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            讓客戶更具全球競爭力!-MFC《金屬板材成形》雜志 | 金屬成形商務咨詢(北京)有限公司-MFC(深圳)沖壓與鍛造展覽會

            汽車產業解構與重構掌握電動車零部件新商機

            從1998年起,歐盟開始提倡減少碳排放,當時僅限于口頭協定,沒有強制約束;2014年歐盟正式設立全球最嚴格的汽車碳排放控制目標,以法律形式強制要求汽車企業減少碳排放,目標要求2021年汽車廠將汽車降低二氧化碳排放量27%,2021年必須覆蓋所有在歐盟范圍銷售的新車,汽車企業無法達到上述標準,超出碳排放標準的車輛將受到歐盟每輛車95歐元/g罰款,這項汽車碳排放控制適用于所有歐盟28個會員國境內銷售的汽車,為避免遭受罰款,主要汽車企業紛紛采取因應措施,最簡單的方法是生產電動車輛。

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            圖1 是主要汽車生產國家碳排放標準。

            降低碳排放(汽車燃油消耗)是全球主要車廠最重要的研發課題,達成手段之一是藉由傳統汽車零部件轉為電動化、電裝品輕量化、引擎小型化,提升運轉效率。例如為節約能源,設計整合式啟動馬達與發電機,在停車時配合自動啟閉系統(Start/Stop)作動,藉由高電壓零部件設計,使搭配的零部件如IC半導體因此承受較低電流,降低系統成本,周邊附屬零部件得以簡單化,整合式啟動馬達與發電機可于怠速(Idle)與煞車時做能量回收動作,有效減少能源消耗。

            因應節能減碳潮流,新能源車輛與電動車輛是未來車輛發展焦點,無論是新能源車輛或電動車輛,車身中皆須應用大量的電力電子組件,各項零部件對電力的要求更勝以往,即使傳統以機械為主的零部件,目前已發展到透過電子組件控制以求高效、精準目的,在這樣的趨勢發展下,動力系統電動化程度日益提升,部分零部件因應車輛電動化,須重新設計/開發以期符合需求,而對應車輛系統用電量增加,應用高效節能電力組件亦為車輛電動化發展重點。

            電動車輛藉由電動化零部件改善污染排放,以電動控制或電力電子零部件創新設計,改進運轉效率與延長行駛距離,汽車依動力電池配比多寡電動化程度區分為純電動、全混、輕混與微混動力系統,簡單地說就是電池電力與電動馬達擔負動力系統的配比差異性,純電動車表示完全使用動力電池作為電動化動力。

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            汽車產業重組與零部件產業轉型

            電動車輛利用電動馬達、動力電池取代原有(汽油或柴油)引擎、燃料系統,作為電動車輛主要動力來源,屬于傳統內燃機引擎的進/排氣系統或燃料供應系統、變速箱、油壓裝置、倍力裝置、總泵、轉向系統等零部件,亦變得精簡或不再需要,改由電子零部件控制電動車的啟動、運轉、停止以及加減速等。

            除此之外電動車還在傳統汽車既有的懸吊系統、車體、輪胎等裝置上面,增加避震彈簧、避震器、懸吊臂、電動空調系統、高壓線組等零部件隨著車輛系統朝向電動化、電子化趨勢發展,動力電池、電動馬達等電子零部件占整車成本的比例明顯增加,原有的引擎、變速箱等燃料系統在整車成本的比例逐步減少,傳統車輛與電動車輛零部件種類與選用差異,如表1所示。

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            圖2 BMWi3 座艙(Cabin) 使用CFRP 復合材料實例

            動力電池在電動車輛成本所占

            的比重最高(40%~50%),其次是驅動系統,成本占比由原先傳統內燃機引擎的22%~24%,降低到10%~20%。其中電動車輛利用電動馬達(33%~43%)、電動馬達驅控器(39%~47%)、汽車整車控制器(4%~8%)、傳動機構與傳動軸(8%~10%)、冷卻系統(4%~6%)取代既有的引擎(35%~40%)、輔助設備(18%~22%)、傳動機構(20%~27%),以及排氣系統(8%~11%)。電動車輛其他成本則包含車殼(8%~19%)、底盤(5%~9%)以及其他零部件(6%~15%)等。因為電動車輛衍生許多傳統(內燃機)車輛新增加的控制器、動力電池、功率組件或功率轉換模塊,形成整車與零部件產業重組現象,也為電動車輛整車與零部件開啟產業轉型機會。

