文獻回顧

由於國內外目前以發展綠能產業為目標，及台灣相關環保車輛與動力零件公 司與日俱增，動力系統採用鋰電池、燃料電池、超級電容器等能源逐漸得到工業 應用所認同，動力控制與建模相關研究亦大量開發與學術探討 [15,16]。由於綠 能動力各有輸出其特性，如暫態響應、輸出功率大小、能量密度、功率密度等，

因此在混合動力部分，具有相當普及概念。2008 年 Jennifer Bauman et al. [17]提 出維持最佳化操作溫度之下，功率與能量密度、循環壽命、反應時間常數均不同，

因此混合動力技術概念為相當成熟，換言之，若系統需高能量密度維持續航力時，

鋰電池與燃料電池將為動力主要來源。而當系統需高功率輸出，則高功率元件(如 超級電容器)便為主要動力。因此關於混合動力能量管理方面的研究已有許多成 果，如 2002 年 Paganelli et al. [18]提出最小消耗量(Equivalent consumption minimization strategy)控制策略，應用於並聯式混合動力車，使燃料電池整體的氫 氣消耗量最小化，也能達到車輛需求性能；2001 年 Chau and Wong [19]提到電動

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車(EV)可根據需求採用多種複合動力源，並透過能量管理系統，協調各種能源優 點，導引出最佳節能表現。2008 年 Bauman and Kazerani [20] 提出為了兼顧環保 議題及發展純潔動力車輛前提下，眾多車廠紛紛投入電動車研發，初期設計以純 燃料電池電動車為主要設計，爾後發現，加速性能不及於傳統引擎車(燃料電池 反應時間常數過大)，需加入匹配鋰電池或超級電容器作為第二動力源為輔助動 力，一方面因應市區頻繁走停模式(Stop-and-go)需求另一方亦能符合駕駛所需。

1993 年 Blomen and Mugerwa [21]敘述關於質子交換模燃料電池((Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)具備以下優勢，包含：無震動、低噪音、啟 動時間短、續航力長、操作溫度低等優點，因此被評選為最適用於發展電動車之 氫能轉換系統；然而在 2005 年 Shan and Choe [22]研究指出，操作溫度會直接影 響電池的輸出電壓與功率，因此，將燃料電池操作溫度控制在最佳操作範圍，即 能改善燃料電池效率。燃料電池熱分析研究部分，已有相當多豐碩研究成果，如 文獻 [23-27]均在研究燃料電池在 CFD 及 3D 熱動態在燃料電池內之分布情況；

2005 年 Faghri and Guo [28]概述燃料電池的開發技術，隨著熱傳輔助元件研發，

透過分析及改進方式，提高燃料電池整體效率；2004 年 Zhang and Ouyang [29]

以質子交換膜燃料電池進行基本熱物理行為實驗，參數包含：冷卻水流量、空氣 流量、環境溫度，確認參數與燃料電池間的交互作用，再針對熱性能影響進行評 估；2010 年 Hu et al. [30]文中提到有效控制質子交換膜燃料電池溫度，可高效率 運行，以冷卻劑循環流方式添加至預設水道，屏除過量的熱，再搭配溫度模糊控 制策略，雙管齊下，保持理想的工作溫度；由此可見，不管利用 CFD 演算及 3D 動態建模、或者是針對燃料電池系統進行散熱設計與實作，各項均希望提升燃料 電池輸出性能為，可見系統散熱對於整體效率重要性。

由於燃料電池輸出因時間常數關係之下，導致瞬間加速度無法快速提升，因 此將另尋輔助動力源；而在儲能動力源中，相較於超級電容器，鋰電池相對廣泛，

因此本研究將選定鋰電池作為輔助動力源為研究對象。就鋰電池特性而言，目前

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較常使用高能量密度鋰電池。2002 年 N. Sato [31]的研究指出，溫度直接的變動，

會影響鋰電池之電量，因此許多鋰電池的熱分析動態正在進行。2005 年 S. C. et al.

