要求节能减排、低碳环保的目标,电动车正成为全球车辆发展的明日之星;电动车持续挺进电气化、智慧化与自主性,对于ICT产业蓬勃发展的中国台湾而言,更堪称一大契机...

电动车(EV)正从根本上颠覆了人们对未来交通与出行(mobility)的认知,同时促进政府、产业和公众为落实节能环保而努力。再生能源的发电、储存和配电的创新,更加速向真正零排放运输的电动化、智慧化过渡,并进一步带动智能电源管理以及“电池、马达、电控”三电系统的整合;续航力更佳的电池以及更高效率的充电基础设施更是备受关注的热议话题。

在日前由《EE Times Taiwan》与《EDN Taiwan》出版商ASPENCORE于台北国际车用电子展期间举办的“智慧连网串联电动车出行新生态”研讨会上,来自汽车与技术产业的产官学研专家以及技术创新业者齐聚一堂,共同讨论并分享关于电动车的最新市场趋势、如何透过最新技术实现安全与智慧的电动车驾乘体验,并揭露电动出行(E-Mobility)时代的新商机。

出席现场活动的中国台湾绿电协会理事长、友嘉集团总裁朱志洋表示,中国台湾有非常强而有力的ICT实力支持,精密机械也有好的基础,在发展电动车这部分非常有机会,包括特斯拉及其他电动车相关的零组件,很多透过中国台湾供应,友嘉也透过收购全球知名企业,在全球汽车供应链排在首位,供应给BMW、奔驰等车厂。他直言,ESG领域中国台湾绝对不能缺席,电动车不只发展电动车,净零排放对全球要做出贡献。中国台湾目前绿电供需非常不平衡,电动车有储能功能,要解决绿电的供需平衡,有机会发挥作用。

搭绿能环保风电动车驶入高速成长轨道

要求节能减排、低碳环保的目标,电动车正成为全球车辆发展的明日之星;电动车持续挺进电气化、智慧化与自主性,对于ICT产业蓬勃发展的台湾而言,更堪称一大契机。

根据电动车数据库网站《EV-Volumes》统计,2021年全球电动车销售达675万辆,年成长率(YoY)高达108%,在全球车市占有率从2020年的4.2%倍增至8.3%。此外,工研院产科国际所(IEK)调查并显示,2021年全球车电产值约2,350亿美元,2028年更将突破4,000亿美元大关。相准此一趋势,加上全球节能减碳议题推波助澜,电动车市场俨然成为兵家必争之地。

2021年全球电动车销售量为675万辆,YoY成长108%(来源:EV-VolumesChroma)

而从另一方面来看,电动车完全以电能驱动,固然能直接减少排碳量,随之而来大量的电力、电池需求,也对于全球各国的电源管理带来挑战。

电动车变身移动式储能智慧电源管理扮要角

中国台湾绿电应用协会(Taiwan Association of Green Energy Transition,TAGET)秘书长许博涵指出,绿电特性并不稳定,只有少数如地热等能源具有恒定性,因此需要辅助以减少绿电不稳定对电网的冲击。其中,电动车透过V2G (Vehicle-to-grid),甚至V2HOME、V2Building等方式,可望扮演很好的辅助角色。

许博涵所指的,就是智慧电源管理的概念。他认为,如果能做到智慧管理充放电,不只考虑个人需求,某种程度也关系到电网,让电网做到智能调度、平衡负载,就能对电网负载带来很大的贡献。此外,新型态的区域智能绿电生态系的建立,也是一个持续被探讨的议题。

“特斯拉(Tesla)想建构新的绿能生态系,理念上正确,实务上很有挑战。”许博涵表示,生态系必须利基于绿色能源平台,当中包括微电网的建立、如何储能并建立完整的信息平台等,“目前最传统就是单向充电的智慧调速,用充电基础设施调整充电速度,未来希望用智能电网控制车辆充放电,让电能回馈到电网,并在更多互动场景形成智能微电网系统。”

