小重

撰文

9,094

2016

8月

31

若綜觀超過百年的全球車壇演進史,就能清楚理解,各項日後終究成熟且普及運用地的汽車科技,於實驗開發測試階段難免遇到挫折與瓶頸,這條路,以前如此,現在與未來也必不可免。

以當今全球車壇各車廠傾力開發的重要技術,除自動駕駛技術之外,另一個領域正是替代能源科技的發展,而作為完全取代石化燃料的「電動車」領域,當然是各家車廠的重要競逐場域,任何產業新動向與意外事件也格外引起關注。

民眾所拍攝tesla火燒車的現場照片 圖片來源:http://twitter.com/

尤其,2016年8月份的電動車界相當不平靜,在不到一週的時間,國內外連續傳出兩起火燒電動車的事件, 歐洲部分,則是美國電動車廠Tesla所屬車款, 因為行駛時充電系統異常而造成起火,國內部分,則是自主開發電動車的臺灣車廠Luxgen,旗下電動車在充電時造成火燒車意外。

儘管電動車的起火原因可能相當複雜,同時,一如前言所提的,新科技的研發運用難免會遭遇非預期的意外事故,並需要一連串系統工程端的除錯,才能逐步讓系統趨於穩定,因此,本篇並非著眼放大電動車意外事故的能見度,而是回歸電動車系統結構面的專題報導,來為各位讀者針對電動車安全性與電池系統穩定度,來探討電動車起火的分析。

Luxgen近幾年是國內車廠最積極發展電動車的品牌,旗下Lexgen EV MPV正是重要的產品,也是此次火燒車意外的主角。

了解電動車的安全性,先從鋰離子電池與電池組講起

就純電動車與採用傳統內燃機動力的車款相比,最重要的差異點,當然是動力系統的迥然不同。內燃機的動力來源為引擎燃燒汽柴油,將燃燒熱能轉換成為驅動能,至於純電動車,則以電力為能量來驅動電動馬達,產生車輛移動的驅動能,而傳統引擎車款的起火意外,絕大多數的源自引擎系統產生的「熱源」,結合極易燃燒的「燃油」,另外,傳統引擎車輛仍需要車用電池作為機電系統供電,因此,機電系統不穩定的產生電線走火,也是傳統引擎車輛的起火源。

傳統的內燃機作動時內部會產生高溫高壓,外部的機電系統亦相當複雜。
18650電池構成之電池組

那麼,沒有內燃機引擎的純電動車,照理少了引擎熱源與燃油這兩項,應該大大降低起火意外的可能,那為什麼還是會有起火意外呢? 要談論這個問題,就必須對電動車安全性有基礎的了解,而首要大事,先得從鋰離子電池與電池組講起。

此次兩款釀禍的車型分別為Tesla Model S 90D與 Lexgen EV MPV,兩款車型都是使用18650卷繞式鋰離子電池,並由數百甚至數千顆18650電池串併聯組成電池組,作為車輛的動力來源。

Lexgen EV車型所使用之電池組
  1. Tesla電動車所使用之電池組深入分析影片

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了解鋰離子電池的特性,並掌握組成電池組後的關鍵技術

鋰離子電池之所以能夠脫穎而出,成為眾多車廠開發電動車所用之動力來源,優點自然不勝枚舉,包括開路電壓高、能量密度高、續航力強,自放電低、使用壽命較長等等,但是鋰離子電池要達成如此多的優點,內部的材料與製程就是關鍵。

下方影片為鋰離子電池充放電原理,鋰離子在充放電的過程看似簡單,實際上則是會產生升溫或是許多不可預期的化學變化。

  1. 鋰離子電池充放電原理說明影片

由於鋰離子電池為了達到本專題前述之優點,其內部的材料及製程必然相當複雜,可能包括數種高分子化學材料或配方,所以特性難以掌握,因此各廠家對於電池的外部強度,及充放電的控管都必須相當要求,因此每一顆出廠的鋰離子電池都會標明充放電的規格,以增加電池在使用上的安全性。

下方的影片為18650電池接受不正常供電的影片,從影片中可以發現電池爆炸時產生的威力。許多車廠通過緊密排列18650電池的方式組成電池組,以作為車輛的動力來源,因此每一顆電池的充放電監控都有其必要性,因為只要電池組內其中一顆電池異常,就會有摧毀整個電池組的可能性。

