七層開箱電動車動力電池系統

七層開箱電動車動力電池系統


  當你看懂了電動車將稱王的市場訊號、對動力電池系統有了基礎理解之後,不管是想轉型或轉職,你會開始想:「這麼長的供應鏈,落點在哪裡對我最有利呢?」這就是我們今天的重點!我們立刻繼續開箱,解說從鋰電池原材料到系統整合的七層動力電池系統,以及我們看好哪些落點。

七層開箱電動車動力電池系統

  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,也就意味著三電彼此也有相生的關係,因此我們這裡的分類方式主要是為了讓你方便理解,有些會拆分成更少或更多,建議不需要花時間糾結在分幾層上,反正電池占電動車近一半的成本,是電動車中最關鍵的零組件,搞懂電池系統,就等於破解了電動車。

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(註一)都需要電池原材料作為基礎。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,你可以回頭看《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》一文,有各種材料與原理的完整說明。這裡基本上各家都已經有了各自的站位,競爭較不易,且上游的資本密集度很高,臺灣這些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這個領域靠攏,不過都沒有取得全球關鍵站位。要想改變,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(Cell)

  把這些電池材料組合在一起,就成為電池芯。一台特斯拉電動車大概有10,000顆電池芯,電池芯的性能決定了電池模組的性能,進而影響整個動力電池系統的性能,因此在進行設計時,負責裝配的整車廠或電池公司會依據該電動車需求去選擇電芯的材料及形狀。

(圖一)圓柱電池芯示意圖
資料來源:陳貽評

  材料選擇主要有三大家族,分為鈷酸鋰(LCO)、磷酸鐵鋰(LFP)與三元材料(NMC),而其中三元材料又因為其配比不同,產生眼花撩亂的組合。大多數的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則多採用磷酸鐵鋰電池。

  電芯的形狀選擇也有三種,分為圓柱電芯(Cylindrical)、軟包電芯(Polymer)、方形電芯(Prismatic),大多數的小客車都用設計上比較好安排的方形電芯。

  很多人喜歡幻想臺灣能出現一家世界級的電池芯廠,這是不實際的。臺灣市場小,研發出來也沒什麼市場,而電池需要大量的訂單才有試錯和調整的機會,再加上大陸電池芯競爭已經非常激烈,想要彎道超車已經太遲了。

動力電池系統第三層:電池模組(Module)

  由於電池自身有一定的內阻,在輸出功率、電能的同時產生一定的熱量,從而產生熱量累積,使電池溫度升高,進行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,進而縮短電池壽命,因此電池模組最重要的任務,就是務求維持均溫與控制最高操作溫度。

(圖二)電池模組示意圖
資料來源:https://grubermotors.com/services/model-s-main-battery-pack-repair/

  電池公司或專業的電池模組廠,就是負責這段的組裝技術,他們在製作模組時,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在內,以防止電池芯之間的延燒,國際安全認證如IEC、UL皆有制定相關的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(Pack)

  把電池模組組合起來即為電池包,為了要管理電池芯和模組,需要更高一階的電池管理系統,給電池命令,它才知道要怎麼行動,電池管理系統也會時時檢查每顆電池芯的狀態,並盡量維持電池芯之間的平衡,不然電池使用越不一致,連帶也會影響電動車使用壽命。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的界定方式。


(圖三)電池包示意圖
資料來源:https://grubermotors.com/services/model-s-main-battery-pack-repair/

       臺灣早期從筆記型電腦發展以來,即有電池三雄新普、順達、佳百裕,後隨著交通運具電動化趨勢,許多公司也逐步轉型或擴張業務,其中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。另外,台泥和鴻海也正在積極布局鋰電池模組化與系統化。

        一家專業的電池模組廠可以同時負責第三層電池模組和第四層電池包的工作,我們認為專業的電池模組廠是臺灣最有機會切入電動車供應鏈的先鋒部隊,這雖然又是以代工角度切入市場,但不失為一個後進者在大爭之世先取得自己站位的做法。只是當取得初步的市場站位之後,必須要能找一個有戰略布局思維、敢大破大立的接班人,不論是材料或應用上的創新,不能再次掉入我們這代人悲傷的「護國神山」陷阱。

動力電池系統第五層:電池管理系統(BMS)

       雖然上面已經部署兩套電池管理系統,在動力電池系統中,電池管理系統是屬於電控管轄,含軟硬體兩個層次。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溼度、充放電效率等。

       硬體組成上,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通訊模式進行系統之間的溝通。

       臺灣因汽車產業較為封閉,傳統汽車大廠多由歐美日所把持,他們會培養與自身相關的衛星體系廠商、講車廠使用的語言,臺灣企業較難切入其供應鏈中,相對來說機會較小。比較有機會的是新興的電動車廠,不過除了特斯拉之外,中國大陸各大電動車品牌在這些年也都建立了自己的衛星體系廠商,我們也難討到便宜就是了。

動力電池系統第六層:熱管理系統,也稱散熱模組(Thermal Module)

  要讓電池在一個很舒服的溫度範圍內工作,就是熱管理系統的任務。電池為發熱源,為了保證電池不罷工,就要讓它吹冷氣或吹暖氣,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. 電池溫度的準確測量和監控
  2. 高溫條件下進行有效的散熱和通風
  3. 低溫條件下的快速加熱使電池正常運作
  4. 確保各個電池模組溫度的均勻分布
  5. 排出電池有害物質例如汞、鎘、鉛等

動力電池系統第七層:電氣及機械系統整合(SI)

這裡就進到三電中的電機地盤了。電氣及機械系統主要包括高壓系統、電池包系統、連接器線束、充電連接器以及整體外殼等。這裡說的高壓系統是800V(或以上),不是我們之前在電力系統文章中理解的高壓69kV。在設計電池高壓系統時,需要考慮絕緣設計、電力供給端和輸出端的平衡,電力供給端對於純電動車指的是驅動用電池,對於插電式油電混合車(PHEV)、油電混合車(HEV)則指的是驅動用電池和發動機的發電電力,車輛需要根據車輛狀態和行駛狀態隨時改變供給端;輸出端是指由高電壓電力驅動的機器,如用於驅動的馬達、空調設備、直流電源轉換器、電動轉向輔助系統等。

  電池包系統具備最重要的基本功能,如前所述整合了電池管理系統BMS、電池模組與整車的信號通信,電源輸出入以及溫度控制等。

  其他部件則包括連接器線束及相關的充電連接器等,連接器線束公司除早期與特斯拉合作密切的貿聯外,近年來隨著電動車市場的蓬勃發展,信邦及嘉澤等傳統特殊連接器線束公司也開始爭食這塊大餅。

  看到這裡我想你已經知道轉型或轉職該往哪裡去了。下一篇,我們來談一間健康的電池公司需要哪些人才,你應該如何找團隊或找位子。

(註一)《儲能系統全解析!行內人揭開儲能概念股在夯什麼》

(封面來源:保時捷官網)

知識服務

青年團小聚No.179 未來價值源於ESG:企業估值的全新視角
2024-02-26 何謂ESG?不做ESG未來會借不到錢? 此次小聚將帶你認識企業估值的全新視角, 如何融入ESG的觀點來判斷與評估對企業價值的影響。
韓國與中國大陸三種儲能應用場景發展整理報告(加贈健全的電池儲能公司組織架構圖)
2024-02-03 全球鋰電池市占率前兩名的國家(韓國與中國大陸)儲能發展情況, 發電端儲能、電網端儲能、用戶端(需求端)儲能,及電池儲能公司組織架構圖