电池技术、充电保护机制为电动车发展关键

针对EV电池模块需求设计的电源管理芯片，可提升EV电池模块性能与寿命表现。MAXIM

EV电动车的组成架构，分别由驱动马达、动力控制模块、电池模块三大关键组构，其中电池与电池控制系统涉及用车安全性与汽车废弃后的环保回收议题，同时电池管理系统也将直接影响EV车的动力表现、使用便利性与EV车电池寿命表现，是影响电动车整体表现最关键的部分…

电力驱动马达、动力控制模块、电池模块一直是发展电动车产业关键的三大技术，尤其是在EV(Electric Vehicle)纯电力驱动车种方面，电池模块相关技术也直接左右EV车的巡航范围，尤其是当EV为了迎合市场延续传统石化燃料汽车的使用体验，不仅在单次充饱电的巡航范围、或是每次快速充电后的增程范围，都会被未来车主拿放大镜仔细检视、比较。

锂电池能量密度高、活性强  高性能EV车种选用

而当EV要达到增续航范围、加速单次充电效能，电池选材势必需要选择化学活性较强的锂电池材料；而为了增加巡航距离，电池的容量势必也需要大量扩充。整部EV车等于需要装载几乎与车身同重的电池模块数量，对于高容量、高活性的电池模块来说，若没有搭配电池管理模块BMS(battery management system)，势必在安全性、稳定性都会受到影响。而电池本身在防穿刺、破损或是电子电路故障对应处理与保护设计，都需要一并考量，才能使未来车主更有信心接纳新颖无污染的EV车款。

若要谈电池设计安全，不得不提EV业界近来颇热门的电池安全问题，就是2013年下半年Tesla Model S EV车款发生三起火烧车事件，以及2014年初在加拿大多伦多又出现一起Model S停放车库发生火灾。虽然最近一次Model S在车库的火灾经认定仅是车库充电设备起火、并未波及Model S车辆，但频繁的EV火烧车或周边火灾，的确也让不少期待换用EV的车主望之却步。

在EV车的安全性方面，基本上EV车款相较使用石化燃料车种还是相对安全许多。Tesla EV车款在发生多起火烧车或车库火警后，Tesla对外宣称，汽油车款碰撞失火是Tesla EV车款的5~10倍；Tesla表示，Model S失火事件从未造成任何伤亡！并强调Model S拥有全球最优秀的安全纪录。

2013 Tesla火烧车事件  让车厂更重视电池模块设计安全

观察Tesla Model S EV车款起火事件会发现，车辆自体起火的原因在于电池组燃烧，主要是因为车辆在公路上高速碰撞到金属物体，金属物对设置底盘电池产生高达25顿的冲击，进而在厚度达1/4寸的电池组隔间保护金属板造成3寸大的破洞，导致了火烧车的结果。

观察Tesla Model S车型性能规格，车主可以配置40~85kWh电池容量，该车型的极速可达177~210km/h，0~100km/h加速表现可在4.4秒内完成，这也代表着配制的高容量电池安全性要求也相对提高许多。Tesla Model S车型的另一项优点，是把电池平均配重平铺设置于车底盘位置，使车室空间更宽敞、车辆重心稳定，这也是为何Tesla Model S车型在高速表现可以平稳舒适的关键。

但观察2013年较严重的Tesla Model S车型火烧车事件，即是车辆被路上的拖车勾撞击导致底盘电池出现3寸破洞，导致锂电池内部短路起火造成火烧车。因此，为了配置更优异的车辆重心而设置于底盘的电池模块，除必须加固电池保护隔板，电池本身也必须透过主？被动安全保护机制，积极监控电池使用安全状态，避免火烧车憾事再次发生。

电池室隔离加固改善有限  仍须搭配电池管理系统监控

除了电池模块、电池室的隔离加固设计外，一般EV车会利用蓄电池串接量增加来达到续航力增程与驱动力提升目的，这表示锂电池数量也会增加许多，才能提升电池模块的能量输出密度。

