解決產業痛點 電動車無礙前行

作者 : Anthea Chuang、Susan Hong,EE Times Taiwan

「里程焦慮」是促使相關電池、半導體業者致力於讓電動車的動力系統、電力轉換效率、電池續航力更臻「完美」的推動因素;解決這些問題之後,還有什麼挑戰,在電動車的康莊大道前等著呢?

為了環境的永續,減少石化燃料的使用,已成當務之急。因此,在各種節能環保議題中,電動車(EV)的發展是各國政府、車廠與許多相關廠商一致的共識。即使在新冠肺炎疫情仍未減緩的時刻,電動車為整體車市挹注的產值,依然相當可觀;而電動車在全球車輛出貨量的滲透率也逐步成長中。

2021年開年以來,最受到全球關注的產業非電動車莫屬,特斯拉(Tesla)銷售幾近50萬輛的成績,著實讓汽車產業更加堅定全力發展電動車,可以說電動車儼然成為後疫情時代的生機。這話怎麼說呢?受到新冠肺炎疫情的影響,各產業在2020年大多呈現衰退的情況,尤其汽車產業的各大品牌成長更是呈現大幅衰退。但唯獨電動車銷售量逆勢成長,2020年電動車全球銷售量達240萬輛,這個數字不僅縮小了全球整體車市衰退的幅度,也促使其他車廠也全力衝電動車款的研發與銷售。

根據TrendForce研究顯示,2021年第一季全球新能源車(NEV;僅含純電動和插電混合式,不含油電混合式)共計銷售109萬輛。其中,純電動車(BEV)銷售量達75萬輛,年增153%;插電式混合電動車(PHEV)則銷售34萬輛,年增128%。

因此,電動車作為近年來車市的重要發展項目,除了傳統車廠戮力研發外,因電動車一切皆以電力運作,相比內燃機引擎,進入門檻大為降低,因此也吸引了非傳統車廠的新進科技業者跨足,並為車市帶來新震撼。例如特斯拉將人工智慧(AI)、自動駕駛、更完善的先進駕駛輔助系統(ADAS)、嶄新的電池技術…等更多新科技帶入電動車中;而台灣鴻海科技則是喊出「電動車硬體開放平台MIH」聯盟,以期聯合台灣各方業者加速電動車產業的創新與發展。

雖然電動車的市場表現令人咋舌,但目前橫亙在電動車發展道路上的阻礙——消費者的「里程焦慮」——是促使相關電池、半導體業者致力於讓電動車的動力系統、電力轉換效率、電池續航力更臻「完美」的推動因素;而解決了這些問題之後,還有什麼技術與非技術的挑戰,在電動車的康莊大道前等著呢?

駛向開放

「開放」這個詞可說是從開放原始碼軟體的概念而來,而這股風潮近年也吹向了半導體晶片設計上,不僅如此,這波開放的浪潮近期更打向了電動車產業。鴻海科技在去年10月科技日宣佈成立「電動車硬體開放平台MIH」聯盟,截至2021年5月,已集結台灣1,638家業者加入會員,包括科技、傳統產業大軍,如廣達的鼎天、和碩的海華,以及仁寶的安勤,皆名列其中。

鴻海科技成立「電動車硬體開放平台MIH」聯盟主要的目的在於,透過開放技術規格,邀請各界有志之士加入,共同建構電動車軟體、硬體與零組件的生態系統。MIH平台第一個特色,是模組化、彈性化、客製化;第二個特色輕量化與一體成型、第三特色為強大EEA架構、第四大特色是自駕車技術。鴻海科技MIH技術長魏國章說明,從蘋果(Apple)史帝夫·賈伯斯(Steve Jobs)發表第一支iPhone,並開放SDK給所有的研發者以來,軟體的開放為科技產業掀起了一番新氣象,也造就了智慧型手機的盛世,因此可見開放軟體有多麼關鍵。

而鴻海科技體認到未來軟體具備著強大的力量,並將定義未來世界,也意識到開放軟體與硬體將為產業帶來莫大的優勢,因此認為電動車應分為模組化軟體堆疊與硬體整車架構,兩者之間利用IoV雲端連結,並將這樣的架構整合為完整的電動車開發套件(kit),開放給業者進行電動車的研發。鴻海科技指出,「打群架」才能進一步將市場做大,台灣業者也有機會在電動車產業佔據一席之地。

