七層開箱電動車動力電池系統
作者 綠學院 發布日期 2023 年 02 月 21 日
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當看懂電動車將稱王的市場訊號、對動力電池系統有基礎理解後，不管想轉型或轉職，會開始想：「這麼長的供應鏈，落點哪裡對我最有利？」這就是今天重點，立刻開箱解說從鋰電池原材料到系統整合的七層動力電池系統，以及哪些落點受看好。
人體系統彼此相生，既然電動車的手腳在電機、大腦在電控、心臟在電池，代表三電彼此關係相生，因此分類方式主要是為了讓讀者方便理解，有些會拆分成更少或更多，建議不需花時間糾結分幾層，反正電池占電動車近一半成本，是電動車最關鍵零件，搞懂電池系統，就等於破解電動車。
動力電池系統第一層：原材料及電池材料
動力電池與儲能電池都需要電池原材料為基礎。原材料主要是礦區，電池材料指的是正極、負極、電解液、隔離膜，回頭看《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命？》，有各種材料與原理的完整說明。基本上各家都有各自地位，競爭較不易，且上游資本密集度很高，台灣這幾年傳統化工企業如台塑、長春、中油，到高技術門檻的應用材料企業如碩禾、明碁材、友達等積極往材料開發靠攏，不過都沒有取得全球關鍵位置。想改變恐怕得另闢蹊徑如開發固態電池、鈉電池等，假以時日才有機會改變競爭格局。
動力電池系統第二層：電池芯
把這些電池材料組合在一起，就成為電池芯（Cell）。一台特斯拉電動車約有1萬顆電池芯，電池芯性能決定電池模組性能，影響整個動力電池系統性能，因此設計時，裝配整車廠或電池公司會依電動車需求選擇電芯材料及形狀。
▲ 圓柱電池芯示意圖。（Source：陳貽評）
材料選擇主要有三大家族，為鈷酸鋰（LCO）、磷酸鐵鋰（LFP）與三元材料（NMC），三元材料又因配比不同，會產生眼花撩亂的組合。多數小客車都用能量密度高的三元材料電池，續航里程需求低的大客車多採用磷酸鐵鋰電池。
電芯形狀也有三種，分為圓柱電芯（Cylindrical）、軟包電芯（Polymer）、方形電芯（Prismatic），多數小客車都用設計較好安排的方形電芯。
很多人喜歡幻想台灣出現世界級電池芯廠，這不切實際。台灣市場小，真的研發出來也沒什麼市場，電池需要大量訂單才有試錯和調整的空間，加上中國電池芯競爭非常激烈，想彎道超車已太遲。
動力電池系統第三層：電池模組
由於電池有一定內阻，輸出功率電能時會產生熱量，造成熱量累積，使電池溫度升高，電池芯串併聯組合後會產生散熱問題，散熱越不均勻，電池使用越不一致，會縮短電池壽命，因此電池模組（Module）最重要的任務，就是務求維持均溫與控制最高操作溫度。
▲ 電池模組示意圖。（Source：Gruber Motors）
電池公司或專業電池模組廠，就是負責這段組裝技術，製作模組時會建立第一階小型電池管理系統，並將消防防護機制也設計進去，防止電池芯延燒，國際安全認證如IEC、UL皆有制定國際安全認證規範及測試要求。
動力電池系統第四層：電池包
電池模組組合起來即為電池包（Pack），為了管理電池芯和模組，需要更高階電池管理系統，命令電池，它才知道怎麼行動。電池管理系統也會時時檢查每顆電池芯的狀態，並盡量維持電池芯平衡，不然電池使用越不一致，連帶會影響電動車壽命。模組和電池包這兩層沒有明確的學術定義，各種電動載具、各個公司都可能有不同界定方式。
▲ 電池包示意圖。（Source：Gruber Motors）
台灣早期從筆電開始發展，即有電池三雄新普、順達、佳百裕，後隨交通載具電動化趨勢，許多公司也逐步轉型或擴張業務，尤以電動腳踏車的電池模組廠為大宗，如兆普、達方、天宇、西勝等。台泥和鴻海也在積極布局鋰電池模組化與系統化。
專業電池模組廠可同時負責第三層電池模組和第四層電池包，專業電池模組廠是台灣最有機會切入電動車供應鏈的先鋒部隊，雖然又是以代工角度切入，但不失為後進者在大爭之世取得位置的做法。只是初步站穩市場後，必須再找有戰略布局思維、敢大破大立的接班人，不論材料或應用創新，不能再次掉入這代人悲傷的「護國神山」陷阱。
動力電池系統第五層：電池管理系統
雖然已部署兩套電池管理系統（BMS），動力電池系統的電池管理系統屬於電控管轄，含軟硬體兩層。軟體設計功能除管理功率調節器（PCS）何時充放電，還包含監視電池儲存的環境溫濕度、充放電效率等。
硬體組成主要由電流感測器、電壓感測器、溫度感測器、漏電檢測、熔斷（Fuse）裝置、電驛（Relay）等組成。電池管理系統一般採用CAN通訊模式溝通各系統。
台灣汽車產業較封閉，傳統車廠多由歐美日把持，會培養相關衛星體系廠商、講車廠才用的語言，台灣企業較難切入供應鏈，機會較小。較有機會的是新興電動車廠，除了特斯拉，中國各大電動車品牌這些年也都建立起衛星體系廠商，台灣也難討到便宜。
動力電池系統第六層：熱管理系統，也稱散熱模組
要讓電池在很舒服的溫度範圍內工作，就是熱管理系統（Thermal Module）的任務。電池為發熱源，為了讓電池不罷工，就要讓它吹冷氣或暖氣，一般可分為氣冷式及液冷式兩種，熱管理系統有以下主要功能：
- 電池溫度準確測量和監控
- 高溫時有效散熱和通風
- 低溫時快速加熱使電池正常運作
- 確保各電池模組溫度平均
- 排掉有害物質如汞、鎘、鉛等
動力電池系統第七層：電氣及機械系統整合
這裡要進入三電的電機地盤了。電氣及機械系統（SI）包括高壓系統、電池包系統、連接器線束、充電連接器及整體外殼等。高壓系統是指800V以上，不是電力系統文章理解的高壓69kV。設計電池高壓系統時，需考慮絕緣設計、電力供給端和輸出端平衡，電力供給端對純電動車指的是驅動用電池，對插電式油電混合車（PHEV）、油電混合車（HEV）則指驅動用電池和發動機發電電力，需根據車輛和行駛狀態隨時改變供給端；輸出端是指高電壓電力驅動的機器，如驅動馬達、空調設備、直流電源轉換器、電動轉向輔助系統等。
電池包系統最重要基本功能，如前所述整合電池管理系統BMS、電池模組與整車信號通訊，電源輸出入及溫度控制等。
其他部件有連接器線束及充電連接器等，連接器線束公司除早期與特斯拉合作密切的貿聯外，近年隨著電動車市場蓬勃發展，信邦及嘉澤等傳統特殊連接器線束公司也開始爭食大餅。
文章來源:七層開箱電動車動力電池系統
