隨著汽車產業不斷的發展,單純搭載內燃機引擎 (Internal Combustion Engine) 的「傳統」車輛,雖然目前仍屬全球車輛比例中的絕對多數,但不可否認的,油電混合 (Hybrid) 動力車款,甚至是電動車輛 (Electric Vehicle) ,其佔比正在迅速竄升,屬於不可忽視的車壇「新秀」。
若與油電混和動力車款相比,能見度更低的電動車輛,應該屬於消費者更為陌生、不熟悉的領域;而就像火車剛被發明時、被認為是不吉祥的吐火巨獸,照相機甫被人們使用時、被誤解為攝魂機一般,一般民眾對於電動車輛的印象,除了「省油」、「零污染」之外,更多的是對於它安全性上的疑慮,例如電動車輛是否安全無虞?下雨時會被電到嗎?電池會容易過熱起火、甚至爆炸嗎?
為徹底解開民眾的疑惑,國內車輛檢測機構 ARTC (Automotive Research & Testing Center,車輛研究測試中心),特別針對「電動車安全議題」舉辦媒體研討會,盼能以其站在檢測第一線的角度,一掃大眾對於電動車的迷思。U-CAR 編輯團隊這次也應邀參予,並替各位網友帶來報導,一窺電動車安全性的秘辛。
其實若要細細探究電動車輛的各個環節,僅進行一個下午的研討會,在時間上是絕對不夠用的,因為粗略來說,電動車就可以分成性能、動力電池組、動力系統、充電設施、電磁干擾等好幾大類,所以本次研討會的重點,就著眼在電動車輛的「安全」部分,且可細分為:1.電氣安全 2.碰撞安全;而需先說明的是,本篇文章並非要針對理論性的部分探討,而是以輕鬆的方式,帶給讀者相關的民生資訊,也能讓消費者買的安心、用的安心。
電池組?Battery Pack?其實都是指 REESS
實際進入兩項主題之前,讓我們首先具備一些有關電動車輛的基本知識,因為電動車輛和一般車輛最主要的區別,即在於其是完全使用電池組當作車輛的動力來源,而並非以內燃機引擎當作驅動核心。而電動車輛裡一般所謂的電池組,其國際標準用語為:REchargeable Energy Storage System (REESS),依交通部法規,譯為「可充電能量儲存系統」,車廠則俗稱為 Battery Pack、ESS。將車輛電動化,是有效達成降低油耗、減少二氧化碳排放的手段之一,而 REESS 則是車輛電動化的過程當中,至關重要的元素。
REESS 是一個整合、系統性的統稱,其由一個特殊設計的外殼構成,裡面則有許多控制元件,包括電池管理系統、溫度管理與冷卻系統、高壓斷路器、鋰電池單元等等;而其中的鋰電池單元,精確的來說,就是由一顆顆和家用 3 號電池差不多大小、18650 圓柱鋰電池芯組成。
鋰電池擁有高能量密度、高功率、壽命長等優點,但由於材質本身不耐高溫的特性,容易因為過熱、短路而導致車輛燃燒,所以 REESS 裡的其他元件就顯得格外重要。舉例來說,為了避免因為路面振動、車輛遇到坑洞,而造成擠壓、外部短路等情形,外殼和電池管理、高壓斷路器就需要謹慎配置;而若為了讓 REESS 能適應環境溫度驟變 (極端的高、低溫),溫度管理與冷卻系統也是必不可少的裝置。
為了使車輛在實際上路後、電池組能夠安全無虞的運作,一般來說,出廠後的電動車都會經過一連串 REESS 的測試,包括了機械類、氣候類以及電氣類三大測試項目。機械類測試,主要透過振動與機械衝擊,考驗 REESS 的抗震、耐衝擊以及高壓斷路器的斷開能力;氣候類測試,主要考驗 REESS 在環境溫度驟變、操作溫度連續上升時的處理機制;最後,電氣類測試則是檢視 REESS 在電池單元發生過度充放時,所會採取的應變措施等等。
了解電動車的「REESS」是要經過如此縝密的檢測程序後,相信我們一定知道,REESS 本身並不會造成電動車的安全風險升高,最危險的事情,莫過於廠商「不成熟」的設計布局,而這才是電動車會發生意外安全事件的主因。而值得一提的是,現行國內法規並無針對電動「車」的「電池模組本身」之檢測做出強制規定,電動車上路前,僅需較一般車輛多完成「電氣安全」的檢測項目;至於電動「機車」的電池模組,目前則需要經過檢測單位受測。對此 ARTC 也表示,未來將逐步和國外法規調和,自民國 106 年開始,電動車也必須檢測電池模組的個別安全檢測,讓電動車輛能夠更加令人放心。
接下來就讓我們去親身接觸 ARTC 對電動車的相關安全檢測吧!
凹凸不平的路面,電池組會震壞?小朋友的手伸到車內細縫會觸電?
