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電動車產業趨勢與技術開發
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具備潔淨排放特點的電動車成為未來幾年汽車產業發展重點,根據產業研究報告,2016年全球電動車銷售量超過77萬輛,較2015年大幅成長42%,2017年更將挑戰百萬台。事實上,實際進度將更為超前,電動車產業鏈涵蓋汽車製造廠、零件供應商及資訊製造業,近期相關廠商因應不斷加速的電動車時代也紛紛將發展從策略規畫轉移到實際的業務決策階段,積極布局電動車市場。 

圖1 工研院機械所副理林金亨表示,80%以上的電動車分布在美國、中國、日本、荷蘭、挪威等政府政策推動較積極的國家。
全球各國政府近期相繼宣布禁售燃油車,法、英、中限期2040年,挪威及荷蘭2025年,連全球第五大汽車市場印度,也宣布將在2030年淘汰汽、柴油車;各國政府更同時祭出各式優惠與補貼措施,並同步強化充電站等後勤設施。以下剖析電動車最新市場發展趨勢,並深入探討電動車的充電/儲能、電源管理等關鍵技術設計之道。 

電動車市場熱度直線上升 

自2012年起全球電動車市場急速增溫,每年銷售至少成長50%,至2015年底全球共有126萬輛電動車,較2010年成長100倍;國際能源署(IEA)數據顯示,2016年全球累計銷售電動車約200萬輛。工研院機械所副理林金亨(圖1)表示,80%以上的電動車分布在美國、中國、日本、荷蘭、挪威等政府政策推動較積極的國家,其中,2016年中國新能源車輛累計產量達65萬輛,占全球市場32%。 

電動車的關鍵零組件之一,電池價格也是左右電動車發展的關鍵要素之一,由2008年的每度1,000美元,降到2015年每度268美元,Tesla更是預估2020年每度降至100美元;同時電池能量密度由2008年的60Wh/L,提升至2015年的295Wh/L,效能提升幅度約400%,2020年電池能量密度預估將提升至400Wh/L。 

在電動車的發展過程中,除了車廠之外,零組件廠商亦扮演了非常重要的角色,汽車電子廠商Magna預期,2025年傳統內燃機汽車約占30%,其他高達70%市場有55%混合動力車、10~12%插電式混合動力車、3~6%純電動車。面對70%的電動車應用市場,Magna主要提供電動變速器、電動後驅、電驅動後橋、電子水泵等,可以提供動力總成電氣化解決方案。另外,包括Bosch、Valeo、Delphi等車用電子大廠都以48V低壓系統為發展重點。 

中國已經成為電動車最大的單一市場,並計畫2025年實現電動車銷量700萬輛,2016年銷售量為35.1萬輛,2017年9月,中國政府下令所有營運的車廠在2019年前必須生產電動汽車。Tesla並向中科三環採購釹鐵硼磁體,計畫採用目前新能源領域最廣泛應用的稀土永磁直驅電機,取代過去的感應電機驅動路線。 

圖2 無線充電系統架構圖
資料來源:高創科技  

無線充電大幅提升便利性 

電動車以電力為主要動力來源,無線充電是被廣泛討論的充電方式,目前最普遍的無線充電技術就是磁感應(MI)與磁共振(MR)。磁感應的優點為感應線圈設計容易、電力傳輸模組面積小、轉換效率可達70%以上;缺點是難以做到一對多傳輸、線圈有電磁干擾問題、傳輸距離短(<1/4天線直徑)。而磁共振的優點是可以一對多傳輸、傳輸距離較遠、可提供最高數千瓦傳輸功率;缺點是共振器需要較大的線圈體積、共振需要精準的磁共振頻率、周邊零件精度要求高。 

