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轉動全球電動車市場的關鍵:馬達動力系統

2018-06-15 09:39智動化

【作者: 王景新、籃貫銘】

2018年6月(第37期)
2018年6月(第37期)
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如果沒有台灣的機電供應鏈,全球的電動車市場就不會發展得這麼順利,它可能會晚個好幾年,而且量產的能力還會大打折扣。幸運的是,特斯拉(Tesla)找上了台灣,它與馬達供應商富田電機展開合作,雙方花費了數年的時間,終於開發出專用的馬達動力系統,讓其產品可以順利推出,更重要的是,性能卓越。也由於富田的大力投入,直接帶動了全球電動車的發展,更讓台灣的電動車供應鏈有了最關鍵的一塊。

另一家馬達製造商晟昌機電,在多年鑽研工具機市場並取得優異的成果後,也決心發展電動車的動力系統,為的就是要讓台灣站在全球電動車供應鏈中最具主宰性的地位。而透過不斷在人才與技術的提升,晟昌機電已在今年4月取得了IATF16949認證,同時也是台灣電動大巴的動力馬達最大的供應商,目前也正積極拓展產能已佈局中國的電動車市場。

從供應鏈的角度來看,富田電機與晟昌機電的一舉一動都將對電動車市場的發展,有著舉足輕重的影響,而本刊特別專訪了這兩家領先業者,一探其最新的技術進展與策略佈局,以洞悉電動車馬達動力系統技術的最新趨勢與市場發展。

2005年七月,特斯拉創辦人之一、技術總監JB Straubel先後吃了德國、日本、韓國馬達大廠的閉門羹,來到位於台中神岡區的富田電機,與總經理張金鋒商談電動車大夢。富田在變頻馬達、伺服馬達有多年經驗,電動車只是伺服馬達的一種應用而已,而且富田也有產業設備自動化的系統整合能力,張金鋒有自信的說:「利用馬達及電力系統讓車子動起來應該不難!」

圖1 : 富田三機一體設備投產帶動趨勢。(攝影/籃貫銘)
圖1 : 富田三機一體設備投產帶動趨勢。(攝影/籃貫銘)
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今年七月,富田與特斯拉攜手合作滿13年。目前特斯拉Model S及Model X車款所有電動車動力馬達訂單,已經讓富田在去年底就預告今年提前滿單。

當年,特斯拉第一輛電動車利用跑車品牌蓮花的底盤,因此將全部心力都放在動力系統,於是向富田提出馬達容量密度必須達一般工業用馬達三倍以上,也就是在一樣的體積及重量裡,一般馬達約75匹馬力,現在則要挑戰225匹馬力。但傳統馬達要做到225匹馬力,至少會重達400多公斤,既要想辦法減輕重量,又要增加馬力、提高效率、有效散熱,讓一開始以為問題不大的張金鋒,整整花了三年才搞定,最後為特斯拉Roadster量身打造的馬達,只有五十公斤。

圖2 : 富田研發導電率能高出40%的銅鑄轉子取代鋁鑄。(攝影/籃貫銘)
圖2 : 富田研發導電率能高出40%的銅鑄轉子取代鋁鑄。(攝影/籃貫銘)
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當時,馬達轉子多為製程省時且適合大量生產的鋁鑄,但鋁的熱傳導性差,富田全力研發導電率能高出40%的銅鑄轉子取代鋁鑄,且銅鑄轉子因為溫度較低,也可以縮小及減少散熱系統,更能提高馬達的輸出效率,成為技術突破轉捩點。

「那顆馬達現在已經退休了,180kW,一顆成本新台幣20萬元。」張金鋒說,電動車除了要馬達小、效率高,更至關重要的是,不良率必須達到五個ppm(Parts Per Million,百萬分之一)以下。他分析,一般產品可以容許千分之一的不良率,但電動車是用來載人的,製程良率不可兒戲。

張金峰表示,台灣在零部件動力系統極具競爭力,包括:原材料端矽鋼片、齒輪、鋼棒材、銅導線的漆包線等,原始材料具備,加上我國精密加工、動力系統的供應鏈完整,「只要整合,我們就有機會。」

富田耗時四年研發,成功將電動車動力系統的馬達、驅動器及差速器三合一,規格化打造全球首創電動車的標準引擎,促使現有電動車更輕、更快、續航力更好,還能加速車廠推出新款的速度,顛覆現有電動車生態。

