能源轉型大勢所趨，掌握碳中和儲能商機！一次搞懂什麼是碳中和、鋰電池、固態電池、燃料電池（07/12/2021 TechNews科技新報）

作者 姚 惠茹

聯合國在 1997 年 12 月通過京都議定書將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水平，以保護地球的生態系統。從那之後，碳排量就逐漸成為評估環境成本的一項重要指標。2015 年 12 月，各國在《巴黎協定》中承諾，在 2050~2100 年實現全球「碳中和」目標。

什麼是碳中和呢？

碳中和是「從環境中消除的碳排超過所排放的碳」。通常透過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節能減排等形式，來達到相對「零排放」。目前為止全世界已經有超過 50 個國家宣告在本世紀中葉達到碳中和，超過 100 個國家在政策中提及，2050 年是大部分國家設定的目標年。

分析碳中和商機，首先要來了解主要碳排產業，目前全球最大的碳排放產業是電力產業，其碳排放量佔全球碳排放量比重高達四成，而再生能源發電的比重近幾年來雖然持續增加，也約略佔三成左右，如扣除水力發電、地熱發電等，以風電及太陽能為主的再生能源佔比又僅有一成，富邦證券表示，未來持續增加風電與太陽能發電仍將是主要的發展趨勢。

車輛的二氧化碳排放佔全球碳排放量比重超過二成，因此未來電動車取代內燃機汽車的趨勢，將會加快進行，另外包含製造業的工廠與建築業等佔全球碳排放量也達到二成，因此將被迫更新其生產設備，降低排放量，中國及其他第三世界等地區，必須要淘汰高汙染高排碳的產能，建置更具效能且符合環保碳排規範的產能取代，否則其出口將會被先進國家課以碳稅。

從前面分析主要碳排來源，就可以知道為什麼再生能源和電動車會成為近年來的重要產業發展趨勢，然而電動車雖然不排放 CO2，但若使用的電力是火力發電，則會增加發電廠的碳排量，因此電力來源由火力發電轉為再生能源，再使用電動車才能真正達到減碳的效果。

富邦證券表示，由於再生能源如太陽能與風電都是屬於間歇性發電，受到日照時間與季節性風力強弱的影響，必須透過儲能系統，將再生能源發電做妥適的儲存應用，故儲能系統將在碳中和發展趨勢中，扮演著重要的關鍵角色。

近年來光電、風電產業快速崛起，因綠能發電具間歇性特質，尚需儲能系統搭配，才能避免再生能源受到天氣因素的波動影響供電，確保長期供電穩定，儲能系統市場規模因此快速成長，2018年全球儲能系統放電量 5,971 百萬瓦時，預估至 2024 年，全球儲能系統規模年複合成長率超過七成。

富邦證券指出，現階段全球儲能系統主要可分為三大類，機械能儲能、電化學儲能（鋰離子電池）及化學儲能（燃料電池）三大類，其中以電化學儲能為目前的市場主流，而化學儲能為近年備受市場期待的另一種儲能系統。

鋰離子電池

目前全世界車廠所生產的電動車，其儲能電池的應用種類，以「鋰離子電池」為市場應用主流，而再生能源儲能系統方面，也大部分同樣採用「鋰離子電池」，作為協助電網進行電力調節的輔助設備，例如特斯拉在各地建置超級充電站，就會利用到鋰電池儲能系統。

鋰電池材料中以正極材料最為重要，一般都是以鋰合金氧化物所構成，也是常聽到的三元鋰電池就是以鎳鈷錳等三種材料組成正極的鋰電池，另外常聽到的磷酸鋰鐵，也是正極材料的一種。負極材料目前多以石墨為主，未來會往矽負極來發展電解質現階段都是液態（膠狀），目前業界正積極開發固態電解質的鋰電池，作為下一世代鋰電池的發展方向。

固態電池

鋰電池為「液態電池」，其電解液為膠狀電解質，而液態電池性能容易受溫度高低影響，並有電解液外漏爆炸的風險，當前普遍使用的有機電解液存在爆炸等安全隱憂，已成為限制鋰離子電池發展的瓶頸，而固態電解質的重量較輕，只有液態鋰電池的一半、充電速度比鋰離子電池快，只要 10~15 分鐘，而且沒有腐蝕性的問題，壽命較長。

