ia-07-0021 鋰電池儲能應用之電性能檢測方法探討 公告版 ·...
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鋰電池儲能應用之電性能檢測方法探討
施冠廷 1*、陳宗賢 2
1 財團法人車輛研究測試中心環境測試課
2.標準檢驗局第六組電磁相容科
摘 要
鑑於國內政策在綠能建設的推動(能源局規劃 8 年 16 億投入儲能示範驗證場),依
據國內產業鏈的現況而採用鋰離子電池作為分散式電網的緩衝儲能裝置,成為產業在系
統建置上不可或缺的環節;但鋰離子電池作為儲能應用的檢測標準相較於電動車應用甚
少,目前僅國際電工標準組織提出 IEC 62620,擬定鋰電池芯、電池組作為儲能應用的
檢測項目與條件,但國內產業尚未有完整的應用經驗,故本評估報告即對比現存的電動
車鋰電池系統檢測標準,推論與解析鋰電池在儲能應用的檢測要點,以供產業做參考。
關鍵詞:儲能產品、電性能
1. 儲能產品的發展背景與現況
在全球暖化的議題下,國際在過去數十年投入再生能源的研究與示範,隨著太陽能
光伏技術與儲能的成熟在能源革命的驅動下,再生能源開發利用的需求持續加大,接入
電網的比例和在終端能源消費的占比將不斷提高。根據國際能源署的研究,為滿足新能
源的儲能需求,預測美國、歐洲、中國和印度到 2050年將需要增加 310GW併網電力儲
存能力,為此至少需投資 3800億美元。麥肯錫的研究則將儲能列為到 2025 年將產生顛
覆性作用、對經濟發生顯著影響的技術,預測市場價值將達 0.1萬億~ 0.6萬億美元。世
界許多國際組織和國家把發展儲能作為緩解能源供應矛盾、應對氣候變化的重要措施,
並制定了發展戰略,提出了 2030年、2050年明確的發展目標和相應的激勵政策。
此外,隨著交通的電動化,電動汽車也逐步進入規模化推廣階段;同時,我國的第
二輪電力體制改革也在逐步深入推進,能源生產和消費方式逐步走向開放互聯,多種分
散式能源綜合高效利用、用戶廣泛參與將成為電力生產和消費的一種新模式,電網的規
劃運行和調度管理模式將面臨重大變革。儲能特有的功率控制和能量搬移功能不僅能改
善可再生能源可調可控特性,參與電網調峰、調頻等輔助服務,同時也是分散式發電和
微電網必不可少的調控手段,將成為實現可再生能源高效利用、多種能源開放互聯、協
同發展的關鍵技術和重要途徑。
國內政府期望在 2025年前將再生能源佔總供電量從現下的 4%提升至 20%,但 106
年 8月發生的大停電,顯示了再生能源的發展必須策略性地基於「節電」、「創能」、「儲
能」、「系統整合」來改變國內整體的電力供應結構,再生能源不會只是取代,而是融入
現有的電力供應結構當中,進而在環境保護與經濟發展上締造平衡。而儲能技術目前在
國內外正處於多元發展的狀態,如圖 1.1所示,為中國大陸科學院電工研究所的儲能專
家 陳永翀博士,於 2017年 9月透過儲能電池技術發展方向研討會上,說明依據能量形
式,儲能技術大致分為四類,而電化學儲能中的二次電池,則由於與車輛電動化有直接
相關,甚至目前已有電動車製造商(如 NISSAN、BMW、蔚來汽車等)將其電動車用電池
系統設計為可拆卸式,除了滿足快拆的功能外,更可在電容量維持能力(Charge capacity
retention)低於 80%時,將電池系統轉作為儲能電池,因此電化學儲能中的二次電池,其
模組技術和系統技術必須在設計上做融合甚至規格的標準化,才能在市場發展上跨品牌
營運,這點來說,在中國大陸負責電動大客車與其充電基礎設施推動的國家電網,已在
2011 年提出 Q/GDW 686 一企業標準 ,企圖為電動大客車的電池模組和電池系統做標
準化的機構和介面規格。
圖 1.1. 儲能技術可分為四類,其中電化學儲能在二次電池一分支的儲能電池技術上,與
目前車輛電動化的議題產生直接相關
再回到儲能技術的發展背景上,如圖 1.2所示,也不是所有的二次電池都能作為儲
能電池,特別是因為儲能電池必須有相當足夠的功率特性,如表 1.1所示,大致評比目
前二次電池作為儲能電池的特性。
圖 1.2 一般二次電池、儲能電池、電力儲能電池之間的差別在於功率
