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以中國大陸為鏡 決戰新能源車輛市場
2019.07.12∣瀏覽數:252

中國大陸宣佈2019年要求車廠製造和銷售10%新能源車輛規定,同時已啟動禁止汽油車與柴油車的製造與銷售,透過新規定推動以純電動車為中心的新能源車輛普及化,世界最大的中國大陸市場發展,日美歐車廠被迫加速在新能源車輛方面的應對。
文 ◆ 工研院產科國際所 蕭瑞聖

《中國製造2025》規範一批重點突破發展 領域,包括晶片、感測器、積體電路等在內的 新一代資通訊技術產業,圍繞汽車、機械、電 子等領域的工業機器人,節能與新能源車輛相 關的動力電池、先進變速機構、輕量化材料、 智能控制等核心技術,形成從關鍵零組件到整 車的完整工業體系與創新體系。另外《中國製 造2025》還將探索利用產業基金、國有資本 收益等方式支持高鐵、汽車等裝備與優勢產能 尋找出海口,實施海外投資併購,強化汽車零 組件產業布局國際,參與國際競爭,併購國外 優勢資產創造契機。

借鏡《中國製造2025》,啟發汽車零組件 產業轉型之道—汽車已進入產品多樣化及生 命周期縮短時代,以汽車製造業為例,2000 年之前各主要汽車廠能夠提供的車款不多, 如BMW當時只有12款車型可供選擇,2017 年增加到28款,車型選擇款式增加後,反而 導致車型生命週期縮短,BMW 新車款生命 周期從以往131個月縮短到106個月,因應 新能源車輛發展,如何依照消費者需求調整 產能,成為汽車廠與汽車零組件廠商必須嚴 肅面對的課題,適度對應汽車零組件生產效 率、研發與製造成本、不良率、高值化,甚 至是零組件物流調度等。

新能源車輛關鍵零組件攸關產業普及化進程
(1)引擎小型化—汽車零組件精簡
新能源車輛為符合高效率、低汙染、省油耗的環保需求,近年來多致力於引擎小型化 (Down-sizing)發展,除了材料、設計與製造的精進外,藉由機械增壓(Supercharger) 或電子增壓器(Turbocharger )改善性能,藉此彌補小引擎性能的不足、精簡汽車空間設 計,主要車廠積極發展小型化引擎的複合動力車,特別是歐洲領導車廠。新能源車輛小 型化引擎應用的蔚為風潮,除了精簡設計縮減空間配置(Layout)外,對汽車零組件輕量化亦具有正面意義。

(2)48V電力系統—新能源車輛的進階門檻
由於零組件供應鏈與成本因素,複合動力 車成為新能源車輛當中進入插電式複合動力 車與純電動車的進階選項,為滿足日益嚴格 的油耗與汙染排放法規,除了傳統的12V電 壓系統之外,以歐洲車廠為中心積極地嘗試 研發48V電力系統,自2016年開始,陸續搭 載48V電力系統電池、動力馬達與發電機、 剎車回充系統、電流轉換器的輕度複合動力車 (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV), 歐洲領導車廠規畫投入電動增壓器與穩定器 等新能源車輛系統關鍵零組件,預測2025年 搭載48V電力系統輕度複合動力車市場,將 達到1,300萬輛規模,48V電力系統可視為新能源車輛低成本對應法規與解決方案,藉由 輕度複合動力與48V電力系統零組件配合, 有效降低油耗汙染。

48V電力系統輕度複合動力車可將動力馬 達依皮帶驅動 (Belt Starter & Generator,BSG)或整合式驅動 (Integrated Starter & Generator, ISG)配置在發電機、變速機構 或車架上不同位置,藉由離合器適時切換 與變速機構的連結,是透過傳動能量回收 (Recuperation)與滑行行駛 (Coasting)的最 佳控制方式,最大可減少21%油耗效果,例 如Bosch與Continental等領導廠商陸續量產 48V電力系統的皮帶驅動與整合式驅動系統 零組件,開啟輕度複合動力車市場,表1是 主要領導車廠48V電力系統研發動向。