目前日本豐田、南韓三星、中國寧德時代、美國的 Quantum Scape（QS），德國的 Solid Power 與台灣輝能等公司業已開啟固態電池產業化進程，目前預估最快 2023~2025 年間，有可能量產車用固態電池。

燃料電池

燃料電池為一種將燃料（通常是氫氣）與氧化劑產生的化學能通過化學反應轉換成電能的儲能系統，通常又稱為氫能源，利用氫燃料的氧化作用，產生電力，沒有排碳，只有排水，若是將太陽光電或風力發電的電力來產製氫氣，產製後的氫氣可做為燃料電池的燃料來源。

藉由氫能載體整合各式再生能源，能平衡各類再生能源供電缺口或不穩定。富邦證券表示，現階段包含美國、日本、南韓、歐盟、澳洲及中國都積極發展燃料電池，企業界與日韓車廠也都努力開發各式產品應用。

富邦證券表示，2050 年是大部分國家設定的碳中和的目標年，降低碳排放量的碳中和商機，已經成為未來十年的重大商機，因此使用何種電池能達到安全又具效能的綠能發電儲能系統，將會是未來產業發展的重點，也值得投資人持續關注。

完整內容請見：
https://technews.tw/2021/07/12/carbon-neutral/

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這是一篇蠻持平客觀的分析、說明..... 電動車和你想的不一樣：只是炒作？真的會造成缺電嗎？專家一次說清楚（12/30/2020 風傳媒）

"你應該知道的是：豐田汽車社長痛批，電動車若更加盛行，可能造成日本大缺電，此一說法引發外界熱烈討論。如果電動車滿街跑，到底會不會缺電？電動車只是炒作的話題嗎？作者以專業背景解釋，電動車對解決大城市嚴重空氣污染將有顯著成效，但能源轉型困境並未因此紓緩，能源問題人人有責，不能把責任推給政府。"

作者：曲建仲 / 台大電機博士，知識力專家社群創辦人

近年來空氣污染讓大家忍無可忍，溫室效應造成的氣候暖化日益嚴重，讓世界各國政府推出新的碳排放法規，不約而同喊出 2030或2040 年禁售燃油車的口號，許多車廠被迫積極開發電動車，彷彿電動車能夠解決人類的空氣污染與能源問題，豐田社長怒批世界各國政府力推電動車只是炒作，許多人可能認為那是豐田(Toyota)眼見特斯拉(Tesla)股價節節高昇而吃醋，所以電動車真的是未來環保的新希望嗎？事實恐怕和你想的不一樣？

電池的構造與原理

所有的電池都具有陽極(負極)與陰極(正極)，基本上都是由陽極(Anode)發生的化學反應產生電子(Electron)與陽離子(Ion)，電子流入元件可以推動元件工作，也就是我們所稱的電能，如圖一(a)示；陽離子則經由電解質穿越多孔性的隔離膜到達陰極，如圖一(b)所示；最後陽離子與電子在陰極(Cathode)結合，如圖一(c)所示。

電池的陽極(Anode)：是我們所稱的「負極(Negative electrode)」。電池的陰極(Cathode)：是我們所稱的「正極(Positive electrode)」。

兩者恰好相反，千萬別弄錯了唷！大家可能會好奇，為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢？因為化學家定義放出電子的叫「陽極」；而陽極放出電子，代表陽極必定帶負電(同性相斥、異性相吸)，所以物理學家稱陽極為「負極」。

不同的鋰電池主要是陰極材料不同

不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料(正極材料)不同，目前最常用的陰極材料共有四種：鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)、鋰鐵氧化物(LiFePO4)，其中大家常聽到的「三元鋰電池」其實是陰極材料使用鈷鎳錳酸鋰三元化合物的鋰離子電池，其中三元是指包含鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)三種金屬的化合物，而電解質主要是使用六氟磷酸鋰液體，負極材料一般是使用石墨。

