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DTF 2011 電動車及車用電子技術論壇

面對電動車的鋰電池安全問題 全方位進行相關安全驗證
2011/07/25-DIGITIMES企劃  

UL亞洲諮詢事業發展經理陳立閔,探討鋰電池的安全問題,以及UL能提供的規範驗證服務,針對電池管理系統(BMS)的安全與可靠性評估,則詳列了關鍵性的檢測項目...

在全球競相開發電動車作為新一代節能車輛,並且以積極補貼政策來大力推動,向來對電動車鋰電池的安全性持續關注的UL,其UL University亞洲諮詢事業發展經理陳立閔指出,直到現在,電動車需要體積龐大的串並聯電池組的設計依舊不變,而業界應當從一些美國與大陸發生的電動車自燃事件,關注電池管理系統(Battery Management System;BMS)對於混合動力╱電動車安全的重要性。

UL亞洲諮詢事業發展經理 陳立閔
陳立閔認為,電動車是整個智慧電網佈建系統的一環,電動車的推廣需要與國家整體電力供應政策、充電設施與交通運輸的能源配置做配套,除了需借助像風力、太陽能發電等再生能源來供應電力,同時整個電力傳輸骨幹的損耗要更低、更全面性的佈建電動車充電基礎設施,不然電動車越來越普及,整個國家社會能用的電量反而會越少。

電動車成為全球新科技戰場

2006年美國電動車製造商Tesla,率先發表全球首度商業量產的電動超級跑車Tesla Roadster,其0~100km/h加速只要3.9秒。掌握省油的新一代柴油引擎科技的德國,宣示將電動車列為戰略科技,在2011年初宣告未來5年投入60億歐元,誓言在2015年前奪回電動車的王座。德國太陽能發電已佔全國發電比重的10%以上,他們也宣示擁有最好的電動車技術,將朝向100萬輛電動車的方向邁進。

而大陸也是電動車的潛力市場,由科技部、財政部、發改委、工業和資訊化部於2009年元月開始以3年時間,每年新增加10個城市、每個城市推出1,000輛新能源汽車,在公車、出租、公務、市政、郵政等領域示範運行。在目前電動車的電池模組交換規格尚未統一之際,藉由國家資源提供財政補貼,先從政府的車隊下手比較容易解決。

台灣方面,則有台達電、裕隆納智捷(Luxgen)開發的電動車。目前歐美日等國家,在2010年推出的電動車款有Mitsubishi i、Nissan LEAF、Ford TRANSIT connect electric、Tesla Roadster Sport 2.5、TH!NK City等,從2011~2013年至少還會有12款商業電動車推出。

從手機、筆電的鋰電池芯安全演進 來看電動車電池的安全特性

2011年4月,1輛眾泰(ZOTYE)電動計程車,在杭州市街頭營運充電時發生自燃。調查結果非單一電池芯設計或製造上的品質問題,而是電池組在日後應用,出現電池漏液、絕緣受損及局部短路的情況,在多次重複使用後,造成過充自燃的現象。而美國消防單位針對電動車展開新的滅火訓練計畫,因為電動車起火燃燒時,不可以灑水灌救以避免有觸電的危險,這一切的關鍵就在於鋰電池。

電池芯爆炸的因素,有過充(Overcharge)、掉落(Drop)、壓擠(Crash)、撞擊(Impact)、震動、污染(Contamination)、電極錯位(Tab/electrode misalignment)、材料屬性(Material Properties)、不平衡充電(imbalance)、絕緣層設計不當(Improper Separator)、設計超過負載(Over-design)與異常壓力╱溫度等因素,萬一鋰電池初始機構設計、製程問題、惡劣環境、非安全設計與樹枝狀結晶態下,就容易造成內部短路而導致電池芯爆炸。

若從手機的電池芯、筆記型電腦電池組的應用概念,來看電動車電池組的安全特性差異,電動車使用的電池不是數百甚至上千顆鋰電池芯串聯與並聯起來的鋰電池模組,所以必須從電池芯單體、小型串聯與整個串並聯模組分階段考慮。

