電動車

國際半導體產業協會(SEMI)近日發布功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告(Power & Compound Fab Report to 2024)中指出，全球疫情蔓延下，半導體供應鏈一度受影響，疫後汽車電子產品不斷提升的需求即將復甦。全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能2023年可望首次攀至千萬片晶圓大關，達每月1,024萬片約當8吋晶圓(下同)，並於2024年持續增長至1,060萬片。 SEMI全球行銷長暨台灣區總裁曹世綸表示，碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)這類寬能隙材料，近一年以來在動力總成(Powertrain)、電動車車載充電器(EV OBC)、光達(LiDAR)、5G以及5G基地台等應用領域的普及，有很大進展。可預見的是，未來在汽車電子產品、再生能源、國防與航太等應用領域，其重要性不言而喻。SEMI看好全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產能，在未來將持續創下紀錄性新高。 預計至2023年，中國將佔全球產能最大宗，達33%，其次是日本的17%，歐洲和中東地區16%，以及台灣11%。進入2024年產業將持續走強，月產能再增36萬片，各地區佔比則幾乎無變化。 根據SEMI功率暨化合物半導體晶圓廠至2024年展望報告，2021年到2024年期間63家公司月產將增加超過200萬片。英飛凌(Infineon)、華虹半導體、意法半導體(ST)和士蘭微電子將扮演這波漲勢的領頭羊，共增加達70萬片。 全球功率暨化合物半導體元件晶圓廠產業裝機產能2019年同比增長5%，2020年增長3%，2021年則有7%的顯著成長。2022年及2023年將持續攀升，各有6%及5%同比年增率。 晶圓廠產業也正積極增建生產設施，預計2021年到2024年將有47個實現概率較高的設施和生產線(研發廠、高產能廠，含外延晶圓)上線。

恩智浦半導體(NXP)在NXP Connects 2020線上峰會的開幕主題演講中，恩智浦半導體執行長Kurt Sievers宣布與Volkswagen針對電動汽車(Electric Vehicle, EV)展開合作。Volkswagen已在其創新MEB平台採用恩智浦電池管理系統(Battery Management System, BMS)，幫助增加續航里程、延長電池使用壽命並提高安全性。恩智浦BMS提供出色的靈活度與可擴展性，能滿足當今電動汽車客戶的各類需求，無論是打造如突破性電動車ID.3的小型轎車(compact car)、插電式混合動力車(plug-in hybrid)，以及諸如ID.4、奧迪e-Tron或保時捷Taycan的豪華電動車。 Volkswagen AG 汽車能源供應暨高壓系統開發主管Holger Manz博士表示，作為Volkswagen首波電池電動汽車計畫的一環，在2029年前，我們將推出多達75種全電動車型。良好的電池管理系統不但提供功能安全性，還能在多款車型間擴展，使其能更輕鬆地實現電池的全部潛能、最佳化續航里程並延長電池的使用壽命。 儘管電動汽車(EV)已歷經多年發展，但該領域面臨的核心挑戰仍然是延長續航里程。隨著ID車系的發布，Volkswagen將透過提供45 kWh、58 kWh或77 kWh的電動汽車產品，突破電動汽車續航里程的極限。在效能高達100 kW的直流電(DC)快速充電模式下，中等容量電池可在30分鐘內達到260英里的續航里程。而大容量電池可使車輛在滿電後行駛多達340英里。 恩智浦半導體技術長Lars Reger表示，Volkswagen為即將到來的電動汽車時代提供豐富選擇。很高興能夠提供支援跨車型擴展的精密系統級(precision system-level)解決方案，此解決方案在簡化設計的同時，還能提供最高等級的安全性。 目前，全球排名前20名的汽車製造商中，已有16家在設計中採用恩智浦電池管理解決方案。

