鋰電池

該公司新推出的產品涵蓋觸控、近接感應、無線通訊、智慧家電、直流無刷馬達(BLDC)以及安防等領域的MCU。由於疫情因素，健康量測產品增加最多，但長期來看，電源及聯網應用領域的發展潛力最被看好。 盛群半導體總經理高國棟表示，該公司2020年度MCU銷售量超出原先預期。 盛群半導體總經理高國棟表示，由於2020年COVID-19疫情持續延燒，健康量測MCU的需求成長幅度最高，暴增達131%。總體來看，大部分MCU產品線的銷售量均超乎預期，使總銷售量較去年同期增加27%，同時以2020年各季的銷售量來看，除了疫情剛爆發，市場受到最大衝擊的第一季之外，其餘季度皆比去年同期表現要來得好。高國棟認為，由於第三季的銷售狀況已經十分亮眼，因此第四季的銷售量將不會再出現大幅的成長。 高國棟進一步表示，針對電源領域MCU，除了行動電源/BLDC馬達之外，鋰電池充放電專用的MCU，亦為該公司的關注焦點。除了可攜式裝置外，許多非可攜式裝置如電動牙刷、刮鬍刀等，也開始使用鋰電池，並搭載無線充電功能。這類應用產品朝小型化發展，已成為業界趨勢，這意味著市場將需要更高整合度的鋰電池相關解決方案，例如整合充電功能的MCU。此外，由於鋰電池具備單價低、扭力強的優勢，廣泛用於各類產品，且相較觸控MCU龍爭虎鬥的市場，其現階段尚無許多競爭對手，因此成為該公司主力發展的方向之一。 高國棟表示，盛群在電源應用相關領域的布局有四個重點，其中又以整合鋰電池充電功能的MCU為發展主力。 另一方面，針對智慧家電等無線聯網領域的應用市場，高國棟也表示，像是觸控、真無線藍牙耳機(TWS)等領域應用，雖然2020上半年市場需求反應良好，但相關零組件供應商最終仍需面對中國家電業者全球市占率高達80~90%的現實。由於中國市場占比過高，使零組件供應商很容易被其波動影響，如第三季華為銷售量下滑，相關業者遭受波及，就是一個明顯的案例。為此，盛群已著手擴大國際布局，如趁於印度提倡自主組裝的勢頭，將模組提供給該國廠商組裝，並藉此分散風險。

盛群(Holtek)針對鋰電池手持產品領域規畫一系列的微控制器，並將BP66F0043型號更改為BP45F1130以及BP45F0104型號更改為BP45F1330，作為鋰電池手持產品系列微控制器的一員。 BP45F1130與BP45F1330內建10-bit ADC及400mA的Linear Charger。其中BP45F1330更內建H-Bridge驅動電路，可直接驅動直流馬達正反轉。且封裝尺寸較小，適合於以單節鋰電池供電為主的應用。 BP45F1130與BP45F1330資源具有2K×14 Flash程式記憶體，32×14 Emulated EEPROM。工作電壓1.8V~5.5V、最多19個I/O可複用使功能極大化。內建的10-bit ADC可選擇內部1.6V作為ADC參考電位，搭配內建Linear Charger可透過軟體設置40mA~400mA恆流充電，並且自動切換涓流、恆流、恆壓、回充模式。內建I/O輸出電流4段可調功能，可無需限流電阻直接驅動LED。BP45F1330內建H-Bridge可直驅最大2.1A直流有刷馬達，且可由MCU進行電流檢測，並具備OCP、OSP、OTP等全方位保護功能。 BP45F1130與BP45F1330具有1組8-bit Timer可實現Timer、Event Counter與Pulse width Measurement 3種功能，1組8-bit PWM脈波寬度調變控制輸出。在封裝方面，BP45F1130提供16/20-pin NSOP、24-pin SSOP封裝，BP45F1330提供24-pin SSOP封裝。