(3)動力馬達—新能源車輛決勝點
複合動力車與電動車的關鍵零組件是驅 動系統的動力馬達,動力馬達在複合動力 車與傳統的引擎整合在一起,在電動車中 則是獨立的動能來源,選擇動力馬達需要 考量馬達尺寸、重量、可靠性、耐用性、 所需扭力與驅動效率等。隨著新能源車輛 普及化發展,同步馬達與非同步馬達之爭 也愈來愈激烈,中國大陸廠商認為「永磁 同步馬達」是未來主流,部分廠商則認為 「感應式非同步馬達」才是未來的主流, 永磁同步與感應式非同步動力馬達在純電 動車應用領域是兩大主要發展方向,但不 能以偏概全,評論誰優誰劣,必須檢視應 用場合與車輛的設計初衷,在同等功率條 件下,永磁同步馬達的體積更小、效率更 高,如Tesla的Model 3,考量車型空間精 簡設計,Model 3改用永磁同步馬達,乘用 車上使用永磁馬達是大勢所趨。

適用於複合動力車與電動車的動力馬達 有兩種基本類型,即(1)非同步馬達/感應馬 達,此種馬達耐用且價格合理,無需稀土 族元素磁鐵,其特性參數可透過軟體演算法 得到控制,且無需維護,馬達效率略低於同 步馬達,在啟動時具有較低的扭力,效率 略低(約90%),且較笨重(2)永磁同步馬達 (Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM),具高扭力、精簡設計與高效率(約 94%),永磁式馬達需要使用稀土元素永久性 磁鐵,成本較高。

感應馬達與永磁同步馬達因屬無刷設計, 都不存在電刷損耗與維護保養的課題,永 磁式同步馬達提供更佳尺寸 / 扭力比與更高效率,常用於複合動力車與電動車的動 力馬達。 (3) 磁阻馬達:開關磁阻電動機 (Switched Reluctance Motor, SRM),又 稱切換式磁阻馬達,與一般直流馬達不同, 繞線設計在定子上,電力不需藉由電刷與換 相器等零組件傳輸,機械結構比較簡單,驅 控器需將電力提供給不同的繞線,其優勢是 轉子沒有磁鐵,製造成本低廉,馬達體積 小,缺點是產生轉矩漣波(4)直流無刷馬達: 結構上屬於永磁式交流同步馬達,利用電力 電子技術(逆變器)輸入交流訊號到馬達, 交流訊號不是正弦波,只是雙向的直流電, 波形沒有限制,新型向量控制技術已對無刷 直流電機使用正弦波控制,轉矩變動與低速 性能均可獲得明顯改善;與傳統有刷直流馬 達比較,無刷式較為安全與可靠,表2所 示,是應用於各式新能源車輛的動力馬達特性比較。

(4)動力馬達控制器與功率元件—高附加價值
動力馬達驅控器是新能源車輛的技術核 心,逆變器(Inverter)負責從動力系統電池 接收DC電壓輸入,並將其轉換為三相AC電 壓,再傳給動力馬達,最常見的控制方式是 場導向的向量控制,以脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)驅動的三相(六開 關)橋接器組成,逆變器控制新能源車輛動力 馬達,與轉換12V電池電壓的轉換器,多由 許多電子零組件所組成,其中逆變器模組的 零組件成本僅次於電池,且與電池材料費, 互為依存關係,逆變器是新能源車輛零組件 當中,與電池類似,是最具備高附加價值的 功能模組,其作用與傳統引擎的引擎管理系 統(EMS, Engine Management System)類 似,屬於新能源車輛的電動動力系統控制核心,主要車廠逆變器硬體即使有外購實績, 逆變器軟體也是新能源車輛發展過程當中, 相當重要的課題。

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