電動車

車輛CO2排放法規並不新鮮，多年來一直由政府車輛監理機構實施。但最近的各國的目標更為提升，也為汽車電氣化趨勢更添動力。 中國身為全球最大的汽車市場，最近承諾禁止石化燃料汽車，挪威希望2025年銷售的所有乘用車都是零排放車輛，荷蘭則設定了2025年銷售的乘用車中50%需是零排放車輛的較低目標。印度正在推動到2030年只銷售電動車，而這可能只是我們將在全世界看到的法規的開始。從圖1可以看出，目前歐盟CO2排放目標將在2020年中實現，預計今後的排放限制將按照趨勢繼續下去。這些目標對內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)的設計形成挑戰，如果沒有電動傳動系統元件作為車輛的混合動力或替代非石化燃料來源的貢獻，就無法實現這些挑戰。 圖1　歐美日汽車排碳標準發展趨勢 空氣品質惡化催生電動車商機 但挑戰不僅僅是石化燃料的消費和由此產生的二氧化碳排放而已。直接注射為基礎的內燃機(如柴油和高性能汽油發動機)產生的氮氧化物排放和顆粒物都是攸關健康的問題。這在都市中是不被接受的，導致相關法規愈趨嚴格－倫敦和巴黎等大城市正在禁止車輛進入市中心，而中國城市則透過日期限制車輛的使用。 車輛電氣化迫在眉睫，但市場將以多快的速度採用？(圖2)匯整了2050年以前車輛發展趨勢，ICE的比重將逐年減少，例如在2032年，50%的車輛將有電動馬達協助傳動系統。不過，燃油車輛要到2045年市占率才會低於50%。當然，未來道路上混合動力或電動車的確切數量將取決於許多經濟和社會因素，例如： 圖2　2015~2050年車輛發展趨勢 資料來源：Strategy Analytics、Evercore、NXP CMI ．汽油和柴油價格與電力價格比較。 ．技術進步－規模經濟、電池成本效益提升、電池化學性能的改善以提高能量密度(範圍)、充電基礎設施的普及。 ．越來越令人關切的問題：環境及氣候變化。 ．消費者行為和對車輛擁有權的態度以及電動汽車技術接受度。 ．關於燃油經濟性、二氧化碳排放和污染的法規的態度。 從圖2中還可以看到，有不同形式的電動汽車，從輕混合動力(Mild Hybrid, MHEV)到全混合動力(Full Hybrid EV, FHEV)和插電式混合動力電動汽車(Plug-in Hybrid EV, PHEV)到純電池電動汽車(Pure Battery EV, BEV)。未來每輛車，至少有一個電動機，協助燃油車。不出意外的話，隨著電力行駛的比重持續提升，二氧化碳減排效果將越來越明顯。 油電混合車發展迅速 傳統的ICE需要在寬鬆的駕駛條件下行駛。因此，在某些領域，特別是低速度/高扭力的效率受到影響。電動機是ICE的好夥伴，因為它們在低速時輸出最大扭力，這意味著ICE可以根據更適合的條件進行優化。 第一輛混合動力汽車是FHEV車型。由豐田普銳斯(Toyota Prius)，於1997年首次推出，目前仍是銷量最高的混合動力汽車。自普銳斯問世以來，已經取得了許多進步，最顯著的是PHEV，其中增加了外掛程式功能為電池充電。在純電模式下，PHEV僅適用於短距離，通常為20~30公里。FHEV和PHEV往往從類似的電壓水準運行，約為400V(圖3)。 圖3　不同類型車輛的電動化程度 最近的FHEV和PHEV車輛有兩個電動機，一個是針對電池的剎車動能回收和充電而優化的，另一個是針對扭力和功率進行優化以帶動車輛。然而，由於電機在低速時非常強大，ICE可以在容量上縮小規模，也可以使用更省油的控制策略，比如Atkinson迴圈。在這種情況下，當活塞向上移動壓縮時，進氣閥保持打開時間更長，這會減少活塞向上移動的摩擦，使發動機效率更高，但使其變慢。另一種方法是REEV它有一個小ICE來為電池充電，而不是驅動車輪。 48V系統提升車輛效能 最近的一個創新以取代FHEV的是48V MHEV。這些基於ICE動力總成補充及一個中型鋰離子電池和一個可逆的48V電動機。其目的是支援低速加速，並在煞車時給電池充電。與傳統的12V系統相較，48V系統滿足了以更低的成本和體積，提供更多電力需求。在高壓混合動力汽車中可減少二氧化碳排放量近20~30%(CO2/km)的情況下，48V MHEV據稱可減少10~20%。因此，MHEV以20~30%的成本帶來了PHEV二氧化碳減排效益的70%。此外，48V系統可以很容易地整合到現有的車輛動力總成和架構。 48V系統帶來的第二個好處是能夠透過將機械負載轉換為48V電源的電氣負載，減少內燃機的負載，而減少二氧化碳排放。需要更高功率不間斷運行的應用最適合，如空調壓縮機、電子渦輪增壓、主動懸吊和動力轉向。與PHEV和FEV中使用的高壓系統相比，另一優勢是不需要特殊的隔離和保護(圖4)。 圖4　48V系統於車輛中運作概況 BEV將大約60%的電能從電網轉換為車輪上的電能。傳統汽油車輛只將儲存能量的20%轉化為車輛動力之前，這聽起來並不是很有效。