安馳科技專案技術應用工程經理黃信傑表示，台灣製造業目前正處於智慧密集(工業4.0)階段，可看到許多上市櫃公司與法人單位(如工研院)，挹注大筆研發經費與人力資源發展工業4.0，同時政府亦推出生產力4.0發展計畫，整合台灣既有軟硬體與媒合創新產業。 圖　安馳科技專案技術應用工程經理黃信傑表示，憑藉台灣優良的半導體產業聚落與在工業製造的配合度、學習力與彈性，台灣已正式邁入工業4.0時代 而在這樣的發展趨勢下，安馳科技也不曾缺席。黃信傑談到，該公司在今年的北、中、南自動化展會上，特別展示出安馳科技結合ADI元件、電池監控系統與人臉辨識系統等方案，以滿足未來工業4.0及電動車發展的需求。 除了在解決方案的布局策略外，事實上早於一年前，安馳科技就與Macnica結盟，攜手布局工業4.0的領域。安馳科技資深協理陳發勇指出，此次與Macnica的合作，為該公司帶來兩個層面的優點，包含產品線的增加與資源共享的好處。 陳發勇分析，相較於過去尚未與Macnica結盟之前，在地化的代理商要拿下國際大廠的代理權可說是難上加難，有了Macnica的合作，安馳科技才得以順利爭取到如安森美的代理權；其次，在資源共享上，安馳科技與Macnica集團本身都有提供完整的解決方案與參考設計，而兩家公司最大的代理產線來自於ADI的方案，故雙方每年會固定針對ADI產品參考設計進行討論，同時各自研發共享資源，共拓亞太市場的版圖。 黃信傑表示，台灣有著優秀的半導體產業聚落，過去著重在硬體的開發。接下來工業4.0時代，關鍵將是大數據的蒐集與分析，能有效整合軟硬體並搭配大數據蒐集與分析，就能在這領域脫穎而出。台灣企業在工業製造的配合度、學習力與彈性都優於其他國家，預期將會在此占有一席之地。

亞德諾半導體(ADI)宣布推出首款無線電池管理系統(wBMS)，使汽車製造商能夠更靈活地將電動汽車平台擴展至多種車型，實現量產。作為首款用於量產電動汽車的無線電池管理系統，無線BMS將在通用汽車搭載Ultium電池平台的量產車輛中首度亮相。 ADI的wBMS不需使用傳統線束，節省了高達90%的線束和高達15%的電池組體積，除提高設計彈性和可製造性外，同時不影響電池使用壽命中的里程數和精度。 ADI的wBMS將電源、電池管理、射頻通訊和系統功能等所有積體電路、硬體和軟體整合在單一系統級產品內，透過採用ADI經驗證的業界領先BMS電池電芯測量技術支援ASIL-D安全性和模組層級安全性。藉由提高車輛使用壽命期間之精度，無線BMS系統可最大化單一電芯的能量利用率，進而實現優異的車輛續航里程，並支援安全且可持續的無鈷電池化學材料，如磷酸鐵鋰(LFP)。 ADI汽車事業部副總裁Patrick Morgan表示，電池組從有線連接到無線連接的轉變，使汽車製造商能將電動汽車平台擴展至多種車型，以滿足消費者不斷發展的需求。wBMS解決方案不僅簡化製造流程，並可根據無線資料建構新系統，進而加速產業邁向永續未來。非常榮幸能與通用汽車共同將此突破性的系統創新推向市場。 附加的系統功能使電池能夠測量和報告其自身性能，提高早期故障檢測並優化電池組裝配。從電池組裝到倉儲和運輸，以至於安裝、維護和梯次利用，在整個電池壽命週期中均可實現遠端資料監測。 ADI和通用汽車近期宣布合作，共同將無線BMS技術用於通用汽車的Ultium電池平台。ADI的無線BMS技術有助於將Ultium平台擴展到通用汽車的未來車型，包括不同品牌和車款細分市場(從卡車到性能車等)。 通用汽車全球電氣化和電池系統執行總監Kent Helfrich表示，非常高興能與ADI合作，共同將無線BMS技術用於生產而成為Ultium電池平台的一部分。ADI之wBMS技術可進一步推動通用汽車車系的電氣化發展，期待能與ADI繼續合作，共同推動安全、品質和性能方面的創新。

