歐美日中傾力催生 電動車標準日臻完備

作者: 陳立閔
2012 年 02 月 13 日

歐美日中傾力催生 電動車標準日臻完備

1913年,全球第一本電動車(EV)標準在美國問世,開啟充電介面連接器的標準化。時至今日,儘管歷經近百年發展,國際上卻仍無通用標準,面對此刻全球車廠爭先恐後投入,雖考驗著各國政策與車廠技術之間的整合,但隨著電動車試運行計畫陸續啟動,亦可望累積經驗,從而使標準制定逐步明確。
 



不過,目前發展電動車的主要國家如美國、歐洲、日本及中國大陸各設立自家標準,未來是否能通行國際,或是產生分歧問題,都將影響電動車的動向發展。以下將針對各國標準進程分別進行剖析。
 



美國電動車標準發展最為成熟 



美國在電動車的研發上已有超過20年的歷史,故標準發展也較其他國家成熟。由於美國從充電站到鋰電池安全設計均有著墨,因此也借重國際標準發展機構–UL為其發展各式相應標準。
 



其中,電動車電池標準UL 2580已於2011年10月取得美國國家標準機構(ANSI)及自動機工程協會(SAE)認可,正式公告成為美國國家標準,自此以後,美國道路用電動車的動力電池就受此強制法規規範。
 



ANSI/UL 2580在國際化標準委員會的修訂過程中,對安全標準與測試方法的要求變得更為嚴苛,同時也突破以往僅建立在代表性樣品上的隨機取樣一次性認可測試。該標準規定從電池芯內部材料,到電池的電源管理系統,都須符合設計上的安全要求;此外,亦引用國際通用安全控制標準IEC 61508,做為可靠度要求規範,以保障動力電池在長時間使用下的安全性。
 



ANSI/UL 2580標準並不僅是美國的國家標準依歸,其標準委員會成員來自於國際(表1)。在國際電工委員會(IEC)標準尚未成形之際,將是未來幾年的全球主流標準之一,亦將是未來各國標準制定的依循。
 





SAE積極擘畫充電介面設計準則 



身為電動車工業設計核心的SAE,則預定於2012年針對充電介面的設計準則SAE J1772公告修訂版,以因應更多不同模式的新設計,確保安全無虞的使用。其中,對於電池散熱系統的控制,也被列為動力電池組的必要設計之一;在SAE與UL攜手合作下,相關標準也訂有相互參照的系統規範。
 



除了動力電池與充電介面標準是電動車業者矚目的焦點之外,隨著SAE與美國國家防火協會(NFPA)通力合作,加上電動車試運行計畫成功推展,電動車全系統由內而外包含材料、零組件到系統等標準化勢在必行;因此,UL也逐步發展出相應電動車系統的零配件標準(表2)。
 





現階段SAE尚在制定電動車相關規格標準,令人驚訝的是,沉寂已久的無線充電又重新受到重視。由於其不需昂貴電線與複雜精密的連接控制,又可密封防水,一度也成為電動車產業關注的充電解決方案。
 



不過,傳統透過電磁感應的無線充電效率大約只有30%,距離也限制在10公分內;故雖SAE已針對無線充電訂定SAE 1773規格標準,但仍在2000年初的規格競賽中,因加州政府宣告採用傳導式充電做為唯一介面後,而讓無線充電成為明日黃花。
 



一直到2010年,國際車廠BMW又帶頭開始新式無線充電規格標準專案,並定名為SAE J2954,其中規範兩種方案,分別為非磁共振式與磁共振式的電磁感應式充電;後者透過磁場頻率共振,能達到接近80%的高傳輸效率與較長傳輸距離(約可至線圈直徑的兩倍),成為目前熱門方案。尤其聯盟成員之一的日產(Nissan)已於2011年廣州車展,展出磁共振式方案原型,更是一項無線充電的重要進展。
 



日本完成全球首部快充介面標準 
 



日本身為汽車大國,並擁有各種電動車量產能力,其中以日產Leaf與三菱(Mitsubishi)的iMiEV兩款輕型電動車最為人熟知;而擁有全球銷售量最大的混合動力車(HEV)龍頭豐田(Toyota),也宣告將於2012年推出Prius純電動車(BEV)版,使得日本成為目前全球最具電動車發展實力的國家。
 



