近年來由於氣候變遷對環境造成的威脅，世界各國紛紛宣示2050年達到淨零碳排的目標，全球汽車產業也開始各自訂下禁售燃油車的年限，以達到零排放低汙染的目的，因而促進電動車市場的蓬勃發展。「三電系統」是電動車差異化的主要核心技術所在，其中包含電機、電控與電池系統，本文分別概述三電系統的設計趨勢，並提出部分設計案例，包含在相同的電機體積下提高速度、功率密度和效率，與減小體積與磁鐵用量的情況下提高電機效率等兩種訴求，研製兩款車用電機；亦分析使用第三代寬能隙半導體功率元件，於電控系統如何解決傳統矽材料的功率元件開關頻率較低、開關損耗大等問題；最後探討電池系統及電池管理系統的技術指標，並針對電池管理系統效能、提升電池壽命與行車里程之影響做說明，以做為有興趣者與相關領域研發人員之導讀。
前言
依據國際能源署(IEA)所發布的「全球電動汽車展望2021年報告 (Global EV Outlook 2021) 」[1]，世界各國將在2030~2050年間分別禁止販售部分或所有以化石燃料(包括汽油、液化石油氣和柴油)為動力源的車用載具，如
圖1所示，挪威於2021年電動車市佔率高達64.7%[2]，預計將在2025年成為全球第一個僅銷售零碳排放量汽車(Zero-Emission Vehicle, ZEV)的國家。
電動車最重要的核心技術即為「三電系統」，是指電動車的電機、電控、電池，如圖2所示。電機系統主要是指馬達部分，代表電動汽車的動力系統，其與電控系統結合即決定了電動汽車的速度響應表現；此外，若能有效提高功率密度，如提升效率或降低電機重量與體積，將能增加電動車的續航力。電控系統是動力系統的大腦，由各個功能子系統所構成，其中包含整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU)、電機驅動控制器和能量管理系統，透過CANbus可整合連接各個子系統，故電控系統將決定了車輛的能耗、動力特性、舒適性等主要性能指標。電池系統是指動力電池，也是「三電系統」中成本最高的一個子系統，一般是由數百至數千顆電芯(Cell)所組成，並依使用者的設計需求串聯及並聯的方式組成模組(Module)，並與電池管理系統(Battery Management System, BMS)整合為電池包(Pack)，透過核心的電池管理系統對電池的狀況進行監測和管理，包括電池數值實時監測、均衡管理和熱管理、充放電與預充控制、線上診斷與預警等，電池管理系統的效能會直接影響單次充電的使用里程數。
車用動力電機設計趨勢
車用動力馬達種類
IDTechEx 針對 2022-2032 年電動汽車電機的發展[3]，詳細介紹了電動車動力電機市場中的 OEM 戰略、趨勢和新興技術，可發現電機設計涵蓋許多不同的設計考量。如圖3所示，可知目前電動車市場所採用的馬達，包括永磁同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)、感應馬達(Induction Motor, IM)和繞線轉子馬達等等，其中感應馬達與永磁同步馬達為目前的設計主流。此外亦可觀察出，達到 10 kW/kg 的電機大多數是軸向磁通型馬達，其次為徑向永磁電機，如永磁同步馬達、切換磁阻馬達(Switching Reluctance Motor, SRM) 和感應馬達等，功率密度規格約在 3kW/kg 和 5 kW/kg 之間。值得注意的是，大多數的感應馬達和切換磁阻馬達是通過增加電壓，以實現高基本速度(Base speed)的設計。此兩種馬達雖然可以實現與永磁同步馬達相似的功率密度，但設計上會有較高的電裝載，其扭矩密度和效率因而會比永磁電機低。
近年來，永磁同步馬達使用了高磁能積的永久磁鐵，例如釹鐵硼(NdFeB)和釤鈷(SmCo)，因此可實現高扭矩和高功率密度的設計，已成為電動車廠家設計的首選。如表1所示，可知永磁同步電機在電動車市場的佔比已高達 75% 以上。
此外，回收動能的再生制動技術對電動汽車來說是越來越重要，制動回收的電能與電機效率成正比，在接近基速的定功率區域，其再生制動效果最好[4]。為了提高再生制動的能量回收效益，車用電機除了需要高效率外，還需有較寬的定功率範圍。各種類電機的最高效率運行區域如圖4所示，可看出永磁同步電機是具有高效率和寬恆功率操作範圍，最適合用於再生制動設計。
永磁同步馬達依轉子的磁鐵設計可分為內藏型(Interior Permanent Magnet,IPM)和表面型(Surface-mounted Permanent Magnet, SPM)，架構如圖5所示[5]。相同尺寸下，因IPM除了有永磁同步轉矩外，亦有磁阻轉矩，IPM馬達的過載能力比SPM馬達好，故較常被應用於電動車。
車用動力馬達磁性材料使用趨勢
磁性材料是車用電機另一個關鍵的設計考慮因素，可分為軟磁材料(電磁鋼片)與硬磁材料(永久磁鐵)，國內有許多廠商提前布局三電系統相關之產業鏈，其中最具代表性的為中鋼公司之電磁鋼片。
電動車用電磁鋼片須滿足低鐵損、高導磁率、高強度與低厚度等性能須求。而中鋼電磁鋼片(型號：25CS1250HF)於2016年通過國際電動車大廠認證，如圖6所示，成為該公司電動車馬達所使用的電磁鋼片，中鋼也是該公司電動車馬達用料的主要供應商[6]。相對於一般工業馬達常用的規格為0.35 mm至0.5 mm之間的電磁鋼片，而厚度低於0.25mm以下的薄電磁鋼片已成為目前車用馬達電磁鋼片選用的趨勢，因降低電磁鋼片厚度，可有效降低馬達高轉速運轉時高頻所產生的渦流損失，進而提高馬達效率，如圖7所示。
圖8(a)所示為內藏型永磁同步馬達的鐵芯[8]，透過磁障層的磁路設計，使馬達除了有永磁轉矩外，亦可提供額外的磁阻轉矩，以提升馬達功率密度；然而，當馬達高速轉動時，磁障層的孔洞、肋部以及永久磁鐵邊框於轉子上，會使電磁鋼片承受較大的應力，可能對行車安全產生影響。此外，如果馬達定子採用傳統式的凸點鉚接、焊接或螺絲固定等接合方式，則定子軛部必須加寬，如圖8(b)所示，因加寬的定子軛部是不會貢獻磁通，重量上的增加，則會降低馬達的功率密度。
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