新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置( I )

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(1)科技部補助專題研究計畫成果報告期中進度報告. 前瞻技術產學合作計畫-新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置(1/3). 計計執執. 畫畫行行. 類編期單. 別號間位. ：：：：. 整合型計畫 MOST 107-2622-8-006-015107年08月01日至108年07月31日國立成功大學機械工程學系（所）. 計畫主持人：蔡明祺共同主持人：謝旻甫、張始偉、鄧熙聖、劉全璞、陳國聲鄭芳田、張六文、鄭如忠、白富升、張家欽謝宏毅、吳益彰、洪昌鈺、盧建銘. 中華民國 108 年 04 月 30 日.

(2) 中文摘要：因應全球節能減碳趨勢與國內空汙問題日趨嚴重，政府106 年已通過「空氣污染防制策略」，規劃投入365 億元全力改善空氣品質，積極推動企業採用環保車隊以及鼓勵使用電動載具取代傳統燃油載具等政策。然而電動載具需滿足續航力的性能要求，因此電池模組效率、動力系統功率密度、以及馬達鐵芯損耗等要求相對高。目前國內廠家已有電動車動力模組次系統的供應鏈。然而因市售對加工技術與材料性能之要求更高，國內鐵芯現有供應能力已漸無國際競爭力。有鑑於此，新世代電動載具動力系統急需更高性能的馬達鐵芯及傳動齒輪組之材料、製造技術及高效能馬達動力模組。因此本計畫結合國內鋼鐵龍頭中鋼公司，動力馬達大廠晟昌公司與控制器大廠新代公司，鑑別出現今電動載具動力組成之需求，歸納為五大研發主軸: 1. 高品級電磁鋼片與高分子樹脂自黏塗膜製程; 2. 整合多物理量分析之高性能動力馬達設計; 3. 矽碳負極粉應用於鋰電池、超電容儲能模組設計; 4. 智慧化動力傳動次系統控制模組; 5. 智能最佳化設計與雲端服務平台建置。計畫將聚焦於電動載具之動力總成(power train)系統(包含能源系統、動力馬達、驅動器及傳動系統)之前瞻設計與性能提升: 從材料面: 透過自黏塗膜鐵芯與膠材之開發降低鐵芯損失，並結合散熱設計及多物理量設計分析，開發與國際電動車廠比肩之高性能電動載具動力馬達與驅動器模組，再由碳矽極材料開發、鋰電池與超電容模組來改善電池能量密度，並提升電動載具瞬時充放電性能與加速性。從結構面: 引入同心式磁性傳動系統概念，提出兼具差速器、齒輪箱與無段變速功能之磁力耦合裝置，結合智慧動力控制模組成為一輕量化之智慧傳動次系統。從系統面: 成立一泛用式系統設計雲端服務平台，有效地將各分項計畫之系統及產品水平與垂直整合，並透過智能品質設計、巨量資料分析(Big data analytics)、虛實整合系統(CPS)及雲端運算 (Cloud computing)等技術，使動力系統達最佳安全性、可靠度，並降低生產成本。最後結合雲端平台成立一研究服務中心(Research Service Center, RSC)，讓使用者透過外部系統，即可隨需求(On-demand)利用雲端平台上之各式智能雲端服務，有效切入國際電動載具供應鏈，為台灣創造超過百億台幣以上的產業規模。中文關鍵詞：電動載具，電磁鋼片，動力總成，動力馬達，鋰電池，無段變速，巨量資料分析，雲端運算英文摘要： In responding to the global trend of energy conservation and carbon reduction, as well as the growing domestic air pollution problem, the Air Pollution Prevention Strategy has been past to improve air quality and actively encourage the use of environment friendly vehicles, such as electric vehicles. However, electric vehicles face the challenge of performance requirement of endurance; hence, the requirements to battery module efficiency, power density of the power train system, motor core loss, etc. are relatively high..