第一站,我們首先來到電池組 (REESS) 環境測試實驗室的機械衝擊區;在這個階段,機器會在 6ms 的極短時間內,對電池組造成 50G 左右的衝擊,相當於車輛在路上遭遇小坑洞時的衝擊,用以檢驗電池組的設計,是否可以承受一般行路狀況。
第二站,則是參訪檢測電動車「電氣安全」的實驗室。簡單來說,電氣安全主要是測試電動車輛會不會「漏電」,而這也是一般民眾對於電動車最感疑惑的部份。試驗包含幾個部份,包含車輛處於靜止狀態和啟動狀態的觸電檢測,甚至在發動狀態時、還得將引擎蓋 (雖然電動車沒有內燃機引擎,但為講解方便,此處仍以「引擎蓋」表示) 掀開,以清水直接噴灑內部元件,確保乘客區、貨物區和驅動機構區之可打開部件在這樣嚴苛的檢測條件下,使用電動車輛的任何成員皆無觸電之虞。
之所以要對電氣安全進行如此詳細的檢測,在於一般條件之下,電壓超過 60 伏特的直流電即會被認定是高壓電,而電動車上的 REESS,其電壓都遠遠超過這個數值。舉例來說,Nissan Leaf 配備的 REESS,電壓就高達 403 伏特;千萬別小看這個數值,若此時身體潮濕且打著赤腳,直接碰觸到 403 伏特的帶電體時,身上通過的電流將達到 268 毫安培 (人體電阻假設是 1,500 歐姆),可是會造成呼吸麻痺、肌肉收縮,3 秒鐘後心臟甚至會麻痺,而有生命上的危險!由此我們可以知道,為什麼電氣安全如此重要了。
電氣安全主要是依照 ECE R100 標準來檢測,而 ARTC 用來測試「直接接觸試驗」的電氣安全設備儀器有 2 種等級,分別是細長、棒狀的 IPXXD 等級,以及外表看起來像手指頭的 IPXXB 等級。IPXXD 等級,是用來檢測乘客室或是載貨區、人體可能直接接觸到的車輛部位,細長的儀器可以模擬小孩拿髮夾等細長物亂戳到更小孔內、而接觸到帶電體的狀況;至於 IPXXB 等級,則是以較粗的手指頭造型、檢測乘客室或載貨區以外的區域,判斷元件帶電狀況是否符合規定。
在靜態的檢測完畢之後,接下來則進入更嚴苛的灑水測試。灑水測試同樣分為兩種。
開蓋檢查車輛、突然下雨怎麼辦?洗車會不會漏電?
第一種為暴雨試驗,此試驗旨在模擬「若駕駛人打開相關部件、如:乘客區、貨物區和驅動機構區檢查車輛時,卻突遇下雨的情形」。測試人員會以流量每分鐘 10 公升的水管,朝著車輛所有打開之部件持續噴灑 5 分鐘 (包含引擎室內部),同時盡可能規律的移動蓮蓬噴頭,務求將極端情況都列入考慮。
第二種則為清洗試驗,此試驗旨在模擬「駕駛人平時洗車的情形」。試驗人員同樣會以水柱進行噴灑,只不過清水流量改以每分鐘 12.5 公升的流速,噴灑部位則是車輛所有接縫處,包含膠條、玻璃封條或是車燈封條等處。
經過灑水測試之後,最後一項則為涉水試驗,不過受限於時間,當日 ARTC 行程並無安排實地參訪,僅能使用文字簡單介紹。涉水試驗是模擬「電動車輛在潮濕、有水坑路面上行駛的情形」,受測車輛需以時速 20 公里的速度、在水深 10 公分的水坑涉水行駛 500 公尺以上。
行前的安全測試都確實做到穩妥之後,現在就讓車輛駛去 ARTC 充電站、充滿電力後準備上路囉!