许博涵进一步指出,越稳定的电网就会有更多再生能源应用的可行性,相对来说,电网不够稳定,要达到20%-30%的再生能源应用就只能是梦想。现在不同的研究单位都在观察智能充电的落实,如何减少峰值负荷,“比如据Irena在2020年提出的调查显示,以50%渗透率来说,峰值负荷比起不受控充电达9%,预计可控制到5%,使电动车发展跟再生能源间的关系,不是造成更多的弃电率。”

智慧电源管理方案正成为电动车发展的下一件大事。

(来源:台湾绿电协会)

许博涵说:“如果只是让电动车在路上取代燃油车,缺乏有效管理,可能会对电网造成冲击跟负担”,因此智慧管理这件事情非常关键。未来,做电动车智慧基础建设必不可少,一定要回馈到车辆、电网的智慧化,从规划设计时间就要跟电网结合,使其确实成为辅助的一部份,在能源管理上更多着墨,让电动车跟电网的连结,真的应用更多绿电辅助服务拓展生态系,以智慧充电创造电网跟客户的双赢。

车辆电气化推动设计创新

随着全球电动车销售量大幅成长,燃油车逐渐减少,并伴随车辆本身的组件/系统电气化比重提升,显示在未来几年,汽车将持续迈向电气化,同时驱动电动车最重要的核心技术——“三电”系统进一步整合。

德州仪器(Texas Instruments,TI)以车用半导体供货商的角度指出,电动车/油电混合车(EV/HEV)、先进驾驶辅助系统(ADAS)、资通讯娱乐与仪表板(Infotainment & Cluster)以及车身电子与照明(Body Electronics & Lighting)是明显推动车辆创新的四大电气化方向。

TI业务总监陈介平表示,在未来的5-10年,随着各国法规与政策持续提前电动车新车的普及,预计从燃油车进展到EV/HEV以及48V插电式混合动力车(PHEV)的过程将会加速,并带动对于车用芯片的大幅需求。

“以组件/芯片的角度来看,过去一部燃油车可能采用100-200颗芯片,但一辆电动车动辄1-2,000颗芯片,这一数字乘上2030年预估的6,000万辆新车,芯片使用量的需求将高达600亿颗。”陈介平说,这也就是为什么如今我们看到包括TI等许多晶圆厂正大力扩厂。

由于驾驶或乘客在车中的时间增加,车载资通讯娱乐以及车与人的接口日益重要。为了提升驾乘体验,车辆的驾驶座舱正朝向40-60英寸等更大尺寸显示器、扩增实境(AR)与裸视3D的抬头显示器(HUD)发展,并进一步结合资通讯娱乐、仪表板、中控台,以及驾驶生命侦测、手势辨识、连网与投影等智能座舱功能。此外,车子的头尾灯也从原本的卤素灯进展到LED激光以及智能照明,展现更多的照明变化与酷炫设计。

ADAS车用架构正从过去的分布式系统演变到集中式处理。透过功能强大的集中式处理可实现更全面的ADAS功能,大幅提升安全与可靠度。(图片来源:TI)

ADAS也是电气化的关键。为了让行车更安全,目前的燃油车已能支持各种ADAS功能,而随着摄影机逐步整合更多的雷达、光达(LiDAR)、超音波等各种传感器,还需要能够计算物体移动等功能的高速运算,才能执行准确且安全的判断,因而带动在处理器中增加传感器中枢(sensor fusion)的需求。

电动车三电系统密集整合

除了带来设计创新,车辆电气化与电动化的关键也在于整合,特别是电动车的“三电系统”。陈介平指出,透过像是车载电池充电器(OBC)和马达、逆变器和OBC以及逆变器和DC/DC的高度整合,可望提高系统密度与效率、增加可用空间以及减轻车子的重量。

透过车辆电气化的创新以及三电整合,加速电动车和动力传动设计,以降低碳排放、减轻重量并以更少量组件提升效率。(图片来源:TI)

