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揮別續航里程焦慮 打造電動車最佳化充電策略
確保充電安全效率
[作者 王岫晨]   2024年04月29日 星期一 瀏覽人次: [1340]

汽車產業經歷了重大變革,終於迎來了軟體定義汽車時代。軟體實現了安全性、舒適性和永續性,這在十年前是不可能的。而隨著電動車的日益普及和自動駕駛汽車的出現,汽車業正在尋求快速應對挑戰並保持創新的途徑。


實驗室模擬確保互通性

在實驗室中進行模擬,才是驗證並確保電動車和充電樁互通性的最佳方法。

關注電動車發展,資策會MIC預估,2024年全球電動車市場規模為1,731萬輛,較2023年成長23.5%;針對公共充電樁新增量,預估2024年因政策支持與電動車保有量提升,直流樁新增量達96萬根、交流樁新增量達66萬根。MIC產業顧問何心宇表示,汽車產業正面對平價化競爭、投資報酬不平衡、供應鏈話語權變革,以及中國大陸車廠崛起挑戰,預期2024年將進入汰弱重整期,傳統車廠將修正全面電動化的策略、新創車廠經營縮編重整以停損,而新進的資通訊業者則止步觀望。


根據全球電動車充電站市場調查預測,充電站市場規模到2030年將達到121億美元,2024年至2030年的年複合成長率(CAGR)將達到8.8%。


電動車的電力來源為車載電池,需要透過直流電來充電,不過目前的電力傳輸仍以交流電為主,因此要透過直流充電機或車載充電器將交流電轉換為直流電,才能讓直流電成功進入電池,為電動車充電。在插上充電電纜後,充電樁會先確認電動車充電模式與安全設定,也會全程監測充電過程,確保充電的安全性與效率。


全球汽車產業每年都會推出多達200多款的電動車,為此,世界各國已經制定好或正在制定不同的電動車標準,以因應不同的需求和應用。在真實世界中,要對所有組合進行測試,是不切實際的想法。而在實驗室中進行模擬,才是驗證並確保電動車和充電樁互通性的最佳方法。


預測電池健康狀況


圖一 : 電動車的下一個重點將是預測電池的健康狀況。
圖一 : 電動車的下一個重點將是預測電池的健康狀況。

隨著電動車的不斷發展,300英里成為標準,續航里程焦慮開始消散。然而,人們的注意力將轉向電池的健康狀況。從手機的應用已經說明了電池如何隨著時間的使用而退化,沒有駕駛願意經歷一輛很快就失去動力的汽車,這可能會讓他們陷入困境,或者至少每天需要多次充電。


也因此,電動車的下一個重點將是優先考慮並預測電池的健康狀況。電池健康狀況將成為影響電動車購買決策的一個因素,並為汽車製造商提供一個汽車健康狀況可視化的機會,以安撫並告知駕駛員。這些資訊將更加精細,並包含遊戲化介面,以便駕駛員可以了解他們的行為如何影響電池管理系統以保持最佳性能。此外,透過將人工智慧演算法整合到系統中,它將預測各種條件下的健康狀況和效能,消除任何擔憂。


在此同時,固態電池的研究也將加強,特別是亞太地區將引領市場成長,其次是歐洲和美洲。例如,韓國宣布投資150億美元,到2030年實現固態電池商業化。電動車固態電池的研究工作早在十多年前就開始了,現在它們正處於微調的最後階段,為汽車製造商提供了一系列好處,包括:


●更輕:小巧且更輕的電池可增加行駛里程。


●更穩定:與使用液態電解質的鋰離子電池不同,固態電池使用固態電解質,通常由陶瓷或聚合物製成。它們更加穩定和安全,比液體同類產品產生的熱量少得多。


●更快、更耐用:固態電池可以在15分鐘內充滿80%的電量,並在充電5,000次後保持90%的容量,這與鋰離子電池不同,鋰離子電池在1,000次循環後開始退化。


電源系統進化


圖二 : 實驗室模擬,才是確保電動車和充電樁互通性的最佳方法。
圖二 : 實驗室模擬,才是確保電動車和充電樁互通性的最佳方法。

德州儀器認為,在半導體創新的推動之下,汽車系統將持續進化,並協助提供更安全、更舒適的駕駛體驗。其中,先進電池管理系統(BMS)能更準確偵測電池充電狀態和健全狀態,提供更理想的特性分析,協助駕駛人延長行駛時間。改良的電池監控技術可延長EV電池的行駛距離,並重新塑造充電環境,整合如DC快速充電或插拔式電池等功能,以改善EV充電時間與擁有成本。


