鋰電池系統動力應岦 崎峖驗證 之趨勢 探討和解析 - artc.org.tw · 2018. 11....

鋰電池系統動力應用安全驗證之趨勢探討和解析

施冠廷 1*、王肅之 2 王崧千 1、林孝勳 1、黃偉雄 1

1 財團法人車輛研究測試中心環境測試課

2.北美 Optimal電池研究所

摘 要

聯合國針對車輛安全工作小組(WP29)自 2017年開始建立電動車安全全球技術法規

(Electric Vehicles Safety Global Technical Regulation，簡稱 EVS-GTR)，第一階段的工作

已於 2018 年 5 月完成，將北美、歐盟、中國、日本、南韓等代表對電池系統安全驗證

的建議匯集成 EVS-GTR草案，各國於第二階段中，依各國電動車發展的進度，與原有

的法規要求作調和，以助於電動車在全球推廣；國內政府欲推行十年萬輛的電動巴士汰

換計畫，需掌握電池系統安全評價的驗證趨勢，除 ECE R100.02的 9項安全要求外，本

論文亦彙整 EVS-GTR成員提出的熱傳播(Thermal Propagation)和浸水(Water immersion)

議題，加以解析並提出驗證方案的規劃，以作為國內電池系統產業和主管機關之間的討

論依據，同時符合國際市場的發展脈絡，以利於產業外銷的推進。

關鍵詞：鋰電池系統、動力應用、安全驗證、浸水測試、熱傳播測試。

1. 鋰電池作為電動車輛動力應用的安全驗證要求概述

目前動力用電池系統主要以多顆鋰離子電池芯(Lithium Ion battery cell)採串並聯方

式來達成，而鋰電池芯則透過正極材料中的鋰離子，與負極材料產生化學反應，形成電

能量的儲存與釋放，所以正極材料對鋰離子電池芯的性能有相當的影響；正極材料的主

流有磷酸鋰鐵(LiFePO4，簡稱 LFP)、鋰錳(LiMnO2，簡稱 LMO)、鋰三元(簡稱 NCM)

等類型，各車廠依其對應於開發車型的性能需求，以能量密度(Energy Density)和電功率

(Power)、循環壽命(Cycle life)等為評估參數，來進行串並聯的設計，如表 1所示，為目

前大致上各國車廠採用不同類型鋰電池的差異[1]。

表 1. 各國車廠採用不同類型之鋰電池

代表車廠 採用之正極材料 電壓(V) 能量 安全度

BMW、Tesla 鋰三元（鈷鎳錳 LiCo1/3

Ni1/3

Mn1/3

O2）

Tesla 鋰三元（鈷鎳鋁 LiCo0.15

Ni0.8

Al0.05

O2 ）

3.6~3.7 高

最高

最不安全

(燃燒爆炸)

Nissan、GM 錳酸鋰（LiMn2O

4）

3.7 低(1/2) 安全

比亞迪(BYD) 磷酸鐵鋰（LiFePO4 ）

3.4 低(1/2) 最安全

在檢測的角度來說，不同類型的鋰離子電池芯所構成的電池系統，需要在測試程序

和條件上作調整，以驗證其電池系統的設計隨著車輛行駛環境的變異(高/低溫、振動等)

下，能符合車輛使用的性能與安全要求。由於鋰離子電池芯在高溫、外部短路、過度充

電等情況下，有可能在極短時間內發生熱失控(Thermal Runaway)的現象，進而在連鎖效

應下，對週邊的鋰電池串和電池系統配件(如冷卻管路、管理系統電路板)產生高溫燃燒，

如表 1所示為觸發鋰電池發生熱失控的潛在事件盤點[2]，在”驗證電池系統安全性的試

驗項目”一欄中，主要依據歐盟於 2013年公告並 2016年起強制實施的電池系統安全法

規 ECE R100.02來羅列試驗項目，但其中浸水測試、熱傳播測試兩項則為 2018年 5月

提列新增的項目，也是本文探討的重點；鑒於電池系統的尺寸、電容量、設計並未統一，

但面對同樣的行駛環境，必須透過標準化的驗證程序，來分析電池系統的設計，確保在

不同的觸發事件中，發生可預期的災害，例如說，目前和 ECE R100.02採用同樣耐火測

試方法的中國大陸國標 GB/T 31467.3，則特別要求電動車電池系統在進行火災測試時，

電池系統必須若發生著火，需在試驗後 5分鐘內熄滅，就是為了確保乘客不致在火災中

受到更嚴重的傷害。

表 2. 觸發鋰電池發生熱失控之盤點

觸發熱失

控的原因

如何導致熱失控的觸發 驗證電池系統安全性的試驗項目

環境因子 1.氣候異常下持續對使用電池系統(如低溫下持

續充電，或高溫下持續充放電)，或是環境異常下

對電池系統的嚴苛影響(如連日大雨淹水導致電

池系統浸水)

