新電動車系統回顧—除了安全還是安全—優力國際  

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2008年的 Chevy Volt 起火事件引發了大眾對電動車的安全疑慮,事故分析報告雖然證明電池並非主要起火源,卻透露出更多的非電池安全問題。高功率的機電設備除帶來電路熱與電弧的爆炸風險以外,作為安全防線之一的電池控制管理系統,也必須受到長期使用的可靠度評估。對電池進行監控、充放電分配與防護異常狀況等管理,又要兼顧製造成本、車輪體積與道路安全,仍然是至今電動車系統最待改善的技術挑戰。

2008年 Chevy Volt 問世,至今雖已逾六個年頭,但其襲捲的旋風還在持續中,儘管其中歷經了 Volt、萬象、BYD 與 Tesla 的火燒車事件打擊,然而 2013年的北美電動車系統總銷售量最終仍超過 10萬台大關。不只 Tesla 的股價止跌回穩,同時尚有 BMW i3 採用最新的 SAE J1772 DC Combo介面強勢問世,Toyota最新的 Prius車系亦宣告將支援靜態無線充電介面等重大突破。電動車業者的競合,讓電動車的未來益加明朗,包括原本號稱百萬的 DC快充充電站跌到近五千美元、2014年累積至七月的全球純電動車銷售量已超越了 2013全年銷售總和、Tesla宣布計劃建置電池超級工廠、而台灣則有本土電動巴士業者立凱與日本鋰電池巨擘 Sony的技術合作等。

撲朔迷離,盤根交錯的安全問題
安全, 一直是汽車業者最重視的問題。在內燃引擎車時代,大眾關注的安全危害來源主要有二:一是燃油,二是速度,因此防火與機械強度就是當時技術的關鍵;而隨電動雨刷與車燈的引進並導入電機系統,自此電氣系統所造成的安全問題即與汽車形影不離。以鉛酸電池為主力的 12V直流電力系統,即主宰了車上電力來源超過 30年。

如同 Edison 與 Westinghouse 的爭議,無論交/直流與否,因車輪阻絕了接地的通路,採用低壓電力系統能夠降低觸電的風險,然電池本身化學反應的危險,直流電路的發熱,成為伴隨而來的副作用。當 1990年代起,電動窗、噴射點火乃至於防鎖死剎車系統成為中高級房車的標準配備後,機械安全又跟電氣安全結下不解之緣。直至最近,電動車的風潮再起,大型鋰電池組的高功率輸出能力為電動車帶來了一線曙光,但鋰電池帶來的爆炸危險與高功率充電,卻也將變電站等級的危險帶到戶外,除了民生用電與工業用電的風險界線變得模糊,智慧化的控制更使安全風險的問題變得複雜難解。除了上述風險外,表一列出現今電動車輛系統仍須考慮的問題。

表一、不同的危害風險與不同的生命週期階段
表一、不同的危害風險與不同的生命週期階段

正規軍與游擊隊的正面決戰
以傳統內燃機引擎的動力系統而言,面臨的是油氣與動力的輸送挑戰。安置汽缸裡的油氣與動力傳送及終端使用各不相干,燃料的改進基本上並不一定需要與動力傳輸相關,如將汽油車改裝成天然瓦斯車,雖然點火溫度與壓力會有一些變化,但變速箱或電力系統並不需要顯著的改變;抑或是由手動排檔進展到自動排檔變速系統,也不需要改變燃油種類或蓄電池的容量規格。油氣與動力輸送系統各司其職,各自發展。當系統各自獨立時,關聯度低,問題的複雜度亦降低,整體的可靠度評估也顯得較為容易。

依據上述思維,當內燃機系統欲轉變到電動車系統,動力系統的直接取代似乎是最直觀的想法,車輛系統的進化似乎正是如此,即不需牽動到動力傳輸系統與終端應用的環節,只要將引擎換成馬達,油箱換成電池就好!然而實際上的問題與挑戰卻遠多於此,撇開馬達與電池本身的安全問題不說,其實幾乎整個系統乃至於車體機械結構設計都將受到影響。

首先是傳動系統, 內燃機系統的動力輸出特性通常是低轉速、低扭力,而馬達系統的特色是能在低轉速時就有高扭力的輸出,因此變速箱的設計需要更動;過去消耗汽油動力的冷凍空調,也必須轉變為以電力來源的設計;而視聽娛樂系統的電力就不必再受限制,同時可充分發揮功能。另外,為了維持相同的續航力,加滿 50公升油量的油箱要以超過 300公斤的電池替代,因此除了放置的問題要傷腦筋外,車身的配重設計、輪胎磨耗以及撞擊動力都是必須納入的考慮。

