充電站

世界各地目前競相將燃油車汰換為電動車，可預期電動車的採用率將大幅躍升。但電動車若要快速提升採用率，充電站的數量也必須大幅成長，超越目前的部署規模。本文將調查電動車採用率的大幅提升，對配電基礎建設造成的需求，以及規畫電動車充電基礎架構時必須納入的一些考量因素。 電動車成長預測 有關電動車的討論通常一開始會先從驚人的成長率統計數據談起，講到電動車的預測銷售量總是很誘人。以Energy Innovation組織提出的一項數據為例，在其預測中，到2030年全球電動車的數量將達2億5,000萬輛左右(圖1)，屆時每年銷售量約為4,400萬輛，所有電動車(兩輪車除外)將占全球新增汽車銷售量的30%，這被稱為EV30@30情境。此數據包含油電混合版及純電動版的汽車、巴士和卡車。如此看來，大勢已定，但人們終究還是要面對現實：此成長軌跡的誤差線為何？又有哪些假設和已知的風險？深入來看，這些來自不同出處的成長率資料有部分存在著很大的差異。其所引用的銷售數據各自加入了一些假設，也就是電動車購買力、未來技術的提升、油價、法規獎勵，還有數十項其他因素的變動。此外也大幅取決於中國的採用成長率，畢竟中國在2018年的全球新車銷售量占比高達45%，相較之下歐洲為24%，美國則為22%。而一項出自美國能源資訊局(EIA)《2020年年度能源展望》的數據指出，美國2030年的電動車總銷售量將遠低於100萬輛，如果地理百分比分配率維持不變，這數量只有EIA預測數量的十分之一不到。另外，該展望也預測，燃油車到2050年之後仍將占銷售量大宗，端看讀者要相信哪一個。 圖1　根據Energy Innovation的預測，至2030年全球電動客車銷售量將突破2億5,000萬輛　資料來源：Energy Innovation 電動車採用率影響因素 電動車目前仍相對昂貴，樂觀派的預測假設價格將會隨銷售量和技術的提升而調降，但銷售量要提升，前提是價格要先下跌。這是先有雞，還是先有蛋的問題。有些製造商承認，為了帶動市場，他們幾乎每輛車都是認賠賣出，這絕非好的商業模式，對投資人的耐心也是種考驗。來自政府的壓力是另一項激勵因素，為了減緩氣候變遷，控制污染程度，全世界的掌權者都宣布要在特定日期前實現禁售內燃機引擎(ICE)車輛的決心。這一目標看似聳動，但這大多是指禁售純ICE的車輛，油電混合車則不在禁售名單內。車商也玩同樣的文字遊戲，他們不顧一切地設法不讓其ICE製造設備遭到完全扼殺，因此答應未來在銷售車款中加入100%的電動車系列，但他們其實是指100%純電動車或油電混合車。 另一個會影響電動車價格的因素，則是油價。油價對未來電動車的增幅有很大的影響，截至2020年上半年，原油價格仍持續波動。 儘管世界衛生組織指出全球因空汙而早死的人數多達420萬人，但要是電動車的購買成本和維運成本無法提供足以替代ICE的激勵因素，關於減緩氣候變遷和改善環境的爭論也可能逐漸消退。 里程焦慮 影響電動車成長的一大阻礙，就是關於充電的疑慮。最早的電動車可行駛里程大約只有160公里左右，變成只需行駛短程的特定駕駛人的利基產品，他們開回充電站通常是為了「循環充電」。受技術進步之賜，目前高階車款行駛里程可達約480公里，但焦慮仍存在，因為車主都認為充電點過於稀少。一般電動車沒電「拋錨」，就算有熱心路過車主出借備用電池，也無法讓車子起死回生，這是大家都知道的。 相比於加油站，充電「站」可能數量更少，且間距更遠，但這不過是供需的問題；美國約有2億7,000萬輛汽車和15萬間加油站，以每間加油站有八支加油槍來算，每支加油槍約分配225輛車。相比之下，全球約有500萬輛電動車和約41萬個公共充電點，每個充電站約分配到12輛電動車，兩者的可得性相差18倍。如果將辦公室和家庭充電點算進來，大概每輛電動車可分配到將近一個充電點。 然而不能直接這樣比較。油箱加滿約需要10分鐘，加上稍作休息，再去超商喝個飲料，可能要15分鐘。但是，電動車電池用高速公路休息站的「慢速」充電器可能要好幾個小時才能充飽，假如所有充電點都有人使用，下一個充電站又遠在天邊，這個可得性數據可一點用都沒有。 每個人都想相信未來是電動車的天下，人們可以預期基礎建設也會隨之成長，符合其中一個預期的成長情境，並希望是往好的方向發展。