石油供應商道達爾(Total)旗下電池製造商Saft與寶獅雪鐵龍集團(PSA)旗下的汽車製造公司歐寶(Opel)，日前宣布將於法、德兩國創建兩座電動汽車(EV)的電池製造工廠。雙方預計需斥資約50億歐元，同時建立名為Automotive Cell Company(ACC)的合資公司。 Total與PSA預計聯手於歐洲布建兩座電動車電池工廠。 PSA集團董事會主席Carlos Tavares表示，該項合作目標是提供人們乾淨、安全及可負擔的彈性能源選擇，本次合作將促進歐洲汽車電池開發及生產。此外，在法國、德國政府及歐盟授權支援下，該計畫獲得近13億歐元公共資金，賦予該項合作決定性意義。 歐盟於2019年宣布擴大電動汽車銷售量，並且希望在2030年時，歐洲汽車電池市場產能可達到400GWh，為當前需求量的15倍，因此汽車製造商紛紛商討對策。而電池於電動汽車產業位居要角，因此本次合作計畫將利用Saft的技術，於應用範圍及充電時間兩方面體現高能源效能，並降低碳足跡，同時使電動汽車電池能於2023年開始生產。 本次合作項目分為兩階段，其中第一階段將花費2億歐元，自2021年中起於法國布建工廠，預計創造約200個高階工作機會，以開發、鑑定新高效鋰離子電池並擴大商業規模，逐步達到24GWh；第二階段則於德國興建同產能的工廠，最終目標於2030年達到48GWh，意即每年可生產一百萬個電池，約占歐洲市場的10-15%。 道達爾董事長兼執行長Patrick Pouyanné表示，該公司於2016年收購電池製造商Saft，目的是開發能源儲存技術以支援可再生能源(如太陽能及風能)成長。而電力交通的飛速發展提供該公司成長機會，並兌現去碳化經濟的承諾。

盛群(Holtek)針對鋰電池保護應用領域，新推出HT45F8550/60鋰電池保護SoC MCU。相較於傳統鋰電池保護控制器，HT45F8550/60內建高精度(±1%)LDO及各節鋰電池電壓偵測電路，精準度為±0.5%，大幅減少零件數量並縮減PCB板空間。適合應用於3至8串鋰電池產品，如電動工具、無線吹風機、無線吸塵器等。 HT45F8550具有8K×16 Flash ROM、512×8 RAM、128×8 EEPROM，在I/O方面具有16個多功能引腳。HT45F8560具有16K×16 Flash ROM、2K×8 RAM、1024×8 EEPROM，在I/O方面具有33個多功能引腳。HT45F8550/60具有12-bit多通道ADC，用以量測電壓、溫度、電流等訊號。另有完整的SPI、I2C和UART通訊介面，搭配內建IAP功能實現在線更新程式。 在封裝方面，HT45F8550提供28-pin SSOP封裝，HT45F8560提供48-pin LQFP封裝。HT45F8550模擬片採用OCDS EV架構HT45V8550，HT45F8560則內建模擬OCDS功能，使開發更為簡便。

盛群(Holtek)針對鋰電池應用領域，新推出BP66F0043單節鋰電池充電管理微控制器。BP66F0043內建10-bit ADC及最大400mA Linear Charger，封裝尺寸極小，非常適合於以單節鋰電池供電為主的應用。 BP66F0043資源具有2K×14 Flash程式記憶體，32×14 Emulated EEPROM。工作電壓1.8V~5.5V、19個I/O可複用使功能極大化。內建的10-bit ADC可選擇Bandgap經OPA放大為1.6V做為ADC參考電位，搭配內建Linear Charger可透過軟體設置40mA~400mA恆流充電，並且自動切換涓流、恆流、恆壓、回充模式。內建I/O輸出電流4段可調功能，可無需限流電阻直接驅動LED。 BP66F0043具有1組8-bit Timer可實現Timer、Event counter與Pulse width measurement 3種功能，1組8-bit PWM脈波寬度調變控制輸出。在封裝方面，BP45F0043提供16/20-pin NSOP、24-pin SSOP封裝。

盛群(Holtek)針對鋰電池應用領域，新推出BP66F0043單節鋰電池充電管理微控制器。BP66F0043內建10-bit ADC及最大400mA Linear Charger，封裝尺寸極小，非常適合於以單節鋰電池供電為主的應用。 BP66F0043資源具有2K×14 Flash程式記憶體，32×14 Emulated EEPROM。工作電壓1.8V~5.5V、19個I/O可複用使功能極大化。內建的10-bit ADC可選擇Bandgap經OPA放大為1.6V做為ADC參考電位，搭配內建Linear Charger可透過軟體設置40mA~400mA恆流充電，並且自動切換涓流、恆流、恆壓、回充模式。內建I/O輸出電流4段可調功能，可無需限流電阻直接驅動LED。 BP66F0043具有1組8-bit Timer可實現Timer、Event counter與Pulse width measurement 3種功能，1組8-bit PWM脈波寬度調變控制輸出。在封裝方面，BP45F0043提供16/20-pin NSOP、24-pin SSOP封裝。

