張忠傑、邱垂彰 / 格斯科技股份有限公司
隨著公共運輸電動化需求提升，鋰電池評估重心已由能量密度轉向高功率、安全性與長期可靠度。於電動巴士等高乘載、長時間運轉場域中，電池需承受頻繁啟停與脈衝負載，並同時符合嚴格的安全與維運要求。鈮基氧化物(Niobium-based Oxide)負極材料因具備較高工作電位與穩定的高倍率反應行為，為高功率應用提供較寬裕的安全操作空間。本文以鈮基氧化物電池為例，從材料、電芯、模組至系統層級，說明其在熱管理、電氣保護、一致性管理與電池管理系統(BMS)診斷上的工程實踐，並透過電動巴士實車驗證，具體說明由模組測試延伸至整車運行的系統安全閉環，作為高功率鋰電池商用導入之工程參考。
【內文精選】
鈮基氧化物負極材料的工程價值與技術意義
在高功率應用中，負極材料不僅決定單體性能，更直接影響系統的安全裕度與熱穩定性。鈮基氧化物(Niobium-based Oxide)的核心工程優勢在於有較高的工作電位，此特性使其在高倍率充電或回生煞車時，不易進入鋰析出(Lithium Plating)風險區，為頻繁補能的商用載具，提供了比極限能量密度更具實際價值的安全操作空間。在實際運轉中，該材料在長時間、大電流循環下展現了極佳的反應可預測性。其平緩的極化行為意味著更可控的溫升，這讓電池管理系統(BMS)能設定更寬裕的操作窗口，無需為了避險而過度限流，從而提升系統的實際可用功率與運行效率。若與主流的磷酸鋰鐵(LFP)相比，兩者角色分工明確： LFP適合中低倍率與成本導向應用；而鈮基氧化物則專注於解決高頻率啟停、高功率脈衝與快速補能的痛點。各類主流鋰電池體系與鈮基氧化物之詳細工程特性比較，彙整如表一所示。
▼表一、主流鋰電池體系與鈮基氧化物之特性比較
以鈮基氧化物電池為核心的模組設計與安全性考量
在完成電芯層級的一致性與可靠度驗證後，工程挑戰隨即轉移至模組層級。在高功率應用中，模組層級是電池安全與可靠度真正被落實的關鍵環節。當多顆電芯進行串並聯後，電流分配、熱行為與結構約束將同時作用，任何局部異常若未在模組層級被有效控制，極易被放大為系統性風險。因此，模組設計的核心目標，並非一味提高安全係數，而是在於建立一套可落實的「風險隔離、即時辨識與有效處置」機制，使異常事件能被侷限於局部，避免影響整體系統運作。
在熱管理設計方面，高功率模組需同時因應瞬間大電流輸出所造成的熱峰，以及長時間高負載運轉下的熱累積效應。工程實務上，設計初期即需精準掌握主要熱源位置，例如極耳區、內阻偏高的單體或電流集中區，並據此規劃冷板、風道或導熱介面材料，建立一致且可預測的散熱路徑。若模組內部溫差控制不佳，不僅會加速單體間的不均衡，也將直接影響功率保持率與整體壽命表現。
如圖三所示，透過建立高精度熱流模型，可在模組設計階段預測不同倍率與環境條件下的溫升行為，並作為散熱結構配置與材料選擇的依據。實測結果顯示，即使在45˚C環境溫度下進行3C-4C高倍率放電，模擬結果與實際量測之溫差仍可控制在5˚C以內，顯示熱管理設計具備良好的可預測性與重現性，有助於降低設計假設與實際運轉之間的落差---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、鈮基氧化物VDA模組高倍率放電之熱模擬與實測驗證
★本文節錄自《工業材料雜誌》472期，更多資料請見下方附檔。