訂閱電子報∣ 友善列印字體大小 文章分享-Facebook 文章分享-Plurk 文章分享-Twitter
48V電壓系統於Valeo應用案例
68蕭瑞聖
獲取產業訊息零時差!立即訂閱電電公會電子報。

 

一、前言

為滿足日益嚴格的油耗與汙染排放法規,除了傳統的12V電壓系統之外,以歐洲車廠為中心積極地嘗試研發48V電力系統,自2016年開始,陸續搭載48V電力系統電池、電動馬達與發電機、剎車回充系統、電流轉換器(DC/DC Converter)的輕度複合動力車 (Mild Hybrid Electric Vehicle, MHEV),歐洲領導車廠還規劃投入電動增壓器與穩定器等電動車輛系統關鍵零組件,預測2025年搭載48V電力系統輕度複合動力車市場,將達到1,300萬輛規模。48V電力系統可視為新能源車輛低成本對應法規與解決方案,藉由輕度複合動力與48V電力系統零組件配合,有效降低油耗汙染。

二、48V電力系統—輕度複合動力車的特徵

48V電力系統的優點是動力輸出機構接近高電壓的全複合動力車 (Full Hybrid Vehicle)系統,就動力電池組而言,具成本競爭優勢,48V電力系統更容易與其他系統結合應用。48V電力系統成為傳統內燃機引擎進入電動車輛的可行方案,雖然距離500歐元目標還有相當時日,近年來領導廠商積極研發,預期市場普及化將指日可待,表1,是主要領導車廠48V電力系統研發動向。

法國汽車零組件領導廠商Valeo在多年前即著手研發12V皮帶驅動式啟動發電機 (Starter & Generator)系統,並以歐洲車廠為供應對象,亦對Nissan與Subaru供應該系統,48V電力系統輕度複合動力車可將電動馬達依皮帶驅動 (Belt Starter & Generator, BSG)或整合式驅動 (Integrated Starter & Generator, ISG)配置在發電機、變速機構或車架上不同位置,藉由離合器適時切換與變速機構的連結,是透過傳動能量回收 (Recuperation)與滑行行駛 (Coasting)的最佳控制方式,最大可減少21%油耗效果,例如Bosch與Continental等領導廠商自2016年起陸續量產48V電力系統的皮帶驅動與整合式驅動系統零組件,開啟輕度複合動力車市場。

三、汽車動力系統是Valeo業務發展主力

Valeo有4個營運集團,分別是汽車動力系統、汽車空調與引擎熱管理、汽車照明與雨刷、汽車駕駛輔助與人機介面系統等;汽車動力系統又分為(1)電氣系統,負責交流發電機、自動啟閉系統 (Start & Stop),是動力系統最核心的事業,(2)變速器系統,Valeo不生產製造變速器,提供手排或自排變速箱系統關鍵零組件,如離合器、離合器控制器或離合器片等,(3)內燃機系統,不包含引擎系統,只負責引擎零組件、增壓器與控制器生產,(4)汽車電子,如感測器、燃料噴射與控制器、點火開關等,主要供應歐洲與中國大陸領導車廠。 除了以上4大事業集團外,另有系統工程與創新集團,整合4大事業體,提供省油耗、低汙染、新能源動力系統關鍵零組件,是歐洲著名的汽車零組件領導廠商。

四、Valeo致力於48V電力系統原因—對應汽車油耗汙染法規

Valeo動力系統事業正積極研發48V電力系統,其原因是提高汽車燃油經濟性與符合排放污染法規要求,在歐洲、美國、中國大陸等地區或國家,依2015年、2021年、2025年等階段都制訂嚴格的法規,其中以2021年歐洲排放污染法規二氧化碳排放95g/km最為嚴苛,為達成法規要求,複合動力系統最容易實施且最可行,2014年前多數汽車可以渦輪增壓器搭配自動啟閉系統 (Start/Stop)實現,但針對2021年嚴苛法規,需要研擬更有效的對應方式,48V電力系統或可提供解決方案,表2所示,是Valeo依自動啟閉系統承受功率與配置情形。

