最後更新日期:2023年07月26日

電池是電動車的動力核心,可以說是電動車的心臟。透過上文「電動車需要鋰電池,鋰從哪來?帶你認識電動車產業最上游:中國具關鍵地位」,Growin 帶讀者認識鋰電池的結構,以及鋰從開採、加工,到製造出鋰電池的過程。然而一顆鋰電池的電壓僅介於 3.1 至 4.2 伏特之間,但電動汽車的驅動電壓為 400 伏特,電動公車與電動卡車的驅動電壓更達到 600 伏特,若要驅動電動車輛,就需要大量電池串聯,才能提供足夠的電壓,因此電池必須組裝起來,成為整套動力電池系統。到此,電動車產業鏈也走到中游。

電池芯電壓不足,組成電池模組才夠力又安全

簡單來說,動力電池系統是驅動電動車的電池系統,包含電池包(Battery Pack)、電池管理系統(Battery Management System,BMS)與熱管理系統(Thermal Management System)。它們分別是什麼?

我們先從單獨的電池開始。不管是市面上常見的 18650 或 21700 鋰電池,還是特斯拉 (TSLA) 自行開發的 4680 鋰電池,它們都屬於電池芯(Battery Cell),如同生物的細胞一樣,是動力電池系統裡最基本的組成單元。但如同上文所述,電池芯的電壓僅有 3.1 至 4.2 伏特,必須將它們串聯起來,才能產生 400 至 600 伏特的電壓驅動電動車;除此之外,也必須將它們並聯起來,才能提供電動車足夠的續航力。而經過串聯、並聯之後的電池芯,就是電池模組(Battery Module)。

電池模組最重要的任務,就是確保每顆電池芯能以恰當的功率充放電,避免過熱。因為電池本身有內阻,充放電會產生熱量,造成電池溫度升高,產生散熱問題,若電池充放電功率不均,還會造成散熱不均勻,縮短電池壽命。因此在電池模組內,會有一個小型的電池管理系統,讓每顆電池芯以適當的功率充放電。電池模組內也有消防機制,若有電池芯失火,該機制能避免火勢在電池芯之間延燒,將損失降低。另外,電池模組也會搭載防碰撞的保護裝置,若發生車禍,該裝置會吸收衝擊力,避免電池損傷而失火。

電池包才能驅動電動車,搭配電池管理系統確保充放電穩定

但單獨一個電池模組,其電壓還是不夠驅動電動車,電能也無法提供足夠的續航力,因此還需要多顆電池模組串聯與並聯,組成一個電池包(Battery Pack),才能提供足夠的電壓驅動電動車,以及提供足夠的續航力。以特斯拉為例,入門車款 Model 3 的電池包有 4 個電池模組,一共 2,170 顆電池芯;入門休旅車款 Model Y 則有 4 個電池模組,共有 4,680 顆電池芯。至於高階車款,Model X 有 5 個電池模組,一共 8,256 顆電池芯;Model S 則是 16 個電池模組,一共 7,104 顆電池芯。如同電池模組控制電池芯的充放電功率,電池包也需要控制每個電池模組的充放電,才能確保每個模組,以及上千顆電池芯充放電功率平衡,以提升電池使用壽命。因此在電池包中,會有更高階的電池管理系統,來管理每個電池模組的充放電。

到了電池包的層級,驅動電動車所需的電壓已經足夠,不需要再有更多的電池了。接下來的重點,就是讓電池包根據電動車所需,輸出適當的電壓與電流,以及讓電池適當散熱,避免過熱而降低電池壽命,甚至起火燃燒。雖然在電池模組與電池包當中已經有兩套電池管理系統,但在完整的動力電池系統中,還需要一套電池管理系統(BMS),管理整個電池包的充放電。而這套電池管理系統由電控管轄,Growin 在下篇的文章中會做更詳細的介紹。

最後則是熱管理系統,也稱為散熱模組(Thermal Module),任務是監控電池溫度,確保電池模組的溫度分布均勻,電池溫度升高時要負責散熱,避免過熱。若電動車行駛於低溫區域,熱管理系統也要為電池加熱,避免過冷而影響放電。簡單來說,熱管理系統負責提供電池適當的工作溫度,以確保電動車在任何環境中都能穩定行駛,並保護電池,提升電池壽命。

充放電管理與散熱管理攸關動力電池系統的競爭優勢,特斯拉是佼佼者

由於動力電池系統是由電池芯所組合起來的,因此許多電池芯製造商也投入動力電池系統的業務,替電動車品牌客戶組裝動力電池系統。上文「電動車需要鋰電池,鋰從哪來?帶你認識電動車產業最上游:中國具關鍵地位」所提及的鋰電池製造商寧德時代(CATL)、LG、Panasonic 與 SK 皆有參與動力電池系統的組裝業務。

電動車產業鏈

除了電池芯製造商組裝,電動車公司也會自己設計電池模組與電池包,再向電池芯製造商購買電池芯來組裝。最典型的案例是特斯拉 (TSLA) 。雖然特斯拉 (TSLA) 也有自產電池,但是產量很低,因此特斯拉 (TSLA) 仰賴 Panasonic、CATL 等廠商供應電池芯,再自己組裝動力電池系統。至於比亞迪,雖然它是汽車品牌,但它的電池芯產量夠大,本身也是全球市佔率第 3 大的電池芯製造商,因此比亞迪包辦電池芯製造、動力電池系統的組裝,以及整輛電動車的生產。此外,也有廠商會向電池芯製造商購買電池芯,並根據電動車廠商的要求組裝動力電池系統模組,再賣給電動車廠,扮演代工的角色。

在動力電池系統中,企業的競爭力在於電池芯充放電的管理與散熱管理,若做得好,就能提升電動車續航力與充電速度,成為產業的關鍵玩家。因此動力電池系統是電動車廠的競爭熱點,特斯拉 (TSLA) 就是其中的佼佼者,雖然自產電池芯不多,但特斯拉 (TSLA) 靠電池管理系統提升電動車的續航力與充電速度,成為產業的領頭羊。

經過組裝程序,電池芯先組合成電池模組,再組合成電池包,搭配電池管理系統與熱管理系統,才是能用於驅動電動車的動力電池系統。若用人體比喻,動力電池系統像是電動車的心臟,提供電動車前進的動力,但這顆心臟也需要大腦控制,才能放出適當的能量驅動電動車,而那顆大腦就是電控系統。下文,Growin 將為讀者介紹電動車的電控系統。

參考資料

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