讓電動車更「智慧」 電源管理啟動大升級

作者 : 蔡銘仁、Susan Hong,EE Times Taiwan

訴求節能減排、低碳環保的目標,電動車正成為全球車輛發展的明日之星;電動車持續挺進電氣化、智慧化與自主性,對於ICT產業蓬勃發展的台灣而言,更堪稱一大契機...

電動車(EV)正從根本上顛覆了人們對未來交通與出行(mobility)的認知,同時促進政府、產業和公眾為落實節能環保而努力。再生能源的發電、儲存和配電的創新,更加速向真正零排放運輸的電動化、智慧化過渡,並進一步帶動智慧電源管理以及「電池、馬達、電控」三電系統的整合;續航力更佳的電池以及更高效率的充電基礎設施更是備受關注的熱議話題。 在日前由《EE Times Taiwan》與《EDN Taiwan》出版商ASPENCORE於台北國際車用電子展期間舉辦的「智慧連網串聯電動車出行新生態」研討會上,來自汽車與技術產業的產官學研專家以及技術創新業者齊聚一堂,共同討論並分享關於電動車的最新市場趨勢、如何透過最新技術實現安全與智慧的電動車駕乘體驗,並揭露電動出行(E-Mobility)時代的新商機。 「派對已經開始,歡迎大家加入電動車的賽局!」中華民國對外貿易發展協會副秘書長王熙蒙代表主辦單位開場時表示,綠電使用在全球都已成趨勢,電動車將是汽車產業的明日之星,「2020年疫情來臨,照亮、明確化台灣汽車產業未來的發展。未來電動車的供應鏈可能非常扁平化,台灣以ICT產業見長,電子業擅長開創出新的天地,企業不要再講毛三道四,走向高毛利,拉出出口產業的第二條成長曲線。 出席活動的台灣綠電協會理事長、友嘉集團總裁朱志洋也說,台灣有非常強而有力的ICT實力支持,精密機械也有好的基礎,在發展電動車這部分非常有機會,包括特斯拉及其他電動車相關的零組件,很多透過台灣供應,友嘉也透過收購全球知名企業,在全球汽車供應鏈排在首位,供應給BMW、賓士等車廠。他直言,ESG領域台灣絕對不能缺席,電動車不只發展電動車,淨零排放對全球要做出貢獻。台灣目前綠電供需非常不平衡,電動車有儲能功能,要解決綠電的供需平衡,有機會發揮作用。 搭綠能環保風 電動車駛入高速成長軌道 訴求節能減排、低碳環保的目標,電動車正成為全球車輛發展的明日之星;電動車持續挺進電氣化、智慧化與自主性,對於ICT產業蓬勃發展的台灣而言,更堪稱一大契機。 根據電動車資料庫網站《EV-Volumes》統計,2021年全球電動車銷售達675萬輛,年成長率(YoY)高達108%,在全球車市佔有率從2020年的4.2%倍增至8.3%。此外,工研院產科國際所(IEK)調查並顯示,2021年全球車電產值約2,350億美元,2028年更將突破4,000億美元大關。相準此一趨勢,加上全球節能減碳議題推波助瀾,電動車市場儼然成為兵家必爭之地。  

2021年全球電動車銷售量為675萬輛,YoY成長108% (來源:EV-VolumesChroma)

