纯电动汽车

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  此条目的主题是四个轮子的轿车外型用外部电源充电的电动汽车。关于其他以电能驱动的车辆，请见“电动车”。
日产聆风，至2012年二月是全球销售量最高的纯电动车，总销售量高于22,000架[1]。
第三代Smart ED

纯电动汽车，又称纯电动车，电瓶车（英语：Battery Electric Vehicle，缩写：BEV），是指以蓄电池供电给电动机，由电动机推动行走的车辆，而电池的电量由外部电源补充[2]，媒体常简称作“电动车”，故常与其他以电力推动的车辆（如无轨电车）混淆。

纯电动汽车自身不排放废气，因此不会污染行经路面周遭的空气[3][4][5]。电动马达在低速及加速的能力及能量效率十分杰出，因此纯电动汽车应用在走走停停频繁的工作车辆（巴士、垃圾车高扭力需求的车辆等）可以提高效率。燃油汽车在停车时引擎仍然需要怠速转动以免熄火，如此就把燃料白白浪费掉，同时产生不必要的碳排放、污染，相比之下纯电动汽车在停车时电动机完全静止，避免了不必要的能量消耗，而且在制动及下坡时可以回收动能以回充电池，充份善用能量之余也不会产生煞车的废热，同时避免零件损耗，也不需要任何保养，即使是私人电动车，在交通拥挤的都市也有减少浪费、环境控制的效果。

但电动车也会产生污染及碳排放，纯电动汽车的排碳主要在其生产过程，特别是电池的制造过程，碳排量比起燃油汽车的制造过程多很多；产生电力给纯电用车充电也产生相当碳排放，排碳量视发电方式而有所不同。在整个纯电动汽车的生命周期，包括制造、供电及弃置后的处理等，车所产生的碳排放不一定比燃油汽车少，这要视乎供电给纯电动汽车充电的电源碳排放量多少而定，例如高效率的石化发电（因为内燃机效率常低于25%，采用发电厂涡轮则能换率就能达到60%）或是水力（例如北欧的挪威80%利用水力发电）、风能（例如荷兰的铁路多数为风能驱动）以及太阳能（光电成本已经大幅下探[6]）等再生能源来协助降低碳排放，所以若想利用纯电动汽车达到减少排碳量，就必需配合采用洁净能源发电的产业结构。[7]

原理

纯电动汽车以蓄电池为车辆提供电力给电动机，电动机把电能转化为动能，推动车辆[2]，结构上非常简单，电池模组一般配置在底盘，侧撞车辆重心比较低，也会加强提高安全性。特别是电动机在2万转内都能有效提供扭力，只需要结构可靠的单速变速箱传递，方式可以是像传统车辆般经差速器传动到车轮，较新的作法是每个推动轮各自有一个电动机，电动机则直接推动车轮，更省减了差速器与驱动系统，保养车辆的工作与成本可以极大的减少。在电动机通常除用作推动车辆外在刹车时也充作再生制动系统的能量转换器，把车辆的动能回收转化为电能重新蓄存放电池中，而汽油车只能将其动能在煞车上摩擦浪费掉变成废热。因为电动车所使用的电池是蓄电池[2]把能量存于车上，相等于一般汽车的油箱，在电力用尽后也经由车外输入电源把电池充电，一般来说最好在夜间返家后，接入离峰电力，隔天一早上满了就可以出发，至停车位再行驻车充电（或称目的地充电）。若是长途行车则利用快速充电服务或换电服务，通常设于公路服务区或沿路城市中的站点。

电池

主条目：电动车电池
第二代Prius的镍氢电池
50 Whr/kg 锂离子聚合物电池样版。新锂离子电池能提供130 Wh/kg并有数千次充放电次数。
新研发出的钛酸锂电池SCiB，在6分钟内可以充至80%满，而且长寿，但成本相当高。

电池性能决定了纯电动汽车的最大行程、充电时间。电池成本占了整体成本相当大的比重[8][9]，制造电池的排碳量也占了整个使用周期排碳量相当大部分（43%）。所以电池是纯电动汽车发展的最重要的技术关键，重要的电池性能参数有：