表 1.1 目前主要考慮作為儲能電池的二次電池初步評比表
目前大規模儲能技術中只有抽水儲能技術相對成熟,但是由於地理資源限制,其廣
泛應用受到制約,而其他儲能方式還處於實驗示範階段甚至初期研究階段,相關產業的
需求,抽水儲能處於培育期,鑒於儲能裝置的可靠性、使用壽命、製造成本以及應用能
力,國內目前主流的儲能選擇為電化學儲能,其儲能特性的概略評比,如圖 1.3雷達圖
所示。
圖 1.3 各類型電化學儲能產品的參數評比
2. 儲能產品在電性能議題上對應電力儲能系統的檢測項目
國際間目前由日本 JET發起 IEC 62933一系列的檢測(Testing)與導引(Guide)標準,
是針對電力儲能系統(Electrical Energy Storage System,簡稱 EESS)的標準化導引(包括技
術詞彙、場地規劃)與檢測內容,特別在檢測內容上,IEC 62933描述了因應不同需求(城
市/偏鄉/沿海),而採取不同儲能技術(鋰電/氫能/飛輪/水力等)時的檢測方法,其包括儲
能貨櫃的功能、性能,以及安全的考量和要求,如表 2.1所示為初步整理,目前 IEC 62933
系列已公佈 4份,尚有 2份在研擬。
表 2.1、電力儲能系統標準 IEC 62933(發展中)
標準編號 分章名稱 概述
IEC 62933-1 詞彙(Vocabulary) 該標準針對不同應用型態的儲能貨櫃,定義其名稱,已於 2018年 2月公告。
IEC 62933-2-1
EESS的參數與測試方法通則規範(Unit parameters and testing methods - General specification)
該標準針對儲能貨櫃在參數測定、功能檢查、性能量測等三方面定義檢測的概念,已於 2017年 12月公告,但檢測條件尚未公告。
IEC 62933-3-1
EESS的規劃與性能通則規範(Planning and performance assessment of electrical energy storage systems - General specifications)
預定 2018年 10月公告
IEC 62933-4-1
EESS環境議題引導通則規範(Guidance on environmental issues - General specification)
該標準於2017年 7月公告,其依循「ISO Guide 64 產品受環境影響之導引」,論述對儲能貨櫃可能的環境議題,檢測方法後續再定義,尚未公告時程。
IEC 62933-5-1
併網 EESS的安全考量通則規範(Safety considerations for grid-integrated EES systems - General specification)
該標準於 2017年 7月公告,其羅列各種 EESS面對化學、溫度、鹽霧腐蝕下衍生的安全考量。
IEC 62933-5-2
併網 EESS的安全要求基於電化學儲能的系統(Safety requirements for grid integrated EES systems - electrochemical based systems)
預定 2019年 10月公告
若以國際間對儲能產品的電性能檢測能力,可參考如表 2.2所示,大多數實驗室對
儲能產品多是兼具電動車電池組的檢測能量,而順帶提供電性能檢測服務,而其中大阪
NITE於 2016年興建的 NLAB,則是特別針對大型儲能產品,如 500kWh以上的儲能貨
櫃(Energy Storage System Container),提供高電壓(高達 1500V)的循環壽命測試場域,同
時為了避免試驗期間對附近的電網造成衝擊,其電力來源是緊鄰在實驗室周邊的 4座儲
能貨櫃,如圖 2.1所示,其共具備 2MWh的電能量,於非試驗期間透過夜間市電儲存電
能量,以供試驗期間的電力循環。
表 2.2、國內與國際儲能電池檢測實驗室的電氣與電性能檢測能力
檢測項目 材化所 車輛中心 宇都宮 TÜV SÜD 大阪 NLAB
電器短路保護試驗