固態鋰電池未來發展值得關注

由於現在的鋰電池所使用的電解質是液體，容易發生漏液汙染、易燃爆炸等問題，而固態鋰電池的電解質是固體，不會因為隔離膜破損就導致陰陽極接觸短路爆炸，而且固態鋰電池的密度和結構可以讓更多帶電離子聚集傳導更大的電流提升電池容量，此外固態電解質不可燃、無腐蝕、不揮發、不漏液等特性，不像傳統鋰電池的液態電解質含有易燃有機溶液，需要降溫、防撞擊、防穿刺等安全裝置。

電極材料與液態電解質容易完全接觸，但是和固態電解質接觸不如液體，造成介面阻抗過高，影響整體電池效能，而且固態電解質製程良率低價格高，仍然有許多困難。日本Toyota公司預計2022年推出全固態鋰電池的電動車，美國Fisker公司為固態鋰電池申請專利，能量密度可達傳統鋰電池的2.5倍，法國Bollore公司已經量產固態金屬鋰聚合物電池，德國Bosch公司收購美國Seeo公司研發固態鋰電池技術，QuantumScape公司的鋰固態電池號稱15分鐘可以充飽80%股價大暴漲，由於廠商投入資源研發未來發展可期。

電動車的普及有賴電力基礎建設

電動車要充電，但是如何充電是個大問題，像Gogoro的電動機車一個電池只有9公斤，使用者可以到電池交換站自行更換電池，但是Tesla電動車的電池重達500公斤以上，只能以定點充電的方式進行，即使目前的規格要求在1小時內完成充電，使用者是否能在加電站等1小時卻是個問題。

如果必須把車開回家在停車場充電，最大的問題是目前的電力基礎建設不足，假設大樓停車場有100個停車位，每個都設置插座，當100台電動車同時充電時，大樓的變壓器無法承受如此巨大的電流，因此整個電力基礎建設，包括：變壓器、變電所、高壓電塔都必須重新設計才能達成，聽起來就不是短期內可以做到的事，可能的解決方法是在大樓停車場建置大型儲能電池，當大量電動車充電時可以由大型儲能電池供電，考慮到成本與安全，大型儲能電池使用釩電池或鋁電池是未來可能的發展方向。

電動車不會排放廢氣　更環保而且節省能源？

由於我們的發電廠是以高壓交流電(AC)傳送到使用者家中，再以「電源供應器(PSU：Power Supply Unit)」轉換為直流電(DC)才能對鋰電池進行充電，如果使用的是交流馬達，則鋰電池供電時要再轉換為交流電(AC)給馬達供電，每一次的電源轉換效率大約80%~90%，因此這樣轉來轉去其實浪費許多能源。根據德國慕尼黑經濟研究院(IFO：Institute for Economic Research)發布的一份研究報告，考慮電動車的碳排放量時，如果將鋰電池的生產製造、能量轉換，以及供電過程中發電廠發電所排放的二氧化碳算進去，電動車的二氧化碳排放量會比傳統燃油汽車高。

根據IFO的資料，最環保的能源形式是使用「甲烷」，也就是我們家裡用的天然瓦斯，它與一般的「瓦斯車」類似，差別在目前瓦斯車使用的「液化石油氣」是丙烷和丁烷的混合物。以甲烷為主要動力的內燃機(引擎)可以使汽車減少碳排放量，而且甲烷裡含有的氮化物、硫化物等雜質更低，是汽車製造商可以採用的環保能源，搞了半天最環保的竟然是瓦斯車，看來豐田社長怒批電動車只是炒作算有幾分道理，不過瓦斯車還是會排放二氧化碳，無法解決溫室效應的問題。

電動車只能改善空氣污染　無法解決能源問題

充電站裡的電是那裡來的呢？還是由發電廠來的，說來說去，又回到了最原始的火力、水力、核能發電來提供，核能目前被社會接受的可能性很低，在台灣想蓋水庫都很困難了更別說水力發電廠，因此又回到最原始的火力發電，不論是使用天然氣或煤碳，最後還是免不了要造成空氣污染的，因此有人說電動車只是把城市裡的空氣污染，轉移到郊區發電廠而已。台灣目前全力推動太陽能與風力發電，這是應該做的，只是核能電廠要除役，太陽能與風力發電只怕用來補上這個電力缺口都不夠，沒辦法多出來給電動車使用。

