為了降低二氧化碳的排放、減少能源損耗,永續地球環境,無論是電動機車或電動汽車都成為近幾年車市焦點,並也成為未來汽車產業重要的發展方向。根據市調機構拓墣預估,2017年全球電動車的銷售將破百萬大關,達125萬6,000輛。

雖然電動汽車逐漸獲得消費者與市場青睞,但並不表示電動車的電池已達車廠或消費者所要求的續航力,更何況充電站的佈建也未全面完備,因此電池的續航力即成為現階段發展的首要重電,而要延續電池續航力,則端看電池本身的發展與電池管理技術的進展。

為帶給讀者最新的電動車技術演進,電子工程專輯(EET)與電子技術設計(EDN),偕同中華民國對外貿易發展協會(TAITRA),邀集相關業界翹楚,舉辦「2017電動車趨勢與技術研討會」。

電池管理重中之重

一輛電動汽車系統組態不包含車身控制單元(BCU),並透過控制區域網路(CAN)傳遞汽車內部的資訊,而此系統最關鍵的部分即是電池管理系統(BMS)。亞德諾(ADI)-凌力爾特(Linear)市場應用經理陳德賢表示,電動汽車以電力作為動力,因此除了電池組(Battery Pack)本身的容量與相關技術須不斷精進外,如何有效好好管理電池組充放電、安全運作…等,就需要仰賴完善的電池管理系統,如此一來,電動車才能跑得遠又安全。

無論是電動汽車或是油電混合車,作為動力來源的電池組必不可少,雖然電池串接越多電力會大,但重量也會隨之增加。一輛車的重量越重,所需消耗的動力勢必成正比,因此要讓電動車跑得遠,只是一味增加電池數量,並非最佳的解決之道,而應當思索如何以最少的電池,發揮最大的效能。

再者,電池有一定的壽命,一輛汽車也許壽命長達20~30年,但電池在反覆充放電的過程中,同時一點一滴在損耗。為了避免電池老化過快,適當的充放電範圍,將可延長電池壽命。第三,目前電動汽車使用的電池主要是鋰電池,但鋰離子本身化學性不夠穩定,不能處於過充或過放的狀態,因此在汽車上路、充電的同時,確保電池組處於穩定安全的狀態,相當重要。

上述電動汽車電池會遭遇的問題,皆可透過電池管理系統進一步把關或解決。陳德賢指出,根據研究,電池最低與最高電力維持在20~80%,可以避免電池老化過快,與安全性問題。完全充飽或是放電,都會影響電池使用壽命,因此電池管理系統內部需要配備電池監控功能;再者電池管理系統也要能夠維持主動平衡,再搭配較佳的電池組串接方式與電路佈局,電動汽車電池組將可滿足車廠與駕駛的需求。

EV

細小元件皆有1+1大於2能力

上述提到,電池組與管理系統可謂是電動汽車的「靈魂」,但是一個龐大的系統需要許多元件組成,因此千萬別小看這些小小的元件,發揮1+1大於2的效果,才能讓一個系統符合安全與效能需求。

電流偵測確保電池安全

電池組身為電動汽車的主要動力來源,不僅要能將有限的電能最大幅度的轉換為動能,自身也需具備高度安全性,駕駛人才能安心將電動汽車開上路或讓車子在家充電。而要顧及電池組的安全,則除電池本身的材料,以及最佳化的電源管理技術外,還需要電流感測…等相關技術和元件的協助。

Isabellenhütte Heusler亞洲銷售主管Ladislav Varga認為,電池組需要被好好的管理與偵測,才能確保安全性。要偵測電流狀況,在過去十年中,以使用磁流感測器和所謂的分流器為主,且其基本上在某些市場建立相當不同的物理測量方法,其中,電流電壓器、霍爾(Hall)感測器等磁感測器的主要優點是內建隔離測量功能及低功耗,這也是為什麼這些感測器主要用於驅動技術和高電流的原因,但其主要的缺點是大尺寸、高偏移和有限的線性。

事實上,透過電組也可以記錄電流的狀況。Varga解釋,根據歐姆定律(Ohm's law),使用電阻測量電流時,電壓降會被評估為直流電流,可以嘗試透過較低的電阻值來限制功率損耗,但是由於測量電壓也隨之降低,因此電阻值通常受到評估單元解析度的限制。