平價車款帶動銷量起飛轉虧為盈還需加把勁 資策會MIC資深產業分析師何心宇 截至2019年底，Tesla電動車累計銷售量為89.6萬輛，但僅2019一年，便銷售了36.7萬輛，其中Model 3銷售30萬輛(占比達82%)、Model S/X合計銷售量為6.7萬輛(佔比18%)。 Model 3是實現Tesla電動車大眾化的關鍵。過往Tesla定位電動車為「高貴汽車」，在Model 3上市後，其保有Tesla高性能、品牌價值但卻有親民的價格，是Tesla市場規模得以快速成長的關鍵。 量產在即的Model Y，則是Tesla首款Compact SUV，北美市場的Model Y在加州Fremont生產，自2020年4月開始交車，中國的上海工廠也已啟動Model Y境內生產，並預計於2021年開始交車。Model Y與Model 3有75%共用零組件，且SUV市場廣大，Model Y未來成長可期。有鑑於此，2020年Tesla設定目標銷售量為50萬輛，年成長率為36.2%。 挾帶著全球投資者的期望，Tesla年營收雖每年呈現上升趨勢，但由於龐大研發/投資費用的積累，及產能提升緩慢的窘境，Tesla長期面臨淨虧損的財務問題，至2019年仍未實現營利。 商業模式有新意　Tesla毛利率傲視同業 雖Tesla尚未實現營利，但對比全球傳統整車廠，Tesla汽車業務除汽車銷售外，尚有其他增值服務利潤來源，如OTA(Over the Air)/自動駕駛系統(Full Self-Driving, FSD)軟體更新、充電收費、儲能式充電等服務收入，並在北美、歐洲等地開展共用服務，所有Tesla車主經登記後可將閒置汽車委由Tesla營運共用服務，Tesla藉此收取服務費用。 另加總其各車型毛利率，Tesla Model S/X毛利率基本維持在30%左右，Model 3約為20%，Model Y毛利率將高於Model 3，Semi與Roadster 2因定位高價位車種，毛利率可望更高，故Tesla汽車業務毛利率可望維持25%以上。對比全球主要整車廠豐田(Toyota)、福斯(VW)、福特(Ford)，這些傳統車廠的毛利率基本維持在16%~19%，高階品牌車廠BMW毛利率亦僅20%左右，Tesla毛利率有其突出之處。 觀察業務結構，汽車業務為其營收重心，汽車業務指的是銷售與租賃收入。汽車銷售指的是Model S、Model X、Model...

本文將依據ISO 26262針對嵌入式安全系統開發提出的相關建議，介紹高壓(HV)電池電動車的功能安全概念，其中將涵蓋ISO 26262的方法，並考量依此安全概念完成的不同工作產品： ．ISO第3部分—項目定義、風險評估、安全目標定義。 ．ISO第3部分—高壓牽引變頻器功能安全概念。 ．ISO第4部分—高壓牽引變頻器技術安全架構。 ．ISO第4部分—系統故障檢測及響應。 汽車硬體設計需定義安全項目 汽車電子元件日漸增多為汽車產業的共識。汽車開始變得更加精密複雜，並納入各種感測、思考及執行功能以輔助駕駛使用，電子元件的形式已經改變。特別是油電混合車及電動車將大幅成長，而自駕功能也是一樣。 朝向全電池電動車的目標發展需經過多步驟程序，其中包含由基本的電氣化系統轉變為功能更豐富的系統，並包括移轉所有高功率負載。業界在前述轉變過程中的關鍵挑戰之一，就是確保系統承受峰值狀態的強健程度。 市場迅速成長，許多國家以政策獎勵促進成長。而各界擔憂長期永續發展問題，因此強烈要求對排放、材料及製程訂定更嚴格的法規。不過目前電動車的商業模式無法讓OEM長期獲利的問題需待解決，因為基本電動車的平均預估成本仍是一大問題。OEM將尋求各種方式消弭成本落差，如在內部自行處理更多設計工作，或是跳過第一層供應商，直接與IC供應商接洽。這裡所面對的困難，在於以全新方式結合ECU及成套功能，以整合嵌入式電子架構。 因此業界合作夥伴密切合作，加速找出方法因應以上限制。其中一種方式為開發參考設計，結合系統知識及安全專業。這代表參考設計從一開始就要納入關鍵安全系統要素。若要開發硬體參考設計的安全概念，必須能定義安全目標、概念及功能，讓預定項目能夠識別適當的系統實作，進而納入系統設計中。 ISO 26262 V週期程序流程 ISO 26262針對車輛安全系統產品的各個開發階段提供建議及準則，協助達成適當程度的功能安全成熟度。ISO在第2、第8及第9部分說明程序及方法，此外也說明V週期專案開發過程中，有關特定工作產品的技術層面，以及需要執行的各項審查(圖1)。透過第一層供應商或系統供應商，V週期由上而下，從OEM到IC供應商考量功能安全開發事宜。