具備潔淨排放特點的電動車持續成為汽車產業的熱點，根據產業研究報告，2017年全球電動車銷售量正式突破百萬輛，達120萬輛，較2016年大幅成長58%，類似的高度成長在未來幾年將持續。而其發展也將帶動產業鏈的成長，電動車產業鏈涵蓋汽車製造廠、零件供應商及資通訊產業，現在，正是國內廠商切入此一產業鏈的最佳時機。
電動車時代來臨 加速技術改進
電動車的發展不是最近幾年才開始，在100多年前電動車甚至較內燃機車輛更早被發明，不過百年來內燃機車輛一直是主流，台北科技大學車輛低碳能源與系統研發中心教授黃國修(圖1)表示，效率，就是當中的秘密。由內燃機與電動車的動力來源與技術原理來看，汽油的釋能機制屬於激烈氧化也就是燃燒爆炸的方式，屬於快充快放的一次性使用動力表現好，油的能量密度高，液狀能源輸送方便；另外，電動車是採用電化學放電機制，電池適合慢充慢放的釋能模式，透過電池儲能是固態組件，不利運輸與傳送。事實上，這些先天的特性優劣，時至今日都沒有改變。
電動車主要的發展契機來自於地球上石油儲量的持續減少，導致石油危機越加頻繁發生，加上空氣汙染與地球暖化的問題，電動車這兩年的發展趨勢已經確立。黃國修認為，無論是電動車或內燃機車輛，都追求低污染、低耗能、低噪音、續航力長、性能佳的共同目標。因此，內燃機與電動車都需要在自身的優勢上加強，並克服先天的技術或特性缺陷，發展高效率的動力整合分配機構與最佳化能量整合分配控制策略。
在技術發展上，業界與學界也持續發展許多技術，以改善系統的效能表現，包括過去十年熱門的油電混合系統，因為整合兩套複雜的系統，在成本與維護上的難度都更高，黃國修指出，新型並聯式複合電動系統簡化內燃機與馬達、發電機的結構，並發揮各自的優點，可以讓能量分配平穩連續。而動態補電技術可以降低電池系統一致性要求，容許新舊電池混用，降低汰換成本；複合波充電技術，可以改善傳統大電流無法完全充飽，涓電流充電耗時的缺點。
SiC/GaN功率半導體應用起飛
過去功率元件多半採用矽材料半導體，近年來技術突破，化合物半導體如碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)成為最受歡迎且深具市場潛力的功率元件材料，羅姆(ROHM)半導體應用技術支援部主任工程師唐仲亨(圖2)說，採用SiC與GaN為材料的功率元件與矽功率元件相較，具備更高的擊穿電場(Electric Breakdown Field)與寬廣的能隙(Bandgap)，具有開關速度快、損耗低的特點，並可以在更高的頻率、溫度與電壓下工作。
隨著產業的發展，SiC元件應用領域與產業需求不斷擴大，根據產業研究機構的調查指出，車用如汽車電源元件與電動車、工業自動化的高壓元件、能源應用如綠色能源/充電/儲能設備、資通訊應用如資料中心的伺服器電源管理元件等會是未來SiC應用的四大領域。唐仲亨進一步說明，根據該公司綜合IHS的研究資料，上述四大應用將帶動SiC的產值，從2018年的5億美元左右，到2024年將挑戰20億美元市場規模。
整體而言，SiC技術特性適合應用在電動車，不過唐仲亨也坦言，產業對於SiC較為陌生與價格較高，是目前導入SiC元件的主要瓶頸，2012年在SiC剛開始發展的時候，SiC蕭特基二極體(SBD)價格約是矽基高速整流二極體(Si base FRD)的5~7倍，而SiC MOSFET則是矽MOSFET的10~15倍。但到了2015年，SiC SBD的價格較2012年下跌35%，SiC MOSFET的價格更下跌了50%，已經越來越接近市場導入的階段。預計2019年SiC的發展與市場化會步入正軌。
精確電池管理延長使用壽命
電動車採用電為主要的驅動方式，因此電池管理系統(Battery Management System, BMS)成為必要的技術需求之一，一般的電動車都是採用鋰電池，亞德諾(ADI)半導體應用工程師張振原(圖3)解釋，鋰電池的特性就是不能過充與過放，要延長電池使用壽命，其可用能量區間大約在電池容量20%~90%的70%之間，並透過BMS系統管理。然而，量測電池電量存在的誤差導致可用電量進一步遭受壓縮。
