EREV),是增加里程式电动车。
和插电式油电混合车类似,增程型油电混合电动车同时拥有燃油引擎、电池和电动马达,油箱要加油,电池要充电;但两者最大的不同是,增程型油电混合电动车的引擎是帮电池充电,以增加里程,并不提供动力输出,车辆的动力来源完全靠电池和马达。
增程型油电混合电动车是2007 年,通用汽车为解决纯电池车续航力不足的创新设计,但在电池技术及效率提升后,通用汽车已于2019 年停产这类增程型油电混合电动车,逐渐被纯电动车取代。
三、燃料电池电动车(FCEV)
另外,还有一种燃料电池电动车(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV),是搭载燃料发电装置的电动车,把燃料中的化学能转换成电能,常见的燃料是氢气,把储存的高压氢气加上空气中的氧气化合反应生成水、电,而放出热量;其他不同的燃料来源,也是来自于任何能分解出「氢气」的碳氢化合物,例如天然气、乙醇和甲烷等燃料来发电。
一般纯电池电动车的电池模组必须充电才能运作,充电需要时间,但燃料电池车则不同,只要加「氢」就能上路行驶,节省等待时间,而且燃料电池发电时只会排放水及热,因此燃料电池电动车被视为零污染车,属于真正节能环保的交通工具。
从燃油车过渡到新能源车
如图2-1, 目前较为市场熟知的是BEV、HEV、PHEV 和FCEV 等四种型态,不论是以电池电力驱动,或者是混合动力驱动,抑或是以代用燃料驱动的车辆,由于和过去传统燃油车搭载的动力装置不同,这些采用新技术、新结构的车辆,也被称为「新能源车」,是交通移动载具的新未来。
由于环保节能议题的催化,电池电动车和油电混合车将逐渐取代传统的燃油车,除了内燃式引擎驱动有排放废气的问题,从特性和优缺点可以一窥全貌。
如表2-1 所列,电动车和燃油汽车之间,在结构上明显不同,传统汽车是内燃机引擎燃烧汽油和柴油产生热能与气体,转为动能运转车辆,引擎在燃烧石化燃料时所产生的二氧化碳,变成温室气体,也就是环境污染的重要来源。
以纯电动车来看,使用电池,不需用油,减少碳排,但电池有使用寿命,且电池更换的成本较高。不同于传统燃油车内燃机引擎,电动车的马达运转时较安静、平稳,有些车款甚至没有配备配速箱,不会有换档时产生的震荡,行驶时顺畅,乘坐时相当舒适,启动爆发力强,效能佳。
目前市面上普遍常见的电动车类型,以纯电池电动车和插电式油电混合车两大类为主,占电动车市场的99%以上。至于燃料电池因材料成本高昂,导致燃料电池电动车价格高不可攀,是普及化的最大瓶颈,目前燃料电池车数量微乎其微,以2021 年为例,全球氢燃料电池车仅5 万余辆,仅占全球电动车总量的0.3%。
燃料电池(Fuel Cell)是一种发电装置,就像一架发电机,只要储气瓶添加燃料「氢气」,透过化学反应产生电能,就能维持燃料电池的电力,不像一般非充电电池用完即丢,也不像充电电池要持续充电,是名副其实的新能源。加上,燃料电池低污染、低噪音、不用充电、高效率、寿命长等特性,近几年来,在国际上研发趋势已见增温。