全球各國對于空氣品質(zhì)與更低能源成本的訴求，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車市場蓬勃發(fā)展。其中，電動(dòng)車最關(guān)鍵的電源管理、無線充電、電路保護(hù)和儲能技術(shù)都潛藏龐大的商機(jī)，促使相關(guān)供應(yīng)鏈廠商齊心布局，成長潛力一片樂觀。

溫室氣體排放引起氣候異常更造成全球性的空污與霾害，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(xié)定的重點(diǎn)。近年來各國政府對空氣污染問題高度重視，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(yù)計(jì)將于2020年完成車樁建置與智能電網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足超過500萬輛電動(dòng)汽車充電需求，促使電動(dòng)車商機(jī)水漲船高。根據(jù)Frost& Sullivan估計(jì)，2016年全球電動(dòng)車銷量約78萬輛，2020年將達(dá)241萬輛，復(fù)合成長率高達(dá)5.8%。

功率元件/電路保護(hù)滿足高功率電池需求

電動(dòng)車堪稱當(dāng)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(qū)動(dòng)引擎;電動(dòng)車制造商特斯拉(Tesla)預(yù)計(jì)將建造5座超級工廠，火力集中電動(dòng)車制造和電池的開發(fā);此外，日立汽車系統(tǒng)與本田汽車達(dá)成正式合作協(xié)定，成立新能源合資公司，積極研發(fā)電動(dòng)汽車引擎系統(tǒng)。

電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)日趨熱門，帶動(dòng)電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)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，背后的功率元件選用與電路保護(hù)模式也備受關(guān)注。

新型絕緣閘雙極電晶體(IGBT)設(shè)計(jì)是電池設(shè)計(jì)不可忽視得重要元件。以功率保護(hù)元件設(shè)計(jì)要點(diǎn)來說，新加坡商安富利技術(shù)顧問宋自恒表示，電動(dòng)車IGBT設(shè)計(jì)需要考量電壓及電流規(guī)格選用、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，以及驅(qū)動(dòng)IC電源為集中式多組輸出或分散式單組輸出的選用。目前可提供相對應(yīng)的功率半導(dǎo)體元件供應(yīng)商包含日立(HITACHI)、瑞薩(Renesas)、三菱電機(jī)(Mitsubishi)、安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)與英飛凌(Infineon)等廠商。

而上述這些功率半導(dǎo)體元件廠商，皆面臨元件設(shè)計(jì)時(shí)，無可避免的四大挑戰(zhàn)，包含

.開關(guān)損耗需降低，使馬達(dá)變得更小型、更輕巧，同時(shí)還需要在15~20kHz的頻率范圍(傳統(tǒng)頻率為5~10kHz)

.減小寄生電感、電阻和熱阻，傳統(tǒng)打線(Wired Bonding)可改善為燒結(jié)組合(Sintered Compositions)

.汽車世界中，作業(yè)溫度范圍，最低可以達(dá)到-40℃，因此當(dāng)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(hù)設(shè)計(jì)方面，Littelfuse資深技術(shù)行銷工程師游恭豪表示，車用零組件都需要通過AEC-Q101認(rèn)證，即便是電路保護(hù)的保險(xiǎn)絲亦是如此，其認(rèn)證項(xiàng)目包含溫度、濕度與溫控，認(rèn)證時(shí)間大約需要三個(gè)月。經(jīng)過測試后，才能保證汽車可安全行駛于道路。

游恭豪談到，電池管理系統(tǒng)(BMS)功能是電動(dòng)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(xiǎn)絲(Sensing Line Fuse)保護(hù)位居要角。