            汽車輕量化與模塊化零部件

            汽車輕量化可透過生產小型車輛、改善汽車結構與使用輕質合金、高強度鋼板或橡膠與塑料材料等方式達成,車輛可以小型化系因汽車采用了前置引擎、前輪傳動,取消了傳動軸、差速器齒輪等零件,使結構更精簡,其它結構上的改善如使用高強度鋼板、中空結構及小型化等,在歐、美、日車廠已逐漸落實,橡膠與塑料材料于汽車使用量快速成長,因應汽車輕量化的做法受到相當重視,競相提升輕量化材料在汽車上的使用比例,其中橡膠與塑料材料無論是重量、制造性、材料成本等,都具汽車零部件輕量化材料使用優勢,使用量逐年增加。

            車廠透過生產小型車輛、精簡汽車外型設計、零部件小型化設計與使用輕質合金等方式達成汽車輕量化的目的,近年來汽車為兼顧乘坐空間與傳動效率,采用前置引擎與前輪傳動,取消后傳動軸、后軸差速器與齒輪組等零件,使結構更精簡;其它如車身板金材料、制造方法與機構改善、中空結構設計及小型化零件應用等,在歐、美、日的汽車業者逐漸落實,各車廠競相提高輕質合金在汽車零部件的應用比例,其中又以高強度鋼板、鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕質合金最受矚目。

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            輕量化汽車零部件實施方法

            實現電動車輛輕量化主要有幾種途徑:一是采用輕質材料,如使用低密度的鋁及鋁合金、鎂鋁合金、工程塑料或碳纖維復合材料等,使用高強度鋼板替代普通鋼材,降低鋼板厚度,二是優化輕量化結構設計,對汽車車身、底盤、引擎等零部件進行結構優化,三是采用先進的制造技術,如雷射拼焊、液壓成型、鋁合金低壓鑄造與半固態成型技術。

            電動車系由車體、底盤、動力機構、懸吊、輪胎、電池組、轉向機構、剎車機構、電動馬達與空調等系統零部件或模塊所整合而成,其中車體與底盤占電動車總重約2/3比例,電動車輕量化的重點在于車體與底盤零部件設計與制造,車體與底盤輕量化有助于電動車整車減輕重量。電動車輕量化可藉由車體結構設計(優化設計、減少零部件數量、創新結構設計)、輕質材料應用(橡膠/樹膠、輕質合金或高強度鋼板、碳纖維等復合材料等)、制造技術(成型技術、零部件鏈接組裝技術或異質接合技術)等方式達成輕量化目的。

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            電動車輕量化主要關注在兩個方面,其一是基于改善電動車電力消耗的輕量化,其二是基于提升電動車性能與安全性能的輕量化,電動車輕量化可藉由下列方式達成,如(1)車輛小型化,

            (2)車輛重新設計與零部件減量,(3)輕質材料選用,具體實施方法可分為零部件設計與制造。

            越來越多的電動車輛零部件采用碳纖維復合材料,由于質量輕巧與機械強度等特性,全球主要車廠競相開發與試量產,目前碳纖維復合材料被開發應用于汽車零部件的實例計有車身、底盤、車頂、車門、汽缸頭蓋、引擎蓋、尾翼、壓尾翼、中控臺、裝飾條、儀表盤、傳動軸、特殊動力傳動系統、座椅、座椅墊、尾翼擾流板、后視鏡外殼、車架懸臂、車側裙擺、導流罩、A柱、遮陽板、散熱器護罩、側護板、踏板、副保險桿等車身、內飾件與外飾件等,如圖2是BMWi3座艙(Cabin)使用CFRP復合材料實例。