有些地方可能供不應求，有些則供過於求，加上對需求的不確定性，還有各地區的差異性都需要加以考量。可以確定的是，像新車銷售量約60%為電動車的挪威，他們在未來幾年建置的充電點數量，勢必會高過2019年新電動車掛牌數百分比只有1.6%的英國。 供電隱憂 里程是焦慮的來源之一，但人們是不是也該擔憂未來的電力供給？目前電動車充電對電網造成的負載幾乎可省略不計，根據Bloomberg ENF指出，電動車用電量從2018年到2050年將成長57%，但仍只占全球用電需求的9%。到2050年時，美國的電動車用電量將達800至900兆瓦時，而總用電量約為30,000兆瓦時(圖2)。 圖2　Bloomberg ENF估計至2050年時，電動車總用電量將大幅成長　資料來源：Energy Innovation 本文假設技術仍會不斷進展，例如，電動車目前將電池電力轉換為車輪動力的效率只有59%至62%，仍有預期改善的空間(與ICE相比，汽油中的化學能轉換為動力的轉換效率只有17%至21%)。至今針對電動車銷售量和用電量引用的數據皆單純指輕型車(LDV)，如果日後電動卡車問世，這些數據將過於保守。建造所需的充電站和升級電廠基礎建設的時間表，實非政府掌權者在任期內和立即的政治手段所能解決，但電力設備供應商則相信電動車已是勢在必行，並為充足的基本能源供應作好規畫。基礎建設將隨成長中的共同市場而擴展，占比9%的電動車充電量似乎不會成為普遍性的問題。但就配電來說，離車子的充電電纜越近，情況則會有所不同(圖3)。 圖3　高壓電塔的設置對於電動車來說至關重要 配電硬體須符合未來電動車充電需求 從記錄來看，電力需求在夜間較低，負載尖峰約在早上7點人們展開一天的活動時。另一次尖峰則是在傍晚，當人們回到家，暖氣/烹煮器具全開時。在用電組合中加入電動車充電，用電模式將大幅改變，為了讓汽車在隔天早上上班前充飽電，負載尖峰會變成夜間。標準的家用充電器功率約為3kW或7kW，電動車充飽約需6至12小時，插電式混合動力車(PHEV)約需2至4小時，跟徹夜開啟一或兩部高功率暖氣差不多。但是高速充電器的額定功率可能高達22kW，幾乎要達到饋入家庭供電功率的上限，對沒有電動車的尖峰用電量來說普遍過高，當然就24小時的平均用電量來說也高出許多。當擁有電動車的家庭越來越多，對當地的配電網路將造成立即額外的壓力，電線桿上的變壓器將中電壓降壓到家用電壓時，也會不斷發出高分貝的滋滋聲作為抗議。而高電壓配電網路和變電站的處理能力則較佳，因為其是針對工業供電，尖峰發生在不同時段。當地的供電基礎建設可能首當其衝，像是存在重大地區差異的都會公寓可能都有停車空間，但是，電動車的電力無法直接由終端消費者的線路供電。其會在更高的電廠電壓下進行計量和聚合，對家庭用電和工業用電之間的負載，在硬體額定值內進行平衡。路旁和公用的快速充電點也是如此，其負載將直接加諸在高電壓網路上。 使用再生能源達到雙贏 對電動車存在已久的一項爭議，就是它並不是這麼環保，畢竟其充電的電力最終還是來自骯髒的煤炭或燃氣發電機。此問題會隨再生能源使用率提高而改變，但缺點是，太陽能板在晚上不能靠太陽發電，而風機發電又是一種不可預測的能源(圖4)。最理想的作法，就是利用一些能源儲存方法來平衡供電量，像是用湖泊進行水力發電儲能，但此法受限於地理因素。雖然也有一些前景看好的創意，例如將壓縮氣體儲存在岩床內，另外還有一種可能的作法，就是利用電動車內的合併電池組合，將能源輸回電網作為緩衝，然後提供電費上的回饋作為獎勵。 圖4　太陽能供電現階段仍有局限性 要將能源輸回電網，需要具有雙向功能的充電器，技術也早就有了。如果車子閒置不用，電力公司為了調度可從電池抽取電力，之後為電池再次充電，只要車主先在智慧充電器內設定將車充飽電可開出門的時間，對車主幾乎沒有任何影響(圖5)。 圖5　現階段電動車充電技術已為駕駛帶來便利性 隨著電動車採用率不斷提升，市場也期待基礎架構也能跟上其預測成長率的腳步。但是，電動車充電基礎架構的規畫極其複雜，因為有太多消費者和地方上的變數需要考量。可能影響電動車採用率的部分因素包括電動車購買價格、政府的電動車使用獎勵法規、電力供給、再生能源的角色，以及對快速充電站之便利性和可得性的疑慮。有鑑於上述這些因素都可能造成重大影響，對電動車採用率帶來不確定性，因此眾所期待的充電基礎架構究竟能否支撐這些需求，有待日後觀察。 (本文作者任職於貿澤電子)

