動力系統 電動化技術發展趨勢與挑戰 林士賢總經理 2012.11.12 1
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 全球汽車節能減碳趨勢 汽車企業平均 CO2 排放管制要求日趨嚴格 由 2012 年 130 ~190 g/km, 至 2015 年 120~160 g/km, 到 2020 年 95~120 g/km 減少 27% ~37% 2020 年歐盟年企業平均 CO2 排放最嚴須達 95g/km ( 約 4L/100km) 中 美 日標準相近約 120 g/km ( 約 5L/100km) 2025 年歐盟年企業平均 CO2 排放預期甚至將降到 55g/km (2.3L/100km) 250 200 150 100 50 日本 歐洲 中國大陸 美國 油耗法規 2015 年 2020 年 歐洲 18.0Km/L 24.6Km/L 美國 14.0Km/L 19.3Km/L 日本 18.6Km/L 22.3Km/L 大陸 14.0Km/L 20.0Km/L 0 資料來源 : 日經 BP(2011/7) 2
電力動力的能源效率與 CO2 排放優勢 發電 36% 輸電 92% 充電 80% 電動車 B-to-W 55% 總能源效率 14.5% 總 CO2 排放 CO2 發電 640 g/kwh, 輸 \ 充 \ 放電 74%, B-to-W 0.15 kwh/km 煉油 85% 運輸 87% 加油 100% 汽油車 T-to-W 12% CO2 煉油 2800 g/l, 運輸 -3%, 60 kw Motor 1000 kg GVW 1.5L Engine T-to-W 150 g/km (16.5 km/l) 130 g/l 總能源效率 9.9% 總 CO2 排放 325 g/km
內燃機 (ICE) 動力 動力系統對應 CO2 減量發展方向 由於充電設備的普及與充電時間長, 續航里程低及電池的成本高相較於現有車輛, 純電動車在 2020 年預期仍少於 10% 2020 年以前, 汽柴油引擎的節能技術最佳可較現今降低 20~30% 排放, 不足的部分須仰賴電動化動力系統達成節能目標 HEV/PHEV 被視為較可能在短中期做為達成減排法規要求的技術 Diesel/ GDI Turbo Engine Down-size Start Stop Mild Hybrid Start Stop Power Assist Full Hybrid TOYOTA Prius Ford Fusion 4 Full Hybrid w/ead Lexus RX400h 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% CO2 reduction percentage 電力動力 PHEV EV-RE GM Volt EV Nissan Leaf
Engine Down Size & Micro-hybrid 10% Turbocharged GDI Diesel Start-Stop 動力系統電動化 Eng downsize & Mild-hybrid 20% BSG, ISG, TMG Power-assist Eng downsize+ & Full Hybrid 35% 2 motors Parallel hybrid E-Axial Drive Eng downsize++ & range-extender (1 small motor) (1 large motor) 50% PHEV EVRE B C2 C1 電動化程度 5
內燃機 + 電動混合動力的比例 電網電力 Electric Network PHEV 電池 Battery Genset / Fuel Cell 動力 內燃機 馬達 馬達 動力系統電動化 ICV Micro Mild Full Hybrid EV EV-RE FCEV Series Hybrid
日本 歐洲及美國市場的電動化趨勢預測 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 0% 6% 9% 4% 90% 16% 75% 2015 2020 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 0% 2% 5% 3% 13% 95% 7% 75% 2015 2020 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 0% 1% 3% 10% 6% 13% 89% 77% 2015 2020 日本歐洲美國 BEV PHEV HEV ICE 資料來源 :Roland Berger(2011) 7
中國市場的電動化 中國新能源車動力發展方向 EV+PHEV+FCEV 國營汽車 私營汽車 上汽 - 目標推出 PHEV BEV FCEV 車款, 並希望 2015 年前能達到全國新能源汽車市場市佔率 20% 東風 -2015 年 HEV/BEV 車銷售量預估達 5 萬輛 一汽 - 同樣以 PHEV BEV FCEV 三大領域為發展目標 ( 部分計畫進行小批量生產 ); 此外, 亦致力於發展電動車關鍵零組件技術 資料來源 :Roland Berger(2011) 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 中國大陸市場 1% 2% 3% 94% 8 4% 9% 6% 81% 2015 2020 BEV PHEV HEV ICE 奇瑞 - 旗下各推出 HEV PHEV BEV 車款, 均已在 2011 年以前上市 ; 設定目標為 :2015 年之前達到 5 萬輛電動車銷售量 BYD- 以車隊用途為主軸, 開始推廣海外市場 : 純電車 e6 已於 2011 年上市 ;2012 年分別在美國 歐洲上市 PHEV 車款 F3DM 亦計畫 2012 年在美國上市 JV with Daimler: PHEV 車款預計 2013 年上市
電動化關鍵技術開發 VCU Power split / Transmission HEV PHEV/ EVRE 內燃機優化第一階段電動化第二階段電動化 動力總成 ICE Power-assist Range Extender 零組件 Battery BSG MCU ISG
Hybrid 技術比較 油耗 效益 系統 複雜度 成本 上升 優勢 劣勢 Micro-hybrid (start-stop) < 10% 低低 有利現有系統進行升級 節能減碳效益有限 Mild-hybrid (P-assist) 10~20% 中中 發展至 full-hybrid 具延續性 引擎室空間限制, 需搭配小型變速箱 Full-hybrid 30~60% 高高 用車方式與傳統汽油車相近 系統過於複雜, 設計驗証工作繁重 30 EV-RE 40~80% 低高 50000 油耗改善 45000 可純電行駛, 適合都會用車型態 發展至 EV,Full Hybrid 具延續性 電池成本高, 高速行駛油耗效益略差 馬達功率 (kw) 25 20 15 10 目前成本未來目標成本 40000 35000 30000 25000 20000 15000 單件成本增加 (RMB) 5 10000 5000 0 0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 油耗改善率 (%) AVL 公司預測