2.電池芯串並聯的連結強度不足以滿足車輛行駛

下的振動擺幅導致電池性能衰退，進而發生部分

電池芯過放電

溫度衝擊循環測試(Thermal Shock Cycling test)、

浸水測試(Immersion test)、振動測試(Vibration

test)、機械衝擊測試(Mechanical Shock test)

過度充電 受損的連接器或充電迴路導致過度充電的狀況 過度充電保護測試(Over-Charge Protection test)

過電流 因電池管理系統(Battery Management System，以

下簡稱 BMS)失效而發生超出電池工作電流範圍

的狀況

過度放電保護測試(Over-Discharge Protection

test)

過溫 冷卻系統失常或是過充電和過電流的持續操作

下發生的狀況

過溫保護測試(Over-Temperature Protection test)

因外部熱源

導致的過溫

因外部火災或是電池系統內部某一串電池芯熱

失控導致的過熱狀況

耐火測試(External Fire test)、熱傳播測試

(Thermal Propagation test)

因變形導

致的內部

短路

電池系統的機構遭到外部撞擊甚至擠壓導致電

池芯發生短路

短路保護測試(Short Circuit Protection test)、機械

強度測試(Mechanical Integrity test)

2. 電池系統驗證考量與其標準依據

為了確保民眾在搭乘上的安全，除現有之整車檢測要求外，建議針對高電壓迴路與

電池系統，羅列檢測要求。回顧國內外檢測要求的發展，美國安規機構 Underwrite

Laboratory(簡稱 UL)針對大型電池系統制定安規標準 UL 2580，近期與美國國家標準

ANSI 結合，以作為北美、加拿大地區電動巴士的驗證依據：國內來說，負責協助交通

部的車輛審驗中心(VSCC)，自 2014年起將 ECE R100.02列為法規第 64之 1條草案，

其針對電動車輛(M/N各類)的電池系統，羅列 9項檢測要求；以下先解析目前 9項強制

要求的內容，並對照其他現存國際標準的檢測條件，推論其驗證考量。

2.1. 振動測試

振動測試作解析，如表 3所示，為北美 UL 2580、ECE R100.02、CNS 15515等標

準，對電池系統的振動測試之檢測條件比較，由於電池系統需考慮車輛行駛過程中，遭

受不同方位的影響；但鑑於車用電池系統的尺寸和質量甚大，所採取的振動形式從正弦

掃頻到隨機振動都有驗證的必要，因此目前 EVS-GTR的會議上，由中國汽車技術研究

中心(簡稱 CATARC)基於實車耐久測量的研究成果，提出新的振動測試輪廓，在本文中

暫不細述，可確定的是，未來針對電池系統的振動測試將更貼近實車使用的狀況。

表 3 振動測試之標準檢測條件比較

規範標準 形式 軸向 SOC

UL 2580 隨機 Z→Y→X→Z 100%, 60%, 20%

ECE R100-2 正弦 僅 Z軸 50%

CNS 15515 隨機 Z→Y→X 50%

電池箱體(Battery Case)的設計是電動車輛在對抗車輛環境機械應力的重點，如圖 1所示

[3]，並須同時考慮電池模組在電池箱中的固定方式，不受路面反彈與車底盤應力所產

生的高/低頻振動影響，同時電池箱體鎖附於車底盤上的架設方式，不受瞬間衝擊的影

響，因此必須進行振動和機械衝擊測試。

圖 1、電池箱體對電動車輛結構與強度有直接的關係

2.2. 機械衝擊測試

道路環境如坑洞(Pothole)或突起物造成的衝擊(Shock)，將使電池系統在極短時間

內，承受高加速的位移，針對電池系統的機械撞擊測試，國際標準上分成兩種，一種是

如表 4所示，UL 2580和 GB/T 31467.3是模擬坑洞的機械衝擊，另一種則是 ECE R100.02

則是模擬車輛碰撞時產生的位移衝擊；至於 ISO 12405或 CNS 15515所採用的條件因為

僅適用一般車用電子零組件的衝擊條件(50g/6ms)，判斷並不適用於未來針對電池系統的

驗證工作，故不列入討論。

進一步說明 ECE R100.02的衝擊條件，如圖 2所示，其波形則為梯形波，衝擊時間

高達 120ms且加速度介於 10到 30g，ECE R100.02即採用這樣的條件，以探究電池系統

