2026年10月9日 星期五

AI 機櫃固態電池原理:QuantumScape PowerBlock 宣稱功率密度 4 倍、耐熱破 300°C,怎麼做到?


重點先講:固態電池最先賺錢的地方,可能不是電動車,而是 AI 資料中心的機櫃。QuantumScape(QS)10 月 8 日發表第一個資料中心產品 QS PowerBlock,主打三件事:功率密度、續航時間、不容易燒。

發生了什麼

  • 新聞稿QS PowerBlock 是一套模組化的「參考設計」,可以做成模組、層架或整櫃,放進業界標準的電源機櫃,並支援 800VDC 架構,目標是下一代 1 MW 等級的機櫃。
  • 新聞稿在模擬 AI 訓練負載的展示中,和 OCP Open Rack V3(ORV3)規格相比:功率密度 4 倍、續航 5 倍。
  • 新聞稿電芯在第三方與客戶安全測試中 超過 300°C 仍保持熱穩定;QS 說一般鋰電池約 180°C 會進入災難性熱失控。
  • 新聞稿QS 自己註明:成績來自 原型測試加模型化的系統配置,實際表現要看產品設計與現場條件。10/12–15 OCP 全球峰會在 Megmeet 攤位展出。
  • 媒體訪談QS 執行長 Siva Sivaram 對 Axios 說,已在和潛在客戶洽談,第一批可能先進大型訓練資料中心。
先看基準線:已確認・OCP 規格ORV3 備援電池(BBU)層架由 6 個 3 kW 模組組成(5+1 備援),要求 15 kW 放電超過 240 秒。換算下來,一個層架至少要放出約 1 kWh(15 kW × 240 s,我們推算)。QS 說的「4 倍、5 倍」就是拿這個規格比。

工程重點 1:機櫃為什麼需要一顆「緩衝電池」

傳統 UPS 放在機房另一頭,負責停電時撐到發電機啟動。AI 訓練不一樣:上萬顆 GPU 同步運算、同步等待,用電會在短時間內大起大落。把儲能直接放進機櫃,可以在 GPU 旁邊吸收這些波動,減少對上游電網與配電的衝擊。QS 新聞稿也說,多出來的續航「讓營運者有更多餘裕平滑功率波動」。這也是為什麼業界同時在看超級電容:它反應快、壽命長,但存的能量少。

工程重點 2:功率密度 4 倍,換算有多大差別

我們推算・假設值以 1 MW 機櫃為例,如果比照 ORV3 的思路要撐 240 秒,需要約 67 kWh(1,000 kW × 240 s);用 15 kW 的 ORV3 層架去堆,大約要 67 個層架的放電功率。若功率密度真的是 4 倍,同樣功率只要大約四分之一的體積,約 17 個層架當量。這只是用比例估算的示意,QS 沒公布 PowerBlock 的實際尺寸與容量。

工程重點 3:「5 倍續航」要看在什麼條件下

我們推算・假設值如果 5 倍續航是在同樣 15 kW 負載下量的,就是從 240 秒變成約 1,200 秒(20 分鐘),能量約 5 kWh。但新聞稿沒說基準條件,也沒說是同體積還是同功率比較。鋰金屬負極的優勢是能量密度高;要同時做到高功率又長時間,還得看電芯內阻、散熱與放電深度,這些都還沒公開。

工程重點 4:300°C 對 180°C,安全餘裕從哪來

新聞稿數字兩個溫度相差 超過 120°C(我們推算)。一般鋰電池熱失控的源頭之一是易燃的液態電解液與隔離膜失效;QS 用陶瓷固態隔離層加鋰金屬負極,理論上更耐高溫。執行長甚至說,電池更安全可以讓資料中心的保險與許可流程更順。不過我們在 〈誰說固態電池不會燒?〉講過:固態不等於不會燒,鋰金屬本身很活潑,枝晶與機械應力仍是關鍵。目前只有「第三方測試」這句話,還沒看到公開的測試方法與數據。

