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作者:徐業良(2011-09-10);推薦:徐業良(2011-09-10)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2011年十一月號,史丹福專欄。

汽車新產業電動車充電站

不久前讀到這麼一篇新聞:

「中油七年前首度開辦刷卡自助加油業務,初期市場反應冷淡,但隨著油價連番上漲,自助加油汽油每公升可省八角、柴油省三角的優惠,吸引加油族目光。

過去中油自助加油亭乏人問津,現在卻常見大排長龍,中油因此決定擴大辦理自助加油業務。目前中油開辦自助加油業務的加油站共八十八座,今年底前將增加至一百一十座,到明年底前將進一步增至一百六十四座。」

您也使用自助加油嗎?在美國開車,所有的加油站都是自助加油,我固定在桃園學校附近一家設有自助加油亭的加油站自助加油,真的一點兒也不難,工讀生都會做的事,自助一下刷卡1公升降價1.8元,每次加油可以省100元左右,比領一堆礦泉水衛生紙之類的贈品實惠得多。

OK,這個月的史丹福專欄要談的其實不是汽車加油站。拿這個新聞來開場,只是讀到這個自助加油的新聞時,觸發了我這個月想談的主題,電動車的充電站(charging station)

汽車的未來走向電動車,已經幾乎是沒有爭議的共識,然而在這個未來真正到來之前,汽車充電站是最重要的基礎建設,也是全世界,美國、歐洲、日本、甚至中國,風起雲湧的汽車新興產業。

想像您有一部電動車,純電動車或者混合動力電動車。每天晚上下班回家停在家中的車庫裡,您把電動車插上家中電源插座充電一整晚;第二天早上您開車到辦公室,您在公司的專屬停車位旁也有個充電站,下車時您又順手把電動車插入充電站充電,通勤回家的路上就不必擔心車子沒電。假日全家出遊,先上大賣場買些日用品,把車停在大賣場停車場的電動車專區,每個車位都有一個充電站,您逛大賣場的幾十分鐘,多少幫電動車充點兒電;上路開往旅遊景點,您打開衛星導航,特殊功能鍵可以隨時顯示附近充電站的位置;就算您的電動車真的開到快沒電了也不必擔心,道路救援也有電動車充電服務,充電10分鐘就可以讓您多開20公里,到達附近充電站。

OK,這一切都還只是想像。不過這裡提到的許多電動車充電相關的基礎建設,都正在發生之中,或是已經發生了。像是美國最大、最重要的道路救援服務機構AAA,已經在波特蘭、西雅圖、舊金山、洛杉磯、田納西州的諾克斯維爾(Knoxville)、佛羅里達州的坦帕市(Tampa)6個電動車數量比較多的城市,開始提供電動車充電道路救援服務先導計畫,測試這項服務所需的設備和服務模式,目標是將電動車充電道路救援服務推展到全美國。今年三月,車主常用來找路的Google Map已經悄悄地將全美目前600座且持續增加中的電動車充電站位置,標明在地圖上,許多導航系統或智慧手機的應用程式,也都已經提供附近地區充電站位置的搜尋服務。

從前面這段想像中的電動車生活情境也可看出,電動車充電站設置的基本想法和汽車加油站完全不同。加油站採用集中設置的方式,汽油集中運送到加油站的地下油槽儲存起來,車主開到加油站排隊順序加油;電動車充電站則是採用分散設置方式,電動車車主可以在家中、辦公室、賣場、或者專用電動車充電站等各個地方充電,而且絕對是自助充電噢!