為了提高消費者對電動車的認識，消除大眾採用的障礙，增加電池容量是實現這一目標的方法之一，但這也增加了重量、降低了效率。業界需要考慮其他系統方面的問題，如： ．減少電力驅動系統的損耗－儘管比ICE更有效率，但透過電動傳動系統仍有16%的能量損失。 ．增加電車動能回收的使用－當剎車，車輛的慣性轉動電動發電機，產生電力，然後儲存在電池。 ．減少充電損耗－當充電的電池，能量損失轉換交流電轉換到直流使用電池，以及在克服電池的充電阻力。 提升電動車效能各顯神通 為了提高電動傳動系統的效率，車廠不斷研究發展電機的科學及其在電動汽車上的應用。例如，BMW i3採用革命性的混合同步永磁磁阻電機來減少問題，同時在較高的速度範圍內提供高功率的技術發展。電機的速度越來越快，而在最有效的地方運行電機的需要，控制方法也越來越先進，涉及的數學模型越來越多。 多相電機的主題也在重新驗證，趨勢是六或更高的相位元數目。無論是純六相方法或雙工三相位設置，機械安裝與彼此固定的轉移。使用多相電機，每個相位的電流更小，因此可以調整元件的尺寸，再加上減少扭矩紋波，而有可能優化直流電容器的尺寸，並改善電池波動，最終可能改進範圍。多相控制的另一個好處是冗餘，因為即使在元件發生故障的情況下，操作也可以在較低的級別上繼續進行。 預測模型控制技術可用於利用卡爾曼濾波(Kalman Filtering)或狀態空間建模(State Space Modelling)來提高ICE或電動機的暫態效率。但另一種提高傳動系統效率和整體車輛效率的方法是更完善地決定在旅途的各個階段使用什麼扭力源。混合動力控制單元(Hybrid...

在 xEV傳動系統中，碳化矽(SiC)電路有助於實現更小的晶片尺寸，同時具備相同效能資料，提供降低切換損耗及提升切換頻率等各種優點。與先前的系統相比，對應封裝技術可實現更有效率且更為輕巧的電源模組，以及獨立解決方案。受益於SiC晶片和最佳化電源模組的一般應用，包括主變頻器、車載充電電子裝置、升壓器和DC-DC轉換器(圖1)。 圖1　xEV應用中半導體平均比例(取決於電氣化程度) SiC元件已上市約二十年，但因為成本及部分品質緣故，在車輛中的使用受到限制。到目前為止，SiC晶圓尺寸通常比矽小很多。高品質6英寸SiC晶圓上市供應後，提升了製造SiC晶片的產能(圖2)。 SiC元件最初是由小規模的專業公司主導，不過目前頂尖半導體公司於標準設備加工SiC元件，具備高輸出及高可靠性，因此SiC的成本發展大有可為。最新一代的SiC溝槽MOSFET，在閘極氧化物可靠性方面也有所進展，使其成為汽車應用的理想選擇。 圖2　更大的晶圓和強化製程可降低成本，並提升SiC晶片可靠性。 碳化矽具備高切換/低損耗特性 相較於傳統的矽基高電壓IGBT或MOSFET(> 600V)，SiC MOSFET具有多種優勢。例如英飛凌1200V SiC MOSFET(CoolSiC)的閘極電荷及電容值比IGBT更低，並具備最低的本體二極體逆復原損耗。這讓切換損耗遠低於矽，並且不受溫度影響(圖3)。此外，MOSFET具有類似電阻的輸出特性，IGBT則類似於二極體。無臨界值導通特性可降低局部負載範圍的洩漏損耗。 圖3　比較CoolSiC MOSFET與矽IGBT之間的切換損耗 以上基本優勢不僅使SiC MOSFET成為高頻運作的理想選擇(例如車載充電電路和DC-DC轉換器)，也適用切換頻率一般低於20kHz的變頻器應用。其中效率主要是由低負載作業決定。例如使用SiC MOSFET可在低或中負載情況下，降低最高2/3的變頻器損耗。 SiC MOSFET可實現體積極為精巧的高效變頻器。在相同條件下，SiC MOSFET的晶片面積遠小於IGBT型變頻器。由於減少晶片損耗，因此提升了各種駕駛情境的效率，特別是具有許多加速階段的城市交通。 就變頻器效率而言，必須考慮能量基本上以兩個方向流動，產生扭矩期間從電池到車輪，能量復原(回收)期間則從車輪返回電池。因此變頻器效率對電池供電電動車(BEV)非常重要，因為這會直接影響行駛範圍，或可使用較小電池提供相同行駛範圍。由於電池是重要的成本因素，電池電芯減少5%至10%，可讓電池電力超過40kWh的系統大幅降低800美元以上成本。 矽支援的崩潰場強度低於SiC。因此標準1200V IGBT損耗明顯高於600V類別的同類產品。另一方面，1200V SiC MOSFET可在850V範圍內，以更高的電池電壓提供非常高效的運作。因此SiC也非常適合用於快速充電應用的架構。就目前正在開發的基礎設施而言，80kWh電池可在15分鐘內充電至80%。這是實作電動車和確保客戶滿意度的重要層面。 選擇適應封裝提升電源模組效能 為充分利用SiC晶片效能，還需要對應的最佳化封裝技術用於電源模組。SiC有助於提高能源效率，不過這不僅需要更出色的封裝材料，也須要考慮較小晶片熱阻更高的問題。較小晶片也會導致提升電流密度，熱機械變形風險也較高。 