济南职业学院教授杨智介绍,相较于燃油车以引擎、变速箱等传统车用零件作为动力系统,电动车的动力来源就是所谓的“三电系统”——电池系统(电池模块)、马达系统(功率半导体)以及电控系统,因应较高电子化技术的需求,三电系统开始迈向高效率、高安全性、高容量技术的密集整合趋势。

从电动车的三电系统占整车成本来看,构成电池的成本最高,约占整辆车的40%,马达成本占15%,电控成本占12%。因此,杨智强调,电池可说是一辆电动车中最关键的部份,每次电动车市场涨价也几乎都是跟电池相关的产业链。

2021年全球电动车电池市场规模约270亿美元,其中,宁德时代(CATL)和比亚迪(BYD)是电动车电池产业链的主要生产企业。据杨智介绍,宁德时代专攻电池领域(占其营收近八成),占全球电动车电池产量的25%,在中国大陆装机量市场占有率为47.5%。

高功率密度电池带动车用组件智能化

Vishay产品应用工程师林军筑认为,目前环保节能、安全、舒适、便利性等四大发展方向,处于很好的状态,更适合新进产业投入其中。

2025年欧盟(EU)要做到15%减碳,2030年达到30%-35%的目标,48V会是重要的系统,再来走到电动车目前以400V为主流的电动车电池,现在也正投入800V电池的开发,预计未来的瓦数将不断提高。另一方面,随着ADAS等新技术应用越来越广泛,数据运算量也会越来越大。

48V系统目前在车内扮演重要角色,很多12V的应用为追求更好的效能正转向48V;瓦数也从过往10kW,到现在已经来到25-30kW;高瓦数、大电压的发展方向,逐渐在电动车市场确立。林军筑举例,如奔驰(Mercedes-Benz)的新车就使用了800V,实际上也看到客户往这个方向开发,而48V-800V的高瓦数、大电压应用,就需要更智能的单元处理断路。

Vishay分享如D2TO35、LTO100等厚膜电阻器、LPSA系列平面电阻器等产品,皆通过AECQ-200车规电子组件认证。林军筑表示,电子熔断器(eFuse)还是可以用,但电池的错误模式就是燃烧,开关有时序问题,需要更智慧的监控,比如当大电流输入,就用电阻抑制掉,或采用抗脉冲电流的组件。

智能电动车拥抱第四电:三电+超级计算机

车辆产业持续朝向“多合一”(All-in-1)整合趋势——除了电动车关键的“三电”系统(组件与模块)整合,随着电动车结合智能车与无人驾驶功能(如Tesla EV),如今也加进了所谓的“第四电”系统。

德凯宜特(DEKRA iST)高功率工程部经理陈旺助指出,电动车的“三电”结合超级计算机的多合一趋势,将是是未来智慧电动车发展主流。他解释说,当电动车进展到Level 5自动驾驶,整合各种传感器实现智能与自驾等功能,并藉由连接器进入主系统进行运算分析,必须能够支持超强的运算能力。为此,各大芯片商(Nvidia、Mobileye)甚至车厂(Tesla)本身都在着手开发AI芯片,积极打造可支持高速运算“第四电”的——车载超级计算机。

此外,电动车智能化还需要大量的数据传输,如何做到安全又快速的传输?在车用产业耕耘许久的硅智财(IP)业者Imagination Technologies认为,以太网络(Ethernet)会是重要的关键技术。Imagination台湾区业务总监林奂祥说,未来汽车每个网关都需要网络,以太网络在未来智能电动车中是必要的。

以太网络为一种计算机局域网络技术,包含物理层的联机、电子信号和媒介访问控制的内容,每个节点必须取得电缆或信道,才能传送信息,是目前应用最普遍的局域网络技术。以太网络能透过一对缆线发送和接收数据,当与高速点对点IEEE (电机电子工程师学会)标准同级总线共同部署于干线通讯时,以太网络便成为车辆电子设计灵活性的首选方案。