  而從另一方面來看,電動車完全以電能驅動,固然能直接減少排碳量,隨之而來大量的電力、電池需求,也對於全球各國的電源管理帶來挑戰。 電動車變身移動式儲能 智慧電源管理扮要角 台灣綠電應用協會(Taiwan Association of Green Energy Transition,TAGET)秘書長許博涵指出,綠電特性並不穩定,只有少數如地熱等能源具有恆定性,因此需要輔助以減少綠電不穩定對電網的衝擊。其中,電動車透過V2G (Vehicle-to-grid),甚至V2HOME、V2Building等方式,可望扮演很好的輔助角色。 許博涵所指的,就是智慧電源管理的概念。他認為,如果能做到智慧管理充放電,不只考量個人需求,某種程度也關係到電網,讓電網做到智慧調度、平衡負載,就能對電網負載帶來很大的貢獻。此外,新型態的區域智慧綠電生態系的建立,也是一個持續被探討的議題。 「特斯拉(Tesla)想建構新的綠能生態系,理念上正確,實務上很有挑戰。」許博涵表示,生態系必須利基於綠色能源平台,當中包括微電網的建立、如何儲能並建立完整的資訊平台等,「目前最傳統就是單向充電的智慧調速,用充電基礎設施調整充電速度,未來希望用智慧電網控制車輛充放電,讓電能回饋到電網,並在更多互動場景形成智慧微電網系統。」 許博涵進一步指出,越穩定的電網就會有更多再生能源應用的可行性,相對來說,電網不夠穩定,要達到20%~30%的再生能源應用就只能是夢想。現在不同的研究單位都在觀察智慧充電的落實,如何減少峰值負荷,「比如據Irena在2020年提出的調查顯示,以50%滲透率來說,峰值負荷比起不受控充電達9%,預計可控制到5%,使電動車發展跟再生能源間的關係,不是造成更多的棄電率。」  
智慧電源管理方案正成為電動車發展的下一件大事。
(來源:台灣綠電協會)
  許博涵說:「如果只是讓電動車在路上取代燃油車,缺乏有效管理,可能會對電網造成衝擊跟負擔」,因此智慧管理這件事情非常關鍵。未來,做電動車智慧基礎建設必不可少,一定要回饋到車輛、電網的智慧化,從規劃設計階段就要跟電網結合,使其確實成為輔助的一部份,在能源管理上更多著墨,讓電動車跟電網的連結,真的應用更多綠電輔助服務拓展生態系,以智慧充電創造電網跟客戶的雙贏。 車輛電氣化推動設計創新 隨著全球電動車銷售量大幅成長,燃油車逐漸減少,並伴隨車輛本身的元件/系統電氣化比重提升,顯示在未來幾年,汽車將持續邁向電氣化,同時驅動電動車最重要的核心技術——「三電」系統進一步整合。 德州儀器(Texas Instruments,TI)以車用半導體供應商的角度指出,電動車/油電混合車(EV/HEV)、先進駕駛輔助系統(ADAS)、資通訊娛樂與儀表板(Infotainment & Cluster)以及車身電子與照明(Body Electronics & Lighting)是明顯推動車輛創新的四大電氣化方向。 TI業務總監陳介平表示,在未來的5~10年,隨著各國法規與政策持續提前電動車新車的普及,預計從燃油車進展到EV/HEV以及48V插電式混合動力車(PHEV)的過程將會加速,並帶動對於車用晶片的大幅需求。 「以元件/晶片的角度來看,過去一部燃油車可能採用100~200顆晶片,但一輛電動車動輒1~2,000顆晶片,這一數字乘上2030年預估的6,000萬輛新車,晶片使用量的需求將高達600億顆。」陳介平說,這也就是為什麼如今我們看到包括TI等許多晶圓廠正大力擴廠。 由於駕駛或乘客在車中的時間增加,車載資通訊娛樂以及車與人的介面日益重要。為了提升駕乘體驗,車輛的駕駛座艙正朝向40~60吋等更大尺寸顯示器、擴增實境(AR)與裸視3D的抬頭顯示器(HUD)發展,並進一步結合資通訊娛樂、儀表板、中控台,以及駕駛生命偵測、手勢辨識、連網與投影等智慧座艙功能。此外,車子的頭尾燈也從原本的鹵素燈進展到LED雷射以及智慧照明,展現更多的照明變化與酷炫設計。  

ADAS車用架構正從過去的分散式系統演變到集中式處理。透過功能強大的集中式處理可實現更全面的ADAS功能,大幅提升安全與可靠度。 (圖片來源:TI)