  1. 18650電池不正常供電產生爆炸影片
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了解溫度對於鋰離子電池的影響

溫度對鋰離子電池性能影響也非常大,因為鋰離子電池的充放電是鋰離子經由電解液在電池的正負極嵌出嵌入的過程,而電極與電解液的活性與環境溫度有關,這也是為什麼鋰離子電池在工作溫度上有所限制的原因。(一般鋰離子電池工作溫度為-20度到60度)

電池在充放電的過程中,勢必會引發電池內部材料產生化學反應並釋放出熱量,因此各車廠都致力於車輛行駛或充電時電池組熱交換的研究,以確保電池在使用上能夠保持在正常的工作溫度範圍內,增加電池的充放電效率與使用的安全性。

下圖為Tesla電動車所使用之電池組的熱交換方式,圖中散熱水道會通過電池組內每一個電池,除了讓電池能夠保持在正常的工作溫度外,更能確保每個電池在溫度上的均勻性一致,使電池組的效率與安全性更佳。

Tesla對於電池組的散熱相當講究,S形的散射水道設計,能夠確保每個電池都能夠維持在正常的工作溫度且溫度相近。

反之,若電池組的散熱不佳,使電池熱量累積速度大於散熱速度,溫度就會逐步升高,進而不可收拾。這種電池自行加熱,溫度驟升的現象,稱為熱失控,將導致電池內不可逆反應的發生,甚至產生電池起火或是爆炸的風險,例如下方影片正是18650電池加熱實驗,藉此說明溫度變化對於電池組的風險。

  1. 18650電池的加熱實驗影片

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了解外力衝擊對於電池安全性的影響

鋰離子電池的內部為易燃的高分子材料,為確保其安全性,電池廠家都會在電池內設有精密的電路裝置,以保護鋰離子電池的充放電。而在外部方面也會使用高強度的外殼包覆電池材料與電路裝置,下方影片為18650電池的拆解過程。

  1. 18650電池保護裝置拆解影片
此為測試電池組強度之機台,會在每6ms的時間內,對電池組造成衝擊。(圖片提供 ARTC)

但是當較大的外力,例如撞擊、壓碎,使異物穿入電池內部或破壞電路裝置時,就可能會有電池內部瞬間局部短路的情況發生,進而造成電池升溫或是產生爆炸的風險。因此許多廠家也都在致力研究如何保護鋰離子電池組不受外力影響,又同時能兼顧到散熱的設計。

出廠後的電動車都會經過一連串REESS的測試,包括了機械類、氣候類以及電氣類三大測試項目。(圖片來源:ARTC提供)
任何出廠的電動車,都必須經過嚴格的防水測試
電動車受碰撞後之處理程序(圖片來源:ARTC提供)
  1. 18650電池受外力破壞後,電池產生冒煙現象說明影片

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提升電動車效率與安全性的良方:BMS電池管理系統

這次的Tesla火燒車意外,所幸車內預先警示充電系統異常,而沒有造成人員傷亡,得歸功於目前的電動車在充放電方面都有BMS電池管理系統(Battery Management System )加以監控,其機制為偵測電池組內每一顆電池內的溫度與電量,將資訊回饋給電腦,以達成行駛或是充電時的安全性。

良好的電池管理系統不只能夠使電動車的安全性提升,甚至可以更有效率的使用電池組當中的電池,使電動車的效率更加提升,並延長電池組的使用壽命。因此電池管理系統的開發也成為各車廠努力的目標。

BMS電池管理系統之關鍵技術
Tesla電動車已經能夠控制高達100kWh的大容量電池,Tesla Model S 最新的P100D車型除了具有315英哩(約500公里)的續航力外,更擁有與超跑並駕齊驅的加速性能。

電動車時代的序幕即將揭開

早在19世紀許多科學家就開始著手研發電動車,甚至量產上市,但最終因燃油汽車的興起而使電動車在市場上轉為低調,而近年來因為嚴重的能源問題又使電動車在市場上東山再起。
電動車在具有零排放、低汙染的優點,而在性能上也逐漸追上燃油汽車的腳步,目前科學家與眾多車廠還在尋找最佳的電池材料,或者設計更全面的電池管理系統,象徵著電動車在安全性及性能上還有相當大的進步空間。

Nissan在歐洲已設有超過2000個快速充電站,將以巨大的充電網絡準備迎接電動車時代的來臨。