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锂离子电池早期应用不广,直至1992年Sony成功开发出新的电解液,改善了电池的充放电次数及安全问题,首个商用锂离子电池才正式推出。其后,因锂离子电池具重量轻、容量大及无记忆性等优点,逐渐成为电池产业的研发重点,开始被广泛地应用于消费电子产品。
锂离子电池发展多年以来多半仍集中在高价值的3C产业,较少被应用于市场规模更大的储能和动力电池市场,如纯电动车、油电混合车、中大型UPS(不断电供应系统)、航太设备与飞机用电池等领域,主要在于正极材料成本偏高,且应用于车子这类的行动装置上,因安全性仍不足而迟迟无法有所进展。
直至近期的发展,如经过技术改良的三元电池,以及更安定的正极材料磷酸铁锂被发现等,都使锂离子电池应用于动力电池市场有新的突破,电动车产业电池发展方向似乎也由镍氢电池(Ni-MH battery)转而以锂离子电池(Li-ion battery)为主,从以往做3C产品顶多4~6颗的电池,到一辆电动车将使用7000颗以上的需求下,锂离子电池产业将有一波前所未有的大爆发。
锂电池市场
根据ITT指出2013年电动车对锂离子的需求量已明显的翻倍成长,2016年的需求量年复合成长更将超过120%。美国运输产业研调机构Navigant Research亦预测,全球车用锂离子电池市场,将从2013年的32亿美元,成长至2023年的241亿美元。
电动车续航力受限于电池储存容量,各电池厂正在积极开发期望突破目前限制,若能提升效能、降低成本等,将有助于电动车的普及。
锂电池种类
广义的可充电锂离子电池是指由石墨为负极,钴、锰或磷酸铁等为正极,以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。依正极材料目前电池的主要种类,如下表:
充电站
要使电动车成为一项完整产品,我们必须探讨其所搭配的充电建设。
充电设备的普及程度与充电速度是消费者购买电动车时考量的重要因素,而与这两项因素相关的就是充电系统成本、与电力公司的配电建设。若希望提升充电速度,伴随的是设备成本与对配电建设的要求,而充电站的成本又直接影响着充电站的普及程度,这之间的彼此抵换关系是电动车业者需要思考的充电装置市场。
由于充电站建设成本高、收益低、营利难,难以吸引投资建设者,目前充电桩的建设主要依赖政府和车厂投资,如中国政府大力扶植电动车产业,更于2015年祭出一连串政策,其中包括新建住宅停车位营建或预留安装充电设施的比例应达到100%,大型公共建筑物、公共停车场不低于10%等等。
欲提高电动车的普及度仍有些问题须克服,且这不是单一个案,各国都正面临相同课题。要让使用者将汽车换成电动车,必须拿出的当然是不影响使用者原有习惯或者比现在汽车加油还要更便利的充电解决方案。
2014年TESLA进军中国,CEO Elon Musk曾发下豪语,要让中国成为TESLA电动车最大的市场。但事情总是不如人们想的如此顺利,2014 年的预期销量目标是10,000 辆,最终完成度不到30%,因而特斯拉中国开始了一场大规模裁员行动。
虽然中国大力扶持电动车产业,包含提供补助、积极扩建充电站等,大环境看似充满机会,那到底TESLA失利的问题点是什么?除了关税高、倾斜的补贴政策造就了Tesla在中国的高价以外,陷于困局的还有充电站及充电规格,由于中国的国家电网所布局的充电站只支援中国品牌的电动车,中国TESLA车主必须自行购买充电桩,对于一般车主而言根本是不可能的事。
现任特斯拉中国区总经理朱晓彤,以教育市场为目标,采取两项重点措施─增加体验中心、完善充电桩网路,进行大规模的扩张。他认为特斯拉将重心摆在技术创新而非依靠补贴,因此提高市场接受度非常重要,完善充电网络便是为了让用户对使用电动车的疑虑少一些,进而挽回车主的心。
充电站建设三要素
营运建置三模式
若以平日生活型态来说,电动车可能停靠的地点将在住宅、工作地点、购物中心或交通转乘点,而这些地点就是充电设备可能设置的选择。考虑上段所述三项因素及配合使用者的移动地点,目前充电建设的营运建置模式可以分成三种:
1. 住宅与公司充电:(=>慢充)
