溫室氣體排放引起氣候異常更造成全球性的空汙與霾害, 如何抑制交通工具廢氣排放不僅是各國政府的頭痛問題, 也是巴黎氣候協議的重點. 近年來各國政府對空氣汙染問題高度重視, 包含法國與英國相繼宣布2040年禁售汽柴油車, 而中國政府也為了要抵抗霾害問題, 預計將於2020年完成車樁建置與智能電網系統, 以滿足超過500萬輛電動汽車充電需求, 促使電動車商機水漲船高. 根據Frost& Sullivan估計, 2016年全球電動車銷量約78萬輛, 2020年將達241萬輛, 複合成長率高達5.8%.
功率組件/電路保護滿足高功率電池需求
電動車堪稱當紅炸子雞. 2017年7月Volvo宣布從2019年起, 賣出的每一輛車都將配備電力驅動引擎; 電動車製造商特斯拉(Tesla)預計將建造5座超級工廠, 火力集中電動車製造和電池的開發; 此外, 日立汽車系統與本田汽車達成正式合作協議, 成立新能源合資公司, 積極研發電動汽車引擎系統.
電動車產業日趨熱門, 帶動電池相關產業快速成長, 因此高能量密度與高功率密度的電池需求更加迫切. 其中, 背後的功率組件選用與電路保護模式也備受關注.
新型絕緣閘雙極晶體管(IGBT)設計是電池設計不可忽視得重要組件. 以功率保護組件設計要點來說, 新加坡商安富利技術顧問宋自恒表示, 電動車IGBT設計需要考慮電壓及電流規格選用, 驅動電路的設計, 以及驅動IC電源為集中式多組輸出或分布式單組輸出的選用. 目前可提供相對應的功率半導體組件供貨商包含日立(HITACHI), 瑞薩(Renesas), 三菱電機(Mitsubishi), 安森美半導體(ON Semiconductor)與英飛淩(Infineon)等廠商.
而上述這些功率半導體組件廠商, 皆面臨組件設計時, 無可避免的四大挑戰, 包含
. 開關損耗需降低, 使馬達變得更小型, 更輕巧, 同時還需要在15~20kHz的頻率範圍(傳統頻率為5~10kHz)
. 減小寄生電感, 電阻和熱阻, 傳統打線(Wired Bonding)可改善為燒結組合(Sintered Compositions)
. 汽車世界中, 作業溫度範圍, 最低可以達到-40℃, 因此當IGBT和二極體的擊穿電壓(BV)需耐至更低溫度
. 降低成本, 重量和尺寸大小
另一方面, 在電路保護設計方面, Littelfuse資深技術營銷工程師遊恭豪表示, 車用零組件都需要通過AEC-Q101認證, 即便是電路保護的保險絲亦是如此, 其認證項目包含溫度, 濕度與溫控, 認證時間大約需要三個月. 經過測試後, 才能保證汽車可安全行駛於道路.
遊恭豪談到, 電池管理系統(BMS)功能是電動車最重要的部分, 故車廠需確保BMS功能在任何異常狀況下, 都不受到影響或損壞. 因此感測器線路保險絲(Sensing Line Fuse)保護位居要角.
EV車輛中的電池管理系統是非常複雜的關鍵任務(Mission Critical)系統, 需要將其放置在適當的位置並選擇保護組件, 以滿足過壓和短路保護效能. 基於此, 遊恭豪將BMS保護分成六個區塊來看, 包含感測器線路保險絲產品選擇, 電池監測IC輸入過電壓保護, 菊鏈I/F過電壓靜電放電(ESD)保護, 控制器區域網路絡匯流排(CAN Bus)I/F過電壓ESD保護與高電壓/ 電流電力線保護.
整體而言, 遊恭豪認為, 鋰電池技術將成為任何一種EV車輛的基礎, 除了功率密度和充電迴圈壽命的優點外, 還需要大量的監測和保護.
四大要素缺一不可 電動車儲能設計當道
輝能科技營銷部經理許容禎談到, 電動車的安全, 功率, 價格與壽命是車廠在儲能設計中主要的四大方針. 以電池來看, 現在所有電動車使用的鋰電池, 都是液態電池, 無論電池芯怎麼保護, 只要穿刺後電解液體滲出, 即有可能產生燃燒.
許容禎指出, 歐洲EUCAR安規對電池穿刺有明顯定義, 不過若要完成此規範, 則門坎太高, 故在中國電動車GEB規範中, 無穿刺安規需求, 但若此規範過關, 未來極有可能產生多起事故發生的疑慮.
