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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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不能輸在起跑點 擁抱綠能,搶進電動車

陳帝鴻

不能輸在起跑點 擁抱綠能,搶進電動車
不能輸在起跑點 擁抱綠能,搶進電動車

全世界都在拼命發展電動車!

美國總統歐巴馬在8月份宣布,以24億美元支持電動車發展,其中15億元用於改良電池性能,預計在2015年,將有100萬輛本土生產的電動車在美國上路。

加油換成充電,電動車行駛零排放,符合環保潮流,被視為未來都會交通的一大要角。
加油換成充電,電動車行駛零排放,符合環保潮流,被視為未來都會交通的一大要角。

今年市場規模將達1,200萬輛,取代北美成為全球最大單一汽車市場的中國,更在今年3月公布「汽車產業調整和振興規劃」,將新能源汽車列為八大目標之一,企圖以上萬輛電動車進行行車實測,以確定未來發展方向,宣稱至2011年將有50萬輛電動車上路。

日本則已開始販售Mitsubishi iMiEV,由政府提供減免50%汽車稅(3萬日圓)的獎勵措施,預計在2030年,將可以減少80%的石油依賴。

無獨有偶地,台灣自主品牌納智捷(Luxgen),也在月前發表全球首款電動MPV原型車Luxgen EV+,企圖在全球電動車產業發展掙得一席之地。

挺進電動車世紀的後盾

電動車對電池的要求極高,因此電動車用儲能系統與電池管理系統,關乎電動車的發展甚鉅。
電動車對電池的要求極高,因此電動車用儲能系統與電池管理系統,關乎電動車的發展甚鉅。

事實上,電動車的發展歷史,是遠早於由內燃機引擎驅動的汽車的。

早在1834年,美國人湯馬仕‧德凡波(Thomas Davenport)便製造了第一輛以直流電馬達為動力的電動汽車。比德國人卡爾‧賓士(Karl Benz)1885年發明以內燃機引擎驅動的汽車,還要早50年以上。不過後來因為蓄電池的發展,一直難有重大突破,使電動車輛的性能表現,難以與內燃機引擎相匹敵,也使電動車一度沈寂。

裕隆汽車副總經理李俊忠指出,過去談石油危機或地球環境議題,大家的感覺,都還停留在「有一天『或許』會發生」,並沒有必須即時面對的迫切感。「一直到2008年,原油價格飆漲,地球的生態環境問題持續惡化,大家才開始有面對問題的迫切感。剛好這時候電動車的技術,也成熟到可以進入量產,對於納智捷這樣的『後發品牌』來說,電動車是最有機會能夠『後發先至』的武器。」

幸運的是,在過去的石油世紀,台灣雖受限於市場規模太小,以及沒能掌握引擎、變速箱等關鍵技術,未能在內燃機引擎時代發展出具關鍵研發能力的自主品牌;但在全新的電動車時代,汽車不再需要引擎與變速箱,台灣卻有已經占國內車輛產業產值一半的電機電子關鍵模組產業,做為挺進電動車世紀的後盾。

工研院機械所智慧車輛技術組副組長張念慈指出:「台灣真正強的,不是整車業,而是關鍵模組。台灣的零組件與系統模組,其實已經占台灣車輛產業產值的一半以上。台灣關鍵模組產業彈性好,可以做到少量多樣,才能贏得全世界供貨商的肯定。要切入電動車,台灣的優勢,也正在於此。」

張念慈分析,電動車的進入門檻,主要有兩方面。其一是電池,其二是馬達的驅控模組。「相對來說,這兩個進入門檻,會比過去要進入傳統內燃機引擎產業簡單。電動車的減碳量,也至少是內燃機引擎的50%以上。目前全世界也已在中國、美國這兩大經濟體的主導下,確立將電動車做為未來新能源發展方向。所以工研院這幾年最重要的任務,就是趕快幫國內的關鍵零組件廠進行相關驗證,好確認這些關鍵零組件的安全性、實用性,以及有沒有辦法具備能夠匹配到整車工程上的技術等,幫助關鍵零組件廠商進入國際市場。」