鋰電池安全問題不斷，國際法規單位均高度關注相關風險。為提高工作場所的安全性，在職業安全管理領域具指標性地位的美國職業安全衛生署(OSHA)日前公告採納3本UL電池標準，強調使用於工作場所的鋰電池產品必須遵照UL標準，並由合格的國家認可實驗室(Nationally Recognized Testing Laboratory, NRTL)認證，以確保符合美國法規要求。 UL副總裁暨台灣總經理陳宗弘表示，美國是世界最大的經濟體，亦是台灣廠商的重點出口市場，台廠在爭取各項設備商機的同時，需特別注意當地法規的變化。UL致力於電池安全發展，制定了多項電池標準，除了獲美國OSHA採用納入NRTL計畫，UL標準亦是美國、加拿大認可的國家標準；UL具備美國NRTL資格，能全力協助台廠快速因應。 根據2018年美國消費者產品安全委員會(CPSC)的報告指出，在2012~2017年，有據可查且記錄在案，起因於鋰電池導致的過熱和火災事故，全球就有超過2.5萬起，相關產品種類更是超過400種。在現今的工作環境中，也大量使用如筆記型電腦、平板電腦、藍牙耳機、手機、手持工具、醫療設備、工業設備，甚至利用電動交通工具，如電動滑板車、無人搬運車AGV等，而這些設備的共通性都是採用了鋰電池。 美國OSHA於2019年1月18日就提出最新的潛在安全事故預防指南：要求雇主/企業在工作場所中使用的鋰電池、充電器和鋰離子驅動相關設備，必須依照適當的測試標準進行測試，並獲得具備NRTL資格的檢測機構頒發認證。美國OSHA採納的UL電池標準，包括UL 2054、UL 2271，以及UL 1973。 UL 2054是針對使用於家用和商用的電池標準，規範包括手持式行動裝置的可攜式應用和消費型電子產品；UL 2271則是針對輕型電動車(LEV)應用的電池標準，適用範圍包括個人電動載具，如電動滑板車，電動自行車和各種工作場所使用的商用/工業車輛；UL 1973主要用於固定電池組、車輛輔助電源和輕型電動軌道(LER)等應用的電池標準，使用於如數據資料中心、IT設備和併網儲能系統等的評估。 陳宗弘進一步表示，伴隨著工業4.0、智慧製造的趨勢，未來更多的工業機器人、無人搬運車等，將大量運用在工作環境中。UL的電池標準，如UL 2271、UL 1973皆能提供相應的安全評估。面對創新科技的推陳出新，UL亦會隨著產業脈動，以安全為基，搭配終端應用，加速電池領域的標準發展。

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。

已經奔馳超過百年的內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車輛，最近幾年將出現產業發展的重大轉折，背後更是一場人類交通工具從內燃機轉換到電動馬達的革命。2019年3月，電動車領導廠商特斯拉(Tesla)宣布大幅降價，引發「特斯拉之亂」，深入觀察可以發現電動車即將進入高速成長階段，不僅許多新興新能源車廠殺進市場，傳統車廠電動車的量產計畫更是磨刀霍霍，特斯拉主動降價背後有其龐大的產業競爭壓力。 依照各國政府近年宣布的時程，最快5~6年後，全球各國家地區就將陸續進入電動車時代，由政策帶動淘汰燃油車，電動車成為主流已是定局。然而從技術發展角度來觀察，電動車三大系統：馬達、電池、電控，同時也還面臨不少問題須要克服，「天下大亂，形勢大好」面臨交通工具百年一遇的典範轉移，克服問題的同時，也有許多商機與產業機會應運而生，如何發現與掌握，該是關心此領域廠商最大的重點。 電動車主流勢不可擋 電動車趨勢已是眾望所歸。