EV車輛中的電池管理系統(tǒng)是非常復(fù)雜的關(guān)鍵任務(wù)(Mission Critical)系統(tǒng)，需要將其放置在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑦x擇保護(hù)元件，以滿足過壓和短路保護(hù)效能?；诖?，游恭豪將BMS保護(hù)分成六個(gè)區(qū)塊來看，包含感測器線路保險(xiǎn)絲產(chǎn)品選擇、電池監(jiān)測IC輸入過電壓保護(hù)、菊鏈I/F過電壓靜電放電(ESD)保護(hù)、控制器區(qū)域網(wǎng)路匯流排(CAN Bus)I/F過電壓ESD保護(hù)與高電壓/電流電力線保護(hù)。

整體而言，游恭豪認(rèn)為，鋰電池技術(shù)將成為任何一種EV車輛的基礎(chǔ)，除了功率密度和充電循環(huán)壽命的優(yōu)點(diǎn)外，還需要大量的監(jiān)測和保護(hù)。

四大要素缺一不可電動(dòng)車儲能設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)?/span>

輝能科技行銷部經(jīng)理許容禎談到，電動(dòng)車的安全、功率、價(jià)格與壽命是車廠在儲能設(shè)計(jì)中主要的四大方針。以電池來看，現(xiàn)在所有電動(dòng)車使用的鋰電池，都是液態(tài)電池，無論電池芯怎么保護(hù)，只要穿刺后電解液體滲出，即有可能產(chǎn)生燃燒。

許容禎指出，歐洲EUCAR安規(guī)對電池穿刺有明顯定義，不過若要完成此規(guī)范，則門檻太高，故在中國電動(dòng)車GEB規(guī)范中，無穿刺安規(guī)需求，但若此規(guī)范過關(guān)，未來極有可能產(chǎn)生多起事故發(fā)生的疑慮。

懷格(Vicor)臺灣區(qū)應(yīng)用工程師楊有承以特斯拉Model S電池的并聯(lián)和串聯(lián)架構(gòu)舉例，該車款的車內(nèi)電池架構(gòu)是由16個(gè)模組串聯(lián)在一起，其中，每個(gè)模組又分成六串，加上74顆電池芯并聯(lián)而成，總共約有7,104顆鋰電池芯?？梢韵胂褚慌_電動(dòng)車中，有七百多支手機(jī)在其中。

如何兼顧所有特性，同時(shí)又滿足低價(jià)需求呢?許容禎談到，每種車用材料貢獻(xiàn)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(jià)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(xù)航力，在中國地區(qū)，希望透過快充方式，使續(xù)航力能快速提升，主打充電5分鐘、用電2小時(shí)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(yùn)作模式會消耗車子的電池壽命。而另一方面，華為采用的方式，是在電池的負(fù)極里面，添加石墨稀提高壽命，但相對而言，就增加了制造成本。

安全/成本一步到位固態(tài)電池顛覆想像

許容禎談到，特斯拉在電池模組(Pack)端做很多保護(hù)，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(dòng)車電池來說，需要一半或七成的比例建立保護(hù)機(jī)制。

相對而言，若采用固態(tài)鋰電池方案，則可同時(shí)降低電池模組的保護(hù)機(jī)制與成本。許容禎提到，可燃物質(zhì)、氧和熱是導(dǎo)致燃燒的三要素，若缺少其中一樣，就無法燃燒起火，而固態(tài)鋰電池本身沒有可燃的液態(tài)解液體，能保障安全與穩(wěn)定，再者，若采用好散熱的材質(zhì)，就可以在電池模組端，降低冷卻系統(tǒng)的成本。

不僅如此，固態(tài)鋰電池還能實(shí)現(xiàn)無極電池(Bi-parallel)技術(shù)，亦即能于電池芯中達(dá)成串聯(lián)效果，據(jù)了解輝能已能滿足一顆電池芯內(nèi)可完成32串聯(lián)規(guī)格。目前Bi-parallel技術(shù)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(guī)格，就不需要太多額外的串/并聯(lián)，達(dá)到電動(dòng)車規(guī)格需求，同時(shí)還能節(jié)省BMS成本。

解決可靠度/EMI問題掌握充電架構(gòu)系統(tǒng)

