温室气体排放引起气候异常更造成全球性的空污与霾害, 如何抑制交通工具废气排放不仅是各国政府的头痛问题, 也是巴黎气候协议的重点. 近年来各国政府对空气污染问题高度重视, 包含法国与英国相继宣布2040年禁售汽柴油车, 而中国政府也为了要抵抗霾害问题, 预计将于2020年完成车桩建置与智能电网系统, 以满足超过500万辆电动汽车充电需求, 促使电动车商机水涨船高. 根据Frost& Sullivan估计, 2016年全球电动车销量约78万辆, 2020年将达241万辆, 复合成长率高达5.8%.
功率组件/电路保护满足高功率电池需求
电动车堪称当红炸子鸡. 2017年7月Volvo宣布从2019年起, 卖出的每一辆车都将配备电力驱动引擎; 电动车制造商特斯拉(Tesla)预计将建造5座超级工厂, 火力集中电动车制造和电池的开发; 此外, 日立汽车系统与本田汽车达成正式合作协议, 成立新能源合资公司, 积极研发电动汽车引擎系统.
电动车产业日趋热门, 带动电池相关产业快速成长, 因此高能量密度与高功率密度的电池需求更加迫切. 其中, 背后的功率组件选用与电路保护模式也备受关注.
新型绝缘闸双极晶体管(IGBT)设计是电池设计不可忽视得重要组件. 以功率保护组件设计要点来说, 新加坡商安富利技术顾问宋自恒表示, 电动车IGBT设计需要考虑电压及电流规格选用, 驱动电路的设计, 以及驱动IC电源为集中式多组输出或分布式单组输出的选用. 目前可提供相对应的功率半导体组件供货商包含日立(HITACHI), 瑞萨(Renesas), 三菱电机(Mitsubishi), 安森美半导体(ON Semiconductor)与英飞凌(Infineon)等厂商.
而上述这些功率半导体组件厂商, 皆面临组件设计时, 无可避免的四大挑战, 包含
. 开关损耗需降低, 使马达变得更小型, 更轻巧, 同时还需要在15~20kHz的频率范围(传统频率为5~10kHz)
. 减小寄生电感, 电阻和热阻, 传统打线(Wired Bonding)可改善为烧结组合(Sintered Compositions)
. 汽车世界中, 作业温度范围, 最低可以达到-40℃, 因此当IGBT和二极管的击穿电压(BV)需耐至更低温度
. 降低成本, 重量和尺寸大小
另一方面, 在电路保护设计方面, Littelfuse资深技术营销工程师游恭豪表示, 车用零组件都需要通过AEC-Q101认证, 即便是电路保护的保险丝亦是如此, 其认证项目包含温度, 湿度与温控, 认证时间大约需要三个月. 经过测试后, 才能保证汽车可安全行驶于道路.
游恭豪谈到, 电池管理系统(BMS)功能是电动车最重要的部分, 故车厂需确保BMS功能在任何异常状况下, 都不受到影响或损坏. 因此传感器线路保险丝(Sensing Line Fuse)保护位居要角.
EV车辆中的电池管理系统是非常复杂的关键任务(Mission Critical)系统, 需要将其放置在适当的位置并选择保护组件, 以满足过压和短路保护效能. 基于此, 游恭豪将BMS保护分成六个区块来看, 包含传感器线路保险丝产品选择, 电池监测IC输入过电压保护, 菊链I/F过电压静电放电(ESD)保护, 控制器局域网络总线(CAN Bus)I/F过电压ESD保护与高电压/ 电流电力线保护.
整体而言, 游恭豪认为, 锂电池技术将成为任何一种EV车辆的基础, 除了功率密度和充电循环寿命的优点外, 还需要大量的监测和保护.
四大要素缺一不可 电动车储能设计当道
辉能科技营销部经理许容祯谈到, 电动车的安全, 功率, 价格与寿命是车厂在储能设计中主要的四大方针. 以电池来看, 现在所有电动车使用的锂电池, 都是液态电池, 无论电池芯怎么保护, 只要穿刺后电解液体渗出, 即有可能产生燃烧.
许容祯指出, 欧洲EUCAR安规对电池穿刺有明显定义, 不过若要完成此规范, 则门坎太高, 故在中国电动车GEB规范中, 无穿刺安规需求, 但若此规范过关, 未来极有可能产生多起事故发生的疑虑.