四、Valeo致力於48V電力系統成本合理化

發展合適的48V電力系統需考量成本合理化,以汽油燃料中型乘用車而言,其引擎、離合器、自動啟閉系統等需要2,000歐元 (約新台幣7.2萬元),如果是柴油燃料中型乘用車則需要新台幣10萬元,Toyota Prius透過大量生產與自製零組件來降低複合動力車成本是特例,一般而言複合動力系統占複合動力車成本較傳統汽車高,主要是電力系統所使然,高電壓電力系統需要較大容量的電池,而動力電池占複合動力車成本約60~70%,通常100V的電池擁有150個電池芯 (Cell),如能降低電池電壓、減少電池胞數量、縮小尺寸與減輕重量,意味著降低成本,作為複合動力的成本考量,48V電力系統是較佳的選擇。

圖1,是Valeo發展48V電力系統的複合動力系統型態,結構相對簡單的48V電力系統擁有較佳的彈性與配置可能性,引擎、傳動變速機構、離合器等與傳統汽車零組件架構類似,只需作小幅度設計變更,容易實施。Valeo預定在2016~2021年投入15~20種48V電力系統的關鍵零組件,未來10年將呈現蓬勃發展,預測2023年市場550萬輛,雖然產品項目因車廠而有所變化,48V電力系統發展日趨活絡是不爭的事實,整車廠與零組件廠商都作適當布局與調整。

48V電力系統從2016年歐洲積極生產,北美與中國大陸亦逐漸展開,日系領導車廠如Toyota或Honda因長期發展複合動力車,朝大電壓發展,如Toyota Priusα (第4代)電池組使用650V高電壓系統,對48V相對較低的電力系統呈現質疑態度。48V電力系統可說是傳統內燃機引擎進入複合動力車必要的門檻,在純電動車尚未普及化之前,相當具有潛力市場與成本競爭優勢。相較於大電壓系統的複合動力車(如Toyota Prius電壓202~288V),Valeo的48V電力系統訴求成本合理化(減輕電磁相容與電氣隔離等費用),其方案是在引擎上配置如交流發電機的裝置,稱之為i—BSG (Integrated Belt Starter Generator),系統在8~12kW功率下運作可產生高扭力,因為是取代傳統汽車交流發電機,不必作大量設計變更,相對容易導入實施,Valeo曾經以12V與48V併存方式提供Nissan搭載運用,實現了自動啟閉系統功能,電壓由12V更換為48V,可獲取更多的能量與動力支援。

五、48V電力系統目標市場

48V電力系統原先是設定大型 (大排氣量)乘用車,從高價位車輛導入的成本較高,隨著技術的精進與成本合理化之後,48V電力系統更適合中型或輕型乘用車,以歐洲為例,中型或輕型乘用車占較高比例,仍是主要的消費市場,考量油耗與排放廢氣污染需求,48V電力系統仍存在相當比例的成本負擔,短期內仍有中高價位的乘用車市場為主,如是之故,12V與48V電力系統以雙電壓系統並存,以12V為主,48V電力系統為輔,多數的多功能休旅車 (Sport Utility Vehicle, SUV)因結構、車重與車價關係,適合搭載48V電力系統,亦是未來的目標市場,圖 2所示,是Valeo的12V與48V雙電壓系統模組。

48V系統不論是歐洲或是中國大陸市場都受到很大的關注,主要課題是考量48V的通用性與成本,車廠可繼續沿用原先的動力系統架構,逐步增加複合動力輸出比例,達到油耗與污染排放優化的程度,通常系統由一個小型引擎與電動馬達所組成,電池用於儲存自動啟閉/剎車過程中的能量回收。根據IHS預測,2025年48V複合動力車市場占有率將占全球輕度複合動力車95%,換言之2025年全球每售出10輛車,其中就有一輛是48V輕度複合動力車,全球48V電力系統汽車年產量將達到1,360萬輛。更重要的是中國大陸將成為48V電力系統汽車主要市場,預測2025年約有800萬輛的48V輕度複合動力車在中國大陸生產。

