〈工業技術與資訊〉高功率電動重機馬力大更環保

撰文／林玉圓

一般對電動機車的誤解往往是馬力不夠、爬坡困難，速度上難以滿足車迷需求。工研院整合上下游廠商，推出全國產化的電動機車驅動次系統，現已導入整車，並在 10 月初在大專盃機車競賽中贏得佳績，高功率、大馬力、高續航力、高環保的特性，扭轉電動機車跑不快的迷思。

國際能源總署（IEA）統計，運輸部門占全球 CO2 排放量達 23%，綠色交通已成為各國推動淨零碳排的工作重點。以臺灣而言，環保署統計資料顯示，運輸部門占全國溫室氣體排放量的第三大，而國內擁有 1,400 萬輛機車，絕大多數仍為燃油動力；若能達成兩輪車全面自動化，不僅符合零碳趨勢，臺灣本土供應鏈也能藉此厚植在電動機車產業的競爭力。

事實上，臺灣早已擁有實力雄厚的汽機車零組件廠商，唯獨在電動載具市場的最重要模組：驅動及動力控制系統，尤其是大馬力、高續航的解決方案，仍須仰賴國外大廠提供半導體元件，因此，掌握驅動控制的關鍵技術，便成了我國供應鏈當務之急。

大專校際機車競賽 ITRI Racing 成績優異

在經濟部工業局晶片半導體計畫的支持下，工研院採用國產矽基功率半導體元件，透過系統化整合，建構新一代功率模組，打造出「全國產化電動機車驅動次系統公版解決方案」，主要用於電動機車的馬達驅動，並具備「高功率、高馬力、高環保、高續航力」的四高優異性能。

此一創新整合的驅動次系統，進一步導入工研院研發的 ITRI Racing 電動機車，並於 10 月初在桃園卡丁車賽車場舉行的全國大專校際道路機車競賽（University Campus of Road Racing；UCRR），登場競技，在電動機車示範組（Electric Moto Sport；EMS）獲得第三名。

UCCR 創辦人張繼中表示，UCCR 是全國唯一的大專校際道路機車競技賽事，迄今已有十幾年歷史，今年首度在「電動機車」項目與工研院合作。他指出，車輛產業是工業火車頭之一，而電動機車能否趕上燃油機車，端視價格及性能兩大因素；「國產電動機車的性能已經很好，但價格與同等級油車相比，尚不具成本優勢。此次工研院的解決方案將系統性能進一步提升，最大意義在於國產化，將技術掌握在臺灣人手中，我認為電動機車在臺灣的發展是很有機會！」

驅動控制大躍進 馬力扭力強又細膩

在今年的 UCRR 競賽中，樹德科技大學參賽選手曾心便騎乘搭載此一驅動次系統的 ITRI Racing 電動機車出賽。他表示，以往電動機車在競技表現上屢有瓶頸，主要是與燃油機車相較，電動機車的動力輸出為線性模式，油門不夠細膩，且容易出現過熱問題。此次歷時近一年，與工研院合作開發出的控制系統，不僅能夠微細調控馬力輸出、電池也可承受競賽時的高溫高熱、翻轉跳躍時穩定度佳，扭力及瞬間加速度也更為完善。曾心表示，「臺灣製造的機車馬達已相當優異，但過去受限驅動控制系統未臻完善；如今工研院的解決方案，十分具有競爭力，不僅讓電動機車的性能可比美油車，更能滿足競技場上的嚴苛要求。」

工業局指出，面對智慧物聯網（AIoT）與節能減碳時代的來臨，電動載具及智慧騎乘已成重要趨勢；然而目前國內電動機車採用的驅動器解決方案，仍以國際大廠的離散式功率元件為基礎，國內自主產製的能量尚未全面開發。為了確保供應不斷鏈並將核心技術扎根臺灣，工業局支持工研院建置平台，整合產官學研上下游各領域技術，從晶片、功率模組、驅動器，到全機車自主生產，目前自給率已大於 93%。

功率模組全部國產 上下游夥伴一起來

工研院電子與光電系統所所長吳志毅表示，因應國際 2050 淨零碳排的趨勢，國內多家機車業者紛紛推出電動車種，搶攻千萬輛的電動機車市場。不過，由於目前欠缺相關標準規範，因此在電池交換站、馬達驅動次系統、功率模組等零組件的取得及研發上，仍是各自發展。