圖3 : 富田電機總經理張金鋒對銅鑼新廠區產能深具信心。(攝影/王景新)
圖3 : 富田電機總經理張金鋒對銅鑼新廠區產能深具信心。(攝影/王景新)
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「我不敢貿進,開這個案子要花60萬元美金,可是我們不整合浪費掉的不只60萬元美金,這錢一定要花。還好一次就整合成功。」張金峰說。

張金鋒解釋,過去電動車動力系統包括:馬達、驅動器及差速器三項關鍵零組件,體積大而笨重,影響行駛效率。將其三合一,空間、重量、成本都同步減少三分之一。

張金鋒極言,台灣有很好的單一零件供應商,除了做零件、也應該要做系統,例如:奧迪與福斯的汽車共用底盤,富田就是以這種相同概念,要做模組化、標準化,把原歐、美車的內燃機引擎取出,把電動車供電系統、驅動器放進去。可視車輛本身是2000c.c.,還是3000c.c.,再變動規格。

富田這套三機一體設備,零組件加系統幾乎全是自家產製,只有齒輪是由和大工業提供。張金鋒表示,和大是很好的加工廠商,希望以類似結盟方式,??聯手,打造最好的產品推銷到國際市場。目前該設備350KW的驅動器(相當450匹馬力)定價約在4000美元,現在同樣規格光是獨立的驅動器就要12萬台幣,所以價格上也有優勢。

張金鋒預估,目前全球電動車總量已經超過200萬台,估計到2040年全球將有4500萬台電動車。富田也將於6月23日在銅鑼廠區舉辦30週年暨第一期廠區落成啟用典禮,穩健邁向下一個新里程碑。

晟昌機電強攻電動車 不排除推自有品牌

晟昌機電是台灣世界級工具機主軸馬達領導品牌的最佳代表,產品遍銷美國、歐洲、亞洲等地,2016年初取得ISO9001:2015證書;因應新能源電動車馬達的需求,2017年初導入IATF16949:2016教育訓練與輔導,去年底通過IATF16949認證,成立電動車驅動器研發團隊,積極研發製作電動車用驅動器。晟昌機電總經理彭昭群表示,晟昌機電強攻電動車三大區塊,不排除推自有品牌。

圖4 : 晟昌目前在電動車公共運輸領域相當亮眼,供應高雄市港都客運百台電動巴士。...
圖4 : 晟昌目前在電動車公共運輸領域相當亮眼,供應高雄市港都客運百台電動巴士。(攝影/籃貫銘)
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晟昌近年來不斷開發新產品配合市場需求,為求更高品質產品驗證,除CE安規認證外,SVM及SPMA系列伺服馬達已取得CUL(美加區域安規認證)。另外,為求更高標準製程,同時斥巨資架設SP01主動式電能回生型動力計,媲美歐、美、法等原裝大負載動力計。

彭昭群說,晟昌在馬達領域耕耘20多年,近八年發展趨動器(變頻器)正是瞄準電動車的大未來。他說,台灣有大約1200萬台汽油機車,是空汙的主要來源之一;而且,以電動車公車來說,每公里較傳統公車可省下五元,累積下來相當可觀。這些都是電動車發展的利基。

電動車可分為電動機車、乘用車、公共運輸三大區塊;其中,公共運輸又再細分為大巴、中巴、小巴、物流、微型麵包車等。晟昌強攻三區塊應用,「不過乘用車我們台灣的機會比較小,只能靠關鍵零組件。」彭昭群在公司會議室白板對《智動化》分析其戰略。「電池、驅動器、電機(減速機)這是電動車發展的三電,除了電池我們都可以做得很好。」他認為,過去汽柴油車時代,中國大陸受限於引擎、變速箱技術不足,只能與歐美國家車廠合作,「現在他們想靠電動車來『彎道超車』。」

專利製程技術 解放銅轉子產能極限

圖5 : 晟昌製程技術結合壓住、燒結兩者優勢,銅轉子的良率提高,產能增加。(攝影...
圖5 : 晟昌製程技術結合壓住、燒結兩者優勢,銅轉子的良率提高,產能增加。(攝影/籃貫銘)
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2020年電動車的電池技術預估將有重大突破,將是電動車放量普及的關鍵一年。彭昭群自認,現階段晟昌一個月可以產出2000顆電動車的關鍵零組件——銅轉子,但這產能不足以應付屆時大量的銅轉子需求,粗估至少要將銅轉子產能提升至一個月20萬顆。「製程技術結合壓住、燒結兩者優勢(晟昌專利),銅轉子的良率提高,產能增加。」

