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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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與石油賽跑的電動車

文/江益賢

隨著石油日漸枯竭及地球暖化的壓力日益升高,既然不可能叫人們不再開車,發展符合環保需求的移動工具--電動車,就成為全世界共同努力的目標。但要打敗發展已極為成熟的內燃機汽車,是一項極為艱鉅的任務,除了電池成本的問題外,電力系統的建置及動力系統的提升,都將是電動車能否擊敗石油的關鍵。

近年來因油價高漲和環保意識抬頭,再加上各國政府採取相關鼓勵與補貼措施,使得全球車輛工業開始聚焦在以低油耗與低污染為訴求之環保車輛,目前較成熟的產品為日系車廠豐田(Toyota)與本田(Honda)所發展之油電混合車(HEV, Hybrid Electric Vehicle),而美國與歐洲車廠因為HEV的發展較日本為落後,因此除福特(Ford)與通用(GM)外,皆轉往以電動車(EV, Electric Vehicle)作為主要發展目標。

這些本身具有車輛工業發展優勢的國家,以既有的優勢與供應鏈體系發展電動車,中國大陸則因為車輛工業發展較晚,因此推行相關政府政策,冀望經由電動車的發展以成就新興的汽車工業。雖說目前國內車廠的自有品牌尚無法和領先車廠相較,但是有鑒於電動車之產業規模在未來十年內將顯著增加,相關的研發機構已投入研究並且在該領域獲得相當的成果,同時國內的大廠也藉由過去在電機產業的優勢,開始發展電動車中的電力系統關鍵零組件,以期打入新世代的汽車產業供應鏈。

充電系統與環境便利同等重要

零排放車輛推行已被視為解決社會大眾對綠化議題的理想方案,而以充電電池為儲能核心的電動車在價格上與功能性優勢下逐漸成為發展主流,充電硬體設施建置也在電動車發展下成為其必要性與便利性上之重要環節。充電設施主要設於住宅與商業區,或車隊停放地點,與電網連接的電動車可以一般交流或快速直流電力來直接進行充電,或以智慧電力管理方式在非尖峰時間進行充電,降低區域電力負載。在電動車商品化推動上以美國加州居於領先的地位,其眾多的充電站可見於商店停車場、飯店、機場、以及多處的商業區,所採用之推行政策除提供免費或廉價的充電外,有時也提供免費停車的額外獎勵方式。

目前可預期2010–2012將會是進入電動車百家爭鳴的階段,而後的四年(2012–2015),電動車將會進入大量生產的階段。在電動車蓬勃發展的數年之間(2012–2014),結合充電管理、先進電錶、再生能源的智慧電網將電力系統跨入到另外一個世代,而電動車充電系統與電網之間的相容與功能性也成為未來發展的主軸。

此處重點在於介紹目前發展中的傳導式充電系統,包含交流與直流電力輸入之充電裝置與標準。由於充電過程牽涉到高壓與大電力傳輸,因此在人員安全性與產品電氣性能的要求上會比一般標準高,充電系統相關零組件與模組都必須基於這些標準來進行開發與設計,所以瞭解並依循目前所制定之充電標準是相當重要的課題。

傳導式充電系統具備兩個電機與一個機械功能來完成以電力網絡對電動車進行充電的目的。在充電過程中,電力網絡輸出60Hz的交流電力,而電動車電池為直流電力輸入,該電池電壓會隨著充放電與殘餘電量狀態而變動。所以,第一個電機功能為整流,即將交流轉為直流電力;第二個電機功能則調控供應端的直流電壓,根據電池電壓、電量、以及電化學特性來管理充電電力,這兩個電機功能構成整個充電器的實體。電動車與電動車供電設備之間的實體連接或聯結則為機械功能,必須依賴使用者的操作。聯結界面必須具備以下基本功能以完成充電程序:

I. 確認電動車與供電設備適當的連接
II. 接地保護或漏電流監控
III. 系統電能供給與中斷
IV. 充電額定能力選擇與通知
V. 防止聯結器意外脫落與車端之移動

充電系統在未來的發展上除了在標準化的落實上還需積極進行外,充電需求與環境建構問題實為未來電動車發展關鍵。對於油電混合與非油電混合車主而言,絕大多數人喜歡在自家充電,接下來為工作地點、加油站、以及百貨商場,這些喜好基本上跟停留時間的長短與便利性有直接相關,也因此有半數以上的人預期需花費4-8小時來充飽電池。所以在充電設備的設置分布上應該以住宅為主,商業區與零售店次之,公共區域最少,充電費率則以相同順序遞增。另外,直流快充站的設置對電動車駕駛者的有效行車範圍有非常大的影響,由此可說明直流快充機與設置合適性所扮演的角色應該是心理層面大於實質需求,這也是未來在整體充電設施規劃上必須考慮的。

發展小而美的高效動力系統

依據不同的電動動力系統等級來歸類,電動車約略可分為NEV(Neighborhood Electric Vehicle),其動力系統約數千瓦至十千瓦,符合一般小客車規格的CEV(City EV),其動力系統約數十千瓦,高動力輸出的FPEV(Full Performance EV),其動力系統大於百千瓦以上。

過去電動車的研發多為歐、美與日本,其他國家多數尚在醞釀和評估的階段,近年來因為石油價格的高漲以及與相關國家政府法令的推動,使得電動車產業頓時為大眾所聚焦,台灣與其他國家紛紛針對相關技術投入研發。目前國內在電動車的進展上,除了華創、東元、致茂、台達電、富田等企業集團在已在車用馬達或控制器的研究開發上取得不錯的成果外。工研院在過去已經完成了35kW電動動力系統開發,並成功用於郵務車之試運行,目前也完成50kW電動動力系統之性能開發,並同時朝向實用化邁進。

車用馬達和工業馬達不一樣之地方主要在於操作點的變化和散熱設計,由於車用馬達必須操作在許多不同的運轉區間,因此無法如同工業用馬達能夠只針對特定運轉點附近做設計與參數的修改,就能達到提升效能與效率之目的,因此控制策略必須針對特定的行車型態模式來做調適,以符合車輛的動態規格與性能需求。此外,由於電動車是行動載具,和工業用馬達可以利用固定式冷卻系統相較之下,必須深入評估冷卻系統對整體性能之影響。

以目前來說,要降低馬達的製造成本實屬不易,中小功率的電動載具多採用具有高功率密度及高效率的永磁馬達為驅動源,由於永磁馬達的輸出功率及扭矩與磁鐵的使用量成比例,因此為了提高輸出功率,磁鐵用量大大增加。磁鐵所需的稀土元素,如釹和鏑等元素90%依賴從中國大陸進口,因此,除了有不能穩定供給的風險之外,價格也持續上揚,為了避免為中國大陸決策所掌控,不使用稀土馬達的開發變得漸漸成為研究重點。

未來在動力馬達的發展上以實現高效率、小而薄型的設計及低成本為目標,除了改進馬達構造,使其符合移動體的要求外,再者就是開發高性能、低成本的磁性材料。另外和一般工業馬達的不同點在於動力馬達會因為行車型態的變化,而具有不同的操作點,因此無法針對單一的運轉區間作高效率設計,如何設計動力馬達的特性,使得其效率得以在不同操作點下取得平衡,勢必是未來所要面對的技術突破。

展望全球致力發展的電動車,在充電系統技術現況方面,交流與直流充電之通訊協定與標準化已趨於國際認同,在系統裝置的設計規範制定與相容性上也慢慢趨於完整,未來將鎖定在充電的環境建構議題上以及落實在智慧電網與電動車之連結系統設計、管理、以及應用上。在電動動力的未來發展來看,除了設計更有效率的動力馬達之外,勢必將面臨散熱的問題,不論是從散熱系統之設計或者散熱材料本身出發,必須使得整個系統具有更小且散熱效率更好,另外應用於功率元件之半導體材料與製程的突破,也將成為另外一項值得期待的發展(本文作者為工研院機械所研究員)。



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