[32]針對溫度對於鋰電池進行輸出性能研究，包含：等效電量、最大輸出功率、

循環壽命，其欲想透過此研究改善鋰電池輸出性能。而從上述研究中得知溫度對 於輸出效率的影響後，需設計一套針對鋰電池的冷卻系統，因此 2002 年 M. Sato.

[33]利用熱動態模型來模擬鋰電池中的溫度分布並以實驗方式來驗證模擬結果，

包含鋰電池散熱之性能輸出影響、散熱系統耗功等進行研究，模擬與實驗均指出 以強制對流冷去方式可以冷卻鋰電池的溫度上升，因此欲想使輸出性能提升需做 好熱管理。

對於鋰電池及燃料電池而言，為了維持高效率運行及增長使用年限下，需透 過電池熱管理系統進行嚴謹控管，利用策略性進行有效的冷卻方式是必要的手段。

2013 年 Xu and He [34] 以強制氣冷方式研究鋰電池模組，以不同管道流經氣流 路徑探討其散熱性能，結果顯示增加氣流接觸電池本體面積散熱性能更佳，且加 設電池組底部 U 型通風道其散熱性能更加卓越；2013 年 Heesung Park [35]提出 一個具體的氣冷式的設計理論及數值模擬分析，由於典型的鋰電池系統皆以多個 電池單元串並而成，而其冷卻方式為在電池單元中設計冷卻通道，藉由氣體冷卻 電池模組，其研究結果顯示在不改變現有電池設計方式，採用錐形岐管設計和壓 力閥通氣亦可將電池冷卻，圖 1.2 為研究架構圖；水冷部分在 2003 年 Mottard et al. [36]設計一款水道包覆電池的冷卻系統，水道與電池之差距 0.018m，電池冷

卻水道設計如圖 1.3 所示；冷卻系統源原件為:以低功率水泵推動循環冷卻液，由 閥門調節水的流量，透過流量計量測冷卻流量，以 80W 的仿效電池發熱，透過 熱交換器進行熱交換，冷卻系統圖如 1.4 所示。

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圖 1.2 電池系統模組與冷卻通道;(a)電池系統(b)電池本體[35]

圖 1.3 電池冷卻模組[36]

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圖 1.4 冷卻系統圖[36]

燃料電池具有零污染、快速啟動、低操作溫度、高功率密度的特性，對於電 動車是未來理想的動力源，因此熱管理系統是確保高功率燃料電池安全及高效率 運行的關鍵，嘗試在狹小空間內設計出冷卻系統去控制溫度變化是一種顯著的挑 戰，在 2012 年 Zhang and Kandllikar [37]介紹各種應用在燃料電池中冷卻的技術，

包含(1)散熱片的冷卻(用高導熱性質材)(2)氣冷式冷卻(3)液體式冷卻(4)相變冷卻，

以下分別敘述介紹:

(1) 散熱片的冷卻

石墨材料最常使用於燃料電池中，由於其特性具備高的熱傳導率及 低密度，適合製作成散熱片，圖 1.5 為應用在燃料電池中由散熱片製成 的隔板，透過熱模擬實驗分析後，研究結果顯示，當燃料電池的功率越 大其散熱片面積要越大才能負荷其散熱量，然而，就成本及散熱的觀點 而言，是不符合效益。

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圖 1.5 為應用在質子交換膜燃料電池中的隔板[37]

(2) 氣冷式冷卻

氣冷式冷卻流經陰極的冷卻空氣可提供散熱，且在雙極板中間設計 冷卻通道進行冷卻，研究結果指出，這種類型的冷卻策略僅適合功率在 100W-2kW 間，若超過此區間，此種冷卻系統並無法均勻的帶走燃料電 池的廢熱。

