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電動機車市場起飛 輕型BMS與馬達控制是關鍵
 

【作者: 籃貫銘】   2018年05月11日 星期五

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電動機車(E-Scooter)即將要進入成長期。消費者經過這幾年的觀察與體驗,對電動機車的疑慮和陌生已逐漸消除;同時,相關的供應鏈技術與成本也漸趨成熟,電動機車市場的下一步,就是朝向大量生產與多元品牌和款式前進。



圖1
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電動機車市場火熱的程度,從睿能創意旗下電動機車品牌Gogoro的市占率就可看出。該廠在今年三月份台灣整體機車市場的佔有率已達到6.34%,是該公司的歷史次高,同時在電動機車類別的市佔率更高達90%。



圖2 : 輕型電動車的關鍵系統示意圖。(製圖:CTIMES)
圖2 : 輕型電動車的關鍵系統示意圖。(製圖:CTIMES)

從整體數量來看,台灣電動機車的整體數量從105年的20,628台,至106年已成長至45,541 台,年成長率高達120%。而今年截至2月為止,全台的電動機車銷量已達9,928台,約佔去年整體的21%,依此趨勢推算,預計今年的年成長率也將突破30%。


所以從數據上就可看出,台灣電動機車市場已進入成長期,追逐市場規模與產量將是業者目前的發展關鍵,同時,也會將有越來越多的新興業者投入;而對供應鏈來說,則須盡早備妥相關的解決方案和產線。而在電動機車的系統設計上,重點則是在電池和馬達的控制系統。


電動機車適用輕型電池管理系統

英飛凌電源管理及多元電子事業處經理吳榮輝指出,一個基本的電動車系統,大致可分為電池管理系統(Battery Management System;BMS)、馬達控制(Motor Control)、逆變器(Inverter)和充電裝置(On-board Battery Charger),而電動機車也同屬這個架構。



圖3 : 典型的電動車BMS架構
圖3 : 典型的電動車BMS架構

英飛凌是一家德國半導體元件供應商,並長期專注於汽車電子系統元件的開發,能提供全系列符合汽車規範的元件,而該公司已是歐洲汽車電子市場的龍頭。而看好電動車市場的發展,英飛凌近年也積極開發電動車相關的解決方案,目前也有針對電動機車應用的各項電子方案。今年更與上海汽車集團成立合資企業,加速服務中國和亞洲的電動車客戶。


圖4 : 英飛凌電源管理及多元電子事業處經理吳榮輝
圖4 : 英飛凌電源管理及多元電子事業處經理吳榮輝

吳榮輝表示,電動車可分為高電壓與低電壓(Low-voltage)兩種系統,而一般的低電壓電動車的使用電壓約在48~96伏(V)之間,至於電動機車也在此範圍。因此,相對所搭載的動力系統(馬達與逆變器)就比較小,同時所使用的電流也比較小,在系統設計上就可以選擇採用離散功率元件或功率模組。


他進一步解釋,電動車的電池基本上就是一個龐大的電池組,由數千顆的鋰電池組合而成。以特斯拉的Model S為例,其電池是由16組電池組串聯而成,且每個電池組由444顆鋰電池並聯形成,因此電池總數量就達到7104顆,整體提供了高達400V的直流電。而電動機車雖然所需的電壓與馬力皆大幅小於電動車,但電池的原理和架構則大同小異。


以中國小牛的N1電動機車的電池來說,其一個電池僅有170顆鋰電池,電池組的數目大約只需約1~2個,整體提供48V的直流電壓。因此整體BMS的設計規模自然小得多。


吳榮輝指出,在BMS的設計上,重點就是於對每個電池組來進行個別控制,也就是建立從控次系統(Sub-BMS)來管理每個電池組的狀況,例如電流、電壓、溫度,或者電池老化和充放電的保護。接著再把所有的次系統整合成主控


系統來做整合管理,並連接至儀表上來顯示或控制。


而在BMS的電路設計規劃上,吳榮輝則認為,雖然電動機車的電池規模較小且簡單,但為了達成最佳的電池效能,仍建議使用標準IC建立次系統,再透過微控制器(MCU)來進行管理的設計架構。