  1. 电池容量。
    这取决于制造电池物质的能量密度，能量密度可以指在一定体积或重量下的储存能量的多少，在纯电动汽车中，一般较关注的是重量能量密度（Wh/kg），因为重量越大，车辆加速等情况消耗的能量越高。而当外来因素如上坡等需要增大输出功率时，会使电池容量会变小，使得行驶距离比标称预期的短。电池容量影响二次充电之间最远的行驶距离，在合理体积及重量下现今的电池还未能提供纯电动汽车及得上一般汽车的行程。


  1. 充电时间。
    近年电池技术在充电速度上有突破性进展，一般充电大约需时3至4个小时，某些种类的电池使用专用充电设施的话可以在半小时内充完80%，理论上的未来的电池可在8分钟充至充满。新技术使电池能在十数分钟完成充电，但较慢速的充电方式相对地有利延长电池寿命，部分新研发的电池能令快速充电对寿命的影响降低，而快速充电能力带来的另一好处是能更有效地在再生制动时，如刹车、落斜时回收并储起在车辆的动能或位能，能增加实质行驶距离。


  1. 电池寿命。
    一般的充电电池只能充放电数百次，之后电量就会步入衰减，对纯电动汽车来说，续航350公里的车款循环1000次，即仅驾驶30万公里之后电池老化，显然并不足够耐用，所以使用在纯电动汽车的电池都针对电池寿命作出改进。影响电池寿命的因素除制造电池的物质及电极外，同一电池在不同使用条件下，电池寿命也有不同。在不同的电量状态下，以不同的电流充电或放电会对电池寿命有不同影响；放电低于某一水平及充电至高于另一水平都会对电池寿命有损害，也即在剩余电量不太高也不太低的一个"窗口"内充放电才不至损害电池寿命，而且这个窗口的大小会因放电电流或充电电流的变化而改变，基于这个原因，Tesla让用家可自行设定充电至在未完全满的较低容量时就停充，以延长电池寿命。[10]在混合动力车上在需要时可以即时由发电机向电池充电，使电池保持在理想电量之内，大幅延长电池寿命，有些型号的电池大多可使用超过10年。但在纯电动汽车上不可能在电池需要充电时就马上有充电用的电源，而电动车本身的行程就已不太足够，要预留一部分电量有用就变相减少电池可用电量。所以制造商在增加电池容量的同时，也研究如何增加不会损害电池寿命的电量范围。此外，工作温度影响着电池的能量转换效率，电池能量转换效率提升，充一次电能行走更远距离，相同距离的充电次就可以减少，因此也同时影响电池寿命，过热过冷也会影响电池的能量转换效率，在极端的低温情况，电池效率可低至原有的50%。[11]日产汽车是第一家生产产对电池提供有限保养，若电池在5年内或行走少于60,000里后容量少于70%，厂方将提供全新或翻修电池替换。[12]Tesla没有提供类似保证，但整体上Tesla的纯电动汽车电池寿命比预期好，Roadster预期5年后或行走50,000里后电池容量会剩下70%，而根据一美国组织Plug In America研究，在2013年（也即Roadster投入市场5年后）根据126辆Roadster的数据，在平均行走了100,000里后电池容量仍然有80-85%。Model S的数据也理想，根据84辆Model S的数据，在行走了30,000里后电池容量仍有95%，而当行走到50,000里后更有94%，以此推算，行走100,000里后应可有92%。[10]