(3) Due to the higher requirements of processing technology and material properties, the existing domestic supply capacity of iron core is gradually losing its international competitiveness. In view of this, the new generation of electric vehicle power train systems are in urgent need of higher performance motor iron cores, materials and manufacturing technologies of transmission gear sets, and high-efficiency motor power modules. Therefore, this project links China Steel, the motor manufacturer Cheng Chang Machine Electronic and the controller manufacturer SYNTEC Technology, to identify the current demand for the power components of the electric vehicle and sum up to five research focuses: 1. High grade electromagnetic steel sheet and self-adhesive coating process with macromolecule resin; 2. High-performance motor design integrated with multiphysics analysis; 3. Applications of carbon-negative anode powder in the design of lithium battery and supercapacitor energy storage module; 4. Intelligent power transmission subsystem control module; 5. Platform construction providing intelligent optimization design and cloud service. The project will focus on the leading and novel design and performance enhancement of the power train system (including the power system, power motor, drive, and transmission system) for the electric vehicle: From the material side: Reduce core loss via the selfdeveloped self-adhesive coating iron cores and adhesive materials; combining thermal design and multi-physics analysis, high-performance electric vehicle power motors and driver modules is developed to be comparable to international electric vehicle manufacturers; then, via developing carbon anode materials, lithium batteries and ultracapacitor modules, the energy density of the battery is improved, and the instantaneous charge and discharge performance and acceleration of electric vehicles are enhanced. From the structure side: Introduce the concept of concentric magnetic transmission system, and propose a magnetic coupling device that combines the functions of differential, gearbox, and continuously variable transmission, and then further combining with the intelligent power control module to construct a lightweight, intelligent transmission subsystem..

(4) From the system side: A general-purpose system cloud service platform is designed to effectively vertically and horizontally integrate the contributions and achievements of each sub-project, and further via the technologies of intelligent quality design, big data analytics, cyberphysical system and cloud computing to enable the power system to achieve the goals of the highest safety and reliability, and reducing production costs. Finally, a research service center (RSC) is set up in conjunction with the cloud service platform to allow industries to access various intelligent cloud services in on-demand manner through external systems. The project is proposed with the expectation of assisting the domestic industries to have the capacities to be part of the international supply chain of electric vehicles. 英文關鍵詞： electric vehicle, electromagnetic steel sheet, power train system, power motor, lithium battery, continuously variable transmission, big data analytics, cloud computing.

(5) 科技部補助產學合作研究計畫成果精簡(進度)報告計畫名稱：新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置計畫類別：□ 先導型. □ 開發型. □ 技術及知識應用型創新營運模式產學合作. 計畫計畫編號：MOST 107－2622－8－006－105 執行期間：107 年 8 月 1 日至 108 年 7 月 31 日執行單位：國立成功大學機械工程學系總計畫主持人：蔡明祺共同主持人: 張六文、鄭如忠、洪昌鈺、謝旻甫、張始偉、白富升、盧建銘、鄧熙聖、劉全璞、張家欽、謝宏毅、陳國聲、吳益彰、鄭芳田協同主持人：邱文英、童世煌、謝聰烈、胡家勝、楊俊彬、孫永年計畫參與人員：黃柏維施凱中許瓊文郭光揚林維哲陳怡妏高子睿陳和安楊世光解資彥王寶文羅裕凱研究摘要（500 字以內）：因應全球空汙問題，政府積極推動電動載具取代傳統燃油載具。電動載具需滿足續航力的性能要求，因此電池模組效率、動力系統功率密度，以及馬達鐵芯損耗等要求相對高。然而因市場對加工技術與材料性能之要求更高，國產電動載具之材料及相關系統技術已漸無國際競爭力。有鑑於此，本計畫結合國內鋼鐵龍頭中鋼公司，動力馬達大廠晟昌公司與控制器大廠新代公司，鑑別診斷出今電動載具之需求，歸納為五大主軸： 1. 高品級電磁鋼片與高分子樹脂自黏塗膜製程；2. 整合多物理量分析之高性能動力馬達設計；3. 矽碳負極粉應用於鋰電池、超電容儲能模組設計；4. 智慧化動力傳動次系統控制模組；5. 智能最佳化設計與雲端服務平台建置，如圖 1 所示。計畫將聚焦於電動載具之動力總成(power train)系統：從材料面：透過自黏塗膜鐵芯與膠材之開發降低鐵芯損失，並結合散熱設計及多物理量設計分析，開發高性能電動載具動力馬達與驅動器模組，再由碳矽極材料開發、鋰電池與超電容模組來改善電池能量密度，並提升電動載具瞬時充放電性能與加速性。從結構面：提出兼具差速器、齒輪箱與無段變速功能之磁力耦合裝置，結合智慧動力控制模組成為一輕量化之智慧傳動次系統。從系統面：成立一泛用式系統設計雲端服務平台，有效地將各分項計畫水平與垂直整合，並透過巨量資料分析(Big data analytics)、虛實整合系統(CPS)及雲端運算(Cloud computing)等技術，使動力系統達最佳安全性、可靠度，並降低生產成本。最後結合雲端平台成立一研究服務聯盟(Research Service Consortium, RSC)，讓使用者透過外部系統，即可隨需求(On-demand)利用雲端平台上之各式智能雲端服務。 1.