還缺什麼/待核

  • 4 倍功率密度、5 倍續航的比較基準與測試條件(同體積?同功率?哪種負載曲線?)未公開。
  • 電芯層級的能量密度、功率能力、循環壽命都沒給;用於功率平滑會有大量淺充放,壽命是關鍵。
  • 300°C 熱穩定的測試方法、第三方機構未具名。
  • 鋰金屬電池通常需要一定的堆疊壓力,模組機構與成本怎麼處理沒有說明。
  • 沒有價格、量產時程與首家客戶。

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換你說:如果你是資料中心工程師,機櫃旁的緩衝儲能你會選哪個?A 固態鋰金屬電池 B 超級電容 C 傳統鋰電池加強消防 D 等量產數據再說。留言告訴我。

來源:QuantumScape 新聞稿(2026/10/8)、Axios 專訪(2026/10/8)、OCP Open Rack V3 BBU Shelf 規格 Rev 1.1。1 kWh、67 kWh、67/17 個層架當量、20 分鐘/5 kWh、120°C 差距皆為我們依公開數字與假設值的推算,不是 QS 公布的數據。

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2026年10月8日 星期四

非晶合金馬達原理:Proterial×FEV 拉到兩萬轉,效率 97.9%、重量少 27% 怎麼做到?


重點先講:
電動車馬達的效率早就在 95% 上下,大家以為剩下的油水不多了。Proterial 和 FEV 這份研究的意思是:剩下那 4%~5% 的損失裡,有一大塊卡在鐵芯材料,而鐵芯一換,整個傳動設計(轉速、極數、減速比)都可以重新排一次。效率、功率、重量三個指標同時變好,這在馬達設計裡很少見。

發生了什麼

  • 2026 年 10 月 5 日,日本材料大廠 Proterial(前日立金屬)與德國工程顧問 FEV 發布聯合研究,並在 10 月 5~7 日的 Aachen Automotive Colloquium 發表,FEV 攤位展出馬達結構模型。
  • FEV 先建立一顆代表主流純電車的 230 kW 參考馬達(矽鋼片鐵芯),再用電磁模擬評估改用 Proterial 的非晶合金薄帶鐵芯,加上無重稀土釹燒結磁石。
  • 結果:峰值功率 300 kW、馬達重量 72.8%(少約 27%)、WLTP Class 3 效率 95.5% → 97.9%。
  • 官方強調這是模擬結果,「顯示有潛力」,不是實車量產數據。
項目參考馬達(矽鋼片)本研究(非晶合金)
鐵芯材料矽鋼片非晶合金薄帶(積層黏合)
磁石釹磁石釹磁石(不含重稀土)
極數/槽數8 極 72 槽12 極 72 槽
定子外徑200 mm200 mm
最高轉速14,900 rpm20,000 rpm
減速比10.814.4
鐵芯有效長度100%77.1%
馬達重量100%72.8%
峰值功率230 kW300 kW
WLTP Class 3 效率95.5%97.9%
ARTEMIS MW 150 效率95.3%97.4%

表格數據來源:Proterial/FEV 新聞稿 Table 1。

一句話版本:不是「換個更好的鐵」就結束,而是鐵損降了之後,馬達敢轉更快、做更短,再用減速比把扭力補回來。

工程重點 1:鐵損是什麼,非晶合金為什麼比較低

馬達鐵芯裡的磁場每秒正反翻轉幾百到上千次,每翻一次都會損失能量,這就是鐵損,主要分兩種:磁滯損(磁區來回翻轉的摩擦)和渦流損(鐵片裡被感應出的環形電流發熱)。渦流損大致跟板厚的平方、頻率的平方成正比,所以矽鋼片要做薄、還要加矽提高電阻。非晶合金是熔融金屬急速冷卻、來不及結晶的「玻璃態金屬」,沒有晶界、電阻率高,厚度只有一般矽鋼片的約 1/10(Proterial 2024 年資料),渦流和磁滯損都明顯更低。這正是我們在矽鋼片那集講的:鐵芯材料決定馬達在高頻下會不會「自己把自己烤熟」。

