電動車未來展望_Part2

2021年04月27日
專欄作家曾逸敦/
現任中山大學機電工程學系教授,開授汽車學與世界發展史課程。著書有「汽車學原理與實務」、「電動車原理與實務」、「保時捷911傳奇」及「義大利超跑傳奇」。
部落格:曾教授與古董保時捷(eatontseng.pixnet.net)

4.能源回收
    在環保意識高漲的二十一世紀,賽車運動始終與節能減碳的訴求背道而馳,更遑論是全球汽車賽事的最高殿堂F1。為了改善普羅大眾對於F1的高噪音、高污染等印象,賽季要求各廠隊開發KERS(Kinetic Energy Recovery System),主要用意就是希望響應節能環保的潮流與發展趨勢。動能量回收系統制動是通過減速來達到制動效果的,不過這個減速並不是和燃油車一樣,通過踩了剎車之後而減速。它的制動原理是,制動的時候通過變流器改變了勵磁電流的導通相位,讓電機產生負轉矩(即反向旋轉),線圈繞組中就會產生大的反向電動勢,電機實際在發電,給電機輸入負的轉矩之後,電機的轉速就會減慢,達到減速的目的。電動機在電動機還是發電機狀態的判斷依據就是瞬時轉速與同步轉速的大小,如果電動機瞬時轉速比同步轉速高就是發電機狀態,電機隨著制動的持續進行,轉速不斷降低,達到同步轉速之後就處於電動機狀態了,能量回收過程到此結束。
搭載了制動能量回收系統,可以把汽車剎車或滑行時產生的多餘能量轉化為電能,給蓄電池充電,減少蓄電池對發動機的依賴,從而增加續行里程。
    而隨著電動車的電動車投入市場,電動車電池廢棄處理在未來恐成為一項關鍵問題,電池技術公司 Aceleron 透露,電動車革命在未來 20 年內,會製造出超過 1,100 萬噸的電池廢棄物。Honda 與電池回收公司 SNAM 合作,從 2013 年起計畫將旗下電動車及混合車中壽命到期的電池回收再利用,將電池中還可繼續使用的鋰離子和鎳氫(NiMH)取出,用於其他家用電力儲存系統等不需要大量耗費電力的使用。Audi 則是與材料技術公司 Umicore 鑽研電池材料技術的研發,研究顯示 95% 以上的電池元件內鈷、鎳材料可以回收再利用;更針對旗下電動車展開電池元件再回收計劃,將使用年限到期的電池整理後運用在自家工廠內的作業車上,達到廢棄電池再利用。

5.馬達
過去發展電動汽車,很多都是採用直流馬達方案。主要是看中了直流馬達的產品成熟,控制方式容易,調速優良的特點。即使到現在,還有一些電動汽車上仍使用直流電動機來驅動。由於直流電動機本身存在許多的缺點,其自身複雜的機械結構存在電刷和機械換向器,限制了馬達過載能力與加速能力,而且如果長時間運行,馬達的機械結構會產生損耗,必須要經常維護和更換電刷和換向器,提高了維護成本,在新研製的電動汽車上已基本不採用直流電動機。
現今電動車驅動馬達的主流使用類型有永磁馬達及感應馬達,其中永磁馬達有重量輕、尺寸小且運轉效率比感應馬達高等優勢,受到國際許多電動車廠青睞,例如Nissan Leaf、BMW i3等暢銷車款皆採用永磁馬達,此外在2016年發表的Tesla Model 3也看好其運轉效率較高的特性,採用永磁馬達。然而永磁馬達關鍵原料中的稀土金屬(如镝、釹等)成本較高,車廠皆積極開發減少稀土金屬使用的馬達,降低對稀土金屬的依賴性,減少市場壟斷的風險。而感應馬達最大的優勢在於不須使用稀土金屬,因此造價相對永磁馬達較低廉。
大多數馬達使用徑向磁通,而最近Magnax公司使用了軸向磁通馬達作為電動車的一個新選項,axial flux馬達有較短的磁通路徑,永磁體離軸心較遠,因此在中軸附近有更高的效率和槓桿作用。此外,由於軸向磁通設計,較少的銅浪費在懸垂線圈上的繞組。這項技術可以從小型電動機(即電動汽車)擴展到大型發電機。根據Magnax公司的說法,軸向磁通永磁(Afpm)發電機具有高效率、小體積、重量輕等優點。AFPM機器在非常廣泛的轉速範圍內表現良好,這使得它們適合低轉速-高扭矩的應用。而另一家公司Linear Labs發現了另一種方法,通過在單個電動機中組合軸向和徑向磁通設計。Hunstable電動渦輪機是圍繞定子的四個轉子。中央轉子在定子內部旋轉,從而產生一個磁通量源。第二個轉子在定子外部旋轉,從而產生第二個磁通源。兩個額外的轉子位於定子的左右兩端,基本上構成了AF電動機。那是另外兩個磁通量源,總共四個。它本質上是兩個同心徑向電動機,外加兩個軸向電動機。Linear Labs聲稱,在固定的體積中產生更多的扭矩,並使所有扭矩都沿轉子運動方向移動,“對於同個尺寸,其扭矩是任何其他電動機的2-3倍。