如前所述, 將既有汽油車改變成電動車反而有可能付出更多的成本,因此許多車廠最終幾乎都捨棄將原有車型改裝的做法,而是重新採用新的車型。也正因如此,電動車量產時程變得更為推遲,這也是為何歐洲車廠的新式電動車量產時間,大多訂在 2015到 2016年間的原因。

不只爭一時,還要比氣長
相對於消費電子產業, 雖然車輛產業有著較高的利潤,但動輒卻需三五年的開發期。大多數人認為車輛之所以需要前期的開發,主要是因為必須進行的測試繁多,但事實上車輛產業最大的問題不僅於此,其還包括漫長的生命週期與各式各樣使用模式帶來的風險。汽車如此,電動車系統當然也不例外。

機械系統的可靠度數據有累積近百年的龐大數據資料支援,但電子電機設備的開發卻是日新月異,一再挑戰工程師的能力。同時再加上更為頻繁的操作與敏感性,使得電子電機系統的可靠度提升,成為系統設計工程師的首要課題。

自 1980年代起,歐美工程師們不約而同發現,原本以機械與材料構成的電機電子產品,雖然透過了自動控制的導入而降低了原本機械與材料的安全要求,但是當安全責任轉移到自動控制系統上後,反而變得更難以捉摸。舉例來說,倒車雷達可以透過偵測車輛間的距離,警告駕駛人而改善行駛安全,但是倒車雷達可以使用多久而不損壞?會不會因為雨天或浸水而故障?會不會因為蓄電池系統故障而受影響?上述種種,從產品或零組件的外觀上一點也看不出來。

動力電源系統的帶電插拔(熱插拔)要求,更是電動車面臨的最大挑戰之一。在低電壓(低於 42.4V AC)與低功率(低於100W)的情況下,要將使用中電器的電源線拔掉,通常只會看到一點火花,但是在 240V與 30A的情況下,就可能會產生因電弧引發爆炸的風險。電動車動力系統動輒數十 KW起跳的電功率,其電弧風險自然不言而喻。為避免這類的危險,電動車動力系統大多須配備與控制系統連動的機械互鎖系統( Interlock ),一旦互鎖系統被觸及或被解開,在電壓轉換的半周期內,控制系統就必須先行斷電,但任意的解斷動力傳遞,卻極有可能造成高速行駛危險,由此也不難見自動控制系統的設計難度與關鍵。

作為自動控制系統的核心元件,大多數的晶片受不了超過 10%的過電壓,對於熱漲冷縮的耐受力也不高,更容易受到電磁干擾的影響而停止動作或者產生錯誤的訊號,而這些正是電動車系統較內燃機系統設計與測試條件更為嚴苛的原因之一。

UL 991 與 UL 1998 以及 ISO 26262、IEC 61508等國際通用標準,正是為了評估控制元件軟硬體可靠性而發展的標準,並依據不同使用條件有不同等級的可靠度要求,也依據不同的可靠度要求而有不同的評估模式(參考表二)。可靠度代表著一定時間下的失效機率,因此會與時間、使用頻率息息相關,同時亦會與道路使用規模量及零件生產量有某種程度的關聯。即便僅是 3至 5件的偶發意外,也足以讓上市超過百萬輛的車型受到全面回收的要求,造成製造商巨大的損失。

表二、IEC 61508-1 Table 3:高使用頻率模式安全零組件可靠度等級分級
表二、IEC 61508-1 Table 3:高使用頻率模式安全零組件可靠度等級分級

此外, 當動力電池組在成為主要動力來源後,往往成為最容易被忽略的的關鍵。龐大的動力需求,絕對無法透過單一的電池芯提供,面對殘酷的「能量守恆」現實,將許多鋰電池串並聯,才能夠達到需要的動力與續航力設計,但在並聯的各串電池中,一旦出現一顆電池失效,就有可能產生整串電池的輸出電壓差異,並引發電壓不平衡而發生內迴路風險;此外,較低電壓的電池串除了無法輸出電能外,更有可能變成消耗電能、產生熱能,甚至於導致最終爆炸起火的災害。在此情況下,電池們可喻為多胞胎,雖源自同一父母,但會隨後天生長環境的變化而產生差異,因此要對他們進行監控、充放電分配與防護異常狀況等管理,又要兼顧製造成本、車輪體積與道路安全,確實是至今電動車系統最待改善的技術層面。

掌握可靠度工程技術,電動車系統燦爛未來可期
儘管風險移轉到自動控制系統是必要的做法,幸運的是控制系統的可靠度設計卻是遵從大自然的法則,也就是機率的運算定律。要提高系統的可靠度,並不一定要提高晶片的良率到無法忍耐的成本,也可以從系統的獨立性設計入手。如同生物的繁衍一樣,生長在不同環境與教育背景的團隊,可能比一群多胞胎團隊要更為可靠,但是養育與維護成本不見得更高。

植基於複製與代工的大中華區製造商,因為缺乏從用戶端需求導向設計的經驗,可靠度工程正是目前最欠缺的能力之一,然而一旦掌握了可靠度的技術,電動車系統的未來將不再是一團迷霧,而會開出一條以安全為保證的康莊大道!