怀格(Vicor)台湾区应用工程师杨有承以特斯拉Model S电池的并联和串联架构举例, 该车款的车内电池架构是由16个模块串联在一起, 其中, 每个模块又分成六串, 加上74颗电池芯并联而成, 总共约有7,104颗锂电池芯. 可以想象一台电动车中, 有七百多支手机在其中.
如何兼顾所有特性, 同时又满足低价需求呢? 许容祯谈到, 每种车用材料贡献的效能都不一样, 有些材料满足容量要求, 有些则可提升安全性或功率, 无论做哪些选择, 都会牺牲掉一些需求. 但整体而言, 价格和安全诉求是影响性能选择的主要因素.
举例来说, 汽车长距离的行驶需要有较高的续航力, 在中国地区, 希望透过快充方式, 使续航力能快速提升, 主打充电5分钟, 用电2小时的方针. 但不可置否, 快充是以大电流的方式, 将电力输送到电池中, 此运作模式会消耗车子的电池寿命. 而另一方面, 华为采用的方式, 是在电池的负极里面, 添加石墨稀提高寿命, 但相对而言, 就增加了制造成本.
安全/成本一步到位 固态电池颠覆想象
许容祯谈到, 特斯拉在电池模块(Pack)端做很多保护, 整车的电池芯比例大概只有30%, 其体积能量密度很高; 而三星的策略是提供较小的体积能量密度给BMW, 具有高安全性, 因此其电池芯占整车的53%. 换言之, 对电动车电池来说, 需要一半或七成的比例建立保护机制.
相对而言, 若采用固态锂电池方案, 则可同时降低电池模块的保护机制与成本. 许容祯提到, 可燃物质, 氧和热是导致燃烧的三要素, 若缺少其中一样, 就无法燃烧起火, 而固态锂电池本身没有可燃的液态解液体, 能保障安全与稳定, 再者, 若采用好散热的材质, 就可以在电池模块端, 降低冷却系统的成本.
不仅如此, 固态锂电池还能实现无极电池(Bi-parallel)技术, 亦即能于电池芯中达成串联效果, 据了解辉能已能满足一颗电池芯内可完成32串联规格. 目前Bi-parallel技术还在起步阶段, 一旦可以做到一颗电池芯70安培, 一颗电池44.4V的规格, 就不需要太多额外的串/并联, 达到电动车规格需求, 同时还能节省BMS成本.
解决可靠度/EMI问题掌握充电架构系统
工研院机械所智能车辆技术组系统整合与应用部副经理林金亨表示, 台湾厂商基本上已具备制造车用电力转换器能力, 其主要挑战来自于可靠度与低电磁干扰(EMI)有待克服, 导致布局电动车市场难以有突破性的进展.
林金亨谈到, 由于车内空间有限, 故在挑选架构就格外重要. 电力转换器架构来说, 成品做出来只需一年时间, 但成品完成后, 需经过一系列标准测试, 环境验证过程, 再者, 成本效益与散热问题也不容轻忽. 基于此, 采用何种充电器加装在车上, 如何摆放, 确认采用标准, 皆须在产品设计之前就考虑周到.
电动车的主要电力来自电池, 充电方法可分为三种, 包含马达驱控器(Motor Controller and Inverter), 车载充电器(On-board Charger)和交/直流连接器(Charging Connector), 以及直流快充连接器(Quick Charging Connector); 其中, 充电形式有两种, 充电式与电池交换的模式.
后者电池交换的模式, 在某些应用场景也非常方便, 例如香港机场的电动行李拖车就是采用这种方式进行供电. 整体而言, 通常机场拖车一天约有两小时的休息时间, 因此要将电动车的电池充满8小时是不太可能的, 故香港机场购置百辆电动行李拖车, 并额外购买三成的电池, 透过电池交换的方式, 将电池移到外面充电再将充饱电力的电池放回拖车中, 提升工作效率.
不过, 一般而言, 充电式是电动车普遍采用的充电模式, 可分为接触式充电与非接触式. 以接触式的充电来看, 分为交流充电与直流充电; 前者的特色在于整体建置较便宜, 安全性高, 且可建置的地点多元, 需要的面积也较小, 但缺点在于充电需要的时间较长, 充电插头尚未统一. 相反的, 直流充电的充电时间较短, 可减少车用电池的重量与价格, 不过电力高有危险性, 整体建置价格也较高, 所需耗费金额约五十万至一百二十万台币.
