電動車電池是重要的汽車元件，為支援電動車的蓬勃發展，業者必須擴大電池的生產規模。 截至2022年，EV電池組的平均成本為153美元/kWh，在過去15年間下降了90%。 展望未來，汽車產業對鋰離子電池的需求預計將以每年 33% 的幅度成長，到2030年需求量更將達到4,700 GWh。

若EV電池的價格能更經濟實惠，電動車便可拉近與內燃機汽車的價格差距。然而，由於電池製造極為耗能，且近來原材料、供應鏈和能源成本均節節攀升，控制電池成本成為一項艱鉅的挑戰。

推動電動車電池價格下跌和需求飆升的關鍵要素為技術創新。 除了消除成本壓力外，電池技術還須持續演進，以支援不斷變化的電動交通生態系統。

EV 電池持續演進的重要性

圖一顯示電動車生態系統的概況，以及電池隨著生態系統的演進而發生的變化。

圖一 : EV電池在電動車生態系統中扮演重要角色。

在圖中右側，汽車製造商和電池開發商都急於開發出續航里程更長的 EV 電池，以符合消費者的期望。 從宏觀層面來看，容量更大、壽命更長的電池，有助於將汽車電氣化潮流落實到實際應用中，以實現電池循環經濟，進而減少碳排和污染。

左側則是智慧電網不斷演進的簡易圖示，它推動著電動車電池的轉型，從早期經由充電樁汲取能源的單向「汲入」，轉變為雙向供電的 V2G（vehicle-to-grid）。 稍後我們將探討如何設計更出色的電池，並完整介紹 V2G 的概念。

全面提升電芯、模組和電池組的電池效能

隨著汽車電氣化蓬勃發展，電池開發商和製造商必須搶先一步獲得可因應新要求的電池測試功能。

EV 電池有不同的外形：圓柱形、軟包裝和稜柱形。然而，無論外觀如何，它們的初始開發階段都相差無幾。 電芯開發人員必須在研發過程中，選擇電芯化學成分和材料，再進行特性分析和最佳化。

如欲支援更長的行駛距離、更快的充電速度，並提供可因應未來需求的 V2G 功能，首先須從電池化學成分開始。 電池開發人員需根據電池效能規格，分析每種電化學混合物的效能（參見圖二的範例）。鈦酸鋰電池具有優異的安全性、低溫效能和長使用壽命等優點。 ?業界正努力改善電池規格，以提高儲能並降低成本。鎳錳鋰電池（NMC）則具有卓越的整體效能，在儲能方面也有出色表現。由於自加熱速率極低，它備受電動車廠商青睞。

圖二 : 不同的電芯化學成分會產生不同的特性和效能。

現代電池測試實驗室必須同時處理數千個待測電芯，並準確量測不同電芯設計的實際效能，以確定它們是否符合設計目標（參見圖三）。

圖三 : 在開發新電芯時，還必須考量不同的電芯特性，因為不同應用需要不同的電芯特性。

在將電池組裝成模組和電池組並進行測試時，電池設計工程師必須思考如何針對不同應用，調校各種測試參數，以便為預定的汽車供電。其應用範圍從兩輪機車，到各式各樣的轎車、休旅車，甚至重型運輸車等，皆涵蓋在內。針對不同終端使用者市場而設計的電池，需滿足各不相同的需求，因此所需的測試配置也不一樣。 為此，工程師須確定其測試環境能夠支援所需的電壓、通道和安規要求（參見圖四）。

欲驗證電芯、模組和電池組的效能，需執行下列測試：

? 記錄不同的溫度，藉以研究電芯的電熱交互影響效應。

? 檢查機械連接和模組的效能。

? 可與汽車的電池管理系統進行通訊。

圖四 : 開發週期的每個階段，都需要可驗證電池效能的測試環境。

自動化管理是電池測試實驗室中的利器

圖五以簡易的圖像，呈現電池測試實驗室中不同的角色和任務。 隨著待測裝置的數量激增，實驗室管理人員無法再依賴手動追蹤，或是以試算表來管理現代化電池測試實驗室。

將實驗室運作自動化，不僅可確保高效的時間與資源管理，同時還可進行追蹤和追溯，進一步提高測試速率。不論是管理龐大的設施或不同站點，透過雲端的實驗室作業管理工具可輕鬆查看並控制電池測試操作狀態。另外，從待測裝置收集到的測試資料也可用於強化設計迭代。

圖五 : 現代電池測試實驗室需同時監控數千個待測裝置，因此資料流與妥善的管理變得更為重要。

從藍圖到生產階段，確保一致的品質

一旦新的電芯設計已可進行量產，很快就會進入大量投產階段。 根據麥肯錫（McKinsey）的報告，電池需求將以每年 30% 的幅度持續成長。如此一來，未來 10 年間還需新增 90 家超級工廠（以目前的產能計算），才能因應全球市場蒸蒸日上的汽車電氣化風潮。

隨著美洲和歐洲開始迎頭趕上中國和韓國的步伐，在靠近其終端市場處製造電動車電池，他們也投入了數十億美元來擴大超級工廠（gigafactory）的產能。這是一個複雜的過程，如圖六所示。

圖六 : 在複雜的電池電芯製造過程中，電芯循環和老化是最耗時的環節。

建置超級工廠時，業者面臨著諸多挑戰，包括地點、預算、原材料的存取、製造系統和人力資源。讓我們來看看如何從電芯開始，打造更出色的電池。

在所有量產製造環境中，吞吐量都是衡量生產力的重要指標。在鋰離子電芯製造過程中，電芯化成和老化階段是最耗時的環節。為了進行電池老化，製造商必須量測電池的自放電率，即使電池未連接任何裝置。其目的是篩選出異常或過度自放電的電池，因為這些「不良」電池會對模組和電池組的效能產生負面影響。

電池可能需要幾天、幾週，甚或幾個月的時間才能表現出其自放電特性。然而，在時間和成本敏感的製造環境中，傳統方法（例如，追蹤隨時間變化的自放電效應）並不實際。

取而代之的是，製造商開始使用相對較新的恆電位量測方法，來直接量測電芯的內部自放電電流。 兩相對照，傳統方法需花費數天或數週的時間來記錄電池的自放電效能，而新方法通常只需數小時甚至更短的時間，便可進行重要的品質篩檢，節省大量時間和寶貴的空間。

利用新技術，您可開發功能更強大、充電速度更快的電池。您需對這些電芯進行循環測試，過程中需測試電芯樣本，以確定電芯的循環壽命，以及充電速率對電芯壽命的影響。隨著電池容量迅速擴增，研究人員和製造商在執行測試時，就必須供應和汲入更大的電流。

為了避免代價高昂的功耗，現代電池循環測試儀採用再生電源技術，將電池放電過程中產生的電力送回電網，以減少淨能源消耗，進而降低營運成本。此過程也可減少電子元件產生的熱能，進而降低為生產設備散熱的需求。

可滿足未來需求的電池測試技術

隨著汽車電氣化蓬勃發展，電池開發商和製造商必須搶先一步獲得可因應新要求的電池測試功能，包括規劃可處理更高電池容量、供應/汲入更大電流，也具備再生電源功能的新設備，以便降低營運成本。

一些製造商也開始採用模組化和不受地點限制的「超級溫控室（superchamber）」，以減少電池測試投資的時間和成本，同時還可根據需求進行擴充，以便加速完成部署。

這些令人振奮的創新技術，有助於進一步擴大電池的開發和生產規模，以推動電動車的普及。

（本文由Keysight是德科技提供，作者Hwee Yng YEO為是德科技產業與解決方案行銷經理，也是電動車倡導者）