在車輛上受到衝擊時，其應力是否會引發其他結構和電氣絕緣上的失效。

表 4 機械衝擊之標準檢測條件比較

驗證依據 波形 加速度 時間 次數/方向

UL 2580 半正弦 25g 15ms 3次/6向

ECE R100.02 梯形波 28g 120ms X、Y軸

GB/T 31467 半正弦 25g 15ms 3次/Z軸

圖 2 ECE R100.02的機械衝擊條件

2.3. 機械強度(Mechanical integrity)測試

機械強度測試又稱為擠壓(Crush)測試，，需依照電池系統在車體上的裝配位置決定

試驗與否，如表 5所示為評比 SAE J 2464、ISO 12405-3(即中國大陸 GB/T 31467.3、台

灣 CNS 15515)，和 ECE R100.02在擠壓測試的條件，由於 SAE J2464的發展時間較早，

並未充分考量實際裝載於車輛上的狀況，因此其擠壓力量僅以電池系統重量再乘上 1000

倍來決定其力量(單位為 kN)，應用於電動大客車電池系統中的電池組，無論是高電壓組

態(High Voltage Configuration，通常電池組的端電壓為 500V以上，電容量為 100Ah以

下，再並聯構成電池系統)，或低電壓組態(Low Voltage Configuration，通常電池組的端

電壓為 60V以下，但電容量為 200Ah以上，再串聯構成電池系統)，這兩種組態的電池

X axis(g) Y axis(g) X axis(g) Y axis(g) X axis(g) Y axis(g)

A 20 0 0 0 0 0 0

B 50 20 8 10 5 6.6 5

C 65 20 8 10 5 6.6 5

D 100 0 0 0 0 0 0

E 0 10 4.5 5 2.5 4 2.5

F 50 28 15 17 10 12 10

G 80 28 15 17 10 12 10

H 120 0 0 0 0 0 0

≦3.5 t 3.5~7 t ≧7 t

AccelarationTime

(ms)

組通常重量達 300kg，因此依照 SAE J2464的要求，其擠壓力量達 300,000kN，但實際

車輛碰撞的意外發生並不常見此撞擊力量，故可見 SAE J2464不適用目前電動大客車電

池系統驗證的依據。

表 5、車用電池系統在 SAE、ISO、ECE三個標準組織制訂單位的檢測條件評比

2.4. 溫度衝擊循環測試

如表 6 所示為溫度衝擊循環測試的條件比較，以鋰離子電池芯的材料的觀點來說，

60℃以上的環境溫度將造成電解液的分解，鋰電池的內部阻抗因此上升，影響電能量釋

放的功率與其容量，當環境溫度持續上升到 80℃以上，在負極包覆鋰金屬的 SEI膜也受

到影響，若此時電池單元仍在進行充電或放電之電能循環，則會提高熱失控(Thermal

Runaway)發生的機率。因此從表 6 的條件來看，必須在 60℃的溫度點上，對電池系統

冷卻系統的控制機制作觀察與紀錄，在 ECE R100.02 中，雖然未將測試溫度提高到 80

℃以上，但也將滯留時間延長至 6小時，藉此確保環境溫度完全入侵到電池系統，以達

到完整的驗證。

表 6 溫度衝擊之標準檢測條件比較

規範標準 溫度範圍(℃) 滯留時間 次數

ISO 16750-4 -20~65 20~90min 300

UL 2580 -40~70 6hr 5

ECE R100.02 -40~60 6hr 5

實際上 ECE R100.02 的檢測條件編制上[4]，也依據實際車輛的溫度發生機率來取

決，如圖 3所示，追蹤 18輛電動車輛短則 2個月多則長達 15個月的紀錄中，雖然最低

溫僅到-20℃至-25℃，但根據車輛應用故選擇最低溫度為 -40℃；而最高溫並未超過 60

℃，故設定試驗溫度範圍為 -40℃至 60℃。

圖 3 ECE R100.02溫度衝擊循環測試的試驗溫度範圍主要依據實際車輛測量結果

2.5. 過溫保護測試

電池系統需在對抗外部環境溫度的變化上，具備過溫保護和電能調節的能力，如表

7所示，國際法規或國家建議標準中，均有提及過溫保護試驗的辦法，藉此可反推電池

系統溫度管系統的設計上，勢必與電能管理有所關連，在驗證上是不可忽略的環節。

表 7 過溫保護測試之標準檢測條件比較

規範標準 環境溫度(℃) 測試時間(min)