從整體汽車產業的發展來看，工研院產科國際所智慧車輛與系統研究部經理謝騄璘(圖1)指出，ICE車輛市場成長已接近飽和，2017年全球整車出貨成長率約3.1%，2018年僅1.6%，預計2021年左右純ICE將步上負成長之路(圖2)；反觀電動車2017年出貨量約310萬台，年成長率27.7%，2018年約370萬台(圖3)，年成長率18.3%，未來幾年將維持高度成長趨勢，2022年電動車總銷售量將跨越1,000萬門檻，並持續壓縮ICE車輛的發展。 圖1　工研院產科國際所智慧車輛與系統研究部經理謝騄璘指出，2022年電動車總銷售量將跨越1000萬門檻，並持續壓縮ICE車輛的發展。 圖2　2015~2030年全球車輛發展趨勢 資料來源：汽機車產業年鑑(2018)、Marketlines(2018)、F&S(2018)、McKinsey(2016)、工研院IEK Consulting Research(2018) 圖3　2008~2018年電動車發展趨勢 資料來源：Marketlines(2018) 、工研院IEK Consulting Research(2018) 因此，汽車巨擘德國福斯(VW)於2019年初高調宣布計畫在2028年前銷售2,200萬輛純電動汽車，相較2018年銷售4萬輛是個非常高的目標，並計畫於2025年推出超過50款純電動車型，到2028年將增至70款，2030年全球銷售量有40%都是電動車，促使龍頭車廠做出如此大規模的策略轉變，確實是因為電動車大浪來襲、勢不可擋。 過去幾年，在環境議題的發酵之下，電動車的發展相當依賴各國政府的政策驅動，歐盟在2018年12月17日通過協議，決定在2030年之前減少37.5%的汽車二氧化碳排放量，以2021年的碳排放目標為基準，在2030年時歐盟會員國必須減少37.5%的汽車碳排放量，貨車則須減少31%。在節能、減碳的大旗下，ICE車輛的發展空間越見壓縮，同時也為電動車與新能源車開闢了寬廣的發展大道。 而為了鼓勵消費者使用電動車，各國政府提出許多政策補助方案，如美國購買插電式電動車的消費者將獲得2,500美元至7,500美元的稅收抵免。另外，2018年中國取消續航力在100~150公里的電動車購車補助，而續航力400公里以上車款的補助，從4.4萬元人民幣提高到5萬元人民幣；2018年中國開始實施雙積分制，目的也是為了讓車廠更積極開發電動車和生產低汙染燃油車。英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌(圖4)認為，從2019年中國車廠的布局來看，中、高續航里程的純電車的比重逐漸提高，同時插電式混合動力車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)由於可降低純電車的續航里程問題，更受市場的歡迎。 圖4　英飛凌大中華區汽車電子事業處市場經理朱文斌認為，從2019年中國車廠的布局來看，中、高續航里程的純電車的比重逐漸提高。 電動車技術/市場充滿挑戰 不過，未來幾年電動車的直接購車補助將會逐漸退場，謝騄璘表示，Tesla在美國已達20萬銷售門檻，前述減稅補助誘因將被政府收回，為免車價影響消費者購車意願遂主動大幅調降售價。然而從另外一個角度來觀察，電動車為什麼可以取代發展超過百年的內燃機車輛？從車輛基本的驅動與能量轉換效率來看，電動車捨棄引擎、變速箱等，改由馬達直接驅動，整體能量轉換效率由內燃機的20%~40%，提升到80%左右，沒有太多額外的能量被用在他處，也少了汽油車會有的震動(震動能)、噪音(震動能)、廢熱(熱能)與廢氣(化學能)。 從車輛產業的趨勢來看，朱文斌解釋，電動化、自動駕駛、聯網化是未來的發展重點，不過這三大趨勢不僅帶動車輛製造、生產的產業鏈變革，愈來愈多分析師紛紛預測，再過不到20年，許多消費者願意放棄車輛的「擁有權」，租賃共享、自動駕駛服務可能會成為未來使用交通工具的新風貌。車廠、產險公司皆在研議如何轉型，更有許多新型態的交通服務悄悄萌芽中。 然而，汽車產業鏈的解構再重組依然是現階段最容易觀察的部分，無論是車廠、電動汽車各個零組件廠商，還是半導體元件廠商都積極布局電動汽車產業的發展紅利。