工程重點 2:為什麼要拉到兩萬轉、改成 12 極

馬達功率 ≈ 扭力 × 轉速。轉速拉高,同樣功率需要的扭力就變小,而扭力大致跟轉子體積成正比,所以馬達可以做短做輕。代價是電頻率暴增:以表上參數換算(本文自行計算),參考馬達 8 極、14,900 rpm,電頻率約 993 Hz;新設計 12 極、20,000 rpm,約 2,000 Hz,整整兩倍。換成矽鋼片,鐵損會跟著頻率一路往上衝;換成非晶合金,才撐得住。減速比從 10.8 改成 14.4,換算到輪端:14,900 ÷ 10.8 ≈ 1,380 rpm,20,000 ÷ 14.4 ≈ 1,389 rpm,幾乎一樣,所以車子的極速和輪上扭力維持不變。馬達端只需要約 75% 的扭力(10.8 ÷ 14.4),剛好對上鐵芯有效長度 77.1%。

工程重點 3:效率多 2.4 個百分點,實際有多少

95.5% → 97.9% 看起來只多 2.4 個百分點,但換個角度看,馬達本身的損失從 4.5% 降到 2.1%,少了一半以上(約 53%,本文自行換算)。下面用假設值做個算術示例:假設一台車在 WLTP 下馬達軸端要輸出 15 kWh/100 km,參考馬達需要輸入約 15.71 kWh,新設計約 15.32 kWh,每 100 km 省約 0.39 kWh、約 2.5%。這只算馬達本體,逆變器、減速齒輪的損失沒有算進去,實車效益會再打折。另外,損失減半代表發熱也減半,冷卻系統可以縮小,這部分在這份研究裡沒有量化。

工程重點 4:無重稀土磁石,和兩萬轉的機械代價

釹磁石要耐 100°C 以上的高溫,傳統做法是加鏑、鋱這類重稀土,資源少、價格波動大。Proterial 2025 年推出的無重稀土釹燒結磁石,宣稱同時保有高剩磁和高矯頑力,這次被用在 12 極轉子上。但兩萬轉不是免費的:轉子外緣的離心力跟轉速平方成正比,從 14,900 拉到 20,000 rpm,離心應力約變成 1.8 倍((20,000/14,900)²,本文換算),磁石固定、轉子護套、軸承和油封都要重新驗證;減速比變大,齒輪級的損失和噪音也要重算。這就是為什麼我們在「兩萬轉的災難」那集說,高轉速是整個傳動系統的問題,不只是馬達的問題。

還缺什麼/待核

  • 目前只有電磁模擬,沒有台架實測或實車數據;冷卻、NVH、溫升下的效率都還沒看到。
  • 非晶合金約比矽鋼片硬 5 倍,沖壓模具壽命短,Proterial 用積層黏合(佔積率 90% 以上)改善,但量產良率與成本沒公布。
  • Fe 系非晶合金的飽和磁通密度一般比矽鋼片低(常見材料值約 1.5~1.6 T 對約 2 T),尖峰扭力時鐵芯會不會先飽和,需要完整設計資料。
  • 2 kHz 電頻率下,扁線繞組的集膚效應與交流銅損、逆變器的切換頻率需求,新聞稿沒有交代。
  • 減速比 14.4 的單速減速器效率、噪音,以及整個電驅系統(馬達+逆變器+齒輪)的總效率,還沒有數字。

延伸影片(@vkinng)

換你說:你覺得非晶合金馬達最大的關卡是哪一個?沖壓量產成本、兩萬轉的轉子強度,還是減速齒輪的噪音?留言告訴我。

資料來源: Proterial/FEV 新聞稿(2026-10-05)、 新聞稿 PDF(含 Table 1)、 Proterial 積層黏合非晶合金薄帶(2024-02-13)、 Proterial 無重稀土釹燒結磁石(2025-07-22)。電頻率、輪端轉速、損失比例、離心應力倍數與能耗示例為本文依公開參數及假設值自行計算;非晶合金飽和磁通為一般材料典型值。

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電池碰撞短路預測原理:SAHRAEI 失效準則讓電池包不必「過度裝甲」?