針對電池芯單體有UL 1642電池芯標準。其涵蓋電氣測試項目有:短路測試、異常充電測試、強制放電測試;機械測試項目有:壓擠、衝擊、震抖動測試;環境測試項目有:加熱、循環高低溫測試、低壓模擬測試,以及臨近火源測試等項目。通過以上測試可取得UL安全認證的標誌,代表這顆電池芯已符合各種安全考量。

鋰電池串並聯面對的風險與相關驗證

過去曾發生筆記型電腦鋰電池爆炸,肇因於串聯與防護電路設計的不良,當其中1顆電池芯故障時,若無充電防護電路的話,對其他電池芯容易造成電壓過充而導致爆炸的危險。因此UL 2054標準乃針對小型串聯電池模組,進行電氣測試的項目,包括短路測試、異常充電測試、浮濫過充測試、強制放電測試、限制充電電流測試、電池組內外溫度測試;機械測試項目有:壓擠、衝擊、振動測試;電池外部測試項目有:250牛頓力測試、模具應力釋放測試、臨近火源的彈射測試、加熱測試、循環高低溫測試等,進一步驗證串連電池組的整體安全性。

HEV/EV車用電池組,是由成千上百顆鋰電池組做串聯與並聯,萬一其中一小部分電池特性不匹配或發生故障,又沒有安裝反向二極體的話,很容易與鄰近電池組形成內過充迴路(Over-Charge)的情況,造成電池芯組的爆炸。

陳立閔指出,即使業者做出超越6個標準差(百萬分之一的不良率)的高品質電池芯,但當幾千顆電池串並聯起來,如果沒有良好的防護電路,失效機率會提高到千分之一甚至更高,因此更經濟有效的辦法,就是從電池管理系統的設計著手。例如,每一個電池芯單元,都設計反向二極體的隔離╱繞過電路,萬一電池故障或失效時,自動從系統隔離出來不再做電力串接輸出,也不會有充電電流的流入。

電池管理系統的安全與可靠性評估

目前針對串並聯電池管理系統的安全評估,有UL 2271輕型電動車用動力鋰電池標準,其電氣測試項目有:異常高頻率充電測試、濫用過充測試、短路測試、常溫測試、充電器相容性測試、非平衡充電測試、反接充電測試與絕緣阻抗測試;機械測試項目有振動耐受度測試、振動、衝擊、壓擠、甩落等測試、模具應力釋放測試、穿刺測試,以及耐潮等環境測試。

針對電動車部分則有UL 2580車用鋰電池組標準,電氣測試項目有:過充測試、短路測試、部分短路測試、過放電測試、充電器相容性測試、非平衡電池組充電測試、反接充電測試、絕緣耐壓試驗、絕緣性測試、非正常操作測試等;機械測試項目同樣有:旋轉、振動、衝擊、掉落、穿刺、壓擠測試;環境測試項目有耐潮測試、高低溫測試、彈射測試等。特別像不平衡充電測試項目,在串聯的電池芯隨機選擇1個先拆卸下來完全放電,再放回去整個串聯機構,模擬其中1組電池芯故障失效狀況下,會不會有過充的情況。

追求極高的安全等級

陳立閔提出國際安全完整性等級規範 IEC 61508-1,SIL3在低使用頻率模式下,平均每1,000次到10,000次連續性操作才能有1次失誤;進行高使用頻率模式時,則要求到每1,000萬次到1億次連續性操作只可有1次失誤。電動車車用電子元件大多要求到SIL3甚至SIL4安全可靠度,這已經是航太工業的精密等級。客戶會要求供應商做元件功能性安全的第三方認證,以功能安全標誌宣告產品的功能安全等級。例如,UL標誌會加1個Functional Safety標示安全可靠度。

總結以上觀點,電池芯與電池組的安全各有不同考量,不光求電池單體的安全性,從小型串聯電池芯到串並聯整個超大電池組的安全也要考量進去;電池管理系統是電池組的安全保證,其最後的可靠度將會是未來電動車的安全挑戰。

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