短路阻抗 5 mΩ 5 mΩ 1~100 mΩ 1~78.5 mΩ
短路耐流 電子負載機 0.7kA 16kA 16kA
環境溫度 20 20~60 40~85 0~60
電性能試驗能力
檢測電壓/電流 80V/400A 600V/150A 600V/350A 1,500V/600A
溫度範圍 -70~180 -40~180 -60~180 -40~85
試驗空間 1mx1mx1m 1.6mx1.8mx1.8m 2.1mx1.5mx2.1m 3mx3mx3m
圖 2.1、國際大型儲能實驗室大阪 NLAB的儲能貨櫃試驗配置
3. 儲能產品的電性能檢測項目之評估與解析
本研究依據 IEC 62620探討儲能產品的電性能檢測方法,IEC 62620自 2014年公告
以來,逐漸被國際儲能產業引用,以作為電性能評估的依據,如日本政府和產業即將 IEC
62620轉為 JIS 8715-1,以供其居家儲能產品的政策(Zero Emission Home)之推動憑據;
IEC 62620規範鋰離子電池作為定置儲能應用(Stationary application)和移動應用(Motive
application)的電性能標準檢測標準,對應於國內政府目前推動的綠能建設,欲廣設居家
和社區的再生能源,其儲能設施的選擇勢必有技術和生產較為成熟的鋰離子電池,但要
如何確保由鋰離子電池所構成的儲能產品,足在電性能方面滿足儲能需求,就是本計畫
在引用 IEC 62620作為評估方法建立的緣由。
首先在放電性能方面,對 IEC 62620與 CNS 15515的放電性能測定的項目,進行評
估比對與解析,由於 IEC 62620的程序上並未定義休止時間,且對於放電電容量(Ah,
安培小時)有明確的判定基準,例如M型鋰電池儲能產品在 1倍電流率下,其放電電容
量(Ah)必須在 1/5 電流率所釋放的放電電容量的 95%,這對於目前所知的鋰電池產品
中,特別是磷酸鐵锂產品尤為嚴苛,而鋰三元類型的產品較有通過的可能,意味著國際
若依照 IEC 62620來界定鋰電池作為儲能產品,則鋰三元明顯較磷酸鐵锂具電性能上的
競爭優勢。
3.1. 放電性能標準檢測的評估與解析
CNS 15515-2 著重於不同環境溫度和放電率下的放電電容量(Ah)和電能量(Wh)測
定,而 IEC 62620雖然也有室溫(25)和低溫(+10 、0 、-10 、-20 )下的
放電電容量(Ah)測定,但會依照產品設計的放電率,來決定試驗的放電電流量;故將鋰
電池儲能產品分成 S、E、M、H共 4型,除了 S泛指電流率在 C8、 C10、 C20、 C240
外,E、M、H均為 C5。在室溫放電電容量的判定要求,可參考表 3.1。
表 3.1、電性能之放電性能試驗標準評比
標準 試驗溫度 充放電條件 判定 備註
CNS
15515-2
25±5 標準循環(以下簡稱 SC)後,以 C3、
C1、2C、I
d,max放電,期間標準充電,
最後再標準循環。
無,僅紀錄 Ah、
Wh、電能量往返
效率
放電後靜置至
少 30分鐘
IEC
62620
25±5
(充放電前
靜置時間為
1~4小時)
S型 SC再滿充後,以(1/n)I
t放電 >100%C
n Ah
E型 SC再滿充後,以 0.2It放電 >100%C
5 Ah
M型 SC再滿充後,以 1It放電 >95%C
5 Ah
H型 SC再滿充後,以 5It放電 >90%C
5 Ah
而這 4類儲能產品,在低溫放電電容量的判定要求,則可參考表 3.2。
表 3.2、電性能之放電性能測標準評比(低溫測定)
標準 試驗溫度 充放電條件 判定 備註
CNS
15515-2
+40 、0
、-10
、-18
、Tmin
標準循環(以下簡稱 SC)後,以 C3、
C1、2C、I
d,max放電,期間標準充
電,最後再標準循環。
無,僅紀錄 Ah、
Wh、電能量往返
效率
放電後靜置至
少 30分鐘
IEC
62620
+10 、0
、-10
、-20
(充放電前靜
置 16~24小
時)
S型 SC再滿充後,以(1/n)I
t 放
電
>70%Cn Ah 適用於 cell、
cell block、
battery