無線充電的基本架構(圖2)是由交/直流轉換器、功率放大器、傳輸/接收線圈、整流器、控制器與通訊模組等次系統組成。充電方式與充電設施對於電動車的推動與普及有很重大的影響,就像現在的加油站一樣,無線充電提供高度便利性,但效率、安全等問題還有疑慮,高創科技FAE工程師賈宥廉(圖3)說明,目前廠商積極推動國際性的標準,2016年5月,SAE發表電動車無線充電技術規範-SAE TIR J2954,此外IEC TC69、ISO TC22/SC37亦有制定相關的汽車無線充電標準(WEVC)。 

圖3 高創科技FAE工程師賈宥廉說明,無線充電提供高度便利性,但效率、安全等問題還有疑慮。
根據研究機構Frost & Sullivan研究顯示,2012~2020年全球電動車無線充電市場年成長率126%,預估至2020年銷售量將達35萬套以上,市場規模達17.5億美元。賈宥廉指出,韓國科學技術院(KAIST)開發的電動巴士OLEV(On-Line Electric Vehicle)採用動態無線充電技術,公車底盤與路面的距離約17公分,可接收100千瓦電量且效率達85%,只在偵測到電動公車到達時才啟動充電。 

無線充電設計上的問題包括: 

・線圈距離:此為影響效率最重要的因素之一,但卻不是越近越好,找出最佳效率的距離並延長才是重點。 

・對位:常見對位方式有機構、磁吸、感測,每種方式各有其優缺點。 

・線圈大小:兩個線圈間的互感量和線圈的面積成正比,所以提高線圈的面積,可以有效提高互感的磁通量,進而提高感應電動勢。 

・厚度:當Ferrite達到飽和時,導磁率會快速下降,深度飽和時導磁率接近空氣。 

・溫度:線圈銅線本身的長度及截面積會產生電阻,磁材也有鐵損,在實務中線圈組常有溫度產生。 

・其他:方型線圈角落的磁通密度問題、曲面線圈的效率問題、集膚效應問題等。 

圖4 Rohm主任工程師蘇建榮說,碳化矽(SiC)具備高度熱、機械、化學穩定性,適合作為功率元件。
寬能隙半導體改善功率元件效能 

電動車會用到許多功率元件,尤其是高耐壓元件,對此,寬能隙半導體在物理特性上比純矽元件更好,Rohm主任工程師蘇建榮(圖4)說,碳化矽(SiC)是矽與碳1比1比例結合而成的化合物半導體,具備高度的熱、機械、化學穩定性,適合作為功率元件,碳化矽的能帶隙是矽元件的三倍,擊穿電場是10倍。因此,可以帶來低導通電阻、高耐壓(600V以上)、低開關損耗、可高溫工作(>150℃)並流過大電流的好處。 

相較之下,另一種新興的電源材料氮化鎵(GaN)可以用在操作頻率更高的應用,操作電壓則在約1,000V以下。未來,碳化矽元件將朝更高電壓應用發展(圖5),如從1,700V往2,500V甚至3,300V的應用,還有低電阻的裝置。以馬達驅動變電器(Inverter)應用為例,採用矽模組的馬達會發熱無法耐高溫,模組體積也較大,馬達與控制器需要分開,並透過控制線連接。採用碳化矽的模組就可以將馬達與控制器整合設計,因為碳化矽元件可以高溫工作,模組體積也較小。 

圖5 SiC功率元件應用趨勢
資料來源:Rohm  

蘇建榮指出,根據矢野經濟研究所統計,2014年碳化矽與氮化鎵元件市場規模約14億美元,占全體功率半導體元件產值比重約0.8%,到2025年市場規模將成長至313億美元,約占功率半導體市場比重9.2%,十年下來估計成長約22.3倍,市場潛力非常驚人。 

圖6 太克科技資深技術顧問陳思豪解釋,電動車大量採用功率元件,因此寬能隙SiC與GaN元件的驗證越來越重要。
驗證助功率元件發揮技術優勢 

由於電動車大量採用功率元件,所以針對寬能隙的SiC與GaN元件的驗證就變得越來越重要,太克科技資深技術顧問陳思豪(圖6)解釋,一般功率半導體元件分為二極體(Diode)、雙極性電晶體(Bipolar Transistor, BJT)、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)等,各有不同的技術特性與適合的應用情境。 

