技術探勘

圖1　汽車雷達模擬測試 雷達量測有訣竅 安裝於車輛前方的前向雷達，主要是用於偵測與前方車輛的相對距離及相對速度，以利駕駛控制單元隨時保證適當的行駛速度，亦或執行剎車甚至緊急制動，避免交通事故發生。距離及速度偵測結果的精準度是重要的雷達特性之一，而偵測結果的更新速度則是評判雷達之具體應用的一項指標。從產品研發角度來看，首先需要確定雷達是否能夠偵測到前方位於某一特定距離的物體，即障礙物。這是量測雷達接收機的靈敏度。在靈敏度滿足設計要求的條件下，需要確定雷達所偵測，與前方相對靜止的障礙物之間的距離，其精準度是否符合設計要求。鑒於目前對於雷達測距的要求，通常在一個有100多公尺長度的相對空曠場地便可以進行實際量測。不過，相對距離的量測只是第一步，而且是相對容易的一步，困難的是如何量測相對速度。 在簡易實驗室環境下，可以利用擾動產生都卜勒頻率變化，而模擬相對速度。但是，這種方法只適用於定性判斷，也就是判斷雷達是否能夠偵測到都卜勒頻率變化。 另外一種方法是路測，亦即將雷達安裝在實驗車預先設計的位置上，然後，開車到特定的路段進行量測。這裡有幾個問題需要事先詳細考慮。 第一，如果是一般路段，由於沒有車輛行駛限制，無法對路況進行設定，以致於在測試過程中常常會出現意想不到的情況。不僅如此，實驗車與其他車輛之間的相對速度需要進行估算。當然，利用第二輛實驗車，並且以固定的速度行駛，似乎可以解決須要估算相對速度的問題。不過，在一般路段上能夠允許在相對較長的時間內都是以固定速度行駛，而且不會受到其他車輛妨礙，是非常不容易的；而這樣的測試條件也很難重複實現。 第二，雖然有些實驗室或駕校提供沒有其他車輛妨礙的場地，但租金通常都不低。就算場地租金的高低不是問題，藉由雷達偵測到的相對速度之精準度將完全依賴於實驗車行駛速度的讀取。當然，這樣的測試條件很難在產品整個研發階段都得到滿足，而一般會在產品正式量產前進行有限次數的實景測試，以驗證在實驗室環境下量測結果的可信度。 由此可見，實驗室測試過程是必不可少的。接下來的問題是，實驗室測試環境應該是甚麼樣的？ 首先，量測儀器要能夠將至少上百米相對距離的需求縮小到幾米的空間內，利用延遲線的方法可以十分精準地滿足這一要求。不過，由於延遲線通常都是長度固定的，儘管通過組合的方式可以提高長度變化的範圍，顯然這種方法的局限性在於無法任意改變相對距離。不僅如此，使用延遲線也很難達到實現相對速度變化的需求。當然，延遲線的方法是可以利用在產線量測的，因為在產線上出貨率是關鍵，要儘量減少不必要的量測參數，通常只會對於單一固定的相對距離之精確度進行核准。 為了能夠有效地實現動態量測的需求，數位訊號處理的方法應運而生。從原理上來說，時間上的滯後可以等效為空間上的距離，都卜勒頻率變化量可以等效為徑向速度。如果加上波束成形技術，更可以實現於空間不同方向之雷達目標模擬。誠然，鑒於數位訊號處理方法有賴於計算能力，因此，最短的計算時間就決定了這種方法所能模擬的最小等效距離，亦即雷達目標之相對距離。儘管有這一等效距離上的局限性，數位訊號處理方法仍然不失為一種多功能的量測手段，特別是在實驗室環境下，利用先進的訊號處理功能來實現各種極具挑戰性的真實場景模擬。 例如，藉由硬體迴路模擬技術將非常複雜的道路實景數位訊號化，而在計算機上進一步更全面綜合地完成雷達偵測能力的最優化。不僅如此，通過改變雷達散射截面以模擬行人之雷達回波特性，進而將雷達功能拓展至更加嚴苛的應用環境中。特別是在城區內的繁華街道上，除了必須偵測前後左右各個方向的車輛之外，當各種行人隨意走動時，如何實現人群活動偵測的準確性與可靠性，將直接涉及到雷達的適用性這一重要議題。 通常來說，不同應用的雷達有著不同的可視範圍及可視縱深。一般的前向雷達具有相對較大的可視縱深以及相對較小的可視範圍。在未來的車輛上，除了前向雷達，還需要在其他方位上安裝至少七顆雷達，以保證在水平方向上不存在盲區。 