馬達驅控器再進化

電動車搭載工研院研發的輪殼馬達系統可省去傳動系統對於空間要求嚴苛的電動車有著極大優勢
電動車搭載工研院研發的輪殼馬達系統可省去傳動系統對於空間要求嚴苛的電動車有著極大優勢

而在電動機車、電動腳踏車、甚至沙灘車(All Terrain Vehicles, ATV)等電動小車部分,台灣已經有自主品牌,並且已居領導地位,工研院所提供的是創新的技術運用與領先的產品。張念慈表示:「針對大車,工研院的協助重點是關鍵零組件。在小車方面,我們希望透過自主品牌,提供創新的模組,幫助產業快速建立旗艦形象。」

張念慈進一步指出,在大車的部分,能夠承受高溫、高電壓的超高效率馬達驅控器,是工研院機械所智慧車輛技術組針對電動車的發展重點。「因為要做馬達不難,馬達很容易抄襲,但馬達驅控器要能夠承受兩、三百伏特的高電壓,其中的關鍵技術和驅控晶片,到目前為止還是被三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)等國際大廠掌控,價格也很貴,到目前為止,還沒有一個好的解決方案。」

為了突破國際大廠的封鎖,工研院機械所正朝為馬達驅控器尋找新材料著手,「但由於這種材料的散熱量有限制,所以一定要水冷,造成整個驅控模組非常大、非常貴,也非常笨重,未來要如何將它縮小,目前我們正在和最先進的學校做一些深入的研究。」

能夠承受高溫高壓電的超高效率輪殼馬達控制器是工研院機械所智慧車輛技術組針對電動車的發展重點
能夠承受高溫高壓電的超高效率輪殼馬達控制器是工研院機械所智慧車輛技術組針對電動車的發展重點

目前機械所已經研發出內阻抗比國際大廠低10%,抗溫從目前的攝氏150度,大幅提升至500度的產品。張念慈解釋:「抗高溫的好處,是我們不需要再做水冷,可以直接做氣冷。水冷跟氣冷的差別就很大。若是用水冷的話,必須製作非常複雜的水冷系統,才能達到降溫目的,整個機構的體積就會非常大;若是氣冷的話,我們甚至可以將電源管理系統連同馬達驅控器,直接install在馬達上,形成一個非常輕巧的動力系統。這也是我們想要提供給產業界的新方向。」

「這個新方向,我們叫它『Power IC』。目前已經有prototype出來,但是還沒有做成晶片組。透過『Power IC』,我們希望能夠提供給產業界三到五年的jump。」  此外,針對小型電動車量身打造、直接裝設在輪子上的輪轂馬達與超薄馬達,也是機械所正在努力的目標。「這樣一來,我們就有機會將折疊腳踏車電動化,在LEV上提供輪轂馬達與超薄馬達,帶動小車的發展。」

建立驗證規範與國際接軌

雖然目前國際上已有Tesla Roadster、Mini E、Mitsubishi iMiEV等大功率電動車先後進入量廠,但是張念慈認為,台灣的廠商,還是大有機會。「因為這些車型的年產量都只有零星幾百台,若是年產量不到一萬台,其實就不算是真正的量產;這也是全世界都還在非常努力地角逐『量產電動車』市場的原因,因為真正具決定性影響力的『老大』,還沒有出現。」

更重要的是,目前世界各國的電動車產業,均處於起步階段,因此「全球標準」還沒有出現;「目前正是台灣電動車產業,積極與國際接軌的關鍵時刻。在諸多國際標準中,美國的UL(Underwriters Laboratories®),是現今的主流標準之一。」張念慈指出:「UL已經跟工研院簽署合作備忘錄,在台灣設有亞洲的實驗基地,現階段專注於發展高功率電池的充放電介面,並將做為日後制定電能安全標準的參考依據。我們也可以藉此協助台灣的電池廠商,去符合這個主流規範,得以快速進入國際市場。這也是工研院能夠對電動車產業所做的重要貢獻。如果一切順利的話,預計明年年底就能夠確立初步的驗證規範,並建立符合UL標準的系統平台。」