  ADAS也是電氣化的關鍵。為了讓行車更安全,目前的燃油車已能支援各種ADAS功能,而隨著攝影機逐步整合更多的雷達、光達(LiDAR)、超音波等各種感測器,還需要能夠計算物體移動等功能的高速運算,才能執行準確且安全的判斷,因而帶動在處理器中增加感測器中樞(sensor fusion)的需求。 電動車三電系統密集整合 除了帶來設計創新,車輛電氣化與電動化的關鍵也在於整合,特別是電動車的「三電系統」。陳介平指出,透過像是車載電池充電器(OBC)和馬達、逆變器和OBC以及逆變器和DC/DC的高度整合,可望提高系統密度與效率、增加可用空間以及減輕車子的重量。  

透過車輛電氣化的創新以及「三電」整合,加速電動車和動力傳動設計,以降低碳排放、減輕重量並以更少量元件提升效率。 (圖片來源:TI)

  濟南職業學院教授楊智介紹,相較於燃油車以引擎、變速箱等傳統車用零件作為動力系統,電動車的動力來源就是所謂的「三電系統」——電池系統(電池模組)、馬達系統(功率半導體)以及電控系統,因應較高電子化技術的需求,三電系統開始邁向高效率、高安全性、高容量技術的密集整合趨勢。 從電動車的三電系統佔整車成本來看,構成電池的成本最高,約佔整輛車的40%,馬達成本佔15%,電控成本佔12%。因此,楊智強調,電池可說是一輛電動車中最關鍵的部份,每次電動車市場漲價也幾乎都是跟電池相關的產業鏈。 2021年全球電動車電池市場規模約270億美元,其中,寧德時代(CATL)和比亞迪(BYD)是電動車電池產業鏈的主要生產企業。據楊智介紹,寧德時代專攻電池領域(佔其營收近八成),佔全球電動車電池產量的25%,在中國大陸裝機量市場佔有率為47.5%。 高功率密度電池帶動車用元件智慧化 Vishay產品應用工程師林軍筑認為,目前環保節能、安全、舒適、便利性等四大發展方向,處於很好的狀態,更適合新進產業投入其中。 2025年歐盟(EU)要做到15%減碳,2030年達到30%~35%的目標,48V會是重要的系統,再來走到電動車目前以400V為主流的電動車電池,現在也正投入800V電池的開發,預計未來的瓦數將不斷提高。另一方面,隨著ADAS等新技術應用越來越廣泛,資料運算量也會越來越大。 48V系統目前在車內扮演重要角色,很多12V的應用為追求更好的效能正轉向48V;瓦數也從過往10kW,到現在已經來到25~30kW;高瓦數、大電壓的發展方向,逐漸在電動車市場確立。林軍筑舉例,如賓士(Mercedes-Benz)的新車就使用了800V,實際上也看到客戶往這個方向開發,而48V~800V的高瓦數、大電壓應用,就需要更智慧的單元處理斷路。 Vishay分享如D2TO35、LTO100等厚膜電阻器、LPSA系列平面電阻器等產品,皆通過AECQ-200車規電子元件認證。林軍筑表示,電子熔斷器(eFuse)還是可以用,但電池的錯誤模式就是燃燒,開關有時序問題,需要更智慧的監控,比如當大電流輸入,就用電阻抑制掉,或採用抗脈衝電流的元件。 智慧電動車擁抱「第四電」:三電+超級電腦 車輛產業持續朝向「多合一」(All-in-1)整合趨勢——除了電動車關鍵的「三電」系統(元件與模組)整合,隨著電動車結合智慧車與無人駕駛功能(如Tesla EV),如今也加進了所謂的「第四電」系統。 德凱宜特(DEKRA iST)高功率工程部經理陳旺助指出,電動車的「三電」結合超級電腦的多合一趨勢,將是是未來智慧電動車發展主流。他解釋說,當電動車進展到Level 5自動駕駛,整合各種感測器實現智慧與自駕等功能,並藉由連接器進入主系統進行運算分析,必須能夠支援超強的運算能力。為此,各大晶片商(Nvidia、Mobileye)甚至車廠(Tesla)本身都在著手開發AI晶片,積極打造可支援高速運算的「第四電」——車載超級電腦。 此外,電動車智慧化還需要大量的資料傳輸,如何做到安全又快速的傳輸?在車用產業耕耘許久的矽智財(IP)業者Imagination Technologies認為,乙太網路(Ethernet)會是重要的關鍵技術。Imagination台灣區業務總監林奐祥說,未來汽車每個閘道都需要網路,乙太網路在未來智慧電動車中是必要的。 乙太網路為一種電腦區域網路技術,包含實體層的連線、電子訊號和媒介存取控制的內容,每個節點必須取得電纜或通道,才能傳送資訊,是目前應用最普遍的區域網路技術。乙太網路能透過一對纜線發送和接收數據,當與高速點對點IEEE (電機電子工程師學會)標準同級匯流排共同部署於幹線通訊時,乙太網路便成為車輛電子設計靈活性的首選方案。 林奐祥表示,全球超過3億台汽車應用Imagination的IP,當電動車元件都模組化,現在開始有中央處理器(CPU)控制每個功能,下一步變成區域性的閘道器來反應。此時,汽車環境需要安全又快速的傳輸,用無線網路難免會有干擾,乙太網路會是電動車中的關鍵傳輸工具。  