視公司在電動車開發中所負的責任而定，開發階段期間可能適用第3、第4、第5、第6及第7部分的內容，或選擇量身打造。 圖1　ISO 26262 V週期程序流程 如果以系統供應商開發變頻器模組作為電動車SEooC為例，就可適用第3部分的用途假設、第4部分的系統、第5部分的硬體、第6部分的軟體，以及第7部分的主要生產。而第10及第11部分為ISO 26262的應用準則。 V週期需參考設計安全概念 如簡介所述，IC供應商預期及開發系統ECU的方式，與傳統第一層相同。如此可加速開發時間，提供標準交付項目，並有利於整條生態鏈。其中的目標並不一定是提供解決方案，達到第一層所能提供的相同成熟度，而是為第一層加速開發工作產品。不過，為了適當定義安全概念，使其盡可能接近客戶安全概念，應針對ISO各部分內容進行開發作業。除了專門用於第一層量產的第7部分以外，IC供應商的重點就是因應V週期的各部分需求(圖2)。 圖2　ISO 26262 V週期程序流程 第3部分引導協助建立安全概念，定義目標系統中的項目，其中也包括初步功能安全架構，以及功能安全概念不應違背的可能危害及安全目標。本部分內容可協助客戶輕易瞭解業者提出的參考設計內容是否與其應用相符。 第4部分為技術說明及定義，以所需系統產品的系統架構需求為依據。本部分也定義及分析所有系統故障，以便定義診斷達到適當的安全層級。 第5部分及第6部分是軟硬體架構開發的V週期以及相關原型。本文涵蓋所有安全驗證及認證要點，並協助確認安全概念。 高壓變頻器開發安全目標/架構剖析 ISO 26262說明需要定義的項目，以便系統概念開發著手進行。 項目定義 這將釐清預定項目及系統的範圍與邊界，以及初步項目架構(圖3)及分配的功能假設。 圖3　電動車的高壓變頻器 在電動車的高壓變頻器範例中，功能假設可概述如下：變頻器是電動車的主要牽引系統，依據車輛控制單元(VCU)提出的扭矩需求，負責控制電源(HVDC電池)及電動馬達機械軸之間的能量轉換。VCU解讀駕駛指令，作為電動馬達的加速或減速要求。變頻器將此扭矩要求轉譯為進入牽引馬達的相位電流。在較先進的電池電動車中，通常是以沒有離合器的簡易變速箱連接馬達軸及車輪。 這是本文的第一項假設，其中關鍵是要具體明確，因為如果車輛設置離合器，安全概念及安全狀態就會不同。就現有的情況而言，萬一發生危害，駕駛或電動系統光是斷開電動馬達與車輪之間的連接，將不可能停止車輛牽引。 HARA及安全目標 HARA及安全目標的定義，一般是在OEM層級進行的大型分析，並提供給第一層供應商，作為對預定開發系統的需求。此項程序於ISO 26262第3部分定義，目標是分析定義項目故障時對人類的影響。其中提出所有可能駕駛及非駕駛情境有關的所有可能EE系統故障，同時考量各種操作及環境條件(圖4)。 圖4　EE系統情境 ISO 26262 ASIL表格(圖5)使用一組風險參數定義ASIL等級，涵蓋品質管理(QM)至最嚴重的ASIL D。這樣就能依據此項排名，針對危害指定相關的ASIL等級。一旦識別危害及安全目標，就能針對各項危害定義安全狀態及故障容錯時間間隔。安全目標是最高層級的功能安全需求，並由此衍生所有其他的安全需求。 圖5　ASIL表格 第二層供應商，很難由OEM取得這些安全目標及危害資訊。不過必須能夠對自身開發的任何系統，提出所考量使用案例的明確證據，包括合理分析的HARA，以便為客戶釐清安全目標。筆者考量合理的情境選擇，主要將重點放在最糟的情況。電動車高壓變頻器的危害及安全目標清單範例如圖6所示。 圖6　電動車高壓變頻器的危害及安全目標範例 功能安全概念 有了以上的假設、項目定義，以及危害和安全目標，就可定義第一批高階系統功能。之後將定義首要功能需求(FR)及相關的高階功能安全需求(FSR)用於功能安全架構(圖7)。 圖7　功能安全架構 高壓變頻器的功能安全架構，則可概述為圖8所示的主要功能及安全功能。 圖8　功能及安全功能 ASIL等級和FTTI與安全目標衍生及直接承襲的安全需求有關。之後ASIL等級會傳播給ISO第4部分所述的較低層級需求與技術系統安全架構。 因此在此功能層級中，項目定義、危害及安全目標假設，以及功能安全架構及需求，都是IC供應商客戶的第一批首要交付項目。