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拋離傳統驅動概念 加速下一代EV車的開發
從集中走向分散的系統設計
[作者 盧傑瑞]   2023年12月26日 星期二 瀏覽人次: [1919]

電動車越來越多地採用E軸三合一裝置,將馬達、逆變器和齒輪整合在一起,以實現車輛更小、更輕、成本更低,同時提高車輛性能。因此愈來愈多的汽車業者,開發出了基於X-in-1單元的多功能平台,並大量的應用於多款車型。


今天電動車的架構正在發生重大的改變。目前,電池、馬達等動力系統,煞車、助力轉向等底盤系統,攝影機、毫米波雷達、雷射等安全系統,以及汽車導航系統、顯示器等座艙系統等,正以分散的方式進行控制,但其中有些部分卻又是相互連接。


所以電動車越來越多地採用E軸三合一裝置,將馬達、逆變器和齒輪(減速齒輪)整合在一起,以實現車輛更小、更輕、成本更低,同時提高車輛性能。隨著汽車開發效率的提高,整合電力電子控制,例如DC-DC轉換器和車載充電器(OBC)的趨勢正快速的被接受,因此愈來愈多的汽車業者,開發出了基於X-in-1單元的多功能平台,並大量的應用於多款車型。


自駕車比傳統汽車消耗更多的電力

HV和燃料車一樣,但需要由電動馬達提供動力,因此它們是內燃機車輛。雖然是高精度電子控制,但涉及化學反應的一系列機制下,存在輕微的時間滯後,使電腦所做的決定立即得到反映。當使用傳統的加速踏板和煞車踏板時尤其如此,經常會感受到必須按住加速器,並等待幾秒鐘才能獲得所需的輸出。


隨著自動駕駛系統變得更加複雜,能夠以更多的時間回應各種情況,這種時滯將變得更加顯著。但是純電動車用馬達的特點是從踩下油門的那一刻起就能發揮出最大扭矩,其動力結構本身也比內燃機簡單。它還與電子控制相容,並且能夠比內燃機更快地反映電腦決策。在這樣的背景下,電子控制系統與驅動系統馬達的匹配和協調,就變得至關重要。


自動駕駛汽車比傳統汽車消耗更多的電力,這是為了確保自動駕駛所需的系統,例如高性能系統單晶片(SoC)和各種感測器能充分的運作。正如安裝在電腦中的圖形處理單元(GPU)的耗電量,與其性能成正比一樣,因此安裝在自動駕駛汽車中的超高性能電腦也需要更多的電力。從這一點來看,可以說電池容量較小的燃料車作為自動駕駛汽車是處於劣勢。至少也需要混合動力汽車(HV)才能導入一部分的自動駕駛功能。


線控將成為下一代驅動技術主流

目前最新的觀念是透過「線控」,現階段線控系統可與電腦控制相容。傳統的驅動、煞車和轉向機構,例如加速器、煞車和轉向器,透過將控制設備機械連接到轉向輪,將操作命令物理傳輸到每個控制設備。但是線控系統則是將操作命令轉換為電訊號,並在沒有任何實體連接的情況下傳輸。透過電腦化後,操作命令被轉換為電子信號,實現透過電線控制車輛的電氣控制。在取代機械結構下,藉由電氣控制使車輛的行駛更為平順和靈活。


此外,也因為線控驅動(加速器控制)、線控制動(煞車控制)和線控轉向(轉向控制)的優勢,取代傳統機械控制裝置的依賴,增加了佈局的靈活性。在這樣的機制下,未來踏板和方向盤可以用按鈕或操縱桿代替,並且可以自由設置在駕駛座中更人性化的地方。


例如BOLDLY的「NAVYA ARMA」就是沒有採用手把或其他裝置,而是藉由一個類似遊戲控制器操作的系統,來實現這種新一代的行車控制(圖一)。



圖一 : 駕駛員進行控制器操作實務訓練(左),NAVYA ARMA的駕駛控制器(右)。(source:SOFTBANK)
圖一 : 駕駛員進行控制器操作實務訓練(左),NAVYA ARMA的駕駛控制器(右)。(source:SOFTBANK)

輪內馬達與X-in-1系統讓行駛更智慧

除了線控系統之外,還有工程師採用了輪內馬達的設計,透過將馬達放置在驅動輪附近,不僅可以單獨控制每個車輪,還可為車輛的內部佈局提供更大的自由度。而這樣的變化,在整合多種功能下,系統將變得更加複雜,維持行駛安全性變得更加困難,因此診斷功能和故障預測等預防性技術更被相關業者所關注,也逐漸出現異業結盟合作的趨勢。


Nidec(原日本電產)在2023年6月,宣布將和瑞薩電子合力開發下一代E-Axle(X-in-1系統)半導體解決方案,整合了EV所需的驅動馬達和各種電力電子設備,來實現高水準的性能和效率,並且達到體積小、輕量化、低成本目標。


Nidek-E-Axle

對於X-in-1系統,Nidek已在2019年底開發了一款6合1的概念驗證(PoC),除了馬達、逆變器和齒輪之外,還配備DC-DC轉換器、OBC和配電單元(PDU)。與瑞薩電子合作,將是此計畫的第二階段,透過整合電池管理系統(BMS)和其他系統來進一步提高整合度。而DC-DC和OBC功率裝置所採用的功率元件,也將從原先的碳化矽(SiC),替換為更適合高頻作業的氮化鎵(GaN)。


例如Nidec的「E-Axle」牽引馬達系統整合了馬達、逆變器和減速器,雖然整合動力需要這三個元件,但從產生連接功能,到輪胎的驅動軸的旋轉扭矩,再到驅動車輛,每單元又是可以獨立的操控(圖二)。