當然也面臨不少挑戰，朱文斌說，從消費者需求上來講，如何提高電池密度，提高行駛里程來解決續航力問題；在配套上，如何建立合理布局的充電網路，如何解決快速充電問題；從產業鏈方面，如何建立電動車的回收產業鏈(鋰電池回收)，使電動車產業更環保；從車廠來講，如何降低電動車的成本等，都是接下來的發展重點。 電池技術突破為續航力關鍵 電動車的馬達、電池、電控三大系統中，電池占了整車30%~40%的成本比重，電池效能占據電動車續航力的關鍵，過去電動車使用最為人所詬病的問題之一即是「里程焦慮」，由於充電設施不普級、電動車充電時間動輒數小時、鋰電池安全性/能量密度/容量等技術瓶頸，導致使用便利性不如ICE車輛，消費者僅能在市區短程、短時的應用中派上用場，不利長途與長時間行駛，降低消費者購買電動車意願。 電動車推動過程中，電池既然占有關鍵地位，但其技術改善又相對緩慢，造成多年來電動車產業發展的困境，Tesla是目前全球公認在這部分技術最前瞻的廠商，其市售車的續航力從300~600多公里，已能應付一般人每日長短程的用車需求。另外，中國電動車補助也往400公里的中高里程推動，目前電池與充電技術的改善與成本的降低，已到了能為市場接受的黃金交叉點。 電動車電池採用液態的鋰電池依然是主流，致茂電子電力電子量測系統產品部副課長林信宏表示，目前電動車主流的電池組為96串，車廠除了致力提升電池的能量密度與整體容量之外，安全性也是不容妥協的重點，鋰電池燃燒主要原因之一為電池芯過充電或短路，只要有電壓差、燃燒介質、氧氣，就會造成電池芯持續燃燒且難以撲滅，車輛安全與人命高度關連，所以電池安全性受重視的程度不亞於效能。 由於電池芯的燃燒特性，故在電池包設計上就必須將電池芯的狀態監控進行嚴謹的設計，林信宏強調，電動車電池管理系統(BMS)通常包括電流採樣單元(CSU)、電池芯監控線路(CSC)與電池管理單元(BMU)。電流採樣單元與電池芯監控線路將透過CANbus訊號將資訊傳給電池管理單元，再發出處理指令，相互運作。電池芯監控線路需要具有量測電池電壓的功能，防止電池芯進入過充狀態避免起火爆炸，透過設計電路避免電池過充電、過放電、過溫度等異常狀況出現。 同時由於電池包電壓超過安全電壓60V，為保護人身安全，各國法規或標準定義絕緣阻抗(Isolation Resistance)的要求；林信宏指出，電動車內之高壓電系統由於動能轉換裝置或其他電器裝置的影響，使高壓電路與車殼(電路系統參考電位)間無法完全斷開，為確保其間通過之電流不致於造成人員傷害，須確保高壓電系統及車殼間之絕緣阻抗大於規範值。其規定為：對於直流電匯流排處於工作電壓時應至少為100Ω/V，而交流電匯流排處於工作電壓時則至少為500Ω/V。 故在機構設計上必須符合此絕緣電阻要求，但電動車在使用過程中若發生碰撞等破壞結構因素，難以保證此要求，故在電池管理系統的電池管理單元上，必須具備絕緣電阻異常偵測，當絕緣電阻異常時，電池管理系統必須切斷電壓輸出，確保人員安全，常見作法有平衡電橋法、不平衡電橋法、低頻探測法。 半導體元件扮演效能改善要角 電池技術已經有越來越多廠商投入，除了在現有的高分子鋰聚合物電池之外，鋰固態電池、燃料電池與石墨烯電池等新電池、材料，也在如火如荼發展中，德國汽車工業協會主席馬蒂斯在2019年日內瓦國際車展開幕前表示，德國汽車產業將在未來三年投資近600億歐元在電動車和自動駕駛領域。其中，400多億歐元在電動車，相信極大比重是電池相關技術，也由於電動車受到高度矚目，吸引大量資金投資，必將帶動更多技術突破。 而相較於技術突破難度較高的電池，與電控或管理關聯度較高的半導體元件，技術改善難度低，尤其是半導體元件過去已廣泛應用在各個領域，車規半導體也已發展多年，針對電動車的需要進行改善，容易取得具體的成果，以電動車產業所帶動的龐大商機，對於半導體廠商自然有高度吸引力，朱文斌就認為，主逆變器、車載電源、車載充電器、電池管理系統市場會具有很好的成長性，而由於功率元件在這些換能子系統中處於核心位置，將帶動已經布局成熟的功率半導體元件廠商，主要是IGBT模組、分立式IGBT、MOSFET等功率半導體元件。 