(6) 圖 1.大聯盟五大主軸. 人才培育成果說明：人才與產業鏈結本計畫第一年度目前累計培育博士生 7 名、碩士生 49 名與大學生 10 名，仍在學的碩士生中，已有數位受到與本計畫相關之電動載具相關產業關注，畢業後已確認可直接至該公司服務，其中包含台達電子、光陽機車、東元精電、瑞智機密、瑞展動能、巨大機械、國淵機械等，且學生們之論文方向皆與電動載具密切結合，透過本計畫之執行與訓練，將可協助未來國內產業升級。此外亦因本計畫積極推動產業鏈結且參與計畫之學生表現優異，已有許多公司已與本計畫連絡，邀請第二年協助執行本計畫之優秀畢業生進入該公司服務，包含睿能(GOGORO)、巨大機械、日特(日本最大繞線機廠商)、大亞電纜等，預計下一年人才培育成果將更為豐碩，且可協助將國內技術推廣至國際。人才訓練機制本計畫將企業聯盟內部績優工程師與學校優秀學生，納入本期大聯盟協助執行計畫與學習，除了定期安排企業與學界共同開會討論進度，使業界工程師與學生可互助學習成長，更安排計畫專任研發碩博士工程師擔任 mentor，以及參與計畫之業界資深專家擔任 advisor，每周與學生檢討進度並規劃研發主題，使所受訓練之學生其研究與產業更加貼近，如圖 2 所示。. 圖 2.大聯盟學生與業界互動學習規劃更值得注意的是，本計畫鼓勵校內學生與產業研發人員共同研究並發表學術研究與參加研討會，並將論文發表列入公司年度優秀考績評核中，除培養學生研究整理與論文撰寫之能力，亦鼓勵學生出 2.

