第二章 電動車概論
2.5 車載電池發展趨勢與現況
(1) 種類、特性及發展趨勢
現行市售蓄電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰離子 電池等，其特性與適用操作環境不盡相同，故非均能符合電動車輛對 車載電池之要求，因電動車輛車載電池所要求之性能主要包括：(1)
放電功率大、能量密度大(通常以每公升體積所儲存能量 Wh/L，或每 公斤質量所儲存能量Wh/kg 表示)；(2)可快速充電、循環壽命長﹔ (3) 穩定性與安全性佳。因鋰離子電池具有能量密度大、循環壽命長、充 電效率高、不具記憶效應、自放電率小，且無污染等優點，為目前最 適合做為電動車輛之車載電池，唯一極具市場開發潛力之儲能元件，
其中磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池之綜合性能甚佳，已逐漸取代傳統蓄電池 材料，成為目前車載電池發展之主流。
(2) 蓄電池之種類與特性
(a) 鉛酸電池(Lead-Acid)
鉛酸蓄電池之優點為價格便宜、原料取得容易且無記憶效應；但 其缺點為能量密度低(100Wh/L、30Wh/kg)、充電時間較長、循環壽 命短(約 400 次)且含重金屬原料(鉛)。
(b) 鎳鎘電池(Ni-Cd)
相較於鉛酸電池，鎳鎘電池能以較小之體積提供較大之能量，同 時具有結構穩固安全性佳、性能穩定可靠、自放電率小、充電效率高 及充電時間短等優點。然而，鎳鎘電池卻有記憶效應大之缺點，此外，
尚有活性物質之利用率低及因含有重金屬原料(鎘)而涉有環保問 題。
(c) 鎳氫電池(Ni-MH)
鎳氫電池之優點為能量密度大、功率高、耐過充能力強、有較小 之記憶效應(雖仍存在)且對環境污染較小；但其缺點為自放電率較高 (約 30% /月，低自放電型 15~30% /年)，且成本較貴。
(d) 鋰離子電池(Li-ion)：
鋰離子電池具有能量密度大、循環壽命長、充電效率高、不具記 憶效應、自放電率小且無汙染等優點，為最適合目前電動車發展之理 想供電源。鋰離子電池於發展過程中，出現多種不同正極材料之鋰離 子電池，目前應用上性能較好的有鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、
錳酸鋰(LiMn2O4)以及三者之複合材料，此三者並稱為三元材料。此
外，目前尚有新興之磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池，具有更佳的性能，已漸 漸取代傳統材料成為發展主流。常見之鋰離子正極材料及其特性比較 表，如表 2.7 所示。
表 2.7 鋰離子電池之正極材料及其特性
材料 鈷酸鋰
(LiCoO2)
錳酸鋰 (LiMn2O4)
三元材料複合物 (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)
磷酸鋰鐵 (LiFePO4) 密度(g/cm3) 2.8~3.0 2.2~2.4 2.0~2.3 1.0~1.4 單位電池容量
(mAh/g) 135~140 100~115 155~165 130~140
操作電壓(V) 3.6 3.7 3.5 3.2
循環壽命(次) ≧300 ≧500 ≧500 ≧2000
過度金屬含量 貧乏 豐富 貧乏 非常豐富
原料成本 很高 低廉 高 低廉
環保問題 含鈷 無汙染 含鈷、鎳 無汙染
安全性能 差 良好 較好 優秀
應用領域 小電池 動力電池 小型動力電池 大容量電源
目前鋰離子電池有一新發展方向，是將液態有機電解質吸附於聚 合物基質上。此種鋰離子聚合物電池(Li-polymer)正負極材料及工作 原理皆與鋰離子電池相同，但消除了漏液問題，而且其結構簡單較易 製成體積小之形狀，可應用範圍較廣。
(3) 蓄電池規格之比較
目前已商業化使用之蓄電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及 鋰離子電池等，各有其優缺點與適用領域；不過作為動力蓄電池必須 特別強調其安全性，同時須能提供較大之功率與能量密度，彙整並比 較上述各類蓄電池之性能表格，如表 2.8 所示。各類蓄電池依單位體 積與單位質量之能量密度比較圖，如圖 2.2 所示。由表 2.8 可知鋰離
子電池於實驗理論上具有卓越之供電性能，其主要優勢可歸納為下列 幾點：(1)工作電壓高；(2)能量密度大；(3)循環壽命長；(4)無記憶效 應。
表 2.8 各類蓄電池之性能比較表
電池類型 鉛酸
電池
鎳鎘 電池
鎳氫 電池
鋰錳 電池
磷酸鋰鐵 電池
安全性 佳 佳 佳 尚可 優
工作電壓(V) 2 1.2 1.2 3.7 3.3
體積能量密度(Wh/L) 100 150 250 285 270
質量能量密度(Wh/kg) 30 60 80 110 120
功率(W/kg) 300 150 800 400 2000
能量效率(%) 60 75 70 90 95