這個基本的不同,使得電動車充電站成為一個百家爭鳴的汽車新興產業。這裡談的電動車充電站產業,不是像設置加油站一樣大費周章地到處圈土地設置充電站,而是實際開發、銷售電動車充電站設備。

我猜想絕對不會有任何車主買一套加油機、油槍等設備回家,只為了專門幫自己的汽車加油,但是電動車車主絕對有可能買一套電動車充電設備放在家中,幫自己的電動車充電。除了電動車車主之外,電動車充電站設備潛在客戶還包括前面提到的公司企業、辦公大樓建築商、賣場、百貨公司,以及希望能廣設電動車公共充電站的政府單位等等。

不同的顧客對於電動車充電站設備的需求也不同,這主要和電動車車主可以充電的時間有關係。例如在家中車庫充電可以好整以暇地充個一整晚,電動車停在百貨公司、大賣場的停車場可以充電一小時,兒道路旁的電動車快速充電站可能就得在10分鐘充電完成。

要繼續討論電動車充電站設備,可能還是得把電池ABC再拿出來複習一下。

電池主要的電氣規格包括電壓、電量、和充電電流。電池的電量是用「安培小時(Ah)」來表達,安培是電流的單位,每秒鐘流出多少電量的意思。例如您新買的鉛酸蓄電池註明規格是電量40Ah,意思就是說理論上這個電瓶中所儲存的電量,用40安培的電流放電,可以連續放電1小時。40安培是很大的電流,您通常用不到這麼大的電流,用比較小電流放電的話,自己作作數學,同樣的電瓶20安培電流可以放電2小時,10安培電流可以放電4小時,5安培8小時…

或者用2400安培超大電流,放電1分鐘電瓶電量就用完了?

注意這些計算只是“理論上”,放電電流太大,電池內的化學反應根本來不及產生這麼多電子,而且電瓶放電的過程中,電壓也逐漸下降,您的40Ah還沒放完,電池電壓早就不夠推動電器了。此外溫度也會有影響,過低溫時化學反應發生慢,電量可能放不到規格值一半。

電池放電的概念也可以反推到電池的充電上。在電動車的應用,電池充電時間過長一直是最大罩門。充電所需時間長短期時和所使用電流大小有關,例如電容量40Ah的鉛酸電池要充電的話,理論上用40安培的電流充電,1小時就可以充滿,或者用2400安培電流充電,1分鐘就可以充滿。

噢,這只是理論上。同樣道理,大電流充電電池內的化學反應根本來不及發生,只會讓電池電容量減少、壽命簡短而已。汽車鉛酸電池規格都有註明一個充電電流,一般都只是電容量數字的十分之一,像是電容量40Ah的鉛酸蓄電池充電電流訂在4安培以下,也就是說以4安培電流充電才不會嚴重影響電池壽命,這時候理論上要10小時才能充飽,實際上所需要的時間則可能還要長。

安培小時是電量的單位,意思是電池裡儲藏了多少電,實際上電池儲存的這些電可以施放的「能量」,還和電池的電壓有關。用流水來比喻的話,水庫裡儲存同樣的水量,從2公尺高度流下來產生的能量,是從1公尺高度流下來產生能量的2倍。電壓就像是水庫的高度,單位是伏特(V),同樣1安培的電流在12伏特的電瓶施放的能量是12瓦特(Watt, W),在24伏特的電瓶施放的能量是24瓦特。

隨堂小考,12V40Ah的蓄電池,所儲存的能量是40Ah×12V=480Wh480瓦特小時。混合動力電動車的電池容量大約是3~5千瓦小時(kWh),單靠電池可以行駛20~40公里,純電動車電池容量大約是20千瓦小時,可以行駛約150公里。

平常在家用電,都是用「1度電」作單位,我們說1度電的意思,就是1千瓦小時(1kWh)。台電夏月尖峰時間1度電3.22元,10度電才大約是1公升汽油的價格,已經足夠電動車跑七、八十公里了。

OK,回到電動車充電站的主題,電池充飽電所需的時間,和充電站的電壓和電流大小有關。前面提到在不同的場合充電,車主對充電時間的需求不同,因此在電動車充電標準上,1999年時美國的汽車工程師學會(Society of Automotive Engineers, SAE)設定了Level 1Level 3三個等級,基本的想法是充電站供給的電壓越大、電流越大,充飽電所需的時間就越短。

Level 1是直接以家中120伏特市電接上電動車充電板充電,當然還是需要有一個充電保護座,把充電電流大小控制在16安培。簡單計算一下16A×120V=1920W,也就是說Level 1的電動車充電標準是以1.92千瓦的功率充電,前面提到20千瓦小時的純電動車電池,至少要充電10小時以上。