林奂祥表示,全球超过3亿台汽车应用Imagination的IP,当电动车组件都模块化,现在开始有中央处理器(CPU)控制每个功能,下一步变成区域性的网关来反应。此时,汽车环境需要安全又快速的传输,用无线网络难免会有干扰,以太网络会是电动车中的关键传输工具。

车内的电子组件通讯,未来随着不断智能化,将与现在呈现俨然不同的样貌。

(来源:Imagination)

展望电动车的未来,林奂祥认为,包括制图芯片(GPU)、CPU等产品,未来都将更专注在演算力的精进,尤其是GPU,驾驶舱屏幕很可能从HD变4K再到8K,未来的新车屏幕可能不会少于四个,甚至到6-8个,一旦到8K就要有很强的GPU控制,比如,要到完全自驾就需要500G FLOPS (每秒浮点运算次数)。开发工具及软件更是每个厂商可以差异化的关键,“硬件可以花钱买到,软件真的是无价。”

智能电动车供应链这方面正是中国台湾的强项,除了AI 芯片设计,跨入智能电动车、无人驾驶领域还必须具备数据中心服务器组装能量以及硬件制造关键技术,中国台湾在这方面拥有完整的硬件供应链以及IC设计公司,可望在智能电动车时代发挥关键角色。

级可靠度验证把关行车安全

车辆中使用了大量电子零组件(包括功率组件),伴随着电动车市场快速成长,电子组件也越来越多。闳康科技(MA-Tek)可靠度工程事业群PD技术服务处副处长张荃钧指出,各国都订定燃油车禁售的时间表,未来燃油车将慢慢变成电动车,汽车产业结合车联网,进到移动时代,现在产业出现两个发展方向,包括高功率及车联网的传输速度,未来对车的信息分享极为重要,但传输速度不够快就可能发生危险。

因应崭新的市场趋势,使得车用验证变得相当热门。张荃钧表示,车用验证和一般验证不同,比如,ISO 26262偏向设计面,功率组件属于离散半导体;IATF 16949属于自动化,接触过程中几乎所有生产线都需要过这个认证;AECQ车用验证就是一定要做的。

由于车辆以及零组件的重量影响其油耗表现以及电能的消耗(即里程数),也一直是车厂锱铢必较的关键参数。为了让车辆更加轻量化、高整合以及减少体积,陈旺助说,车电组件正持续“多合一”整合之势。随着,此外,为了因应高速运算带来高热量以及能耗的问题,用于车上的冷却系统也从气冷进展到水冷系统。

因此,在测试与验证电动车电源系统时,必须考虑到各种AC/DC输入以及 AC/DC输出,以及如何靠水冷系统降低功耗并带走热能。德凯宜特实验室为此类需求建设测试能量,支持AC/DC来源以及AC/DC负载。而为了验证多合一整合系统,提供四合一验证架构,分别针对智能EV的充电环境以及行驶过程(即放电环境)进行可靠性等各类型的测试与验证。

克服高功率充电测试挑战

无论是BEV、HEV或PHEV,随着各种电动车日益普及,使用者最在意的充电设备(EVSE)建置数量也逐渐增加,相对地带来各种测试需求。尤其对于致茂来说,“三电”之外的第四电就是指“充电桩”——为了加速充电以及缩短充电时间,如何在目前可能达到800V大高压、500A高功率的环境充电,挑战着车厂的安规检测验证能力。

致茂电子(Chroma)产品副理成嘉铨介绍,电动车的充电模式可分为AC (慢充)和DC (快充)。依据各国不同的法规定义,目前主要的AC充电以符合IEC或SAE标准为主,DC充电接口则包括CCS、CHAdeMO以及GB/T,而中国台湾主推的是CCS和CHAdeMO充电接口。

电动车的DC快充部份较AC慢充复杂,特别是其通信部份。成嘉铨说,电动车对充电桩的通信模式分为控制器局域网络(CAN)和电力线通讯(PLC),全球各地区的布局选择各不相同。CHAdeMO (日本)和GB/T (中国)支持CAN,而CCS (1/2)美规或欧规则都走PLC通讯,而其于近年来的市占率也较高,除了是美/欧规的主流,韩国车系也支持CCS接口。

