電動車動力系統關鍵性能與測試需求

致力於提供LED、太陽能、EV/HEV、Battery等各類產品完整測試解決方案的致茂電子，針對電動車的動力關鍵零件驅動器(PEU)，提出從小客車到巴士？跑車的各種動力解決方案；並針對電動車各關鍵零組件，闡述各種零組件所要通過的環安規格檢驗，以及針對這些從車內關鍵零組件到外在充電設備等，提供一系列的自動化測試設備方案，協助整個智慧電動車產業鏈的安規認證與整合。

電動車驅動器簡介

致茂電子(Chroma)產品企劃副處長周晏加指出，電動車(EV)動力系統的關鍵零組件，包含從車外充電站設備(Electric Vehicle Service Equipment；EVSE)，到車輛內部的車載充電器(Charger)、電池管理系統(Battery Management System；BMS)、DC-DC轉換器、驅動控制器與馬達等。

EV驅動系統的要求有控制、管理、可靠度、整合、成本與體積等五大面向。以驅控器PEU(Power Electronic Unit)來說，致茂PEU做到7.5W/cm3以上高功率密度設計，7.5kW/kg以上的輕量化設計，反應速度為50ms，並具備150W/cm2高效冷卻及15年？15萬公里的高可靠性。

從小型車使用的CP50(額定功率20kW、尖峰功率50kW)，轎車使用的CP80(額定功率35kW、尖峰功率80kW)，休旅車？商務車使用的CP120(額定50kW、尖峰120kW)，客貨車使用的CP150(額定60kW、尖峰150kW)，到小巴士？跑車專用的CP180(額定功率70kW、尖峰功率180kW)。

若以致茂CP80 PEU搭上感應式馬達(Induction Motor)之後，在6,000〜8,000rpm可發揮出65~150NM的扭力，實質轉換效率為91%；如與永磁式馬達(Permanent Magnet Motor)搭配則效率會更高。從這樣的扭力轉速曲線，配合車輛的重量、軸距、車輪等，去定義這輛電動車的各種性能、規格，從模型建立出所需要的操作區，並針對實際車子的應用狀況去驗證、調整後，進一步使車輛的行駛距離提高10%~20%。致茂也在實際的電動車平台上進行驗證前述的模型與需求。

驅控器、充電站、轉換器等檢驗規範

周晏加指出，電動車控制器安全需求上，需要符合以下要求：1.型式試驗：如機械試驗、電氣試驗、介電強度試驗、內部溫度、電壓限制與符合EMC/EMI規範的電磁干擾測試。2.例行性試驗：如絕緣試驗、啟動及連鎖試驗、最小輸出及輸出變化、電機電流控制。以及3.環境安規測試：如IEC60509防水、IEC60068防塵、ISO16750-3鹽霧、ISO16750-3振動、ISO16750-4環溫、ISTA project 2A落下測試，以及跟驅控器散熱效率相關的Dyno Burn-in測試。

至於量產品則需做DC-Bus漏電流、過電壓保護、接觸阻抗、溫度防護、額定？尖峰電流測試、低電壓測試、燒機(Burn-In Test)、Hi-Pot Test(1,500Vac，<1mA)與絕緣阻抗(600VDC，>10Mohm)等性能測試。

周晏加列舉致茂所開發電動車動力組件自動測試系統，包含DC-DC測試系統、驅控器？控制器測試系統、電池包測試系統、能源回收電池模塊測試系統、電氣安規測試系統、車載充電器測試系統、充電樁(站)測試系統。

以充電站測試系統(EVSE ATS)而言，依據SAE J1772 AC Level 2需求規劃組成測試系統硬體架構，含交流電源、EVSE、測試治具、系統連接介面、阻抗模擬控制板、DVM、I/O card、示波器、交流負載等，以示波器顯示電壓上升下降波形，並有阻抗模擬控制板模擬電動車充電狀況，已獲得海內外像是台灣標準檢驗局所採購使用。

周晏加提到目前SAE J1772引用UL2231-2電網電壓瞬變及波形失真測試，但對於充電過程遭無預期斷電的動作未定義，他認為充電站業者不能只是提供跳電防護，因為半夜突然跳電後導致充電動作停止，會使得隔天車輛無法充飽足夠的電力來行駛；應該追加像最短斷電？失真不可受影響時間、最短斷電可自動回復時間、最短斷電手動回復時間，以及斷電自動通知使用者。他也指出，大陸GB/T 20234.2-2011在控制引導訊號(control pilot)規範上，不如國外法規明確。

致茂移動式公共充電站診斷測試系統方案，可針對各充電站以及電動車與充電站的相容性測試。而整合性控制器自動測試系統包含：HCU (Hybrid I/O Control Unit)、MCU(Machine Control Unit)與VMS(Vehicle Manage System)。同時對於一部分電動車具備內建中小功率、慢速的車載充電器(OBC)，致茂OBC自動測試系統，支援EVSE Level 1、Level2充電規範，並滿足QC/T 895-2011測試需求。DC-DC轉換器自動測試系統，滿足GB/T 24347-2009規範的功能測試。

