〈工業技術與資訊〉高功率電動重機馬力大更環保

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。(圖:工業技術與資訊月刊)
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。(圖:工業技術與資訊月刊)

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。

全國產化的電動機車驅動次系統具備「高功率、高馬力、高環保、高續航力」的四高優異性能。 左起為 UCCR 創辦人張繼中、工研院電光系統所所長吳志毅、工研院電光系統所副所長駱韋仲。
全國產化的電動機車驅動次系統具備「高功率、高馬力、高環保、高續航力」的四高優異性能。 左起為 UCCR 創辦人張繼中、工研院電光系統所所長吳志毅、工研院電光系統所副所長駱韋仲。
國內電動機車馬達驅動用的系統各自獨立,導致驅控器電路體積過大、散熱不佳、成本居高不下,而工研院推出的方案能解決上述瓶頸。
國內電動機車馬達驅動用的系統各自獨立,導致驅控器電路體積過大、散熱不佳、成本居高不下,而工研院推出的方案能解決上述瓶頸。
工研院建構新一代功率模組,每個晶片上的電路分布採均流設計,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。
工研院建構新一代功率模組,每個晶片上的電路分布採均流設計,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。

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。


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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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