(7) 國參與研討會，並藉此將學術產業化且提升公司國際知名度，學生畢業後更可直接將學界技術轉移至業界，共創學術加值。. 技術研發成果與特點說明：本計畫第一年度執行迄今，於電磁鋼片領域，已建立高矽電磁鋼鑄胚晶粒形貌對熱軋顯微組織影響的定量結果預期藉由調控連續鑄造參數或建立模內電磁攪拌設備，提升鑄胚內等軸晶比例，將有效地改善熱軋組織，提升電磁鋼片的電磁特性，因此，此成果可做為中鋼公司改善連續鑄造製程的依據，提升產品品質及降低產品缺陷率。而經過各種化學分析與物理化學儀器鑑定，本計畫已針對目前成果占的自黏塗膜樹脂廠商提出技術指標；透過採用國內樹脂廠商為原料進行開發，目前已有合成出數種具潛力上線測試的水性樹脂，未來繼續與中鋼公司積極溝通，測試並調整樣品之性質，達成在地化生產目標。於車用動力系統領域，在計畫已執行近一年後，已透過領域 A 與中鋼公司之矽鋼片及自黏技術，結合晟昌機電的高速主軸馬達製造經驗與大亞電線的高導熱線，設計出與商用電動車相同體積、但功率提升近 25%以上之馬達設計，目前已在試作中，此外亦完成易製造且散熱效率高達 2~3 倍的水冷散熱外殼設計。在第一年本主軸亦透過電流最佳化使用之驅動控制法，使用最小電流提供馬達所需電能，延長電池使用續航力，同時並依不同行車工況動態調配鋰電池與超電容，延長電池使用壽命。最後透過國網中心之高速計算資源，已依本領域所需客製化適合馬達設計、分析、視覺化呈現之雲端平台，協助本領域多物理耦合之複雜計算環境。於儲能系統領域，在超電容開發，透過膠固態電解質技術達到高安全性，與中鋼和永隆合作將中鋼活性碳製成罐體且通過高溫老化驗證，也開發出低漏電率與高電位的鋰離子電容。在鋰電池開發，已製作出高品質矽碳負極，經半電池測試，電容量達 456 mAh/g (Si 5% wt.)和 517 mAh/g (Si 10% wt.)，明顯高於傳統石墨負極(360 mAh/g)與其他市售矽碳負極。在充電器開發，目前已完成新型交錯式 LLC 轉換器與 90 度相位移疊加式控制技術。於傳動系統方面，本計畫研發的故障預診技術，於第一年透過實驗分析結果已總結出如何獲得最有效的特徵參數(如:振動加速度使用 RMS 值、噪音分貝使用 RMS 值、電流使用平均值與標準差)。利用這些特徵參數建立的人工智慧模型，不論應用於磨耗或偏心診斷皆有 96%以上的診斷準確率。本領域亦提出創新磁性齒輪構型，針對單速變速箱的部分機械式齒輪以磁性齒輪替代，供 25kW 等級電動車的傳動系統使用，部分替換磁性齒輪變速箱的設計相對於機械式齒輪變速箱，可以降低磨擦損耗、減少噪音，以及延長使用壽命。該磁性齒輪變速箱的最大傳遞扭矩為 1,195N-m，相較於市面上同等級之齒輪箱(Mitsubishi i-MiEV 30kW)，其扭矩提升 5.7%，其扭矩密度為 123N-m/L，相較於目前國際平均 105N-m/L 的技術能力，已具水準之上。此前瞻機構亦結合創新概念的機械型 OP-Amp 型動力模組，使用者亦能輕易地透過傳動模組的調控策略設計，獲得機械系統所需的傳動特性。此架構可實現電控式無段變速、電控式差速器、循跡防滑、車身穩定等操作功能，亦可同時讓提供主驅動力的馬達操作維持在高效率工作區間。以下以五大主軸領域分述已完成之技術特點與最新發展成果，領域 A 為高品級電磁鋼片與自黏塗膜之高分子樹脂設計開發，具體之技術關聯圖如圖 3 所示。. 3.

(8) 圖 3.領域 A 技術研發成果關聯圖技術研發成果 1.電磁鋼鑄胚組織演化模式特點：高矽電磁鋼在凝固過程中直接由鋼液凝固成肥粒鐵，與一般鋼材經過兩次相變態後才轉變為肥粒鐵的情況不同，粗大的鑄胚組織直接影響熱軋組織與其後的集合組織演化。目前成果：第一年的成果有兩大特點：(1)建立了等軸狀晶粒和柱狀晶粒對軋延組織影響的定量結果；(2)發現新的軋延集合組織。本團隊已發現鑄胚中心的等軸狀晶粒在軋延時容易伴隨再結晶，使軋延組織細化，且累積較高應變能。因此在後續熱軋退火亦可快速再結晶。反之，鑄胚中的柱狀晶粒使軋延中與軋延後退火時的再結晶均不易發生，預期將影響冷軋後的再結晶。換言之，如果可以調控連續鑄造參數，或建立模內電磁攪拌設備，降低鑄胚內柱狀晶的比例，將可以有效地改善熱軋組織，預期將可提升電磁鋼片的電磁特性。此外，在熱軋組織中發現了原本只存在於再結晶組織中的結晶方位：Goss 和 Cube，對於為何再結晶組織中會出現這兩種結晶方位，提供新的解釋。技術研發成果 2.水性環氧樹脂分析與評估特點：自黏塗膜改善傳統鐵芯銲接後造成鐵芯邊緣短路，層間絕緣性下降、熱應力造成變形與磁性惡化的缺點、改善鐵芯鉚接的連接力不足，以及塑性應變造成磁性惡化的缺點，但目前相關技術與市場為少數國外供應商寡占的局面。本計畫透過光散射粒徑尺寸與分布、流體顆粒電雙層電性、酸鹼值、黏度量測與剪切力-黏彈特性等流體性質，搭配紅外線光譜儀、核磁共振光譜儀、凝膠滲透層析儀，環氧官能基滴定，熱重分析儀與示差掃瞄熱卡量計等化學儀器，建構出符合中鋼目前外購產品特性。目前成果：透過各種化學分析與技術鑑定，本計畫已於第一年完成市售自黏塗料的熱重損失分析 (TGA)、差示掃描量熱分析 (DSC)、動態光散射 (DLS)粒徑分析、化學結構氫譜核磁共振(1H-NMR)光譜分析、傅立葉轉換紅外線 (FTIR)光譜分析與凝膠滲透層析儀 (GPC) 分子量分析等。另外，額外加入的性質分析有 pH 值與元素分析，以分析出市售自黏塗料的化學結構式。在商品性質檢測成果中，已足夠提 4.