驅控器？控制器自動測試系統，支援最大輸出電流、輸出電壓、溫度、再生能源測試、扭力？轉速測試、能源效率、短路防護、接地防護等；被動零件測試方案則提供LCR Meter/Auto Transformer Test System、電解電容分析儀、可程式化HF AC測試儀、微歐姆阻抗測試儀、元件測試掃描儀與自動化測試系統，可應用於可變電阻、變壓器、磁芯、電阻、繼電開關、EDLC超級電容與電感等測試。

考量放電劣化與電氣安規等品質問題

周晏加提到，電動車更需考慮零件於高壓下的放電劣化問題，因為長期的電暈放電與溫升，會導致材料質變造成絕緣劣化，最後產品損壞。透過耐壓分析儀可依電壓及判定條件進行放電程度分析，像電暈啟始電壓(Corona Start Voltage；CSV)、電弧放電啟始電壓(Flashover Start Voltage；FSV)與絕緣崩潰電壓(Breakdown Start Voltage；BDV)。至於配線及連接器測試，則是使用交流？直流電源配合電子負載，來測試電流配線及連接器的耐電壓？電流程度。

還有電動車所需的電氣安規測試，需考量充電時閃電高壓、功率級及配線的耐壓絕緣度，以及UL、ISO、IEC、SAE等法規，電氣安規測試在電動車產業已成為重要議題。目前電動車電池規範在UL2580第15及16章，電動車馬達控制器及電池管理系統則在GB18488規範第5章第8與19節，充電設施則在UL2594的第44、49、54.1節，及UL2202的第47、51與57章均有規範。

電池安全測試方面，必須通過如振動、濕度？水分、衝擊、落下、浸沒及測試電池完整性的撞擊測試；高溫、無熱管理循環、熱衝擊循環測試；短路、過充電、過放電、過曝高壓防護等測試。在大安培？時電池會在頻繁的淺充淺放下，在極柱附近產生過度頻繁反應，造成溫度特性不一致；除了採用工廠全機械？自動化生產，確保電池內部阻抗、溫度等品質的一致性之外，還需保持電池單體工作溫度的均衡性，並解決通風散熱問題。

致茂的電池芯(單體)測試系統，提供CC充放電、CV充放電、CC-CV充放電、CP充放電、週期壽命測試、電容與內阻抗量測，量測電壓的變化可計算出電池芯交流？直流阻抗，供品保抽樣檢驗或產線一致性匹配應用。

同時電池的實際放電波形是不規則形，不同電池容量即便容量標示一樣，因為材料及模組設計的差異造成放電效率不一致，導致電動車實際行駛距離也會不同；致茂以電池模組動態電流測試，針對電流應用動態充放電迴圈數量、行車動態電流取樣並將記錄存檔，對於BMS而言會比實際路測更具比較性。

BMS電池管理系統的動態電流測試

因為材料差異及老化衰減，反覆的充放電後，部分電池芯會因為阻抗不同導致壓差、容量不均的現象，造成電池組過度充電或過度放電而使電池組的壽命降低。

周晏加指出，一般穩態充放電測試是無法測試出BMS抗干擾特性，數百安培快速充放電電流，其磁力線與電壓變動等改變，會對量測線路耦合而出現雜訊而回傳錯誤值，通信迴路可能因受干擾而法辨識，且控制迴路可能產生保護誤動作。

BMS動態電流測試，是在電流電壓快速變動下，測試BMS保護線路動作的反應。針對BMS的測試動態放電測試應用有：1.過電流保護功能；2.電池芯平衡裝置；3.抗干擾性測試；4.電量？電流取樣計算做驗證。設計者需要考量BMS與電池的佈線安排、電磁防護、電壓基準點選擇與 區塊隔離(isolation)技巧來改善。

目前大部分電池測試機，在電腦軟體中由電流值計算電量。因為資料傳輸速度有限制，常只到100ms，若是針對動態電流的容量計算，誤差就會很大。致茂採用二次積分的計算方式，先在充放電機線路設計高速取樣，得到積分之後再傳回來做第二次積分，可以獲得比較精準的電量值。在電池充放電能源回收測試上，可以針對雙向轉換電路、放電能量雙路徑、直流回收及電網回收做測試。

周晏加最後總結，當前新能源汽車技術尚未完全成熟，還有許多安全標準尚未被規範與長期驗證，需要不斷的以測試為手段，找出潛在風險以降低錯誤發生；若是在設計的初期，引進自動化測試系統驗證產品，增加測試涵蓋率及加速研發速度；同時量產線用精準的自動化測試系統驗證產品，達到零故障率的要求。