而一般示波器在量測的時候通常是採用傳統的BNC連接器與線材,過去矽功率元件量測漏電大概是mA等級,陳思豪說明,在新興的高阻值功率元件應用上,不僅動態電壓範圍大,也必須觀察更小的漏電流狀況,因此在量測SiC與GaN元件時,建議採用Triaxial線材與連接器,透過三層線路架構,可以量測到更大的電壓範圍,與微小的漏電狀況。 

另外在低電阻量測上,傳統的二線式量測法,量測到的電阻值很可能包括導線電阻,導致量測誤差,無法測得MOSFET元件導通的量測,陳思豪說明,四線式的量測方法可以算出真正的待測電阻電壓,已知測試電流,就可以算出真正的電阻,避免導線電阻造成的誤差。新興的功率元件帶來更好的物理特性表現,也對各項電性量測帶來新的挑戰,必須要採用新的量測方法或設備一一克服。 

圖7 輝能科技行銷部經理許容禎提到,電池能量密度與安全性,電池壽命與價格分別是兩 相取捨的成對因素。
電池發展左右電動車推廣成效 

除了半導體元件之外,電池更是電動車裡面最重要的組件之一,輝能科技行銷部經理許容禎(圖7)提到,電動車用電池組技術的四大重點分別是:續航力/充電效率、壽命、安全與價格,以歐、美、中等主要市場為例,歐洲能量密度標準為500Wh/L,中國也規定一充一放500次後還要維持90%的蓄電力,或充放1,000次後維持80%蓄電力,價格的部分,歐盟希望每1,000瓦價格在100歐元之內。 

不過以目前的電池技術來看,電池能量密度與安全性,電池壽命與價格都是取捨的問題,很難有全面性的突破之道,許容禎表示,目前主流的電池芯配方主要是鋰,並且搭配錳、鈷、鎳等成為聚合物電池,其中鎳可以提升容量,錳有助於電池芯的穩定度,鈷則可以提升可靠度,配方的比例/比重左右電池的表現,將鎳的比重提高有助能量密度,但可能就犧牲安全性與可靠度,也是廠商目前面臨的瓶頸。 

而以電池原料不同部分來觀察,目前的價格已逼近成本,改善幅度有限,許容禎解釋,負極材料價格穩定,且幾乎無利潤,將近70%原料來自中國,超過50%的負極是中國製造;隔離層材料至2016年價格下降趨勢已平緩;正極材料價格也趨向穩定,但未來幾年因為鈷礦長期看漲,可能帶動正極材料價格的上漲。 

圖8 致茂電子資深經理林士祥說,電動車電池系統除安全性之外,品質一致性與價格合理性都是考量重點。
未來,電動車電池將朝向簡化機構保護裝置與材料、簡化熱管理系統裝置與材料、簡化電源管理系統等方向提升儲能效率。同時,輝能也透過自身專長發展固態鋰離子電池技術,過去固態電池由於成本較高,且充放電速度較慢,而未受市場青睞,許容禎指出,未來固態鋰離子電池將在原先的安全性優勢上提升,耐穿刺、耐電性破壞、耐高溫;並逐步突破能量密度到600~1,000Wh/L;採用Bi-Polar技術,單電芯電壓高達8.4V~58.8V;30分鐘可充電80~85%;充放電工作區間約為-25~105℃,超越傳統軟包電池。 

充電系統驗證確保安全性 

車輛行駛都是有載人的狀況,所以安全性成為電動車電池系統選用的第一優先考量,致茂電子資深經理林士祥(圖8)說,安全性之外,品質一致性與價格合理性是接下來的考量重點。中國政府針對電池的性能要求及試驗方法,發表統一的產業標準,內容明確定義了電池芯及模組外觀、尺寸、重量、儲存,電池芯於室溫的放電容量,模組的室溫放電容量、室溫倍率放電容量、室溫倍充電性能、高低溫放電容量、耐振動性能等。另外,包括電池的壽命、安全的測試標準亦有相關嚴謹的規範。 