由此可見，雷達目標模擬技術必須能夠滿足未來雷達偵測技術的多元需求，不僅要有足夠的動態範圍，還要有高度的靈活性，更要有良好的可擴展性。 非金屬材質雷達天線罩降低干擾 做為一個電子產品，車用雷達都會有防塵防水的結構。以車用前向雷達為例，其安裝位置主要是在保險桿上(如小型轎車)，或是於前方直接與廠家商標徽章合為一體(如大型客車，卡車)。無論哪一個安裝位置，都會涉及到如何選擇適當材料的問題。如果是在保險桿上，為了美觀還要考慮外部塗漆的材質，因為有些漆料含有細微的金屬顆粒或晶體，任何金屬成分都會對雷達訊號產生一定的影響，這是無庸置疑的。那麼，以非金屬材質的車標作為天線罩就不會對雷達訊號產生影響嗎？ 雷達訊號是一種電磁波。電磁學理論告訴我們，電磁波在任何兩種不同物質的交界面上都會產生反射現象。而反射波的強弱由電磁波的頻率以及這兩種物質的特性所決定。 此外，電磁波在一種材質中的穿透或傳播能力也是由頻率及物質特性所決定的。除了對於車用雷達本身的保護作用之外，雷達天線罩的最主要功能就是最大限度地降低有效電磁波能量的反射，同時，最大限度地提高有效電磁波能量的穿透。 更進一步地，未來的雷達除了需要偵測有無障礙物之外，還必須能夠判斷障礙物所在的空間方位。而空間方位之判斷正可謂「差之毫釐，謬以千里」。 具體來說，對於百公尺之外的障礙物的空間方位角度之判斷誤差為一度，將導致空間方位之判斷平移幾乎兩公尺。其可能的結果是，實際上不應該採取超車，而誤判進行加速超車，造成重大交通事故。 通常雷達天線罩會由不止一種材質組成。加上周圍的空氣，至少構成了兩種不同物質的交界面。車用雷達的工作頻率是不能任意改變的。因此，必須設法找到產生相對較弱的反射波的非金屬材質來製作雷達天線罩。 一種簡單的方法是利用一個已知的雷達產品偵測一個或多個位於某一或若干特定距離與空間角度的物體(通常是標準的角形反射器)，記錄偵測結果並作為參考數值。然後，將所有待測的被選天線罩依次擺放於雷達前方的設計位置上，分別記錄偵測到的相對距離與空間角度結果，並與參考數值進行比較。最後，藉由經驗值篩選出適合的材質。這種方法的特點是直觀，然而卻非常費時。 目前較為先進的方法是藉由射頻成像技術全面完整地分析雷達天線罩材質的射頻特性。這種方法可以僅用數秒時間對於在雷達工作頻率範圍內材質的一致性進行量測，這一特點對於雷達天線罩的設計極其重要。它不僅解決了耗時的問題，而且其量測結果達到毫米級的精度，而有助於分析產生上述的空間方位判斷平移之原因。更有意義的是，這種方法能夠快速檢測材質的反射及穿透特性，因此非常適合於產線上使用。 車用雷達技術方興未艾。高階的自動駕駛控制更是離不開具有全天候特性的雷達技術的不斷發展與完善。上述的車用雷達之射頻量測技術已經為實現車用雷達最佳化設計以及自動化生產奠定了關鍵的基石。 (本文作者為台灣羅德史瓦茲應用工程部經理)

動力鋰電池及材料整體技術路線將遵循高能量密度、高功率、長壽命和高安全方向發展。三元/二元正極由於能量密度高適合用於乘用車，而鋰鐵正極由於高安全性適合用於商用車。三元動力電池(方形VDA)能量密度目前已達220Wh/kg以上，循環壽命超過1,500次。規劃2020年能量密度目標300Wh/kg，2025年350Wh/kg，2030年達到500Wh/Kg。而在電巴、物流等應用之商用車鋰鐵電池能量密度目前為150Wh/kg，2020年目標160Wh/kg，而壽命要達到8年循環壽命6,000次以上。快速充電LTO電池能量密度目前為70Wh/kg，循環壽命10,000次以上；2020年能量密度目標120Wh/kg。 依一般構想，電動汽車在白天行駛，晚上可慢速充電五小時，如此也充分利用了晚上的低廉電價。但在實際生活中，受傳統習慣、生活節奏、物業管理等因素，用戶本身更願意接受快速充電。