撰文／陳怡如
市場估計到 2035 年，電動車與燃油車的銷量將呈現黃金交叉，面對飛躍成長的電動車市場，在甫落幕的「臺北國際汽車零配件與車用電子展」中，工研院於經濟部技術處「臺灣車輛移動研發聯盟」（mTARC）主題館，展出最新的亮點技術，其中不乏與國際趨勢同步的產品應用，展現臺灣扎實的技術實力。
由經濟部技術處推動成立的 mTARC，涵蓋工研院等 9 個研發機構，2008 年起累積自駕車與電動車相關專利超過千件，可說是臺灣廠商打入電動車與自駕車產業鏈的彈藥庫，也是科技專案支援產業創新研發的成果。目前已授權專利廠商達百家、總計 257 件以上，協助廠商創造近千億的產值效益。
根據全球汽車產業市場（Marklines）資料顯示，2020 年電動車全球銷量已達 300 萬輛，成長率 46.3%，而全球車輛電子市場總值將近 3,600 億美元，臺灣過去 5 年車輛電子產業產值，每年均有 13% 的成長，2020 年創造了新臺幣 2,700 億元產值。如今資通訊大廠加入，發展可望如虎添翼，推估 2025 年產值將達 5,000 億至 6,000 億元。
臺灣首款車用碳化矽馬達驅控器
今年工研院展出許多亮點技術，其中又以臺灣首款車用「碳化矽馬達驅控器」最受矚目。該技術目前全球僅少數廠商與國際電動車大廠特斯拉（TESLA）開發成功，工研院機械所經理張欣宏解釋，「馬達驅控器」和「馬達」分別扮演不同角色，汽車電動化之後，電池提供直流電（DC），但馬達運轉卻靠交流電（AC），「要讓馬達動起來，中間要有橋梁，把 DC 轉 AC，這個橋梁就是馬達驅控器。」
碳化矽（SiC）是全球大力投入的新一代化合物半導體材料，擁有高切頻、高效率、耐高壓、耐高溫等特性，在車用電子的應用廣泛。此次工研院將碳化矽用於驅控器中的功率元件，就是因為在電動車應用上，馬達驅控器的電壓最高、功率最大，「碳化矽元件用在這種高壓、高流、高功率的零件上，最能展現優勢，可大幅減少驅控器重量與體積，」張欣宏說。
雖然碳化矽有先天的材料優勢，但仍有許多周邊設計需要互相搭配。首先，高切換頻率雖可減少切換損失、提升馬達控制效率，但也會衍生電磁干擾問題，因而要採取高頻抗雜訊的驅動電路設計；其次，因為更耐熱，散熱系統也要做更嚴謹的設計，工研院透過開發主動溫度估測補償技術，確保模組溫度。
透過整體的模組結構設計，碳化矽馬達驅控器的功率密度也有提升。一般馬達驅控器的功率密約在 20kW/L，工研院研發的碳化矽馬達驅控器卻擁有 40kW/L 的高功率密度，以及 99% 的高效率表現，有國際水準。
張欣宏指出，碳化矽功率模組技術門檻高，目前各國投入廠商不多，量產車款中僅特斯拉採用。工研院這項技術現正在實驗室測試平台階段，預計明年初進行實車測試，未來可應用於電動貨卡車或電動巴士，提供動力驅控器國產自主完整解決方案，為臺灣在電動車關鍵零組件市場，攻下一城。
整合封裝技術 馬達驅控如四兩撥千斤
除了電動汽車外，工研院在電動機車的馬達驅控器上也有進展，發表全球首創高於 8kW 的高密度整合型功率模組。工研院電光所組長張道智表示，傳統馬達驅控器多採離散式元件，也就是一顆一顆單獨封裝好的 IC，最大缺點就是電路板體積難以縮小。以現行臺廠電動機車的馬達驅控器體積，馬達輸出功率大約落在 3kW 到 6kW 之間。
工研院採取整合方式，以半導體晶片的封裝技術，將更多晶片一體化整合在模組裡，過程需克服晶片位置、走線設計、均勻散熱等技術關卡，最終達到在相同體積下，可驅動的馬達功率超過 8kW 以上，是目前國內電動機車廠的 2 到 3 倍，相當於黃牌大型重機的輸出水準。