(9) 供合成的研究方向，以此為基礎將研究重點將轉移至合成水性環氧樹脂。目前已初步嘗試合成數種長鏈段二胺型水性環氧樹脂和長鏈段一胺型水性環氧樹脂，並達成化學性質與物理性質控制，例如粒徑大小、粒徑分布或玻璃轉移溫度。未來會嘗試各種水性化之方法實驗，並與中鋼公司積極溝通，測試並調整樣品之性質。領域 B(動力系統)應用上述領域 A 所開發之高性能軟磁材料與自黏技術，結合領域 E 所開發之機器學習與人工智慧技術，用於高效率車用之動力馬達與驅動器設計最佳化與客製化，並結合前瞻散熱設計技術，可使車用馬達於相同尺寸下操作於更高功率密度範圍，並達到動力系統最佳化參數與性能設計。圖 4 為領域 B 之技術關聯圖。. 圖 4. 領域 B 技術研發成果關聯圖技術研發成果 3.整合分數槽集中繞組定子與幅條式轉子技術之高功率密度馬達特點：馬達定子採分數槽集中繞(Fractional Slot Concentrated Winding)，具有端部繞組長度較短與佔槽率較高二個主要優點。端部繞組長度較短，可有效降低銅損，以提高馬達效率；佔槽率較高，則可在不增加電流密度的前提下提高輸入電流，達到更高的轉矩密度與功率密度。轉子採幅條式(Spoke-type) 設計，透過磁鐵擺放方式使其具有高聚磁效應，能大幅集中磁鐵磁通流經氣隙而產生轉矩，提升馬達功率密度。目前成果：本計畫已於第一年完成如圖 5 之整合「分數槽集中繞組定子」與「幅條式轉子」技術之高功率密度馬達設計。幅條式轉子於製作時採用磁石後充磁製程，但於大型馬達則會產生近軸處充磁不完整之情形，做為磁障層之結構也不適合車用馬達高轉速之運轉。故本計畫提出 Spoke+V 式之幅條式轉子，與同體積商用馬達相比，最大功率由 80 kW 提升至 120 kW。. 5.

(10) 圖 5. 整合分數槽集中繞組定子與創新 Spoke+V 轉子之高功率密度馬達技術研發成果 4.附加擾流件的冷卻裝置、馬達及其製造方法、冷卻裝置改裝方法特點：本計畫提出為一種附加擾流件的冷卻裝置，提升馬達定子液冷性能，專利申請中。此種冷卻裝置基於目前廠商常用之水冷套件，透過本計畫之擾流件，廠商無需重新製模即可達 2 倍之散熱效率。目前成果：關於水冷套件的前案，例如有中華民國發明專利公告第 I413349 號之「電動馬達之水冷結構」，其包括一馬達本體、一散熱基座及一擾流部。前述馬達本體係被套設在該散熱基座外。前述散熱基座具有至少一主流道設在其外周側上。前述擾流部設在該主流道內，以對主流道內流體產生擾流作用，藉以增加熱傳遞效率。但上述擾流部是一體連接於散熱基座的主流道，在製造上通常需要模具成型，模具成型需要昂貴的開模成本，不利於降低製造成本。此外，這種方式也不適合對現有的冷卻裝置進行改良。圖 6 顯示附加擾流件的冷卻裝置、馬達及其製造方法、冷卻裝置改裝方法發明圖式。. 6.