循環壽命(次) 400 500 500 ＞500 ＞2000
充電時間 長 短 中 中 短
記憶效應 無 大 小 無 無
自放電率(% /月) 5~20 20 30 極低 極低
環保問題 有 有 極小 極小 極小
圖 2.2 各類蓄電池單位體積與單位質量之能量密度比較圖
(4) 國際相關發展與趨勢 Energy Twicell，主要生產 Ni-MH，年營收約為 360 億日圓。
2009/10 目標為 2020 年拿下全球車用市場 40%比重。
Panasonic
2008/06 與 Toyota 合作開發新世代磷酸鋰鐵電池，預計於 2009 年開始量 產。
2008/07 由日本經產省領導 Panasonic、Toyota、Nissan 等 6 家電池商與 9 家汽機車製造商草擬統一車用鋰電池標準，並將交予ISO 審核，期望可以 率先作為全球鋰電池標準。
2009/01 投資 1000 億日圓在大阪鋰電池新廠主要供應 PC 與手機，預計 2012 年完工，產能滿載可達5000 萬顆。
SONY 2008/08 投資 400 億日圓擴建鋰電池廠。
預定 2010 年產能可提高 8 成，月產能由 4100 萬顆擴增達 7400 萬顆。
Toshiba
2009/02 與 VW 簽訂合作發展油電車與電動車馬達協議。
Johnson Control
由法國 Saft 投資成立，工廠設於法國，主要客戶包括 Mercedes-Benz、
BMW、Ford。
表 2.10 全球主要車用電池廠商動態一覽表
廠商 國別 動態
Panasonic
Energy 日本
由 Toyota 以及 Panasonic 合資成立
預計 2011 年車用電池(含 Ni-MH 與 Li-ion)的產量提升到 100 萬 組
Automotive Energy Supply
日本
Lithium
Energy Japan 日本 Hithachi
Vehicle Energy
日本 Deutsche
Accumotive 德國 由 Daimler(90%)與 Evonik(10%)合資成立
圖 2.3 全球主要車廠與電池廠間合作關係
(5) 電池充電模式
為了滿足電動車之能量需求，蓄電池必須能提供長時間輸出大功 率之能力，且能提供瞬間大電流之輸出，當蓄電池能量不足或不能滿 足下一次行駛里程所須之能量時，須對蓄電池進行充電，而蓄電池之 充電方式將會直接影響蓄電池之蓄電能力，尤其以過度充電對蓄電池 之壽命影響最為嚴重。而目前常見之電池充電方式有定電壓、定電流
和 分 段 式 充 電 等 。 定 電 壓 (constant-voltage, CV) 及 定 電 流 (constant-current, CC)方式之充電為最簡單之充電方式，但若充電時無 監控電池之充電狀態，易發生過度充電之問題。而多段式充電為混合 定電壓與定電流之充電方式，其包含多種不同的類型，在此僅以定電 流- 定 電 壓 充 電 法 (constant-current and constant-voltage charging method, CC-CV 模式)為代表，以下將依序說明其充電方式與特性。
(a) 定電壓充電模式，CV
定電壓充電即外加一固定電壓之電源Vo,max對蓄電池充電。因為 外加電源為定電壓，整個充電過程之電壓曲線Vo(t)=Vo,max，當電池以 定電壓模式充電時其優點在於溫度不會快速上升，且於高充電狀態時 亦不會有過壓現象；但其缺點為充電時間難以估計，且充電初期之電
流 Io,max 較大，可能發生充電電流過大現象，但整個充電過程中充電
電流之典型曲線將呈指數遞減特性，於 Io(t)=Io,min 時，表示電池充電 完成。定電壓充電模式充電過程中電壓與電流之典型曲線，如圖 2.4 所示。
(b) 定電流充電模式，CC
定電流充電即外加一固定電流源 Io,max 對蓄電池充電。因為外加 一固定之電流源，整個充電過程之電流曲線 Io(t)=Io,max，定電流充電 法的優點為可以控制充電初期電流不至於過大，充電時間 Tc 可藉由
電壓達Vo,max時估計是否已完成充電；但其缺點為高充電狀態下容易
有過壓現象，且溫度會快速上升。定電流充電模式充電過程中電壓與 電流之典型曲線，如圖 2.5 所示。
(c) 分段充電模式-電定流/定電壓充電，CC-CV
結合定電壓充電與定電流充電兩種模式分段進行，充電前期先採 用定電流模式，使充電電流Io(t)=Io,max，當電壓緩緩升到中止電壓Vo,max 後，再轉換為固定電壓 Vo(t)=Vo,max充電，當充電電流 Io(t)=Io,min時，
即充電完成。此方法結合了定電壓充電與定電流充電兩者的優點，使 得充電初期之電流不至於過大，高充電階段亦不至於發生過壓現象，
同時充電時間也較容易掌握。定電壓/定電流充電模式充電過程中電 壓與電流之典型曲線，如圖 2.6 所示。
圖 2.4 定電壓充電模式充電過程中之電壓與電流典型曲線
圖 2.5 定電流充電模式充電過程中電壓與電流之典型曲線
圖 2.6 定電壓/定電流充電模式充電過程中電壓與電流之典型曲線