魏國章解釋,傳統汽車產業的痛點是,硬體定義,因此車輛落地即貶值;架構複雜導致售後管理維修困難,以及封閉系統築起高牆,阻隔牆外業者難以參與開發。有鑑於此,「電動車硬體開放平台MIH」聯盟將針對產業痛點一一擊破,舉例來說,硬體定義的部分,聯盟是以軟體定義電動車,業者可透過OTA更新、升級電動車的功能,以時時提供最佳的使用者體驗,讓車輛OTA升級等同升值;透過模組化軟硬體分離的思維,不僅可以解決傳統車輛架構複雜難管理的問題,還能縮短電動車開發周期;而「電動車硬體開放平台MIH」聯盟強調建立開放生態,如此將可集眾人智慧,一方面攻克種種電動車開發時的難題,重要的是,業者們能攜手共創電動車新未來。

透過整合自家集團內各子公司的力量,鴻海在今年5月初向該公司員工展示三款實體電動車,電動巴士也開始試跑;5月18日,鴻海宣佈攜手旗下富智康,與全球第四大車廠Stellantis簽署合作備忘錄,雙方將各自出資50%組成合資公司Mobile Drive,提供智慧座艙和車聯網服務解決方案,共同打造車用資訊娛樂系統,也就是說,鴻海與Stellantis未來將合作研發新一代智慧型電動車解決方案。在此之前,鴻海在3月底的「電動車硬體開放平台MIH」聯盟會員大會,發佈一款電動巴士原型車,以及兩款乘用車原型,電動巴士預計在2022年上市,C級距電動車將於2023年上市。

鴻海科技自成立「電動車硬體開放平台MIH」聯盟後,種種的作為皆是在向市場證明開放軟硬體的模組化電動車架構的可行性。而這樣的方式對傳統車廠或是個電動車的發展來說,是否真有「奇」效,抑或將成為未來電動車開發的趨勢,仍有待時間觀察。

駛向高效能系統整合

「電動車硬體開放平台MIH」聯盟希望未來電動車整體架構走向模組化,以期可縮短開發時間、降低門檻,進而降低電動車整體售價。而消費者里程焦慮的問題,要透過提升電動車各部分如電池組、動力傳動系統…等轉換效率,才能延長電動車行駛里程。

影響電力轉換效率的因素很多,各家業者也致力用各種方式打造高性能的電動車動力系統。德州儀器(TI)提出將傳統分散式動力傳動系統,進化為整合式架構,該公司動力傳動系統總經理Karl-Heinz Steinmetz表示,相較於傳統分散式架構,整合式動力傳動系統可將整體尺寸縮小一半,還能降低成本、最佳化可靠度及提高系統性能,如此一來,不僅可增加電動車行駛距離,更能實現價格更經濟實惠的電動車,進一步提高電動車普及率。

整合已成未來趨勢

所謂整合式動力傳動系統,Steinmetz說明,目前無論是混合動力車與電動車的動力傳動系統由是由各類的子系統,包含電池、DC/DC轉換器、車載充電器(OBC)、配電單元(PDU)、電池管理系統(BMS)與牽引逆變器等組成,才得以驅動車輛前進。而這些子系統各自安裝在車輛不同的位置,由於類比與嵌入式處理技術持續發展,設計人員得以使用單一網域控制器、功率級元件將這些系統進一步整合。

整合式動力傳動系統在電動車機械設計層面上的意義是,可將設計為分散式電源架構整合為單一的機械箱體,如此不只能簡化設計與組裝流程,也能節省額外的包材、冗餘硬體,因此能大幅減少系統重量與體積;而在控制層面來說,則是可以整合多個子系統,進而減少各子系統所需的微控制器(MCU)數量,僅採用單顆處理器即可控制整個動力傳動系統。Steinmetz指出,傳統分散式架構,每個子系統各自獨立,不僅需要各自的微控制器,還需要獨立的箱體、匯總資訊的閘道器,以及串聯各個子系統的傳輸線和接口,這不但會增加設計複雜度、維修的困難度,同時也增加了成本,更降低了系統的可靠度,將不利電動車的發展。

Steinmetz強調,在不同層面都可進行整合的整合式動力傳動系統不僅有助提高效能與可靠度、降低成本,更能滿足車輛功能性安全的需求,種種優勢將促使車廠更願意接受整合式動力傳動系統。現階段電動車動力傳動系統將從二合一逐步走到三合一,最終進入多合一的整合,預計2024~2025年,電動車導入整合式動力傳動系統勢必將成大勢所趨。

