從電動車關鍵零組件分析工具機發展與應用趨勢

摘要：本文以電動車的發展及相關組件製程說明，分析工具機於電動車關鍵零組件製造設備的需求與發展趨勢，特別是電動車所需之高階製造設備領域的發展，可做為未來國內工具機設備發展的參考。
Abstract：This article analyzes the machine tool development tendency based on the manufacture process of electric vehicles component, especially the development of high-end manufacturing equipment required by electric vehicles. This article can be a reference for future domestic machine equipment development.

關鍵詞：電動車、傳動齒輪、扭轉控制
Keywords：Electric vehicle, Transmission gear, Twist control

前言
因為全球二氧化碳等溫室氣體過度排放，造成氣候異常頻率逐漸增加，國際上開始訂立減碳目標，而移動汙染源汽車也成為減碳政策的實施對象，各國祭出禁售燃油車期程，並提供電動車減稅措施，電動車的發展與普及化，目前正逐步發生，我國是工具機製造重要國家，如何掌握電動車發展趨勢，了解未來電動車產業設備應用契機，進行高階工具機產品研發升級，提早布局搶得發展先機，將成為未來電動車製造設備市場的重要關鍵。
政策引導下的減碳目標，帶動電動車向上發展趨勢
2023年的開始，全球就壟罩在極端天候之下，美國在新年期間受到「大氣河流」影響，加州地區有暴雨肆虐，中西部則是暴雪襲擊，南部地區也有龍捲風警報。所謂的「大氣河流」，就是從太平洋引入大量的水氣，很多地方就像開水龍頭一樣，降下大雨。這是近年來全球暖化所造成的氣候異常，提醒生存在地球的我們，要重視全球暖化的問題。近年來世界各國開始訂定減碳與碳中和目標，世界工業先進大國設定2030年達到碳排放減量50%目標，於2050年達到碳中和目標。
綜觀全球碳排放量，石化燃料的使用所產生的二氧化碳排放占了大部分的比例，而運輸產業是燃燒石化燃料的主要移動汙染源，為了降低運輸產業的碳排放量，各國開始推動禁售燃油車的規範，透過政策引導下國際車廠也終止了新引擎開發計畫，並開始發展電動車，電動車市場於2017年剛達到百萬輛規模，在短短五年間快速成長，2022年1-9月全球銷售量已達到711萬輛，預期最後一季在特斯拉2座新廠全力衝刺產能，以及中國大陸補貼最後一年的末班車效應下，2022年整年度銷量有望突破1,000萬輛大關。另一方面，各國政府關注的「市售比」指標，也從2017年的1.3%，5年間暴增十倍來到2022年的12.8%，成長之快超乎預期。
電動車系統
電動車主要構成分為車身結構、電力系統、控制系統、動力系統、傳動系統等，如圖1所示，車身結構主要構成包含車架以及外殼板金結構，電動車的續航力為電動車在市場競爭的重要指標，提升續航力除了可以增加電力儲能，車身結構的輕量化節省能耗也是各大車廠發展電動車努力的目標，因此，車身結構的材料由過去燃油車的鋼板材改為高強度鋁合金，鋁合金為輕合金金屬，其密度為鋼鐵材料的1/3，採用鋁合金取代鋼鐵材料的車身結構體可減重30~40%，鋁合金具備高強度的特性，惟鋁合金成型過程中容易發生破裂的問題，過去鋼板採用冷鍛製程在電動車結構改為鋁材料後，必須透過加熱提升板件溫度避免成型過程發生破裂的現象。
電動車全鋁車身結構，車身結構依據部位的強度需求也不同，鋁合金材料所使用的系列也有差異，通常車身主結構為車身受力最大的部分，採用2或7系列材料，可透過熱處理強化，外部車身板金部分為次要受力部位，通常採用5或6系列材料，車門的部分則是採用5或6系列鋁合金，車底板結構則是以5或6系列鋁合金為主。

圖1 電動車系統

電動車車身輕量化，除了使用鋁合金以外，使用碳纖複材進行車身重量的減輕如圖2所示，目前國際汽車發展中心廠包含BMW、福特、Toyota等都有相關的複材與金屬異質結合的技術導入產品應用，導入底盤等結構件的應用如圖3所示，車輛導入碳纖複材的外型固定，為達到快速生產，材料會先以切割模具進行切割及預壓，再進入轉注塑成型模具中，透過熱壓合製程，完成快速成型如圖4所示，未來電動車需求量大，針對碳纖複材的應用需要加速複合材料的成型速度，故會以導入板型材料直接進入熱壓模具熱壓成型，生產時間可以縮短到十分鐘以內完成。

圖2 電動車輕量化車身

圖3 金屬與複材異質結合結構件

圖4 碳纖複材結構件轉注塑熱壓成型

電力系統部分則包含電力儲存電池以及安裝電池的殼體結構，電池在電動車成本占比高達30%，電池本身在碰撞如發生短路則會因急遽溫升而自燃，故電池殼體的強度以及耐衝擊程度與行車安全息息相關，為兼顧輕量化與高強度，電池殼體幾何形狀複雜，通常是採用真空壓鑄的方式，使它具有較高強度，另外鋁壓鑄件還具有高的延展性以及良好的焊接性，具備較高的可塑性，讓電池殼體在發生碰撞時具備較高的安全性，電池殼體這些鑄件的鋁合金類型是5或6系列鋁合金。