事實上,配合電動車產業的推動與落實,以東京電力(TEPCO)為核心的電動車快充介面聯盟(ChaDeMo Association),也推出其專屬充電介面,並有其配套規格標準。其中,ChaDeMo 1.0版已於2011年11月公告,成為目前全球首部完成規格標準化的快速充電介面產業標準,最高充電功率可達62.5千瓦(kW),目標係能在15分鐘內充飽Leaf的80%電量;而日產也成功將Leaf做為試驗載具,檢視其他不同充電模式的模型。
 



另一方面,日本汽車研究所(JARI)與日本電動車協會(JEVA),也在2000年前後制定四十餘本電動車相關標準;然而,日本為出口大國,最終目標還是要將日本的規格標準推向國際,以搶占全球市場,因此JARI也積極參與全球各大標準組織的活動,如國際標準組織(ISO)、IEC、SAE與UL等。
 



藉IEC發聲 歐洲電動車標準急起直追
 



至於汽車發源地的歐洲,自然也不會在電動車發展中缺席。其中,法國三大車廠標緻(Peugeot)、雷諾(Renault)和雪鐵龍(Citroen)已於2011年初在巴黎車展聯合發表電動車產品;而擁有尖端引擎技術的德國,雖未拔得21世紀後電動車的頭籌,但德國四大車廠Mercedes-Benz、BMW、奧迪(Audi)及福斯(Volkswagon)也紛紛於2011年各大車展推出電動車原型。
 



至於充電基礎設施方面,法國國家電力公司(EDF)結合施耐德(Schneider)集團,做為其電動車系統後盾;德國則幾乎由西門子(Siemens)集團一肩扛起供電基礎設施的重責大任,與供應車用電子的博世(Bosch)集團共同成為德國車輛電動化的兩大推手。
 



IEC雖為全球化標準組織,會員國來自於五大洲,美國、日本與中國大陸均是重要會員國,但具有最多會員國資格的歐洲仍扮演IEC核心角色;相對於美國與日本同時著力於國內標準與國際標準,歐洲的標準舞台就是IEC。
 



不過,以往歐洲一向是標準的領頭羊,惟在此波電動車標準風潮中,卻顯得有點力不從心,在動力電池組安全標準與快速充電安全標準兩方面,均還處於草案階段。
 



舉例來說,IEC對於動力電池安全性的標準尚付之闕如,目前僅針對電池芯一般特性設有IEC 62660-1標準,使用可靠性與電池組測試條件方面則分別為IEC 62660-2、IEC 61982-1,以及規範充放電特性的IEC 61982-2。此外,有關直流快充介面標準IEC 61851-23,目前則還在第一版委員會草稿階段。
 



再者,IEC雖已開始起草介面通訊規格標準–IEC 61851-24,但同樣處在第一版委員會草稿階段,依據IEC一般審議情況,最快也要到2013年才能公告實施,目前也沒有歐洲標準化委員會(CEN)或歐洲電工標準化委員會(CENELEC)版本,故現處於標準追趕技術的階段。
 



儘管如此,由於UL的充電設施標準UL 2594(交流電)與UL 2202(直流電)已經公告,施耐德與西門子也均有產品取得驗證,UL為美國IEC國家驗證單位代表 (National Certification Body, NCB),未來也能協助其取得IEC標準認可,因此歐洲未來執行直流充電的規畫將可節省很多時間。
 




ISO 26262塵埃落定 電動車安全規範更完整

ISO 26262塵埃落定 電動車安全規範更完整 



因應車輛的高安全與長時間使用要求,ISO也起草ISO 26262,此公路用車(Road Vehicle)功能性安全(Functional Safety)的系列標準,經過將近6年的努力,也終於在2011年11月15日完成公告。
 



ISO 26262雖不限制適用道路車輛種類,但標準公告時間不免讓人聯想到與電動車相關,安全控制在電動車應用上也的確比一般汽油車輛來得更多。此外,相對於一般汽油車輛,電動車輛的道路安全性也顯得更為複雜,除機械性的安全要求以外,對於觸電、起火及爆炸等都有不同考量,故ISO 26262共分為十部,第一部到第九部均已公告,第十部則還屬於草稿階段。
 