更重要的是,要讓電阻能夠穩定且有效的偵測電流狀況,電阻在製造過程時,需要從材料開始,製造過程到成品都需要密切關注。

電池系統電壓提高 元件材料與時並進

有鑑於電動汽車出貨量成長會逐年提升,為產業帶來新的市場商機,因此半導體業者早就著手開始佈局。而電動車內部除了電池組之外,還需要許多與電能相關的元件,比如逆變器(inverter)、轉換器(converter)、充電器、絕緣、驅動器與電源管理晶片(PMIC)…等。

羅姆半導體(ROHM)台灣設計中心副所長林志昇表示,這些與處理電能有關的元件,在電動車電力系統從12伏特(V)往48V演進時,也跟著有所變革。原先電動汽車電池系統電壓為12V,但由於48V動力傳動技術由於具有油電混合動力的優點且降低了複雜度,因此成為電動汽車電源系統主流。

不過,問題來了,電動汽車架構的內部晶片對電力的使用需求是3.3V,因此過往12V轉成3.3V,問題不很大;但48V要轉為3.3V,不僅轉換速度要快,轉換效率也須提升。為符合此需求,一些電源相關的元件,其製造材料也開始從矽(Si),朝碳化矽(SiC)演變。

林志昇指出,相較於矽或氮化鎵(GaN),電擊穿(Electric breakdown)、帶差(bandgap)、電子飽和度(Electron Saturation)與熔點(Melting point)的表現都較佳,因此碳化矽也會成為未來汽車電子電源相關元件的主流材料。

保險絲為電路系統安全最佳守門員

無論是普通的燃油汽車或是電動車,其內部的電子化設備越來越多,尤其電動車內部的電子化模組數量。這些電子系統都會透過電源供電,因此需要添加能夠保護電流電路的過流或保護元件,更重要的是,電動汽車的動力來源——鋰電池組本身就是一個亟需保護的裝置,因此保險絲此一保護元件,重要性益增。

AEM科技(蘇州)產品經理何一品表示,在電動車內部的電路系統中,對需要的保護的電流位置添加保險絲已經是必要之舉,若在緊急時電流無法透過保險絲熔斷,而使整個電路停擺,將造成更大的危險。

此外,作為保護元件的保險絲,其自身的安全性與可靠度也須被放大檢視。何一品強調,保險絲在熔斷時,是否不會擴及到其他電路,以及其本身的耐用度,或是外型、使用的材料等,皆須針對每個電路特性所需而設計,才能提供電動汽車市場所要求的安全性。

散熱、電路板保護提升安全性

一提到電動汽車,許多人直覺反應是電池系統的安全性,但電路板的保護與散熱也將影響電動汽車系統的安全。德國漢高(Henkel)電子導熱材料技術應用經理何柏慶指出,在電路板上塗上一層保護材料,將可保護電動汽車電路板上關鍵元件的安全,不會因為在進行其他製程時,造成元件的損壞,進一步提升整車系統的安全性,不過材料的選擇與保護材料塗佈的方式,關係著電路板製造時的便利與良率。

另一方面,電路板的散熱也相當重要。何柏慶認為,牽涉到電力時,一定會伴隨熱能產生的既定結果,因此電動汽車的各部分電路都需要導熱材料,才能有效防止系統過熱造成損害。而導熱材料的選擇也須依據電路板的外型或特性,才能達到較佳的導熱效果。

下一步——車內無線充電

在電池組的管理與監測之外,現階段車廠開始將目光放到車內供電能力,以及針對電動車快速充電的需求,進行研發,以期可帶給消費者更好的行車體驗。IDT資深應用工程師饒文雄指出,雖然目前汽車內建無線充電功能並不蓬勃,但汽車內部配備無線充電技術將是汽車產業發展的下一步。

現階段,汽車內部無線充電功能主要是以為智慧型手機供電,不過,為符合汽車安全要求,無線充電相關產品仍應通過車規,且具備固定充電頻率。至於汽車本身電力來源使用無線充電技術,車廠目前正積極與相關業者合作,以盡快實現使用無線充電技術為汽車供電的遠景。

無論是未來的自動駕駛或是一般的房車,以電力啟動已成必然的發展趨勢之一。電動車的靈魂——電池的技術發展與管理,在廠商們的努力下,已逐漸邁向成熟。就如同eMedia 總裁Brandon Smith在研討會開場時所言,汽車的各部分零件,透過各種技術的整合後,都能發揮比想像中更大的功能,電池技術與電動車各方面的進展,都是築基於業者的不斷堅持。而未來在電動車或是其他產業,工程師與技術人員秉持著為自己或全球的孩童所需為出發點,研發產品時,這將是極佳的動力與拚勁。