智慧電動車技術趨勢研討會特別報導

裨益電動車商用普及 鋰電池技術全速升級

作者: 林苑卿
2012 年 01 月 09 日

台灣標檢局已於2011年底前完成電動車整車、電池、充電設施及馬達/驅動器性能與安全的國家標準修訂。其中,整車安全和鋰電池相關標準備受矚目,主因係其為加速電動車商用化的兩大關鍵。
 



有鑑於此,如何強化電動車鋰電池的安全性與延長鋰電池續航力已為發展電動車的當務之急,此將與鋰電池材料、關鍵元件及鋰電池的安全設計密不可分,早已是電動車供應鏈業者側重的研發項目。
 



宏瀨超前美韓大廠 LiFePO4材料Q1量產 



國內光學檢測設備商宏瀨科技預計將於2012年第一季導入奈米結構的磷酸鋰鐵錳(LiFexMn1-xPO4)材料粉末量產,將領先北美A123、韓國樂金(LG)等磷酸鋰鐵(LiFePO4)材料大廠,成為全球首家正式量產磷酸鋰鐵錳材料粉末的供應商。
 


圖1 工研院材化所奈米能源材料研究室研究主任廖世傑表示,在電動車鋰電池材料規格尚未統一之下,將為台灣廠商切入市場的有利機會點。





工研院材化所奈米能源材料研究室研究主任廖世傑(圖1)表示,為實現電動車高功率與大電流放電的磷酸鋰鐵錳電池,借重奈米結構開發磷酸鋰鐵錳材料粉末已為大勢所趨;日前,工研院已將奈米結構磷酸鋰鐵錳材料粉末技轉給國內宏瀨科技,未來台灣電動車上游供應鏈將更趨完整。
 



據了解,2011年第四季,宏瀨科技旗下的磷酸鋰鐵錳已順利通過蘭陽、高密、海孚等下游客戶認證,預計於2012年第一季正式量產。宏瀨科技總經理室特別助理黃馨媚指出,初期位於樹林的產線每月將可供應50噸產能,全年產能將達600噸。此外,興建中的龍科廠房預計將於2012年第二季完工,每年將生產2,400噸磷酸鋰鐵錳材料粉末。未來全部產能,預計可達每年9,600噸規模。
 



廖世傑談到,技轉宏瀨科技的磷酸鋰鐵錳材料粉末技術,功率密度可較傳統材料提高15%,可提高鋰電池加速與爬坡動力,且磷酸鋰鐵錳材料粉末循環壽命比鋰鎳錳(LiNi0.5Mn1.5O4)高出一至二倍,非常適合用於發展電動車鋰電池。除磷酸鋰鐵錳材料粉末之外,工研院亦著手進行奈米結構的鋰鎳錳材料粉末技術研發,2012年將可望逐步技轉給國內廠商。
 



現階段,磷酸鋰鐵錳與鋰鎳錳材料粉末各有優勢。廖世傑認為,目前磷酸鋰鐵錳與鋰鎳錳材料粉末均為鋰電池材料主流,長遠觀之,兩種技術將會在市場上並存,鋰電池製造商可針對不同需求選用不同材料開發產品。
 



除鋰電池材料之外,同樣值得關注的是,電動車鋰電池與馬達控制器內建的電容,恐將成為電動車發展的一大隱憂。
 



電動車規格要求高 電容耐溫挑戰棘手
 



為延長電動車電池使用壽命,目前電動車鋰電池與馬達控制器均搭配超級電容和電容,然囿於超級電容及電容的溫度耐受性未達傳統車規125℃要求,若遲遲未能突破,恐將成為電動車商品化的絆腳石。
 


圖2 工研院機械所電動動力與控制部副經理石亞文表示,開發超級電容技術難度較高,且須考量價格問題。





工研院機械所電動動力與控制部副經理石亞文(圖2)表示,電動車瞬間啟動與加速時,需要大電流輸出,此將導致工作電壓突降,故鋰電池與馬達控制器須分別安裝超級電容和電容進行緩衝,藉此保護鋰電池不受工作電壓突降而受損,以延長鋰電池使用年限,然無論超級電容或電容溫度耐受性約達105℃,尚無法符合傳統車規規範,將阻礙電動車商品化發展。
 



雖然現階段電動車標準仍未底定,但市場預期,溫度耐受性將會遵循傳統汽油車最高達125℃的要求,因此儘管Tesla、三菱(Mitsubishi)、日產(Nissan)等車廠的電動車已上市,卻仍存在超級電容與電容溫度耐受性未達傳統汽油車規格的問題,惟現階段車廠發表的電動車,並未銷售至環境惡劣的地區,故短期內並無引發市場疑慮。
 



不過,石亞文指出,長期觀之,一旦電動車要擴大市場,勢將面臨超級電容與電容溫度耐受性未能企及傳統車規要求的挑戰,已為鋰電池模組廠商技術突破的首要之務。
 



有鑑於此,鋰電池模組廠商正快馬加鞭地尋求超級電容和電容的替代方案、發展省卻電容的架構設計及設法提升超級電容與電容的溫度耐受性。其中,若欲改善超級電容與電容的溫度耐受性,掌握電容核心技術的Maxwell、佳美工(Chemicon)、Nichicon等美日大廠將扮演舉足輕重的角色。
 



