电动车成为半导体企业必争之地：以下领域最值得投资

2017-10-24 10:15:38 来源: 新电子

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全球各国对于空气品质与更低能源成本的诉求，驱动电动车市场蓬勃发展。其中，电动车最关键的电源管理、无线充电、电路保护和储能技术都潜藏庞大的商机，促使相关供应链厂商齐心布局，成长潜力一片乐观。

温室气体排放引起气候异常更造成全球性的空污与霾害，如何抑制交通工具废气排放不仅是各国政府的头痛问题，也是巴黎气候协定的重点。近年来各国政府对空气污染问题高度重视，包含法国与英国相继宣布2040年禁售汽柴油车，而中国政府也为了要抵抗霾害问题，预计将于2020年完成车桩建置与智能电网系统，以满足超过500万辆电动汽车充电需求，促使电动车商机水涨船高。根据Frost& Sullivan估计，2016年全球电动车销量约78万辆，2020年将达241万辆，复合成长率高达5.8%。

功率元件/电路保护满足高功率电池需求

电动车堪称当红炸子鸡。2017年7月Volvo宣布从2019年起，卖出的每一辆车都将配备电力驱动引擎；电动车制造商特斯拉(Tesla)预计将建造5座超级工厂，火力集中电动车制造和电池的开发；此外，日立汽车系统与本田汽车达成正式合作协定，成立新能源合资公司，积极研发电动汽车引擎系统。

电动车产业日趋热门，带动电池相关产业快速成长，因此高能量密度与高功率密度的电池需求更加迫切。其中，背后的功率元件选用与电路保护模式也备受关注。

新型绝缘闸双极电晶体(IGBT)设计是电池设计不可忽视得重要元件。以功率保护元件设计要点来说，新加坡商安富利技术顾问宋自恒表示，电动车IGBT设计需要考量电压及电流规格选用、驱动电路的设计，以及驱动IC电源为集中式多组输出或分散式单组输出的选用。目前可提供相对应的功率半导体元件供应商包含日立(HITACHI)、瑞萨(Renesas)、三菱电机(Mitsubishi)、安森美半导体(ON Semiconductor)与英飞凌(Infineon)等厂商。

而上述这些功率半导体元件厂商，皆面临元件设计时，无可避免的四大挑战，包含

．开关损耗需降低，使马达变得更小型、更轻巧，同时还需要在15~20kHz的频率范围(传统频率为5~10kHz)

．减小寄生电感、电阻和热阻，传统打线(Wired Bonding)可改善为烧结组合(Sintered Compositions)

．汽车世界中，作业温度范围，最低可以达到-40℃，因此当IGBT和二极体的击穿电压(BV)需耐至更低温度

．降低成本、重量和尺寸大小

另一方面，在电路保护设计方面，Littelfuse资深技术行销工程师游恭豪表示，车用零组件都需要通过AEC-Q101认证，即便是电路保护的保险丝亦是如此，其认证项目包含温度、湿度与温控，认证时间大约需要三个月。经过测试后，才能保证汽车可安全行驶于道路。

游恭豪谈到，电池管理系统(BMS)功能是电动车最重要的部分，故车厂需确保BMS功能在任何异常状况下，都不受到影响或损坏。因此感测器线路保险丝(Sensing Line Fuse)保护位居要角。

EV车辆中的电池管理系统是非常复杂的关键任务(Mission Critical)系统，需要将其放置在适当的位置并选择保护元件，以满足过压和短路保护效能。基于此，游恭豪将BMS保护分成六个区块来看，包含感测器线路保险丝产品选择、电池监测IC输入过电压保护、菊链I/F过电压静电放电(ESD)保护、控制器区域网路汇流排(CAN Bus)I/F过电压ESD保护与高电压/电流电力线保护。

整体而言，游恭豪认为，锂电池技术将成为任何一种EV车辆的基础，除了功率密度和充电循环寿命的优点外，还需要大量的监测和保护。

四大要素缺一不可电动车储能设计当道

辉能科技行销部经理许容祯谈到，电动车的安全、功率、价格与寿命是车厂在储能设计中主要的四大方针。以电池来看，现在所有电动车使用的锂电池，都是液态电池，无论电池芯怎么保护，只要穿刺后电解液体渗出，即有可能产生燃烧。

