｜電動車輛動力系統技術專輯

當全世界都在熱烈討論未來的能源策略時，永續交通（sustainable transportation）已成為一個重要的目標，電動車輛（electric vehicle, EV）的發展又是達成永續交通最有效的途徑，原因之一是電力的取得具有多元管道，可以不受天然石油進口的限制與依賴，此外，電力的使用也可以降低溫室效應與空氣汙染。對於一個國家的經濟發展而言，電動車輛可激發許多前瞻創意，創造先進工業技術，提高就業市場，以及強化經濟建設基礎。事實上，道路交通的電動化已在一百多年前（1900年）就已經開始了，不過在1930年代以後，卻因電動車當時的性能與經濟效益不敵內燃機引擎而被取代；大約在1990年前後，因為汽油價格上揚、空氣汙染嚴重、以及氣候變遷的問題，車輛電氣化再次成為全球的重要策略；到了2010年起，車廠陸續量產各種形式的電動車輛，開始了電動車的第三世代（third age） [1]。

由目前世界電動車的趨勢，我們觀察到幾點重要的訊息：（1）許多國家已將電動車的發展制定為經濟發展的重要目標，包括插電式電動車（plug-in EV, PHEV）、電池源電動車（battery EV, BEV）、混合動力電動車（hybrid EV, HEV）、或燃料電池電動車（fuel-cell EV, FEV）；（2）車廠與顧客已經逐漸接受電動車，一方面是因為汽油車面臨到更嚴苛的燃油效率法規的挑戰，一方面也是因為希望擺脫石油價格危機的影響；（3）許多新型樣式的電動車在一些主要國家中快速崛起，電池價格的降低也是促成電動車市場成長的重要因素；（4）創新的產品、市場模式與基礎建設（infrastructure）造就了電動車發展的生態系統，包括感應式無線充電、電動車共享系統、以及都會區全電運輸系統建設。

台灣在過去二十年中，推動不少電動車發展的策略與研究，並在電機、機械、電子領域有相當穩固的產業基礎與產銷供應鏈，發展車輛電動化成功的機會相當高。今年4月底在行政院政務會談中，院長指示交通部主導與經濟部及環保署共同邀集客運業者，積極溝通宣導推動柴油大客車汰換為電動大客車，規劃在十年內達到電動巴士一萬輛的運行，四年內衝刺電動機車3.7萬輛的目標，朝向機車、汽車、中大型巴士三管齊下策略推動。依據國內各法人過去發展電動車的經驗，電動車的關鍵項目包括電動動力系統、電池與能量管理系、車身底盤系統、以及車載資通訊系統等，其中電動動力系統包含馬達與驅動器，是目前國家推動工業基礎計畫中「全電化都會運輸系統基礎技術」的主軸，電動動力系統在國內製造業中具高共通性、高技術挑戰、高預期經濟影響力，並在電動車市場上具有廣泛應用之工業基礎技術。台灣在發展電動車的動力系統時，必須考慮以下重點：（1） 性能：由於電池是電動車的電力儲存主要元件，體積大重量重是其明顯弱點，因此電動車的動力系統-馬達與驅動器-需要被要求有優質的高效率，以便電動車的續航力可以與汽油車相當；（2） 成本：要達到動力系統高效率的目標性能，每增高一個百分比的效率，就必須經由設計、製造、測試、整車安裝、道路運行，而提高許多成本；然而，因此發展出來的技術若能提升一般工業級的馬達與驅動器之效率等級，這個投資所帶來的經濟效益是有價值的；（3） 安全與可靠度：高品質的要求可以帶動基礎工業產品開發思維的改變，由系統設計開始就將系統可能故障、錯誤及失效的因素考慮進來，可以避免大幅整車召回造成的嚴重損失。

為達成全電化動力系統精益求精的目標，在既有的經濟與產業架構下，更應長期不間斷的耕耘，協助業者建立以下基礎核心技術：（1） 技術平台（platforms）—包含動力系統耦合設計分析平台、以及虛擬動力系統測試診斷平台。（2） 核心知識（core technologies）—包括車用動力系統多重物理耦合標準設計分析指導書、車用動力系統可靠度與耐久測試診斷指導書、以及關鍵零組件材料與製程精進技術手冊。（3） 關鍵系統（key systems）—由高效率馬達及驅控器組成的車用動力系統。因此，亟需建立的具體核心根基知識項目分述如下：

1. 動力系統耦合設計分析平台—建構馬達的電磁、結構、熱流、控制、振噪等多重物理特性的耦合設計分析平台，配合製造技術的精進，達到為製造而設計（design for manufacturing）的標準設計平台。
2. 虛擬動力性能測試平台—建立模組化的虛擬動力系統硬體迴路（hardware-in-the-loop, HIL）測試平台，進行電動巴士道路行駛整車性能模擬的虛擬測試平台技術；
3. 動力系統可靠度與耐久技術—依據國際標準ISO26262及CNS 15588規範，建立高可靠度、低振噪（noise, vibration, harshness, NVH）、與高耐久性的車用動力系統，達到為可靠度設計（design for reliability）的標準程序；
4. 高效率馬達設計製程精進技術—包括銅轉子低成本製程技術、感應馬達自動化繞線與入線技術、以及矽鋼片沖壓製程適應技術控制；
5. 車用變頻驅動器智慧控制技術—包括參數自調與最佳控制策略、動力匹配與整車節能管理技術，以及車輛行車型態匹配動力系統設計技術。

本期專輯依據上述工業發展的趨勢，邀請國內相關領域學者專家，將最新研發與市場資訊匯集在此專輯之中，帶你瞭解全球推動都會運輸系統電動化發展趨勢，以及動力系統技術發展現況與展望。首先，工研院石育賢經理依據統計資料，分析了都會運輸電動車輛動力系統市場機會；劉達全博士由整車的需求，闡述電動車的電動動力系統規格制定的過程；藍亦維工程師以提升車用馬達都市行駛行車模態（urban dynamometer driving schedule, UDDS）的平均效率為設計目標，應用最佳化設計流程之手法進行馬達性能改善；劉育達博士等人接著就馬達關鍵材料矽鋼片的沖壓製程作了精闢的介紹，他們發現矽鋼片沖切製造參數的適當調整，可以降低矽鋼片鐵損劣化程度；唐乃光博士也撰文探討合金元素的成分對壓鑄鋁合金傳導率的影響，以及如何調配新合金，以改善馬達殼體的熱傳導率；工研院南分院的綠能生態系統中心施希弦主任以先進材料於馬達動力系統之應用為題，介紹如何使用奈米碳材潤滑油、奈米自主裝塗料與奈米防突波材料，減少能量損失之效益，亦簡介了高能量轉換效率的無稀土磁性材料。

在動力系統控制與整車匹配運行方面，我們邀請賴炎生教授介紹感應馬達驅動器的最佳轉矩控制，並回顧可應用在電動車動力系統上的各種弱磁控制技術；李綱教授接著介紹電動車輛動力系統之硬體迴路（HIL）測試技術，包含結合車載資通訊技術與複式電力驅動系統之智慧電動車研發，以及馬達驅動控制器之失效模式分析；最後，吳文方教授針對車輛安全，介紹車用電機電子產品功能安全性的國際標準ISO 26262，未來的整車設計中都必須深植設計安全可靠的觀念與流程。
期盼本次專輯對學界研究與業界發展，都可提供相當有幫助的資訊。

參考文獻
[1] Global EV Outlook - Understanding the Electric Vehicle Landscape to 2020, International Energy Agency, 2013.