動力用電池系統振動驗證標準比較與建議

林孝勳 1*、卓永豐 1、施冠廷 1、董建利 2 財團法人車輛研究測試中心 環境測試實驗室 1

經濟部標準檢驗局 2 (Siao@artc.org.tw)*

摘 要

本文將探討泛電動動力車輛之關鍵零組件動力用電池系統(儲能系統)之振動測試

標準，與驗證方式的規劃；動力用電池系統(儲能系統)在其行駛過程中，會因行駛於各

種不同之路面，而產生不同之振動能量回饋至車體。而隨著所暴露環境之振動因子考

驗，導致儲能系統在結構損傷或疲勞的情境下，加速儲能元件的老化，促使儲能元件產

生失效的情況。

然而目前動力用電池系統(儲能系統)之振動測試標準眾多、有針對電池組成等級區

分之標準、地區性之安全法規、亦有針對運輸目的之標準等。對於開發者之驗證需求的

選擇上，實屬不易。因此本文將針對這些標準或法規進行整理，並規劃出較為合適之驗

證程序，以期藉本研究之研究成果，提供動力用電池系統(儲能系統)驗證更完善之評估

程序。

關鍵詞：動力用電池系統、儲能系統、振動試驗。

1. 簡介

由於汽車本身不論是在引擎運轉或是行駛之中，均會產生熱能、振動、噪音與污染

等等。因此在零組件之設計與驗證上，必須對於這些在車輛使用壽命周期內可能遭遇的

環境應力加以考量。而本研究將以未來極具發展潛力之泛電動動力機動車輛為目標，針

對其關鍵零組件-動力用電池系統(儲能系統)進行耐振動性能之探討。模擬車輛行駛時可

能遭受之振動應力與當時之電池電能使用狀態。並藉由比較目前國際間之驗證標準，如

中國國家標準(GB)、美國自動機工程協會(SAE)與國際標準化組織(ISO)等標準進行條件

評估、比較與探討，並規劃出適合產業使用之驗證程序。

2. 背景

近年來受全球氣候變遷之影響，世界各地不斷的遭受極端氣候之侵襲，造成不論是

人類之生命安全之損失抑或是各類瀕危生物之滅種。探究此氣候變遷現象之真因，其矛

頭無不指向溫室氣體之大量排放。有鑑於此，目前世界各地無論是汽車製造商或是零組

件廠皆開始推廣節能/綠能車輛。而各國的政府則針對此項潮流推行了諸多賦稅減免與

補助之措施。

而這些綠能車輛的關鍵核心為能夠儲存行駛所需能量之動力用電池系統(儲能系

統)，這些動力用電池系統(儲能系統)之類型可分為無水基底之電解液型電池(如:鋰離子

電池)、水基底之電解液型電池(如:鎳氫電池、鉛酸電池)與熔融鹽、熔融鈉金屬(如:鎳氯

化物電池、硫鈉電池)等。這些電池的安定性差異很大，有很穩定的鉛酸電池，亦有電

解液暴露在空氣中會燃燒的鋰電池等等。因此為了保障駕駛與乘客之人身安全，針對這

些動力用電池系統(儲能系統)之測試與驗證是非常重要的一環。

3. 儲能系統

目前，各大車廠均採用高能量密度或高功率密度電池芯，來構成可再充電能儲能系

統(REchargeable Energy Storage System，簡稱 REESS)，為了使 REESS 可作為車輛主要

動力的來源或負責電能緩衝，其設計大多採用高電壓系統(端電壓大於 60VDC)。儲能系

統在各類之車輛型式中均有採用，不論是在油電混合車(HEV)或插電式混合動力車

(PHEV)，甚至完全以電池系統作動力來源，如增程型電動車(Extend Range EV)或純電動

車(BEV，Battery Electric Vehicle)，乃至於燃料電池電動車(Fuel Cell EV)，其運用情況如

圖 1。可再充儲能系統均被視為能量提供、調節與儲存之暫存器，其重要性可謂是車輛

電動化之不可或缺之關鍵零組件。

圖 1. 車輛電動化之儲能系統應用案例[1]

