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電動機車電子市場將成兵家必爭之地
電動化+智慧化

【作者: 籃貫銘】   2018年06月11日 星期一

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如果只是電動機車,那市場吸引力真的不太大,因為它聽起來就像是一般的代步車,而的確很多的主婦用車上面就掛著一個寫了電動機車的牌子。而這類型的產品無須複雜的設計,只需有強大的價格競爭力即可。但如果是叫「智慧電動機車」,那整個產品的等級就大不相同了,它們的整體設計與電子系統將是另一個檔次。


而這個「智慧」風,正在改變整個電動機車的設計思維,同時也讓電子零件市場有了一個全新的藍海市場。


電動機車全面智慧化 電子元件新藍海

就跟智慧汽車一樣,所謂的智慧電動機車也就是把多數的電子系統進一步數位化,並交由控制器和處理器來控制,同時也利用無線網路功能來與行動裝置整合,讓駕駛可以掌握所騎乘的機車目前的狀態,或者利用行動裝置來對機車進行控制。



圖1 : 機車的電子系統發展時期
圖1 : 機車的電子系統發展時期

機車的電子系統以引擎架構來分看,粗略可分四個時期,首先是傳統化油器時機,此時期幾乎用不上什麼電子系統,只有簡單的蓄電池、類比儀表與燈號的顯示與開關切換;接著是噴射引擎時期,這個時候機車已開始導入微電腦系統,來針對燃油的噴嘴和進氣進行控制,藉以控制引擎的轉速和燃油效率等,另一方面,也開始透過感測器來偵測進排氣的狀況。而於此時期,機車也開始有了數位儀表的功能。


第三個時期,就是電動機車時期,此時機車的動力系統已轉為電池供電的馬達系統,同時也由於使用電池供電,因此所有的應用控制都轉以數位為主;第四個時期,則是智慧聯網時期,開始運用網路連線和數位程式來提供更多的資訊與控制服務,並進一步與行動裝置和智慧家庭和城市進行整合。


在電子元件使用的數量方面,第一個時期所用到電子元件數量非常少,大約只有約20到30個左右,且最主要的應用是在電子點火系統(Capacitor Discharge Ignition,CDI),而其中還多是電容與電阻,來做電壓轉換與放電點火的功能。


到了第二時期,由於環保考量,機車的燃油系統開始以噴射引擎取代傳統的化油器引擎。與汽車相同,機車的噴射引擎也是利用行車電腦系統(ECU)來控制包含汽油幫浦、含氧感知器、觸媒轉化器等裝置,讓引擎可以因應空氣成分的改變,來自動調較怠速和噴油量等。也由於使用了數位化行車電腦系統,因此採LCD顯示面板的數位儀表也就順勢進入機車的電子系統之中,包含油量、時速、引擎轉速,甚至引擎的健康狀態等,都開始以在機車儀表上以數位形式顯示。


而此時期所使用的電子元件數已經增加了一倍以上,一部配備數位儀表的噴射引擎機車,含所有的感測器在內,已經要使用超過50顆的電子零組件,並開始運用到高階的MCU。甚至有些新款機車已經有提供連接行動裝置的USB I/O介面。


而在電動機車時期,機車的動力系統已轉為電池供電和馬達動力,而此時的電子系統重心已注重在馬達與電池的控制上。相較於噴射引擎的ECU行車電腦,電動機車的ECU性能則又更上一層樓,不僅要增加馬達控制的功能,同時也要有先進的電池控制能力(如:電量顯示與充電控制),而這兩者已需用到高階的控制IC,並須對電路系統進行更複雜的設計,因此使用的電子元件數量也更多。


光就馬達動力系統,就大約需要30顆的電子元件,若再加上電池管理和充電系統,以及儀表和其他所有的裝置,則整體的電子元件數就會將近100顆左右。另一方面,也由於直接使用DC電池供電,因此電動機車擁有更佳的電子系統設計體質,更容易整合其他的電子系統,也更容易導入新的應用。例如,LED照明、安全監控等。


至於第四時期,則是開始導入更多的感測應用和連網功能,並搭配其他的智慧裝置(如智慧手機)整合使用,因此已需要更高階的處理器來進行更多的數據與資料的運算。在此時期,除了元件的數量更加成長外,使用的類別也往更高階的產品前進。Gogoro便聲稱其一部機車內就使用了80個感測器。


