特斯拉電動車開創新局，帶來一場交通工具的革命，迫使傳統汽車大廠放棄他們的主將（內燃機）引擎。過去的汽車產業是「得引擎、變速箱者得天下」，如今則是「得三電系統者得天下」。三電系統為電機、電控、電池，分別是電動車的手腳、大腦、心臟，我們今天要談的是電動車的心臟：動力電池。
電動車的心臟：動力電池
動力電池特別指用在電動車上的鋰電池，除一般鋰電池特性外，通常還具有快速充放電的特性。因為電動車及儲能系統是電池的前兩大應用場景，因此動力電池的用詞主要是為了與儲能電池區隔，兩者需要的技術特性稍有不同。目前動力電池已經超過鋰電池出貨量一半以上，而電動車現階段還不過只是萌芽階段，預期未來動力電池將會主宰電池市場。
動力電池不是一顆電池，而是由多種系統組成
動力電池系統係指用來驅動馬達的一種能量儲存裝置，這個裝置是由電池模組、電池管理系統、熱管理系統、電氣及機械系統所組成，請見下圖。
（圖一）Audi e-tron Electric SUV Prototype
資料來源：https://www.greencarreports.com/news/1116347_audi-details-battery-for-2019-e-tron-electric-suv#
由於有不同種類的電動車，各家的結構、驅動模式也不同，導致對動力電池的性能要求也不一樣。例如純電動車完全依賴於動力電池系統的能量，因此想要高續航力，所需的電池系統體積和重量就越大；插電式油電混合車(PHEV)、油電混合車(HEV)對動力電池系統的容量要求雖然比純電動車要低，但要能夠提供較大的瞬間功率，故此電芯的採用及電力輸出搭配的設計又與純電動車不同。
馬達體積小，可以放置在車輪附近增加能量轉換率，因此電池通常是放在電動車底盤，在有限的設計空間下進行系統配置。動力電池系統設計除了要能滿足整車的動力要求之外，還必須考量電池系統自身的內部結構、電池安全以及電池管理設計等方面要求。例如負責裝配的整車廠，會考慮電池系統空間設計、電池安全設計、線束連接線設計、外接擴充設計如CAN bus等需求，形成一個有限的動力電池系統空間大小。
開箱七層電動車動力電池系統
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，廢話不多說，讓我們直接開箱電動車的七層動力電池系統。
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。
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。
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。
（圖二）圓柱電池芯示意圖
資料來源：陳貽評
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。
（圖三）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。
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。
（圖四）電池包示意圖
資料來源：https://grubermotors.com/services/model-s-main-battery-pack-repair/
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。
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：
- 電池溫度的準確測量和監控
- 高溫條件下進行有效的散熱和通風
- 低溫條件下的快速加熱使電池正常運作
- 確保各個電池模組溫度的均勻分布
- 排出電池有害物質例如汞、鎘、鉛等
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。
看完這篇文章相信可以幫助你脫離一知半解，不再靠著吸收碎片化的知識或資訊，片面解讀動力電池。如果你還想了解更多，邀請你註冊或登入成為綠學院用戶，綠色產業最前沿的趨勢、商機、人脈、資金一鍵抵達，也歡迎參加產業小聚，認識更多A咖！
（註一）《儲能系統全解析！行內人揭開儲能概念股在夯什麼》