许容祯指出，欧洲EUCAR安规对电池穿刺有明显定义，不过若要完成此规范，则门槛太高，故在中国电动车GEB规范中，无穿刺安规需求，但若此规范过关，未来极有可能产生多起事故发生的疑虑。

怀格(Vicor)台湾区应用工程师杨有承以特斯拉Model S电池的并联和串联架构举例，该车款的车内电池架构是由16个模组串联在一起，其中，每个模组又分成六串，加上74颗电池芯并联而成，总共约有7,104颗锂电池芯。可以想像一台电动车中，有七百多支手机在其中。

如何兼顾所有特性，同时又满足低价需求呢？许容祯谈到，每种车用材料贡献的效能都不一样，有些材料满足容量要求、有些则可提升安全性或功率，无论做哪些选择，都会牺牲掉一些需求。但整体而言，价格和安全诉求是影响性能选择的主要因素。

举例来说，汽车长距离的行驶需要有较高的续航力，在中国地区，希望透过快充方式，使续航力能快速提升，主打充电5分钟、用电2小时的方针。但不可置否，快充是以大电流的方式，将电力输送到电池中，此运作模式会消耗车子的电池寿命。而另一方面，华为采用的方式，是在电池的负极里面，添加石墨稀提高寿命，但相对而言，就增加了制造成本。

安全/成本一步到位固态电池颠覆想像

许容祯谈到，特斯拉在电池模组(Pack)端做很多保护，整车的电池芯比例大概只有30%，其体积能量密度很高；而三星的策略是提供较小的体积能量密度给BMW，具有高安全性，因此其电池芯占整车的53%。换言之，对电动车电池来说，需要一半或七成的比例建立保护机制。

相对而言，若采用固态锂电池方案，则可同时降低电池模组的保护机制与成本。许容祯提到，可燃物质、氧和热是导致燃烧的三要素，若缺少其中一样，就无法燃烧起火，而固态锂电池本身没有可燃的液态解液体，能保障安全与稳定，再者，若采用好散热的材质，就可以在电池模组端，降低冷却系统的成本。

不仅如此，固态锂电池还能实现无极电池(Bi-parallel)技术，亦即能于电池芯中达成串联效果，据了解辉能已能满足一颗电池芯内可完成32串联规格。目前Bi-parallel技术还在起步阶段，一旦可以做到一颗电池芯70安培，一颗电池44.4V的规格，就不需要太多额外的串/并联，达到电动车规格需求，同时还能节省BMS成本。

解决可靠度/EMI问题掌握充电架构系统

工研院机械所智能车辆技术组系统整合与应用部副经理林金亨表示，台湾厂商基本上已具备制造车用电力转换器能力，其主要挑战来自于可靠度与低电磁干扰(EMI)有待克服，导致布局电动车市场难以有突破性的进展。

林金亨谈到，由于车内空间有限，故在挑选架构就格外重要。电力转换器架构来说，成品做出来只需一年时间，但成品完成后，需经过一系列标准测试、环境验证过程，再者，成本效益与散热问题也不容轻忽。基于此，采用何种充电器加装在车上，如何摆放、确认采用标准，皆须在产品设计之前就考虑周到。

电动车的主要电力来自电池，充电方法可分为三种，包含马达驱控器(Motor Controller and Inverter)、车载充电器(On-board Charger)和交/直流连接器(Charging Connector)，以及直流快充连接器(Quick Charging Connector)；其中，充电形式有两种，充电式与电池交换的模式。

后者电池交换的模式，在某些应用场景也非常方便，例如香港机场的电动行李拖车就是采用这种方式进行供电。整体而言，通常机场拖车一天约有两小时的休息时间，因此要将电动车的电池充满8小时是不太可能的，故香港机场购置百辆电动行李拖车，并额外购买三成的电池，透过电池交换的方式，将电池移到外面充电再将充饱电力的电池放回拖车中，提升工作效率。

不过，一般而言，充电式是电动车普遍采用的充电模式，可分为接触式充电与非接触式。以接触式的充电来看，分为交流充电与直流充电；前者的特色在于整体建置较便宜、安全性高、且可建置的地点多元、需要的面积也较小，但缺点在于充电需要的时间较长，充电插头尚未统一。相反的，直流充电的充电时间较短，可减少车用电池的重量与价格，不过电力高有危险性，整体建置价格也较高，所需耗费金额约五十万至一百二十万台币。