汽柴油車與火力發電廠最大的差別，在於對污染物的控制，汽柴油車滿街跑到處噴廢氣，只能使用觸媒轉化器進行處理，由於價格與體積的限制，無法對廢氣有效回收處理；而發電廠是將廢氣集中處理，可以使用更昂貴體積更大的工業設備對廢氣有效回收處理，污染的確變低，因此使用電動車一定會減少城市的空氣污染，再加上近年來電池從製造方式到回收技術都快速進步，發展電動車仍然是重要的選項之一。

氫能與燃料電池被視為終極環保能源但是困難重重

傳統電池直接使用化學反應產生能量，優點是能量轉換效率很高(80%以上)，但是充電需要比較長的時間；而使用燃料以內燃機(引擎)進行燃燒反應產生能量，優點是可以直接補充燃料，但是使用內燃機的能量轉換效率很低(30%以下)，科學家開始思考，有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢？於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同，都是將活性物質的化學能轉換成電能，但是傳統電池的電極本身是活性物質，會參與化學反應；而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已，並不會參與化學反應(觸媒只用來引發化學反應)，必須將活性物質加入電池內，就好像我們的汽車補充燃料一樣，才能產生化學反應形成電能，是一種要補充燃料的電池，故稱為「燃料電池(Fuel cell)」。

儲氫技術價格偏高目前仍然無法擺脫石油

燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水，反應後排放的氮化物或硫化物極少，幾乎沒有任何污染，因此被視為終極環保的再生能源。但是燃料電池必須使用氫氣做為燃料。高壓儲氫技術如何把又大又重又危險的氫氣鋼瓶放在車上是個大問題；因此有國外公司開發出可以承受700大氣壓的航太複合材料儲氫瓶，可以取代氫氣鋼瓶，Toyota公司更在推出氫燃料電池車款Mirai，創下單次加滿氫氣可以行駛500公里的紀錄，已經是成功的商品了，那麼它的問題到底在那裡呢？

首先車上放了一個壓力這麼大的儲氫瓶是否安全是個問題，氫氣的來源則是更大的問題，大家都知道電解水可以產生氫氣與氧氣，問題是電解水產生氫氣的成本很高，而且這些電還是來自發電廠。為了降低成本，目前工業上主要是將碳氫化合物 (石油)以「 蒸氣重組」（Steam reforming）的方式分解生產氫氣，搞了半天還是要以石油做為原料，看起來人類要擺脫石油還真困難。

為什麼世界各國都訂定2030或2040年禁售汽柴油車？

很有趣的現象，世界各國都訂定2030或2040年全面禁售汽柴油車，為什麼是這個時間呢？主要還是覺得前面介紹的這些問題，包括充電站建置、電力基礎建設、新建大型發電廠，或是太陽能、風力發電等新能源開發，大約需要20年時間，因此選擇了這個時間點，問題是如果時間訂定了，卻沒有看到政府加蓋發電廠，那時間到了要怎麼辦呢？

不過各國政府爭先恐後這樣「宣誓」，還有一門不可言傳的心思，那就是老百姓對空氣污染已經忍無可忍，但是眼見要解決這個問題困難重重，宣誓「2040 年」禁售汽柴油車，等於是給老百姓一個交代，反正2040年是 20 年以後的事了，到時候站在台上的一定不是現在宣誓的這個人，這種只靠嘴巴說說就可以成功的「政績」，何樂而不為呢？

能源問題人人有責　不能把責任推給政府

經過前面的介紹，大家一定發現人類的能源問題沒有這麼簡單，政府該做的不只是靠嘴巴宣誓禁售汽柴油車，而是必須認真開始發展綠色能源。目前最大的問題在於：電價太便宜，造成使用者沒有節約用電的習慣，各種價格較高的「家庭能源管理系統」（HEMS：Home Energy Management System）乏人問津，電價如果真的大漲又會造成物價波動，受限於選舉與政治因素，要讓電價上漲也是困難重重，只能靠我們自己養成時時節約能源的習慣，才是最有效的方法。