為了充分利用SiC MOSFET效能，須要採用最低洩漏電感的封裝，因此需要創新的封裝概念用於電源模組，像是HybridPACK Drive系列模組，以及雙面冷卻的封裝概念(例如HybridPACK DSC模組)。這樣就可以開發電源密度非常高的變頻器設計。 開發電動車及油電混合車使用的HybridPACK Drive(HPDrive)電源模組時，必須結合各項技術和應用相關要求。其中包括各種不同要素，例如最佳化成本、高效率、功率密度，啟動扭矩的載流能力，以及受熱循環影響的使用壽命。 目前已經顯示完全整合的開發方法，如何讓電源模組的所有個別元件以這種方式設計，以滿足應用要求達到最佳效果。晶片的額定電壓提升，模組電感降低，因此可在更高的工作電壓和切換邊緣運作。更高的溫度負載能力、更出色的晶片接合技術，以及損耗更低的材料，可提升載流能力，進而提高驅動馬達的啟動扭矩。總而言之，較小的模組尺寸、縮減晶片面積、降低損耗，以及使用最新量產技術，有助於降低系統成本。 採用壓接端子及最新汽車用IGBT技術(EDT2)的HybridPACK Drive模組，比HybridPACK2系列同類產品小約20%，並具有相同效能。HybridPACK Drive產品系列屬於可擴充平台，具有各種電源連接、IGBT和MOSFET技術及熱堆疊選項。本系列產品從一開始就採用模組化設計，從端子接頭就開始秉持模組化概念，有助於以快速焊接程序或螺栓接頭用於纜線連接。此外也提供「長接頭」版本，用於實作相位電流感測器。 此一模組的設計原則，是盡可能減少變頻器製造商的開發工作量(視應用而定)。因此更換基板或熱堆疊可減少或增加輸出功率，毋須變更矽零件。目前有各種基板(扁平，直接冷卻和針狀鰭片)及陶瓷基材可供選擇。 不過若採取保留電子裝置(驅動器板和直流連結電容器)及變頻器設計，但調整冷卻結構的作法，也可以擴充效能。例如以FS820R08A6P2模組(採用750V IGBT、針狀鰭片結構和標準陶瓷)作為100%參考，就可以產生可調整頻寬，提供70%至120%的效能(圖4)。 圖4　HybridPACK Drive電源模組採用模組化設計，可輕鬆擴充。 對更高功率而言，HybridPACK Drive也可以使用1200V技術。首先是1200V...

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。

日趨嚴格的車輛碳排放法規，加上更注重環保的消費者，促使業界轉移至電動車輛的步調持續加快，預估到了2025年時，電動車在所有車輛的銷售比例將達到10%，遠高於現今的1%。然而，眼前一大難題就是電池的成本居高不下，約占電動車整體成本將近一半。 決定電池成本的因素有很多，其中一個就是製造商能在製造的最後階段大幅降低成本。明確的說，是在電池化成(Formation)與測試階段，這個階段在電動車電池成本占了20%的比重。 電池化成與測試是極費時的程序，涉及多次充電與放電，藉以活化電池的化學物質，整個流程須費時整整兩天。必須經過這些程序才能確保電池能放到車上運作，並確保其可靠度與品質。由於整個流程費時甚久，因此成為電池製造商面臨的一大瓶頸，使其難以提高作業流量以及降低電池生產的整體成本。電動車電池製造商以及化成與測試系統供應商之間的合作，讓他們能更加注意這些層面，除了降低關鍵製造階段耗費的時間與成本，同時還能維持先進電池化學所要求的精準度。 電動車的電池占近50%成本，降低電池成本就是降低車輛整體成本 加速測試流程降低電池成本 為降低電池的成本，製造商必須採取全面的作為，從運用供應商系統層面的專業技術，一方面降低電池測試電路的占用空間，另一方面增加通道的數量。進行這兩任務的同時，還必須維持準度、精度、可靠度以及電池化成與測試量測的速度，藉以確保符合安全性、效能、以及可靠度方面的要求。 然而真正的實行並不簡單。從前端開始，用來驅動電池充電電路的電源供應器必須嚴密地控制。接著深入到電池化成與測試方面，必須嚴密監視電池充放電(Battery Cycling)時電流與電壓的分布(Profiles)，以防止過充以及充電不足。這除了確保測試時的安全，還能延長電池的使用壽命，讓終端使用者大幅降低整體持有成本。 就關鍵的電池量測方面來說，必須運用高階儀表放大器(In-amps)和相關的分路電阻，才能在嚴苛的工廠條件下量測精準度優於正負0.05%水準的電池充電/放電電路。這樣的精準度也適用各種不同的放大器，這些放大器是用來監視在整個操作溫度範圍內運作的系統電壓。 雖然有許多方法能將這些元件整合成一個完整的解決方案，但想要在最小的系統中發揮最大的效能則是極大的挑戰。因此，ADI 因此著手將包括類比前端、電源控制以及監視電路等元件整合成一顆IC。內含電池正負極反接保護、過壓保護切換開關以及智慧控制功能，除了防止電池過充之外，系統占用空間也能縮減50%。協助電池製造商能將更多功能整合到測試系統，以更有效率地運用工廠之樓板空間。