圖二 : 透過小型eAxle的應用,可將車體外型與車內空間做最大的應用。(source:日本電產、豐田汽車)
圖二 : 透過小型eAxle的應用,可將車體外型與車內空間做最大的應用。(source:日本電產、豐田汽車)

日產-e-POWER

在驅動總成方面,日產也投入了相當大的資源發展下一代的技術。目前,日產正透過電動車(EV)和e-POWER,兩大方向全力發展電氣化。尤其是加速開發下一代電動動力總成X-in-1,希望透過100%馬達驅動,以及主要元件的共享和模組化來普及電動車(圖三)。



圖三 : 日產下一代電動動力總成X合1(source:日產汽車)
圖三 : 日產下一代電動動力總成X合1(source:日產汽車)

EV和e-POWER都是日產汽車100%獨立發展出來的馬達驅動電動動力系統。由於兩個系統均僅依靠馬達運行,因此馬達和逆變器等主要部件可以共享。並且透過將X-in-1模組化,不僅提高了基本性能,例如更輕、更小,透過整合改善聲音和振動性能,而且透過進一步共享主要元件來降低組件成本和產量,與2019年相比,成本大幅度的降低了30%(圖四)。



圖四 : 動力總成小型化(體積比)。(source:日產汽車)
圖四 : 動力總成小型化(體積比)。(source:日產汽車)

行駛1200公里的新一代電池

對於電池電動車(BEV)來說,電池就像是讓電力流動的心臟。目前主流的技術是將液態鋰離子電池,透過提高方形電池的能量密度來提高性能,來增加可行駛的距離和EV車使用時間。


在2023年6月,豐田汽車發表了一項令全球車界驚訝的技術消息。豐田表示將於2026年推出LEXUS下一代電動車。更重要的是,該車將配備下一代鋰離子電池,可提供1000公里的實際續航里程。


豐田首席技術官中?裕樹表示,雖然1000公里令人驚訝,但如果使用全固態電池,根據簡單的計算,預計可以達到1200公里。此外,正在開發能實現10分鐘或更短的快速充電時間的技術(充電率從10%到80%)。


對於業界來說,這則消息是具有相當的震撼性。因為美國電動車的平均續航里程略低於500公里,目前2023年款Lucid Air以830公里領先產業,雖然特斯拉可在15分鐘內充電至80%。但是如果豐田的新技術得以實現,將會壓倒兩者。


造成業界震撼首先第一個理由,是豐田在電動車方面被認為是「落後者」,並且沒有良好的記錄。例如,豐田剛在2022年推出了首款電動車bZ4X後,由於擔心輪轂螺栓鬆動並導致車輪脫落,該車在首次亮相後就立即被召回。


另一方面,大多數主要汽車製造商在市場上至少有兩種電動車車型,就像BMW和賓士各推出了五款車型。但是直至2023年年底,而豐田和旗下豪華品牌LEXUS各自推出了一款車型。


根據發表的資料顯示,豐田對於下一代的車用電池來說,豐田除了開發高品質、廉價的電池外,還致力將雙極結構與高鎳正極結合的高性能電池商業化,以在2027-2028年實現進一步發展(表一)。


在降低電池成本方面,將使用廉價的磷酸鋰(LFP)作為材料,達到與目前的bZ4X相比,續航里程增加20%,成本降低40%,快速充電時間為30分鐘或更短。而在高性能電池商業化方面,除了續航里程提高10%、成本降低10%外,並且讓達到池以20分鐘,或更短的快速充電時間(SOC=10-80)實現壓倒性的性能。



圖五 : 豐田藉由改變電池結構來提升效能。(source:豐田汽車;作者整理)
圖五 : 豐田藉由改變電池結構來提升效能。(source:豐田汽車;作者整理)

豐田發表新一代數位駕駛艙

對於觀察未來EV車駕駛艙的趨勢變化,最熱門的議題莫過於豐田汽車最近發表了新一代數位駕駛艙,除了全數位儀表外還配備手持數位顯示器。


在2023年日本移動展上,豐田汽車宣布了預計在2026年發表的下一代電池EV車中,採用全數位駕駛艙,將透過數位化、智慧化來重新定義座艙。特點包括內建平面顯示器的全數位儀表板、非常少見的線控方向盤,以及方向盤兩側的手持式數位顯示器。座艙中心部分也設置了觸控式顯示器,用於娛樂目的。



圖六 : 豐田2000GT的數位駕駛座(source:豐田汽車)
圖六 : 豐田2000GT的數位駕駛座(source:豐田汽車)

豐田表示這款數位化智慧座艙,對於駕駛者來說提供了三個高價值性的設計。包括:1.所有操作均可在手邊進行,無需將視線離開路面;2.即使是駕駛者也將能夠獲得數位體驗。因為目前的數位內容主要是提供給乘客,而非是駕駛體驗的一部分;3.靈活滿足多種需求,從只專注於汽車基本功能的跑車、低價車的需求,演進成享受駕駛需求的更多有趣性。


特別是,方向盤兩側的手持式數位顯示器,具有與動力系統相關的操作,例如左側的換檔選擇器,以及右側的娛樂相關的操作。特別是,右側的數位顯示器,提供駕駛者可以像智慧型手機一樣操作,因此任何經常使用智慧型手機的人都可以輕鬆地操控。另一方面,由於是全新的作業系統,操作非常直觀,只需觸摸「D」等鍵即可,同時ADAS操作也集中在左側。


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