責任編輯/周岐原

完整圖文內容請見：
https://www.storm.mg/article/3340151?mode=whole

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二次鋰離子電池簡介及常見分類

可充電式二次鋰離子電池是一種由正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼所組成的電能儲存及釋放裝置，具有體積/質量能量密度大、工作電壓高、自放電效率低、無記憶效應等優點，已被廣泛應用於消費類電子產品中，亦開始大量使用在油電混和動力及純電驅動的汽機車上

正極材料：採用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳(NCM)/鎳鈷鋁(NCA)三元材料、磷酸鋰鐵等，正極材料直接影響鋰電池標稱電壓、充放電性能、能量密度等主要特性，其反應為放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌
負極材料：多採用石墨(鈦酸鋰電池的負極材料為鈦酸鋰)，其反應為放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入
隔膜：把正負極分隔開來，防止接觸短路
電解質/液：鋰鹽(六氟磷酸鋰)+溶劑的電解質溶液，鋰聚合物電池則採用膠狀/固態的聚合物材料取代液態溶劑，鋰離子可在電解質/液內移動並穿過隔膜以完成充放電反應

隨著應用領域的不斷擴展，對鋰離子電池的性能及安全要求也越來越高，使用者期待的理想型電池應具備安全、容量大、充電快、長壽、便宜等條件。然而魚與熊掌不可兼得，現有的二次鋰離子電池的主要性能指標是充放電倍率性能、能量密度、循環壽命、安全穩定性、運作溫度範圍、價格。當想要提高單一個指標時，其他的指標相對來說都會受到影響或減損。只有各項性能指標均衡的電池，才能適應更廣泛的使用環境，並在確保使用安全的同時，降低成本，提升效率，才能成為市場主流

三元鋰

三元鋰電池是指使用三元材料做為正極，石墨作為負極的鋰電池。正極三元材料內所含的鎳+鈷+錳 (NCM)或鎳+鈷+鋁(NCA)三種金屬材料比例可在一定範圍內調整，並且其性能隨著比例的不同而變化。鎳的作用是提升能量密度；鈷的作用是提升穩定性，並提高循環壽命和倍率性能；錳或鋁也有提高電池安全性及穩定性的作用

三元鋰電池正極材料分解溫度在200℃左右，分解時會產生劇烈化學反應產生更多熱量，熱量快速累積最後會導致熱失控，使用三元鋰電池時有較高的監控管理要求，使其可以工作在安全狀態下

特性：
1.標稱電壓：3.7V/3.8V
2.正極材料：鋰與NCM(鎳+鈷+錳)或NCA(鎳+鈷+鋁)三種金屬材料合金氧化物
3.負極材料：石墨
優點：
1.能量密度高，相同體積/重量的電池可攜帶的電能(Wh)最多
2.放電平台標稱電壓高
缺點：
1.安全性較差，無法承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，將會導致起火及爆炸
2.耐高溫/熱穩定特性較差，高溫下容易導致熱失控，需要充足的管理措施，避免電池過熱發生危險
3.循環次數較少，壽命較短
4.製作正極材料需使用鎳/鈷/錳等重金屬，鈷的礦產資源有限價格高，且不落實回收會造成環境汙染

磷酸鋰鐵

磷酸鋰鐵電池是指用磷酸鋰鐵作為正極，石墨作為負極的鋰離子電池，製作磷酸鋰鐵正極材料不會涉及到鎳、鈷等金屬資源，相較於鈷，鐵與磷在地球資源含量十分豐富，原料成本較低。比起三元鋰，磷酸鋰鐵電池具有耐高溫特性，更好的安全穩定性，更長循環壽命的優勢