歐洲國家的家用電源是240伏特,SAELevel 2電動車充電標準便是以240伏特電壓充電,電流大小控制在32安培,32A×240V=7680WLevel 2是以7.68千瓦的功率充電,充電速度比Level 14倍。Level 2也是辦公大樓、賣場等公共停車場的電動車充電設備普遍採用的標準。

Level 3則是電動車快速充電標準,期望能應用在路邊10分鐘便充電完成的快速充電站。Level 3採用300~600伏特高電壓,最高達到400安培的電流,期望能以最高240千瓦的功率快速充電。這麼高的電壓和電流,您可以想像Level 3所需充電設備更加複雜,安全性的顧慮也必須更加嚴謹。

一般來說,汽車一個星期最多上加油站加幾次油,每次加油需要的時間也很短;電動車充電站使用的頻率和時間則都大得多,基本上車主可能希望電動車停在車庫或停車場時,都能掛在充電站上充電。因此許多市場分析都預測未來對電動車充電站的數量,必定會大過電動車數量,甚至有市場分析指出一部電動車至少需要2個充電站,一個在家中車庫,也許是Level 1充電站,另一個在辦公室或各類停車場,也許是Level 2充電站,最後道路旁還必須廣設Level 3快速充電站。對於這個未來可能的龐大需求,電動車充電站儼然已經成為全球風起雲湧的汽車新產業,開發汽車充電站的公司非常多,主要焦點在技術複雜度比較高的Level 2Level 3電動車充電設備,這裡舉幾個比較有代表性的例子。

美國起步底較早的Coulomb Technology2008年就率先推出了電動車充電站商品化產品“Smartlet Station”,可以直接裝設在像是路燈等公共設施上面,售價在10002000美元之間,目標客戶是企業和政府。2010年美國的奇異電器公司(GE)也推出了名為“WattStation”Level 2電動車充電站商品化產品,售價在5000美元,WattStation造型漂亮、功能完整,目標客戶是各大公司、企業可裝設在自家停車場;最近GE又推出了裝置在牆上的簡易型Level 2電動車充電站,售價大約1000美元。

日本則是由東京電力公司(就是日本震災後大大出名的那一家)和幾家主要汽車廠日產、三菱、速霸陸、豐田,共同發展了一個名字很怪的電動車充電技術協定叫做CHAdeMO,屬於Level 3快速充電技術,使用直流電和特殊設計的充電器和控制程式,能在半小時之內完成一般電動車電池充電,即將要正式推出服務。德國最大的一家跨國能源服務公司E.ON(沒寫錯,這個名字也超怪的)八月底剛在德國公開了一套使用直流電,能以50千瓦高功率快速充電的電動車充電站。目前純電動車航程不足,多半還是在市區通勤使用,E.ON表示他們這套快速充電站可以在30分鐘內將電池充飽,廣設在高速公路出口,純電動車上高速公路、中途充電一次的話,航程可以達到300公里,讓電動車也能被放心用在城市之間的交通。

您會不會好奇,這些電動車充電站要怎麼向車主收費呢?目前在美國百貨公司、大賣場停車場裝設的Level 2電動車充電站,大致的行情是充電1小時收費3美元,像是繳交比較高額的停車費。前面提到Level 3快速充電站,每次20~30分鐘充電預計收費在7美元左右。您在家用Level 1設備自行充電的話,付的當然就是家用電費了。

不過前面提到台電夏月尖峰時間1度電3.22元,非夏月離峰時間只有1.42元,尖峰離峰差距兩倍不止。因此許多電動車充電站設備廠商,已經在開始規劃如何利用所謂「智慧電網」技術,讓長時間掛在充電站的電動車,多多利用離峰時間充電。事實上電動車電池是一個很大的電能儲存裝置,日本的日產車廠宣稱,旗下電動車Nissan Leaf的電池充飽電之後,可以供給一般日本家庭所需兩天的電能。日產已經在發展一套充電裝置,能和家中電源整合,離峰時間對電動車充電,停電或尖峰時間可以反過來供電給家庭使用。

智慧電網,又是一個複雜的新話題,也許下次有機會史丹福專欄再來個續集吧!