雖然目前台灣的整車產業,還是受限於國際母廠,但是張念慈對於台灣發展整車電動車的前景,還是保持樂觀。「台灣要切入電動車整車市場,一定要有自主品牌,才有機會。目前除了納智捷以外,也有一些廠商試著以電動車專用底盤,從小車出發,尋找新的機會。」

「目前全世界最大的電動車市場,應該會發生在中國。對國內的關鍵模組廠商來說,機會就很多、很大。就算是像比亞迪(BYD)這樣的中國本土品牌,也還是會需要像『Power IC』這樣的控制晶片、控制模組、電池芯或電動馬達,在這幾個方面,我認為台灣業者的機會都很大。」

誠如李俊忠所言:「台灣汽車產業發展了50年,一直只能侷限在車體與底盤的領域,今天好不容易在電動車方面,有機會具備一點發展優勢,我們怎麼能不傾注所有資源,全力投入呢?」面對汽車工業發展百年以來的首度重新洗牌,台灣,絕不能輸在起跑點上!

什麼是電動車

電動車(Electric Vehicle)泛指以電能來驅動的車種。電能來源可以是蓄電池、太陽能、燃料電池(Fuel Cell)或油電混合動力(Hybrid)等。
 目前以燃料電池(Fuel Cell)與太陽能所驅動的電動車,都處於概念車階段,尚未進入量產。
在油電混合動力(Hybrid)方面,以日本豐田(Toyota)最早進入商業量產。1997年12月推出全球首款油電混合動力車Prius,至今已推出第三代車型,全球累計銷售超過200萬輛。但由於大多數專利都由豐田掌握,其他業者介入的機會不高。
 全世界第一部以蓄電池為動力來源的電動量產車,是美國特斯拉(Tesla)雙人座跑車Roadster。此類電動車是目前全球汽車產業競逐的焦點所在,也是台灣汽車產業具備一定競爭優勢的品項。

電動車的分類

◎BEV(Battery Electric Vehicle):以蓄電池為動力來源的電動車。
◎HEV(Hybrid Electric Vehicle):原泛指採用雙動力來源的電動車,目前以油電混合最為普及,也使「Hybrid」成為「油電混合」代名詞。
◎PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle):可以直接用家用電源充電的油電混合車,是未來HEV主流。 ◎FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle):燃料電池電動車。燃料電池主要結構是一層合成電極膜,藉由氫和負極接觸後釋放出電子,產生電能;剩下的氫離子則到正極與空氣中的氧結合,變成水蒸汽。由於唯一的排放物是水,所以完全零污染。它就像一個「環保發電機」,和傳統蓄電池不同,不需要長時間充電。但由於造價過高與液態氫供給不易,距離量產相當遙遠。
◎LEV(Light Electric Vehicle):都會輕型電動車。以滿足都會內個人移動需求為目的的電動車,包括電動機車、電動腳踏車,或介於汽車與機車之間的小型電動車。

電動車快速充電系統

這台外型圓潤,類似提款機或多媒體資訊站的機器,是工研院新開發的「都會用電動車18kW快速充電系統」。在充電設計上,以工研院自行開發的35kW都會用電動車所搭載12kWh鋰電池組為基礎,為了達到30分鐘充電70%電量的目標,因此設定快速充電系統充電功率為18kW。由市電轉直流之電力轉換模組為外購,由工研院機械所與能環所合作進行系統整合。
 在操作上,此快速充電系統以CAN Bus與電動車進行通訊溝通,附有充電介面,可以於操作面板做充電功能的選擇。相較於目前一般車輛加油可以選擇「加滿」或「加一定金額」,未來使用此快充系統也可以選擇充電的時間長短或充電量的百分比;在付款方式上,未來預計可以使用信用卡、悠遊卡或是直接投幣。
 開發此快速充電系統的鎖定對象,為國內有意開發電動車充電系統的企業,考量將來開著電動車上路,就可以直接到充電站找一台快速充電系統為愛車充電,就像目前人們去加油站一樣。臂力較弱的女性也不用擔心無法自助充電,因為它的充電接頭將會相當輕巧,讓自行充電不會成為體力上的負擔。

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