【產業科普】不只引擎換馬達,淺談電動車結構及產業發展



電動車是近年來最熱門的產業話題之一,雖然看起來似乎只是動力系統的改變,但實務上當然不僅如此,電動車產業在新興科技發展中有相當重要的意義。

目前被廣泛討論的電動車,指的是電池電動車(BEV),意即完全以電池作為動力,並用馬達和變流器取代原有變速箱的傳動功能的車輛。當然除此之外,現今常討論的新能源車也不只是電動車,其實還包括了油電混合車(HEV)及燃料電池電動車(FCEV),這些車輛的設計有相當程度的不同。例如油電混合車,其實並不算是電動車,主要還是以內燃機驅動,而電動馬達只有在低速行駛時才使用。

還有燃料電池電動車則是相當少見,雖然這也稱作是電池,但是以氫和氧作用的化學能來轉換成電能,並排出水。在原理上並不困難,但若要商業化,還有許多難關還須克服,且造價相當高昂。雖然日本及南韓正大力發展,但目前仍不普遍。如今市面上看到的新能源車,主要還是 BEV 和 HEV。而本文主要探討的就是電池電動車。

電動車早於內燃機

提起電動車,感覺好像是一種革命性的創新。但實際上電池電動車的歷史,甚至比傳統內燃機汽車還早的多。在 1881 年,法國工程師 Gustave Trouv,就建造了一輛使用鉛酸電池的可充電三輪車,被認為是世界上第一台電動車。而更早應用電池的車輛其實也有,不過是不能充電的設計。

世界上第一台電動車。(Source:Jacques CATTELIN [], )

後來其實電動車仍然被不斷發展,但更多其實比較類似於現在的電動腳踏車,又稱之為電助力車。而到了 1902 年,德國工程師 Ferdinand Porsche 在電動車上又加裝了內燃機,成為世界上第一台混合動力汽車。他的兒子 Ferry Porsche 也就是著名汽車公司保時捷的創始人。

車體設計差異

電動車省略了內燃引擎、燃料系統、進氣系統、排氣系統以及點火裝置等,而改裝上馬達、電池、控制器以及轉換器等設備,當然跟燃油車相比在成本結構上也有相當大的不同。電池以及動力總成佔了電動車 40% 以上的成本,其次是電控和電機,約 10~20%。

燃油車與電動車布局差異。(圖片來源:風間智英,Nomura Research Institute(2005)。)

雖然性能上並沒有太大的差別,但目前電動車的設計也同樣比較偏好前置前驅(Front-engine, Front-wheel drive layout),當然實際的懸吊裝置設計及操縱布局與燃油車還是有所不同,如電池需要較大空間放置,而且相當重,所以整個車體及底盤結構需依重量分佈不同而改換設計,如電動模組大多放置於底盤的中後段,所以底盤前後軸距也會加大。

更重要的是為了滿足動力需求,在未有革命性的技術進步前,電池模組的重量很難降低,這是電動車設計上最難克服的障礙之一。儘管現代已實現電動車的商業化,但車體對輕量化仍非常要求,而與此相對的安全性更是比性能更重要的關鍵。一般而言,電動車多採用輕質材料,如高強度的鋼鋁合金,甚至是高剛性的塑膠材料等。

電池技術

當然直到現在車商們仍然致力研發更輕、儲能及充電效率更佳的電池技術,可說是發展電動車重要關鍵。早期所使用的鉛蓄電池價格便宜,但是能量密度太低,實用性不高。而鎳氫電池能量密度仍不夠,頂多使用在混合動力車上。所以目前市面上的電動車主要是採用鋰電池,其具有能量密度大、工作電壓高、較耐高溫、循環壽命長、安全性能高等優點,是目前車用電池的主流,也常被廣泛用於其他載具,如航空器及潛艇等。

而鋰電池依正極材料主要分為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等幾種。而其中也同樣面對效能跟安全性的兩難。首先,如著名車商特斯拉所採用的鈷酸鋰電池,其能量密度較高、放電電壓也高、電極材料裝備容易,但穩定性較差,壽命也較短,且造價高昂。但為了滿足性能,鈷鋰電池仍然受到許多車商的青睞。