特性：
1.標稱電壓：3.2V/3.3V
2.正極材料：磷酸鋰鐵(LiFePO4)
3.負極材料：石墨
優點：
1.比起三元鋰，磷酸鋰鐵的循環次數較多，壽命較長
2.比起三元鋰，磷酸鋰鐵穩定性及安全性較高，即使發生劇烈碰撞/物理破壞/過充/短路也不會導致爆炸
2.功率密度大，可承受高倍率充放電
3.耐高溫特性好，於高溫環境下仍可釋放100%容量，正極材料的分解溫度高，不易出現熱失控
4.製造時沒有使用高單價重金屬鈷，材料成本低，並符合歐洲RoHS規定，為綠色環保電池
缺點：
1.比起三元鋰，同體積/重量的磷酸鋰鐵能量密度較低
2.在低溫環境下，放電能力及可用容量均明顯下降
3.品質不佳的電池，串聯組合使用一段時間後，電池單體電壓一致性差異會加大

鈦酸鋰

鈦酸鋰電池是把原本石墨負極材料用鈦酸鋰取代，並與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極所組成的二次鋰離子電池。鈦酸鋰本身不能提供鋰源，只能與含鋰的材料搭配使用，雖然也有鈦酸鋰正極材料，金屬鋰/鋰合金負極材料的組成方式，但普遍所稱呼的鈦酸鋰電池是指採用鈦酸鋰負極材料的二次鋰離子電池

石墨材料在充放電過程中鋰離子會反覆嵌入/脫嵌，使體積發生變化及材料變形導致整體循環性能變差。鈦酸鋰在充放電中鋰離子嵌入/脫嵌不會影響其材料的結構，所以鈦酸鋰被稱為”零應變材料”。這種”零應變”性質避免充放電過程導致材料結構發生變化，可提高電池的循環性能，減少容量衰減並延長使用壽命。與三元鋰/磷酸鋰鐵電池相比，鈦酸鋰電池在循環壽命的表現有明顯優勢

石墨負極會在與電解質/液接觸的介面上形成一層SEI膜(Solid Electrolyte Interface，固體電解質介面膜)，造成電池首次充放電效率較低，消耗較多鋰離子導致不可逆容量較大，長期循環使用容易形成鋰枝晶造成電池內部短路影響使用安全。與石墨負極材料相比，鈦酸鋰不容易產生SEI膜，表面也難以生成鋰枝晶，可避免電池內部短路影響使用安全

特性：
1.標稱電壓：2.3V/2.4V(採用錳酸鋰正極時)
2.正極材料：常見為鈷酸鋰或錳酸鋰，也可以用三元鋰/磷酸鋰鐵等
3.負極材料：鈦酸鋰(LTO)
優點：
1.安全穩定性好，可承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，而不起火或爆炸
2.鈦酸鋰具有較高的鋰離子化學擴散係數，功率密度高，可承受大倍率充放電
3.循環次數最多，壽命長
4.耐溫度範圍廣(-50℃至+60℃)，可在低溫及高溫環境下正常充放電
缺點：
1.相較三元鋰/磷酸鋰鐵電池，同體積/重量的鈦酸鋰電池能量密度是最低的
2.負極材料製造需要金屬鈦，原料及生產成本高，也十分要求製造技術水準，導致鈦酸鋰電池單價高
3.鈦酸鋰電池因負極不容易產生SEI膜，鈦酸鋰會催化電解液分解產生氣體，產生脹氣問題，導致性能下降，壽命縮短及影響安全性，需要從材料(電解液)、設計(鈦酸鋰表面包覆奈米碳)及製造(減少材料雜質，控制製造環境濕度)上改進以有效抑制脹氣
4.品質不佳的鈦酸鋰電池一致性存在差異，隨著充放電次數的增加電池一致性差異會逐漸增大

無論何種二次鋰電池單體，當組成電池組(Battery Pack)時，必須要有穩固且同時考量到電池散熱的阻燃式固定結構(可避免電池承受震動衝擊受損或是過度擁擠造成散熱不良)，電池單體之間以及正負輸出端牢固且低阻抗的連接方式(可避免造成大電流傳輸阻抗及接觸不良產生火花)，電池組透過內建BMS(電池管理系統)/BMU(電池管理單元)/VTM(電壓溫度監控)來針對串並聯組合的複數單體進行單體電壓、電池組電壓、電池組電流、電池組溫度進行管理及監控，避免因電壓/電流/溫度異常而導致使用上的風險