因電動車崛起而後市可期的鋰電池新發展
因應逐漸增加的中小型動力與儲能系統的鋰電池需求,UL今年在台灣完成大中華區首座中大型鋰電池系統測試中心的建置,其配備過充電、過放電、擠壓、衝擊、振動、溫升、溫度循環、短路、水浸、鹽霧及內部火燒等測試項目,可執行至少 100伏特的電池產品測試,提供多項國際認證服務,包括 IEC、北美 UL與 CSA、台灣 BSMI、日本 S標誌、國際運輸 UN38.3等,以協助兩岸三地鋰電池系統業者搶先攻略新興市場。

鋰電池自 1970年代商業化起至今已超過 40年。追溯其發展足跡,過去曾因筆記型電腦的龐大需求,帶動 18650規格(直徑 18 mm、長度65.0 mm)大放異彩,後又因手機與平板電腦的需求,促成了方形與薄型化的進展,甚至到可彎折的型式。不過就現今全球電池市佔率來看,鋰電池其實僅瓜分將近 37%,尚有 33%的市場仍被鉛酸電池所固守(20%啟動用、8%儲能用、5%特用)。因此許多鋰電池業者,無不試圖從電動車輛的應用與發展,找出新的藍海商機,希望能夠跳脫與鉛酸電池的價格戰。

由於道路車輛電池控制系統的困難重重,而輕型電動車又因規格不一,量產規模不足以誘發生產成本的驟降,無法出現如平面顯示、LED省電燈泡或者太陽光電的技術替代效應,於是造成大多數動力鋰電池製造商仍處於慘淡經營的困境。然而隨著電動車的崛起,卻也為鋰電池帶來了幾項新的應用與發展。
1. 太陽光電儲能的興起
替代能源隨著廢核的需求重啟, 太陽光電製造成本也因技術的成熟與劇烈的競爭而下降。由於長期推展的併網型分散式電力系統對電網品質的影響風險太大,且相對而言所需技術門檻更高,故德國與日本開始導入較小規模的獨立式太陽光電系統,期透過降低電網需求而達到逐步廢核的可行性。不過獨立式太陽光電系統必須具備儲能的媒介,若根據台灣的台電節能手冊,現今每人年均用電需求為1,800KWh,意即每天約有 5 KWh用電量,因此兩口之家如果有 10 KWh的儲能系統,即可完全獨立支應全年用電,並可能減少全台灣用電量的15~25%,相當於數座核電廠的需求。目前全球鋰電池產量已達到 35 GWh的規模,依據 IHS針對 2014全球 PV系統安裝量可達 41 GW的需求預估來看,儲能系統的需求量不可小覷。

2. 雲端資料中心的 UPS需求
除了在替代能源的應用外,隨著雲端服務的興起,24小時不間斷運作的數據資料中心之 UPS用儲能需求,也是備受產業看好的領域。依據市場資料(1),2010年北美用於數據中心的電力需求即達到 11GW規模,預估 2014年可以達到 45GW的需求。雖然數據中心目前大多採用鉛酸電池作為 UPS主備份電源用途,但是鉛酸電池的平均壽命僅約2年區間,若以目前年複合成長率5~10%的數據中心產業規模來說,再加上 4G通訊基地台小型化的需求,雲端與 4G通訊將成為鋰電池業者明日的競技戰場。

3. 潔淨空氣的大眾運輸
儘管電動小客車的成長相對緩慢,但當前快速竄起的電動巴士卻帶動新的動力需求。相對於小客車五花八門的性能需求,大客車因固定的路線與行駛時間特色,加上大眾運輸的補助、定期定點的維修與車型單一化等,使得其較小客車更適合於目前的動力電池技術。此外,一輛大客車即需 6~8個大型鋰電池組,龐大而固定的需求,更有利於規模經濟的開發形勢,並能達到攤提研發與生產設備成本的目的,成為電池與系統業者競相投入的新興領域。

隨著鋰電池組的性能與壽命問題,預期 3~5年間將會有大批的電池組除役,然而動力鋰電池組的除役殘存電量門檻大多在 70~80%範圍,若退役的鋰電池組可透過拆解或者用途更動而賦予新的服務歷程,將可使得鋰電池系統的成本結構產生巨大的改變,加速世代交替的來臨。

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