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:

  1. 電池溫度準確測量和監控
  2. 高溫時有效散熱和通風
  3. 低溫時快速加熱使電池正常運作
  4. 確保各電池模組溫度平均
  5. 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。

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