雖然豐田氫能車輛「未來」(MIRAI)所採用的儲能系統為鎳氫電池，但以其他車廠

之規格而言，Hyundai ix35 FCEV、Honda Clarity Fuel Cell 與 Mercedes-Benz F-Cell 在儲

能系統上面之選擇乃是採用鋰離子電池。即便鎳氫電池之價格較低廉，但由於其自放電

之特性，使得內部儲存之電能較易損耗，無法耐久儲存，且其能量密度比較低，因此在

未來的產業的趨勢中，鎳氫電池將會慢慢地由鋰離子電池所取代。

4. 儲能系統振動驗證標準比較

以驗證及檢測的角度來說，不同類型的車輛型式所使用的可再充電能儲能系統，需

要在測試程序和條件上作調整，才能檢視出其性能在不同用車條件下的變異，再確認其

系統上的設計，能否符合車輛性能的要求。而國際間自電動車發展以來，如美國自動機

工程協會(SAE)，便提供許多建議規範(Recommended Practical)，或是國際標準組織如

ISO、IEC 等也制定了電池相關標準(Standard)，這些均可提供產業界做為檢測項目、程

序以及條件等參考基準，也可對可再充電能儲能系統進行性能評價。

4.1. 電池模組/系統之振動驗證條件

國際間目前針對電池系統之振動驗證標準有 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)與 UN ECE R100-2，其中以 UN ECE R100-2 於 2016 年 7 月已變成歐盟之強制性法規，所有於

2016 年 7 月後生產的電動車輛之儲能系統都必須符合此規範之內容，而 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)則是目前針對儲能系統之振動測試中，有複合溫度之測試，其

兩者規範的比較如表 1。

表 1. 電池模組/系統振動測試條件比較表[2][3]

測試條件 UN ECE R100-2 ISO 12405-1/2 (CNS 15515-1/2)

振動型態 正弦掃頻 隨機振動 SOC 50% 50%

測試軸項 Z X, Y, Z 溫度複合範圍 無 -40~75℃

測試時間 3 小時 每軸 21 小時 (以測試件數量 1 件估計)

頻率範圍 7~18 Hz: 10 m/s2

18~30 Hz: 由 10 逐漸降至 2 m/s2

30~50 Hz: 2 m/s2

5~200

振動 RMS X: 9.42 m/s2 Y: 9.32 m/s2 Z: 14.13 m/s2

4.2. 鋰電池運輸安全規範之振動條件

聯合國的運輸建議書將危險物品分為九大類，其中明文將鋰電池定為第九類危險物

品，並在上述試驗和標準手冊第 38.3 節訂出針對金屬鋰和鋰離子電池運輸的試驗方法，

其內容用於評估運輸過程中可能發生的各種情況。目前 UN38.3 和 IEC 62281 是業界最

常用於鋰電池運輸時所評估測試的標準，其中又以 UN 38.3 之測試驗證需求最多。兩者

振動標準比較如表 2，由資料比較結果得知此兩標準的條件大致相同，僅在振動條件之

頻率轉折點有所差異。

表 2. 鋰電池運輸規範振動試驗條件比較表[4][5] 測試條件 UN 38.3 IEC 62281 振動型態 正弦掃頻振動 正弦掃頻振動

SOC 100% 100% 測試軸項 X, Y, Z X, Y, Z 測試時間 3 小時 3 小時

頻率範圍

7~18 Hz: 1 g 18~50 Hz: 0.8mm

50~200 Hz :8 g (12 公斤以下)

7~18 Hz: 1 g 18~50 Hz: 0.8mm

50~200 Hz :2 g (12 公斤以上)

7~17.62 Hz: 1 g 17.62~49.84 Hz: 0.8mm

50~200 Hz :8 g

4.3. 中國車用鋰電池振動驗證條件

目前中國內對鋰電池儲能系統之驗證標準有二個系列，一為國家標準(GB/T)，另一

體系為汽車行業標準，其中/T 代表為建議標準，無強制性。我們將此些標準中內容包含

振動測試之條件羅列於表 3，藉由此比較資料可利於國內廠商釐清各試驗內容，有效制

定產品開發目標與節省開發時程。其中 GB/T 31467.3 的振動條件與 ISO 12405-1/2 條件

相似，僅在於振動過程有無複合溫度應力因子。而 GB/T 31486 與 QC/T 743 之振動條件

差異處在於振動時間的多寡，然而由於 QC/T 743 的發行時間為 2006 年，而 GB/T 31486才剛於 2015 年發行，後續的驗證條件上，應使用 GB/T 31486 較為適合。

表 3. 中國車用鋰電池振動條件比較表[6][7][8] 測試條件 GB/T 31467.3 GB/T 31486 QC/T 743 振動型態 隨機振動 正弦掃頻 正弦掃頻