此外，它們也讓製造商能設計出具備更多功能的系統以及更健全的測試程序。 高效率電源轉換是系統效能進一步提升的另一個機會。藉由運用先進切換架構，測試系統可以接上電網，以進行雙向的能源交換，藉以將功耗降至最低。高效率的電源轉換也能減少對熱管理設備的需求，這些設備會增加系統的整體成本以及耗電。整體成果就是減少浪費的能源以及製造成本。要促成這些功能，必須瞭解各項系統功能，像是隔離閘極驅動器，以因應更快切換碳化矽與氮化鎵這類新型電源切換技術的需求。 擁有系統層級專業技術以及旗下產品多元的供應商之間進行緊密的合作，所獲得的益處不僅止於取得更精密的元件和零組件，電池製造商也能取得系統架構方面的參考設計方案，產品的調校工作因此變得更為容易，比起以往電池製造商必須從頭開始發展系統測試程序的狀況，其能進而使產品上市時程要快上三到四倍。 全球對電動車輛的需求預估從現在開始到2021年將有21%的年複合成長率，因此電池製造商與車商之間亟需密切合作。供應商必須提供可靠且通過驗證的解決方案，讓製造商的系統效率能有效提升。供應商應協助製造商盡速將這些功能市場化，促使電池與電動車輛的生產更蓬勃。 (本文作者任職於Analog Devices)  

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。

能源產業也掀起整併風潮，國際石油大廠荷蘭皇家殼牌(Shell)近日宣布全股收購德國儲能大廠松恩(Sonnen)，不僅大幅擴大其在電動車電池、儲能領域等業務版圖，同時也協助松恩進一步實現業務國際化和擴大生產規模；同時，本次收購未來將強化雙方發展創新綜合能源服務和電動汽車充電解決方案的能力，並可提供基於松恩虛擬電池解決方案的電網服務。 據悉，松恩主要提供智慧儲能解決方案，並致力發展分散式能源系統的創新商業模式，像是透過其sonnenCommunity平台提供數位能源服務；或是藉由sonnenBatterie優化了家庭太陽能使用效率，並使用白天產生的太陽能在夜間供應能量。 殼牌曾於2018年5月斥資5,000萬歐元收購松恩10%股份，本次則是全股收購(100%)，意味著監管部門批准和完成後，松恩將成為殼牌的全資子公司；而殼牌的全面持股將不會對松恩營運帶來影響，松恩的品牌、管理層及關鍵團隊將繼續保留。 殼牌新能源部門執行副總裁Mark Gainsborough表示，松恩是智慧分布式能源儲存系統的市場領導者之一，在收購松恩全部股份之後，將有利於該公司發展更可靠、實惠、清潔的能源方案；且未來雙方也將共同建立以客戶為中心的能源系統，提供更多能源解決方案供客戶選擇。 Sonnen首席執行長兼聯合創始人Christoph Ostermann則指出，本次收購將有助於松恩推動能源轉型，幫更多家庭實現能源獨立，並且從能源市場中獲取更多新商機 殼牌可說是相當積極布局新能源市場，尤其是在電池(包括電動車電池)領域。在收購松恩之前，殼牌已陸續投資和收購多家電力企業，像是在2018年8月投資美國電力新創公司Ample 3,100萬歐元；收購荷蘭電動汽車充電解決方案公司New Motion以及美國電動車充電新創公司Greenlots。

隨著汽車朝智慧化、自動駕駛的方向發展，對微控制器(MCU)需求持續增加；未來不論是自駕車、車聯網，都有著各式各樣的連接控制、數據與訊號處理，而MCU便扮演關鍵的控制角色。 恩智浦半導體(NXP)大中華區車用微控制器與微處理器事業部產品行銷經理張曦(圖1)表示，雖說2019全球整體車市成長可能放緩，但是受各地區更嚴格的安全和排放法規影響，汽車的電子化比重還會成長，也就是說車內電控系統的裝載率還會提升，車用MCU市場還會保持成長。 圖1　NXP大中華區車用微控制器與微處理器事業部產品行銷經理張曦表示，新能源、智慧聯網和自動駕駛技術的快速發展以及日趨成熟，對MCU的性能與功能要求也逐漸增加。 其次，伴隨著新能源、智慧聯網和自動駕駛技術的快速發展和日趨成熟，以及整車電子電氣架構的演進，對車用MCU不僅需求增加，且對其性能、功能、生態以及開發難度都提出了新的要求，比如運算力、功耗、功能安全、資訊安全、線上升級、軟體相容性、複用性、可攜性等等。 創新應用/安全推升車用MCU需求 德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪(圖2)表示，MCU在車用市場可分為五個應用，第一是影音娛樂，第二是電動車的電源管理(尤其是電動車的OBC、OBG、AC-DC、DC-DC等)，第三是現今十分熱門的自動駕駛輔助系統(ADAS)，再來是車體照明，最後則是汽車被動安全(安全氣囊)。而目前電動車、ADAS話題相當熱門，也因而成為驅動車用MCU成長的兩大關鍵推手。 圖2　德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪指出，車用MCU的應用十分廣泛，然而不論是用於電動車或自駕車，安全是MCU共通的設計重點。 