在同一個電池中，能量密度與快速充電可以說是不可兼得的兩個性能。而目前看來電池追求高能量密度是主流。當能量密度足夠高，一台車裝載的電量夠大，足以避免所謂「里程焦慮」，電池快速充電性能的需求就會降低；但電動車在「里程焦慮」無法突破的現階段，快充是一個可以發展的方向。另一方面，即使電池之電量提升至足以克服里程焦慮，但如果考慮電池成本，那麼購買較小電量並具快充性能的電池，也是不錯的選擇。 電解液護電池穩定與安全 鋰電池依「搖椅型(Rocking Chair)」的原理運作(圖1)，亦即帶電鋰離子在正負極之間運動，實現電荷轉移，給外部電路供電或者從外部電源充電。充電過程中，外電壓載入在電池的兩極，鋰離子從正極材料中脫出，進入電解液中，同時產生多餘電子通過正極集流體，經外部電路向負極運動；而鋰離子在電解液中從正極朝向負極運動，穿過隔膜到達負極；並經過負極表面的SEI(Solid Electrolyte Interphase)膜嵌入到負極石墨層狀結構中，並與電子結合。在整個離子和電子的運行過程中，對電荷轉移產生影響的電池結構，無論電化學的還是物理的，都將對快速充電性能產生影響。 圖1　鋰二次電池充放電機制示意圖 快速充電的原理主要是確保鋰離子快速從正極脫出，再快速嵌入負極。除正負極材料之外，電解液對於快充鋰離子電池的性能影響也很大，尤其電池在快充大電流下容易升溫，電解液要保證電池穩定和安全性，此時電解液要滿足以下幾個特性：不能分解；導電率要高；對正負極材料是惰性的，不能反應或溶解。如果要達到這幾個要求，關鍵要用到添加劑和功能電解質。比如三元快充電池的安全性受電解液影響很大，必須在電解液中加入各種抗高溫類、阻燃類、防過充電類的添加劑保護，才能一定程度上提高電池安全性。對於電池來說，如果要提升快充性能，需要在電池整體的各個環節中都下功夫，包括正負極、電解液、隔離膜和結構設計等。以下從正負極材料角度來探討。 快充正極製造材料各有挑戰 實際上，各種正極材料幾乎都可以用來製造快充型電池，主要需要的性能包括電導、鋰離子擴散、壽命、安全、適當的加工(均漿、塗布、滾壓及裁切製程)性能。當然，不同正極材料要解決的問題也有所差異。 舉例而言，磷酸鐵鋰側重於解決電導、低溫方面的問題；而顆粒表面進行碳包覆，顆粒適度奈米化，顆粒表面改質而形成離子導體都是最為典型的策略。三元/二元材料本身電導已經比較好，但是其反應活性太高，因此三元/二元材料更多在注重安全性和抑制與電解液的副反應的技術，例如表面進行奈米改質或是摻雜金屬元素；畢竟目前三元/二元材料的一大罩門就在於安全，而近來的電池安全事故頻頻發生，也對安全方面提出了更高的要求。目前研究結果顯示乘用電動車三元大型方形電池之能量密度提升至200Wh/kg以上時，電池不易通過穿刺、過充等安全規範，安全性變成一大問題。 除了可使用電解液安全添加劑，使電池在不正常升溫初期，阻斷導電通路，避免熱暴走之外，目前已有幾家電池廠採用三元混摻15~30%磷酸錳鐵鋰LMFP(圖2)技術，可以在本質上降低正極材料和電解液之反應熱(圖3)與反應性，有效提升三元電池安全性。 圖2　泓辰公司磷酸錳鐵鋰(LMFP)正極材料之充放電圖 圖3　三元混摻15~30wt.%磷酸錳鐵鋰可以在本質上降低正極材料和電解液之反應熱。 負極是快充鋰電池關鍵 鋰離子電池充電的時候，鋰離子向負極遷移。而快充大電流帶來的過高電位會導致負極電位更負，此時負極迅速接納鋰離子的壓力變高，生成鋰金屬樹枝狀結晶(Dendrite)的傾向會變大，一旦鋰枝狀結晶成長而穿過隔離膜，就會碰觸正極而造成短路，引發燃燒爆炸危險。因此快充時負極不僅要滿足鋰擴散的動力學要求，更要解決鋰枝晶生成傾向加劇帶來的安全性問題，所以快充電池實際上主要的技術困難點為鋰離子在負極的嵌入。 1.碳材 目前市場上占有率最大(90%左右)的負極材料是克電容量約360mAh/g之石墨，根本原因是便宜，以及石墨的加工性能與能量密度方面都比較優秀，缺點相對較少。