除了高密度整合型功率模組，整個馬達驅控系統還包含微控制板、電源板和驅動板等部分，這些電路板也透過整合式設計縮小體積，再透過 3D 堆疊結構組合，比起目前市面上的馬達驅動系統，體積可縮小三分之一。
張道智指出，這樣的設計也能解決使用者時時擔心車子沒電的「里程焦慮」。過往 DC 轉 AC，難免會有一些功率損失，一般馬達驅控系統的轉換效率約在 90%～92% 間，但工研院的整合式設計，電流路徑縮短，轉換效率可高達 97% 以上，有效提升電動機車續航力。先前工研院已接受國內電動機車業者的委託客製，預計下半年可出貨，近期也跟臺灣和日本馬達廠合作，有機會應用在大型電動重機上。
半導體打線技術為電池安全把關
電動車另一個關注焦點，是電池的安全問題。張道智表示，現行電動機車電池多採焊接技術，將銅片或鎳片以雷射點焊的方式，把電池芯一顆顆串接起來，一旦其中一個電池芯過熱開始燃燒後，無法產生保護機制，造成延燒狀況出現。
現行電動機車安規，對防止電池延燒的要求愈來愈嚴格，為了解決這個問題，工研院展出的「充電電池組」，以超音波打線技術（Ultrasonic Wire Bond）取代過往的點焊技術，可達到保護機制。
所謂的打線，是用鋁線取代銅片，藉由超音波高頻率震動，透過表面摩擦，達到牢固接合的效果，是半導體封裝的常見方式。張道智表示，選擇鋁線一是因為材料普及；二是因為鋁的熔點為 660 度，一旦電池開始過熱，就會達到鋁線熔斷的溫度，「鋁線可以扮演類似保險絲的角色，有效阻卻延燒。」
但鋁線粗細只有 250 微米，大約是 5 根頭髮的寬度，打線最大的技術門檻在於整體品質控制，精準控制超音波震動力道，每一條線都要打得力道均勻、恰到好處：太大力可能會把電池基礎打壞，打得過輕，接點強度又不夠。此外，也要設計鋁線的連接方式，才能讓電流均勻分布，「連接方式不同，電流走法不同，發熱的模式也不一樣，」張道智說。
目前臺灣投入此技術的廠商仍屬少數，工研院也已取得許多電池廠委託客製設計整個電池模組。未來除了電動機車，也可用於輕型電動車，如高爾夫球車上，布局輕型電動載具的電池商機。
二速傳動模組有效提升續航力
突破電動車無須變速箱的迷思，工研院日前也發表，由經濟部技術處科專支持的「電動車傳動模組設計與多速換檔技術」，並協助齒輪大廠「本土股份有限公司」，開發臺灣首款自主設計製造的「電動車用二速傳動模組」，未來可運用於高性能的房轎車、休旅車及客貨兩用車上。
工研院機械與機電系統研究所所長胡竹生指出，觀察近年電動車發展趨勢，國際傳動大廠相繼投入研發二速傳動模組，並據此發展三合一動力系統，以提升整車加速性能與極速，並平衡電動車動力系統在高負載與高速時的能耗與動力表現。
相較於單速齒輪箱，二速傳動模組以兩檔位高低齒比，提升車輛加速與極速性能，可同時滿足電動車輛在高速與高負載狀態下的動力需求，並使馬達在兩種狀態下均能保持高效率的動力輸出，有效提升整車 10% 的續航里程。此外，二速系統可在維持相同性能的前提下，選用較小功率的馬達，達成動力系統小型化的目的，以此優勢切入高階電動車市場。
經濟部技術處科長張能凱表示，過去臺灣車輛傳動產業，以齒輪零組件生產代工為主，對模組系統設計較少著力，此次工研院與本土公司的合作，不僅補足國內在傳動模組設計、分析、驗證的技術能力，同時協助國內汽車零件製造廠轉型為系統模組廠。
此產品做為電動車三合一動力系統的基礎，也可整合國產化的馬達及驅控器資源，形成產業價值鏈，有機會打入國際電動車產業供應鏈，健全國內電動車動力系統產業。工研院多管齊下，率先投入臺灣電動載具產業需要的關鍵技術，布局市場空缺，取得電動車時代的致勝先機。
轉載自《工業技術與資訊》月刊第 351 期 2021 年 5 月號，未經授權不得轉載。