詹勳琪指出，MCU於電動車的主要應用還是在馬達控制、電源管理之上，像是OBC、OBG、AC-DC、DC-DC，最主要的目的便是使電動車能有更好的能源使用效率。至於ADAS方面，則是車用感測器帶動(如超音波、雷達、攝影機等)，因ADAS的感測器都會搭配MCU進行控制，MCU的需求遂而上揚。 因應電動車、ADAS市場需求，TI也備有相關解決方案，像是C2000 Piccolo微控制器組合最新產品「C2000 F28004x MCU」，可優化如電動車車載充電器、馬達控制逆變器和工業電源供應等高成本電源控制應用。開發人員可利用該產品減少物料成本，同時建構更小、更可靠的系統，提供系統保護和新功能，實現高性能的電源控制系統。 該產品特色包括：優化的性能和功率；先進的驅動和靈活的設計，可有效提高效率和功率密度；強化的數位和類比交叉開關，靈活地支援控制和保護機制；以及嵌入式即時分析和診斷單元強化了除錯功能，超高速序列介面提高了隔離範圍內的輸送量，靈活的引導模式使開發人員能夠減少或消除引導模式針腳。 又或是用於安全控制的Hercules MCU系列產品，該系列產品強化多項安全特性，憑藉整合型即時指令和資料追蹤支援，系統和軟體開發人員將得到富有洞察力、高效率和更好的代碼分析除錯體驗以及更高的執行力，將有助於設計人員更為簡便快速地滿足針對交通運輸應用的ISO 26262功能安全性標準，如先進駕駛輔助系統、網域控制、電子推進系統等。 詹勳琪表示，事實上，車用MCU的應用十分廣泛。然而，不論是用於電動車馬達控制、ADAS系統或車體控制等，車用MCU的共通設計要點便是「安全性」。為了要確保安全性，MCU不僅須通過ISO26262 ASIL A~D(依車廠要求)的認證，也須在MCU中添加所謂的「備援機制」，也就是車用MCU開始採用雙核心鎖步(Lockstep)的設計。 詹勳琪進一步說明，具備雙核心的MCU意味有著雙重保險，也就是同樣的程式由兩顆核心進行運算，而當其中一顆核心故障時，另一顆可以立刻進行錯誤處置，而不致於使運算出現問題，影響駕駛安全。 扮演稱職綠葉　新應用/技術少不了MCU 意法半導體(ST)亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成(圖3)則透露，車用市場一直都是穩定成長，而MCU扮演著輔助的角色，只要有新的應用、技術出現，MCU的需求也會隨之增加。 圖3　意法半導體亞太區汽車產品事業體行銷經理陳錫成透露，MCU向來是扮演輔助的角色，只要有創新應用，MCU的需求就會穩定成長。 陳錫成說明，不論是油電混合車、電動車或是自駕車，將過往機械控制部分改為半導體晶片控制(例如車窗、座椅等)時，除了需要高效能的中央處理器外，也需透過MCU進一步強化控制效率。又或是要將AI導入汽車當中，當中央處理晶片運算效能不足時，也需要MCU從旁輔助，進而提升資料存取、運算能力和加強隱私，也因此，隨著創新應用的崛起，MCU的需求也會持續增加，且用途會愈加廣泛。 為此，ST備有SPC5 32位元微控制器系列產品，其結合了可擴展的單核，雙核和多核解決方案以及ST獨有的嵌入式閃存技術、符合ISO 26262(最高為ASIL-D)等標準的安全性、完全性能高達150℃、符合標準的數據安全性，包括安全硬體擴展(SHE)和電子安全車輛入侵保護應用程序(EVITA)，以及完整的開發環境(從免費的IDE，代碼編譯器和低成本調試器解決方案到支持AUTOSAR設計的高階解決方案)等特色，得以滿足汽車聯網、馬達控制、安全、低功耗等設計需求。 此外，因應自動駕駛發展，ST近日也宣布旗下內建嵌入式相變記憶體(ePCM)的28nm FD-SOI車用MCU技術架構和性能標準，並從現在開始提供主要客戶搭載ePCM的微控制器樣片，預計2020年按照汽車應用要求完成現場試驗，並取得全部技術認證，未來將用於汽車傳動系統、先進安全閘道器、安全/ADAS系統以及汽車電動化。 據悉，隨著汽車系統的要求越來越高，提升處理能力、節能降耗、更大儲存容量等需求推進微控制器廠商開發新的車用MCU架構。隨著韌體複雜性和代碼量大幅提升，對容量更大的嵌入式記憶體需求是當前汽車工業面臨的最大挑戰之一。而ePCM解決方案可以克服這些晶片和系統的挑戰，以進一步滿足AEC-Q100汽車標準的要求，其最高工作溫度可達+165℃，並確保在高溫回流焊製程後其韌體／數據可完好保存，並且抗輻射，為數據提供更多的安全保護。 陳錫成進一步解釋，隨著新應用不斷浮現，對於車用MCU而言，最明顯的要求除了系統效能越來越高之外，「提升安全性」更是勢在必行。也因此，雙核備援機制的設計開始增加，MCU開始從單核走到雙核；同時也需通過ISO26262 ASIL的認證，且隨著自駕車開始朝Level 3、Level 4發展，愈來愈多的車廠期望車用MCU不僅通過ASIL A/B/C的認證，也能符合最高級，也就是ASIL D的標準。 