電池電壓量測技術若能縮小誤差值，就可以提供更多可用電量，早期電壓量測的誤差值為5%，張振原說明，ADI透過技術的努力，讓電壓量測的誤差值縮小到1%，所以同樣容量的電池可用電力就從60%進步到68%，多出8%的電量，最新的技術已經能將誤差降到0.25%。一般而言，電池在經過長年使用與多次充放電之後，電池儲電能力更會出現誤差，所以準確量測電量與電池管理技術更為重要。
採用Zener Reference元件設計的電壓測量IC，張振原指出，除了可靠度、準確度之外，長期使用後參考電壓誤差值都較小；另外，還有許多因素包括溫度飄移(Temperature Drift)、初始誤差(Initial Tolerance)、逆變器抗雜訊能力(Inverter Noise Rejection)、PCB裝配應力(PCB Assembly Stress)、濕度(Humidity)、長期誤差(Long Term Drift)等都會影響參考電壓，進而出現誤差，必須降低上述變數，IC才能在初始參考電壓誤差最小的狀態下準確量測。
而車輛行駛在路上，會遭遇強風、豪雨、雷擊、急剎、大腳油門等的高度放電情境，量測到的電壓如何準確的傳送到行車電腦，讓系統進行正確的判斷也非常重要。isoSPI是一個簡單的雙線(兩條線都不接地)差動訊號資料傳輸模式，但由於兩條導線(共模)上的雜訊幾乎相同，因此，傳輸的差模訊號相互之間相對地不受影響。張振原進一步說明，isoSPI目前的傳輸速率是1Mbps，傳輸距離50公尺，但由於採用了電隔離，因此不會強烈地耦合共模雜訊。
電池組測試保車輛效能
除了電量的測量之外，電池本身絕對是電動車關鍵零組件之一，致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏(圖4)指出，電池組由多個電池串聯疊置組成，典型的電池組約有96顆電池，產生超過400V的總電壓。儘管汽車電源系統將電池包看作單個高壓電池進行充電和放電，但電池管理系統必須獨立監控每顆電池的情況。電池監視系統的一個重要考慮因素是通訊介面，CANbus在汽車中被廣泛應用，具有誤差檢測和故障容限特性。
電動車的三電系統包括電池、電機與電控。其中電池占電動車成本比例約30%~50%。林信宏表示，續航力是未來電動車發展的重點，純電動車續航里程必須大於150公里，而續航力250公里以上的車型才有市場競爭力，較易為消費者接受。電池包有多項測試項目，進行完整而深入的測試，才能確保車輛的性能。
林信宏強調，電池喚醒時序影響使用者開車感覺，高壓絕緣與車輛安全有關，電池串接狀況攸關電池包壽命，而設計驗證與生產也要測試，電池包特性測試也很重要。電池管理系統與電池包，依照使用者角度，從原物料的入料檢驗、電池管理系統的功能檢驗、電池模組的組裝品質檢驗、電池包的功能檢驗都相對重要，並透過診斷服務簡化工程逐步導入。
固態電池技術優勢 成電池組潛力選項
在電池包的設計與驗證之外，電動車逐漸上路的這幾年，由於充電站的基礎建設布建尚未完善，在消費者的使用上出現一個新的名詞－里程焦慮，擔心電動車的續航能力，不希望在行駛途中耗盡電力，輝能科技行銷處經理許容禎(圖5)說，希望透過提高電池能量密度的方式強化電池的蓄電力。另外，電動車裝載大量的電池，安全性問題也引起消費者疑慮，2018上半年就發生三起Tesla火燒車事故，安全性更高的固態電池逐漸浮出檯面；另外，電池成本占車輛的比重居高不下，消費者希望電池成本持續降低，讓電動車售價更加親民。
從能量密度的角度來看，許容禎表示，傳統液態電池芯鋰電池與固態鋰電池相較，Tesla的Model 3採用新款21700電池芯，能量密度提升到737Wh/L，不過已經接近極限；輝能的電池芯目前能量密度為720Wh/L，2019年將提升到800Wh/L正式超越Tesla，預計到2022年可持續提升至1033Wh/L。安全性部分，液態電池芯的鋰電池由於分子較活潑，出現機構面的破壞、電性面的破壞、熱累積、潛在製造缺陷時，就容易出現熱失控，爆炸、起火等。固態鋰電池因採用陶瓷電解質技術，沒有一般LIB的隔熱膜融化全面短路與ELT鹽類反應，不會出現熱失控的問題。
而在成本部分，許容禎認為，負極材料價格過去幾年降價較多，目前價格已逼近成本，再降空間有限；隔離層從2009年開始也走跌，至2016年價格已逼近成本，降價幅度有限；正極材料部分以鈷為例，雖非礦產短缺，但因市場炒作，導致近年價格走揚。未來電池價格的降價，將從電池模組著手，降低重量與成本，縮小電池包體積、重量，並簡化機構保護、熱管理系統裝置與材料、電源管理系統等。