這些首要交付項目應協助他們瞭解個案研究及開發的參考設計是否與其想要開發的應用相符。如果並未完全相符，就需分析其中落差並建立行動計畫，以合併客戶及供應商的安全概念。 技術安全概念滿足實作需求 技術安全概念是指依據安全及非安全需求完成的系統架構設計，其中提供系統架構適當性的理由，以滿足第3部分實作的項目定義、安全目標及功能安全需求的安全需求及設計限制。 技術安全概念之後將分隔，並代表達成預定項目及系統功能所需的全部軟硬體子要素功能。必須指定所有安全機制及故障偵測反應，以避免在技術功能故障時違反安全目標(圖9)。 圖9　技術安全概念 ISO 26262建議對系統設計架構執行安全分析，例如FTA或安全FMEA，以定義這些安全措施。這有助於詳盡識別所有可能以單點故障或潛在故障形式違反安全目標的系統故障。之後會以故障偵測功能處理各項故障，以減輕故障及降低其嚴重性。 使用此項安全分析可建立安全機制清單，衍生成為新的安全需求，然後分配至所有安全相關的系統架構區塊，並於安全分析時加以識別。所有安全機制定義，是以偵測故障的運作、技術及時間條件為依據(圖10)。安全機制技術定義可提供證據及適當反應，足以在FTTI之前達成安全狀態，而且不會違反項目的安全目標。 圖10　故障反應定義 安全機制可能是硬體或軟體。故障及安全機制清單有助於定義軟硬體架構，以及執行ISO第5及第6部分的FMEDA。 各項故障偵測的反應已被定義。擬定此反應流程的目的是讓系統回到安全狀態。在使用電動車高壓變頻器的情況下，安全狀態的定義相當複雜，原因是有大量能量流入電動馬達。在部分情況下，這可能會造成不穩定狀態而無法確保系統要求的安全狀態。 因此，依據定義安全機制彙總的系統故障清單，應由故障相關的適當安全狀態適當完成。本項系統故障偵測及反應矩陣為恩智浦在系統安全啟用範圍內提供的部分交付項目。 於ISO 26262第4部分開發的不同工作產品，包括技術安全架構及需求、安全分析及系統故障矩陣，可有效協助客戶評估業者提出的參考設計，提供安全完整性證據，證明能夠達成預期的功能安全完整性。這些工作產品就是TSC滿足項目頂級安全需求的論據及理由；此外，還向客戶提供可重複使用及微調的資料，以便將參考設計個人化，配合客戶本身的應用開發工作。 安全狀態定義 安全狀態定義以及在安全狀態中要求過渡的所有故障事件，也是技術安全概念的重要一環。安全狀態機器、安全狀態定義及圖式和過渡需求，均於此技術安全概念中定義。 就變頻器模組而言，其中存在多項複雜的安全狀態。故障時的安全狀態目標，就是停止車輛推進，因此要向電動馬達提供0扭矩。最直接的解決方案，就是斷開所有變頻器的IGBT，讓電流不會再送往電動馬達。不過視駕駛狀況而定，這可能對馬達產生高度的煞車力—直接作用於車輪，尤其是在高速情況下，對駕駛而言可能相當危險。 斷開所有IGBT，並不一定是讓車輛回到安全狀態的解決方案。就以上範例而言，安全狀態可能是讓馬達的三個相位短路，因此需要斷開或關閉所有三個高側或低側IGBT。圖11概述高壓變頻器系統的三種主要安全狀態。也存在其他選項，如降低電力或由PWM確保0扭矩控制。 圖11　主動短路三個馬達相位 圖11.1　主動短路三個馬達相位 圖11.2　三相位開路 圖11.3　三相位開路 安全架構客製化符規格要求 在此部分的ISO 26262中，大部分軟硬體工作產品均以類似方式量身打造，符合軟硬體需求規格。本階段僅開發軟硬體架構、示意圖及配置。如前所述，目標並不是比照第一層提供通過認證的變頻器模組，而是建立參考設計供客戶使用，作為包含安全概念的Asample原型。這樣客戶就能在開發及原型階段增加三至六個月的時間。 硬體安全架構 為了產生Asample原型，其中假設之前識別的程序流程及工作產品，具備足夠的成熟及詳細程度，能夠建構適當的Asample硬體安全架構，並向客戶提供證據，證明已考量及滿足其關切的安全問題。 接著將依據以上假設及定義，由系統安全概念衍生硬體安全架構。其中將選擇及附加所有IC元件，以滿足有關診斷以及對安全狀態反應的安全需求。在此恩智浦提出的參考設計，是以該公司IC建構完整架構。為打造安全系統，需將建立硬體架構原型，以便透過注入系統故障的方式驗證安全概念。