重點先講:
電動車的電池包,一直背著一個尷尬的安全邏輯:因為沒人能準確說出電芯被壓扁多少才會內短路,所以乾脆把外框做到撞了也不變形。Temple 大學這次發布的,是把「會不會壞」改成「壞的機率多少」,讓電池包可以像車頭一樣,用可控的變形來吸收撞擊能量。

發生了什麼

  • 2026 年 10 月 6 日,美國 Temple 大學機械系副教授 Elham Sahraei(電動車安全實驗室、電池安全中心主任)發布 SAHRAEI 失效準則的新進展:可估算電池在機械衝擊下發生短路的機率,而不只是通過/不通過。
  • 她指出,傳統做法是在電池包外加重型保護結構,讓碰撞時「零變形」,這些死重有時多達數百磅。新準則已用於協助設計更輕的電池包。
  • 這套準則的基礎版本已有同儕審查論文(Journal of Energy Storage,2024),並以 /FAIL/SAHRAEI 指令內建於 Altair Radioss(含 OpenRadioss),LS-DYNA 版本也在導入中。
  • 團隊另成立 Inovele LLC 做技術轉移;12 月 4 日在 Temple 舉辦年度電池安全研討會。

一句話版本:Sahraei 本人的說法是「不是每個凹痕都是災難」。真正要判斷的,是捲芯裡那層幾十微米的隔膜,什麼時候被拉到破。

工程重點 1:短路是怎麼被「撞」出來的

鋰電池內部是正極、隔膜、負極一層層捲起或堆疊的結構。碰撞時,捲芯會同時受到厚度方向的壓縮和平面方向的拉伸。電極塗層先裂,接著隔膜被拉薄、撕開,正負極一接觸就是內短路,短路電流在局部產生的熱量,嚴重時就會引發熱失控。所以「凹了幾公釐」本身不是判準,內部各層被拉伸到什麼程度才是。

工程重點 2:準則到底在算什麼

根據 2024 年的驗證論文,SAHRAEI 準則把捲芯的平面拉伸失效應變,定義為「厚度方向壓縮應變 ÷ 平面拉伸應變」這個比值的函數,只要一條校正曲線,就能涵蓋半球壓頭、圓棒壓入、三點彎曲和平面方向受力等主要碰撞情境,並已在圓柱與軟包電芯上驗證。它搭配「均質化電芯模型」使用:不必在整車模擬裡畫出每一層幾十微米的薄膜,而是把電芯當成等效材料,再用準則判斷哪個元素先失效。這是它能放進整車碰撞模擬的關鍵。

工程重點 3:從「零變形」到「可控變形」,能省多少

有了失效機率,工程師就能比較兩種設計:例如側柱碰撞時讓電池包邊框先潰縮 20 mm,和完全不變形但多 40 kg 鋼材,哪個短路風險更低。下面用假設值做個算術示例(不是 Temple 公布的數據):假設減重 50 kg、滾阻係數 0.008,每 100 km 滾阻耗能約 50 × 9.81 × 0.008 × 100,000 m ≈ 0.11 kWh,對一台 15 kWh/100 km 的車約省 0.7%。若這 50 kg 原本算在一個 500 kg 的電池系統裡,系統級能量密度則提高約 11%。省下的重量也可以換成多塞電芯。

工程重點 4:結構電池時代更需要它

CTP(電芯直接成包)、CTB/CTC(電池包就是車身底板)越來越普遍,電芯本身就在承受車身的力,「讓它完全不受力」本來就做不到。這時候能算出「允許變形多少」比加厚護甲更實際。另外要注意:準則判斷的是機械性短路的起點,短路之後會不會熱失控、燒多猛,還跟化學體系有關。三元鋰與磷酸鐵鋰的熱失控起始溫度與放熱量不同,固態電池也不是撞了就一定安全,這正是我們在固態電池那集講的重點。

還缺什麼/待核

  • 新聞稿說能「估算機率」,但機率版本的方法與驗證數據尚未看到對應論文,目前公開的同儕審查版本是預測失效起點。
  • 電芯老化、低溫、不同 SOC 下的機械性質會變,準則在這些條件下的校正範圍還要看完整資料。
  • 「數百磅死重」是概括說法,哪家車廠、哪個車型實際減了多少,官方沒有公布。
  • FMVSS 305、UN R100 這類法規目前看的是碰撞後的電氣安全結果,主管機關會不會接受以機率為基礎的設計餘裕,還是未知數。

延伸影片(@vkinng)

換你說:如果數據證明「可控變形」一樣安全,你願意買一台電池包護甲比較薄、但續航多 3%~5% 的電動車嗎?留言告訴我。