電動車產業未來幾年將持續加速，以無聲、零排放、零震動的姿態完善產業鏈，持續挑戰內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛的主流地位，同時電池、馬達、電控三大系統也以分進合擊的方式，各自努力發展技術、結合提升車輛效能，然而不管是傳統車廠、新興純電動車廠、Tier 1車廠、通路商、零組件或資通訊系統廠商，都在積極布局與發展自己的解決方案。 未來幾年，相信特斯拉(Tesla)、比亞迪(BYD)與豐田(Toyota)、福斯(Volkswagen)這些新舊車廠間的競爭，到底誰能在下世代交通運具的新局裡取得成功，必然是業界持續關心的話題；然而交通運具牽涉的產業鏈既廣且長，不管是現有龍頭衛冕，或者後進者挑戰成功，在此之前還有更多其他廠商的布局與卡位，並牽動產業面貌的大幅革新，本文特別蒐集部分半導體業者的動態，希望能見微知著藉此洞察未來大勢走向。 電池為電動車技術發展主軸 整個汽車產業未來的投資重心將集中在電動車與自駕車兩大明星，其中電池絕對是最關鍵的部分，所以除了電池芯配方與新材料之外，電池管理系統(Battery Management System, BMS)就是現階段可以協助提升電池利用率的技術，ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai(圖1)提到，要完全耗盡電池堆中的每個鋰電池仍然是一個巨大的挑戰，原因是每個電池的性能不一致，因為溫度環境不同、運作期間性能的變化和降級、準確地感測和監控每個電池單元對於延長容限、實現電動車效率非常重要。 圖1　ADI汽車電子事業部策略行銷及業務開發總監Junya Nagai提到，每個電池的性能不一致，準確地感測和監控每個電池單元非常重要。 該公司一項稱為主動平衡器的技術，將解決電池性能不一致的問題，以提升充電及放電性能；另外，其ASIL-D等級、精確電池監控元件和主動平衡器能夠提升充電和放電性能並延長電池使用壽命，以滿足重複使用(Reuse)市場的需求。另外，致茂電子提供BMS功能驗證的自動測試系統、電池包實驗室測試方案與生產線電池包下線測試等方案。 致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏(圖2)表示，在BMS功能驗證的自動測試系統提供檢測電池芯監控線路(CSC)的功能，提供87001電池芯模擬器解決電池芯監控線路驗證的困擾，87001電池芯模擬器可精準模擬鋰離子電池芯，於可靠安全的環境下取代電池芯，測試電池監控線路，藉以模擬電池芯可吸收和提供能量的電源特性；同時具備電壓和電流的量測監控能力驗證主被動均衡線路與消耗電流，確保電池芯監控線路能準確量測到並處理電池芯電壓狀態變化；測試系統具備檢驗電池管理單元(BMU)上絕緣電阻異常偵測線路的作動情形，模擬絕緣電阻異常狀態，驗證異常時BMS所進行確保人員安全的對策是否有效。 圖2　致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，以讓電池包順利工作。 電池包實驗室測試方案主要目的在創造模擬電池包實際使用環境，以達到檢驗電池包效能與安全設計等機制是否達到設計要求，測試設備需要模擬車輛基本的特性，林信宏舉例說明，行車電腦模擬，需要建立讓電池包與行車電腦連接的模擬環境，才能讓電池包順利工作；透過統一診斷服務(Unified Diagnostic Services)對電池包進行控制、讓電池包能夠進入受測狀態；最重要的需要具備行車狀態模擬，達到即時控制電壓、電流、功率模式等要求。 以「過溫降載」的應用為例：當車輛的電池包在使用者操作下，若產生過溫度狀態，行車電腦將限制馬達驅動器的拉載功率，電池包的測試設備就必須具備即時狀態的模擬功能，在測試過程中收到電池包所回傳的BMS溫度訊息判斷是否過溫，將充放電設備輸出功率進行調降，達到降載的狀況；同時間會搭配資料收集器，進行電池包各串電壓與溫度的收集，整個操作過程要確認電池芯能在預定的操作區間使用，不會有電池芯異常(過電壓或過溫度)的使用狀態發生。 