電動車安全性,開著一台行動高壓電?

了解電動車的高電壓之前,讓我們先來了解它的電池。電池芯(cell)與IGBT(用於電壓轉換的高頻開關芯片)號稱電動車的雙芯。精準地說,電動車的電池包是由數個電池模組組成,而電池模組又由數個電池芯組成。這裡的電池芯或電芯(後簡稱電池),以特斯拉為例,就是用在Model S與Model X的標準型號18650的單顆圓柱型鋰離子電池(cylindrical Li-ion cell,相較於Nissan LEAF或BWM i3使用的方形電池(prismatic cell))或是後期用在Model 3的型號21700的單顆圓柱型鋰離子電池。18650電池直徑18mm長65mm,除了比一般常見的AA電池稍大一些,外觀幾乎一樣。這型式的可充電電池(secondary battery,相較於不可充電的一次性電池primary battery)都已經長期使用在3C、電動工具、或是醫療儀器上,在當時無力投入更多研發經費在電池上的特斯拉,這無疑是最好也是唯一的選擇,因為標準代表著價格低穩定性高。以85kWh電池包而言,大約需要7000多顆電池分散到約16個模組便於電池管理與針對車種提供不同等級的電壓與電能。但相對的要管理這麼多的電池的溫度與電流就很有挑戰,因為只要有一顆不聽話電壓與其他的不同就會有問題,這也是特斯拉在電池管理系統(BMS)與電池溫控系統(BTMS)這方面一直引以自豪他們在車上擁有一個聰明的大腦進行這些工作。

話說電動車的高壓電從何而來?上面所說的7000多顆電池,每顆約3.7V,經由模組內外的串聯並聯的組合最後形成的電池包電壓約360V ,這裡忽略經由逆變器(DC-AC inverter)後的直流轉交流的進一步升壓,這樣的電壓高嗎?可以比較一下放在醫院或公共場所的緊急用心臟除顫器約200~1000V (附註:除顫器為DC)大概就有些概念。根據電學基本理論,電壓愈高能夠驅動的電流就愈強,電池是一個理想的電壓源(voltage source),也就是說它可以在穩定電壓下提供無限大的電流(撇開電流高過額定電流時會燒壞的情形,也就是別篇文章提到的電池c-rate)。那麼在這個電壓下,如果人體觸摸到會如何?下面我們用電學公式之母V=IR (電壓=電流 x 電阻)來做個簡單的計算:

人體皮膚電阻在乾燥狀態約50kΩ,在潮濕狀態約500Ω,用最危險狀況500Ω來算:
I = V/R = 355/500 = 0.71A (安培) = 710mA (毫安培)
人體在接觸到10mA電流時會足以讓人產生類似有時開車門時碰觸靜電時的強烈刺痛驚嚇而迅速抽手的反射動作,心臟則在受到100mA以上的電流時就足以干擾其規律的跳動而致命。所以710mA的電流高達人體可承受的七倍,其結果不言可喻。

還記得在英國攻讀電動車碩士時,每回進實驗室前教授都會嚴格要求脫下身上外套(因為有金屬拉鍊)與任何金屬配件,因為實驗室內全都是用來驅動馬達的400V以上的高壓電源與導線,進去後還有助教非常嚴厲毫不客氣的在旁盯著看避免危險,畢竟高壓觸電是沒有第二次機會的,如此看來他們並非過度小心而是必要之"惡"。

話雖如此,也不用太擔心,車廠在電力安全性上除了安全法規之外肯定想得比我們還仔細,在可控範圍發現異常都能迅速斷電保護車內乘客。基本上馬達與電池包都是IP67防塵(6)防水(7)密封等級,Elon Musk甚至宣稱在遇到漂浮水面的緊急狀況,Model S駕駛仍可以繼續駕駛以輪胎旋轉在水面推動車子前進(僅供緊急使用,平時無事勿試)。BMW i3的使用手冊上更宣稱可以5km/h慢速行駛於25cm以下的積水深度。

電池最怕的就是短路(前述當電阻很小時,電流無限大現象),而會造成短路的除了罕見的製造瑕疵之外就是類似車禍中的大力撞擊造成電池包破損短路,結果可能是起火或爆炸。電動車的電池多在底盤正下方且面積大,碰撞時受損機率也相對高。當然這並非指電動車比燃油車在發生事故時候比較危險,燃油車嚴重撞擊到油箱一樣有相同危險,其安全性當然就看各廠牌車廠設計時所放的安全系數的大小,另外駕駛平日對自己的電動車所培養的知識所衍生出在事故時的緊急應變能力也扮演重要角色。

發表者:李麥克

興趣廣泛,希望一天是48小時。自幼喜歡拆解家電零件安裝到其他可用的電器上面,興趣廣泛永遠有學習新知的渴望。一輩子都充滿對英文閱讀與各種工程科學 (STEM) 學習的渴望。 小時候閉起眼睛模擬雙手正在控制方向盤並加油或踩離合器換檔的快感成了我的免費虛擬電玩,年輕時迷上電視影集霹靂遊俠後 (仍熟悉的"老哥"稱呼?),更開始對汽車產生了各種幻想。有幸此生見證了電動車的崛起與可預見的自駕車的未來並親歷其中,即使是在人生的下半場。在讀了來自克羅埃西亞電動超跑Rimac C_Two的故事,後產生了取個李麥克筆名的靈感,既有自己的姓又與Rimac諧音同時又可將自己投射到霹靂遊俠中的主角。 自2012年特斯拉推出Model S後即開始累積電動車方面的學養。更於2018年在浸淫軟體工程領域二十餘年與後期的3D感測與自駕車應用新創公司數年後,因著對電動車的狂熱開始對特斯拉(Tesla)是如何成功的好奇而"誤入歧途"一頭栽進對電動車的研究。於是在同年前往英國攻讀英國第一屆電動車工程碩士學程並於次年取得人生繼台灣與美國碩士學位後的第三個電動車工程碩士(MSc with distinction in Electrical Automotive Engineering)。目前開設電動車相關技術與各類電腦資訊教學課程(程式設計等),電動車專長領域為動力系統(Electric Drive)。 嗜好:英語閱讀、電動車、程式設計、顧問、教學、網球、小號、爵士鼓、吉他

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