而從各個時期所運用的電子元件的數量就可看出,開始進入電動機車時期之後,用在機車上的電子元件呈現倍數的成長,若再對比目前的機車市場的規模,若電動機車的滲透率持續快速攀升,則其電子元件市場的規模將不亞於汽車的領域。


電池、動力與安全 電動機車的三大智慧應用

而目前電動機車的智慧功能集中在三個主要應用上,分別是:智慧電池、馬達動力與安全防盜系統。



圖2 : 智慧機車的三大應用
圖2 : 智慧機車的三大應用

智慧電池

最基本的智慧電池應用,就是要具備電池管理系統(BMS),用以提高電動機車充電電池的使用壽命,並讓騎士能夠即時掌握所騎乘的機車的電量狀態。而其基本的功能包含:精準電量顯示、電池健康狀態、電壓偵測、動態監控(充電狀態)和溫度監控等,以讓騎士得以掌握可行駛的路程,以及決定是否進行充電和更換電池。


由於電動汽機車的電池架構是由許多的電池芯組合而成的電池組,因此其BMS的設計就是要透過許多的感測器來針對個別電池組進行偵測,藉此精確掌握每個電池組的荷電狀態(State of Charge)。


此外,在電池進行充放電過程中,也要即時偵測每個電池組的電壓和溫度,防止電池過充電或過放電。同時也能偵測每個電池的健康狀態,並使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態,以維護整個電池的可靠性和效率。


馬達動力

要能在小小的體積內榨出足以媲美傳統燃油機車的動力,電動汽機車的馬達動力系統就必須要依據個別車款來訂製,除了核心的馬達需要使用具備高效率和高性能的產品外(如永磁同步馬達),還需要有先進的電子控制系統,才能達成順暢的動力輸出,特別是在爬坡和加速的時候。


而在電動汽機車上,因為機構特性的限制,因此其動力和控制系統的設計已逐漸朝整合的方向前進。以博世(Bosch)為例,其針對電動車的需求,也開發出一種單機組的整合型動力軸系統:e-axle,該系統就是整合了馬達、變速器和電力控制三個關鍵的動力元件。


至於電動機車方面,博世也和中國的牛電科技合作,共同開發了一款訂製的馬達系統。該系統透過新研發的電力控制系統(Field-Oriented Control;磁場導向控制系統)來對電機進行調教,大幅提高了馬達的電能與動能轉化率。


而目前更高階的智慧電動機車也會提高速度檔位的選擇,讓騎乘者依據路況與情境來選擇省電或是高速的行駛模式。


防盜安全

防盜安全是除了機車本身的騎乘性能之外,消費者最在乎的項目,而這個功能在以數位控制為核心的電動機車上可以達到非常全面的防護。


電動機車的智慧防盜功能主要是建立在透過數位介面與網路功能來達成多層的防護機制。由於是使用數位系統,因此在安全金鑰的設計上就可以進行更多層的加密與配對,或者進一步結合行動裝置和網路功能來進行機車的啟動和定位。


以Gogoro為例,其是在機車本身、實體鑰匙,並搭配手機的APP 來進行多層安全防護,相較於傳統的機車,它能進一步透過手機APP的指紋辨識或密碼認證的配對來進行解鎖。此外,Gogoro也在其電池上設置了防盜功能,一旦被通報失竊的機車電池回到充電站充電,就會被鎖定。


另一方面,Gogoro也利用手機的APP,提供機車定位的功能,讓騎士可以隨時掌握其機車的位置資訊。另外也具備所謂智慧鑰匙和智慧上鎖的功能,進一步降低人為因素導致的失竊風險。


應用無極限 智慧機車發展潛力龐大

從發展趨勢來看,將會有越來越多的「汽車級」技術下放到智慧機車上,例如智慧車燈、行車資訊和行車紀錄系統,以及駕駛輔助系統等,因此電動機車的智慧應用也會更加先進,同時具備智慧功能的電動機車也會更加普及。



圖3 : 台灣各車廠電動機車生產數量統計圖表
圖3 : 台灣各車廠電動機車生產數量統計圖表

此外,不同於汽車,機車的騎士還會有更多的周邊配備,如安全帽、手套等穿戴用品,而這些周邊將來也都有機會導入電子系統,並與機車的智慧應用整合,把其智慧系統的性能進一步做提升。


所以綜合來看,環繞在智慧電動機車應用的電子系統的發展潛力十分龐大,所涉及的軟硬體的市場規模和產值也十分可觀,預料將會開始吸引所有的電子元件廠投入競逐。而就如同過去所有的市場,先到先贏。


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