車輛研究測試中心 零組件品質部 環境測試課 施冠廷

以鋰電池作為電動車輛動力來源的方案，是目前新能源車輛在環保議題上與過去燃油車輛一別苗頭的關鍵，儘管鋰電池在能量密度與循環壽命上，都無法涵蓋現階段燃油車的使用需求，兼之基礎電力建設尚須加強，是故仍為市場和製造商所觀望；然而，新能源車輛的開發卻是鑒於原本燃油車帶來的高污染而不得不採取的措施，鋰電池所構成的電池系統，則成為產業後續發展所需突破的技術門檻，透過其他輔助裝置的調節，將鋰電池的效能與安全性，提昇到車輛使用上所能符合的程度，則為目前電動車製造商與電池組供應商的目標，本文將從機械性結構的功能來淺談電池系統的架構與其安全設計。

電池系統的功能依SAE J2289，從機械保持性(Mechanical retention)來評估，其代表在三軸向上，對電池系統內的組件間，及電池系統與車體間產生機構連結(這樣的連結功能，卻不能妨礙排氣功能的運作)，而針對這樣的連結功能，製造商可根據SAE J1766進行碰撞測試，其判斷的基準為「不應發生電解液外漏之情形」，測試前後亦須檢查其電性絕緣的電阻值。

如圖1所示，為Nissan BEV─Leaf裝置於底盤的電池組解析圖，其設計是將電池組配置於乘客座底部，並透過其他支架(frame)來加強電池組在車體內的結構。

圖1 Leaf電池組之結構

圖2 Leaf在電池組與車體間隙上的防撞功能

(本圖參考自2011年SAE年會論文 “Development of Crash Safety of The Newly Developed Electric Vehicle”)

接著，為了考慮人為的拆裝措施，電池系統須具備拆裝功能，因此車輛底盤需有適當的空隙來裝卸電池組，該部分可參考SAE J1555與J2184，透過這兩份規範，來評估拆裝功能是否與電池組的配置有不妥之處。而既然有拆裝功能，則在間隙(Clearance)上亦有須注意其影響，間隙部分有分為路面間隙與車體間隙，須考量電池系統在車體上因地形變化，而遭到隆起物影響其與車體耐久度的關係；車體間隙方面，則是考量電池系統的位置，對車輛遭撞擊後的安全性，如圖2所示，為Leaf在間隙上的設計，側撞情況下，以Body sill作第一層保護，接著Fore-aft/Floor cross member所形成的間隙作緩衝，為第二層保護，藉此達到碰撞緩衝的功能。最後尚須考量聲振粗糙度(Noise Vibration Harshness, NVH)的相容特性，電池系統的機構性須避免振動造成的低頻噪音，因其將降低車輛結構的可靠度並引起乘客的不適。

而在總體的耐久性評估上，則如表1所示，分為七種環境因素來做考量，請注意，該部份以整體電池系統為考量，單電池芯的環境測試不在此範疇，讀者可再參考近期國際間陸續公告的ISO 12405、SAE J2929等規範，其中有分別針對機械衝擊、環境溫度變化以及振動測試，作測試項目與程序的建議。

除了上述在機械結構與環境評估外，在電氣功能方面的要求，根據SAE J2289，車輛可進行至少以下兩種模式的操作：

• 啟動(Key on)：一般行駛間的放電或再生充電，在正常操作下須考慮車輛動力與電池能量供應的能耐，並考慮不正常操作下，須具備過電流保護，以避免因碰撞造成的內部/外部電氣失效之危害；如圖3所示，為Nissan Leaf所設計高壓斷開系統，由8顆Airbag感測器偵測碰撞，其發生時，透過ACU傳送訊號給VCM，啟動斷開(Shutdown)裝置，停止電池組送電給Inverter。
• 關閉(Key off)：停駛下的充電，或不充電下的操作與儲存；該部份則視車輛使用的差異來做功能的設計，如SAE所推行的V2G計畫，即考量電動車輛可作為居家儲能系統，是故在停駛的狀態下能進行室電之供應。

圖3 Leaf的高壓斷開系統 (本圖參考自2011年SAE年會論文 “Development of Crash Safety of The Newly Developed Electric Vehicle”)

針對各組件的電氣特性，各零組件亦可參考相關的規範來做特性上的評估，如電池系統內的模組，可參考SAE J2288進行不同電極材質之模組在循環壽命上的比較，而高壓纜線的評估測試則可參考SAE J1654，如表2所示，不同尺寸之纜線，其最低阻值依J1654的第5.4節磨耗阻抗(Abrasion resistance)與第5.5節夾置阻抗(Pinch resistance)之描述，對照到SAE J1128或J1678的纜線阻值要求。而在車體中必有高電壓與低電壓線材的使用，其應視使用範圍做區分，可參考J1673；另外參考J1742，根據不同的纜線線徑，進行標準中要求的拉力、電氣試驗(如電壓降、最大測試電流耐久測試)等，最後在電池保險絲部份，則可參考SAE J2294。電池系統在環境要求上，則可根據SAE J2289第7節為主，對照SAE J2929來擬定測試項目與程序。
 

表2 高壓纜線阻值之最低要求對照

本文概略以SAE J2289來推測電池系統之安全功能，與相關標準的測試要求，業者也對照現行標準組織制定或修訂中的安全規範，如ISO 12405、SAE J2929或UL 2580，推估電池系統的應用範疇與功能要求，並建立相對應的測試判定基準。台灣電動車產業在發展上為了與國際同步，藉此拓展國際市場，是故相關的系統設計是不可不重視的，車輛中心更期盼在未來能就研究合作與測試驗證的角度，為台灣業者提供更詳盡的服務。