但采行高输出的电池模块也表示电池管理系统需要搭配更多辅助设计措施，使用更高精度、高速回馈的电池监控管理电路，尤其高性能锂电池在模块化串接之后，一方面电池化学活性高，另一方面是电池串接输出大、安全疑虑更高，电池模块系统必须搭配实时监控，同步控制提升电能输出的同时、电池模块是否还在安全范围内运作。

EV车种除了驱动车辆前行的高能量电力系统外，其实EV车上也与一般石化燃料车种一样，也会有内部一堆电装配备，例如触控面板、电子中控台、娱乐系统、导航系统等，这类小电力应用需求必须与车辆大电力驱动需求线路区隔；而车辆动力、操控与控制关键的电子电路，由于涉及整车行进的安全性，则必须再与非主要应用的电装配件用电路进行再区隔，避免非主要核心设备出现电路故障，反倒造成车辆运行故障主因。

区隔电力与使用需求  增加电气回路设计安全性

一般不同用途的电力系统，在设计上会采用隔离线路设计，进而有效提升电力系统安全性，在EV车内电路设计中，驱动车辆的主要电力供应源，需在线路规划与重要性较低的控制系统、娱乐系统区隔并配置独立电路，搭配电流隔离设计相关线路，而车辆在每次启动的快速自动检查程序，需要针对不同电子线路快速进行安全检核，除非是不影响用车安全的警示，否则都将把大电力的动力系统供应电源锁死，避免强行行驶造成电力系统出现更严重的故障。

尤其针对EV车配载的电池模块本身，就如同石化燃料车种配置的燃料油箱一样，具备高度不安全性，必须以更高度安全管理进行模块使用监控。以EV车种来说，虽然目前使用高性能锂电池已成主流，但实际上不少车厂也在思考使用不同电池材料的可能性，而不同的电池芯(Cell)材料差异，也会直接改变电池模块的使用特性，安全监控的条件必须针对不同电池芯材料再进行设计优化。

EV电池使用效能  左右耐用度、性能表现

EV车要达到耐用、增加续航力、增加性能等要求，如何发挥电池模块性能即成为设计关键，先前也提及增加性能必须利用电池串接达到增加能量输出密度，但若电池芯出现不一致，或在不同使用条件下造成电池芯残存电力差异，在串接调配电池模块输出上就会产生输出动力不易掌控与影响电池寿命等问题，因为电池输出在要求性能同时也需要注意使用寿命与安全性，若过度集中使用模块中的部分区块电池槽，反而会导致电池模块因为部分电池槽过度使用而造成模块故障问题。

因此电池模块本身即须具备每个电池槽的过放电？过充电监测，以及过电流监测与过温保护等监测需求。而EV为了增加续航力，电池串也会采用数量增加堆叠的方式增加电力蓄能水准，但电池串数量增加也代表着监控电池表现的相关电路也需要同步增加，必须全面监控与管理，才能使电池模块的电性表现达到最佳化。

但实际的设计条件其实相当严苛，因为电池串数增加表示整个输出也会因此增大，对于监控保护电路而言，即可利用区块电池以专属芯片管理，而透过多管理芯片搭配光耦合隔离设计方式，避免过高电压影响安全控制电路设计复杂度。

BMS设计复杂度高  维护车库充电安全性更重要

对EV车电池安全应用设计来说，除了电池模块本身的BMS设计复杂度高之外，因应使用需求会产生的居家搭配充电器进行车辆蓄能，或是在外部充电站进行高速DC快速充电，这些EV车使用行为也会产生对应电池安全问题。例如本文先前也提到，在知名的Tesla Model S车型停放于车库的火灾事件中，其中一个肇灾问题就在于用EV充电器设备自燃导致，家用充电器本身也需针对使用安全问题进行应用功能监控与警示，而在与EV车连接进行充电时需要同时监控电池蓄能状况是否正常，避免出现车库自燃问题。

而在对应EV车型支持的DC高性能充电应用型态，其实DC高效能充电站在设备投入更高，设施安全性会远高于家庭用充电设备，疑虑可以略减，但也需要对其安全设计进行完善规划。