在打開車門讓乘客上下車的同時，車頂的集電弓自動升起，與定點充電站的電子接點相接，利用乘客上下車的短暫時間，確保車載電池的電力獲得補充。這就是所謂的隨機充電(Opportunity Charging)，藉由這種方式，公車不必長時間泊站或暫停也能繼續穿梭在都市裡運行值勤。如此，縱使電池容量無法直接儲存整日行駛所需的電力，這樣的設計仍可確保發車與行車持續不間斷。
針對大眾運輸工具減排的近期討論當中，前述的情境時常被人提及，然而實際上這樣的概念並不算新，也曾有人付諸實行。
場景回到45年前，上個世紀的1970年代中期。圖1是拍攝於1980年的照片，呈現了當時的情況。1975到1988年間，Rheinbahn公司的MAN純電動巴士車隊投入德國杜塞道夫市公車營運。當時的車隊有21輛公車，目前僅存一輛編號9063公車放在博物館展示。
70年代的石油危機加快了電動交通運輸工具的發展腳步，改善城市空污問題早在當時就已經列入開發項目當中。根據估算，所有的交通廢氣排放中，25%來自重型車輛。
50年後的現在，氣候變遷、政府訂立的排碳減量計畫，乃至於地方制訂的法規，無不一致要求排放量必須繼續降低。這樣的趨勢激勵製造商朝兩大目標開發新的重型車輛，一是設法減排至趨近零，甚或實現零排放；二是大幅提高燃油效率。能源效率或許是更準確的說法，畢竟石化燃料已經被完全摒除在考量範圍之外。以石化燃料為動力的燃燒式引擎，確定無法滿足今後的嚴苛預設目標。目前正在討論的可能性也包括了電轉X(Power-to-X)技術，這是一種利用可再生能源產生氫氣甚或液體合成燃料的方法。單就技術面而言，無論是評估經濟條件還是效率表現，電動車很明顯地占有優勢。
即使是1970年的老式MAN公車，也展現了相當高的能源效率，當時的電池容量為108kWh，單次充電可行駛60~80公里。每100公里僅需耗電200kWh，這相當於只用掉20公升的柴油就行駛了100公里。這是相當了不起的紀錄，即使是當今最新的歐規第6級市區公車，行駛100公里也得消耗35公升。
單就距離來看，2kWh電力可供行駛1公里，這樣的老古董完全能媲美現今最好的環保車款，消耗不僅相當甚至更為節省。但至少可以確定，現今的電動公車為乘客與駕駛提供了更良好的安全等級和行車舒適度。此外，很多事情的演變都是緩慢而漸進的，所以這樣的直接比較也有造成誤導的可能。
從電池角度來看
90年代初期，隨著鋰離子電池廣泛運用在手機、攝影機、平板電腦和電動工具等可攜式裝置上，電池技術邁向新紀元。相較於老式的50Wh/L鉛酸電池，此時的電池已經把重量能量密度從低於50Wh/kg提升至大約200Wh/kg，體積能量密度則達到300Wh/L。如此的改良堪稱一大突破，不只嘉惠了各種的電子行動裝置，重型負載的相關新用途也有機會因此而實現。
上個世紀的MAN電能公車，尾部必須銜接拖車，拖車上裝載的是重達6噸的鉛基電池。今天，相同能量的電池組大概只有600~700公斤重。
時至今日，一般的客車電池幾乎都小於100kWh，且有能力輕鬆完成400公里的行駛里程，然而重型車輛卻不一樣，必須備妥更高的電池容量。某些先進的公車，搭載電池的容量超過了600kWh，這也是長途卡車完成必要行車距離所需的電池容量。
另一方面，電池必須在合情合理的時間內完成充電，這又是另一項技術挑戰。以民眾的一般用途而言，根據電池容量，一輛自小客可以簡便使用10kW壁掛箱充電整晚。但在商用運輸領域裡，即使充電裝置輸出功率達100kW，大型公車與卡車也需花費數小時才能完成充電。因此港口充電(Harbor Charging)也就成為公車利用夜間閒置時間充電的可行選擇。對於長途物流運輸來說，等待好幾個小時只為了替卡車充電，並不可行。