ECE R100.02 環境溫度持續升溫至最高工

作溫度(+10℃)

過程中充放電循環，直到電

池管理系統作動 GB/T 31467.3

2.6. 耐火測試

目前的 ISO 12405或 ECE R100.02中，則以歐盟公告於 2005年的油箱耐油法規 ECE

R34 為參考依據，以裝載於整車底盤的電池系統為實際測試的架設(setup)，模擬遭遇高

溫燒烤的情境，進行 70 秒的火烤後，確認電池系統箱體的耐火能力，詳細程序可參見

ECE R100.02，本文不再細述。而依據 ECE R34的經驗[4]，2.2m2的火盆(Pool)在火燒期

間的溫度與距離如圖 4所示，且在階段(Phase) A到 C期間的火燒溫度，則如圖 5所示。

圖 4 ECE R100.02耐火測試期間不同距離下的火燒溫度

圖 5 ECE R100.02耐火測試期間從階段 A到 C的溫度變化(採用燃油方式)

如表 7所示為相較 SAE J2464、UL 2580、GB/T 31467.3等標準的檢測條件比較，

其中 SAE 2464於 2009所更新後，也別於 ECE R100.02，是從內部以不同位置的高溫

傳播來進行耐燃評估，主要則是應用於電池模組密集，且無阻隔檔板的電池系統設計

中。

表 7、耐火測試之標準檢測條件比較

標準/法規 應用 火燒距離 燃燃類型 火燒溫度 鋪燒時間 SOC

UL 2580 / SAE

J2464 Batteries 無要求 LPG或燃油 590℃ 20 Min. 100%

GB/T 31467.3 Pack,

System 50cm 燃油 將近 700℃

130 Sec.

(70+60) >50%

ECE R100.02

2.7. 短路保護/過充電保護/過放電保護測試

而在驗證工作上，BMS 必須能在過度充電、過度放電，甚至外部短路發生時，啟

動保護機制並檢視所有電池芯的狀態，如表 8~10 所示。比較 GBT/ 31467.3 與 ECE

R100.02、IEC 62660的測試條件，除針對電池芯的要求外，其實都指向 BMS保護機制

的動作；對於以電池系統解決方案供應商居多的台灣業者來說，必須及早確認其 BMS

能否在這類電氣失效發生時，正常地進入運作與回饋機制。

表 8、短路測試

規範標準 測試件 SOC 短路阻抗(mΩ) 短路時間(min)