工研院機(jī)械所智能車輛技術(shù)組系統(tǒng)整合與應(yīng)用部副經(jīng)理林金亨表示，臺灣廠商基本上已具備制造車用電力轉(zhuǎn)換器能力，其主要挑戰(zhàn)來自于可靠度與低電磁干擾(EMI)有待克服，導(dǎo)致布局電動(dòng)車市場難以有突破性的進(jìn)展。

林金亨談到，由于車內(nèi)空間有限，故在挑選架構(gòu)就格外重要。電力轉(zhuǎn)換器架構(gòu)來說，成品做出來只需一年時(shí)間，但成品完成后，需經(jīng)過一系列標(biāo)準(zhǔn)測試、環(huán)境驗(yàn)證過程，再者，成本效益與散熱問題也不容輕忽?；诖?，采用何種充電器加裝在車上，如何擺放、確認(rèn)采用標(biāo)準(zhǔn)，皆須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前就考慮周到。

電動(dòng)車的主要電力來自電池，充電方法可分為三種，包含馬達(dá)驅(qū)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。

后者電池交換的模式，在某些應(yīng)用場景也非常方便，例如香港機(jī)場的電動(dòng)行李拖車就是采用這種方式進(jìn)行供電。整體而言，通常機(jī)場拖車一天約有兩小時(shí)的休息時(shí)間，因此要將電動(dòng)車的電池充滿8小時(shí)是不太可能的，故香港機(jī)場購置百輛電動(dòng)行李拖車，并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(dòng)車普遍采用的充電模式，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;前者的特色在于整體建置較便宜、安全性高、且可建置的地點(diǎn)多元、需要的面積也較小，但缺點(diǎn)在于充電需要的時(shí)間較長，充電插頭尚未統(tǒng)一。相反的，直流充電的充電時(shí)間較短，可減少車用電池的重量與價(jià)格，不過電力高有危險(xiǎn)性，整體建置價(jià)格也較高，所需耗費(fèi)金額約五十萬至一百二十萬臺幣。

金屬異物干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(jī)制是首要考量要素。富達(dá)通無線充電事業(yè)部經(jīng)理詹其哲表示，無線充電式透過發(fā)射高能量的電磁波來傳送電力，不過，在發(fā)射端上的物品不一定是預(yù)期的待充物，當(dāng)發(fā)射端上有金屬成分的異物時(shí)，高能電磁波被金屬物吸收后溫度會升高，將導(dǎo)致意外發(fā)生，因此需有完善的金屬異物偵測機(jī)制，避免災(zāi)害降臨。

詹其哲提到，在無線充電系統(tǒng)之中，金屬異物危害設(shè)計(jì)是最難的挑戰(zhàn)。當(dāng)無線充電系統(tǒng)檢測到金屬時(shí)，必須立即關(guān)閉能量輸出，其核心技術(shù)是做好資料碼傳送與功率調(diào)節(jié)的效能。當(dāng)無線充電發(fā)射端偵測到金屬異物時(shí)，可利用編碼內(nèi)容進(jìn)行控制，停止發(fā)送能量到接收端;此外，還可依照受電端需求自動(dòng)調(diào)整輸出功率。功率調(diào)節(jié)可由八步驟進(jìn)行，

1.預(yù)設(shè)定受電端電壓目標(biāo)

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資料

4.計(jì)算新的目標(biāo)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(jīng)達(dá)到目標(biāo)電壓

8.功率調(diào)節(jié)結(jié)束

當(dāng)執(zhí)行完上述八個(gè)步驟后，可返回第一個(gè)步驟進(jìn)行下次調(diào)節(jié)。高速調(diào)節(jié)功率性能快速，通常步驟4~8僅需花費(fèi)2秒。

