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EV動力電池性能與安全驗證標準之趨勢
  • 發布年度:2011
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛研究測試中心 零組件品質部 施冠廷 

    因應全球暖化的問題,各國政府與研究機構各別提出相對的政策與計畫,而車輛電動化因近年動力電池系統的技術突破而備受矚目,各國車廠紛紛採取技術合作或自行設廠等方式,進行動力電池系統整合於車輛上的開發。然而,動力電池對車輛行駛間所提供的性能與安全性,卻也是備受市場關注與探討的議題,為了取代傳統燃油車,電動車輛必須能在性能與安全上有所保障,因此須特別針對動力電池系統的性能與安全作評估和試驗。

    國際間最早從事電動車技術開發的國家是日本和美國,然而最早確定電動車用電池芯試驗標準的區域在歐洲,早期有針對電池組(Batteries)規範峰值放電與循環壽命的IEC 61982,近年則針對鋰電池芯制定性能與安全試驗標準─IEC 62660-1、2,並在國際間推廣中,另外也有安規機構Underwrite Laboratory推行的UL 1642,在台灣3C電池產業界間廣泛使用。當電動車用電池系統的驗證提升到電池模組(Battery module)、電池組(Battery pack)層級時(請看補充說明1),則需要有相對的試驗規範,以利於產業界驗證在電池本體以外的其他裝置,如電池管理系統(BMS)、冷卻系統(Cooling system)和高壓連結系統(HV connections)對電池系統的影響。本文將以美國汽車工程師協會(SAE,以下簡稱之)於近年制定的相關標準為主軸,來說明動力電池在性能與安全試驗的標準趨勢。

    有別於過去電動車採用鉛酸電池來作為動力來源,其所造成的問題在於充電時間過長,且能量密度(Energy density)不足以提供使用上的續航力,近年來以鋰離子複合物作電池正極材料(Cathode material)的鋰離子電池,雖然在成本上約為鉛酸電池3倍,但如表1所示,其能量與功率密度(Power density)皆能滿足美國先進電池聯盟(US Advanced Battery Consortium, USABC)於1995年所擬定的電動車性能需求。

    表1 USABC於1995年估算電動車電池系統應具備之性能參數


     而近期一些正極材料如鋰錳(Li2MO4)、磷酸鋰鐵(LiFePO4)等,在安全性上皆優於過去的材料,截至目前為止,國際車廠所推出的純電動車(Battery EV)或插電式油電混合車(Plug-in Hybrid EV),如日產(Nissan)的Leaf或通用汔車(General Motor)的Chevrolet VOLT,其電池系統皆採用鋰錳為正極材料,如圖1所示,為GM工程師於2011年4月的SAE年會上發表的正極材料選用評比,其呈現以熱分析儀(Differential Scanning Calorimetry)對不同陰極(Cathode)材料在不同溫度下的能量測量結果,可發現鋰鈷(Li-Co2)與鋰三元素(LiNixMnyCo1-x-yO2)在180℃或200℃起會產生放熱反應(Exothermal reaction),而磷酸鋰鐵與尖晶石狀的鋰猛(Li-Mn-spinel)材料則有較佳的誤用忍受度。故在安全性的評估上,不僅是針對車輛使用環境,更逐漸針對通用電池之特性而進行試驗,而這些演變都反映在SAE所制定的電池試驗標準中。

    圖1 GM工程師在選用VOLT電池系統正極材料時所評估之熱容忍曲線(說明2)

    在性能試驗方面,SAE下的電動車電池測試標準委員會(Vehicle Battery Testing Standard Committee)於2008年推出針對電動車模組進行性能程度評估的建議手冊─SAE J1798(說明3),當時的試驗項目如表2所示,前兩項靜電容量測試將分別以定電流和定功率的方式,評估電池模組是否滿足電動車製造商所要求的基本放電能力;電容量保持試驗(Capacity retention test)可評估電池模組在電動車未運作的情況下,其電容量因自放電而損失的程度,而針對電動車用鋰電池系統試驗的國際標準ISO 12405-1、2中,亦有「儲存狀態下的SOC損失(SOC loss at storage)」之相似試驗。

    此外,該委員會亦於2008年推出針對電池模組壽命循環作測定的建議手冊─SAE J2288,其內容是基於J1798的性能評比試驗之項目,包括定電容量測定、動態電容量測定,以及峰值放電功率測定,來評估電池模組在循環過程中,電容量與功率衰減的情況;相較之下,2010年所推出的ISO 12405-1、2中,則改以rich-charge profile和rich-discharge profile所構成的SOC swing,來模擬電動車輛在都會中行駛的循環狀態,並以每週一次的頻率進行功率與內部阻抗的測定,以評估電池系統電容量衰減的程度。這些趨勢都顯示出,國際/趨勢標準對動力電池芯經機械與電子構裝後,需要透過模擬使用情境的試驗程序,來確認電池模組或電池系統在充放電循環過程中,其功率與內部阻抗變異之程度,對於國內正起步的動力電池製造商來說,是必須瞭解的驗證環節。

    表2  SAE J1798(2008年版)試驗概述

    在安全試驗方面,針對電動車輛用的「可再充電能源儲存系統(Rechargeable Energy Storage System, RESS)」,USABC於1996年推出一份測試手冊,隨後由美國聖地牙國家實驗室(Sandia National Laboratory, SNL)的Daniel H. Doughty於SAE電池制定會議的推動下,產生一份針對RESS進行誤用性評估的建議手冊─SAE J2464,目前已於2009年作更新,主要內容包含機械性、溫度與電性誤用等方面的試驗建議,是一種特性驗證的建議規範。但鑑於鋰電池在電動車產業的應用需求,SAE電池標準委員會已於2010年再制定一規範─SAE J2929,這是專門針對鋰電池芯所構成之電池系統(Battery System)而制定的試驗標準,相較於J2464,其明確地規範Pass/Failure的判定準則,並有失效分析(Fault Analysis)方式說明,自2011年3月公告第一版後,目前正進行第二版的修訂。

    車輛中心目前在電池系統/電池組的驗證上,從性能驗證下手,並自電池模組到電池系統逐一建構驗證能量,希望能幫助台灣動力電池製造業者在電動車潮流中拓展市場;同時在國家標準制定上,車輛中心亦受經濟部標檢局委託,針對電動車輛之動力電池驗證標準進行修訂,期待在標準制定的同時,亦能夠過實際的輔導與驗證,為電動車產業界在電動車關鍵零組件的品質改良上逐次提昇。

    補充說明:
    (1)根據Davide Andrea所撰寫的Battery Management Systems一書之定義,Cell是指電池所提供的最基本單位,其標稱電壓一般為3V至4V;另有定義Block,是指將多顆電池芯(Cells)以並聯的方式構成的群體,同樣提供3V至4V的電壓;而Battery乃將Block做串聯的群體,構成一個實體的模組(Module),以提供較高的電壓。最後,Pack則是由多顆電池(Batteries)以串聯或並聯的方式構成的群體。
    (2)該資料來自SAE 2011年期刊之論文─「Voltec Battery System for Electric Vehicle With Extended Range」。
    (3)SAE J1798的標題為「Recommended Practice for Performing Rating of Electric Vehicle Battery Modules」,透過該實務試驗可掌握電動車電池模組的基本性能,以及是否符合車輛製造商所建立的最低性能規格。
     

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