而在技術安全概念中定義的系統故障及安全機制將接受測試；原型則支援業者在軟體系統啟用套件中，所提供的軟體應用開發及安全機制程式庫。 硬體FMEDA搭配IC系統故障模式 安全分析是ISO 26262的重要環節。FMEDA等安全分析會在不同的系統層級執行，是業者與客戶分享的重要交付項目。由於FMEDA在IC層級的目的是執行詳盡完善的IC故障分析，因此通常過於詳細，並不適合在系統層級使用。 為了簡化詳細FMEDA的結果，需要在系統故障模式中由IC故障模型重組故障。例如閘道驅動器的所有內部邏輯故障，可利用相關的λsafe、λMPF及λRF重組為一個故障模式(FM)內部邏輯。之後這些數據就可在系統層級導入更高層級的FMEDA。 這項概念雖然簡單，但系統安全分析所需的精細度，將成為複雜度的來源。有些故障可輕易重組，但有些故障仍然必須維持低度的詳細程度。例如在電源管理IC中，負責系統點火的輸入僅由系統安全機制保護，而不是IC安全機制。在這種情況下，重要的是確保獨立研究此項針腳及故障，不要與其他區塊重組，以避免單點故障。 軟體安全架構 圖10中開發的故障反應表，是ISO 26262第4部分的一部分，強調系統需要執行的定期檢查及反應清單，其中大部分檢查程式都是在軟體執行。為了簡化使用此項安全概念，恩智浦已開發一項軟體程式庫交付項目，可實作這類檢查程式及程式庫(圖12)。 圖12　硬體安全概念 此程式庫是由多個模組組成(圖13)。 圖13　簡化的安全變頻器程式庫架構 ．檢查程式是應用程式診斷功能，會定期呼叫使用，如馬達強度檢查、扭矩監控檢查程式和電流感測器檢查程式。 ．安全管理程式負責計數故障，於超過臨界值時呼叫反應管理程式，此外也負責在初始階段期間注入故障，以驗證各項檢查程式是否正常運作。 ．安全管理程式偵測到故障後，反應定序器負責讓系統轉移至安全狀態。 ．其他必要的模組，如核心間通訊負責管理非安全核心(QM)間執行馬達控制時的資訊分享，安全核心(ASIL D)則執行安全檢查，此外，記憶體管理則負責保證核心間隔離。 本文所述的參考設計遵循ISO 26262開發程序提供技術工作產品，對客戶而言相當寶貴。這項參考設計不僅協助加速開發時間，也提供一定程度的技術安全架構，說明分配至各個故障類型的故障及安全機制。本項提案硬體架構安全完整性層級的成果證據，是本套件的部分內容。因此客戶能夠依據需求判斷、重複使用及修改內容，達成自身的概念假設。 (本文作者皆為恩智浦半導體資深研發工程師)

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)

電路保護降維修成本 產品的安全性越來越受到人們的重視，各種法令也明確要求產品的防護等級，如IEC61000-4-5、IEC61000-4-2等。某些出口產品必須滿足相應的安規認證，才得以進入市場。隨著電路的整合化程度越來越高，各種晶片的小型化也導致IC抗干擾能力逐漸減弱，電路的電磁相容問題更加突顯。在電路中增加小成本的電路保護元件(Circuit Protection Component, CPC)，可有效保護成本較高的主晶片等免受瞬態干擾電壓的損壞，從某種程度上降低了產品開發的成本。在電路設計中加入保護元件，可有效提高產品可靠性，降低產品故障發生率，減少維護及維修成本。尤其雷擊引發的損害往往對電子產品是致命的，在產品AC電源輸入端加入保護元件，可降低產品因雷擊引發的損害，並同時保護人身安全。此外，高品質的產品也可以提升產品競爭力。 電路保護元件種類 現今市場上較為常見的保護元件分為以下八大類：瞬態抑制二極體(Transient Voltage Suppressor, TVS)、靜電保護元件(Electrostatic Discharge Protection Devices, ESD)、半導體放電管(Thyristor Surge Suppressor, TSS)、壓敏電阻(Metal Oxide Varistor, MOV)、陶瓷氣體放電管(Gas Discharge Tube, GDT)、玻璃氣體放電管(Spark Gap Protector, SPG)、正溫度係數熱敏電阻(Polymeric Positive...