IEC 62660-2 電池芯 100% ≦5 10

ECE R100.02 電池系統 >50% ≦5 10

GB/T 31467-3 電池系統 100% ≦5 10

表 9、過充電/過充保護測試

規範標準 測試件 充電電流 停止時機

IEC 62660-2 電池芯 1C for BEV

5C for HEV 達 200%SOC

ECE R100.02 電池系統 C/3 1.達 200%SOC

2.保護系統斷開

GB/T 31467-3 電池系統 1C

1.達最高電壓的 1.2倍

2.達 130%SOC

3.超過廠設溫度 5℃

4.出現其他意外狀況

表 10、過放電/過放保護測試

規範標準 測試件 放電電流 停止時機

IEC 62660-2 電池芯 1C 連續放電 90min後

ECE R100.02 電池系統 C/3 1.達最低電壓的 25%

2.保護系統斷開

GB/T 31467-3 電池系統 1C

1.達最低電壓的 25%

2.進入過放狀態後 30min

3.超過廠設溫度 5℃

4.出現其他意外狀況

3. EVS-GTR在電池系統驗證的新趨勢：浸水測試、熱傳播測試

聯合國WP29預計 2018年完成第一階段的電動車安全法規制訂計畫，其以前述之

ECE R100.02為基礎，在 2018年 3月的會議上，因應日本、南韓、中國大陸等代表機

構提出的研究成果，決定在第二階段增列浸水測試、熱傳播測試、電解液洩漏判定等項

目，且預計於 2019 年修訂為 ECE R100.03。以下彙整各國針對浸水測試、熱傳播測試

兩項的研究進度，以推論後續驗證發展的趨勢。

3.1. 浸水測試

浸水測試有鹽水浸泡和 IPX7兩種類型，CNS 15515-3、ISO 12405-3採用浸泡

(Flooded)，GB/T 31467.3採 3.5%NaCl鹽水浸泡 2小時；SAE J2929(引用自 2464)則要求

5%NaCl鹽水浸泡 2小時。中國大陸工信部於 2016年發佈的電動客車安全要求，則為

IP67(B類底盤組件)，如圖 6所示，為 EVS-GTR的中國大陸代表於 2018年提出來的統

計和浸水後發生失效的事件概述[5]，由於氣候異常，過去僅為選項的浸水測試，逐漸成

為標準制訂單位重視的項目，如表 11所示則為目前現存標準的檢測條件比較。

圖 6 考量氣候異常下造成電動車發生泡水後的電池系統失效之事件概述

表 11、浸水測試之現存標準檢測條件比較

標準/法規 應用對象 溶液 深度 試驗時間 操作狀態 SOC

UL 2580 Batteries 5% NaCl Cover

DUT 2 hr

Operational

& Active 100%

KMVSS 48 Pack 3.5%

NaCl Cover

DUT 1 hr

Operational

& Active 100%

SAE J2464 Batteries 5% NaCl Cover

DUT 2 hr

Operational

& Active 100%

ISO

12405-3

鋰電池組

/系統 Water

Vehicle is

flooded ─ ─ ─

GB/T

31467.3

鋰電池組

/系統

3.5%

NaCl Cover

DUT 1 hr

Operational

& Active 100%

南韓汽車測試與研究所(Korea Automobile Testing and Research Institute，以下簡稱

KATRI)在 2018年 3月於 EVS GTR上進一步發表其浸水測試的研究結果[6]，採用

KMVSS 48的測試條件，但電池組的表面距離 3.5%鹽水水面為 0.6m，自 2011年起已針

對 46款油電混合用，以及純電動用鋰電池系統實施浸水測試，其中共有 6款純電動車

用鋰電池系統，和 1款油電混合用鋰電池系統發生起火，

表 12、KATRI自 2011年起共 46件浸水測試中所發生的 7件熱失控事件

車輛

類型

端電壓(V) 電容量(Ah) 電能量(kWh) 熱失控後

的行為

備註

1 BUS 607.5 80 48.6 Fire 此兩次為同一樣品，差別在於重

複測試後起火位置不同 2 BUS 607.5 80 48.6 Fire

3 Bus 607.2 40 24.3 Fire 該系統採用鈦酸鋰(LTO)電池芯

4 Bus 706.5 120 84.8 Fire 該電池系統的箱體採用不鏽鋼

設計但卻無足夠的絕緣阻抗，故

浸水時發生起火

5 Bus 625.6 94 58.8 Fire 因電池系統的防水功能失效故

發生起火

6 Truck 110.1 364.8 40.2 Fire 採用 18650包裝之電池芯，顯示

較小包裝電池芯所構成的電池

系統在內部發生進水後也會有

起火之現象

7 HEV 307.2 10 3.1 Explosion 採用磷酸鋰鐵(LFP)電池芯，卻

發生爆炸

鑑於浸水測試主要考驗電池系統的密封能力(Sealing performance)，故判定的方法應

該不僅限於電池系統是否發生起火或爆炸[5]，而須進一步評估其絕緣阻抗的能力是否因

浸水而發生衰退，如圖 7所示為推論浸水測試實際在判定的階段上，應該至少分成(1)