(module/pack)
至少 1個樣品
E型 SC再滿充後,以 0.2It放電 >70%C
5 Ah
M型 SC再滿充後,以 1It放電 >70%C
5 Ah
H型 SC再滿充後,以 5It放電 >70%C
5 Ah
3.2. 充電保持能力及恢復能力標準檢測的評估與解析
充電保持(Retention)能力,是指在待機(存放)一段時間後,所維持的蓄電量,電容
量損失的原因來自於鋰電池芯在串並聯上的迴路存在漏電流途徑,包括電池管理系統的
損耗,以及環境溫度對電化學的影響。此一指標在電動車用電性能測定標準如 SAE
J1798、CNS 15515均有描述,對於鋰電池儲能產品來說,依據 IEC 62620,則特別著重
於室溫下的測定。檢測條件主要有”試驗溫度”和”儲存時間長度”,標準之間的評估
結果可參考表 3.3。
表 3.3、電性能之充電保持能力標準評比
標準 試驗溫度 儲存時間長度與程序 判定 備註
SAE J1798
(6.3 Charge
Retention)
25、45
先在 25下,以 C3放電電流率放電再滿
充電,然後分別儲存 2天、14天、30天,
期間均以 C3放電率測定其殘餘電容量;
再於 45下重複前述檢測。
無,僅需
以儲存後
的SC計算
損失百分
比
至少 3個
module
CNS
15515-2
(7.6 儲存時
之 SOC損
失)
45 先執行 SC,再以 C3放電至 50%SOC (即
State Of Charge,荷電狀態,代表電池蓄
電的狀況),然後儲存 30天,接著執行
SC,決定殘餘電容量。
適用於 pack或
system
IEC 62620 25±5 滿充電後,在試驗溫度下儲存 28天,接
著以 C5電流率測定其殘餘電容量。
>85%SOC 適用於 cell或
cell block
國際對恢復(Recovery)能力的探討有兩個方向,一是環境溫度對充電接受能力的影
響,SAE J1798針對此方向立有標準檢測辦法;另一是長時間儲存下對電化學蓄電能力
的影響,IEC 62620則定有標準檢測辦法。檢測條件主要有”試驗溫度”和”程序”,
標準之間的評估結果可參考表 3.4所示,可以獲知 IEC 62620具備判定指標,而 SAE J
1798則是著重在不同溫度下的電容量比較。
表 3.4、電性能之恢復能力標準評比
標準 試驗溫度 程序 判定 備註
SAE J1798
(6.5 Charge
Acceptance
test)
25、45
、0、-20
在 25下以 C3放電,陸續在不同的
試驗溫度下,以原廠提供的方式充
電,再回到在 25下以 C3放電,以
評比其充電電容量。
無 建議不同溫度採不
同樣品同時進行檢
測
IEC 62620 25±5
(充放電前
靜置時間為
1~4小時)
在充電保持能力試驗後 24小時內,以
C3滿充電,儲存 1~4小時後,再以
C5放電,此為充電恢復的蓄電電容量。
>90%SOC 適用於 cell或 cell
block,至少 1個樣
品
3.3. 耐久循環與內阻標準檢測的評估與解析
目前多數的鋰離子電池大多採用液態電解質,其電解液的化學特性會在充放電過程
中致使鋰離子鈍化,也就是鋰離子與電解液產生化學反應後形成的 SEI (Solid Electrolyte
Interface)膜,SEI 膜會在每次的充放電循環中分解再重組,不斷地損耗鋰離子,造成充
電期間可擴散至負極端的鋰金屬含量下降,最終導致鋰電池蓄的電能力下降,故需透過
循環壽命測定,來檢視其耐久性,以評價採用鋰電池的儲能產品之使用壽命可符合預
期。針對電動道路車用鋰電池芯電性能標準的CNS 15391-1,與鋰電池系統測試規範CNS
15515-2,在循環壽命的檢測程序與 IEC 62620完全不同,如表 3.5所示,首先是程序上,
基於車輛行駛的工作輪廓(Operation profile),故採用兩段放電工況來構成循環的輪廓,
如圖 6.2所示,且直到電容量衰退至 80%以下才停止試驗;而鋰電池儲能應用的電性能
標準 IEC 62620則採 C2或 1C定電流率來作為循環的輪廓,而 500Cycle後的電池量維