金属异物干扰不容轻忽高功率无线充电登场

另一方面，非接触式充电方式，非无线充电莫属，其安全机制是首要考量要素。富达通无线充电事业部经理詹其哲表示，无线充电式透过发射高能量的电磁波来传送电力，不过，在发射端上的物品不一定是预期的待充物，当发射端上有金属成分的异物时，高能电磁波被金属物吸收后温度会升高，将导致意外发生，因此需有完善的金属异物侦测机制，避免灾害降临。

詹其哲提到，在无线充电系统之中，金属异物危害设计是最难的挑战。当无线充电系统检测到金属时，必须立即关闭能量输出，其核心技术是做好资料码传送与功率调节的效能。当无线充电发射端侦测到金属异物时，可利用编码内容进行控制，停止发送能量到接收端；此外，还可依照受电端需求自动调整输出功率。功率调节可由八步骤进行，

1.预设定受电端电压目标

2.受电端将侦测到的电压编码反馈

3.供电端解码取得受电端电压资料

4.计算新的目标线圈电压

5.降低频率提高线圈振幅或提高频率降低线圈振幅

6.重新量测线圈电压

7.检查是否已经达到目标电压

8.功率调节结束

当执行完上述八个步骤后，可返回第一个步骤进行下次调节。高速调节功率性能快速，通常步骤4~8仅需花费2秒。

整体而言，詹其哲认为，电动车的无线充电功率商品化最低门槛为3KW，充电效率必须高于97%。若在3KW下效率90%的状况下，约有300W的能量损耗。一般状况下100W的损耗就会散发出相当大的热能与电磁能量。基于此，若要将3KW功率控制损耗在100W内，效率推算应该为97%。此外，安全的控制系统与实用的辅助停车是不可或缺的要素；要维持高效率，供电端与受电端线圈需要对准，而就算线圈做大后，停车可偏移距离也只有10~20公分的范围内，驾驶者要准确停车难度较高，故需导入自动驾驶予以协助。

了解关键元件验证要点加速布局车用市场

德国莱因(TÜV)交通运输服务型式认证&智能运输系统专案工程师陈郁名表示，除了美国有自己的规范之外，目前大多数国家的进/出口汽车，都跟随欧盟法规。其中，欧盟法规制定的三阶段，首先，是政府强制要求的Recommendations，像是电池环保指令(Battery Directive)2006/66/EC；其次，是Standards，像是一般常见的规则、指南，包含ISO、 IEC、DIN、JIS和CNS的标准，无强制性，可作为分级标准；最后则是Regulations，为当地法规，具有强制性。有可能完全遵照法规内的描述，或做些许修改。

以电动车立法的基准来自于UN R ECE、EC和StVZO。目前许多车用产品采用UN R ECE规范，现已约有六十几个国家以此规范为主，如日本；而德国则是以StVZO为主。不过，即便车厂符合EC and ECE法规，但也要满足当地法规的其他要求，才能产品上市。

一般来说，电动车允许在特定国家/地区销售产品之前，需要进行型式认可。陈郁名谈到，以台湾来说，在认证过程会由国家政府单位负责检查，评断是否通过认证；而欧洲国家，则是透过认证公司，确认测试流程是否有通过认证。

基于此，通过认证首要知道事先了解产品，做一些咨询服务(Consulting Services)，而后进行资格审查的申请，基本上须通过ISO 9000，或由发声单位或认证单位到场认证，确认是否为合法工厂或经销商。当验证确认符合批准类型的程序后，进入到法规测试程序，接下来就是一系列的检查、证明与符合性测试等过程。

提升差异化/设计品质台芯片厂抢占EV版图

整体而言，未来电动车的价格供应会日趋便宜并提供更好的续航力，而获取能源的方式也会更加多元化，像是使用风力或太阳能发电导入车辆电池充电，而这些趋势将促使电动车逐渐取代汽油车或油电混和车。

杨有承分析，现今电动车市场大多聚集在国外，若本身没有品牌力的支撑，难有长足的进展。他认为，电动车市场与台湾本土市场息息相关，一方面需仰赖政府鼓励投资，二方面相关供应商需研发特殊技术满足差异化需求，提高本身技术能力。

宋自恒谈到，台湾未来布局电动车市场，可由两面向着手，针对中小企业的厂商，可提供高品质的零组件服务欧美日中等大厂，或是为大厂代工或设计马达或驱动器等关键零组件；而一些规模较大的公司，如鸿海可自行研发制作厂内电动车和收购其他车厂。

责任编辑：星野

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