密封能力(2)絕緣阻抗兩段層級，才能在浸水測試上取得有效的驗證結果。

圖 7 浸水測試的判定應該包括(1)密封能力(2)絕緣阻抗兩個階段

3.2. 熱傳播測試

熱傳播測是一項的驗證訴求，則是基於電池系統內部的電池串發生高溫蔓延或傳播

(Propagation)時，其外殼與內部機構抑制高溫傳導的能力，進而可在熱失控發生時，了

解有多少時間可以供乘客逃離車室空間。中國大陸的工信部在 2016 年公布的電動大客

車技術安全要求中 [7]，明列了熱傳播測試的檢測方法，且要求電池系統必須以

90~95%SOC 的高電量狀態來進行該試驗。而在試驗方式上，考慮到熱傳播測試的可行

性和可重複性，可從以下三種不同的方法擇一來觸發熱傳播(Thermal propagation)，如表

13所示。

表 13 熱傳播測試的三種方法擇一實施

方

式

檢測條件/程序/監控方式 熱失控定義與通過判定

加

熱

檢測條件：

(1) 使用平面狀或者棒狀加熱裝置，並且其表面應覆蓋陶瓷，金屬

或絕緣層。對於尺寸與單體蓄電池相同的塊狀加熱裝置，可用

該加熱裝置代替其中一個單體蓄電池

(2) 對於尺寸比單體蓄電池小的塊狀加熱裝置，則可將其安裝在模

組中，並與觸發物件的表面直接接觸；對於薄膜加熱裝置，則

應將其始終附著在觸發對象的表面；

(3) 在任何可能的情況下，加熱裝置的加熱面積都不應大於單體蓄

電池的表面積；

程序：安裝完成後，立即啟動加熱裝置，以加熱裝置的最大功率

對觸發對象進行加熱；當發生熱失控或監測點溫度達到 300℃時，

停止觸發。

監測：將加熱裝置的加熱面與蓄電池表面直接接觸，因應不同包

裝類型的電池芯，其加熱裝置的位置可參考圖 8，需與溫度感測器

的位置相對應，如果很難直接安裝溫度感測器，則將其佈置在能

夠探測到觸發物件連續溫升的位置。

熱失控定義如下：

(1) 測試物件產生電壓

降；

(2) 監測點溫度達到電池

廠商規定的最高工作

溫度；

(3) 監測點的溫升速率

dT/dt≥1℃/s

當(1)和(3)或者(2)&(3)發

生時，判定發生熱失控。

判定則可分為兩種類型

的試驗狀況：

(4) 電池系統層級 (Pack

level)：若系統提出過

熱警報的 5 分鐘內，

未發生起火或爆炸，

則可視為通過。

(5) 整 車 層 級 (Vehicle

level)：若警報發生後

5 分鐘內未有外部火

燒或爆炸或煙霧竄入

成客艙，則視為通

過。

針

刺

檢測條件：

(1) 刺針材料：鋼

(2) 刺針直徑：3mm-8mm

(3) 針尖形狀：圓錐形，角度為 20°～60°

(4) 針刺速度：10～100mm/s

(5) 針刺位置及方向：選擇可能觸發單體蓄電池發生熱失控的位置

和方向(例如，垂直於極片的方向)

程序：可提前在電池系統的外殼上鑽孔，再依檢測條件實施針刺

監測：溫度感測器的位置應盡可能接近短路點，如圖 11所示

過

充

檢測條件：

(1) 以最小 1/3C、最大不超過電池廠商規定正常工作範圍的最大電

流對觸發物件進行恒流充電，直至其發生熱失控或者觸發物件

達到 200%SOC

(2) 蓄電池系統中的其它單體蓄電池不能被過充

程序：可先對選定之電池芯連接額外的導線，來實現過充

監測：溫度感測器應佈置在單體蓄電池表面與正負極柱等距且離

正負極柱最近的位置，如圖 13所示。

監測觸發物件的電壓和溫度以判定是否發生熱失控，監測電壓時，應不改動原始的

電路。監測溫度定義為溫度 A(測試過程中觸發物件的最高表面溫度)。溫度資料的採樣

間隔應小於 1s，準確度要求為±2℃，溫度感測器尖端的直徑應小於 1mm。

如圖 8所示為加熱觸發熱傳播的測試安裝，在 EVS-GTR的制定工作上，加拿大的

研究機構 National Research Council Canada提出其研究成果[8]，如圖 9所示為對 18650

包裝電池芯所安設的加熱裝置。

硬殼及軟包電池 圓柱形電池-I 圓柱形電池-II

圖8 加熱觸發時溫度感測器的佈置位置示意圖

圖 9 加熱構成熱傳播的實際裝配方式

而中國大陸的研究機構同樣提出了另一種加熱的實現方式，如圖 10所示，其研究

樣品包括了 3Ah的 18650包裝電池芯，以及 3.7Ah的 21700包裝之電池芯，在 100%SOC

狀態下，進行加熱觸發。

圖 10 單一電池芯過充電構成熱傳播測試的實際裝配方式

加熱裝置

加熱裝置(電阻絲)