现今纯电动汽车所使用的电池有镍氢电池或锂离子电池[2]，两种电池都可以回收再用做储能等用途，报废也可以提炼出回收金属。

  • 镍氢电池（Ni-MH battery）是指以镍及能吸收储存、释放氢离子的金属组成的电池。镍氢电池较重，能量密度（30-80 Wh/kg），比铅酸电池高，比锂离子电池低。但输出功率较低，而充放电效率也不及锂离子电池，只有60-70%[13]。寿命相当长，这在混合动力车上已得到证实。自放电较大及在低温下性能较差的问题在近年已大为改进。虽然成本较锂离子电池低，但由于效率低、较重及充电需时，新的纯电动汽车大多不再使用镍氢电池。
  • 锂离子电池（Li-ion battery）是以锂及其他物质组成的电池。锂离子电池较轻，能量密度高达(200+ Wh/kg)[14]，输出功率较高，充放电效率高达80-90%，而自放电较镍氢细少，但价格较镍氢高。但一般手提电脑、手提电话用的锂离子电池只有数百次的充放电寿命，即使储存不使用，随时间增加容量也会衰减，而且有潜在危险，例如爆炸等[15]。而使用在纯电动汽车的锂离子电池有别于上述一般锂离子电池，大幅改充放电次数、存放寿命等问题，缺点是是容量较一般锂电池略小（但仍比镍氢电池大[14]）。

现在适合并已用于纯电动汽车的锂电池有磷酸铁锂电池及钛酸锂电池。

  • 磷酸铁锂电池，相对一般锂离子电池，磷酸铁锂电池输功率较大，充电速度较快，但容量低14%。磷酸铁锂电池可有数千次的充放电次数及超过十年的使用期，有的更可以达7000次以上的充放电周期[16]，而且有较佳的化学及热稳定性，不会爆炸，较为安全。
  • 钛酸锂电池，相对一般锂离子电池，输出功率较大，较安全[17]，充电速度极高，寿命相当长，但容量有待改进而且成本特别高。

现时有两间公司研发锂钛电池：

  • 日本东芝研发的锂钛电池SCiB，20Ah电池在4000次1C充放电后仍有80%的容量，5000次后也有75%以上[18]，4.5Ah版本更达6000次10C充15A放电后仍有超过80%，只需6分钟就能充满80%容量，除减小等候充电的时间外，也带来另一重要好处，能极快速充电，配合适当的再生制动系统便能更好地回收车辆行走时的动能及位能，增加行走里程，厂商公报因此钛酸锂电池可以以同样容量走多1.7倍路程[19]。另一特点就是可以在相当阔的温度范围使用（-30℃至55℃）。三菱重工的i-MiEV在2011年六月宣布将会改用这款电池，本田的飞度Fit EV也是采用SCiB。
  • 另外锂酸钛电池为Altairnano的Nanosafe电池，可在充放电15000次，12年后仍保有80%的容量。

由于锂离子电池优点多，很多新研究都基于锂离子电池；其他相关的研究有lithium-manganese spinel batteries[20]、Lithium vanadium oxide、Silicon nanowire[21][22]、silicon nanoparticles[23]及tin nanoparticles[24][25]。

电动机

主条目：电动机
左：FCX Clarity后轮的轮毂电动机，右：Colt EV概念车上的轮毂电动机。

由于电动机（马达）的功率重量比较内燃机引擎高，在同样动力输出下重量较轻，而且扭力稳定，没有内燃机引擎在转速低时扭力大幅下降的缺点。一般汽油引擎的效率只有15%（即所消耗汽油有85%被浪费掉，只有15%用作推动汽车），而柴油引擎略好一点，有20%，而电动车用的电动机则有80%以上，效率比内燃机引擎高很多。

由于电动机的扭力稳定而且较内燃机大，可以不靠齿轮增强扭力就足以直接推动车轮。有些纯设计每个车轮都由独立的电动机推动，电动机放近车轮，每个电动机可以个别调整速度，以保持良好的循迹性能，免却了离合器、变速器、差速器等机械传动系统的能量损耗，减轻了车身重量，减低了噪音及震荡，也省却了部分机械维护工作，增加了可靠性，而且让出更多车箱空间，让车厢内的空间布局更理想[26]。由于电动机体积小，某些设计直接把电动机装在车轮之内，这种设计叫轮毂电动机或轮内电动机。