金属异物干扰不容轻忽高功率无线充电登场
另一方面, 非接触式充电方式, 非无线充电莫属, 其安全机制是首要考虑要素. 富达通无线充电事业部经理詹其哲表示, 无线充电式透过发射高能量的电磁波来传送电力, 不过, 在发射端上的物品不一定是预期的待充物, 当发射端上有金属成分的异物时, 高能电磁波被金属物吸收后温度会升高, 将导致意外发生, 因此需有完善的金属异物侦测机制, 避免灾害降临.
詹其哲提到, 在无线充电系统之中, 金属异物危害设计是最难的挑战. 当无线充电系统检测到金属时, 必须立即关闭能量输出, 其核心技术是做好数据码传送与功率调节的效能. 当无线充电发射端侦测到金属异物时, 可利用编码内容进行控制, 停止发送能量到接收端; 此外, 还可依照受电端需求自动调整输出功率. 功率调节可由八步骤进行,
1.默认定受电端电压目标
2.受电端将侦测到的电压编码反馈
3.供电端译码取得受电端电压数据
4.计算新的目标线圈电压
5.降低频率提高线圈振幅或提高频率降低线圈振幅
6.重新量测线圈电压
7.检查是否已经达到目标电压
8.功率调节结束
当执行完上述八个步骤后, 可返回第一个步骤进行下次调节. 高速调节功率性能快速, 通常步骤4~8仅需花费2秒.
整体而言, 詹其哲认为, 电动车的无线充电功率商品化最低门坎为3KW, 充电效率必须高于97%. 若在3KW下效率90%的状况下, 约有300W的能量损耗. 一般状况下100W的损耗就会散发出相当大的热能与电磁能量. 基于此, 若要将3KW功率控制损耗在100W内, 效率推算应该为97%. 此外, 安全的控制系统与实用的辅助停车是不可或缺的要素; 要维持高效率, 供电端与受电端线圈需要对准, 而就算线圈做大后, 停车可偏移距离也只有10~20公分的范围内, 驾驶者要准确停车难度较高, 故需导入自动驾驶予以协助.
了解关键组件验证要点加速布局车用市场
德国莱因(TÜV)交通运输服务型式认证&智能运输系统项目工程师陈郁名表示, 除了美国有自己的规范之外, 目前大多数国家的进/出口汽车, 都跟随欧盟法规. 其中, 欧盟法规制定的三阶段, 首先, 是政府强制要求的Recommendations, 像是电池环保指令(Battery Directive)2006/66/EC; 其次, 是Standards, 像是一般常见的规则, 指南, 包含ISO , IEC, DIN, JIS和CNS的标准, 无强制性, 可作为分级标准; 最后则是Regulations, 为当地法规, 具有强制性. 有可能完全遵照法规内的描述, 或做些许修改.
以电动车立法的基准来自于UN R ECE, EC和StVZO. 目前许多车用产品采用UN R ECE规范, 现已约有六十几个国家以此规范为主, 如日本; 而德国则是以StVZO为主. 不过, 即便车厂符合EC and ECE法规, 但也要满足当地法规的其他要求, 才能产品上市.
一般来说, 电动车允许在特定国家/地区销售产品之前, 需要进行型式认可. 陈郁名谈到, 以台湾来说, 在认证过程会由国家政府单位负责检查, 评断是否通过认证; 而欧洲国家, 则是透过认证公司, 确认测试流程是否有通过认证.
基于此, 通过认证首要知道事先了解产品, 做一些咨询服务(Consulting Services), 而后进行资格审查的申请, 基本上须通过ISO 9000, 或由发声单位或认证单位到场认证, 确认是否为合法工厂或经销商. 当验证确认符合批准类型的程序后, 进入到法规测试程序, 接下来就是一系列的检查, 证明与符合性测试等过程.
提升差异化/设计质量台芯片厂抢占EV版图
整体而言, 未来电动车的价格供应会日趋便宜并提供更好的续航力, 而获取能源的方式也会更加多元化, 像是使用风力或太阳能发电导入车辆电池充电, 而这些趋势将促使电动车逐渐取代汽油车或油电混和车.
杨有承分析, 现今电动车市场大多聚集在国外, 若本身没有品牌力的支撑, 难有长足的进展. 他认为, 电动车市场与台湾本土市场息息相关, 一方面需仰赖政府鼓励投资, 二方面相关供货商需研发特殊技术满足差异化需求, 提高本身技术能力.
宋自恒谈到, 台湾未来布局电动车市场, 可由两面向着手, 针对中小企业的厂商, 可提供高质量的零组件服务欧美日中等大厂, 或是为大厂代工或设计马达或驱动器等关键零组件; 而一些规模较大的公司, 如鸿海可自行研发制作厂内电动车和收购其他车厂.