01 系統技術
除了動力與電池系統之外,整車的開發直接對應市場的需求,是消費者是否願意買單的關鍵。車輛性能的訂定事關成本與使用者期望間的平衡。目前電動車成本仍高,使用過程中的充電需求以及一般大眾對電動車特性的不熟悉,都是整車廠在設計開發車輛時必須充分考量的地方,如何與系統供應商密切合作,以產出符合安全與市場接受度高的電動車,整車品牌廠是台灣目前較為欠缺的部份。
馬電控系統其實是一個總稱,細分的話可以分成整車控制系統、馬達控制系統、電池管理系統。新能源車的一大特點是各種電控系統之間都有非常緊密的聯繫,有些車甚至一套電控系統控制車上所有用電設備,所以將它們統稱起來也無妨。
電動車的關鍵次系統包括電池、馬達與驅動控制器(簡稱驅控器)等所謂的三電系統,以及充電裝置、電能轉換器等。以電動車的成本結構來看:
圖1:電動車關鍵次系統示意圖
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除了動力與電池系統之外,整車的開發直接對應市場的需求,是消費者是否願意買單的關鍵。車輛性能的訂定事關成本與使用者期望間的平衡。目前電動車成本仍高,使用過程中的充電需求以及一般大眾對電動車特性的不熟悉,都是整車廠在設計開發車輛時必須充分考量的地方,如何與系統供應商密切合作,以產出符合安全與市場接受度高的電動車,整車品牌廠是台灣目前較為欠缺的部份。
電動車要全面取代燃油引擎車,是非常具挑戰性的目標。電動車不僅只是動力系統的改變,還包含底盤結構、煞車與轉向系統都會受到影響!因此, 「整合系統技術」可說是相當重要,包含:制定整合三電系統的電磁干擾(EMI)、電磁耐受性(EMS)與電磁相容(EMC)的設計規範,開發車輛控制單元(Vehicle Control Unit, VCU)與通訊協議等是整車廠必須面對的重要課題。VCU是車輛操控的大腦,接受駕駛人給予的操控命令,並依照各感測器所偵測到的車輛狀態進行計算,以精準驅動各元件系統。VCU的演算決策,決定了車輛系統的整體性能與功能取向,在整體車輛的操控上來看,亦佔有十分關鍵的地位。對於控制器的開發,技術門檻很高。主要的關鍵在於控制策略的擬定和最佳化參數的調校。
從事上述工作的工程師往往需要具備車輛動力學、汽車電子學、流體力學等等多門專業理論的背景知識,以及大量實驗測試的經驗,才得以開發出合適的功能。由於VCU在車輛系統中相當重要,因此對於其功能性的安全要求和測試驗證便需要十分嚴謹看待。在測試驗證技術方面,針對VCU的訊號級功能和失效模擬多以硬體在環(Hardware-in-the-Loop)虛擬驗證技術,此技術又可稱為控制器在環(Controller-in-the-Loop)虛擬驗證技術,搭配車輛模擬與測試案例,進行各項功能控制的確認與失效分析,確保開發流程符合IATF16949與產品設計滿足ISO26262道路車輛功能安全的規範,在各種惡劣的外界環境下也能正常工作。
車輛的智慧化隨著車用電子的進步也邁入一個新的發展,先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System, ADAS)是指利用安裝在車上的感測器,收集車內外的資訊(如光、熱、壓力等參數),進行物體的辨識、偵測與追蹤等等技術上的處理,以提醒駕駛人注意可能發生的狀況,並協助駕駛人做出正確的操控判斷,可以 有效提升車輛行車的安全性,降低交通事故的發生機率。常見的ADAS系統包括盲點偵測系統、後方碰撞警示系統、停車輔助系統、車道偏離警示系統、適應性車燈系統、夜間視覺輔助系統、適應性巡航系統、車輛穩定電子控制系統、煞車輔助系統和緊急煞車輔助系統等。
因應未來電動車之智慧化,除了車輛本身感測與運算之能力,為了讓車輛與外界有進一步之互動能力,需要建構車輛與外界之相互通訊能力,達到更多智慧化行為之發展。V2X網路技術,係針對車輛與外界各種主體建立通訊之模式進行劃分,包含車輛對車輛V2V、車輛對行人V2P、車輛對基礎設施V2I、車輛對網路V2N,基於LTE/5G網路連線,可提供完整的V2X架構與應用。V2X網路技術應用在車載控制器,包含GPS位置、車上各種感測器數值、行車紀錄影像、電池系統操作數據、動力系統各項使用數值,建立大數據與車隊管理技術,強化5G應用測試能量。
由於車輛智慧化勢必建立感測技術獲得大量車輛資訊,並且藉由車聯網技術回傳雲端,因此數據處理分析之能力,是影響車輛智慧化之關鍵。由於大量數據經由感測器回傳後,必須要有在車輛端的邊緣運算,以利有效的資訊數據處理,因此,大數據處理在車端和雲端都需相關的演算法來進行分析。另外,由於聯網的關係,資安問題也是智慧電動車非常重要的議題,依循ISO/SAE 21434的國際規範將會是未來必備的開發準則
車輛產業的關鍵一環是法律責任(liability)的挑戰,產品設計的不良或可靠度的缺陷將會造成車廠巨額的賠償。因此,不論是整車或次系統的開發過程,均需經過耐久性測試驗證以合乎ISO標準規範,次系統廠商亦需通過IATF 16949品管認證,確認滿足車規的要求。
電動車相關技術在過去20幾年已有長足的進步,性能優異且相對於燃油車是環保許多的車種;但是,電動車發展的關鍵瓶頸仍是電池,雖然現代電池的容量密度與充放電能力(所謂的C-rate)是愛迪生無法想像的進步,但以目前的電池性能與充電設施基礎建設的不足,「里程焦慮」仍是電動車駕駛普遍的夢魘。目前的電池是以電化學反應的方式儲存與釋放電力,化學反應需要時間,過程中所產生的熱必須能順利排除,其安全與可靠性是所有研發人員與工程師所關注的問題。未來當電池老化,如何將電池回收再利用或不造成環境汙染的最終廢棄旅程,也是工程師與政府必須共同面對與解決的挑戰。