〈工業技術與資訊〉具飛輪之微型電動車快充系統

工研院研發的「具飛輪之微型電動車快充系統」,可將充電時間縮短為10分鐘,且使用壽命長,成為電動車業界的焦點。(圖:工業技術與資訊月刊)
工研院研發的「具飛輪之微型電動車快充系統」,可將充電時間縮短為10分鐘,且使用壽命長,成為電動車業界的焦點。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/王明德

充電速度與安全性是電動車能否普及的關鍵,由工研院開發的「具飛輪之微型電動車快充系統」,具備快速充放電、高使用壽命與高安全性等特色,今年並入圍 2020 年「全球百大科技研發獎」,顯示此技術在未來智慧移動領域的無窮潛力。

有一天,工研院機械與機電系統研究所副所長陽毅平還在台大任教時,騎著實驗室自行開發的電動機車,載著女兒上路兜風,騎沒多久便注意到儀表板上的電量掉了一大格。一想到車子可能會沒電,讓陽毅平不由得緊張起來,於是草草結束這次兜風。「擔心沒電,可以說是所有電動車駕駛的最大焦慮,畢竟電動車的充電站還沒普及;就算有,把電充滿也要耗費 1、2 個小時,對駕駛來說時間過長。」

不過,這個焦慮最近已被工研院的團隊解決,工研院研發的「具飛輪之微型電動車快充系統」,可將過去至少要 1 小時以上的充電時間縮短為 10 分鐘,且使用壽命長,不會有充電站電池容易老化與化學汙染問題,如此優異的成績讓工研院再度成為電動車業界的焦點。

談起這項技術的起源,陽毅平表示工研院在電動車能源領域早就有相關研發,飛輪儲能系統就是其中之一。飛輪儲能原理與市面常見的電池儲能極為不同,是利用電流經過馬達驅動飛輪,讓飛輪以慣性旋轉,用動能方式儲能;放電時,再由旋轉的飛輪帶動發電機產生電流,輸出給用電單位。雖然飛輪儲能技術早在 1970 年代就被提出,不過由於尺寸太大、安全機制不佳,且高速時軸承損耗過快,因此未能普及,而這些困難,現在已經被工研院團隊克服了。

三大優勢解決電動車充放電痛點

工研院的具飛輪之微型電動車快充系統採用微型高速飛輪,因此整套系統的體積非常小,只要大約 5 坪左右的面積埋設飛輪系統,就可以進行大功率充電,未來設定的目標是在 10 分鐘內可以輸出約 60 度電,「用現行的電動車電池容量來算,可以跑將近 300 多公里,相當於從臺北到臺南的距離,」陽毅平說。

除了可快速充電外,這項技術使用磁浮軸承,在沒有物理接觸的情況下,零部件不會產生摩擦損耗,因此系統的使用壽命可以高達 20 年;比起現行充電站的儲能電池壽命只有 3 到 5 年左右,可說是大幅躍進,即便初期導入成本較高,從整體營運成本來看,飛輪和電池儲能系統搭配使用,將是最佳選擇。

在安全性方面,因採用高速旋轉慣性的動能儲能,除了人工智慧監控的預防性減速,團隊正開發研究一套機制,將使一旦運轉中失控的飛輪也能快速將飛輪的轉子解離而快速減速。

市場應用多元 備電系統絕佳選擇

回到市場推廣面,陽毅平點出在環保意識抬頭下,各國政府近年來紛紛制定電動車政策,汽車與機車業者也開始推出電動車輛,根據企管顧問業者勤業眾信(Deloitte)預估,到 2025 年,全球電動車總銷售量將來到 1,120 萬台,是今年電動車銷售量的 4.5 倍,「不過市場要普及,充電機制仍是關鍵,不只是充電站數量要夠,充電速度與安全性也要到位。」在高輸出功率、高安全性與穩定性特色下,飛輪儲能系統都是電動車充電站的首選之一。

陽毅平表示,目前團隊規畫將此技術優先應用在電動車充電站,初期會以電動機車為主,「電動機車數量多、電池電量小,會是這幾年成長較快的市場,比較有機會。」陽毅平表示,在電動機車市場站穩腳步後,未來要將商業模式複製到電動汽車市場也比較容易。

除了電動車之外,陽毅平認為風力發電、UPS 不斷電系統也會成為飛輪儲能的潛力應用場域。風力發電目前的痛點是不穩定的風量會造成不穩定的電能輸出,透過飛輪儲能系統,風力發電機可以先行儲存累積電能,再穩定輸出到電網中。而企業用的 UPS 系統,也可將電池改為飛輪,除了使用壽命更長,快充快放特色也讓 UPS 的可用性更高。

整體而言,工研院研發的飛輪儲能系統,已能滿足多種場域的備電系統需求,「接下來我們會持續開發各種應用,提供未來智慧交通、智慧生活更高可靠性、無汙染的儲能系統。」陽毅平十分期待地說。

此系統的使用壽命可以高達 20 年,即便初期導入成本較高,從整體營運成本來看,飛輪和電池儲能系統搭配使用,將是最佳選擇。
此系統的使用壽命可以高達 20 年,即便初期導入成本較高,從整體營運成本來看,飛輪和電池儲能系統搭配使用,將是最佳選擇。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 346 期 2020 年 11 月號,未經授權不得轉載。


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《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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