全球各國對于空氣品質(zhì)與更低能源成本的訴求，驅(qū)動電動車市場蓬勃發(fā)展。其中，電動車最關鍵的電源管理、無線充電、電路保護和儲能技術都潛藏龐大的商機，促使相關供應鏈廠商齊心布局，成長潛力一片樂觀。

溫室氣體排放引起氣候異常更造成全球性的空污與霾害，如何抑制交通工具廢氣排放不僅是各國政府的頭痛問題，也是巴黎氣候協(xié)定的重點。近年來各國政府對空氣污染問題高度重視，包含法國與英國相繼宣布2040年禁售汽柴油車，而中國政府也為了要抵抗霾害問題，預計將于2020年完成車樁建置與智能電網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足超過500萬輛電動汽車充電需求，促使電動車商機水漲船高。根據(jù)Frost& Sullivan估計，2016年全球電動車銷量約78萬輛，2020年將達241萬輛，復合成長率高達5.8%。

功率元件/電路保護滿足高功率電池需求

電動車堪稱當紅炸子雞。2017年7月Volvo宣布從2019年起，賣出的每一輛車都將配備電力驅(qū)動引擎;電動車制造商特斯拉(Tesla)預計將建造5座超級工廠，火力集中電動車制造和電池的開發(fā);此外，日立汽車系統(tǒng)與本田汽車達成正式合作協(xié)定，成立新能源合資公司，積極研發(fā)電動汽車引擎系統(tǒng)。

電動車產(chǎn)業(yè)日趨熱門，帶動電池相關產(chǎn)業(yè)快速成長，因此高能量密度與高功率密度的電池需求更加迫切。其中，背后的功率元件選用與電路保護模式也備受關注。

新型絕緣閘雙極電晶體(IGBT)設計是電池設計不可忽視得重要元件。以功率保護元件設計要點來說，新加坡商安富利技術顧問宋自恒表示，電動車IGBT設計需要考量電壓及電流規(guī)格選用、驅(qū)動電路的設計，以及驅(qū)動IC電源為集中式多組輸出或分散式單組輸出的選用。目前可提供相對應的功率半導體元件供應商包含日立(HITACHI)、瑞薩(Renesas)、三菱電機(Mitsubishi)、安森美半導體(ON Semiconductor)與英飛凌(Infineon)等廠商。

而上述這些功率半導體元件廠商，皆面臨元件設計時，無可避免的四大挑戰(zhàn)，包含

.開關損耗需降低，使馬達變得更小型、更輕巧，同時還需要在15~20kHz的頻率范圍(傳統(tǒng)頻率為5~10kHz)

.減小寄生電感、電阻和熱阻，傳統(tǒng)打線(Wired Bonding)可改善為燒結組合(Sintered Compositions)

.汽車世界中，作業(yè)溫度范圍，最低可以達到-40℃，因此當IGBT和二極體的擊穿電壓(BV)需耐至更低溫度

.降低成本、重量和尺寸大小

另一方面，在電路保護設計方面，Littelfuse資深技術行銷工程師游恭豪表示，車用零組件都需要通過AEC-Q101認證，即便是電路保護的保險絲亦是如此，其認證項目包含溫度、濕度與溫控，認證時間大約需要三個月。經(jīng)過測試后，才能保證汽車可安全行駛于道路。

游恭豪談到，電池管理系統(tǒng)(BMS)功能是電動車最重要的部分，故車廠需確保BMS功能在任何異常狀況下，都不受到影響或損壞。因此感測器線路保險絲(Sensing Line Fuse)保護位居要角。