而生產線電池包下線測試方案針對高功率電池包(Battery Pack)配置，林信宏解釋，主要目的在確保電池包在各個生產組裝結束後，具備高品質狀態離開電池包生產工廠交貨給下游車廠，故會在生產流程的容許下進行電池包功能的檢測，對整個電池包組裝過程中可能發生的故障、安全問題進行測試驗證，確保產品是安全可靠的，內容包含：電池包連接與生產條碼對應測項確認，電池包軟體版本確認/程式燒錄/讀寫序號/運輸位確認，初始狀態確認後，就進行電氣安規測試，有絕緣阻抗測試與接地短路等安全測試。 隨後BMS功能測試包含：高/低壓繼電器開關功能檢測、風冷/水冷機制測試、錯誤碼診斷、性能測試、出廠總電壓檢測、出廠電池包SOC值檢測、高壓互鎖功能檢測、總成極性判定、總電流檢測、充/放電性能、內阻性能(DCIR)、單電芯電壓範圍、單體溫度範圍、電池包的最大單體壓差等測試項目，完成上述各測試項目的要求，進行全自動化的測試程序，完成產品驗證。 充電設施普及與介面標準化 相較於目前消費者使用電動車所產生的「里程焦慮」，過去ICE車輛在加油站不普及的時代相信也有，因此充電的便利性是電動車發展的關鍵之一，包括快充技術與充電站的基礎建設，這部分是台灣產業可以著墨的領域，然而目前充電連接器的規格並不統一，包括：美國SAE的J1772(CCS1/Type1)、國際電工協會的IEC 62196(CCS2/Type2)、日本的CHAdeMO、中國大陸的GB/T以及Tesla推行的SC(圖3)，而且還在發展當中。 圖3　目前充電方式與形式多樣，不利市場推廣。 而充電形式分為交流(AC)充電與直流(DC)充電，德國萊因(TÜV)商用與工業產品服務部門經理翁文進(圖4)指出，交流充電可使用家中220V電源，電流在32~72A不等，每小時充電量為7.0~15.8度電；直流充電使用380V以上的電壓進行充電，充電功率視電池狀況最高可以達每小時100度電甚至更高，AC充電多安裝於家中，DC充電以戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 圖4　德國萊因商用與工業產品服務部門經理翁文進指出，AC充電多安裝於家中，DC充電戶外充電樁為主，電壓高充電速度快。 為了確保車主可以安全無虞且有效率的使用充電設備，安裝的保護零件選用也是一個重點，像是防雷元件、過電流保護器、漏電斷路器、接地保護等，與安全保護都息息相關。翁文進特別提醒，幾個常見的安裝現場差異如：使用漏電斷路器，國際電工法規定在電動汽車充電系統中(IEC 61851-1)必須使用電流跳脫特性為Type A型，可針對交流及直流脈衝進行偵測跳脫，比原本在台灣市場CNS 5422認可的Type AC型有著更高的保護能力。 另外，當使用接地保護時，為確保接地連續性，在短路或電擊危險發生時，可以藉著阻抗匹配將電流導引至地面以保護人員操作安全。翁文進說明，在電工法規的建議是使用螺絲(栓)、彈簧華司、端子、華司、螺帽進行鎖固連接，同時也確保充電程序過程持續的進行。台灣夏季氣候多雷雨，為防止落雷對充電站系統以及電力設施的損壞，防雷元件的正確選用不可少，一方面免於設備遭雷擊而失去功能，也增加人員車輛使用充電站時的安全。 SiC功率元件將大量導入 現在主流的電動車電池組由96串4.2V的電池包串聯組成，總電壓約400V，為了提升電池的傳輸效率並串聯更多電池組，電池系統有往更高壓發展的趨勢，Nagai解釋，電動車傳動系統需要更高電壓、高電流切換開關元件。IGBT是目前常用的一種。當檢視提高逆變器效率和減少動力傳動系統重量和尺寸，以提高每加侖密度的挑戰時，寬能隙的碳化矽(SiC)切換開關元件備受矚目。不過，基於SiC的缺陷密度和晶圓尺寸仍與Si不相容，因此成本仍然是其採用的挑戰。 馬達可以說是電動車的心臟，英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌指出，電動車馬達主要是使用MCU、Gate driver、IGBT模組等核心元件。現階段馬達控制技術已經比較成熟，透過第三代半導體SiC功率模組的性能提升，將是提升馬達系統整體效率的重要關鍵。