晟昌目前在電動車公共運輸領域相當亮眼,供應高雄市港都客運百台電動巴士,「已經上路跑八個多月,很穩定。」每次充電只需15分鐘,比一般同型車需四小時快很多。

電池技術將攸關電動車是否能如期大眾化,彭昭群舉例,現在一台中型巴士造價800萬,電池價格就要400萬,「所以誰能夠製造續航力高、安全性高的電池,誰就是世界首富。」晟昌在不排除與電池業者合作,產製自有品牌電動車。

「做了不一定有機會,但不做就沒機會。所以一定要做。」彭昭群說。

電動車上路相關的法令配套措施他也有心得,「無人駕駛適合固定路徑,像是公車。」因為人的反應一定不如AI,所以要開放電動車無人駕駛上路,就一定要全面無人化。他認為,不可能無人駕駛和有人駕駛在同一條路上行進。

麾下節能馬達如林,彭昭群說,晟昌SP01最大測試連續扭力達3000Nm,伴隨主動式電能回生,有效省電80%。透過SP01,馬達性能與參數,包含:功率因素、效率、電壓、電流、額定功率、溫升、過負載能力、扭力常數、反電動勢常數等皆能全盤解析。而且,晟昌SP01還能依不同客戶的實際使用環境下,評估出性價比最高的馬達;目前此套設備在CUL安規認證的目擊測試中被UL認證機構使用;驗證設備也認證美國最大油泵全系列伺服馬達並成功取得UL認證,數據與美國UL認證實驗室數據相符,是邁入工業4.0最佳夥伴。

圖6 : 晟昌機電總經理彭昭群不排除推出電動車自有品牌。(圖片來源:晟昌)
圖6 : 晟昌機電總經理彭昭群不排除推出電動車自有品牌。(圖片來源:晟昌)
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晟昌整合國內優質控制器與驅動器,所開發的工具機專用主軸馬達,品質媲美歐、美、日大廠,深受客戶讚賞。彭昭群說,因應全球環保節能趨勢,晟昌領先市場投入研發,包括節能伺服馬達、水冷伺服馬達、大扭力DD馬達等節能產品,成功外銷包括德、日在內等30餘國。另外,晟昌也開發一系列零組件如C軸馬達、DD馬達、線性馬達等,同樣也獲得國內外知名企業採用。

晟昌這幾年跨足汽車產業也打下很好的基礎。彭昭群說,晟昌在節能馬達領域居領導地位,為拓展電動車市場,投入相當多資源進行創新研發,目前國內電動大巴的動力馬達,晟昌市占第一,通過IATF16949認證,可說如虎添翼。

晟昌機電股份有限公司成立於1995年,成立之初鑑於台灣工具機出口值在世界排名第四、第五,卻沒有自己的主軸馬達控制器。關鍵性零件需仰賴進口,整體而言相當可惜,當初即整合國內優質的控制器與驅動器,研發工具機專用主軸馬達,由於產品特性與品質媲美,歐、美、日本主軸馬達,深受客戶讚賞,在國內廣為工具機廠及控制器所使用,且遍銷美國、歐洲大陸等地,備受肯定。

特斯拉帶動全球市場 電動車馬達需求水漲船高

儘管量產的速度不如預期,但特斯拉的熱銷已讓全球傳統車廠意識到人們對於電動車的接受度遠高於他們的預期,此時唯有加速旗下自有電動車產品的上市時程,才可以避免在此一市場轉換潮裡,陷入被邊緣化的危機。根據的ACEA (歐洲汽車製造商協會)的統計,2018年第一季在歐盟市場就銷售了69,898輛的電動車,相較於去年同期成長47%。

因此,包含福特、福斯、奧迪和豐田等一線車廠,都正在加大純電動車的投資,不僅增加更多的車款,同時在產量能力上也在積極布局中。而隨著眾車廠的力道加大,電動車馬達的需求也將跟著水漲船高。Technavio的分析師預測,從2018年到在2022年之間,全球電動車用馬達市場將以20.79%的年複合成長率成長。

而這波趨勢也將會是台灣馬達業者的龐大商機,尤其台灣的馬達業者不僅具備優異的製造與整合技術,更將憑藉著先期投入的經驗,在全球競爭裡佔有一席之地,富田和晟昌就是最好的例子。

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