EV車輛中的電池管理系統(tǒng)是非常復雜的關鍵任務(Mission Critical)系統(tǒng)，需要將其放置在適當?shù)奈恢貌⑦x擇保護元件，以滿足過壓和短路保護效能?；诖耍喂Ш缹MS保護分成六個區(qū)塊來看，包含感測器線路保險絲產(chǎn)品選擇、電池監(jiān)測IC輸入過電壓保護、菊鏈I/F過電壓靜電放電(ESD)保護、控制器區(qū)域網(wǎng)路匯流排(CAN Bus)I/F過電壓ESD保護與高電壓/電流電力線保護。

整體而言，游恭豪認為，鋰電池技術將成為任何一種EV車輛的基礎，除了功率密度和充電循環(huán)壽命的優(yōu)點外，還需要大量的監(jiān)測和保護。

四大要素缺一不可電動車儲能設計當?shù)?/span>

輝能科技行銷部經(jīng)理許容禎談到，電動車的安全、功率、價格與壽命是車廠在儲能設計中主要的四大方針。以電池來看，現(xiàn)在所有電動車使用的鋰電池，都是液態(tài)電池，無論電池芯怎么保護，只要穿刺后電解液體滲出，即有可能產(chǎn)生燃燒。

許容禎指出，歐洲EUCAR安規(guī)對電池穿刺有明顯定義，不過若要完成此規(guī)范，則門檻太高，故在中國電動車GEB規(guī)范中，無穿刺安規(guī)需求，但若此規(guī)范過關，未來極有可能產(chǎn)生多起事故發(fā)生的疑慮。

懷格(Vicor)臺灣區(qū)應用工程師楊有承以特斯拉Model S電池的并聯(lián)和串聯(lián)架構舉例，該車款的車內(nèi)電池架構是由16個模組串聯(lián)在一起，其中，每個模組又分成六串，加上74顆電池芯并聯(lián)而成，總共約有7,104顆鋰電池芯?？梢韵胂褚慌_電動車中，有七百多支手機在其中。

如何兼顧所有特性，同時又滿足低價需求呢?許容禎談到，每種車用材料貢獻的效能都不一樣，有些材料滿足容量要求、有些則可提升安全性或功率，無論做哪些選擇，都會犧牲掉一些需求。但整體而言，價格和安全訴求是影響性能選擇的主要因素。

舉例來說，汽車長距離的行駛需要有較高的續(xù)航力，在中國地區(qū)，希望透過快充方式，使續(xù)航力能快速提升，主打充電5分鐘、用電2小時的方針。但不可置否，快充是以大電流的方式，將電力輸送到電池中，此運作模式會消耗車子的電池壽命。而另一方面，華為采用的方式，是在電池的負極里面，添加石墨稀提高壽命，但相對而言，就增加了制造成本。

安全/成本一步到位固態(tài)電池顛覆想像

許容禎談到，特斯拉在電池模組(Pack)端做很多保護，整車的電池芯比例大概只有30%，其體積能量密度很高;而三星的策略是提供較小的體積能量密度給BMW，具有高安全性，因此其電池芯占整車的53%。換言之，對電動車電池來說，需要一半或七成的比例建立保護機制。

相對而言，若采用固態(tài)鋰電池方案，則可同時降低電池模組的保護機制與成本。許容禎提到，可燃物質(zhì)、氧和熱是導致燃燒的三要素，若缺少其中一樣，就無法燃燒起火，而固態(tài)鋰電池本身沒有可燃的液態(tài)解液體，能保障安全與穩(wěn)定，再者，若采用好散熱的材質(zhì)，就可以在電池模組端，降低冷卻系統(tǒng)的成本。

不僅如此，固態(tài)鋰電池還能實現(xiàn)無極電池(Bi-parallel)技術，亦即能于電池芯中達成串聯(lián)效果，據(jù)了解輝能已能滿足一顆電池芯內(nèi)可完成32串聯(lián)規(guī)格。目前Bi-parallel技術還在起步階段，一旦可以做到一顆電池芯70安培，一顆電池44.4V的規(guī)格，就不需要太多額外的串/并聯(lián)，達到電動車規(guī)格需求，同時還能節(jié)省BMS成本。