石墨負極在電池化成時，表面會和電解液反應而形成一層SEI膜，它會增加電阻抗。在電流增大時，SEI會有一定程度的破裂，促使電極材料和電解液再反應，並進一步增加電阻抗。阻抗增高使得電池溫度升高，同時會伴隨著一些副反應，如電解液分解、電極上產生沉積物等，都會造成電池容量逐漸衰退。一般而言，負極決定鋰電池之壽命。由於石墨負極表面對於電解液較為敏感，因此石墨表面必須進行改質，提高其結構穩定性。此外，由於鋰離子(充電)嵌入石墨之速率較(放電)遷出的石墨低很多，所以必須促進鋰離子嵌入石墨內的擴散速率，才能有效提升石墨充電速率。 硬碳和軟碳類材料近年來也有不少發展。此類材料克電容量約230~270mAh/g，嵌鋰電位較石墨稍高，材料為非晶質(Amorphous)結構，且粉體中有微孔，因此反應動力學性能良好；但是材料首次充放電效率(80%)偏低，且成本較高，因此目前用量遠不及石墨。傳統石墨負極材料的大電流充放電能力可藉由顆粒細化、表面披覆非晶質碳軟碳(Soft Carbon, SC)(圖4)及混摻軟碳(圖5)來改進，突破了石墨不能快速充電的技術瓶頸。此外，目前市面上有所謂的石墨烯鋰電池，它是在電池中加一些可以提高電池快速充放性能的石墨烯。石墨烯是一種僅由7層以內碳原子構成的薄片。1毫米厚的石墨片大約包含300萬層石墨烯，這種網狀的二維晶體材料具有極好的導電性與導熱性。 圖4　傳統石墨負極材料藉由顆粒細化及表面披覆非晶質碳來改進快速充電性能。 圖5　傳統石墨負極材料藉混摻軟碳來改進快速充電性能 2.矽(Si)及矽氧(SiO) 矽或矽氧之電容量是石墨的5倍以上。其與碳之複合負極材料是下世代高能量電池重要的發展方向，Tesla電動車內松下的新型18650圓筒形電池已經開始應用此類材料。矽的快充性能差，它在充放電過程中，會和鋰隨電壓變化而形成不同的相，必須將顆粒奈米化以增加與鋰離子的反應速率及覆碳以增加導電性。如何在奈米化追求性能與電池加工性的要求方面達到一個平衡，是一極具挑戰性的工作。 3.鈦酸鋰(Li4Ti5O12) 快速充電性能最佳的負極材料是鈦酸鋰Li4Ti5O12。鈦酸鋰的優點為高功率、高安全性及長壽命；主因是尖晶石(Spinel)結構之鈦酸鋰材料晶體結構穩定，充放電所導致的體積變化率極小(不到0.2%)，因此循環壽命極優(>20000 Cycles)；此外，Li4Ti5O12電位為1.5V(vs.Li)，不會和電解液反應形成SEI，電池內阻抗不會上升。但其缺點為能量密度低。因此鈦酸鋰電池對於續航里程要求較高的場合並不太適用。 鈦酸鋰是尖晶石(Spinel)晶體(圖6)，含有八面體和四面體位置的一種立方體結構，這樣的組合形成了尖晶石狀的骨架結構。每個單位晶格總共包含56個原子，其中有24個陽離子和32個陰離子。其化學式為AB2X4，其中A陽離子和B陽離子分別位於8a四面體和16d八面體的位置。X陰離子(氧)位於立方體中最密堆積32e的位置；另外，16d八面體和8a四面體共邊；8a四面體也和16c八面體共面。為更清楚表達鈦酸鋰結構，可將方程式寫為LiO4，即Li位於8a四面體位置，另外1/3的Li和全部的Ti位於16d八面體位置，O則位於32e位置。鈦酸鋰在充放電過程中會發生Li4Ti5O12+3Li++e-<=>Li7Ti5O12的相變化反應。其放電機制如下(Core-Shell Model，如圖7)：活性物質表面發生還原反應(Ti4+→Ti3+)並由Spinel結構的Li4Ti5O12相變化為Rock-Salt結構的Li7Ti5O12，也就是呈現外殼Rock-Salt而核心為Spinel，此時的放電因兩相共存而為1.55V平台。隨著放電時間增加，外殼增厚核心變小，最後完全相變化成為單一Li7Ti5O12相的顆粒後，電位開始下降，從1.55V降至約0.7V。 