日規、歐規、美規,ARTC 充電站全都有
由於全球目前的充電界面尚未統一,所以在 ARTC 所建置的電動車充電站裡,我們可以看到各式各樣的國際主流充電界面規格,粗略來說,充電界面可以分為交流電 (AC) 慢速充電座和直流電 (DC) 快速充電座。
AC 慢速充電座方面,包含有臺灣 CNS 交流 2A 型式、CNS 交流 2B 型式,以及美國 SAE、大陸 GB 格式;至於 DC 快速充電座的部份,則是配有日本 CHAdeMO 規格充電座。不過除了上述這些規格之外,SAE 所推出的快、慢充整合式充電座 (Combo Connector) 也漸漸成為市場主流,後續發展值得觀察。而 ARTC 也表示,目前臺灣的充電規格並未統一,未來仍要持續觀察市場運作情形,再將法規逐漸修改到位、正式確立一致的充電界面。
從字面上看,慢速和快速充電的主要差別,就在於充電時間的長短。AC 充電座可提供 220 伏特電壓、32~80 安培電流、最大輸出功率 7.04~17.6kW 的方式充電,將電池充滿的時間多為 8 小時以上;DC 充電座則可用最大 500 伏特電壓、最大 125 安培電流、最大輸出功率 50kW 進行充電,最快在 1 小時內、即可將車輛電池組的電力補充完畢。以本次 ARTC 示範充電的 Nissan Leaf 為例,原廠在左邊為其配置了 CHAdeMO DC 快充座、右邊則是 SAE AC 慢充座,而若用左側的 DC 快充座充電的話,從螢幕上的顯示可看到,車輛將在 50 分鐘後充電完畢。
ARTC 的充電站除了可提供充電的基本功能外,也具備了後台監控系統,充電設備則採用 RFID 感應並記錄;RFID 卡片可記載充電車輛與操作人員的資料,使用者透過網路系統登入主機後,即可隨時隨地輕鬆掌握車輛充電狀況。而 ARTC 也補充,在電動車輛與充電設備連接之後,其會透過充電口的訊號線彼此溝通,若有過熱、充電槍未鎖定完全、漏電等異常狀況,充電座會自動切斷電源供應,使用者在安全方面毋須顧慮。另外 ARTC 充電站內額外設置溫度感測裝置,也可提供未量產車試作階段車輛之溫度監控,加強充電安全。
最後,則來到今天行程的最後一個研討項目,同時也是筆者認為最重要的部份:碰撞後的處置方法。
碰撞後怎麼辦?切記橘色電線不要碰,並確實將車輛斷電
開車上路難免碰上意外,若不幸發生顧路、甚至是碰撞的狀況時,除了和一般車款相同、需要實行一些基本的救護行為外,電動車輛最需要注意的,就在於「電池組與電路系統」之問題。而電動車在碰撞之後,救護人員需先執行 4 大步驟:1.現場評估。2.車輛識別。3.固定車輛。4.切斷電源,之後才可將車體零件切除、移出受傷之乘員;而需先執行這些步驟原因,就在於避免現場發生二次傷害,同時也為施救者與待救者的安全提供更進一步之保障。
第一步:現場評估。首先判斷現場有無任何危險物品,例如裸露的電線、不明的外洩液體、懸崖等等,防止車輛移動後、造成更進一步的風險;而此階段的處理方式和傳統引擎車款大致上相同,在此就不在贅述。
第二步:車輛識別,而這也是 4 個步驟中最重要的一步。由於電動車和 Hybrid 油電車都具有高電壓裝置 (先前已提到,超過 60 伏特的直流電被認為是高電壓),在車輛發生碰撞之後,許多平時隱藏的部件將裸露在外,若誤觸則可能發生危險,所以在進行救援之前,需先判斷車輛是否屬於電動車輛。
我們可以從車身外觀的蛛絲馬跡進行判斷,例如廠徽、車身銘牌、內裝標誌等等;而引擎室內也可供參考,若有以橘色外皮包覆的電線,則代表這是帶有高電壓的電路系統 (黃藍色代表中間電壓),人員不能直接以手觸摸,以免發生觸電風險。若真的找不到車身任何可以判斷的依據,我們就必須將它預設為電動車款處理。
第三步:車輛固定。由於電動車和 Hybrid 車款不像傳統引擎車型,即便在行進之中,也會讓人誤以為車輛是熄火狀態,所以當要接近受損車輛時,要確保不是從正前或正後方靠近,而是從車側部份接近、避免因車輛移動而造成傷害;而最好的作法,就是在輪子前後擺設輪擋。
第四步:切斷電源。如前所述,電動和 Hybrid 油電車難以從外觀判定是否熄火,所以一定要再次確認已經關掉車輛紅火 (電門、ACC),最好能將鑰匙直接拔出 (若是採用感應式鑰匙啟動之車款,則將鑰匙拿的越遠越好);而若仍無法確定車輛是否熄火,則此時應將車輛的 12V 電源直接切斷。最後,則是 (通常車內會有明顯標識) 找出電動車輛的緊急斷電開關,將高電壓驅動電力輸出完全截斷。
將四個步驟確實執行之後,接下來的救援工作則類似於傳統汽油車輛,例如需小心拆解車輛結構、閃避車內乘客保護系統 (如 SRS 安全氣囊,曾發生救援時無意間觸發氣囊作動,造成傷者二度傷害的慘劇) 等等。值得注意的是,救援人員必須要配戴完整的個人防護配備 (Personal Protective Equipment),包含高電壓絕緣防護配備,以避免觸電、高熱或毒氣等風險;先前提到橘色外皮包覆的高電壓線路和電池組,也應該避免切割破壞,同樣也為防範觸電之風險。
而 ARTC 也提到,若是電動車輛發生火災 (通常是電池組過熱產生高溫,導致周邊部件燃燒而引發火勢),建議使用大量的水來抑制火勢,雖然電池組因為保護裝置的緣故,難以撲滅深處 REESS 內部的火源,但水足以使整體降溫、方便後續救助工作的進行。
迷思解除,消費者可以放心使用電動車輛
電動車輛本身其實並不可怕,可怕的是廠商不成熟的設計,或是駕駛者對車輛不熟悉、所作出的不良操作習慣;在看完電動車的安全議題之後,是不是對於這「新世代」產物更加了解了呢?雖然目前臺灣的電動汽車仍屬於小眾市場,但還是建議網友們可以多多吸收有關電動車的知識,或許在 20 年之後,傳統引擎汽車消失殆盡、電動汽車大行其道也說不定呢!