懷格(Vicor)台灣區應用工程師楊有承以特斯拉Model S電池的並聯和串聯架構舉例, 該車款的車內電池架構是由16個模組串聯在一起, 其中, 每個模組又分成六串, 加上74顆電池芯並聯而成, 總共約有7,104顆鋰電池芯. 可以想象一台電動車中, 有七百多支手機在其中.
如何兼顧所有特性, 同時又滿足低價需求呢? 許容禎談到, 每種車用材料貢獻的效能都不一樣, 有些材料滿足容量要求, 有些則可提升安全性或功率, 無論做哪些選擇, 都會犧牲掉一些需求. 但整體而言, 價格和安全訴求是影響性能選擇的主要因素.
舉例來說, 汽車長距離的行駛需要有較高的續航力, 在中國地區, 希望透過快充方式, 使續航力能快速提升, 主打充電5分鐘, 用電2小時的方針. 但不可置否, 快充是以大電流的方式, 將電力輸送到電池中, 此運作模式會消耗車子的電池壽命. 而另一方面, 華為採用的方式, 是在電池的負極裡面, 添加石墨稀提高壽命, 但相對而言, 就增加了製造成本.
安全/成本一步到位 固態電池顛覆想象
許容禎談到, 特斯拉在電池模組(Pack)端做很多保護, 整車的電池芯比例大概只有30%, 其體積能量密度很高; 而三星的策略是提供較小的體積能量密度給BMW, 具有高安全性, 因此其電池芯占整車的53%. 換言之, 對電動車電池來說, 需要一半或七成的比例建立保護機制.
相對而言, 若採用固態鋰電池方案, 則可同時降低電池模組的保護機制與成本. 許容禎提到, 可燃物質, 氧和熱是導致燃燒的三要素, 若缺少其中一樣, 就無法燃燒起火, 而固態鋰電池本身沒有可燃的液態解液體, 能保障安全與穩定, 再者, 若採用好散熱的材質, 就可以在電池模組端, 降低冷卻系統的成本.
不僅如此, 固態鋰電池還能實現無極電池(Bi-parallel)技術, 亦即能於電池芯中達成串聯效果, 據了解輝能已能滿足一顆電池芯內可完成32串聯規格. 目前Bi-parallel技術還在起步階段, 一旦可以做到一顆電池芯70安培, 一顆電池44.4V的規格, 就不需要太多額外的串/並聯, 達到電動車規格需求, 同時還能節省BMS成本.
解決可靠度/EMI問題掌握充電架構系統
工研院機械所智能車輛技術組系統整合與應用部副經理林金亨表示, 台灣廠商基本上已具備製造車用電力轉換器能力, 其主要挑戰來自於可靠度與低電磁幹擾(EMI)有待克服, 導致布局電動車市場難以有突破性的進展.
林金亨談到, 由於車內空間有限, 故在挑選架構就格外重要. 電力轉換器架構來說, 成品做出來只需一年時間, 但成品完成後, 需經過一系列標準測試, 環境驗證過程, 再者, 成本效益與散熱問題也不容輕忽. 基於此, 採用何種充電器加裝在車上, 如何擺放, 確認採用標準, 皆須在產品設計之前就考慮周到.
電動車的主要電力來自電池, 充電方法可分為三種, 包含馬達驅控器(Motor Controller and Inverter), 車載充電器(On-board Charger)和交/直流連接器(Charging Connector), 以及直流快充連接器(Quick Charging Connector); 其中, 充電形式有兩種, 充電式與電池交換的模式.
後者電池交換的模式, 在某些應用場景也非常方便, 例如香港機場的電動行李拖車就是採用這種方式進行供電. 整體而言, 通常機場拖車一天約有兩小時的休息時間, 因此要將電動車的電池充滿8小時是不太可能的, 故香港機場購置百輛電動行李拖車, 並額外購買三成的電池, 透過電池交換的方式, 將電池移到外面充電再將充飽電力的電池放回拖車中, 提升工作效率.
不過, 一般而言, 充電式是電動車普遍採用的充電模式, 可分為接觸式充電與非接觸式. 以接觸式的充電來看, 分為交流充電與直流充電; 前者的特色在於整體建置較便宜, 安全性高, 且可建置的地點多元, 需要的面積也較小, 但缺點在於充電需要的時間較長, 充電插頭尚未統一. 相反的, 直流充電的充電時間較短, 可減少車用電池的重量與價格, 不過電力高有危險性, 整體建置價格也較高, 所需耗費金額約五十萬至一百二十萬台幣.