            汽車零部件產業已經跨越國界演變成跨國企業并在全球競爭,且競爭越來越激烈,世界各國的消費者對汽車零部件的要求呈現多樣化,零部件發展趨勢是要求在各方面的性能不斷提升,例如安全性、可靠性、污染物排放、油耗/碳排放、設計實用性等,而汽車產業經過100多年的發展,創新性產品開發難度不斷增加,諸如上述因素導引車廠在汽車零部件研發投入巨大心力,車廠還必須承受零部件制造、管理、市場推廣、售后、庫存等巨大的成本壓力,汽車零部件模塊化提供了精簡化與降低成本的對策。

            零部件模塊化的概念逐漸被車廠開發應用,以VW汽車為例,從產品平臺化衍生出來的零部件模塊化開發,是對應激烈的市場競爭的必要手段,VW提出模塊化戰略,實施MQB平臺產品開發計劃,汽車零部件模塊化開發必將成為未來汽車產業研發與制造的趨勢。另外,以Tesla為代表的電動車整合技術則顯現汽車產業未來的發展,電動車的結構由于省略傳統引擎、變速箱、傳動軸等復雜的機械零部件或系統,所以整車設計更容易導入模塊化理念,未來汽車設計將與目前ICT產品一樣,具備高度標準化與共享化特性,組成最終產品的各個次系統(Sub-System),都將由模塊化的開發方式因應。

            主要車廠汽車零部件的模塊化已達到車門模塊化、儀表板、內飾件、車身等模塊化,如VW的MQB、Nissan的CMF、Toyota的TNGA等,表2所示,是汽車集團整合資源,零部件共享與模塊化案例。

            Hyundai將使用Canoo的EV滑板式底盤應用于各式電動車輛,與電動新創公司Canoo合作,共同開發緊湊型與超小型電動車架構,預計在2025年之前推出11款電動車,希望使用Canoo的滑板式底盤新平臺,簡化電動車的開發流程與降低成本。

            功率轉換控制器是電動車輛產業普及化決勝點

            電動車輛整合汽車電子應用導致汽車電子產值逐年增加,半導體功率組件簡稱功率組件,是電動車輛電子裝置的電能轉換與電路控制核心,主要用途包括變頻、整流、變壓、訊號處理與控制等,同時具有節能功效,功率組件逐漸應用于電動車輛等領域,功率組件須具備功能有:(1)在各種應用中具備更高能源效率;(2)更高的載流能力,在600~1200V典型電壓條件下,載流能力需達100~300A;(3)更優異機械與電氣性能,確保能夠承受惡劣汽車環境,同時滿足防失效設計所有安全與保護要求;(4)更低的電磁干擾與寄生電感,由于大電流切換或轉換與高電壓會產生極強的電磁場,包括傳導或噪音/電磁干擾與對汽車感應電子裝置造成影響等。

            由于輕混復合動力車的電動馬達功率有限(不足20kW),所需的電池電壓比全復合動力車或純電動車的電池電壓低,為降低各種功率組件成本(電池、控制器、切換開關、電容器等)考慮?,F階段輕混復合動力車使用200V電壓,而全復合動力車或純電動車電壓則高達450~1500V(在安裝升壓器的條件下甚至更高),所有的復合動力車輛均使用驅控器(Inverter)做為電動馬達驅控器,并多導入絕緣閘雙極晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)應用,由于功率輸出特性,IGBT已被視為最佳性價比的半導體開關組件。為達到最優性能與最低損耗,需要優化驅控器轉換電壓(降低系統的整體雜散電感),并縮小電壓與IGBT阻斷電壓的差距。

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            盡管傳統引擎汽車可以相對輕松地從12V電池供電與相對應的12V/14V交流發電機獲取車載系統電氣需求。由于復合動力車采用幾個系統,需要更高的功率等級,對輕混復合動力車、全復合動力車、插電式復合動力車或純電動車而言,耗能最多的當屬電動馬達驅動裝置,該裝置需要在沒有引擎支持情況下,至少在一定時間內能有效驅動車輛行進,半導體功率組件在電動車輛(復合動力車、純電動車等)扮演重要角色,表3,是功率組件的主要功能。