Valeo係歐洲汽車零組件領導廠商,除歐洲車廠市場外,亦致力於亞洲地區的產品研發,動力系統總成事業關注德國、中國大陸與日本市場布局,德國與日本分別在渦輪增壓器與複合動力 (包含稀薄燃燒引擎、電動馬達控制、電池管理系統)擁有技術優勢,Valeo具備日系車廠Nissan、Subaru自動啟閉系統供應實績,由於日系複合動力車多屬高電壓系統,鑒於日本發展複合動力車技術實力,除日系車廠極力推動複合動力車發展外,取決於關鍵零組件供應、成本與市場發展特性,複合動力車市場滲透率將持續成長,Valeo希望藉由48V電力系統與日系車廠合作,強化技術能量與爭取中國大陸輕度複合動力車市場。圖3,是Valeo布局中國大陸複合動力車市場的原型車,Valeo於107年1月CES發表「48V」的都會型超平價電動概念車,每台售價不超過7,000美元,鎖定中國大陸為主要目標市場,有2個座位,時速100公里/小時,供電系統採48V電壓,相較目前主流純電動車多採用超過300V的高電壓方案,48V低壓系統節能20%,無需配備高電壓穩壓系統,有助大幅降低成本。

六、結論

(一)48V電力系統面臨的課題

為了實現48V電力系統應用,需要搭載電流轉換器 (DC/DC Converter)與電池管理系統(含電池控制器),作為電池組電壓升壓或降壓,Valeo須提出適當的應用解決方案,Valeo係汽車零組件廠商,不生產動力電池,由整車廠決定動力電池種類,故電池選用變的相當重要。48V電力系統的關鍵零組件是電池組,攸關電力系統成本,電池組價格占比最高,其他如電流轉換器、控制系統與控制單元 (Control Unit),Valeo研發48V電力系統具備實績,雖然降低成本有限,但如能提高功率密度、電池組精簡化,48V電力系統成本仍有調降空間。

傳統汽車的電池功率200Wh,Valeo認為100~150Wh已足夠,發展48V電力系統,以小型且便宜的系統較合乎經濟,近年來鋰離子電池材料與技術大幅改善,無論是能量密度、充殘電管理、電池管理系統都較鎳氫電池組為佳,48V電力系統應用鋰離子電池較具發展潛力與使用優勢。

(二)臺灣廠商借鏡Valeo發展軌跡與機會

(1)環境議題發酵,油耗與廢氣排放汙染法規日益嚴苛,傳統內燃機引擎發展雖然已近極限,短時間內仍然存在,為符合法規需要因應對策,短時間內複合動力車仍然主宰汽車市場,48V電力系統無疑是從傳統車輛進階到電動車輛的門檻。

(2)成本考量,影響48V電力系統發展,中型乘用車消費族群是目標市場,電源管理系統可避免高電壓系統所需的電氣隔離防護與電磁干擾所花費的成本。

(3)中國大陸是亞洲最大的汽車市場,政策與法規等配合,中國大陸一線城市除了純電動車輛外,複合動力車是短時間內發展最快的車輛,最具48V電力系統發展潛力,受到已在中國大陸設廠佈局的Valeo關注,自主品牌不受國際原廠拘束,擁有發展自主權,也最容易導入實施。

(4)48V電力系統需要電源管理與電池管理系統做整合,臺灣在電動機車、電動車、電動巴士等,都有導入市場與示範運行實績,具備發展48V電力系統與擴及電動車輛零組件潛力。

(5)電氣汽車零組件占臺灣出口品項極高比例,品項繁多也提供整車廠多樣化選擇,臺灣有多家廠商並已進入國際車廠如Tesla供應鏈,基於國際採購與零組件調度需要,汽車零組件製造品質已符合領導車廠標準,Valeo已在臺灣積極尋找策略聯盟夥伴,提供廠商進入供應鏈機會,Valeo發展動向值得關注。

(本文作者為工研院IEK執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


ITIS智網為經濟部技術處規劃建置的產業技術知識服務平台,提供涵蓋「電子資訊、機械金屬、化學民生、生技醫藥、新興能源」等跨領域、豐富的產業情資,九成以上報告免費,歡迎您立即免費加入體驗(http://www2.itis.org.tw/)。

訂閱電子報 友善列印 字體大小:
獲取產業訊息零時差!立即訂閱電電公會電子報。