車內的電子元件通訊,未來隨著不斷智慧化,將與現在呈現儼然不同的樣貌。
(來源:Imagination)
  展望電動車的未來,林奐祥認為,包括繪圖晶片(GPU)、CPU等產品,未來都將更專注在演算力的精進,尤其是GPU,駕駛艙螢幕很可能從HD變4K再到8K,未來的新車螢幕可能不會少於四個,甚至到6~8個,一旦到8K就要有很強的GPU控制,比如,要到完全自駕就需要500G FLOPS (每秒浮點運算次數)。開發工具及軟體更是每個廠商可以差異化的關鍵,「硬體可以花錢買到,軟體真的是無價。」 智慧電動車供應鏈這方面正是台灣的強項,除了AI 晶片設計,跨入智慧電動車、無人駕駛領域還必須具備資料中心伺服器組裝能量以及硬體製造關鍵技術,台灣在這方面擁有完整的硬體供應鏈以及IC設計公司,可望在智慧電動車時代發揮關鍵角色。 車規級可靠度驗證把關行車安全 車輛中使用了大量電子零組件(包括功率元件),伴隨著電動車市場快速成長,電子元件也越來越多。閎康科技(MA-Tek)可靠度工程事業群PD技術服務處副處長張荃鈞指出,各國都訂定燃油車禁售的時間表,未來燃油車將慢慢變成電動車,汽車產業結合車聯網,進到行動時代,現在產業出現兩個發展方向,包括高功率及車聯網的傳輸速度,未來對車的資訊分享極為重要,但傳輸速度不夠快就可能發生危險。 因應嶄新的市場趨勢,使得車用驗證變得相當熱門。張荃鈞表示,車用驗證和一般驗證不同,比如,ISO 26262偏向設計面,功率元件屬於離散半導體;IATF 16949屬於自動化,接觸過程中幾乎所有生產線都需要過這個認證;AECQ車用驗證就是一定要做的。 由於車輛以及零組件的重量影響其油耗表現以及電能的消耗(即里程數),也一直是車廠錙銖必較的關鍵參數。為了讓車輛更加輕量化、高整合以及減少體積,陳旺助說,車電元件正持續「多合一」整合之勢。隨著,此外,為了因應高速運算帶來高熱量以及能耗的問題,用於車上的冷卻系統也從氣冷進展到水冷系統。 因此,在測試與驗證電動車電源系統時,必須考慮到各種AC/DC輸入以及 AC/DC輸出,以及如何靠水冷系統降低功耗並帶走熱能。德凱宜特實驗室為此類需求建置測試能量,支援AC/DC來源以及AC/DC負載。而為了驗證多合一整合系統,提供四合一驗證架構,分別針對智慧EV的充電環境以及行駛過程(即放電環境)進行可靠性等各類型的測試與驗證。 克服高功率充電測試挑戰 無論是BEV、HEV或PHEV,隨著各種電動車日益普及,使用者最在意的充電設備(EVSE)建置數量也逐漸增加,相對地帶來各種測試需求。尤其對於致茂來說,「三電」之外的第四電就是指「充電椿」——為了加速充電以及縮短充電時間,如何在目前可能達到800V大高壓、500A高功率的環境充電,挑戰著車廠的安規檢測驗證能力。 致茂電子(Chroma)產品副理成嘉銓介紹,電動車的充電模式可分為AC (慢充)和DC (快充)。依據各國不同的法規定義,目前主要的AC充電以符合IEC或SAE標準為主,DC充電介面則包括CCS、CHAdeMO以及GB/T,而台灣主推的是標準局公佈的CCS和CHAdeMO充電介面。 電動車的DC快充部份較AC慢充複雜,特別是其通訊部份。成嘉銓說,電動車對充電椿的通訊模式分為控制器區域網路(CAN)和電力線通訊(PLC),全球各地區的佈局選擇各不相同。CHAdeMO (日本)和GB/T (中國)支援CAN,而CCS (1/2)美規或歐規則都走PLC通訊,而其於近年來的市佔率也較高,除了是美/歐規的主流,韓國車系也支援CCS介面。 因此,為電動車充電進行測試經常面對著一致性、相容性與互通性、測試覆蓋率等困難,特別是針對更高電/功率密度的充電測試及其訊號分析。 首先,當付費後開始充電時,在充電椿上的SECC通訊板與車輛的EVCC之間必須保持即時暢通且明確。為了提高充電效能和品質,在充電過程中必須避免突然中斷,以及在出現任何異常時必須能斷電處理與即時反應,這也是在測試時的重點。  