因此,为电动车充电进行测试经常面对着一致性、兼容性与互操作性、测试覆盖率等困难,特别是针对更高电/功率密度的充电测试及其信号分析。

首先,当付费后开始充电时,在充电桩上的SECC通信板与车辆的EVCC之间必须保持实时畅通且明确。为了提高充电效能和质量,在充电过程中必须避免突然中断,以及在出现任何异常时必须能断电处理与实时反应,这也是在测试时的重点。

DC充电站为电动车充电的方块图;柱端(SECC)与车端(EVCC)之间在充电交握时必须保持畅通,确认需求与反应。(来源:Chroma)

为了尽量匹配市面上各种车型的充电平台与要求,在进行测试时需要一套能模拟不同AC/DC充电桩的自动化测试(ATE)系统,依法规测项要求模拟各种厂牌车款的行为,以确定充电桩与EV之间是否互相匹配,并大幅减少测试时间与成本。此外,由于参照同一法规的解读可能存在差异,以及考虑到未来升级不同接口的要求,测试平台采用整合信号与电源或AC/DC仿真器的模块化设计,以利于未来在同一平台上升级扩充。

车载储能商机前景可期

“车子上也需要有储能的功能。”成嘉铨说,未来,车上的电量如果足够,可在支持智慧的双向车载充电器(BOBC)架构下回馈至电网或作为家用/一般负载使用。为了验证BOBC双向架构,需要能支持双向架构的AC/DC来源或负载模块。

AC充放电系统架构:V2L+充电模式,支持4信道方案以及BOBC双向架构。

(来源:Chroma)

针对未来的车载储能应用,Bureau Veritas (BV)客户产品服务处Sammy Wu指出,为了降低电动车大量充电需求对电网的冲击,智慧充电器与智慧充电不可或缺。她认为,智能充电器与智能充电除了降低对电网的冲击,也可让有限的电能得到合理化分配,降低建设输配电基础设施的费用,同时靠着分时电价的做法,也能降低电动车使用者的电费负担,“电动车发展到后来,不仅从电网取电,也可以在电力短缺时向电网供电。”

此外,智慧充电议题也在全球发酵,比如,英国就针对电动车制定智慧充电法案。Sammy Wu指出,电动车充电主要往有线与无线这两个趋势发展,目前有线充电还是主流,另外也在积极发展无线充电,虽发展缓慢,无线充电目前还是小规模使用,但看起来无线也是趋势。

BV在台湾提供完整的测试与认证服务,认证范围扩及加密机制、无线、安全及电磁兼容性(EMC)等。去年协助台湾充电桩厂飞宏,取得专门针对电动车充电设施所制定的第三方国际认证“EV READY”。

责编:Amy.wu
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  • 我认为,电动车的行车安全,即使进入自动驾驶阶段,也无论发展到何种完美地步,仍有可能会发生事故,如果不解决辅助安全问题,电动车这条路还有一些欠缺。
    比如说,元器件老化失效,机械软件电路故障或缺陷,爆胎失控,路滑刹不住等相撞(致落水、起火、高压漏电等)。
    有时你不撞人,人撞你。
    如果事故不作为( 不解锁,打不开门窗;高压电不跳闸,漏电触电或起火,四窗同降及天窗打开,都是必须的),若遇险车身不作为,会加重二次伤害( 司机可能休克,起火落水等,高压电漏电等),那怕仅仅是打开双闪灯,也能防止再追撞被挤压,你好我好都好。
    虽然事故有大额保险,但人的生命比钱强。
    按理说,动物遇险,都有本能反应;而车身被撞,也应该有本能响应,这是天理,为此,建议标配万向碰撞传感器,可带来意想不到的积极效果。当事故发生时,起码能把险情降到最轻,把事态引向利我的方向发展。包括网联信息交互,车况路况态势感知,事前预警,事中补救,事后驰援等等。
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