高壓/直流48V設計蔚為趨勢
近年來許多傳統機械系統逐漸電子化，電動車就是著名的例子，因此也帶動電源架構設計的改變，美商懷格(Vicor)應用工程師張仁程(圖6)解釋，更寬的輸入範圍與高輸入電壓、高輸出功率、高效率、高功率密度、小尺寸、高功率重量比(Power to Weight Ratio)、散熱(Thermal Dissipation)、遙測(Telemetry)等都是電源架構設計未來的趨勢，尤其是高壓、直流，由12V轉向48V是近期討論的重點。
這樣的趨勢下，也出現創新的電源拓撲架構設計，張仁程指出，正弦振幅轉換器(Sine Amplitude Converter, SAC)拓撲結構是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。該結構是基於變壓器的串聯諧振拓撲結構，在等於初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率，在零交叉點開關，可以消除開關中的功耗、提高效率，有效減少高階雜訊諧波的產生。
在電動車的48V電力系統設計上，也是遵循前述的原則，首先是要將電池模組的高壓降低。現階段在電動車裡，除了導入48V，也還會有很多12V的系統，兩種電壓轉換的設計也相當重要，張仁程建議，電源模組的選擇重點要易於並聯、轉換效率高、隔離度好、而且通過震動測試、低雜訊、高整合、重量輕等等，尤其低干擾為優先考量。
大功率快充為發展重點
電動車在推動的過程中，充電樁(站)就像加油站一樣，是重要的基礎設施，Infineon電源管理及多元電子事業處經理吳榮輝(圖7)說，從整個供電系統來看，未來充電站也扮演區域儲電系統的一分子，並與太陽能、風力等綠能搭配，成為電網的一部分。一般而言，隨車與家用的充電採用AC交流系統，屬於小電力充電；而直流充電DC則是大電力系統，大多設置在公共場合，可以提供更快充電的服務。
充電樁中的關鍵架構就是充電模組，吳榮輝指出，充電模組系統具備三相480V電流輸入，冷卻系統則是分成風扇或水冷的方式，輸出電流平衡(Current Balanced)與配電(Power Distribution)機制，恆流輸出遵循充電曲線(Constant Current Output Follow Charging Curve)，人機介面與車輛溝通機制，最後電氣與防水保護等。
充電模組設計的趨勢部分，吳榮輝解釋，2016~2017年主流是15kW，2017~2018年是20kW，明年預計會提升到30kW，重點包括：在同樣的單位體積中放入更多電量，提升輸出電壓，提升能量密度與提升充電效率等。
安全性不容妥協 充電驗證不可或缺
電動車已經成為全球發展的趨勢，以台灣發展概況而言，包括落地型與壁掛型公共充電站約有562座，與油車的加油站相較，顯然還有相當大的努力空間，德國萊因商用與工業產品服務部門經理翁文進(圖8)認為，台灣充電系統規格主要接軌國際，但採用甚麼規格尚未確定，也是推展的障礙之一。國際上現在也有AC、DC等多種不同的規格，在發展動態尚未底定之前，要大規模建設充電設施有其困難。
電動車搭載對象是人，安全性是最重要的原則，充電站也是一樣，如何快速、安全地為車輛充電，加上電動車發展的現階段規格紛雜，驗證重要性更為突顯。翁文進表示，一般而言電動車充電分成由市電直接充電的On-board Charger，與充電樁的Off-board Charger，快充通常採用直流DC充電，是指透過大功率30分鐘內充飽80%電力，目前Tesla可以做到20分鐘。驗證標準則以國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)所訂定的規範，再針對自己國內的狀況加以調整或修改。
除了台灣本土的使用情況之外，電動車的推展未來幾年在全球也蘊含龐大商機，充電設施就是國內相關廠商可以投入的市場，翁文進說明，充電樁與連接器主要市場有美規、歐規、中國大陸與日本等系統，可先以IEC的規範進行設計，針對不同地區再進行差異化測試。而測試的細節相當繁複，安規測試包括結構要求、電氣安全、環境測試、材料測試、機構測試、通訊協定等項目。