一般住宅与公司建置的充电设备,提供住户或公司员工使用。家庭与公司一般受限于电力设备规格与必须私人负担充电设备建置成本,且停留于这两处时间较长,因此通常建置较便宜且容易建设的AC Level 1或AC Level 2交流电慢充设备,即可满足使用者大部分情况的充电需求。此外若要建置住宅充电设备也另须考虑使用者是否拥有自有车位。
2. 停车场、路边停车格充电:(=>慢充为主,快充为辅)
因为停留在停车场或停车格的停车时间有很大的不确定性,因此必须同时具有快充及慢充两种规格的充电设备,此外停车场还有公营及私营停车场两种分别,在充电站建设初期,政府的推广补助,多由公营停车场开始建置。
3. 交通转运站、路边充电站、购物中心:(=>快充)
在这类结点通常时间很短,因此需要追求的便是快充设备。路边充电站如加油站一般希望以提供充电服务营利,短期之内难以达到规模经济,因此与购物中心建置充电设备类似,希望带来的是周边效益、访客数,例如充电站旁的便利商店、咖啡厅等。
充电设备零组件
在对充电站建设有概念后。从图中我们可以看到一台Nissan Leaf正在进行充电,我们可以将整个充电组合做简单拆解:充电站设备可分为充电桩、充电连接线、充电枪头、车辆端充电座、电源供应端的配电设备等。
国际快速充电规格
除了设备以外,在上图中的充电桩上还有一个CHAdeMO标志,其代表的是此充电桩符合日本CHAdeMO协会规格并取得认证。目前全球5大电动车充电连接器标准为:日规的CHAdeMO、美国的SAE J1772、TESLA的Super Chargers、中国的GB/T及美系和德系的八大厂商于2012年发布了“联合充电系统”(Combined Charging System),即“CCS”标准。
不同规格除了制定充电枪头与车辆充电座的连接规格以外,还包括符合协会制定的电压、电流、测试程序等各种规范。各大车厂有其拥护的规格,在不同地区各种规格的发展现况也不太一样,因此,对充电设备厂来说,积极取得认证以及取得哪一种规格的认证是值得注意的。
无线充电技术
无线充电技术利用磁场产生电流的原理进行充电,较常见的方法有磁感应(Magnetic Induction)与磁共振(Magnetic Resonance)两种。在公共场合中电动车以无线充电站充电时,需要将车子内部的感应线圈对准充电站的感应线圈,以使产生磁场。
2015年8月一则引人注意的消息是,英国公路局发表声明表示,预计将投入5亿英镑,未来五年内在主要道路、高速公路中增设电动车专用车道,导入自行开发的动态充电技术,让电动车可以边走边充电。预计今年底开始测试,计画18个月后检视成果。
其实,这并不是第一次将无线充电概念运用在电动车上,BMW、GM、Volvo、Toyota、Nissan等车厂皆有推出相关的无线充电模组。南韩曾尝试过无线充电公车道,而2014年高通公司(Qualcomm) 在电动方程式赛车Formula E中,借BMW i8 Safety Car展示其Halo无线充电技术。不过此技术仍在实验中,尚未推广到日常生活。
由于技术有安全性及技术性的考量,无线充电属于非接触式装置,若在充电过程中,有金属异物介入传送端与接收端之间,有可能因异物发热而有起火危险。技术上要如何改进充电功率及效能不佳问题等,都是无线充电技术无法在短时间内商用普及的原因之一。
国际汽车工程协会SAE(Society of Automotive Engineers)在2010年底成立SAE J2954的无线充电标准工作组(Task force),积极讨论电动车及插电式混合车之无线充电及定位标准,已于2016年5月公布新规范,将轻量车充电系统的常用频带订在85 kHz(81.39-90 kHz),以便各家电动车制造商打造的无线充电接收器,能在统一规格的无线充电基地台进行充电,不会产生不相容的问题。
若英国政府实行成果优异,将可能再次将电动车产业推向更高峰,未来无线充电究竟是噱头还是真的具备实用性,仍有待观察。
新能源车推广的”最后一哩路”能否走得顺畅,有赖充电设施的普及与电池的再升级。【关于转载】:转载仅限全文转载并完整保留文章标题及内容,不得删改、添加内容绕开原创保护,且文章开头必须注明:转自“半导体行业观察icbank”微信公众号。谢谢合作!
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