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电动机车市场起飞 轻型BMS与马达控制是关键
 

【作者: 籃貫銘】2018年05月11日 星期五

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电动机车(E-Scooter)即将要进入成长期。消费者经过这几年的观察与体验,对电动机车的疑虑和陌生已逐渐消除;同时,相关的供应链技术与成本也渐趋成熟,电动机车市场的下一步,就是朝向大量生产与多元品牌和款式前进。



图1
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电动机车市场火热的程度,从睿能创意旗下电动机车品牌Gogoro的市占率就可看出。该厂在今年三月份台湾整体机车市场的占有率已达到6.34%,是该公司的历史次高,同时在电动机车类别的市占率更高达90%。



图2 : 轻型电动车的关键系统示意图。(制图:CTIMES)
图2 : 轻型电动车的关键系统示意图。(制图:CTIMES)

从整体数量来看,台湾电动机车的整体数量从105年的20,628台,至106年已成长至45,541 台,年成长率高达120%。而今年截至2月为止,全台的电动机车销量已达9,928台,约占去年整体的21%,依此趋势推算,预计今年的年成长率也将突破30%。


所以从数据上就可看出,台湾电动机车市场已进入成长期,追逐市场规模与产量将是业者目前的发展关键,同时,也会将有越来越多的新兴业者投入;而对供应链来说,则须尽早备妥相关的解决方案和产线。而在电动机车的系统设计上,重点则是在电池和马达的控制系统。


电动机车适用轻型电池管理系统

英飞凌电源管理及多元电子事业处经理吴荣辉指出,一个基本的电动车系统,大致可分为电池管理系统(Battery Management System;BMS)、马达控制(Motor Control)、逆变器(Inverter)和充电装置(On-board Battery Charger),而电动机车也同属这个架构。



图3 : 典型的电动车BMS架构
图3 : 典型的电动车BMS架构

英飞凌是一家德国半导体元件供应商,并长期专注於汽车电子系统元件的开发,能提供全系列符合汽车规范的元件,而该公司已是欧洲汽车电子市场的龙头。而看好电动车市场的发展,英飞凌近年也积极开发电动车相关的解决方案,目前也有针对电动机车应用的各项电子方案。今年更与上海汽车集团成立合资企业,加速服务中国和亚洲的电动车客户。


图4 : 英飞凌电源管理及多元电子事业处经理吴荣辉
图4 : 英飞凌电源管理及多元电子事业处经理吴荣辉

吴荣辉表示,电动车可分为高电压与低电压(Low-voltage)两种系统,而一般的低电压电动车的使用电压约在48~96伏(V)之间,至於电动机车的使用电压则又更低。因此,相对所搭载的动力系统(马达与逆变器)就比较小,同时所使用的电流也比较小,在系统设计上就可以选择采用独立IC或是模组。


他进一步解释,电动车的电池基本上就是一个庞大的电池组,由数千颗的锂电池组合而成。以特斯拉的Model S为例,其电池是由16组电池组串联而成,且每个电池组由444颗锂电池并联形成,因此电池总数量就达到7104颗,整体提供了高达400V的直流电。而电动机车虽然所需的电压与马力皆大幅小於电动车,但电池的原理和架构则大同小异。


以中国小牛的N1电动机车的电池来说,其一个电池仅有170颗锂电池,电池组的数目大约只需约1~2个,整体提供48V的直流电压。因此整体BMS的设计规模自然小得多。


吴荣辉指出,在BMS的设计上,重点就是於对每个电池组来进行个别控制,也就是建立从控次系统(Sub-BMS)来管理每个电池组的状况,例如电流、电压、温度,或者电池老化和充放电的保护。接着再把所有的次系统整合成主控


系统来做整合管理,并连接至仪表上来显示或控制。


而在BMS的电路设计规划上,吴荣辉则认为,虽然电动机车的电池规模较小且简单,但为了达成最隹的电池效能,仍建议使用标准IC建立次系统,再透过微控制器(MCU)来进行管理的设计架构。


