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電動車動力系統整合化 優化效率及成本

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發表創新動力系統e-axle電動軸系統。來源:Bosch

節能減碳議題當道,電動車的必要性日趨明顯。電動汽車動力系統相關技術的進展,有效促成電動車性能提升,隨著消費大眾對電動車的滿意度提高,電動車可望進一步普及,甚至帶動汽車發明近140年以來的一場全面顛覆性革命。

英國、法國已相繼宣布將在2040年全面禁銷售燃油車,大陸也正著手擬定禁止燃油車生產時刻表,種種跡象顯示電動車已是不可逆的趨勢。根據 Bloomberg New Energy Finance 預估,至2030 年,電動車銷售將由目前的77萬輛成長至超過2,000萬輛;至2040年,電動車滲透率更將達到新車銷售的35?47%。

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富田電機推出三機一體動力系統模組。來源:富田電機

強化動力系統  推升電動車性能

基本上,電動車類型多元,不過歸納其動力系統主要結構不出動力馬達、馬達控制單元(MCU)、動力電池、電池管理系統(BMS)及能量管理系統(EMS)等元素。電動車性能之良莠,端看製造商是否能有效整合動力馬達、MCU、動力電池、BMS、EMS等次系統。

為帶給市場更好的電動車,許多大廠積極強化甚至是創新電動車動力系統技術,例如新近發表品牌旗下首款電動車I-Pace的Jaguar。不同於其他車廠多是先推出油電複合動力車測試市場水溫,Jaguar直接以純電動車宣示進軍電動車市場的決心,也顯現其對於自家電動車動力性能的信心。

Jaguar I-Pace的動力是由雙馬達、平板化電池模組所構成,可提供400匹馬力、696Nm扭力的動力輸出,並且具有0-100km/h加速4.8秒的性能表現,同時容量90kWh的電池模組還能為I-Pace帶來480公里的最大續航力,且只需40分鐘就能補充80%的電力。

創新電動軸  續航力提升

電動車動力系統不斷進展,甚至出現突破式創新。博世(Bosch)於2017年9月間發表的創新動力系統e-axle電動軸系統就是一例。該系統整合馬達、電力電子及變速器這3個動力系統零件,形成單一機組。

由於此電動軸將電力電子、電動馬達和變速器整合在單一機組中,因此可大幅縮減外部零件的需求,也就是說,新電力動力系統不需要厚重的連接零件及昂貴的銅纜,以及轉動零件用的軸承,此外也能簡化冷卻系統,如此在提高效率的同時也能降低動力系統成本。

在產品發表會上,Bosch交通解決方案事業部董事長布蘭德說明,電動軸是電動車的新創動力系統,可提供更佳的續航力。目前全球已有超過50萬輛的電動和油電混合動力汽車搭載Bosch的零件,而此一創新電動軸的銷售預期將墊高Bosch在全球電動車市場的重要地位。目前此電動軸樣品已送交客戶共同測試中,Bosch計劃將於2019年開始量產。

該動力系統可以傳輸50到300千瓦,車軸扭力範圍可達1,000?6,000Nm,當安裝在油電混合動力和電動車輛,可進行前軸和後軸驅動,傳輸150千瓦的電動軸重約90公斤,Bosch強調這遠遠低於迄今為止使用的個別零件合組起來的重量。布蘭德強調,與競爭產品相較,Bosch電動軸具有優異的高峰性能及高效連續性能,能使電力動力系統加速更順暢且可於更長的時間內保持高速。

三機一體  節省空間及成本

「整合」已成為電動車動力系統的發展主流。特斯拉(Tesla)主力馬達供應商富田電機已完成三機一體技術。富田張金鋒表示,電動車是未來趨勢,歐洲許多國家都已提案或倡議禁售內燃機汽車或燃油汽車的日程,在印度及大陸,電動馬達才開始發展,台灣有很好的單一零件供應商,除了做零件,也應該要做系統整合。

三機一體意指將馬達、驅動器、控制器高度整合為單一模組,其優點為節省空間及成本、更能減少故障發生的機率、增加安全性,且能減少對其他電子設備的干擾。

馬達、驅動器、控制器個別都需要冷卻器,而冷卻器容易發熱故障,採用最新三機一體模組,透過共用可減少冷卻器需求數量、縮短連接線路,而線路變短就意謂對EMC干擾減少,如此就不易產生對其他電子設備訊號的干擾。

富田三合一電動車動力系統推出用於小車、中、大型房車的三種產品,適用所有轎車車型。此系統將於富田電機2018年落成的竹科銅鑼園區新廠生產,預計2018下半年量產出貨,初期年產能規劃100萬組,且預計第二期廠區於2019年完工後,將進入高速量產階段。

提高效率及安全性  電池爭戰未歇

電動汽車以電力做為動力,電動車動力系統要表現良好,電池管理系統(Battery Management System;BMS)扮演關鍵角色。一般來說,BMS由一個主控單元和多個從控單元組成,從控單元直接連接電池包,採集電池的電壓、電流和溫度等,主控單元通過CAN匯流排或Daisy Chain通信等方式管理多個從控單元。

再進一步細分,BMS約可分成感測器線路、保險絲、電池監測IC輸入過電壓保護、菊鏈I/F過電壓靜電放電(ESD)保護、控制器區域網路匯流排(CAN Bus)I/F過電壓ESD保護,以及高電壓 / 電流電力線保護等區塊。

這些區塊具有測量電池電壓的功能,防止充電和放電過程出現異常情況等,整體目標就是提高電池的利用率,延長電池的使用壽命。唯有良好管理電池組的充放電、安全運作等,電動車才能跑得又遠又安全。

此外,電動車電池技術的爭戰當然仍未停歇。雖然談到電動車電池的研發首先一定會想到特斯拉,然而其他傳統大廠仍是不斷緊追甚至發表超越特斯拉的願景。

日本豐田汽車目前正在研發由固態電池供電的電動汽車,據悉此種新一代電池的電量更穩定,且充電時間更短。豐田公司預計在2022年完成研發完成採用此固態電池的新型電動車。不過,於此同時,特斯拉的電池供應商松下電機及BMW也已投入固態電池技術開發,且讓我們拭目以待下一代電池技術誰領風騷。

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