滿足安全規範　 MCU設計挑戰多 自動駕駛風潮起，連帶推車用MCU需求增加，其效能和安全性也須跟著提升。張曦表示，自動駕駛是個極其複雜的系統，總體來說，要打造自動駕駛，需處理來自於各種感應器的資料，因此資料處理量大；同時需要有很強的運算能力，以透過神經網路深度學習來處理感應器資料，建立環境模型；再來是要有很強的自糾錯和異常恢復能力，實現Fail-Operation，才能確保駕駛安全，最後則是要有可靠的通訊能力，使前端與感應器通訊，收集資料，後端與執行機構通訊，完成自動駕駛。 如前所述，由於自動駕駛的特殊性，整個系統必須有很強的自糾錯和異常恢復能力，實現Fail-Operation，也就是在出現異常後，系統必須還要維持至少一定時間的最小系統運行。 為了實現這個目的，就要求系統能夠在最短時間內診斷恢復異常，如果不能恢復就要即時切換到備用系統，以保證整體功能安全。為此，必須採用符合功能安全ASIL-D級的處理器和控制單元，滿足高可靠性的需求，同時也必須有高性能的平行運算能力，滿足大量資料處理、運算需求。 張曦進一步說明，要開發ASIL-D級的處理器，在設計上會有許多特殊的考量，包含互相校驗的互鎖內核、帶自動校驗和恢復的匯流排和記憶單元、內置自測試模組、亂序記憶陣列，以及異常搜集通訊模組等。須符合這些考量，才能開發與具功能安全的處理器和控制元件，進而簡化功能安全系統的開發，克服系統複雜度高、代碼量大；系統複雜度成長快、升級頻繁；新應用新技術導入加速、開發週期縮短；以及對系統功能安全和資訊安全的要求日益提高等挑戰。 如前所述，為了打造更加安全、可靠的車用MCU，在設計上會有很多特殊的考量，而為了應對這些挑戰，NXP推出S32處理器平台，藉由基礎共用平台涵蓋不同應用處理器間的共同需求，像是運算性能、功能安全、資訊安全、線上升級等，進而提升軟體移植性和複用性，同時在不同的應用處理器上搭載專屬硬體加速器提升系統應用功能處理能力。 張曦指出，透過這種方式，使得該公司的車用處理器提升了10倍以上的性能，並提高代碼複用度，縮減系統開發週期；且全平台支援功能安全，資訊安全和系統升級，也大幅提升系統覆蓋度，使得車上任何區域的電控系統，都可找到NXP相對應的車用處理器進行開發。如此一來，便能協助汽車電子業者加速系統開發週期和上市時間。 MCU供應商/車廠密切合作打造完善安全系統 Microchip汽車產品事業部門美洲區行銷經理David Schellenberger(圖4)則認為，現今的汽車行業有四大趨勢，分別為自動駕駛、電氣化、網路化和資料安全性。消費者的偏好和政府新法規的制定是這些趨勢背後的關鍵驅動因素，消費者對自動駕駛提供的眾多便利和改進感到興奮，從共享移動性到增強的交通多元化，再到更安全的道路；至於電動汽車改善了環境，使汽車製造商能夠滿足政府規定的燃油效率法規。 圖4　Microchip汽車產品事業部門美洲區行銷經理David Schellenberger認為， MCU必須要具備相當高的處理以及傳遞速度，才能夠應付自駕車感測器產生的大量數據，保持通訊可靠性十分重要。 此外，也需要先進的網路連接規畫來實現這些趨勢，消費者同時也渴望跟他們的車輛有更智慧的連結；最後，所有目標都需要更好的資料安全防護，使車輛更安全，更能抵禦惡意攻擊。 不過，要實現自動駕駛車輛，必須要仰賴感測器和外部環境所蒐集的大量數據，才能夠安全可靠地運行。也因此，汽車MCU必須要能以非常高的速度處理和傳遞這些數據，以便進行即時決策，這種通訊必須非常安全可靠。 Schellenberger透露，為此，該公司正致力於將汽車MCU的設計重點放在先進通訊協定和網路安全模組等領域，由於自動駕駛是一個新興市場，其中會包括許多並非傳統汽車領域的產業，因此缺乏一致的產業要求以及不斷演進的技術會帶來很大的挑戰。因而推動了半導體供應商與汽車OEM和一級設計師之間的密切合作，以滿足這些不斷變化的需求。 除此之外，數據安全運作和網路傳輸安全是目前最重要的兩個趨勢，因此Microchip致力於了解產業需求並在這兩個領域開發解決方案，並與汽車業者密切合作，確保整體系統解決方案，包括MCU、類比、連接、記憶體和安全零組件等性能與可靠性，使其能夠開發高效能/高安全性的嵌入式控制系統。 車用MCU持續滿足節能/安全/舒適要素 總而言之，汽車工業的目標始終是為使用者打造更為節能、更為安全、更為舒適的車輛，所有的汽車電子發展也是圍繞這三大主題展開，包括最近十分熱門的新能源，智慧聯網和自動駕駛技術。 張曦指出，圍繞上述三大目標，現代車輛便須裝載越來越多、越來越複雜同時卻必須越來越安全的電控系統。因此，對車用MCU的要求可歸納為以下六點： 1.需更高的性能，以適用越來越複雜的系統。 2.需更低的功耗實現節能環保。 3.需更高的功能安全和資訊安全，打造更為安全可靠的系統。 4.需更高的複用和移植性，以更快更可靠的實現新功能和系統開發。 5.需更高的相容和線上升級能力，才能更快更方便實現新功能的反覆運算。 6.需更強的通訊能力，以支援更多通訊介面和協定，實現各模組間的交互通訊。

