近幾個月來,在中國、美國等地接二連三發生電動車(EV)自燃事故後,EV的安全性再度引發關注。儘管這幾起EV自燃原因尚不明確,但「作為EV心臟的電池安全性確實攸關EV性能的提升,更是帶動EV市場成長的關鍵。」這是日前在「Tech Taipei系列——電動車技術及趨勢研討會暨圓桌論壇」上業界專家們針對EV技術與市場發展所發表的看法。

EV市場成長動能強勁

全球汽車製造商正傾全力佈局EV市場,加上動力電池成本下降,EV市場正穩步成長中。根據Frost & Sullivan的研究顯示,今年全球EV銷售量將從2018年約160萬輛成長至200萬輛。

麥肯錫(McKinsey & Company)的調查報告並預測,未來5年將有350款新的EV上市,到2030年將有1.2億台EV上路。儘管發展速度或型態不同,但在未來十年內,世界各大主要城市都將開始發展EV。

此外,根據Littelfuse的統計,到2023年,全球100輛車中就有14台從燃料引擎動力轉變成馬達動力,帶動EV的普及。共享行動性(shared mobility)、連接能力(connectivity)、自動駕駛以及電動化(e-mobility)等四項主要的殺手級應用,將在未來的5-10年內改寫傳統的汽車生態。

EV賦予產業新契機

Noodoe創辦人暨總裁王景弘指出,EV蓬勃發展的影響層面將擴及週遭環境,包括停車措施、充電站等基礎設施。包括零售、觀光服務業(hospitality)以及公共運輸等產業除了傳統服務以外,都將會因為EV進展而發展出新的業務模式。

王景弘以公共運輸系統為例解釋,除了u-bike,EV也可望發展成為連結都會區運輸系統的「最後一哩路」。例如等自動化車輛租用系統(ATR),讓使用者利用手機解鎖即可取出電池搭配電動機車/電動自行車等EV使用。隨著充電的消費體驗日益重要,提供充電站服務的飯店將吸引更多額外的收入。

行競科技(XING Mobility)日前在台灣打造了一輛輸出達1,341馬力、時速從0到100公里只需1.8秒、售價100萬美元的純電動超跑。但這對於台灣汽車產業有什麼意義?

行競科技創辦人暨執行長洪裕鈞解釋,儘管歐美日等國較早開始投入燃油引擎的開發,但隨著整個世界朝向電動化發展,EV的出現開始將產業帶回起跑線,而這正是讓台灣從接單生產轉型成為創新領導地位的大好機會。

「汽車產業的發展將會創造一種專業的文化,並將帶來新的產業契機。」因此,透過打造高性能EV的整車開發技術團隊,他希望能夠協助台灣產業跳脫以往的代工、裝配線模式以及成本導向的思維,並進一步推動在地的汽車產業形成。

整車開發測試的經驗除了有助於台灣供應鏈的經驗,源自於這些電動超跑的技術商品化——例如行競科技量產其電池模組——浸沒式冷卻系統、電池快速交換系統等,也為公車、客運、農業機械等各種車輛等提供次世代的新動能,並有助於跨入國際市場。

圖1:行競科技利用自家模組化動力系統,將一輛1969年Chevrolet Camaro敞篷跑車變身電動車(來源:EE Times)

安全——推動EV市場成長關鍵

東芝半導體(Toshiba)長期耕耘車用半導體,截至2018年,並已針對車用市場出貨了23.5億顆半導體元件。針對車用市場,東芝半導體技術行銷部副協理水沼仁志認為最重要的就是系統安全性。

他強調,為了符合功能性要求最嚴苛的ASIL D等級,元件的故障率必須達到>99%的單點故障指標(SPFM)以及>90%的潛在故障指標(LFM)要求。針對前裝市場應用,東芝的元件符合ISO26262要求的功能安全性等級,包括EPS、安全氣囊、ABS、變頻器以及BGS/IGS均符合最高的ASIL D等級。

例如其VIVACE系列變頻控制MCU兼具向量引擎、磁性解角器介面與同步PWM三大功能,可使得馬達轉動更為順暢,還能與電源管理IC搭配以提供高可靠度的故障檢測機制,讓EV變頻器套件符合ASIL-D等級的車輛安全性。此外,東芝並提供自行研發的安全支援方案——TM-SIL,從軟體、硬體以及環境增強系統的安全性。

作為EV心臟的鋰離子電池由於在超出工作溫度限制時可能產生充放電效率不彰以及熱失控(Thermal runaway)的問題,也對於EV的安全性帶來挑戰。T-Global技術顧問林唯耕指出,EV的鋰電池模組在被加熱到一定溫度而發生熱失控時,電池噴出的氣體可能產生閃燃現象或火焰,繼而燒毀電池甚至車子。

因此,EV的理想工作溫度約在0°C~50°C之間,而其散熱處理與均溫性也十分重要,一般必須控制溫差小於5℃。然而,要讓6,000多個單體電池芯的溫差保持不超過5°C範圍並不容易。

為了測試不同材料如何預防熱失控,林唯耕利用小型18650電池包(10S4P)進行鑽刺測試。測試結果顯示,以PHP+石蠟做為電池包材料的均溫性效果顯著。此外,鋰電池在高電流充電時的溫度容易超過45℃,影響充電速度,具有良好散熱的系統更能有效縮短充電時間。

圖2:鋰電池在溫度高達90℃~120℃時會因為化學不穩定性而發生熱失控,導致閃燃、火焰甚至燒毀電池與車輛(來源:T-Global)

提高轉換效率與可靠性

除了安全性,Littelfuse應用工程經理許孝成強調,實際推動EV市場蓬勃發展的關鍵還包括效率以及可靠性。「『安全性』正是台灣廠商開發ADAS的強項,此外還包括透過自動駕駛、防撞等系統提高安全性;如何將來自電場的AC轉換與升壓成DC快速充電系統的轉換效率,以及必須能在嚴苛環境作業的車規級元件設計。」