DC充電站為電動車充電的方塊圖;柱端(SECC)與車端(EVCC)之間在充電交握時必須保持暢通,確認需求與反應。 (來源:Chroma)

  為了儘量匹配市面上各種車型的充電平台與要求,在進行測試時需要一套能模擬不同AC/DC充電椿的自動化測試(ATE)系統,依法規測項要求模擬各種廠牌車款的行為,以確定充電椿與EV之間是否互相匹配,並大幅減少測試時間與成本。此外,由於參照同一法規的解讀可能存在差異,以及考慮到未來升級不同介面的要求,測試平台採用整合訊號與電源或AC/DC模擬器的模組化設計,以利於未來在同一平台上升級擴充。 車載儲能商機前景可期 「車子上也需要有儲能的功能。」成嘉銓說,未來,車上的電量如果足夠,可在支援智慧的雙向車載充電器(BOBC)架構下回饋至電網或作為家用/一般負載使用。為了驗證BOBC雙向架構,需要能支援雙向架構的AC/DC來源或負載模組。  
AC充放電系統架構:V2L+充電模式,支援4通道方案以及BOBC雙向架構。
(來源:Chroma)
  針對未來的車載儲能應用,Bureau Veritas (BV)客戶產品服務處Sammy Wu指出,為了降低電動車大量充電需求對電網的衝擊,智慧充電器與智慧充電不可或缺。她認為,智慧充電器與智慧充電除了降低對電網的衝擊,也可讓有限的電能得到合理化分配,降低建設輸配電基礎設施的費用,同時靠著分時電價的做法,也能降低電動車使用者的電費負擔,「電動車發展到後來,不僅從電網取電,也可以在電力短缺時向電網供電。」 此外,智慧充電議題也在全球發酵,比如,英國就針對電動車制定智慧充電法案。Sammy Wu指出,電動車充電主要往有線與無線這兩個趨勢發展,目前有線充電還是主流,另外也在積極發展無線充電,雖發展緩慢,無線充電目前還是小規模使用,但看起來無線也是趨勢。 BV在台灣提供完整的測試與認證服務,認證範圍擴及加密機制、無線、安全及電磁兼容性(EMC)等。去年協助台灣充電樁廠飛宏,取得專門針對電動車充電設施所制定的第三方國際認證「EV READY」。        

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