多種系統的效率提升且重量減輕,例如無線先進電池管理系統、牽引逆變器、車載充電器、DC/DC充電器、暖氣與散熱系統等,能進一步強化駕駛單次充電的行駛距離。至於功率電子元件可支援高達800V電壓,實現高效率的電源轉換並提高功率密度,同時可提供絕緣功能,進而開創更多、更快速且高效率的充電選擇。


先進駕駛輔助系統(ADAS)則需要可靠的智慧技術,使車輛透過攝影機與雷達感測器準確感測周遭環境、可靠且安全地傳輸、處理並傳達感測器數據,進而實現即時決策。這類系統或電子控制單元(ECU)的架構也在持續改變,電氣與電子架構正朝向分區架構進化,而此架構是依據ECU在車中的位置進行控制,而非取決於ECU的功能,例如ADAS或空調等原本不相互整合的系統,現在均已區域化以降低複雜性,並透過軟體實現各種功能與特色。


車輛中的電源技術必須能以更小的佔位空間,實現更高的功率密度與效率,例如採用精巧封裝的整合式解決方案、散熱管理需求較低但效率更高的切換穩壓器,以及可增進保護效果的診斷功能等,都屬於此類。而若要讓EV達到業界目標,就需要採用高電壓系統,且最高需達800V以上,目前德州儀器的高電壓技術均可提供高效能與可靠性,進而強化安全性。例如隔離與電源轉換拓撲都屬於此類。


高壓電動車具備更遠續航力

隨著汽車產業電動化和綠色低碳持續轉型,高壓純電動車因其效能更高、續航里程更遠,已成為汽車製造商的熱門選擇。意法半導體近期與中國理想汽車合作一項碳化矽(SiC)長期供貨協議,意法半導體將為理想汽車提供碳化矽MOSFET,支援理想汽車進軍高壓電池純電動車市場的策略。


理想汽車進軍純電動車市場,其首款家庭科技純電旗艦MPV已於2023年第四季亮相。未來理想汽車計畫推出更多高壓純電動車款,而新車型都需要在電驅逆變器中大量採用碳化矽MOSFET。意法半導體的碳化矽具有更高的開關頻率、崩潰電壓和熱阻,可以顯著提升功率電晶體的性能和效能,這些特性在純電車的高電壓環境中非常重要。理想汽車即將推出的800V高壓純電平台將在電驅逆變器中採用意法半導體第三代1200V SiC MOSFET先進技術,具有穩定性、性能、效能和可靠性。


確保電池長期使用效能

鋰離子電池因其體積和重量的高能量密度、低自放電、低維護成本,並且能夠承受數千次充放電循環而被廣泛應用於電動車。電池約佔電動車總成本的3到4成。典型的800 V鋰離子電池系統大約由200個單獨的電池單元串聯而成,在長達數年的生命週期中,在任何特定溫度和瞬間能精確估算電池組的充電狀態(state-of-charge;SoC)至關重要。


恩智浦半導體推出下一代電池控制器IC,目的正是最佳化電池管理系統(BMS)的效能和安全性。恩智浦MC33774的18通道模擬前端裝置具備低至0.8mV的電芯測量精度和廣泛溫度範圍內的最大電芯平衡能力,支援ASIL D,適用於與安全密切相關的高壓鋰離子電池,以最大程度地提升可用容量。


MC33774鋰離子電池單元控制器採用恩智浦SmartMOS SOI(絕緣矽片)技術,可提供低至正負0.8mV的電池測量精度,有助於確保鎳錳鈷和磷酸鐵鋰電池化學材料的使用壽命效能。


結語

進入2024年,電動車正在超越內燃機汽車,成為更多全球消費者的首選車輛。這樣的趨勢使得交通運輸部門能夠大幅減少排放,為減緩氣候變遷的影響做出深遠的貢獻。現今汽車的運作方式不再受到20年前的限制。人們迫不及待想看到未來20年後的汽車具備哪些功能。提升駕駛安全性、以實惠價格提供卓越體驗,這只是進化歷程的開始。人們期盼著見證未來半導體如何繼續推動汽車技術邁向尖端,並重新定義駕駛體驗。


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