            電動車輛的高壓電力應用,導引電動車輛采用兩種功率模塊,將直流轉換為交流型態,以便驅動電動馬達的DC-AC驅控器,以及在高壓電力與12V電力之間實現電能交換的直流轉換器,復合動力車仍需要12V電力,因為多數標準汽車電子系統都采用12V電力(如車內燈照明、方向燈等),驅控器與轉換器處理或轉換幾千瓦(kW)的功率輸出,需要配備優化半導體功率組件與復雜的高效能電子裝置。

            功率組件主要應用在電動車輛功率轉換控制器,包含驅控器、直流轉換器、車載充電器與直流快速充電樁等,隨著電動車輛比例增加,從2019年到2030年,全球HV/PHV/EV/FCV系統明顯成長,銷售量將迅速增加,2030年全球電動車輛系統產值預估1969億美元,較2019年成長約6.2倍,如圖4所示。預估2030年全球電動車市場2360萬輛,較2019年成長10.7倍,與電動車相關功率轉換控制器成長6~12倍,功率轉換控制器將是電動車輛系統需求成長快速且關鍵的產品。

            線傳控制零部件的創新應用

            線傳控制(X-by-Wire)系統源自飛機駕控(Fly-by-Wire)概念,已于航空與軍事車輛行之有年,使其應用載具得以表現優異操控特性并提高系統可靠度,線傳控制系統將成為先進車輛與汽車的技術發展重心,因應汽車導入市場,多數與車輛安全相關之機械操作次系統(Sub-system),逐漸更換成具高可靠度的線傳控制,其中X代表與汽車安全相關的操作,線傳控制是藉由車載控制網絡(CANBUS)通信協議鏈接電子設備,藉以控制引擎或機構的方式,其控制系統都可藉由機械或油壓裝置,將傳統車輛上原先各自獨立操作的復雜機構或零部件改以訊號取代或整合,并經由車輛行車計算機控制,大幅提升電動車輛操縱性與安全性,汽車機械結構得以因此精簡化,進而提升車輛設計靈活性,達成輕量化的目的,汽車電子應用技術的突飛猛進,線傳控制將成為新一代汽車設計的重要議題。

            目前已上市的傳統汽車或汽車多有線傳控制的應用例子,線傳控制計有線傳轉向控制、線傳懸吊控制、線傳煞車控制、線傳油門控制、線傳排檔控制等應用方式。

            汽車導入線傳控制應用,可以省略傳統的氣動、液壓或機構,取而代之的是傳感器、汽車電子控制單元、電磁的執行機構,傳感器精度、控制單元硬件可靠性、抗電磁干擾性、控制算法的可靠性與容錯性、執行機構的快速性、各系統控制單元之間的通信實時性、車載控制網絡整合能力等,攸關線傳控制的功能與應用。

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            圖3 Nissan Murano 線傳轉向控制應用實例

            線傳轉向應用實例

            汽車轉向系統的基本性能是保證車輛在任何情況下轉動方向盤時有較理想的操縱穩定性,隨著汽車電子技術的精進發展與汽車功能系統的整合,汽車轉向系統從傳統的液壓助力轉向系統、電控液壓動力轉向系統,發展到現在逐漸推廣應用的電動液壓動力轉向系統。

            典型的線傳轉向系統由方向盤總成、電控單元與轉向執行機構等3大系統所組成,負責感測駕駛員駕駛意圖的轉角傳感器與轉矩傳感器,整合在方向盤總成系統,為了提高系統的可靠性,電控單元通常設置3組及以上,各系統互為安全備份,當某一系統電控單元發生故障時,備份的電控單元立即接手,防止故障發生,線傳轉向系統與現有的電動動力轉向(EPS)比較,最大差異是省略轉向機柱等機械結構。

            精簡轉向機柱后,線傳轉向系統的結構配置可以大幅簡化,原有的剛性連接機械零部件逐漸被電子訊號線所取代,不僅節省駕駛艙空間,還可以刪減轉向系統與機構的重量,提高汽車燃油經濟性。此外由于傳統的剛性連接機構被取代,駕駛不再承受到路面顛簸所帶來的方向盤振動,汽車發生正面碰撞事故時,駕駛員不至于受到轉向機柱的撞擊傷害,節省出來的空間可以配置腿部安全氣囊,從而改善汽車安全性。