對於電機驅動，SiC能在目前IGBT的基礎上，提升效率5~10%，碳化矽的100K開關頻率有助於實現電動車的高壓快充。 電動車的充放電和機電轉換主要是靠功率半導體來完成，包括IGBT和MOSFET，一個是把電能轉化為機械能，比如馬達的機電轉化，或者把機械能轉為電能，比如電量回收。另一個功能是把電能從一個地方轉移到另一個地方，比如用車載充電器充電，就是把市電轉移到電池上。ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰(圖5)說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程，也具有高速、耐高壓、耐高溫、小型化以及低開關損耗等功能，能提升車載充電機、車載電源、主變頻器的效率。 圖5　ST亞太區功率元件技術行銷專案經理陳文聰說，從矽IGBT元件改成SiC MOSFET元件，平均可協助電動車提升4%的行駛里程。 包括PCB在內的高溫等級周邊零組件仍然非常昂貴，這也影響了SiC的另一個優點，即高溫耐受能力，其能大幅降低逆變器冷卻系統成本。陳文聰表示，目前SiC的價格相較傳統的矽功率元件還有一倍左右的價差，另外元件耐用度也是另外一個重點，汽車產業前幾年花費很多時間評估SiC的耐用性，由於電動車內部需要電能轉換的部分非常多(圖6)，像牽引逆變器(Traction Inverter)這類與馬達控制關係較高的元件會優先導入，2019年預計是電動車SiC起飛的時間，未來將廣泛應用在電動車的馬達控制與電控系統。 圖6　未來電動車系統將導入越來越多SiC功率元件。 資料來源：ST 另外，ADI強調其強固和可靠的隔離技術，以確保低壓系統和高壓之間不存在干擾。Nagai說明，該公司專注於IGBT、SiC智慧驅動器、整合隔離和電源技術，除了提供精小外型和強固的EMC/EMI功能外，同時更可降低系統成本。此外，ADI還為馬達定位感測提供高精度角度感測器，以便有效地驅動馬達。 掌握車輛電動化與智慧化契機 車輛電動化與智慧化將同步進行，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔認為，要提高車輛的運算能力，才能實現潛在的二氧化碳減排。從對傳動系統的精確、即時控制，到數學密集型能量優化策略，再加上車上不同電源的定時精確同步，可透過階梯式功能提高來實現可用的計算性能。因此，恩智浦發布下一代混合動力和全電動汽車的GreenBox開發平台。GreenBox允許汽車製造商和供應商在基於Arm Cortex架構的汽車處理多核平台上開發下一代混合動力和電動汽車應用。 GreenBox電氣化開發平台用於在真實的使用者環境中開發控制演算法並對其進行測試。隨著全球對排放的監管限制不斷增加，燃油經濟性目標也越來越嚴格，傳統汽車製造商和新的市場進入者都需要開發工具來快速設計電動和混合動力汽車。GreenBox為HEV/EV設計提供了一條簡單的即用開發路徑，該設計將使用2019才會問世的最新款S32電氣化MCU。 總結目前新能源汽車發展狀況，電動車市場進入推廣末期、普及初期，電動車電池占電動車成本比例需從30%~50%進一步下降，觀察近期Tesla大幅降價與其平價S3車款量產已上軌道，同時Toyota的油電混合車售價已經越來越貼近ICE車輛，電池的成本不再高不可攀。另外充電樁的普及與規格的統一/簡化也須持續推動，現階段混亂的現況可望慢慢改善。 車輛最重要的就是安全，電池包安全設計是無可妥協的重點，電池芯電壓狀態監測，避免過充電狀態產生，電池包在正常狀態使用下或是碰撞後的高壓安規監測都相當重要，避免危害人身安全；電池管理系統與電池包依照使用者的角度，在出貨前或是入料前檢驗都必須做嚴格控管，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必須具備。 上述發展重點有許多要依靠半導體元件的控制與轉換功能，才能精準地達到技術要求並改善現有的諸多問題，因此電動車中半導體元件使用的數量將會持續增加，每輛車成本中半導體元件成本比重也相對提升，挑選有潛力的系統/技術投入，台灣的資通訊、精密機械或汽車零組件產業，依靠過去深厚的基礎，有機會進一步提升，並找到下一個百年的成長契機。