Nissan Leaf 電動車的電池組 。(圖片來源:Tennen-Gas [], )

不過鈷鋰電池的發展受到原材料的缺乏所抑制,不斷被炒作的鈷價令車商轉向研發少鈷或是無鈷電池,磷酸鐵及三元鋰電池開始成為主流。磷酸鐵鋰電池由於完全不使用鈷,鐵元素也容易取得,所以價格較低,且安全性更佳,但能量密度仍有待提升,且製程難度高。不過目前有許多知名車商如通用、福特及豐田等都相繼投入。

而三元鋰電池則需要的鈷較少,但能量密度較高,所以也逐漸受到廠商青睞。不過若處在高溫容易爆炸起火,有相當大的安全隱憂,故採用三元電池技術的相關業者同時也積極發展更先進的電池溫控系統,以更好發揮三元電池的實力,如中國的寧德時代。

除了正極外,還有一種負極材料鈦酸鋰受到追捧,其應用在三元或磷酸鐵鋰電池上,可以提高性能及安全性,還能提供相當穩定的電壓。不過仍有電池容易脹氣,能量密度普通,且價格偏高等缺點,目前在軍工及精密電子等領域有較多的應用。除了新材料外,電池的製造工藝也不斷發展,例如最近 Maxwell 的乾電極(Dry-electrode)技術就受到市場相當大的關注。

電動馬達

當然電動車不是只靠電池就能移動,而是馬達。車載可變速驅動馬達大體上可分為直流馬達與交流馬達兩種。其中交流馬達因為效率較高,且具有煞車回電的功能,所以是電動車應用上的主流,而其中還進一步分為感應馬達(Induction Motor)及同步馬達。

目前電動車大多採用永磁同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor),其使用高性能永久釹磁鐵,與同等級的電動馬達相比,可以做到更輕量小型,尤其對小型電動車而言非常重要,所以受到乘用車商廣泛採用。當然感應馬達在不同使用情境下仍有優勢,原本特斯拉也是採用感應馬達。

但總體來講,相較電池而言,該採用何種類型的馬達設計對車商而言沒有那麼糾結,但也更加仰賴釹。釹本身是一種稀土,且問題是,使用馬達的遠不僅是電動車,也廣泛用於其他工業,例如發電機,所以每當稀土供應出現問題,相關廠商總是需要去爭搶稀土,與鈷一樣也有炒作問題存在。

去年特斯拉的 Model 3 棄感應馬達改用永磁馬達後,使釹價又漲了一波。當然車商也同樣在努力研究其它可替代的材料,或是盡量減少稀土用量的永久磁鐵。

▲ Tesla Model 3 所使用的永磁同步馬達。(來源:)

目前最新消息指出,美國科學家已研發出兩種鈰鈷化合物,可望替代釹跟鏑在永久磁鐵中的用量。鈰雖然也是稀土,但產量豐富開採容易,不過問題是目前這個技術所生產出來的磁鐵性能仍不如傳統的釹鐵硼磁鐵,尚未有足以商用的配方,且鈷本身也是製造鋰電池所依賴的材料,對電動車產業的發展影響如何還很難說。

電控系統

車輛朝向電動化趨勢發展後最大的改變,除了傳動系統外,當然就是有關半導體的組件,電動車的電控系統與傳統燃油車有很大的不同。首先,除了各系統的故障診斷及參數標定等功能外,還有如電量、充放電控制、熱管理等,這些都需要不同的感測器及不同的演算法,以維持系統運作的協調及效率,比燃油車更加複雜。

一般而言,電動車電池由數個單元(Cell)組成一個模組(Module),再由數個模組包裝成一個組(Package)。雖然每個車款所安裝的電池數量不盡相同,但在追求性能的道路上,除非有革命性的電池技術誕生,不然就電池數量而言,通常只會更多不會更少,例如,特斯拉頂配的 Model S 就使用了高達 7,000 顆松下 NCR 18650 3100mah 電池。