低電壓馬達控制是電動機車的靈魂

電動機車電子系統的另一個核心,則是動力系統(Power System),關鍵則在馬達控制。而電動機車的馬達屬於低電壓馬達,多採用直流無刷(BLDC)的類型,而又基於節能和結構的考量,目前的電動汽機車又以永磁同步馬達(Permanent-magnet Synchronous Motor,PMSM)為主流,其優點則是穩定、功率高且調速性能好。


為了達到更精準、穩定和更具能源效益的馬達控制性能,除了採用高品質的半導體元件之外,電路的架構也是關鍵所在。吳榮輝表示,在低電壓馬達驅動解決方案上,以三相BLDC的驅動來說,典型的設計方案則是以一個微控制器(XMC)來進行控制並整合其他的感測器元件(如:霍爾感測器),再加上閘極驅動器(EiceDRIVER),並搭配6個功率MOSFET元件(OptiMOS)來對BLDC馬達做驅動控制。


吳榮輝更特別指出,電動機車也屬於需「上路(Ob-road)」的交通工具,其面臨的運行環境也十分嚴峻,例如高溫和震動等,特別是電動汽機車都會存在高啟動電流的問題,也就是需要極大的電流來發動馬達啟動機,因此相關系統所搭載的元件材料和封裝也須特別重視,一定要具備能夠因應高電流的能力。


以英飛凌為例,其TOLL(TO-LeadLess)封裝就是針對大電流需求所研發的規格,該技術透過大幅縮減封裝的針腳尺寸,來提高對電流的密度,其最大的電流量可達300A。此外,也改善了對抗雜訊和干擾的能力。而在機板方面,則使用加厚並鑲嵌銅金屬的PCB版來增加大電流的性能。



圖5 : 針對高電壓應用所開發的TO-LeadLess封裝技術和含金屬加厚PCB版
圖5 : 針對高電壓應用所開發的TO-LeadLess封裝技術和含金屬加厚PCB版

另一方面,隨著更多業者投入電動車技術與元件的開發,電動車的動力系統也持續創新,其中一個主流技術趨勢就是動力系統逐漸走向整合,也就是把馬達、電力驅動及變速器組成單一機組。


而這種整合型動力系統的優勢就是透過簡化機組的設計,來讓系統運行更有效率,進以降低整體成本與電耗。更重要的是,透過整合的設計就能夠大幅減少動力部件的體積,讓電動車可以更加輕巧,而能源的消耗也能減少。


以台灣的富田電機為例,其也已開發出專門針對電動車應用的整合型馬達技術,能滿足各式電動車的需求。


充電站與能源網也是市場發展的關鍵

而在電動機車市場即將步入成長期之時,充電站的普及和安全快速的充電解決方案也是扮演著市場能否順利起飛的關鍵。


吳榮輝表示,隨著電動機車市場的發展,將可以見到相關的充電基礎建設的逐步落實,而如何結合目前的電網和綠色能源建立起微型電網(Micro Grid)和能源儲存系統(Energy Storage System;ESS)是重點所在。而更長遠來看,則是要考慮如何透過物聯網架構和人工智慧技術,進一步把電動機車和充電站等也整合進智慧城市和智慧交通的範疇之中。


而在BMS的發展方面,吳榮輝認為,安全仍會是最重要的發展方向,而隨著技術的持續發展,成本、壽命與容量都會持續增加;至於動力系統,元件則是要往低導通電阻(Rdson)和具備高電流性能封裝的方向前進,並朝向模組化的方式整合,再來就是車用規範的導入。


吳榮輝指出,雖然目前電動機車的元件仍沒有強制規範要取得車規的標準,但隨著時間的發展,這個需求就可能漸漸浮現。但依英飛凌的觀點,仍會建議客戶使用具備車規標準的元件,以求最穩定的性能。


至於充電器方面,快速充電技術會是未來主要的發展方向,以縮減電動機車的充電時間,改善電動機車的機動性;而在充電站方面,結合太陽能與ESS的雙向(Bi-direction)式供電技術將會漸顯露頭角,並為電動機車市場帶來更全面且完整的生態系統。


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