從容量10%充電到90%的快速充電，是較常見的方案。在這樣的範圍中，使用恆定電流充電進行能量傳輸。依此操作模式，雖然充電電壓會略為上升，但輸出功率幾乎維持不變。簡單來說，針對480kWh電池充電一小時，需要480kW的充電功率，但就算是目前最大的公共直流充電站，功率最多也只有350kW。同時，電池化學作用的改變，造成了電能方面的難題。面對過度充電問題，從前的鉛酸和鉛膠體電池尚有部分的抗衡能力，但是鋰電池則需要更完整的保護。無論是哪種情況，過度充電與過度放電都有可能導致電池永久損壞。
從充電基礎設備角度來看
大功率充電器的功率電子元件通常不會整合在一起，而會並聯輸出功率較低的其他元件，形成一個高功率充電裝置。60kW單一元件是目前的主流。在大功率充電應用中，充電裝置的效率堪稱焦點。法律規定，營運商必須付費採購電網提供的能源，再向客戶收取支用能源的費用。至於能源轉換效率不佳造成的虧損，仍要由基礎設備經營者自行吸收。由於這樣的原因，充電裝置的發展開始鎖定新的結構，乃至於功率半導體的新技術。圖2為60kW元件示意圖。6個元件並聯工作，可提供350kW充電功率。
在這個領域，碳化矽(SiC)MOSFET最近開始大量取代IGBT；新材料本身的特性可使效率提高，尤其是在部分負載運作期間更為明顯。對於充電硬體的設計人員來說，這可以將冷卻需求降至最低，同時兼顧營運商的經濟效益。可支援數千瓦到數百千瓦系統設計的功率半導體裝置，目前已上市販售。
目前，充電基礎設備的規畫包括了全歐各地400個高功率充電站，每個充電站提供6~8個充電點，每個充電點功率為350kW。不久的將來，這些充電站每天都會提供5小時的服務，單日的能源傳輸總額將高達500萬kWh。只要將電網轉換到電池的效率提高1%，每天就能節省5萬kWh，每年可增加20億kWh的銷售。
從傳動系統角度來看
起初，DC馬達乃是電力驅動機械的首選。由於使用直流電源，運用簡單的閘流體結構DC-DC轉換器就能控制DC馬達。由於單一半導體在降壓轉換模式下的效用，這樣的設置帶來了出色的電能轉換效率。閘流體技術代表堅固耐用，在機車應用與DC高壓傳輸線路方面，其可靠度和長期穩定性已經獲得實證。而從現今的角度來看，這個關閉閘流體的控制方法仍有諸多缺點，例如切換頻率低、DC馬達電刷所產生的火花導致EMI過高，而且需要定期維護。
隨著IGBT持續發展，從90年代初期開始，利用DC電源加上DC-AC轉換驅動三相電源機器也開始成為可行的方式。由於永磁同步馬達(PMSM)具備最高的力矩密度，遂成為貨物和乘客運輸商用車的主流技術，它還具備運轉平穩和低噪音的優點，尤其適合講求駕駛舒適度的各種應用。
圖3顯示了典型傳動系統和商用車所使用的一系列電子元件。
嚴格說來，這種應用的功率轉換階段，非常類似於工業應用當中驅動旋轉機器的逆變器。就商用車而言，使用壽命以20年計，期間要求的運轉時數通常需達10萬小時以上。
在這樣的限制條件下，營建、商用、農業用車輛(CAV)的壽命期望年限比較接近於機車及牽引機械方面的應用，而非載客用車。
此外，應用方式和操作模式也都更為規律，變數較少。針對公車、卡車、輪式裝載機和類似的車輛，使用已知負載曲線，計算半導體在運轉期間承受的應力。這樣就能準確預估使用壽命，同時確保逆變器系統在成本及性能層面締造最佳效益。
以碳化矽MOSFET或氮化鎵(GaN)HEMT等寬能隙材料取代矽基底IGBT時，性能也會跟著提高，特別是效率方面的明顯改善。效率提升後，單次充電行駛里程變得更長，或是能以較小的電池容量行駛相同距離。但若是功率需求不變，降低電池容量將會導致應力加大。本文建議採用謹慎和整體性的方法，將系統加乘作用和潛在的不利因素一併予以考量。
針對用於採礦、建築工地或類似於越野路況的車輛，切換式磁阻馬達具備成本優勢，製造商則可因此降低自身對於稀土磁性材料的依賴程度。在缺點方面，由於動力組成結構不同，產生的噪音和振動致使操作舒適程度不佳，但在此類車輛中，舒適與否並非重要關鍵。