解決可靠度/EMI問題掌握充電架構系統(tǒng)

工研院機械所智能車輛技術組系統(tǒng)整合與應用部副經(jīng)理林金亨表示，臺灣廠商基本上已具備制造車用電力轉(zhuǎn)換器能力，其主要挑戰(zhàn)來自于可靠度與低電磁干擾(EMI)有待克服，導致布局電動車市場難以有突破性的進展。

林金亨談到，由于車內(nèi)空間有限，故在挑選架構就格外重要。電力轉(zhuǎn)換器架構來說，成品做出來只需一年時間，但成品完成后，需經(jīng)過一系列標準測試、環(huán)境驗證過程，再者，成本效益與散熱問題也不容輕忽?；诖?，采用何種充電器加裝在車上，如何擺放、確認采用標準，皆須在產(chǎn)品設計之前就考慮周到。

電動車的主要電力來自電池，充電方法可分為三種，包含馬達驅(qū)控器(Motor Controller and Inverter)、車載充電器(On-board Charger)和交/直流連接器(Charging Connector)，以及直流快充連接器(Quick Charging Connector);其中，充電形式有兩種，充電式與電池交換的模式。

后者電池交換的模式，在某些應用場景也非常方便，例如香港機場的電動行李拖車就是采用這種方式進行供電。整體而言，通常機場拖車一天約有兩小時的休息時間，因此要將電動車的電池充滿8小時是不太可能的，故香港機場購置百輛電動行李拖車，并額外購買三成的電池，透過電池交換的方式，將電池移到外面充電再將充飽電力的電池放回拖車中，提升工作效率。

不過，一般而言，充電式是電動車普遍采用的充電模式，可分為接觸式充電與非接觸式。以接觸式的充電來看，分為交流充電與直流充電;前者的特色在于整體建置較便宜、安全性高、且可建置的地點多元、需要的面積也較小，但缺點在于充電需要的時間較長，充電插頭尚未統(tǒng)一。相反的，直流充電的充電時間較短，可減少車用電池的重量與價格，不過電力高有危險性，整體建置價格也較高，所需耗費金額約五十萬至一百二十萬臺幣。

金屬異物干擾不容輕忽高功率無線充電登場

另一方面，非接觸式充電方式，非無線充電莫屬，其安全機制是首要考量要素。富達通無線充電事業(yè)部經(jīng)理詹其哲表示，無線充電式透過發(fā)射高能量的電磁波來傳送電力，不過，在發(fā)射端上的物品不一定是預期的待充物，當發(fā)射端上有金屬成分的異物時，高能電磁波被金屬物吸收后溫度會升高，將導致意外發(fā)生，因此需有完善的金屬異物偵測機制，避免災害降臨。

詹其哲提到，在無線充電系統(tǒng)之中，金屬異物危害設計是最難的挑戰(zhàn)。當無線充電系統(tǒng)檢測到金屬時，必須立即關閉能量輸出，其核心技術是做好資料碼傳送與功率調(diào)節(jié)的效能。當無線充電發(fā)射端偵測到金屬異物時，可利用編碼內(nèi)容進行控制，停止發(fā)送能量到接收端;此外，還可依照受電端需求自動調(diào)整輸出功率。功率調(diào)節(jié)可由八步驟進行，