為此,Littelfuse針對EV系統的充電站、電池管理系統(BMS)、ADAS和感測器等設計重點,提出相應的保護電路,以及可提高EV充電系統和電力系統可靠度與效率的解決方案。例如,1,200V、80mΩ碳化矽(SiC) MOSFET能以更小尺寸在更高速、高電壓下運作,大幅提高EV充電效率。

為了進一步提高轉換效率與高可靠性,採用48V直流電源(DC)的混合動力車輛系統不僅擁有較於目前主要的12V標準更高4倍的電源,而且由於其豐富的電源供應而為車輛帶來更好的性能。此外,這種48V的輕型混合(Mild Hybrid)電力系統還可節省40%~60%的成本、有效提升5%~18%的油耗效率。

因此,「由12V走向48V是大勢所趨。」Vishay應用工程師林軍筑強調,相較於PHEV和HEV,採用48V單一驅動系統的Eco-Drive Mild-Hybrid,如今在減碳量與價格上開始趨近於HEV,也獲得越來越多車廠的採用以及晶片商的支持與推動。

圖3:相較於12V的電力系統,48V的Mild Hybrid可節省40%~60%的成本以及提升5%~18%的油耗效率(來源:Vishay)

Vishay提供了雙向DC-DC轉換器48V/12V至3.5kW以及約7公分的25kW模組。升降壓主動開關PowerPAK 8x8 100V MOSFET針對PWM應用的平衡導通和開關損耗進行了最佳化,適用於高頻操作的極低輸出電容IHDM輸出儲存電感器、高電流處理能力和極低的DCR等優勢。

新一代功率半導體如SiC的導入,也有助於提高可靠性(reliability)。羅姆半導體(Rohm)台灣設計中心副理唐仲亨在論壇中介紹SiC的發展及其可為EV帶來的好處。

「相較於水平結構的GaN往高頻方向發展,SiC元件更強調高功率、高電壓,加上其垂直結構使其易於提高耐壓性能,」從而成為發展高電壓電動車的理想選擇,包括電池電動車(BEV)、燃料電池車(FCV)、插電式混合電動車(PHEV)以及混合電動車(HEV),而非輕型混合電動車。

根據ROHM引用IHS的資料所作的調查,SiC市場在2016年以前的成長趨緩,到了2017-2018年因SiC MOS開始導入各大電源廠或車廠而才帶動市場起飛,這一市場需求有很大一部份即來自EV市場成長。

從EV的基礎架構來看,SiC已經開始導入各種充電應用了。唐仲亨介紹,EV充電一般分為AC與DC充電。「AC充電透過車載充電器(on-board charger)對高壓電池充電,DC充電則直接充電電池。此外還有透過在車體以及停車格下方埋線圈進行無線充電的方式。基本上這些高壓電池都需要透過DC-DC轉換器,將高壓電源轉成EV所需的12/48V電力。」這些都是SiC得以發揮作用之處。

為了進一步說明SiC的可靠度,唐仲亨分享了一個「宇宙射線」的概念。唐仲亨說,元件的「不良率」(failure rate)有時並非來自製程或材料缺陷,而是在正常操作下卻出現了元件失效問題——「宇宙射線」正是造成這種元件在正常情況下發生不良率的元兇之一。

根據科學家指出,包括太陽的粒子束、來自黑洞的射線等不斷射向地球的宇宙射線,對於電子元件或裝置的影響日益明顯,甚至造成電腦當機或智慧型手機故障。

唐仲亨引用2016年國際功率半導體元件與整合電路年會(IEEE ISPSD)的一篇論文指出,根據研究人員以單粒子燒毁(SEB)測試模擬宇宙射線對功率半導體造成的衝擊結果顯示,SiC元件顯然比Si更耐用可靠,由於電壓上升導致的不良率也較低得多。

HIL測試提高行車安全性

由於安全至關重要,除了對於汽車投入大量研發,測試更形關鍵。然而,隨著越來越多的技術導入EV與ADAS系統,汽車產業開始朝向多技術融合的趨勢,從而為測試帶來更多挑戰。

國家儀器(NI)大中華區汽車行業技術市場經理唐曉城認為,全球汽車業者正全力突破「馬達、電控及電池」等核心技術,為了協助在此競爭激烈的EV領域勝出,NI透過開放靈活的軟體平台,提供因應核心系統及其他EV相關的測試解決方案,例如DC/DC、充電椿、電池、變頻器與MCU等測試解決方案,將有助於相關業者提高競爭力。

例如針對MCU的硬體迴路(HIL)測試,由於其PWM速度相當快,必須透過EDA工具一併在FPGA上執行並控制馬達與變頻器等模型,才能滿足MCU HIP微秒級迴路速率(loop rate)的應用需求。因此,NI與客戶聯手打造了OPAL-RT即時模擬開發系統,讓工程師無需具備FGPA編程能力,也能透過此工具套件輕鬆地將變頻器與馬達模型整合至FPGA,完成MCU HIL的測試驗證。

勤崴國際科技協理林映帆並介紹一個近來在台灣打造的「資安物聯網結合自駕車研發基地」,提供自駕車的模擬驗證與實測場域,結合資安車聯網/物聯網中心。

林映帆說,透過其模擬系統先行驗證自駕方案,讓廠商能夠建立人工智慧(AI)模擬試跑軟體,並搭配高解析地圖,以軟體模擬方式進行驗證方案;硬體方面則可為業者或車廠提供可拆卸零件測試,並進行自動駕駛演算、辨識交通號誌,突發障礙物等環境測試等。