使用在纯电动汽车的电动机有多种，大致分为交流电动机及直流电动机。

交流电动机方面则有交流感应电动机，或是有永久磁铁的永磁同步马达。由于电池输出的是直流电，电供电给交流电动机就需要转换器把直流转成交流，设计较复杂，效率也较低。但交流感应电动机有较高的扭力，早期特斯拉的电动车就是采用三相四极的交流感应电动机。

直流电动机方面有传统的串联直流无刷电动机，效率约有85-90%，最高纪录达96%[27]，另由步进马达衍生出来的开关式磁阻电动机-SRM）。 这些电动机全部都是无刷设计，其成本较高，但效率较也较高，且较耐用及所需保养较少。直流无刷电动机及永磁同步马达需要使用永久磁铁，当中直流无碳刷电动机的推动相对较简单。

特斯拉较新的设计用上了新研发的PMSRM（永磁同步磁阻电动机），首次使用在Model 3的AWD版本中用作推动后轮，而前轮则沿用交流的异步电动机，接着，在2019年后生产的modle S及 mode X 也会在前轮使用PMSRM。PMSRM使用永久磁铁是一种永磁马达，部分磁场由永久磁铁提供，而不是需要耗电的电磁体，因此效率较高、较省电，使用PMSRM的Mode 3 效率可达97%，相比未转用PMSRM的 Model S 及 Model X 只有93%[28]。

电动机输出控制

纯电动汽车的行驶速度及输出扭力控制有多种模式，视乎所用电动机种类而定，包括有直流的脉冲宽度调变， 而交流的有频率调变或电压调变等，这些方法都是直接改变输入功率。

再生制动

主条目：再生制动

车辆行驶时蓄有动能，是燃油经引擎转化得来的。一般内燃机引擎车辆在刹车时为使车辆停下来，靠摩擦力把动能传化为热能，白白浪费了这些能量。包括纯电动汽车在内的电动车则可以把这些能量回收后存放回电池上，叫作再生制动。原理是转动中的车轮带动发电机，把动能转回电能后蓄入电池。再生制动也可以用在下坡时，等同把上斜路时积聚的位能蓄回电池。一般会用电动机当作发电机，而回收能量的效率约小于20%。

性能

Tesla model s使用锂离子电池充一次电可行大约400km，加速由0至100km/hour（公里/小时）只需3秒。

现今的纯电动汽车性能在多方面都相当不错，跑车方面，Tesla model s，加速由0至100公里/小时只需3秒，一般房车例如Smart ED0至50km/h是6.5秒，这主要归功于电动机的性能，但当用在负重较大的用途上时，使用纯电动汽车的还不多，这可能是由于电池的性能及成本所致。在扭力方面是电动机的强项，因此在一般的用途扭力不会是问题。

至于极速，很多纯电动汽车都能达至100km/h以上，像Tesla Roadster一类跑车更达到200km/h以上。

由于电动机的扭力输出稳定，控制也比内燃机容易，纯电动汽车的行驶较畅顺，震动及噪声也较小[29]；也不需如一般汽车那样需要经常换档才能确保有足够动力。例如Tesla Roadster由静止到极速只需转一次档。

行驶距离

日产聆风的电池组

纯电动汽车的最大行驶距离一向都未如理想，这完全取决于电池的技术及成本。另外由于路面、交通情况、温度、负重等多种因素都会令电池的效率、容量有变化，行驶距离不可能准确地掌握。因此需要有在不同路面情况下行驶距离的测试准则，在各地区都有自己的纯电动汽车行程距离测试标准，而也有分为一般行走距离与市区行走距离。美国的标准由美国国家环境保护局定立（EPA标准）。

Tesla Roadster充一次电可行320km在当时是相当少有的例子，Model S更可达426km。因为温度对电池容量有相当影响，Tesla为确保电池在贴近理想温度下运作，设计了一套电池温度控制系统，该系统能利用电动机的废热在需要时为电池加热。[11]其他的型号则差很多，一般现在生产中的型号为多于100至200km/h，例如Mini E就只有240km。整体来说，现今的纯电动汽车的行程未及得上一般汽车。

