工業材料雜誌3月號推出「怠速啟停汽車與電動巴士電池」與「熱電元件與應用」專題

刊登日期:2016/3/9
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怠速啟停汽車與電動巴士電池 
環保省油與節能減碳已成為全球關注的議題,各大車廠莫不積極發展環保綠能電動車,而動力鋰電池系統是電動車最關鍵的次系統與組件,因此發展具有高安全、低價與高能量的動力鋰電池以應用於各種電動車輛,是目前鋰電池最重要的課題。為了提升油耗效率,同時降低 CO2 排放,各種電動車將使用怠速啟停系統,所以更需要發展低穩啟動與快速回充電力的電池技術,以解決電動車輛的續航力問題,並加速綠能電動車的發展。

未來動力鋰電池的趨勢將朝向高能量、高安全、低成本、長壽命、快速回充等技術方向發展,以符合電動車、電動機車、電動巴士與儲電系統的電源需求。工業材料雜誌三月號特別針對以上主題,企畫「怠速啟停汽車與電動巴士電池」技術專題,內容包括「怠速啟停車輛市場發展趨勢」、「車用高能量鋰電池技術」、「電動巴士電池與材料技術」、「微混合動力汽車之怠速啟停電池技術」等主題進行探討,希望藉由本專題的介紹,喚起大家對儲電元件與系統的重視與投資,以解決各類電動車與再生能源儲電系統的電源需求瓶頸,建構國內完整的上中下游產業鏈,並掌握未來車用鋰電池材料、車用高能量鋰電池與電池模組等的產品商機。

歐盟規定2020年油耗標準須達 26.3 km/L,除了提高汽油的燃燒效率外,減少無謂的引擎運轉,是車廠努力的方向。車廠已開發一怠速啟停系統(Idle Stop & Start System;ISS),讓引擎在怠速運轉時可以自動熄火和自動啟動,以達到節省油耗和減少CO2 的排放。怠速啟停系統自 1970年代開始投入開發與量產後,帶動怠速啟停系統數量在 2015年就達到 1,695萬輛的規模,隨著各車廠逐漸提高配置怠速啟停系統的車款數量,預測到 2023年,全球配備怠速啟停系統的車輛將達到 6,543萬輛,在未來 8年的年複合成長率高達 18%。「怠速啟停車輛市場發展趨勢」一文對於怠速啟停系統之發展現況及其展望有相關介紹。

近年來,因地球暖化及細懸浮粒子 PM2.5 污染問題讓電動車輛的發展倍受重視,大幅帶動車用鋰電池技術的發展。目前車廠採用的車用鋰電池形式主要有 18650 圓柱型、方形大電池及鋁塑膜軟包裝電池等三種,各種形式的電池具有不同的特性,在組成電池系統時有不同的考慮點,但相同點都是希望電池的能量密度能夠進一步的提升。「車用高能量鋰電池技術」一文從鋰電池元件觀點出發,介紹提升電動車電池能量密度的相關技術,並介紹不同形式電池設計的特性及其對應之模組/系統技術的考量。

電動車是近十年來各國競相發展的新能源車,原本落後的台灣急起直追,近年已建立優異的電動車產業鏈整合環境,2015 年初更在美國消費性電子展(CES)推出不用充電的「智慧型電動機車 Gogoro」,驚豔全球,呈現台灣已具打造電動車王國的潛力。「電動巴士電池與材料技術」一文就兩岸之電動巴士電池與材料技術之發展現況,作一簡短介紹。

近年來因應節能減碳的需求,汽車廠商發展應用於微混合動力汽車的怠速啟停系統,可提升燃油效率 4~15%,由於開發製造成本較低,市場成長快速。車用二次電池原以鉛酸電池為主,但受限於傳統鉛酸電池的瞬充效率及淺充放循環壽命較差,除了先進鉛酸電池之外,鋰電池因具備較佳的瞬充效率及淺充放循環壽命,亦已導入怠速啟停系統。磷酸錳鐵鋰或磷酸錳鐵鋰混摻三元之正極搭配鈦酸鋰負極之鋰電池,憑藉其長壽命、可快充快放的優點,配合適合的低溫電解液,可在輕混合動力汽車電池的市場上佔有一席之地。「微混合動力汽車之怠速啟停電池技術」一文將針對微混合動力汽車使用的二次電池技術進行介紹。

熱電元件與應用     
2015 年 9月,行政院宣布了「國家自主減排貢獻」(INDC)目標為:2030年時的溫室氣體排放量為現況發展趨勢(BAU)減量 50%,相當於比我國在 2005年時的碳排放量再減少 20%,此一目標並在 2015年底的巴黎氣候峰會上再次確認。綜觀目前各種節能減碳相關技術,包括風力、太陽能等一般大眾已耳熟能詳的技術,主要是以清淨產能(綠能能源)為主,減少對石化燃料發電與核電的需求,而連帶發揮對於減碳的貢獻。不過,由我國總體能源消耗統計資料來看,長期以來工業部門耗能比例均佔全國總耗能的 50% 左右,龐大的工業製程廢熱及排碳是我國排碳量快速成長的主因。由於熱電發電(Thermoelectric Generator)在有溫差環境下即可產電,具無動件、媒介及裝置量門檻,高稼動率及低維護費用等特色,同時由於熱電發電可同時達成減廢減碳及產能產電的雙重效益,因此在美國、歐盟及日本等先進國家均獲大力投入發展,期待未來應用在工業及車輛排氣的廢熱回收上。