圖6　鈦酸鋰尖晶石結構圖 圖7　鈦酸鋰充放電機制(Core-Shell Model)圖 Li4Ti5O12和Li6.5Ti5O12之晶格常數分別是8.358和8.356A，也就是說鋰離子進出時，其骨架結構幾乎不發生變化，因而具有良好的循環性能。 鈦酸鋰負極材料電容量為165mAh/g，而在10C(6分鐘)及20C(3分鐘)快充電容量為160mAh/g及145mAh/g，如圖8。粉體的一次粒徑~100奈米/二次粒徑~15μm(圖9)；比表面積<8g/cm3，振實及壓實密度分別達1.2及2g/cm3以上。 圖8　鈦酸鋰(台灣中油公司)充放電圖 圖9　鈦酸鋰負極粉體材料(台灣中油公司) 鈦酸鋰電池的技術挑戰之一是高溫脹氣，主要原因是鈦離子在充放電過程中其價數於+4與+3之間變化，此氧化還原反應催化分解電解液而生成氣體，必須靠鈦酸鋰粉體表面鍍層或高溫功能型電解液改善。 4.鈦鈮氧化物(TiNb2O7, TNO) 鈦鈮氧化物具單斜晶結構(圖10)，密度4.3g/cm3，充/放電體積變化率~7.22%，平均工作電位~1.6V，電容量達270 mAh/g以上(圖11)，較鈦酸鋰高60%以上，且同樣具快充、長壽命性質，可望成為下世代快充負極材料。 圖10　鈦鈮氧化物單斜晶結構 圖11　工研院開發鈦鈮氧化物負極材料之充放電圖 動力鋰電池發展鈦酸鋰為要角 應用石墨負極顆粒細化、表面披覆非晶質碳軟碳(Soft Carbon, SC)及混摻軟碳技術，鐵鋰電池可進行5C充電，過程用時7分12秒，完成20%至80%的充電，而20%到100%充電，耗時13分8秒。在保持磷酸鐵鋰高能量密度、高安全性、長壽命等優點基礎上，達成5C倍率快速充電。能量密度方面，5C速能型產品在70Wh/kg以上，3C高能型產品在115Wh/kg以上。而在三元體系的快充電池方面，目前已達成15分鐘從5%充電到85%電容量，能量密度190Wh/kg，循環壽命超過2,500次。 鈦酸鋰可搭配不同正極材料，如LiCoO2、LMn2O4、LiFePO4、LiMn1-xFexPO4、LiNi0.5Mn1.5O4、NMC三元等正極材料，工作電壓範圍從2V至3.2V如圖12。鈦酸鋰電池目前搭配一般正極例如錳酸鋰或三元，能量密度在60~70Wh/kg; 遠低於一般動力鋰電池的120~180Wh/kg。主要原因為負極LTO電壓高(1.5V)，造成電池電壓低。因此，必須搭配高電壓(5V)正極才能將電池電壓及能量密度提升。 圖12　鈦酸鋰搭配不同正極(Tsutomu Ohzuku, IMLB 2006) 鈦酸鋰電池具五分鐘以內快速充電能力及超過20年20,000次循環壽命，非常適合應用於風力、太陽能發電之大型儲電系統，以及汽車怠速啟停(Idling Start & Stop, ISS)系統方面。近三、四年來因應節能減碳的需求，汽車廠商發展應用於微混合動力汽車的怠速啟停系統，可提升燃油效率4~15%，由於成本低，市場成長快速。鋰電池因具備較佳的瞬充效率及淺充放循環壽命，已導入怠速啟停系統。微混合電動車電池模組的能量(360Wh)不大，但需要高功率放電達6KWh，-30℃低溫冷啟動達17C，快速回充達6C的能力。這對傳統以純石墨為負極材料的鋰電池是無法做到，主因是鋰離子嵌入石墨之擴散速率低，負極板在電池快速充電會容易有鋰金屬析出，造成的電池安全問題。 日本東芝公司之SCiB錳酸鋰(LiMn2O4, LMO)-鈦酸鋰電池(LMO/LTO)，其電池能量密度為68Wh/kg，目前已被用在多家車廠之ISS系統。Denso所製造的「ene-CHARGE」啟停系統(圖13)，亦採用東芝製造之3Ah SCiB鈦酸鋰電池製作12V啟停電池模組，目前每年出貨超過50萬套。 圖13　日本鈴木旅行車採用由東芝SCiB LTO電池所組成之Denso...