整體而言，詹其哲認(rèn)為，電動(dòng)車的無線充電功率商品化最低門檻為3KW，充電效率必須高于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(fā)出相當(dāng)大的熱能與電磁能量?；诖?，若要將3KW功率控制損耗在100W內(nèi)，效率推算應(yīng)該為97%。此外，安全的控制系統(tǒng)與實(shí)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(zhǔn)，而就算線圈做大后，停車可偏移距離也只有10~20公分的范圍內(nèi)，駕駛者要準(zhǔn)確停車難度較高，故需導(dǎo)入自動(dòng)駕駛予以協(xié)助。

了解關(guān)鍵元件驗(yàn)證要點(diǎn)加速布局車用市場

德國萊因(TüV)交通運(yùn)輸服務(wù)型式認(rèn)證&智能運(yùn)輸系統(tǒng)專案工程師陳郁名表示，除了美國有自己的規(guī)范之外，目前大多數(shù)國家的進(jìn)/出口汽車，都跟隨歐盟法規(guī)。其中，歐盟法規(guī)制定的三階段，首先，是政府強(qiáng)制要求的Recommendations，像是電池環(huán)保指令(Battery Directive)2006/66/EC;其次，是Standards，像是一般常見的規(guī)則、指南，包含ISO、 IEC、DIN、JIS和CNS的標(biāo)準(zhǔn)，無強(qiáng)制性，可作為分級標(biāo)準(zhǔn);最后則是Regulations，為當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)，具有強(qiáng)制性。有可能完全遵照法規(guī)內(nèi)的描述，或做些許修改。

以電動(dòng)車立法的基準(zhǔn)來自于UN R ECE、EC和StVZO。目前許多車用產(chǎn)品采用UN R ECE規(guī)范，現(xiàn)已約有六十幾個(gè)國家以此規(guī)范為主，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(guī)，但也要滿足當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)的其他要求，才能產(chǎn)品上市。

一般來說，電動(dòng)車允許在特定國家/地區(qū)銷售產(chǎn)品之前，需要進(jìn)行型式認(rèn)可。陳郁名談到，以臺灣來說，在認(rèn)證過程會由國家政府單位負(fù)責(zé)檢查，評斷是否通過認(rèn)證;而歐洲國家，則是透過認(rèn)證公司，確認(rèn)測試流程是否有通過認(rèn)證。

基于此，通過認(rèn)證首要知道事先了解產(chǎn)品，做一些咨詢服務(wù)(Consulting Services)，而后進(jìn)行資格審查的申請，基本上須通過ISO 9000，或由發(fā)聲單位或認(rèn)證單位到場認(rèn)證，確認(rèn)是否為合法工廠或經(jīng)銷商。當(dāng)驗(yàn)證確認(rèn)符合批準(zhǔn)類型的程序后，進(jìn)入到法規(guī)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(shè)計(jì)品質(zhì)臺芯片廠搶占EV版圖

整體而言，未來電動(dòng)車的價(jià)格供應(yīng)會日趨便宜并提供更好的續(xù)航力，而獲取能源的方式也會更加多元化，像是使用風(fēng)力或太陽能發(fā)電導(dǎo)入車輛電池充電，而這些趨勢將促使電動(dòng)車逐漸取代汽油車或油電混和車。

楊有承分析，現(xiàn)今電動(dòng)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(jìn)展。他認(rèn)為，電動(dòng)車市場與臺灣本土市場息息相關(guān)，一方面需仰賴政府鼓勵(lì)投資，二方面相關(guān)供應(yīng)商需研發(fā)特殊技術(shù)滿足差異化需求，提高本身技術(shù)能力。

宋自恒談到，臺灣未來布局電動(dòng)車市場，可由兩面向著手，針對中小企業(yè)的廠商，可提供高品質(zhì)的零組件服務(wù)歐美日中等大廠，或是為大廠代工或設(shè)計(jì)馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零組件;而一些規(guī)模較大的公司，如鴻?？勺孕醒邪l(fā)制作廠內(nèi)電動(dòng)車和收購其他車廠。
 
2017-10-23  來源：華強(qiáng)電子網(wǎng)

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