 

圖1:電動車動力傳動系統的整合,會先從DC/DC轉換器與OBC的二合一整合,逐漸朝三合一或多合一整合的方向邁進。

(來源:德州儀器)

 

處理器效能需與時俱增

整合式動力傳動系統減少了微控制器的使用,改由能力更強的處理器接手,Steinmetz表示,根據需求,設計師應合適地選擇滿足其所需的處理器。舉例來說,若處理器不只要能控制整合式動力傳動系統,還要有餘力負擔其他系統的控制,此時,就必須選擇運算能力等級較強的處理器。

Imagination Technologies應用工程總監Tinsley Kuo表示,目前汽車產業持續朝向電氣化、自動化的方向發展,隨著車輛電氣化與自動化的發展益臻成熟,車輛中導入的感測器勢必越來越多,連帶也將使控制器與CPU等處理器的數量不斷成長。而為了有效管理、控制為數眾多的感測器,以及電動車內的各個子系統,處理器的運算效能也將隨之提升。

不僅如此,未來電動車走向智慧化、自動化時,人工智慧、機器學習系統將進駐在車輛中,對於處理器運算效能的要求,也將更考驗處理器業者的智慧。Kuo認為,專為車輛中的智慧系統所打造的神經網路加速器(NNA),將可和車輛中的處理器有效搭配,更加提升整體系統的效能,帶給電動車車主更高的安全性、更好的駕駛體驗。

駛向高密度高功率系統

整合式動力傳動系統可說是跟上了電動車模組化設計的大方向,那麼,如何讓整合式動力傳動系統達到最高功率密度與達到98%以上的效率?Steinmetz認為需要從整個系統所採用的元件考量。

因此,可比矽元件提供更多優勢的寬能隙(WBG)半導體,即成為各家業者在電動車動力或其他電力相關系統中鎖定的發展重點。Cree/Wolfspeed資深經理劉仁義表示,業者都明白,電動車要具備更好的效率、更高的功率密度,才能滿足未來市場需求。這也就意味著,電動車在系統端與車載內外的電壓、功率密度皆得不斷提升,這對目前的矽功率元件帶來了新的挑戰。

寬能隙半導體助攻

寬能隙半導體以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)為首。由於寬能隙半導體的特性,如極低的內部電阻改善熱性能,可達更高的功率密度;散熱可達最佳化,可進一步漸少尺寸和重量;極短的關斷時間,能在非常高的開關頻率下運作,工作溫度也更低,以及更高的擊穿電壓,促使SiC與GaN開始被導入到許多應用中。而由於SiC元件能承受更高的電壓,正好滿足電動車邁向高壓系統所需。

以消費者最在乎的電動車行駛里程為例,劉仁義指出,為消除消費者的里程焦慮,電動車充電時間與效率將是關鍵,因此快充技術——希望15分鐘的充電時間,可讓電動車行駛400公里——成為業者研發充電樁與住家牆上DC充電的重要項目之一;另外,OBC電壓從3kW到6kW、11kW提升至22kW演進,這些發展都讓SiC的優勢完全展現。也因此,劉仁義認為,在未來3~5年內,SiC將逐漸在電動車或其他新能源應用中普及。

電動車,尤其是混合動力車與純電動車得以快速發展的原因,除了車廠與各國政府能源政策的推動,電動車系統從12V轉向48V,進而提升電動車能能源轉換效率,亦為助力之一。安世半導體(Nexperia)產品行銷經理謝士弘援引市調單位的統計資料表示,預計到2025年,全球將有1,400萬輛電動車從12V朝48V轉換,這個轉變將改變電動車動力傳動系統,自然也帶來了新挑戰。

 

圖2:全球電動車發展趨勢分析——2027年電動車的數量可望超越傳統內燃機汽車。

(來源:安世半導體)

 