為加速電動汽車無線充電應用，無線充電技術業者WiTricity宣布收購高通(Qualcomm)旗下電動車無線充電技術「Halo」與智慧財產權資產。透過此一收購，WiTricity將取得高通手上超過1,500項的電動車無線充電相關技術專利與專利申請內容，同時，高通也將持有WiTricity的少量股份，以股東的身分繼續投資電動汽車無線充電技術研發。 高通公司無線充電前副總裁兼總經理Steve Pazol表示，透過引進高通的尖端技術和專業知識，例如高通Halo無線電動汽車充電(WEVC)，得以進一步提供創新的汽車解決方案，利於創造更高效率、更安全、更清潔的都市行動化願景，同時也為車主改進汽車使用體驗。該公司有信心將WEVC與WiTricity的市場優勢互相結合，提供更佳的技術滿足市場需求。 據悉，此次收購將統一技術開發，讓汽車製造商能提供更順暢、高效率的充電體驗；電動車車主無論是在家裡、車庫或公共停車場，只須停在無線充電地墊上方就能開始充電，無需任何笨重纜線，幾乎消除插電需求。 同時，高通公司和WiTricity兩家公司也一直與國際標準組織合作，不少標準組織目前也正採用這兩家公司的參考設計。因此，本次收購也進而推動標準統一化，確保充電設備於汽車製造商間的互通性。 WiTricity執行長Alex Gruzen指出，該公司的無線充電技術是電力、共享、自動駕駛等未來行動時代的關鍵。電動汽車用戶和車隊要求簡便的充電體驗，而將WiTricity產品結合高通Halo技術，將簡化全球互通性，並加速汽車無線充電商品化。 目前中國及其他重視全球暖化的國家，其汽車製造商正逐步淘汰內燃機汽車，全球電動車市場需求明顯上升，預計2030年全球將有超過1.2億輛電動汽車上路，而投資充電公共基礎設施的金額將超過500億美元。到2040年，單是中國就將有2億輛電動汽車上路，占全球所有汽車總量的三分之一(5.59億輛)，WiTricity期望屆時這些電動車都能透過該公司的獨特技術進行簡便的無線充電。

圖1　北科大學生方程式賽車隊 學生方程式賽車日本站(Formula SAE Japan, FSJ)是由國際汽車工程師協會(SAE)所舉辦，學生必須要在特定條件之下，從無到有親手打造賽車參賽。該比賽集結了來自世界各地的學生車隊，在籌備過程中，不僅牽涉到學生們對於車輛生產製造流程的技術知識，同時也考驗著學生在企畫提案、成本掌控以及與贊助廠商溝通、合作的能力。 學生方程式賽車日本站比賽中，動態賽程項目包含了直線加速、八字繞錐、高速避障、燃油消耗率等等；在此之前也需要繳交設計報告、成本報告等等文件。因此，學生在打造比賽車輛時，不僅需要考慮車體的穩定性、速度，同時更要在成本、安全性上滿足比賽的要求。 產業界支援前線 　車體輕量化達陣 據了解，由學生方程式各站的隊伍排名也能看出，日本、德國等汽車產業發展較為蓬勃的國家，學生隊的名次也普遍較好。因此在比賽的籌備期之中，不僅需要學生隊員們的齊心投入，來自產業界的技術與資金支援更是學生隊比賽的重要軍火來源。 北科大車輛工程系系主任黃秀英表示，車隊學生會藉由寒暑假的實習時間與相關製造商接洽製作工具、場地的贊助。像是在2019年比賽中，學生與贊助廠商協力完成碳纖維車殼，進而做到車體輕量化的目標。 黃秀英進一步說明，由2015年參賽至今，北科大學生車隊的參賽車輛設計皆以傳統油車的架構為主，車體以扎實耐操為特色，然而卻也同時具有重量較重的問題。因此，在本年度的比賽籌備上，做到車體輕量化是一個重要的指標。 北科大學生方程式賽車隊副隊長黎力維指出，2019年參賽車輛的進氣歧管、方向盤、駕駛座椅便是由車隊成員完成電腦繪圖設計後，由贊助廠商提供模具與材料製作而成。本年度的車體除了將在贊助廠商的支持之下，以碳纖維材料達到更輕量化的設計之外，車體也加上了空力套件。期待能夠在廠商在支持之下，在2019年比賽中再創佳績。 黎力維認為，在車隊經營的過程之中，除了與學院教授進行理論上的分析之外，在與業界贊助商的互動之中，能夠得到更專業實務的建議。目前，2019年的參賽車輛已經完成設計、研發，正在加工階段(圖2)。 圖2　2019年的參賽車輛已經完成設計、研發，正在加工階段。 沉潛兩年再出發　油車/電車雙項參賽 北科大學生方程式賽車隊自2014年成軍以來，已數次參與FSJ學生方程式賽車日本站，累積了相當的經驗值。然而，自2016年比賽結束後，北科大學生方程式賽車隊便決定要投入兩年時間，執行一個比往常更大型的籌備計畫，在2019年以燃油車與電動車兩項目參賽。 除了車體逐漸朝向輕量優化之外，在經過數年的投入之後，北科大學生方程式賽車隊也逐漸累積比賽經驗與相關數據。在籌備2019年的賽事時，如何妥善利用往年的數據，以優化改善2019年的參賽戰略，也是一大考驗。 