持率需大於 60%。
表 3.5、電性能之耐久循環標準評比
標準 溫度 程序 判定
CNS 15391
(7.7 循環
壽命試驗)
25、45 在 25下以C3放電以作為放電電容量基
準,接著在 45採用兩段放電工況持續
循環直到電容量衰退至 80%才停止
無,需載明循
環次數
IEC 62620 25±5 在 25下以(1/n)I
t 放電,再以(1/
n)I
t 充電
(基於加速,E型可採 C2I
t,M型和 H型
可採 1CIt),以此重複 500 cycle
電池量維持
率>60%
而如何能在攏長的循環過程期間,提早確認鋰電池樣品的健康狀態(State Of
Health,簡稱 SOH),則目前普遍掌握內阻、定電流充電率、放電截止後的電壓回升速度
等,其中內阻有交流和直流兩種測量方法,而鑑於直流測量能有效地掌握到電池組這種
多串並聯的阻抗值,故較為多數的電池組製造商採用,進一步地說,電池內阻主要由歐
姆阻抗、電極極化損失、濃度極化損失三部分構成,濃度極化損失並非電池正常操作下
的產物,但採用直流放電脈衝來作內阻測定,若放電時間過長,或是放電深度過深,都
會引發濃度極化損失,因此 IEC 62620中直接定義交流內阻僅可應用於電池芯的內阻測
量,而電池組則必須採用直流內阻測量。以下說明 IEC 62620與 CNS 15515在直流內阻
測量上的方式。如表 3.6所示,
表 3.6、電性能之直流內阻量測評比
標準 程序 判定 CNS 15515 其採用脈衝功率曲線(Pulse power characterization profile)來進行
內阻,其功率曲線如圖 3.1、圖 3.2與表 3.7所示,Imax為鋰電池組最大允許脈衝放電電流,且考量到鋰電池組於高/低溫效應下之特性變化,CNS要求在 40、25、0、-18、-25等五種溫度下,以脈衝功率曲線測量直流內阻。
僅做紀錄,
無判定基準
IEC 62620 步驟 1:電池或電池組應以表 3.8所規定之恆定電流值 I1進行放電。在 30±0.1 s的放電週期結束時,量測並記錄負載下的放電電壓 U1。 步驟2:接著將放電電流增加到表3.8規定的 I2值,且在5,0 ± 0,1 s的放電週期結束時,再次量測並記錄負載下的放電電壓 U2。
步驟 3:直流內阻採以下公式計算: ( )Ω−
−=
12
21
II
UURdc
僅要求直流
內阻結果不
應大於製造
商宣告之初
始值
表 3.7脈衝功率曲線步驟與時間表
時間增量(s) 累積時間(s) 電流(A)
0 0 0
18 18 Imax
102 120 0.75 Imax
40 160 0
20 180 -0.75 Imax
40 220 0
圖 3.1 脈衝功率電流曲線(左)、脈衝功率電壓曲線(右)
表 3.8、IEC 62620依不同類型的鋰電池組,設定其直流內阻量測的電流率
放電電流 放電率類型
S 型 E M H
I1 1/5nIt or more A 0,04It A 0,2It A 1,0It A
I2 1/nIt or more A 0,2It or more A 1,0It or more A 5,0It or more A
4. 結論與建議
本技術評估報告的範疇在於電化學儲能電池作為電力儲能系統中的一環,可做為國
內發展的項目顯然為鋰離子電池,但由於鋰離子電池目前主要的國內或國際標準大多為
電動車用,如 ISO 12405(即 CNS 15515)、IEC 62660(即 CNS 15391),其他區域性標準制
定組織如 SAE 在目前的工作亦聚焦在電動車輛的應用;故雖然國際電工標準組織 IEC
於 2014 年公告 IEC 62620,羅列鋰離子電池作為工業儲能應用的電性能測試項目與條
件,但如何能確保其條件的合理性並探索其原理,甚至評估當產品(電池組)的應用範疇
跨及電動車推進用,和居家/社區定置型儲能用時,產品的測試計畫(Test plan)應同時滿
足兩者的驗證條件與要求,以縮減開發和驗證時程,因此鋰離子電池儲能產品的電性能
檢測,將基於未來市場的發展而做調和(Homologation),那未來的市場發展會如何呢?