圖9 世界各國充電介面
資料來源:致茂電子  

目前世界各國電動車充電介面(圖9)包括交流(單/三相),直流(二合一/混合)充電方式,其中存在安全問題包括:互通互連機制、充電安全。對於電動車廠來說,充電相容性測試為必要的項目,可基於不同標準的要求,模擬充電樁的行為,用來測試電動車是否能做出正確的動作;並針對標準規範對充電樁傳送信號的極限值,測試電動車的響應動作,確保對各式樣不同充電樁的相容性。 

台灣車輛製造產業競爭力較歐美大陸為低,但是憑藉過去科技產業的實力,充電系統是國內產業可以切入的領域,致茂電子也憑藉多年的電力電子量測專業發展出解決方案,林士祥強調,針對電動車載充電機(On Board Charger, OBC)與直流轉換器(DC/DC Converter)產品特性與測試需求,再參考中國標準QC/T 895 & GB/T 24347測試要求,來確認產品的功能運作與安全性。 

圖10 北科大車輛工程系副教授賴慶明解釋,充電模式依功率分為Level 1/Level 2/Level 3三種。
電動車的充電效率與便利一直是研究發展的重點,一般而言採用交流(AC)充電較慢,採用直流(DC)則可進行快速充電。北科大車輛工程系副教授賴慶明(圖10)解釋,充電模式依功率分為三種,Level 1可以接到一般的市電插座,支援120V/230V電壓,屬於小功率的充電系統,功率最高約為2kW;而Level 2就要採用特別的充電插頭,符合SAE協會的規範,電壓為240V或400V,也無法與市電插座共用,不過功率可以提升到4~20kW;Level 3則是高電壓的快充系統,支援400~600V或直流DC,充電效率也最佳,功率約50~100kW。 

以Level 1的充電模式來說,通常是與車輛整合,成本約500~900美元,Level 2充電模式成本稍高約1,000~3,000美元,也有可能整合在車輛中,或者做成一個手提式的外接裝置,Level 3成本最高約30,000~160,000左右,一般都是做成充電樁或是充電站。電動車電力應用是最重要的部分,如果能設計出盡量減低耗損且轉換順暢的架構,就能開拓市場機會。 

圖11 德國萊因專案工程師陳郁名說明,電動車安全依然是發展過程中第一重點,因此整車驗證也是備受矚目的一環。
經營區域市場電動車整車驗證 

電動車發展方興未艾,展望未來成長性十足,不僅各國政府在政策上不斷釋出利多與誘因,相關廠商也大舉投入,在這樣的氣氛下,安全依然是發展過程中第一重點,因此整車驗證也是備受矚目的一環。為確保產品於當地銷售販賣可符合法規與安全規範,國家或區域市場通常會建立相關認證規範,以歐洲為例,依據歐洲經濟委員會規章(ECE Regulation)及歐盟指令(EC Directives)規範,輸入歐盟境內之汽機車及其零配件均需遵循,取得E/e-Mark認證以維護行車安全及環保之基本要求。 

整體而言,ECE是聯合國下的歐洲經濟委員會,會員也不僅限於歐洲國家,德國萊因專案工程師陳郁名(圖11)說明,該組織目前有56個會員,包括日本、馬來西亞等都是ECE的會員;而EC是由28個歐盟國家組成,非歐盟國家是不得加入的,屬於歐盟當地的區域經濟組織。 

而ECE與EC已推動相互承認性,陳郁名指出,因歐洲經濟委員會ECE成立時間較早,法規亦較具完整性,歐盟EC指令制定之初,即已大量參考引用其相關法規,甚至直接承認。如相關產品已獲E Mark證書,則無須另行取得e Mark證書而直接被承認。其中的認證規範與重點,可以作為發展歐洲市場的重要依據。

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