EVRE 相關概念與技術規格 benchmark Vehicle Layout IC Engine Generator Traction motor Battery Perofrmance OEM/Developer SUZUKI Volvo Getrag Audi FEV AVL ACP GM FEV ALTe Fisker 奇瑞 吉利 華晨 Model SWIFT V60 B-Car Chrysle Ford A1 FIAT Mini VW 帝豪 Concep Volt r Crown Karma 瑞麒 X1 e-tron 500 cooper Jetta EC-7 t Caliber Victoria Demo/production Concept Concept Demo Demo Demo 2011 Demo Product Produ ion ction AER (km) 50 50 50 40 80 64 60 80 100 50 100 Fuel economy (km/l) 37.6 52.6 52.6 54.5 Motor Rear Front Front Front Front Front Front Front Front Rear Front Front Front Genset Rear Rear Rear Rear Rear Front Front Front Front Front Front Front Battery Rear Chassis Chassis Chassis Chassi Chassi Chassi Trunk Chassi Rear Drive axle Front Front Front Front Front Front Front Rear Rear Type 4 stroke Rotary Rotary 4 4 4 4 # of cylinder 3 2 1 disk 1 disk 4 3 2 4 L2 L3 L2 Displacement (L) 0.66 0.254 0.295 0.254 1.4 1.4 1 2.0 T 0.4 0.988 0.862 Rated power (kw) 30 18 37 8 40 Rated power (kw) 10 15 18 15 30 55 41 175 7 14 13.5 Rated power (kw) 55 30 45 30 75 100 30 18 Peak power (kw) 50 75 60 111 45 70 36 Rated Torque (Nm) 180 150 100 Peak Torque (Nm) 220 240 180 1300 240 Voltage (V) 380 300 320-346 336 336 336 371 Energy (kwh) 2.66 12.3 8 12 12 14 16 20 20 20.1 13.4 23.8 Usable energy (kwh) 5 8 Weight (kg) 150 100 127 198.1 243 0-100 km/h (sec) 0-60 mile/h (sec) 6.9 15 (11) 10.2 8 9 8.3 6 6.3 BEV Top speed (km/h) 200 140 130 125 130 140 161 135 200 200 120 150 130
電動車增程系統架構 增程發電機系統 電動車輛增程系統 動力分配系統 EVRE 動力系統齒輪箱 內燃機 動力總成 控制器 電動車系統 離合器 發電機 變頻器 / 控制 馬達 驅動 / 控制 電池
Battery SOC 增程式電動車行駛充電模式 模式一 : Range 延長模式 ( 短程使用 ) AER 用至 SOC=30%, 發電機啟動後僅供應行駛耗能, 不做多於充電 平均發電量小,BSFC 非最佳點, 發電量為 SOC 耗能 車速之參數 假設走行 100km: AER:56km, ICE:44km, 綜合油耗 :24.6km/L 模式二 : 高 SOC 模式 ( 山路使用 ) AER 用至 SOC=70% 以維持高 SOC 以應付頻繁爬坡路 發電量小,BSFC 非最佳點, 發電效率非最佳點 假設走行 100km: AER:24km, ICE:76km, 綜合油耗 :14.1km/L 模式三 : 快速充電模式 SOC 用盡後, 臨時需行駛山路, 需盡快恢復 SOC 走行 78km 後恢復 SOC 100%: AER:56km, ICE:22km, 綜合油耗 :11km/L 100% 模式二 模式三 模式一 30% Range Pure EV EV-Range extended
增程發電延續性發展 - Full Hybrid Step I - 2-mode Mode 1: 純電動 Mode 2: 發電增程模式 引擎 : V2 1.0L, ISG: 15kW, IPM, 永磁同步式, 水冷 行星齒 gearbox: 單速 W/O 離合器, 制動器, 液壓裝置 馬達 : AC-100kW Step II - 3-mode Mode 1: 純電動 Mode 2: 發電增程模式 Mode 3: 引擎動力定速巡航模式 引擎 : 延用 ISG: 新增內件離合器 行星齒 gearbox: 二速 & E-CVT 2 clutch, 1 brake, hydraulic actuator, pump TCU 控制器 馬達 : 延用 RE Hybrid C2 B EV C1
為提供 EV 車主長途行駛, 或於充電設施未普及地區之用車需求, 車載發 電機組可延長續航力 搭載電池容量可大幅減少,10~16kWh 以上可滿足 大部分用車者使用需求 (64 km 或 40 miles),ev-re 大部分使用的電力仍來 自 電網電力 符合動力系統電動化的節能最大化 發電機組燃料來源可為燃料電池 天然氣 太陽能及汽油等 內燃機發電機組為相對成熟的技術, 熱及噪音管理為車輛匹配重點 高功率密度電池於行駛中快速充放電對與耐久性要求 總體電機成本仍需持續降低 Fuel Cell, 太陽能在能量密度及功率密度仍不足以提供車輛行駛需求, 技術成熟度尚待持續提升 發電機組的動力經動力分配機構設計直接傳遞至前 \ 後軸可延伸發展形成 2/4WD Full Hybrid 發電能源類型 : 燃料電池 LPG 太陽能 等皆可 電網電力 電動車增程 EVRE 的挑戰與發展 電池越大 充電能量越大 驅動功率越高 續航力越長 發電機組 電池 電動電力控制器 馬達 EV-RE 技術
敬請指教 16