金屬異物幹擾不容輕忽高功率無線充電登場
另一方面, 非接觸式充電方式, 非無線充電莫屬, 其安全機制是首要考慮要素. 富達通無線充電事業部經理詹其哲表示, 無線充電式透過發射高能量的電磁波來傳送電力, 不過, 在發射端上的物品不一定是預期的待充物, 當發射端上有金屬成分的異物時, 高能電磁波被金屬物吸收後溫度會升高, 將導致意外發生, 因此需有完善的金屬異物偵測機制, 避免災害降臨.
詹其哲提到, 在無線充電系統之中, 金屬異物危害設計是最難的挑戰. 當無線充電系統檢測到金屬時, 必須立即關閉能量輸出, 其核心技術是做好數據碼傳送與功率調節的效能. 當無線充電發射端偵測到金屬異物時, 可利用編碼內容進行控制, 停止發送能量到接收端; 此外, 還可依照受電端需求自動調整輸出功率. 功率調節可由八步驟進行,
1.預設定受電端電壓目標
2.受電端將偵測到的電壓編碼反饋
3.供電端解碼取得受電端電壓數據
4.計算新的目標線圈電壓
5.降低頻率提高線圈振幅或提高頻率降低線圈振幅
6.重新量測線圈電壓
7.檢查是否已經達到目標電壓
8.功率調節結束
當執行完上述八個步驟後, 可返回第一個步驟進行下次調節. 高速調節功率性能快速, 通常步驟4~8僅需花費2秒.
整體而言, 詹其哲認為, 電動車的無線充電功率商品化最低門坎為3KW, 充電效率必須高於97%. 若在3KW下效率90%的狀況下, 約有300W的能量損耗. 一般狀況下100W的損耗就會散發出相當大的熱能與電磁能量. 基於此, 若要將3KW功率控制損耗在100W內, 效率推算應該為97%. 此外, 安全的控制系統與實用的輔助停車是不可或缺的要素; 要維持高效率, 供電端與受電端線圈需要對準, 而就算線圈做大後, 停車可偏移距離也只有10~20公分的範圍內, 駕駛者要準確停車難度較高, 故需導入自動駕駛予以協助.
了解關鍵組件驗證要點加速布局車用市場
德國萊因(TÜV)交通運輸服務型式認證&智能運輸系統項目工程師陳鬱名表示, 除了美國有自己的規範之外, 目前大多數國家的進/出口汽車, 都跟隨歐盟法規. 其中, 歐盟法規制定的三階段, 首先, 是政府強制要求的Recommendations, 像是電池環保指令(Battery Directive)2006/66/EC; 其次, 是Standards, 像是一般常見的規則, 指南, 包含ISO , IEC, DIN, JIS和CNS的標準, 無強制性, 可作為分級標準; 最後則是Regulations, 為當地法規, 具有強制性. 有可能完全遵照法規內的描述, 或做些許修改.
以電動車立法的基準來自於UN R ECE, EC和StVZO. 目前許多車用產品採用UN R ECE規範, 現已約有六十幾個國家以此規範為主, 如日本; 而德國則是以StVZO為主. 不過, 即便車廠符合EC and ECE法規, 但也要滿足當地法規的其他要求, 才能產品上市.
一般來說, 電動車允許在特定國家/地區銷售產品之前, 需要進行型式認可. 陳鬱名談到, 以台灣來說, 在認證過程會由國家政府單位負責檢查, 評斷是否通過認證; 而歐洲國家, 則是透過認證公司, 確認測試流程是否有通過認證.
基於此, 通過認證首要知道事先了解產品, 做一些諮詢服務(Consulting Services), 而後進行資格審查的申請, 基本上須通過ISO 9000, 或由發聲單位或認證單位到場認證, 確認是否為合法工廠或經銷商. 當驗證確認符合批准類型的程序後, 進入到法規測試程序, 接下來就是一系列的檢查, 證明與符合性測試等過程.
提升差異化/設計質量台晶片廠搶佔EV版圖
整體而言, 未來電動車的價格供應會日趨便宜並提供更好的續航力, 而獲取能源的方式也會更加多元化, 像是使用風力或太陽能發電導入車輛電池充電, 而這些趨勢將促使電動車逐漸取代汽油車或油電混和車.
楊有承分析, 現今電動車市場大多聚集在國外, 若本身沒有品牌力的支撐, 難有長足的進展. 他認為, 電動車市場與台灣本土市場息息相關, 一方面需仰賴政府鼓勵投資, 二方面相關供貨商需研發特殊技術滿足差異化需求, 提高本身技術能力.
宋自恒談到, 台灣未來布局電動車市場, 可由兩面向著手, 針對中小企業的廠商, 可提供高質量的零組件服務歐美日中等大廠, 或是為大廠代工或設計馬達或驅動器等關鍵零組件; 而一些規模較大的公司, 如鴻海可自行研發製作廠內電動車和收購其他車廠.