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            NissanMurano線傳轉向的理念是源自EA2的概念車設計,圖3是NissanMurano線傳轉向控制應用實例,透過線傳轉向技術的應用,可大幅簡化轉向機構零部件,精簡車輛配置空間,新一代的汽車設計因此變得更具彈性,透過線傳轉向的優化設計技術,可精簡機構件數量與配置空間。

            導入智能制造零部件產業精進

            汽車已進入產品多樣化及生命周期縮短的時代,以汽車產業制造業為例,2000年各主要汽車廠能夠提供的車款并不多,如BMW當時只有12款車型可供選擇,2017年增加到28款,車型選擇款式增加后,反而導致車型生命周期縮短,BMW新車款生命周期從以往131個月縮短到106個月,如何依照消費者需求調整產能,成為汽車廠與汽車零部件企業必須嚴肅面對的課題,適度對應汽車零部件生產效率、研發與制造成本、不良率、高值化,甚至是零部件物流調度等。

            未來的汽車產業將朝共享經濟與高度定制化的趨勢發展,因應共享經濟汽車產業需求,汽車產業將要求成本下降、強健性要求、快速在地維護,可能支持的制造技術計有數字平臺建構、聯網環境建構、積層制造技術應用于售后維護服務、擴增實境技術應用于售后維護服務。

            因應高度定制化汽車產業需求,汽車產業將要求銷售/制造/服務的整合,可能支持的制造技術計有三維掃描/三維建模(3DScanning、3DModeling)、積層制造技術應用于定制化服務、彈性制造系統、大數據分析應用于生產/服務等。

            因應共享經濟新商業模式興起,汽車產業制造技術需求將會有所變化,新的共享經濟模式將會造成汽車所有權及使用模式變化,汽車所有權集中于營運者,汽車使用率大幅增加,相對地,汽車零部件耗損率提高,對于汽車強健性以及實時維護需求提升。擁有汽車個人使用權模式仍會存在,但會轉向定制化趨勢,以彰顯個人設計風格及品味,因此訂制化服務及彈性制造方式將應運而生,導入智能制造具有下列意涵:

            (1)引進自動化設備,增加產量;

            (2)降低生產與材料成本,提升附加價值;

            (3)提升專業人力素質,解決缺工的問題;

            (4)改善汽車零部件供應體系效率,改善服務質量;

            (5)鏈接產銷信息,提升工廠管理效率;

            (6)配合智動化生產,縮短設計與研發時程,快速進入市場;

            (7)強化定制化與少量多樣產業需求;

            (8)創造新一波的就業機會;

            (9)促進異業結合,創造價值。

            新世代車用零部件開創產業新局從電動化零部件發展趨勢觀察,朝需求兩極化→大量生產/規模經濟、定制化與(少量多樣)/導入市場時程縮短。電動化→電動化零部件增加,電力電子組件/模塊需求成長(化合物半導體應用)。智能化→汽車電子進化,附加價值提升,異業轉型。

            就電動化而言,宜關注功率轉換控制器發展,技術上的需求是大電壓(400~900V)&大電流、熱對策(功率轉換)與運轉效率提升,課題分別是IGBT、SiC、GaN于驅控器、SiC于直流轉換器、SiC、GaN于車載充電器、直流快充椿(EVSE)、無線充電等應用。就線傳技術而言,宜關注線傳(油門、駕駛、轉向、煞車、懸吊等)信賴度與可靠度技術應用,后續的課題是電控化與機電整合、零部件精簡化與模塊化與創新機構設計等。

            中國汽車零部件企業長期專注零部件制造與外銷,隨電動化零部件需求成長,企業宜持續關注橡塑料射出成型,規畫產業轉型,布局電動車輛橡膠/塑料零部件,利用3D打印,替代模具、夾治具制作,縮短進入市場時程;輕質合金應用于電動車輛機會增加,高強度鋼板應用與材料成本合理化是近期關切項目;復合材料或異質材料隨定制化需求,將增加使用頻率,成型技術與接合技術是后續關注課題。電動化零部件智能制造則可藉由自動換線與無人搬運車(AGV)、人工智能與工業物聯網導入應用、次世代智能機器人與自動光學檢測(AOI)—光學辨識等生產智動化,優化制造與生產效率,提升產品附加價值。

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