1.預設定受電端電壓目標

2.受電端將偵測到的電壓編碼反饋

3.供電端解碼取得受電端電壓資料

4.計算新的目標線圈電壓

5.降低頻率提高線圈振幅或提高頻率降低線圈振幅

6.重新量測線圈電壓

7.檢查是否已經(jīng)達到目標電壓

8.功率調(diào)節(jié)結束

當執(zhí)行完上述八個步驟后，可返回第一個步驟進行下次調(diào)節(jié)。高速調(diào)節(jié)功率性能快速，通常步驟4~8僅需花費2秒。

整體而言，詹其哲認為，電動車的無線充電功率商品化最低門檻為3KW，充電效率必須高于97%。若在3KW下效率90%的狀況下，約有300W的能量損耗。一般狀況下100W的損耗就會散發(fā)出相當大的熱能與電磁能量。基于此，若要將3KW功率控制損耗在100W內(nèi)，效率推算應該為97%。此外，安全的控制系統(tǒng)與實用的輔助停車是不可或缺的要素;要維持高效率，供電端與受電端線圈需要對準，而就算線圈做大后，停車可偏移距離也只有10~20公分的范圍內(nèi)，駕駛者要準確停車難度較高，故需導入自動駕駛予以協(xié)助。

了解關鍵元件驗證要點加速布局車用市場

德國萊因(TüV)交通運輸服務型式認證&智能運輸系統(tǒng)專案工程師陳郁名表示，除了美國有自己的規(guī)范之外，目前大多數(shù)國家的進/出口汽車，都跟隨歐盟法規(guī)。其中，歐盟法規(guī)制定的三階段，首先，是政府強制要求的Recommendations，像是電池環(huán)保指令(Battery Directive)2006/66/EC;其次，是Standards，像是一般常見的規(guī)則、指南，包含ISO、 IEC、DIN、JIS和CNS的標準，無強制性，可作為分級標準;最后則是Regulations，為當?shù)胤ㄒ?guī)，具有強制性。有可能完全遵照法規(guī)內(nèi)的描述，或做些許修改。

以電動車立法的基準來自于UN R ECE、EC和StVZO。目前許多車用產(chǎn)品采用UN R ECE規(guī)范，現(xiàn)已約有六十幾個國家以此規(guī)范為主，如日本;而德國則是以StVZO為主。不過，即便車廠符合EC and ECE法規(guī)，但也要滿足當?shù)胤ㄒ?guī)的其他要求，才能產(chǎn)品上市。

一般來說，電動車允許在特定國家/地區(qū)銷售產(chǎn)品之前，需要進行型式認可。陳郁名談到，以臺灣來說，在認證過程會由國家政府單位負責檢查，評斷是否通過認證;而歐洲國家，則是透過認證公司，確認測試流程是否有通過認證。

基于此，通過認證首要知道事先了解產(chǎn)品，做一些咨詢服務(Consulting Services)，而后進行資格審查的申請，基本上須通過ISO 9000，或由發(fā)聲單位或認證單位到場認證，確認是否為合法工廠或經(jīng)銷商。當驗證確認符合批準類型的程序后，進入到法規(guī)測試程序，接下來就是一系列的檢查、證明與符合性測試等過程。

提升差異化/設計品質(zhì)臺芯片廠搶占EV版圖

整體而言，未來電動車的價格供應會日趨便宜并提供更好的續(xù)航力，而獲取能源的方式也會更加多元化，像是使用風力或太陽能發(fā)電導入車輛電池充電，而這些趨勢將促使電動車逐漸取代汽油車或油電混和車。

楊有承分析，現(xiàn)今電動車市場大多聚集在國外，若本身沒有品牌力的支撐，難有長足的進展。他認為，電動車市場與臺灣本土市場息息相關，一方面需仰賴政府鼓勵投資，二方面相關供應商需研發(fā)特殊技術滿足差異化需求，提高本身技術能力。

宋自恒談到，臺灣未來布局電動車市場，可由兩面向著手，針對中小企業(yè)的廠商，可提供高品質(zhì)的零組件服務歐美日中等大廠，或是為大廠代工或設計馬達或驅(qū)動器等關鍵零組件;而一些規(guī)模較大的公司，如鴻海可自行研發(fā)制作廠內(nèi)電動車和收購其他車廠。
 
2017-10-23  來源：華強電子網(wǎng)

文章關鍵詞： 韋爾半導體  香港華清電子(集團)有限公司  電動汽車