SOC 50% 100% 100% 測試軸向 X, Y, Z Z Z

測試時間 每軸 21 小時 (以測試件數量 1 件估計) 3 小時 2 小時

頻率範圍 5~200 10~55 Hz 10~55 Hz

振動加速度 X: 9.42 m/s2 Y: 9.32 m/s2 Z: 14.13 m/s2

30 m/s2 30 m/s2

放電電流 無 1/3 最大放電電流 1/3 最大放電電流

5. 儲能系統振動失效驗證

在動力用電池系統(儲能系統)的前期開發上，我們建議可以採用 GB/T 31486 中的

振動複合放電試驗來執行檢測。此測試條件為利用正弦掃頻振動試驗來檢視動力用電池

系統(儲能系統)之結構是否在低頻率(10~55Hz)中存在共振頻率。而振動試驗中複合放電

亦可檢視試驗中各電路結構之穩定性，因為有些電路的缺陷僅在振動過程中可以偵測

到，當測試件靜止時則因為應力關係而回復正常狀態。

而初期打樣的樣品經過上述建議的 GB/T 31486 振動複合放電試驗後，雖然其結構

具備一定之穩定性，但對於長時間的結構疲勞等問題，則需使用更加嚴苛之測試條件。

JARI 在 2015 年的研究[9]提出了利用快速傅立葉轉換，將時域訊號轉成頻域訊號的功率

密度頻譜圖。並利用其假設的駕駛情境，試圖驗證 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)之條件

是否適當，其轉換之後的成果證明 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)之測試條件相當貼近實

際使用狀況，如圖 2。因此我們建議選擇 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)之測試條件作為

耐久測試之驗證標準。

X 軸 Y 軸 Z 軸

圖 2. JARI 研究成果與 ISO 12405 之振動頻譜比較圖[9]

而當電池開發至可通過 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)之測試標準後，產品大致已

臻成熟階段準備量產，為了日後大量生產後之運輸要求，最後的振動測試規範建議按照

聯合國之運輸規範 UN 38.3 執行檢測，進而確保符合運輸之安全規範，上述之驗證流程

可彙整如圖 3。

圖 3. 儲能系統建議之驗證流程圖

6. 結論

本研究從泛電動動力車輛之關鍵零組件動力用電池系統(儲能系統)談起，不論是各

式新能源車輛均須具備一高電壓儲能系統，來作為整體能源的調節與儲存等功能，而現

今較為通用之鋰離子電池儲能系統因其具備高能量比、高電壓與儲存壽命高等優點，成

為目前儲能系統的最佳選擇。而此類鋰離子電池儲能系統並非完全沒有缺點，其組成之

材料活性大、受高溫影響易起火燃燒等，對於其設計上必須特別考量其安全性。本文對

目前泛用於鋰離子電池儲能系統之國際標準或規範以及運輸要求進行標準分析研究與

彙整並規劃出一套設計驗證流程，其成果有利於國內廠商之設計驗證與產品改良。

在實際測試方面，我們建議採用 GB/T 31486、ISO 12405 與 UN38.3 之條件作為一

系列之檢測標準，其優勢在於可驗證設計前期之結構強度與特性且其複合電能(放電)亦能檢驗出高壓迴路之耐震特性。而在開發中期亦可驗證其結構耐久性與電池特性變化

等，而後期則可針對預備量產前的運輸許可條件進行實證，可確保後續大量量產之產品

可以順利獲得運輸許可。在測試後的分析上，透過正弦掃頻測試可達成共振頻率之篩

選，而後續產品則可依 ISO 12405-1/2(CNS 15515-1/2)進行實車狀況之模擬，而最後再增

加運輸安全規範之試驗條件。藉由本文所提出之驗證流程，可以有效作為產品之開發依

據，避免無謂的測試時程。

致謝

本文由 105 年之標檢局氫能與燃料電池之儲能系統振動與電能複合實證研究計畫

提供經費，在此感謝參與此計畫之標檢局長官與車輛中心之同仁的協助與幫忙。

參考文獻

[1] 施冠廷，電動車輛電池系統驗證設計之探究與考量，中華民國第十九屆車輛工程學術研討

會，2014。

[2] ISO 12405-1/2，國際標準化組織，Electrically propelled road vehicles -- Test specification for

lithium-ion traction battery packs and systems -- Part 1: High-power applications/ Part 2: High-energy applications.

[3] UN ECE R100-2, Concerning the Adoption of Uniform Technical Prescriptions for Wheeled Vehicles, Equipment and Parts which can be Fitted and/or be Used on Wheeled Vehicles and the Conditions for Reciprocal Recognition of Approvals Granted on the Basis of these Prescriptions,

Regulation No. 100 Revision 2. [4] UN 383, Recommendation on the transport of dangerous goods. [5] IEC 62281, Safety of primary and secondary lithium cells and batteries during transport. [6] GB/T 31467.3-2015，中華人民共和國國家標準，電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第

三部分:安全性要求與測試方法。 [7] GB/T 31486-2015，中華人民共和國國家標準，電動汽車用動力蓄電池店性能要求與試驗方

法 [8] QC/T 743-2006，中華人民共和國汽車行業標準，電動汽車用鋰離子蓄電池。

[9] Kiyotaka Maeda and Masashi Takahashi, Japan Automobile Research Institute, Validation of Vibration Test for Lithium-ion Battery Pack in Electric Vehicles, SAE technical paper series, 2015.