北科大長年在車輛技職教育的投入，已扎下穩健基礎，學生的實力已能夠打造出傳統車輛架構的燃油車。然而在經過數年的參賽經驗累積之後，對於賽道路況、賽制比重都有更深的了解，因此透過經驗加以分析，便能得到更多的數據作為改善下一次設計的依規，進而能夠更有效、更具策略性的設計參賽車輛。 黃秀英表示，為籌備2019年的學生方程式日本站比賽，在完成2016年比賽後，便開始堆動籌備2019年度比賽的兩年計畫。因此，對於今年度的比賽，無論師生皆抱有相當高的期望。 在今年度，北科大學生方程式車隊將同時參加燃油車組與電動車組的競賽；這也是車隊首次參加電動車組的競賽。 由於經費的考量同時也尚未熟悉參賽規範，因此北科大學生賽車隊在往年的參賽經驗中，皆僅以燃油車參賽。 除了電動車的製作成本將相對燃油車更為昂貴之外，該比賽對於電動車的許多設計規範皆是商用汽車等級，其中包含電磁干擾(EMI)、電磁相容性(EMC)、漏電測試等等皆必須考量，該比賽全然以車規等級要求。因此，電動車在賽前檢驗所需要通過的安全檢測規格與參賽門檻皆較高。 電動車機電整合　培育車輛未來人才 目前在台灣的技職教育體系中，車輛相關科系依然是以燃油車為主要的課程內容。尤其是在高職汽修科課程中，由於目前市場上依然是以燃油車為大宗，因此汽車維護的教學也以該市場現況為主要考量。 然而，黃秀英認為，電動車是未來的趨勢，科技人才的培育除了要因應市場現況之外，同時也必須要為未來的產業規畫。而在傳統汽車維修領域，有甲級、乙級、丙級證照，可用以認證人才的能力；但是在電動車機電整合領域，則還沒有這樣的認證機制。 正因如此，經濟部工業局產業人才能力鑑定(iPAS)計畫也於近期開始推動「電動車機電整合人才培育」，將推動一個與電動車能力鑑定相關的證照。 黃秀英進一步說明，該人才培訓認證計畫將由2019年開始推動考照，北科大也將與經濟部該計畫合作，提供相關課程與考照場地。除了北科大本校學生能夠參予該課程與計畫之外，他校學生若是對此領域有興趣也可以跨校參與，也將與他校的種子教師培育計畫合作；期待能夠與其他技術學院合作，共同推動未來電動車人才養成。

隨著汽車朝智慧化、自動駕駛的方向發展，對微控制器(MCU)需求持續增加；未來不論是自駕車、車聯網，都有著各式各樣的連接控制、數據與訊號處理，而MCU便扮演關鍵的控制角色。 德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪表示，MCU在車用市場可分為五個應用，第一是影音娛樂，第二是電動車的電源管理(尤其是電動車的OBC、OBG、AC-DC、DC-DC等)，第三是現今十分熱門的自動駕駛輔助系統(ADAS)，再來是車體照明，最後則是汽車被動安全(安全氣囊)。而目前電動車、ADAS話題相當熱門，也因而成為驅動車用成長的兩大關鍵推手。 詹勳琪指出，MCU於電動車的主要應用還是在馬達控制、電源管理之上，像是OBC、OBG、AC-DC、DC-DC，最主要的目的便是使電動車能有更好的能源使用效率。至於ADAS方面，則是車用感測器帶動(如超音波、雷達、攝影機等)，因ADAS的感測器都會搭配MCU進行控制，MCU的需求遂而上揚。 因應電動車、ADAS市場需求，TI也備有相關解決方案，像是C2000 Piccolo微控制器組合最新產品「C2000 F28004x MCU」，可優化如電動汽車載充電器、馬達控制逆變器和工業電源供應等高成本電源控制應用。開發人員可利用該產品減少物料成本，同時建構更小、更可靠的系統，提供系統保護和新功能，實現高性能的電源控制系統。 該產品特色包括：優化的性能和功率；先進的驅動和靈活的設計，可有效提高效率和功率密度；強化的數位和類比交叉開關，靈活地支援控制和保護機制；以及嵌入式即時分析和診斷單元強化了除錯功能，超高速序列介面提高了隔離範圍內的輸送量，靈活的引導模式使開發人員能夠減少或消除引導模式針腳。 又或是用於安全控制的Hercules MCU系列產品，該系列產品強化多項安全特性，憑藉整合型即時指令和資料追蹤支援，系統和軟體開發人員將得到富有洞察力、高效率和強大的代碼分析除錯體驗以及更高的執行力，將有助於設計人員更為簡便快速地滿足針對交通運輸應用的ISO 26262功能安全性標準，如先進駕駛輔助系統、網域控制、電子推進系統等。 詹勳琪表示，事實上，車用MCU的應用十分廣泛。然而，不論是用於電動車馬達控制、ADAS系統，或車體控制等，車用MCU的共通設計要點便是「安全性」。為了要確保安全性，MCU不僅須通過ISO26262 ASIL A~D(依車廠要求)的認證，也須在MCU中添加所謂的「備援機制」，也就是車用MCU開始採用雙核心鎖步(Lockstep)的設計。 詹勳琪進一步說明，具備雙核心的MCU意味有著雙重保險，也就是同樣的程式由兩顆核心進行運算，而當其中一顆核心故障時，另一顆可以立刻進行錯誤處置，而不致於使運算出現問題，影響駕駛安全。