如圖4所示，逆變器不但必備，還需在高低兩側線路裝設截波器。
除了結構之外，應用對象要求的機械強度和功率等級也要一併考慮。針對這個市場開發的專用電源模組已上市，此為單相模組，包含兩個截波器。
最後一個考慮重點為適當儲能，以及儲能與應用例之間的關聯。電池在最近幾十年有了重大的發展，已成為當今儲能技術主流。在能源和功率密度方面，仍有無窮的技術潛力。預料短期內將以2~4倍的速度持續改善，長期而言則可能是8~10倍。
此外，氫動力燃料電池(Fuel Cell)也是將來可能的儲能裝置之一。根據燃料電池組被提取功率的多寡，其輸出電壓也將隨之變化。因此，為了利用回收方式重新獲得制動能量，使用燃料電池的傳動系統仍會配置傳統電池組，據以支援峰值時期的功率需求。元件中間則必須加裝DC-DC轉換器，俾使燃料電池能量得以正確傳送到電池組。這個過程中，效率是最大的關鍵，因此寬能隙材料(例如SiC-MOSFET)所扮演的角色非常重要。
從功率半導體角度來看
過去30年，IGBT技術提升，帶動了效率、耐用性和功率密度方面更勝以往的長足進步。圖5簡單說明了發展概況。
這樣的發展使得大功率電子設備能以更小的體積、更少的冷卻需求，提供相同的輸出功率。反過來說，縱使設備體積不變，藉由簡單的替換或升級，就能提供更高的輸出功率。
在這個技術發展過程中，EconoDUAL3是較傑出的產品，它採用半橋式模組，如今已是較多電動公車與卡車所採用的功率裝置，其成功關鍵在於這個系列的產品均可適用大範圍的電流和電壓。圖6說明了該半橋模組隨著晶片和封裝技術發展的演進概況。
機械尺寸、針腳和端子位置維持不變，但額定電流達到原來的兩倍。同時，晶片最高工作溫度已從IGBT3的125℃進步到IGBT4的150℃，IGBT7系列甚至可達175℃。
然而，設計人員仍需設法克服散熱難題。因為晶片電流密度[A/cm²]的成長速度比效率值快，因而使得功率損失密度[W/cm²]隨之增高。在五分之一的面積上就會有50%的功率損失，代表晶片功率損失密度提高250%，即使從整個功率模組來看，功率損失密度也幾乎變成兩倍。來自這些局部熱點的熱能傳導，帶來了熱管理的艱難課題與挑戰。如需選擇並設計散熱器及熱介面材料，就必須考慮前述的各種情況。
傳統上，車輛的牽引力逆變器多半搭配液體式冷卻系統，如此就能將熱源發出的熱導引至散熱器，促使熱能逸散到環境中。傳統散熱片已無法滿足日漸增高的散熱要求，取而代之的乃是高效的整合型冷卻系統。這些系統的冷卻液與功率半導體元件直接相連，因此也稱為液體式直接冷卻系統，透過這樣的方式縮短熱阻鏈，並且不用再依靠熱介面材料。
半導體的平面底板無法提供最佳的傳熱效果，穿越層流區的冷卻液薄膜則會阻礙熱交換。另外尚可增設冷卻液紊流(Turbulence)強化結構，提高熱傳導，改善上述的情況；這些稱之為柱狀鰭片底板的散熱裝置，目前已出現在小型客車市場上。
圖7中的對照圖說明了改善的效果。HybridPACK系列產品是第一個同時採用平面及柱狀鰭片底板的模組。
根據圖7的圖表，將液體式冷卻改為液體式直接冷卻，約可將導熱性能提高30%左右。去除模組和散熱器之間的熱介面材料，是使從外殼到環境的熱阻(RTHCA)得以大幅降低的原因。
在結構型底板中，更進階的型式就是所謂的波浪設計，這種設計運用了專利的技術，以薄鋁帶製造紊流。鋁帶使用類似IC封裝中打線接合的方式黏住固定，而其形狀就如同波浪結構一樣。圖8詳細對照了HybridPACK驅動器模組的兩種設計，可從圖中看出彼此差異。
柱狀鰭片的導熱表現固然更出色，但薄鋁帶接合則具備成本面的優勢。波浪結構已經證明是優秀穩定的散熱方法，因此可以假設，在不久的將來，將會有更多功率模組使用這樣的設計。
從應用角度來看