(3) 液體式冷卻

液體式的熱傳量遠高於氣冷式，因此液體冷卻是目前使用最廣泛的 冷卻策略，非常適用在大功率的燃料電池(>5kW)，其特性為熱傳量高 且添加冷卻劑後，例如：乙二醇和水的混合物可以操作在零度以下環境；

圖 1.6 為質子交換膜燃料電池堆冷卻液通道，在雙極板中設計的冷卻層，

透過數值模擬實驗分析結果指出，如果雙極板中減少冷卻層的數量的配 置，可能會導致性能降低且膜過熱的風險較高。圖 1.7 為實際應用在汽 車之燃料電池冷卻系統架構。

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圖 1.6 質子交換膜燃料電池堆冷卻液通道示意圖[37]

圖 1.7 實際應用在汽車之燃料電池冷卻系統架構圖[37]

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(4) 相變冷卻

當液體式冷卻系統已被成功廣泛的應用在燃料電池堆中，相變冷卻 材料相對失去吸引優勢，如液體冷卻使用的冷卻劑是顯熱，相變冷卻使 用的冷卻劑是潛熱，因此相變需要很低的冷卻劑的流速，此外，冷卻器 循環通過親水性的濾芯產生壓力差、濃度差，才能消除相變冷卻的冷卻 劑。基本上相變冷卻有兩種方式，分別為蒸發冷卻及沸騰冷卻，在蒸發 冷卻中，冷卻劑的沸點溫度高於燃料電池的溫度，因此水非常適用的；

然而相較於沸騰冷卻劑的溫度必須低於燃料電池的溫度，因此需選擇適 合的冷卻劑。

基於電動車內之空間有限，若將散熱系統重量與體積降低，對電動車性能有 大幅提升，因此，採用透過水冷式較氣冷式散熱性能較佳之特性 [38]，然而，

在許多研究中欲增進系統熱交換之性能方式多不勝數，其中以不需改變機構的設 計，亦能有相同顯著結果，可行方式為添加奈米流體進行散熱性能提升。換言之，

藉由奈米流體之特性高傳熱性能與基礎流體混合，當在相同的散熱量下，散熱系 統可減少散熱面積(體積)、重量，以利電動車動力源使用；因此在許多研究中，

在熱交換器系統體直接添加奈米級的粒子，增加熱交換器散熱效益的研究，由於 固體的熱傳導性質遠比液體來的高，因此若以流體添加奈米顆粒可增進流體的熱 傳導係數。在奈米流體增進熱效益方面，2000 年 Xuan and Li [39]利用 100nm 的 銅奈米顆粒添加於水製成奈米流體，經量測發現隨著濃度增加熱傳導係數上升，

當濃度由 2.5vol.%增加至 7.5vol.%時，熱傳導係數由 1.24%增進至 1.78%。2006 年 Li and Peterson [40]使用 36nm 的 Al2O3奈米顆粒添加於水中，量測溫度範圍介 於 27℃-34.7℃，經量測結果顯示 Al₂O3奈米流體在體積濃度為 10%，溫度為 34

℃時熱傳導係數的最大可提升 30%。2007 年 Li and Peterson [41]將 Al2O3奈米顆 粒在不同粒徑(45nm、150nm)下添加至水進行研究，結果顯示 45nm 的熱傳導係

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效果優於 150nm。2010 年 Chen and Xie [42]將奈米碳管添加界面活性劑(Cationic gemini surfactant)製備成奈米碳管，進行懸浮性能研究，結果顯示添加界面活性 劑能幫助 CNTs 有更好的懸浮效果，同時在熱傳導係數也有提升。2011 年 Su. et al.

效果優於 150nm。2010 年 Chen and Xie [42]將奈米碳管添加界面活性劑(Cationic gemini surfactant)製備成奈米碳管，進行懸浮性能研究，結果顯示添加界面活性 劑能幫助 CNTs 有更好的懸浮效果，同時在熱傳導係數也有提升。2011 年 Su. et al.