(11) 圖 6. 附加擾流件的冷卻裝置、馬達及其製造方法、冷卻裝置改裝方法技術研發成果 5.負壓相變化冷卻技術特點：馬達工作部件在工作過程會產生廢熱，而廢熱不及時排除將會影響工作部件的性能、壽命。因此為了提高工作部件的散熱效率，一般採用方式除了提高外部工作環境的熱對流現象以降低工作環境溫度之外，是在工作部件上加裝散熱鰭片，提高工作部件的散熱面積。但是經由散熱鰭片的熱場分析發現，越靠近熱源的散熱鰭片溫度越高，越遠離熱源的散熱鰭片溫度越低，而呈現溫度梯度的現象。由溫度梯度的現象可解釋散熱鰭片自該熱源吸收的熱無法均勻分佈到整個散熱鰭片，這種現象對熱源的散熱是不利的。均溫板是一種內部中空且不完全填滿工作流體的構件，利用工作流體在均溫板的吸熱面吸收潛熱產生相變化，氣化的分子均勻擴散到均溫板的散熱面，釋放潛熱後回復液體狀態回流。但是若將均溫板用於具有高低差的熱源，均溫板內的水或冷媒等工作流體將因為重力而沉降在相對低處，無法吸收高處的熱源所散發的熱，造成無法均勻散熱，因此又形成溫度梯度的現象。例如用於一馬達的散熱時，將一均溫板彎折呈環狀型態，包覆在該馬達外緣時，該均溫板內部的工作流體將沉降在該均溫板底部，而無法對該馬達產生均勻散熱的功效。本計畫提出一適用馬達結構且解決上述問題之方法，發明專利申請中。目前成果：本計畫應用微通道(Micro-channel)及脈衝式熱管(Pulsating heat pipe)之原理，於環狀馬達定子均溫板中設置相互聯通之微通道，應用柱狀汽泡脈衝震盪之原理，於環狀均溫板中進行汔液循環，應用脈衝式熱管流體於微通道產生之氣泡活塞現象，克服工作流體將沉降在該均溫板底部之問題，提升馬達定子冷卻系統之效能。圖 7 顯示散熱均溫板及其製造方法與使用該散熱均溫板的馬達發明圖式。. 7.

(12) 圖 7.脈衝式熱虹吸管(a)靜止狀態(b) Rth/Rth,0 總熱阻比值於不同冷凝器熱阻隨 Ω 與 Bn 變化之情形技術研發成果 6.超電容強化設計之電池儲能系統特點：超級電容具備大電流充放電特性且無記憶效應，將其應用於電動載具，有助改善整體系統之暫態補償特性，進而提供電動載具瞬間加速性能。高電能容量特性與超電容的能量密度較為相關，而低 ESR 超電容大多用於高功率脈衝線路，在電動車及汽電混合車等產品，均為其具潛力之相關應用場合。目前成果：本研究選擇適用之線上 SoH 量測方法，進行電池及超電容混合架構之控制策略研製。在一般的情況下，馬達的高轉矩與高轉速無法兼得，因此在不改變馬達電氣規格的前提下，其線路設計重點乃延伸在於思考具備定轉矩區驅動器高電流控制與定功率區高效率驅動能力之電路方法，亦即以馬達運轉區域決定電容功率晶體臂之起閉。本計畫基於永磁馬達的扭力大小與電流成正比關係，因此在定轉矩區以電容功率晶體臂動作提高直流匯流排電壓，配合電流控制器來協助超電容放電，增加驅動器之電流供應能力；續配合馬達進入定功率區運轉設計電容功率晶體臂截止，以電池直接供電規劃使得所提驅動器能自然融合單級與雙級系統優點，達驅動器操作效率最佳化之設計目標。透過本計畫所提電容臂 PWM 控制，根據車輛不同操作模式與超電容電壓狀態計算雙向直流轉換器之電流命令，同時將 2 C-rate 做為電池負荷電流的上限，超過 2C 的電流時啟動超電容輔助輸出電流，以達到減少電流突波之功能。本計畫所提供之控制方法可延長 300 個電池充放電循環次數，意謂著增加電池 15% 的壽命。. 圖 8. 雙電源驅動馬達架構圖. 8.