以下做概略的推估,由於鋰電池能量密度(Energy density,通常為Wh/kg)隨材料技
術的突破而提升,例如近年有業者提出負責儲存電能的負極材料,改用具有較高彈性的
石墨烯,如此不僅提供鋰電池蓄電能力,亦可有效抑制熱失控效應,故電動車輛的發展
可朝高電能量(kWh)推動,從目前純電動車主流的 40kWh(充一次電 250~300km),到未
來的 60kWh,這從目前中國大陸的新能源項目指標可窺知,在 2017年的指標中,純電
動車要求每百公里耗費 12kWh以下,而 2018年的指標中,推進到每百公里耗費 8kWh
以下,這代表著同樣體積和重量下,電池組的電能量需高達 60kWh(含)以上,每充一次
電即可滿足 500km 的行駛里程,與目前的汽油車有同樣的水準(以 12~14km/L 油耗來
說),但電能量提升後,相對之下快充的議題浮現,將對電網造成衝擊和負擔,中國大
陸於 2017下半年起由中國國家科學院推動 Vehicle-Energy station-Grid(簡稱 VEG)方案,
其中 Energy station 就是以鋰電池構成的儲能站,也就是透過儲能站作為電動車充電,
和電網在電力峰谷之間的調節用;由於儲能站可供應直流電壓快充,電動車的高電能量
電池組可採 750V~1000V的高電壓型態(有別於目前普遍的工作電壓為 300V~500V),而
儲能站又可併入電網(Grid),作為電網中再生能源的高功率緩衝帶,有利於提升電網的
電力調節效率,此概念,也應證了本計畫在背景說明中所引述的「電動車輛-電能站-電
網」之輪廓,而更進一步的規模則可參考如圖 4.1所示。
圖 4.1、VEG之輪廓乃促成儲能產品電性能標準化驗證的主因
透過上述的推估,我們可以了解,未來鋰電池儲能產品的電性能檢測,勢必結合電
動車電池特性和儲能併網的測定需求,而其項目大致涵蓋在本評估報告中的「放電性
能」、「充電保持能力」和「耐久性」這三個項目上,其中測試和評價的參數,應該包括
了電能量(kWh)、電容量(Ah)、直流阻抗(mΩ)、定電流充電率等,透過這些參數的比對,
才可評價該儲能產品的適用性。而本計畫針對鋰電池作儲能應用的電性能檢測標準研
究,推論鋰電池作為儲能應用,因為其特性,可作為電網和電動車快速充電之間緩衝儲
能站,並衍生相對的檢測需求,其中電動車用鋰電池汰役後轉作為儲能應用一途徑,國
際間尚未有明確的檢測辦法,惟北美 UL於 2018年 3月起草汰役鋰電池的檢測標準 UL
1974,將持續追蹤;若是新品鋰電池作為電網級儲能應用,則另待 IEC於 2019年公告
完整版本的 IEC 62933後,再進行系統分析。
再者,目前國際間雖有 NISSAN、BMW等車廠提出車用電池系統汰役後轉作為儲
能應用的案例,但其檢測與管理方法仍屬車廠端自行開發之方法,並未有標準化的程
序,故本計畫將於 110年起與國際安規機構如 UL等合作,探討汰役電池轉作儲能應用
的標準化檢測程序。最後,雖然鋰電池技術因應電動車發展已快速突破,但實際上在商
應應用仍有 5年的醞釀空間,如圖 4.2所示為鋰電池的技術突破預估,而在鋰金屬電池
一產品上,可望為後續車用電池系統的重要單元,但目前仍未有相關商業化之產品。
圖 4.2、鋰電池的技術突破點預估
致謝
感謝標檢局 107 年「儲能(零組件)技術檢測標準及檢測技術發展計畫」,提供車輛
中心結合電動車輛與定置型儲能兩者之間的需求,進行電性能檢測的評比。
參考文獻
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