加速性能

纯电动汽车的加速性能取决于电池的放电功率大小。早期电动车给人速度不快的印象，但现时纯电动汽车的加速性能已经与一般汽车无异，甚至远优于引擎，部分性能版本仅需1秒多即可从静止状态瞬间加速至100公里以上[30]。

充电时间

日产聆风使用的Level 2充电站
欧洲的公用充电站标志
旧金山的公共充电站
洛杉矶国际机场附近停车场的公用充电站中两旧款(6kW level2)EVSE（左：感应式Magne-charge gen2 SPI,右：接触式EVII ICS-200 AVCON.
一部REVAi/G-Wiz i在伦敦街头充电

理论上，纯电动汽车的电池能在极短时间内充满（10分钟内），但快速充电代价是该次充电所得的电量较少，该次的行驶距离会明显减少，对电池寿命也有不利影响。另一个限制是现时纯电动汽车的充电时间多是受制于输电网路的输出功率，如果使用普通插座充电，例如北美国家最大是1.5kW（110V），3kW（240V），欧洲国家多数能够提供三相电源，可以有20~30kW，充电时间约为7-20小时，仅能满足日常所需。

如用专用充电配套(50+ kW)，则可以有10分钟至4个钟头的直流快充，甚至5分钟充电100km，Mitsubishi i-MiEV就可以在30分钟内充电达80%电量。视乎电池种类大小而定。对于部分使用场合，中等的充电速度（50~75kW，城市超充）已经相当足够，因为纯电动汽车不一定到充电站才可以充电，只要停泊处有输电网络能及并略为加建配套就能为纯电动汽车充电，使用者可以在到达目的地后开始充电，离开时车子已经充了一段时间电。

有别于一般汽车的入油情况，充电所需时间与电池容量关系不大，因为同一物料的电池，容量大的，充电电流也可相对应加大。

更换电池

除充电外，也有直接换上已充满的电池，只要设计得宜，只要一两分钟就可以完成，但电池成本相对高。用换电池方式的话，除非能制订固定标准，否则各款车所需电池也不同，若自行多买一两组则成本很高，若由政府或厂商提供则难以同时在各处存放足够多款电池。而对汽车及更大型的车辆而言，电池体积同重量也不小，要常更换也不是好主意，而且能快速更换电池的设计很难以低成本兼顾安全性。因此目前更换电池的设计只有机车有实用性。

里程焦虑

里程焦虑一词是源自于纯电动汽车的问题，因为电池剩余容量不能准确得知，所以当电池电量显示读数低时，驾驶者不能足够精确地掌握余下电量足以行走多远。

碳排放量及环境污染

纯电动汽车同样会产生碳排放及污染，不同的是纯电动汽车把污染及排碳转移到生产的工厂及发电厂，污染排放位置较远离人口，也有较好的污染控制可以降低整体空气污染。一般而言，电动车的能源效率较高（“大型发电厂＋电力传输损耗＋充电损耗”是优于“小型内燃机＋变速箱损耗”），而且发电厂的排碳量视乎发电方式而有很大差别，例如若使用燃煤发电，纯电动汽车的碳排放会比混合动力车还高。因此纯电动汽车的碳排放不一定较低，这非常取决于所使用的发电方式；纯电动汽车会被强力推广的原因是希望提高都会区的空气品质（使用燃煤发电的电动车无法降低温室气体排放、但仍可大幅降低其他空物排放）。

虽然多数燃煤发电厂在离峰时间的效率较低、此时增加负载所增加的碳排放及污染物都很少，离峰时间充电则碳排放相对较小，但也要考虑燃煤发电本身是就是碳排放最高的发电方式，而且离峰时间充电对有里程焦虑的纯电动汽车来说也较难实行。

碳排放量

电动车的碳排放量有两个源头，一是车辆的生产过程，二是行驶时需要发电厂提供电力，根据英国的一个报导[7]，以英国的情况：每度电产生500g二氧化碳（500g/kWh）及10%的汽油是生质燃料下，整个产品生命周期，包括生产、使用过程及弃置，各类车辆所产生的二氧化碳如下：