6.自動駕駛
過去電腦對車輛的操作只有少量輔助駕駛功能,例如將車輛定速,車道偏移輔助、abs自動煞車等,目前車輛幾乎都有配備一到兩項。車主也都可以選配一些部份自動駕駛功能,電腦對車輛進行控制達到各種功能,是目前大多數車廠主打的自動駕駛功能,從全速域自動跟車、限速識別、自動停車、主動車道保持甚至自動變道功能。目前有少數車廠能夠達到L3等級的自動駕駛功能,例如特斯拉,電腦可以控制大部份的車輛功能並應付大部份道路情況,會自動變道超車、主動改變速度等動作。在系統無法識別的狀況下會提醒駕駛員接管控制車輛,因此駕駛員必須隨時注意前方路況,以便隨時接管控制。
未來要發展全自動駕駛功能,必須整合更多知識與技術,例如車聯網、機器視覺、大數據、神經網路等,利用各種感測器如鏡頭、雷達等,可以察覺事物的位置,甚至是建構出車輛周圍的雷達地形圖,再透過演算法和神經網路將這些資料做辨別和分類,最後對車輛做出合理的控制,真正的全自動駕駛未來可能運用通用人工智慧發展全自動駕駛技術。實際上,真正要達到L5全自動駕駛應該還有很長一段時間,畢竟人類自行開車都有機會出現致命錯誤的可能,在完全不介入的 L5 全自動駕駛情況下,系統開發上更大的問題會是道德哲學問題,而不是技術問題。

7.太陽能汽車
太陽能汽車其實也不是新事物。十年前就有很多國際汽車製造商在自己的傳統汽車車頂上搭載太陽能板發電,由於當時太陽能板成本高,他們的太陽能汽車面積小得多。早期車頂後部搭載的太陽能電池板可在車輛熄火後,繼續為車內電子設備供電,或使用太陽能天窗給鼓風機供電換氣。除了在發動機熄火情況下可以為車內通風降溫,產生的電量可以幫助汽車每天多行駛15英里。近年來,隨著太陽能成本下滑與技術更加成熟,愈來愈多廠商開始將自身產品與太陽光電相結合,許多國際車廠也透過將太陽能板置於車頂或引擎蓋上,為汽車提供額外電力並進一步提升行車距離,但對於自小客車來說,可裝置太陽能板的面積不大,若要讓太陽能發電量具一定規模,屆時就會影響汽車外觀與性能,汽車價格也會進一步增加。
目前太陽能汽車優化採用多項先進技術,使得整車風阻係數最低,行駛能耗最小,太陽能汽車的核心技術是用太陽能板發電,取代傳統的充電站技術,擺脫對充電站的依賴,建立「移動充電」新概念。在光伏技術方面,薄膜太陽能電池技術一直創造並保持著轉化率的世界紀錄,其砷化鎵薄膜太陽能電池技術最高轉化率達到31.6%,從過去單晶矽、多晶矽到現在薄膜,發電轉化的效率從以前的10%以下,達到現在的30%以上。且應用車身輕量化技術是實現太陽能汽車商業化的重要技術路徑。汽車重量減輕一半,續駛里程將延長一倍。目前現有的鋁鎂合金車身和碳纖維等汽車輕量化材料方案中,碳纖維是未來的主流技術路徑。