力拱電池更換/電動巴士 中國大陸EV標準自成一格 



另一方面,中國大陸的電動車標準及政策則與國內技術和環境有相當關聯(表3)。儘管其擁有最具潛力的消費市場,但電動車高度集成的電子電機與化工技術,並非一蹴可幾,故也驅使其走向與國際間不盡相同的標準制定道路。
 





尤其在上海世博進行大規模的示範運行後,考量中國大陸國內的配電環境與需求供應,中國國家電網電科院遂正式宣告「換電為主,充電為輔」的方案,南方電網隨即也加入行列;而中國電動小客車則由領先者比亞迪,喊出轉向專攻電動巴士的口號。
 



中國大陸為IEC與ISO的會員國之一,其國家標準(GB)也向來參考IEC與ISO;然而,歐盟主要係致力推動個人化電動車,在電池交換與電動巴士上,並沒有可參考的標準,因此,中國大陸未來在標準化的推動上將面臨自主開發標準的挑戰。
 



中國大陸力推更換電池方案雖能緩解電動車配電問題,但此一模式除會對車體設計造成影響外,頻繁更換的連接介面精準度與耐用性的考驗亦不言可喻。此外,將電池取下後集中充電,雖能取用低價的離峰電力或再生能源,但仍避免不了充電介面與電池本身的問題,在大型動力電池組安全疑慮的考量下,將大型電池集中放置與運送的安全問題將更為棘手。
 



也因此,中國大陸研發的電動巴士係屬於容易預期的行駛模式與相對穩固的底盤設計,也方便採用更換電池的系統。但要注意的是,大型車輛耗電功率高,無法採用單一動力電池模組做為動力來源,故多模組的電源管理,明顯成為另一項挑戰。
 



同時,電動巴士載重量大,雖速度不快,但振動幅度大且頻率更高,對於車上的連接系統與電池管理系統(BMS)等均是相對嚴苛的環境。
 



靜候IEC規範問世 韓國/印度不瘋標準制定 



當前世界主要大國對電動車標準自有一套考量,相形之下,其他國家則缺乏積極動作。從韓國來看,其現代(Hyundai)汽車目前已為全世界第四大車廠,原本宣稱僅生產HEV的策略也在2011年廣州車展推出首款BEV後,加入全電力運行電動車的戰局,雖韓國亦為IEC會員國之一,但韓國並非全球主要消費市場,因此並沒有制定特別標準的情況,現僅以發展技術為主。
 



印度則是另一個備受矚目的市場,在塔塔(Tata)汽車買下Jaguar與Land Rover兩大高級車品牌的同時,也宣告跨入電動車市場,旗下三個品牌均有展示電動車原型。
 



不過,印度無論在市場與技術方面均起步較晚,長久以來也慣於採用IEC標準,該國專門執行車輛測試的印度汽車研究協會(Automotive Research Association of India, ARAI),目前似乎也沒有制定特殊規格的打算。
 



借鏡歐/美/日標準 掌握電動車發展先機 



最後看到台灣的發展,其電動車市場雖小,卻擁有不容小覷的電動車系統技術實力,尤其台灣強大、快速且高品質的4C(Computer、Consumer、Communication、Car)產品代工能力。目前無論汽車電動化與否,車用電子的需求仍不斷增加,除傳統車載電機電子控制外,電動車的電機電子控制、智慧操控介面等,均是台廠能延伸發揮的區域。
 



特別是車用電子相對其他3C電子,屬於少量多樣化高利潤設計,挾在個人電腦(PC)、液晶電視、印刷電路板(PCB)、網通設備及車輛副廠零件銷售量均為全球第一的優勢,台灣顯然是全球電動車系統與智慧化實現與普及的後盾。
 



然而,安全仍是汽車工業的首要目標,台灣長久以來的功能導向思維,若要脫胎換骨,為高安全、高功率、高自動化與高可靠度的產品找出生產解決之道,則須借鏡歐、美、日等國的標準與產品結合後成功發展的經驗,才能掌握未來數10年電動車競賽的先機。
 



顯而易見,汽車是集合智慧的結晶,電動車雖簡化引擎結構,但是電機電子的複雜度卻是有增無減;回顧汽車超越百年發展史,至2011年才有全球化的安全標準問世,在電動車的標準化上,勢將因為利益與技術的競合關係,而激發出更多的產業、產品與新市場商機。
 



(本文作者為UL亞太區諮詢事業發展經理)

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