总排碳量估算值（吨） 生产过程排碳量比例 生产过程排碳量（吨，估算值）
一般汽油内燃机的汽车： 24 23% 5.6
油电混合动力： 21 31% 6.5
插电式混合动力车： 19 35% 6.7
纯电动汽车： 19 46% 8.8

纯电动汽车产生的二氧化碳是一般汽车的79%，而混合动力车则是87.5%，但若是在发电结构以燃煤发电为主的情况，例如在中国（可再生能源只占20%），纯电动汽车的碳排碳量会比混合动力车还高，即使以水力和风力发电为主，例如挪威，纯电动汽车会有略为较佳的碳排放[31]。

然而，相关的论述没有提及如果将燃油在运输过程中的耗能纳入考量（例如将汽油透过管线或油罐车运输至加油站的过程中之耗能），纯电动汽车与混合动力车的单位里程碳排放量谁高谁低仍然不易直接导出结论。

另一个纯电动汽车的二氧化碳来源是电池，制造电池时产生的二氧化碳占了整个生产程序的43%。

所以，纯电动汽车若要真正能有助减低碳排放量就要以下四点配合：

  1. 增加可再生能源在当地的发电量占的比重，及发电设施的发电效率，以减小发电过程产生的二氧化碳。
  2. 降低输电网路的能量损耗。
  3. 在离峰时间充电的碳排放会比在尖峰时间充电还要低。
  4. 改善电池生产技术，以减小生产时产生的二氧化碳。

使用情况

碍于电池技术，部分电动车车速有限，因此以Neighborhood Electric Vehicle（NEV）的规格出售，符合美国运输法例low-speed vehicle（LSV）的速度限制(40km/h)[32]。车速略为高的则以City speed的规格（60-100km/h）出售。 至于性能及得上一般内燃机引擎（Highway capable）的纯电动汽车，则在近几年开始在市面出售，有小量能达到跑车规格，商用方面，第一条以纯电动巴士行走的巴士线服务在南韩营运，使用由现代重工集团研发，使用Hankuk Fiber的碳纤维复合材料减轻车身重量。[33][34]

相关条目

外部链接

参考资料

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  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 Feedline:香港中华电力公司介紹纯电动车。. 
  3. ↑ Should Pollution Factor Into Electric Car Rollout Plans?. Earth2tech.com. 2010-03-17 [2010-04-18]. 
  4. ↑ Electro Automotive: FAQ on Electric Car Efficiency & Pollution. Electroauto.com. [2010-04-18]. 
  5. ↑ 存档副本. [2011-01-04]. 
  6. ↑ 太阳能发电效能 愈来愈高 | 全球财经 | 全球 | 联合新闻网
  7. ↑ 7.0 7.1 Feedline:LowCVP report on carbon footprint of EV and HEV.. [2011-11-06]. 
  8. ↑ Feedline:三菱总裁：电池價格下降是生产成本下降的主因。. 
  9. ↑ Electric Vehicles in the United States A New Model with Forecasts to 2030 (PDF). The 2012 per-mile cost under this scenario will be 10c/ per mile. If the batteries are able to achieve 3,000 100 mile charge cycles and the vehicle is driven 15,000 miles per year, the 2012 per-mile cost is approximately 6.7c/ per mile.28 The likely lifetime of electric vehicle batteries is likely to fall somewhere within this range. The cost of electricity for electric cars is on the order of 2c/ per mile 
  10. ↑ 10.0 10.1 Tesla Model S Battery Life: How Much Range Loss For Electric Car Over Time?. 
  11. ↑ 11.0 11.1 Tesla Patent Outlines Sensible Approach to Cabin Heating.. 
  12. ↑ Nissan Leaf Battery Capacity Loss: Covered By Warranty, Now. 
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  27. ↑ Tokai University Unveils 100W DC Motor with 96% Efficiency http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20090403/168295/
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