此外，恩智浦半導體大中華區汽車電子市場經理周翔也認為，上述系統中主要的半導體元件包括MCU、電池管理類比前端、電源晶片等前景極佳，安全更是選用半導體晶片時的關鍵：採用符合ISO 26262 ASIL-C/D的半導體元件和流程設計來規範與提高系統級安全。另一個考量重點則是高效率，透過採用碳化矽等新型高效功率元件，來提高能效比，以提升馬達性能延長續航里程。 半導體元件對電動車的整體效能改善幅度不若電池組，但卻是積小勝為大勝的範例，以近期熱門的48V系統來說，美商懷格(Vicor)台灣區總經理翁鴻裕(圖5)談到，48V系統可以應用在所有包括ICE車、油電混合車與電動車，不過新型電動車款也會同時導入ADAS系統，因此電控系統越來越多，電源管理的需求提升，以基本電學公式來看：功率(P)=電流(I)×電壓(V)，在功率不變的狀況下，電壓提升為傳統12伏的四倍，電流就會降低為1/4。 圖5　美商懷格台灣區總經理翁鴻裕談到，48V系統可以應用在所有包括ICE車、油電混合車與電動車的電路系統。 翁鴻裕進一步說明，電流變小整個傳輸電路安全性就會提高，因為損耗變小，傳輸產生的廢熱也是；從傳輸損耗的角度來看，電壓(V)=電流(I)×電阻(R)，所以功率(P)=電流2(I)×電阻(R)，傳輸阻值不變的狀況下，電流會進一步降為1/16。這也是一般電力傳輸都使用高壓電的原理，而過去電子系統內部傳輸使用12V電壓已久，為提升效率又兼顧電力安全性，業界認為48V是可以兩全其美又不用大幅調整架構的選擇，在車輛的電力傳輸與轉換架構上，48V系統因為效率改善，甚至可以達成省油或提升續航力的綜效。 打入電動車產業鏈黃金時期 從車輛系統的複雜度來看，謝騄璘比喻，若電動車為1、ICE車輛約為2.5、油電混合車輛為5，ICE系統複雜但是經過百年的發展，技術成熟而且體系完整，電動車系統雖然系統單純，畢竟發展時間尚短，而且許多電子架構導入車用系統的過程，包括環境耐受度、耐用性、抗干擾、安全系數等的要求都更高，最近幾年電動車關鍵零組件發展的重點應在此，能夠提出符合產業要求的產品、技術，就有機會切入電動車產業鏈並卡位。 對台灣廠商而言，過去ICE車輛產業鏈相當封閉，電動車等於為新進的廠商開了一扇門，不過汽車對於安全性的要求將越來越高，因此產業鏈在經過一段時間的重組以後，應該還是會走向穩定，對於台灣廠商來說，近年可說是最佳的切入時機。 因此，謝騄璘建議，台灣廠商可以在自身具備技術優勢的領域，投入如材料、系統整合、充電裝置相關的技術；汽車產業產品認證週期長，至少要設定3~5年紮馬步的時間；選擇進入車廠的OEM或經營售後市場，前者產品訂單會相對穩定，但毛利率較低，售後市場訂單不穩定，甚至要經營品牌，但利潤會較高，選擇適合自身優勢的方向堅定努力，或許可以開創一片新的藍海。

車輛電動化已成必然趨勢，為求更高續航力與行車安全，固態電池的研發已成大勢。然而，在固態電池大舉導入之前，其電池在短時間內依然是主流。在此階段，模組化量測儀器將能符合現階段相關製造廠商之需求。 國家儀器(NI)技術行銷經理吳維翰指出，自電動車發展初期至今，皆是以使用鋰電池為主；儘管鋰電池技術成熟並具備足夠蓄電量，然而由於其內含電解液的材料特性，當遇到車禍時，電解液燃燒將會釋放大量有毒物質，因此有非常高的安全風險。 有鑑於此，固態電池由於其體積小、較安全、充電量大的特性，可能成為未來趨勢。預計在未來3~5年將會出現顯著的進展。儘管目前固態電池的製程還未穩定，尚未進入量產階段，固態電池檢測規範亦尚未落地。 吳維翰指出，鋰電池的價格將隨著採用率提高而逐漸下降，到了2025年時，鋰電池的價格預計將達到2010年價格的十分之一。因此，在固態電池成熟並量產之後，成本也將逐漸降低，進而帶動在電動車領域的滲透率。 然而，在固態電池電池正式量產之前，相關供應商依然必須滿足目前的鋰電池量測要求，然而面對3~5年後即將面臨的固態電池大趨勢，也必須要開始布局。吳維翰認為，電池的測試項目不外乎結構相關測試(高溫、低溫、震動等測試項目)與電氣相關測試(高速充放電等測試項目)，因此，在此新技術研發階段，便相當適合導入模組化量測儀器。模組化儀器之優點在於能靈活應變不斷變動的測是規範，並能依照不同國家的法規要求調整。