有鑑於此，工研院開發出異質整合封裝及功率模組，推出「全國產化電動機車驅動次系統公版解決方案」，串連國內上下游業者，包括晶圓、IC 設計、散熱基板、封裝、模組、次系統、懸吊、煞車以及整車系統廠商，一同展現臺灣的技術實力。為此項計畫貢獻心力的業界夥伴包括：大中積體電路、杰力科技、毅嘉科技、名力精密鋼模、臻鼎集團旗下先豐通訊、欣興電子、敬鵬工業、喜特綠能、楓憲實業等。

「國內電動載具的供應鏈極長，透過工研院的力量，將大家整合在一起，有助於臺灣於綠色運輸領域的未來競爭力。」吳志毅表示，促進電動載具產業鏈的發展，「標準化」很重要；此次電光所開發的「全國產化電動機車驅動次系統公版解決方案」，可做為業界的標準規格，適用動力 125cc 以下的車種，不僅驅動系統的體積變得更小、更輕量，動力及續航力也更佳；此外在效能提高的同時，成本也進一步降低，對於電動機車的普及很有幫助。他指出，臺灣逾千萬輛的機車市場是最好的出海口，是業界創新研發或規格制定的強大後盾。「如果全臺的機車都是電動車，對於淨零碳排、空氣品質、國人健康都將有顯著貢獻；」吳志毅說，未來國內廠商還可運用電動機車的發展經驗，進一步跨足電動輔助自行車及四輪電動車的市場。

擺脫離散元件瓶頸 達成高效能輕量化

工研院電光系統所組長張道智表示，目前國內電動機車的馬達驅動，主要採國外大廠的矽基半導體元件，市場上並沒有太多模組化產品可供選擇，因此多以離散式元件來進行驅動器的設計，缺點是系統各自獨立，導致驅控器電路體積過大、散熱不佳、成本居高不下。工研院此次推出的方案，恰能解決上述瓶頸，針對電動機車業者的實際需求來改善。

「全國產化電動機車驅動次系統公版解決方案」的特色有二：一是串聯國內上下游供應鏈，為高度本土化的產品，例如採用國內矽基半導體廠商的 MOSFET 功率元件及電流調節，並與國內電路板廠商合作導入厚度達 2mm 的厚銅散熱基板，大幅提升散熱效能；二是由工研院在設計端與製造端進行創新整合及嚴格把關。首先在設計端，針對每個晶片上的電路分布，進行均流設計，排除以往採用設計不良功率模組而導致晶片連鎖故障的問題。其次在製造端，為確保可靠度能滿足車規要求，工研院在製程及品質的把關上，如機械應力、銲接工法、底板翹曲量等，都更為精密嚴謹。

功率模組客製化 國內市場有潛力

「矽基半導體的電動機車驅動模組，在國內擁有不小的客製化市場，」張道智指出，主要是臺灣的機車數量龐大，各家廠商雖有驅動系統的模組化需求，但國際大廠多半不願意為個別廠商量身訂做；由工研院開發出的驅動次系統，恰可做為未來國內市場的公版模組，再依據業者個別需求進行設計調整；「工研院可提供設計、樣品組裝、測試服務，最後進入商品化階段，即可技轉量產。」

搭載全國產化驅動次系統的「ITRI Racing」電動機車，具備「四高」優異特色：一，高功率：最大功率可達 9kW，優於目前國內廠商最大功率的 7.6kW，已具備小幅量產及客製化能力；二、高馬力：最大馬力可達 12hp，優於市面一般產品；三、高續航力：擁有 170km 的續航力，媲美國內市售電動機車，更可搭配模組化設計，協助業者開發新世代產品；四、高環保：ITRI Racing 電動機車的減碳能力優異，7 年減碳量比市售多款電動機車還要多出 0.2 噸，可說是減碳高手。

工研院表示，因應未來電動車、新再生能源等綠色政策，以及 AI、5G 等數位政策的推動，除這次發表的矽基半導體功率模組，工研院也投入碳化矽、氮化鎵等新一代化合物半導體的技術開發，一旦市場成熟，即可推出更大功率密度、更低能耗、更高頻率的相關應用，攜手臺灣產業，共同布局高階智慧電動載具的龐大商機。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 357 期 2021 年 11 月號，未經授權不得轉載。