(13) 技術研發成果 8.次世代寬能隙電晶體導入特點：近年隨著碳化矽製程技術的突破，碳化矽功率元件逐漸取代傳統矽功率元件的 MOSFET 與 IGBT，且 SiC MOSFET 可承受大電壓與大電流的特性，足以勝任傳統矽材料的 IGBT。使得 SiC MOSFET 取代馬達驅動器中的矽材料 IGBT 後，馬達驅動器可以提高開關的切換速度、降低切換損失與導通損失，進而提升整體效率。因此本計畫即以 SiC MOSFET 為基礎，採三相電壓源變頻器之架構設計高功率馬達驅動器，如圖 8 所示。本計畫所提之三相驅動器是採用正弦向量脈波寬度調變技術，其中本計畫基於 SiC 之低導通損耗特性，SVPWM 所需之載波訊號設計為 20kHz，高於傳統之 8-15kHz，這使得本計畫所提驅動器在馬達驅動時之漣波轉矩可低於傳統系統。目前成果：本計畫因 B01 設計之馬達基本頻率高達 1 kHz，根據驅動與控制響應的考量，切換頻率應大於馬達基頻 10 倍以上，在實驗中切換載波頻率設定為 20kHz，首先以 IGBT 晶體進行測試，如圖 9(a) 所示，其驅動波形顯示截止時產生拖尾電流造成損耗增加使得其每次切換損失達 121 微瓦；由驅動 SiC MOSFET 的測試波形圖可知，如圖 9(b) 所示，SiC MOSFET 每一次切換損僅為 44 微瓦，與 IGBT 電路相比較，本計畫所提驅動線路可改善 63% 的切換功率損失，同時能夠避免不必要發熱量產生，藉此減少散熱器材所需之體積。. (a) IGBT 型功率晶體. (b) SiC 型功率晶體. 圖 9. 功率晶體驅動測試波形比較領域 C 研究主軸為能源系統之開發，技術研發成果關聯性如圖 10 所示，目標在於開發高電容量鋰電池以提供足夠電力需求，搭配高效能電池管理系統(BMS)以穩定鋰電池工作狀況且延長其壽命，同時整合可快速充放電超級電容以克服瞬間大電流輸出與煞車動力回收的挑戰，另外透過高性能充電器以達到縮短充電時間的目的，藉由有效整合這些關鍵零組件，將可達成性能更優越的儲能系統以提供車用電力需求。. 9.

(14) 圖 10. 領域 C 技術研發成果關聯圖技術研發成果 7.高品質超電容開發特點： 1. 電雙層電容  添加特殊高分子材料應用於膠固態電雙層電容達到高安全性。  中鋼 ACS20 活性碳製成 2.7 V 超電容罐體，並通過高溫老化驗證。 2. 鋰離子電容  整合高電容煤瀝青活性碳正極和可快充快放介相石墨負極，具有低漏電率及高電位(4.0 V)的優勢。目前成果： 1. 電雙層電容 . 利用 PAN 膠態電解質應用於對稱性二極式超級電容器，以活化瀝青碳材複合奈米碳管為電極材料，進行充放電測試，在低放電流 0.5 A/g 下的電容值為 202 F/g，高放電流 100 A/g 電容值為 108 F/g，經過 20000 圈後電容量能保持 93％以上。且不同於液態電解質(LE)電容器在 3.0 V 下無法穩定運作，經測試此膠態電解質在 3.0 V 操作下亦具穩定性且此膠態電解質製程不需改變現有業界液相製程，如圖 11 所示。. 圖 11.不同電解質循環壽命測試圖 10.