然而電動車的電控系統,必須根據電池模組中各個電池單元不同的荷電狀態進行調整,當某個電池參數超標時,必須即時進行控制,以免引起一連串問題,甚至導致系統崩潰,造成爆炸或其他安全事件。尤其電池個體本身就會有差異且使用狀態不均等原因,令電池使用時間越長,不一致性就會越加嚴重,而系統必須要更多精密判斷並自動進行協調。所以一個電池單元可能就需要安裝數個感測器。

當然這些感測晶片通常也不只測量電壓而已,如前文所述,為維持電池的穩定性,溫控是另外一個非常重要的功能。且電動車的散熱系統,可不僅是給電池用而已,馬達也是一個很明顯的熱源,所以系統除了控制 PWM 散熱風扇的轉數外,也必須同時調節液冷系統及車內空調。光電動車的熱管理解決方案,就可以自成一個產業,其中還有如相變化儲熱模組等先進應用。

燃油車與電動車空調系統差異。(圖片來源:  )

電動車的電控系統與傳統車輛如此不同,也因此電力電子功率元件絕緣閘雙極電晶體(IGBT)模組在其中更加關鍵,其主要功能就是控制能源的變換和傳輸,並決定了電動車的能源效率,其成本佔電機驅動系統近一半,也就是整車近 7%,是除電池之外成本第二高的元件,當然在電動車外也有很廣泛的應用,在軌道交通、智慧電網等領域都相當重要。

總體而言,跟燃油車相比,純電動車其實更像是一個高度整合的精密電氣工程,是由整車控制器統一管理。當整車控制器採集駕駛信號,並通過 CAN 總線獲得電機和電池系統的資訊並進行分析和運算後,給出電機控制和電池管理指令,以實現整車驅動控制、能量優化控制及制動回饋。

產業發展

當然電動車產業還不僅如此,像是自駕系統等新興科技應用也是市場關注的焦點,甚至可以說電動車將會是未來智慧城市經濟的基礎,帶動了許多產業的結合及創新應用。實際上若要全面探討電動車產業,還有許多議題值得關注,例如新能源網路,這才是提升電動車滲透率的關鍵因素。

然而這又牽扯出更多的問題,除了充電站的鋪設速度與普及程度外,城市電網負荷程度與供電穩定性也是普及電動車非常現實的問題,甚至環保等,都是常被討論的對象。若要針對電動車產業趨勢及發展進行全面的分析,也需要更多的專業知識,所以本文只是對電動車做一個簡單的介紹。

簡單來講,電動車與燃油車儘管外觀相差無幾,但在設計及生產上有相當大的不同,這也是許多新創車商在與傳統大廠競爭時,沒有在短時間內就馬上被追上的原因。這個從「燃油」到「電力」的能源轉型能帶動相當迴異的新興需求,所以協助業界產出專利,闢劃更多自製零組件的空間,甚至吸引完整產業鏈到國內,就成為政府的重點政策,包括台灣。

台灣電動車供應鏈。(圖片來源:工研院)

不過中國對於電動車產業更加關注,其政策早已從補貼電動車生產,轉向擴建充電站及其他相關基礎設施。甚至希望令未來所有的汽車銷量成長都將來自電動車,在鉅額的補助下電動車銷量的確激增,成為名符其實的電動車大國,並使中國廠商在這個新興產業上有機會戰勝西方對手。

值得注意的是,如今中國政府正逐漸減少保護國內公司的政策,並將直接面對來自西方的競爭,儘管不少意見認為這將會引起一波電動車泡沫,但卻仍未動搖其初衷,也就是普及電動車。不過中國車市雖逐漸開放,但也同時規定外商必須販售電動車達一定比例,或是向其他中國公司購買所謂的新能源汽車配額,這或許是中小型中國電動車商在面臨更嚴酷競爭前的一點籌碼。

(合作媒體:。首圖來源:)

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