低电压马达控制是电动机车的灵魂

电动机车电子系统的另一个核心,则是动力系统(Power System),关键则在马达控制。而电动机车的马达属於低电压马达,多采用直流无刷(BLDC)的类型,而又基於节能和结构的考量,目前的电动汽机车又以永磁同步马达(Permanent-magnet Synchronous Motor,PMSM)为主流,其优点则是稳定、功率高且调速性能好。


为了达到更精准、稳定和更具能源效益的马达控制性能,除了采用高品质的半导体元件之外,电路的架构也是关键所在。吴荣辉表示,在低电压马达驱动解决方案上,以三相BLDC的驱动来说,典型的设计方案则是以一个微控制器(XMC)来进行控制并整合其他的感测器元件(如:霍尔感测器),再加上闸极驱动器(EiceDRIVER),并搭配6个功率MOSFET元件(OptiMOS)来对BLDC马达做驱动控制。


吴荣辉更特别指出,电动机车也属於需「上路(Ob-road)」的交通工具,其面临的运行环境也十分严峻,例如高温和震动等,特别是电动汽机车都会存在高启动电流的问题,也就是需要极大的电流来发动马达启动机,因此相关系统所搭载的元件材料和封装也须特别重视,一定要具备能够因应高电流的能力。


以英飞凌为例,其TOLL(TO-LeadLess)封装就是针对大电流需求所研发的规格,该技术透过大幅缩减封装的针脚尺寸,来提高对电流的密度,其最大的电流量可达300A。此外,也改善了对抗杂讯和干扰的能力。而在机板方面,则使用加厚并镶嵌铜金属的PCB版来增加大电流的性能。



图5 : 针对高电压应用所开发的TO-LeadLess封装技术和含金属加厚PCB版
图5 : 针对高电压应用所开发的TO-LeadLess封装技术和含金属加厚PCB版

另一方面,随着更多业者投入电动车技术与元件的开发,电动车的动力系统也持续创新,其中一个主流技术趋势就是动力系统逐渐走向整合,也就是把马达、电力驱动及变速器组成单一机组。


而这种整合型动力系统的优势就是透过简化机组的设计,来让系统运行更有效率,进以降低整体成本与电耗。更重要的是,透过整合的设计就能够大幅减少动力部件的体积,让电动车可以更加轻巧,而能源的消耗也能减少。


以台湾的富田电机为例,其也已开发出专门针对电动车应用的整合型马达技术,能满足各式电动车的需求。


充电站与能源网也是市场发展的关键

而在电动机车市场即将步入成长期之时,充电站的普及和安全快速的充电解决方案也是扮演着市场能否顺利起飞的关键。


吴荣辉表示,随着电动机车市场的发展,将可以见到相关的充电基础建设的逐步落实,而如何结合目前的电网和绿色能源建立起微型电网(Micro Grid)和能源储存系统(Energy Storage System;ESS)是重点所在。而更长远来看,则是要考虑如何透过物联网架构和人工智慧技术,进一步把电动机车和充电站等也整合进智慧城市和智慧交通的范畴之中。


而在BMS的发展方面,吴荣辉认为,安全仍会是最重要的发展方向,而随着技术的持续发展,成本、寿命与容量都会持续增加;至於动力系统,元件则是要往低导通电阻(Rdson)和具备高电流性能封装的方向前进,并朝向模组化的方式整合,再来就是车用规范的导入。


吴荣辉指出,虽然目前电动机车的元件仍没有强制规范要取得车规的标准,但随着时间的发展,这个需求就可能渐渐浮现。但依英飞凌的观点,仍会建议客户使用具备车规标准的元件,以求最稳定的性能。


至於充电器方面,快速充电技术会是未来主要的发展方向,以缩减电动机车的充电时间,改善电动机车的机动性;而在充电站方面,结合太阳能与ESS的双向(Bi-direction)式供电技术将会渐显露头角,并为电动机车市场带来更全面且完整的生态系统。


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