48V的系統可實現高功率,且輸出功率變高新挑戰也就伴隨而來,不過,透過既有的矽與寬能隙半導體打造的功率元件,將可讓設計師解決新挑戰。謝士弘舉例,在電壓相對較低的應用中,GaN MOSFET採用共源共閘(cascode,亦稱為級聯)時,可適用於任何一種控制電壓,即可降低複雜度;矽鍺(SiGe)蕭特基二極體具備耐高溫,且其降低IR和VF的特性可進一步提升功率密度。更重要的是,業者們皆強調,並非寬能隙半導體一問世,現有的矽功率元件就會全部被取代,由於矽半導體功率元件仍有一定的製程、成本優勢,因此矽與寬能隙元件未來將並存在市場中。

另一方面,雖然GaN在高壓方面的表現可能稍遜於SiC,不過,GaN在電動車應用中也能見到其身影。萬有半導體(AOS)亞太區市場行銷部資深經理周俊宏指出,GaN和SiC各有優勢、各有其適用的領域,也不會有相互取代的情況發生,在電動車應用中,GaN會用在如光達(LiDAR)系統,而SiC則主要會被用於電力相關、高壓與要求強健性與高可靠度的應用。

 

圖3:不同的應用有其適用的功率元件類型。

(來源:萬有半導體)

 

事實上,從寬能隙元件出現,一直到現在,其最受詬病的一點是成本較矽基元件高出許多,導致業者們有些卻步。意法半導體(STMicroelectronics)行銷經理陳錫成認為,車輛的電氣化發展的確為寬能隙元件帶來新的市場契機,但若是從電動車整個系統的成本來分析,採用SiC MOSFET反而較省成本。這是由於矽MOSFET與SiC MOSFET就單顆元件相比,SiC MOSFET成本可能較矽MOSFET高出300美元,但若從整個系統成本來看,SiC MOSFET可省下約2,000美元的成本,這將消弭業者們對採用寬能隙半導體會導致成本暴增的疑慮。因此,根據市調單位的統計數據,至2023年前,矽MOSFET與SiC MOSFET在市場的滲透率將各佔一半。

 

圖4:IGBT、Si MOSFET和SiC MOSFET將在汽車市場共存數年。

(來源:意法半導體)

 

磁性元件推升轉換效率

在電動車充電椿中,磁性元件扮演重要角色,有助於提高電動車電源系統的轉換效率。充電樁相當於電動車中的一個電源系統,可將AC轉為DC,其中所使用的磁性元件(電感)扮演重要角色,廣泛應用在車載資通訊系統、GPS導航系統,以及AC/DC或DC/DC轉換器等。

聯寶電子(LinkCom)國際市場行銷部經理賴彥良指出,由於電源功率密度持續提高,所有的電源模組將朝向多合一的電源設計,而在電動車的機械結構與電源管理系統中,包括OBC、高壓電池、DC/DC轉換器、馬達驅動,以及高壓元件等轉換應用中,採用了許許多多的磁性元件。

從電動車電源模組中所使用的磁性元件來看,其單位銷售金額約在90~150美元之間。如果以2021年電動車總銷售量上看420萬台來看,乘上其中電源控制器所使用的線圈及其金額來統計,這一磁性元件市場預計達到3.78~6.3億美元的市場規模。

聯寶電子目前正為國際Tier 1車廠進行EVCS和OBC的設計與測試。除了AC/DC和DC/DC轉換,專為電力線通訊(PLC)與OBC打造的變壓器作用在於耦合訊號,利用電力線網路,以數位處理的方式傳送數據與資訊。為了減少干擾,變壓器的耦合性越好,才有助於降低雜訊。在車子本體,以及充電椿中都需要使用這種變壓器,以提供傳輸與接收的功能。

駛向電動車測試認證新思維

車輛電動化的發展是把傳統車輛中「油」的部份轉化為「電」,尤其是動力傳動、逆變器、DC/DC轉換器、電池,以及電池管理系統等關鍵元件,並不適用傳統的訊號測試途徑。另一方面,相較於消費電子產業,當轉換到攸關安全性的汽車產業時,更著重於技術成熟、可靠度品質最佳的產品,可靠度成為車規產品驗證重點。

致茂電子(Chroma ATE)量測儀器事業部經理陳明華指出,在車輛電動化的過程中,車子的整體架構與零件設計都採用了不同於以往的思維方式。「相較於傳統車輛,電動車中使用的零件總數大幅減少40~50%,測試也變得較簡潔,更著重於電池的充放電,以及馬達轉動等部份。」

 

圖5:電動車HIL測試概念。

(來源:致茂電子)

 

HIL測試:訊號級轉向功率級

 

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