溫度監測器

連接

如圖 11 所示為針刺觸發熱傳播的測試安裝，在 EVS-GTR 的制定工作上，日本兩

家研究機構聯合進行針刺導致熱傳播的研究[9]，如圖 12 所示為其中一家機構 NITE 的

架設方式，其採用直徑 5mm的鋼針，並在測試前先對電池系統外殼預留孔洞。

圖 11 針刺觸發時溫度感測器的佈置位置示意圖

圖 12 針刺之實際執行方式

如圖 13所示為過充觸發熱傳播的測試安裝，而過充電加熱的方式在過去已被廣泛

作為安規辦法，例如 UL 2580中的部分過度充電一項目，或是 IEC 62619的過度充電=

電壓控制失效等。而中國大陸在 EVS-GTR所提出的研究中，比較過充和加熱觸發熱傳

播的方式，推論不同鋰電池芯蕾型和觸發的發誓，對於所產生的熱能將有所差異，如圖

14所示圍棋比較圖。

觸發對象 溫度感測器

針刺點

溫度感測器

dp=dn，且

距離最短

觸發對象

圖 13 過充觸發時溫度感測器的佈置位置示意圖

圖 14 針對過充和加熱兩類測試的比較

4. 結論與建議

鑒於國內電動大客車的發展因妥善率而不如預期，而電動車輛三元素之一的

電池系統，不僅是主要的動力來源，更是電動大客車潛在的風險因素；國際汽車

法規制定組織 EVS-GTR已於 2016年在巴黎的會議上，基於 ECE R100.02著手

編制符合電動大客車的法規草案(草案中稱為 Heavy Vehicle)，到 2018年的進度

上，已大致基於現存的 ECE R100.02完成修訂，並可能增加本文所介紹的浸水測

試、熱傳播測試等項目，然而對於國內電動車輛產業來說，可能存在的困難，在

於原本電動自用車的電池系統僅區分為電池芯(Cell)、電池模組(Battery Module)、

電池系統(Battery Pack/System)，但電動大客車則可在區分為電池芯(Cell)、電池

塊(Cell Block)、電池模組(Battery Module)、電池子系統(Battery Pack/Subsystem)

以及電池系統(Battery System)共五個層級，如何在檢測時對應到正確的層級，或

是基於整車設計而做檢測挑選的考量辦法，都是在未來國際法規或標準發展的過

程中，必須要加以關注並傳達給國內業者知悉的訊息。

本研究乃基於 ECE R100.02的內容進行解析，並進一步參考 EVS-GTR於

2018年的研究成果做歸納與推論，如圖 15所示，原本的 ECE R100.02僅 9個項

目，但經過近年氣候異常使得車輛環境更為嚴苛，且鑑於電池系統潛在的風險，

故依據中國大陸、日本、加拿大等國對浸水測試、熱傳播測試等項目的研究成果，

歸納與 ECE R100.02未來結合後的輪廓；此外鑑於台灣海島型氣候的背景，建議

溫度感測器

觸發對象

應在參考如 ISO 12405所制定的高溫高濕(或稱結露測試)，先評估電池系統箱體

對於高溫下的抗濕能力，再進一步執行溫度衝擊循環測試，可提高驗證的價值和

效益。

圖 15、ECE R100.02結合浸水測試、熱傳播測試等項目的輪廓

最後，本研究鑑於國內電動大客車的發展，建議將衍生出的汰役電池組

(Battery Pack)，而如能將這些汰役的電池組做最大化的利用，以降低市場推動的

成本，則是國內政策朝向綠能建設、再生能源發展的同時，應該納入的議題。

因此就檢測面來進行探討，要將汰役的電池組轉為儲能系統，在性能評價或說鑑

定的方式就是首先要面對的議題：當推進用電池系統充電的電容量低於初始電容

量的 80%時，代表鋰離子電池的蓄電能力已不符推進用的效率，但若重製作為儲

能系統用，則其充電維持率只要高於 60%，則仍有相當高的經濟價值，這與目前

鋰離子電池儲能系統之標準 IEC 62620所制定的目標一致，應可作為和大客車業

者在探討電池組再利用(Reuse)時的檢測評判依據，如圖 16所示則為探討過程的

思維流程，將列為未來的研究主題。

圖 16、VEG之輪廓乃促成儲能產品電性能標準化驗證的主因

參考文獻

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機械月刊

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