自從1975年MANSL-E純電動車投入營運開始，重型車輛不分等級，全都歷經了巨大的變化。除了傳動系統有明顯改變，絕大多數的重型電動車也開始採用子系統集合，提高行駛舒適度和安全性。圖9的公車標示了有別於以往的各個裝置。
相較於70年代的情形，現今的駕駛人員工作負荷確實減輕許多。駕駛人員的輔助系統包含了電動方向盤和煞車，空調以及精確控制的通風系統則提高了舒適程度。此外，循跡控制、防鎖死煞車、電子穩定系統、車道維持輔助，巡航、以及結合交通標誌偵測的距離控制等，這些都是為了減輕駕駛人員工作負荷所開發的先進功能。
利用雷達、光達(LiDAR)和光學2D/3D拍攝圖像，進一步強化區域偵測，提供自動化安全功能(例如辨識行人或自行車騎士)所需資訊。現今車輛上裝載的感測器，同時具備強大的運算能力和深遠的可連線範圍，因此全自動駕駛可望在不久後實現。
轉向或煞車等安全相關系統電子化之後，額外的安全措施是不可或缺的，其中就包含了各種層級的備援裝置。安全相關系統必須滿足的需求，在車輛主要安全標準ISO 26262中已有明確定義。無論在一般狀況或危急狀況下行駛，安全操控車輛都是首要目標，而在發生故障之際，保持安全操控更是一大挑戰。對此，設計人員可以採用AURIX系列專用型微控制器、EiceDRIVER柵極驅動器組合產品以及XENSIV感測器，開發穩定可靠的安全相關子系統，確保故障期間的安全功能正常運作。
未來潛力
沒有噪音也沒有廢氣，一輛未來的科幻車正駛進車站。無聲、不排污，是因為這輛車採用了電子傳動系統。
超越現實的新科技，使得車輛宛如某種科幻運輸裝置。流線而優雅的外觀設計，充分展現了空氣動力學優勢，更重要的是，過往不可或缺的重要角色竟然不見了—它的行駛不再仰賴司機。未來車可以準確航向目的地，分毫無差抵達目標點。在自動化的車站裡，出現了許多連接裝置，自動與這輛車相連接。接下來，附近的變壓器傳來了嗡嗡聲響，代表電力正源源不絕地注入車體。
這一幕就如同圖10呈現的景象。幾分鐘之後，連接裝置紛紛脫離，車輛也靜靜展開下一段旅程。
過往的歷史當中，許多人都曾數度預測未來交通運輸的情境與面貌。自動無人機的測試固然已經展開，但這並不代表五年後就會出現曲速引擎的飛天計程車載著時髦的乘客在市中心各處穿梭飛舞。
無論載貨還是載客，從財務觀點來看，影響運輸成本的主要因素包括了維護與修繕、能源動力、駕駛人員等等。因此至少可以假設，具備高度可靠性、自主行駛、能源效率良好的車輛，勢必成為未來生活的一部分。毋需司機操控的自駕車，不需遷就駕駛的生理需求(吃飯、休息)而中途暫停。此外，時間就是金錢，任何停頓造成的營運中止期間都必須盡可能縮短。
利用電氣化減少廢氣排放、儲能技術的進步與改善，以及補充性基礎建設的持續開發，乃是全自動的長途營運得以逐步實現的關鍵。
目前，重型車輛充電標準已將截止電壓提高至1,500V，允許充電電流提高為3,000A。這相當於在7分鐘內傳送500kWh，可供行駛高速公路400到500公里，效率勝過了現有的任何一種燃油補充系統。
少了駕駛以及人為因素導致的營運中止，縱使是用更慢的最高車速行車，還是能維持較長的運行時間，乃至於在更短時間內行駛更遠的距離。這樣的結果本質上就代表能源效率有所提升。此外，全自動駕駛、數位高速連線，也是進一步提高貨運列車效率，並促使更多運量移往夜間非尖峰時間的關鍵因素。
以上所述種種，都不是科幻小說的誇張情節，然而網際網路的安全問題—尤其是連線技術的安全，仍是今後的考量重點，接下來想必還有更多挑戰有待克服。自動卡車、公車、市區遞送車輛的標準化，仍需要繼續改善精進，才能充分支援跨境乃至於跨洲的人流、物流相容性與互通性需求。現今已有各種科技，可供解決這樣的全球性難題。
綜合各種科技、滿足多樣需求，令人期待而盼望的CAV未來，已經近在眼前。
(本文作者為英飛凌汽車電子部門副總裁)