至於鋰電池的安全設計方面,電池管理系統(BMS)的良窳將具有決定性的影響,然而,目前鋰電池供應商在BMS設計正面臨諸多技術考驗。
 



強化電動車鋰電池安全 BMS設計窒礙待解 



目前鋰電池芯的安全行為特性必須克服內短路問題與電池使用週期的特性值改變兩大技術桎梏,將是鋰電池廠商開發產品面臨的重大課題。
 


圖3 UL研發技術部資深研發工程師吳明龍表示,安全將為決定電動車市場規模的關鍵,此與鋰電池效能息息相關。





UL研發技術部資深研發工程師吳明龍(圖3)表示,BMS為電動車發展的重要關鍵,其安全性與鋰電池芯的安全行為特性技術密不可分,然現階段鋰電池芯的安全行為特性仍有諸多技術瓶頸,待一一克服後,才有機會加速電動車的普及。
 



目前內短路與電池使用週期的特性值改變為鋰電池芯的安全行為特性兩大技術挑戰。為避免引發鋰電池短路起火,實現安全短路至關重要,然至今產業界仍未開發出最佳化方案有效預防,此恐將阻礙電動車鋰電池的發展。
 



另一方面,鋰電池老化也將使鋰電池極化效應加劇,以及鋰電池材料的熱性質改變,引發安全性的疑慮,致使鋰電池供應商格外重視。
 



吳明龍指出,現今鋰電池材料百家爭鳴,不同鋰電池材料的使用週期的特性值變化亦不同,因此眾多關於不同鋰電池材料的使用週期特性值改變研究正在如火如荼的進行中。
 



目前針對鋰電池使用週期的特性值改變的研究,可從兩方面著手,其一為電池行為與材料分析,以探究鋰電池老化的機制,此將影響鋰電池性能;再者是電池的電化學分析,如解析不同頻率交流訊號下的阻抗變化。
 



除鋰電池芯的安全行為特性之外,電性容量監測與健康管理,以及電芯等化技術,亦為BMS兩大重要的關鍵技術。其中,電性容量監測與健康管理如測量鋰電池電壓、電流、溫度、阻抗等,將視各家鋰電池廠商對於安全性的需求而制定出迥異的測試項目;至於電芯等化技術重點則是要戮力維持鋰電池在充放電狀態下,鋰電池內各鋰電池芯電量的一致性,將為鋰電池業者持續升級的技術重點。
 



考量到鋰電池的安全性、電池續航力等仍待提升,再加上純電動車(BEV)充電環境未臻成熟,插電式油電混合車(PHEV)將率先成為車廠群起攻之的市場。
 



純電動車發展桎梏多 車廠先攻PHEV  



由於純電動車鋰電池效能、充電基礎建設及快充充電介面規格尚未到位,致使配備較小電池容量密度鋰電池的PHEV,成為各車廠積極圈地的首要市場,包括北美、日本及中國大陸車廠均已競相展開插電式油電混合車部署。
 


圖4 ARTC測試技術推動專案課長級專員薛欽鐸表示,厚實技術能量,台灣發展鋰電池模組將有利可圖。





財團法人車輛研究測試中心(ARTC)測試技術推動專案課長級專員薛欽鐸(圖4)表示,鋰電池的續航力、壽命及安全性瓶頸仍待突破,再加上各國充電站尚未建置完成,以及各國快充充電介面規格並未統一,將阻礙BEV大量商品化。有鑑於此,豐田(Toyota)、通用(GM)、長城汽車、上海汽車、第一汽車等車廠正力推PHEV,以搶攻電動車過渡時期的市場商機。
 



不同於BEV,PHEV主要的動力來源仍以引擎為主,而非鋰電池系統,因此相較於傳統汽油車,行駛的里程數並無太大的改變。至於PHEV所搭載的鋰電池僅為輔助動力功能,主要係用於低速或者怠速行駛,故對於鋰電池的續航力要求較不嚴苛,且PHEV採輸出功率設計較小的鋰電池,僅須一般市電插頭充電數小時,即可完成充電,因此對於充電基礎建設與快充充電介面較無迫切的需求。
 



現階段,台灣電動車供應鏈雛型漸具,尤其鋰電池材料和模組供應商已成功打入中國大陸電動車供應鏈,預期PHEV亦將成為台商有利可圖的市場。薛欽鐸分析,台灣缺乏整車品牌廠,因此電動車上中游供應鏈廠商以外銷市場為主;過去台灣鋰電池模組廠商累積的開發經驗,將有機會在中國大陸電動車市場大展拳腳,預估PHEV將會有數年的光景,可望成為台灣電動車供應鏈業者爭相插旗的版圖。
 



鋰電池為台商進軍電動車市場的機會點,在逐步克服鋰電池材料與鋰電池設計瓶頸,若能擴大與中國大陸電動車廠的合作,將可望作為進軍國際車廠的跳板,逐步坐大電動車市占。

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