瑞薩(Renesas)日前推出ZSSC4132，一款具有內建已認證LIN v2.2a介面的車輛壓力感測器解決方案。這款單一封裝感測器訊號調節器(SSC)具有緊湊的外形尺寸，可為插電式混合動力車(PHEV)、純電動車(BEV)，以及燃料電池車(FCEV)，其空調控制系統中的暖通空調(HVAC)應用。 該方案可以配置到絕大部份的電阻電橋式感測器。這樣的設計彈性，結合優秀的性能水準，和內建的LIN PHY、小封裝尺寸，以及AEC-Q100 0級認證，讓這顆SSC非常適合用於空間受限、預算有限，有下線標定(EOL)校驗要求的小型車輛感測器模組。 瑞薩車用感測器事業部副總裁Christian Wolf表示，HVAC在EV電池的續航力中，扮演重要角色，OEM廠商正在尋找方法來提高系統效率，同時還得保持高性能，並維持嚴格的成本限制。有了ZSSC4132，客戶可以使用已通過LIN認證的完整SSC解決方案，進而使他們能夠輕鬆、划算地縮放其HVAC系統開發，以開發中階到高階的EV和HEV。 ZSSC4132結合類比前端(AFE)技術，可加強感測器訊號調節和數位校準功能，進而顯著降低雜訊靈敏度，並為壓力和溫度讀數提供高精確度。SSC的整合度可大幅削減外部組件，因而削減了整體物料清單(BOM)。此外，ZSSC4132獨特的數位校準功能，也讓客戶大量減少校準工作，進一步降低整體系統成本。

西班牙電源轉換集團Ingeteam與英飛凌(Infineon)攜手合作，打造超快速(Superfast)電動車(EV)充電服務，讓客戶享有最佳體驗。Ingeteam所提供的INGEREV RAPID ST400轉換器的額定功率為400kW，內建採用EasyDUAL 2B封裝的CoolSiC MOSFET。每個充電點都布建了八個英飛凌FF6MR12W1M1_B11模組。依據個別車輛充電能力的不同，一輛電動車最快只需停靠10分鐘，就能完成80%的電池充電，相當於傳統內燃機車輛的加油速度。 INGEREV RAPID ST400轉換器的設計已在現實生活中成功運作獲得實證。在去年，已由西班牙的充電技術服務商IBIL公司為多元能源供應及加油站營運商Repsol公司成功開發、實作及試行整合此項技術的第一個專案。這項專案布建於比斯開灣(Bay of Biscay)地區的烏加德比塔(Ugaldebieta)，作為電動車領域的燈塔計畫，並在2019年10月開始試行。專案設施位於交通非常繁忙的A-8高速公路，設置四個超快速充電點，可確保在同時接入四台車的情況下，以最佳方式自動分配可用電源。此外，自開始至今都運作順利，沒有發生任何重大缺失。 英飛凌工業電源控制事業部總裁Peter Wawer博士表示，SiC實現了超快速的切換速度以及更低的切換損耗，從而縮短了充電時間。加上所需的冷卻元件大幅減少，也讓充電站的體積縮小了近1/3。SiC的物理特性可為電動車做出重大貢獻。多項不同的消費者研究顯示，電動車的市場接受度，有極大部分取決於高效快速的充電基礎設施。我們已經證明足以提供這項基礎技術。