有鑑於此,工業材料雜誌 3月號特別推出「熱電元件與應用」技術專題,內容包括「全球熱電模組之應用現況」、「熱電發電之電路設計原理與技術簡介」、「熱電技術於汽車產業之研究與應用現況」、「熱電元件系統構裝」等主題,期望能使各位讀者對熱電技術有更清晰的瞭解與認識。

熱電材料及模組具有溫差產電及以電制冷的能力,不論是熱能回收或冷凍空調的應用都深受重視,因此熱電模組可視為一個兼具智慧溫度感知且節能的元件,能透過電流控制溫度,並且能利用溫度差異產生電力。然而,因台灣對熱電相關技術接觸較晚,所以在開發及應用上起步較晚。「全球熱電模組之應用現況」一文旨在介紹此一技術在國際的應用與發展情形、熱電的產品應用市場與公司,希望能拋磚引玉並促進國內熱電技術的發展。

熱電產生器藉由材料特性,可透過熱溫差自然地產生電力,相當容易使用在各種情況,將會是未來能源之星。熱電能源與其他的綠色能源一樣,需要藉由最大功率點追蹤以及電源管理技術,才能有效的獵取能源並加以利用;「熱電發電之電路設計原理與技術」一文將探討如何透過熱電模型建置以及電源管理方式,實現最大功率點追蹤,並將熱電轉換為更可靠的電力,無論在汽車、工業、民生、穿戴式,甚至物聯網裝置,皆可應用自如。

熱電發電應用在汽車廢熱回收的計畫可從全球各車廠,包括美國福特、通用,以及歐洲等著名大廠都可以看的到,其中以歐盟的HEATRECAR計畫最為具體,「熱電技術於汽車產業之研究與應用現況」一文除了介紹熱電材料模組在車輛系統的應用外,也針對各國並包括我國在內的汽車廢熱回收再利用之相關開發與現況,做一簡單的探討。

降低碳排放及節能減碳已成為全球關注議題,熱電技術近年來已在車用及工業應用等領域開始受到重視,但要成為應用產品,仍有一些問題需克服,其中最重要的是如何整合系統構裝設計以提升效能。系統整合構裝設計可提升系統功率輸出、降低系統體積及提升可靠度。「熱電元件系統構裝」一文針對產業應用的熱電模組系統整合構裝技術及熱電技術新的應用方向作一詳細介紹。

主題專欄  
不論在生產或銷售,新興市場對於汽車產業的重要性逐年攀升。由於環境問題日益嚴重,減少 CO2 排放已成為必然課題,這也讓汽車動力系統持續朝向效能、潔淨發展。此外,資訊技術、網絡技術的發展將重新定義“汽車”,並且改變傳統對於汽車的服務模式。受到安全、舒適議題影響,先進駕駛輔助產品日益普及,標竿車廠也持續朝自動駕駛趨勢發展。在輕量化方面,一直是產業努力追求的方向,未來量產車的輕量化將是重點。「全球汽車產業發展趨勢」一文將針對全球汽車發展現況及其展望作一詳細介紹與說明。

動力電池相較於小型 IT 應用電池來說,更為強調製造技術的精度與品質,也因此影響動力電池生產線的各項設備技術發展。在首要的塗佈技術發展上,從塗佈方法設計演變、塗佈速度設定、塗佈 Pattern 差異、乾燥技術等層面均有不同,「車用電池塗佈技術之現況與發展」一文歸納晚近動力電池塗佈製程的現況與點出塗佈技術發展過程中的產業特殊性。

碳纖維具有質量輕且高強度的特性,85% 以上之碳纖維是由聚丙烯腈製成。2015年全球的聚丙烯腈系碳纖維生產量可成長 10.8 %,到達 5.94萬噸,由於汽車產業對碳纖維的大量需求、大批量生產技術的成熟及成本的降低,預估至 2022 年生產量會急遽增加至 14.27 萬噸。「碳纖維市場及發展現況」一文對於碳纖維在各個領域的發展,尤其針對未來碳纖維於汽車產業的應用有一詳盡介紹。

穿戴式裝置依產品使用情境不同,外型設計非常多樣化,但在追求產品輕薄短小下,可容納電池的空間卻往往受到限制。超級電容器的設計具多樣性,輕薄短小又可彎曲拉伸,其與生俱來的安全、高功率、高效率、可靠性與長壽命等優點,不但可輔助有限電容量的電池提高效能、安全性與續航力,在技術不斷提升下更具備作為高功率主電力的潛力。「超級電容器在穿戴式裝置中的應用」一文介紹其在穿戴式裝置應用上的前景,值得細讀。

目前市面上普遍使用的鋰電池大多含有液態電解液,此類鋰電池存在燃燒、爆炸的潛在問題,因此使用上有操作溫度的限制。含無機固態電解質之固態鋰電池可克服此類安全問題,因而近期被熱烈討論及研發。「無機固態鋰電池技術」一文將討論相關電解質結構、導離子係數、電化學特性及最新應用概況。

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