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動力電池複合環境應力介紹
  • 發布年度:2019
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 技術服務處 施冠廷

    電動車的發展已自發芽期進入到茁壯期,除了新創公司如特斯拉、蔚來汽車之外,國際間的傳統車廠如雷諾日產、通用汽車、寶馬(BMW)紛紛推出里程數更高的電動車車款,現因應各國碳排放法規日益嚴苛的同時,電動車補助條款亦逐漸下修甚至退場,因此如何使電動車具有堪比汽油車的續航力,是目前各家車廠或電動車零組件供應商積極投入研發的重點。

    電池的技術突破固然是大家關注的焦點,但充電介面顯然則是目前電動車商業化的關鍵,無論是直流快速充電、換電、無線充電,都須因應不同的使用環境所採取的電能補充方案,但無論是哪種方案,都還是必須面對鋰電池系統充電效率衰退的課題,圖1為鋰離子電池內部的充電與放電示意圖,因為充電過程中的電化學反應,鋰金屬含量將隨固體電解質介面膜(Solid Electrolyte Interphase,簡稱SEI)的耗損而減少,導致可蓄電能量的衰退,故循環工況的檢測標準不僅須考量行駛環境的溫度模擬,亦可依據充電的模式來調整檢測條件。根據統計,鋰電池最合適的工作溫度為25~45℃,但世界各地的行駛環境顯然差異甚大,如何採取合適的檢測方式,來評價鋰電池系統的循環壽命,則是檢測標準在發展上必須考量的要素。
     

     

    圖1. 鋰離子電池的充放電模型
    資料來源:SAE International 2018

    以下簡介北美SAE與ISO國際標準,以及中國大陸所制定的循環工況標準:首先是SAE與ISO,其出發點是SAE J2288,採用Dynamic test和Stress test,供電動車廠在評價不同電池系統供應商時可以參考,但SAE J2288並未規範環境溫度條件,因此單純評估電池系統在連續循環下的電容量維持率,到ISO 12405,則將循環工況的循環次數限定為500次,並檢視其放電電容量是否大於初始放電電容量的80%,但環境溫度仍未有明確的定義;中國大陸則自2015年由工信部發佈的GB/T 31484中,個別針對油電混合和純電動的大客車與乘用車,定義四種不同的循環工況,並針對這四種循環工況設定其放電電容量基準。

    但上述的循環工況標準並未針對環境試驗溫度提出具體要求,有鑑於實際情況,各車廠與供應商其實也針對不同溫度下的衰退模型提出看法,其主要的目的是在於推論最佳的充電模式,以確保最大化遲緩電池系統的衰退速度,如圖2所示為衰退率與內部阻抗的關係,隨著環境溫度的增加,內部阻抗降低,但衰退率卻隨之增加。
     

     

    圖2. 鋰電池內部的阻抗與衰退率隨溫度變化的關係
    資料來源:SAE International 2017

    目前亦有學界提出因應衰退行為而演變的充電策略,如圖3所示,其考慮電池溫度,而改變充電的電流率,藉此來降低因充電時的損耗而致使電池性能衰退的機率。

    圖3. 因應鋰電池的衰退行為,衍生出兩種不同的充電策略
    資料來源:SAE International 2017

    整體而言,為了在目前鋰電池能量密度下提供匹配燃油車的行駛里程,快速充電是必然的作法,鑒於熱管理系統對電動車在充電期間對電池容量的影響,國內電動車整車廠或電池系統供應商,需在循環工況期間評估並調校其熱管理系統。車輛中心(ARTC)所具備複合環境應力之電池系統循環工況檢測設備,其包括5kW的高功率液冷(矽油、50%乙醇、純水等)模擬系統,可模擬熱管理系統的運作,圖4之獨立式驗空間,包括落地型溫度模擬試驗艙、高電壓充放電試驗機、液冷循環模擬系統等,其充放電的電壓電流可達600V/500A,環境溫度以及液冷循環溫度均配合電池系統的充放電模式,進行動態程式控制,對於電動車車廠與電池系統供應商在循環壽命評價上,也可提供完整的的循環壽命驗證方案。

    圖4. ARTC針對電池系統循環壽命驗證的獨立試驗空間

     

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