(15) . 已開發電解液添加劑配方，利用分子結構穩定電解質裂解後生成物及終止連鎖反應，期符合 1344 小時高溫老化壽命目標。目前結果顯示所開發的電解液添加劑具正面效應。. . 利用超電容半電池分析技術，探討正、負極活性碳塗層厚最佳化非對稱設計，2.7 V 超電容樣品的高溫老化壽命可由原 1680 小時提升至 2016 小時以上，證實非對稱型電極設計可有效減緩高溫老化過程中直流阻抗上升率。. . 已建立氣脹壓力分析治具，且驗證非對稱型電極設計應用於 3.0 V 超電容樣品可有效降低高溫老化過程中氣脹壓力及漏電流。. 2. 鋰離子電容現今市面上僅少數廠家商業化此電容器，相關技術正在開發中。本計畫目前已針對中鋼集團(ACS 系列; ACS15、ACS20、ACS25)與國際大廠(YP-50F)共四種活性碳材製作成鋰離子電容正極材料進行相關特性分析，目前成果如下： . 碳材比表面積與孔徑分析. 在活性碳材孔洞結構中，微孔面積決定其儲能率，但具有一定比例的中孔體積，可以加速離子移動，提高鋰離子電容的功率。目前已確認此四種活性碳微孔孔徑主要落在 0.6 ~ 0.9 nm，其中 ACS25 具有最多的中孔比例。 . 碳材之電化學分析. (1) 確認不同放電速率下的比電容值，ACS25 具有最佳表現，電容值在放電速率 0.1 A g-1 可達 75 mAh g-1，明顯高於其他三種活性碳，其原因為 ACS25 具有最高的比表面積與微孔面積。 (2) IR drop 隨著放電速率呈現線性增加，發現內電阻會隨著中孔比例增加而上升，後續將進行交流阻抗分析，探討內部阻抗差異。 (3) 證明影響鋰離子電容的速率關鍵在於負極釋出離子的速度，後續將找出最適當的負極材料以提升離子釋出速度及較小偏壓差，目前已鎖定中鋼碳素的負極材料介相碳微球(MCMB)、軟碳及硬碳做為測試的材料。表 1 展示本計畫所開發超電容的國際競爭優勢，工作電壓高於領導廠家，使超電容具有領先的功率與能量值。. 11.

(16) 表 1 本計畫所開發超電容與國際領導廠家之性能比較超級電容材料. 領導廠家. 額定電壓(V). 耶殼系活性碳. Kuraray. 2.5~3.0. 石油瀝青系活性碳. PCT. 2.5~2.7. 煤瀝青系活性碳. 中碳. 2.5~2.7. 高能量中鋼、中碳(開發中) 煤瀝青系活性碳. 3.0. 鋰離子電容材料. 領導廠家. 額定電壓(V). 石墨、活性碳. JM Energy Corporation. 2.2~3.8. 石墨、活性碳. VINA Tech. 2.2~3.8. 煤瀝青系石墨、活性碳. 中鋼、中碳(開發中). 2.2~4.0. 技術研發成果 8.高電容量鋰離子電池開發特點： 1. 矽碳負極材料開發  成功開發高品質矽碳負極粉體，經半電池電性測試，電容量可達 456 mAh/g (Si 5% wt.) 和 517 mAh/g (Si 10% wt.)，皆明顯優於傳統石墨負極(~360 mAh/g)，且相較於其他市售矽碳負極，該計畫所開發的矽碳負極材料特性更佳(如表 2)。 2. 膠固態鋰電池 . 自凝成膠技術應用於鋰電池元件，具高安全性優勢，且不需改變現有液相製程，目前電容量可達 150 mAh/g @ 1C。目前成果：. . 已開發 5wt%Si/MG-13AN 矽碳負極材料，經半電池測試第一圈充電電容值達 456 mAh/g、200 圈循環後電容量可維持 94%、第一圈不可逆電容值可達 92%，不僅符合第一年目標，此成果對比於市面上其他日韓廠牌矽碳負極材料，在相同矽材添加比例下的電容量與首圈庫倫效率毫不遜色，證明該成果已具明顯國際競爭力(如表 2)。. . 利用溼式研磨機對矽粉進行研磨，已能獲得奈米矽粒徑中位數43 nm，符合後續包碳工序的需求。經元素分析及高角度環暗場影像鑑定矽顆粒多屬長條狀，長軸數百nm，短軸則小於100 nm。矽碳 /石墨負極以鈕扣半電池測試放電量462 mAh/g，首次庫倫效率88.5%，循環92圈充放電後的容量維持率約93%。. 12.

(17) . 利用黏著劑配方(PAA+CMC)的優化，經半電池測試，確認皆能發揮出矽基材料添加提高電容值的效應，並具有良好的循環壽命，以及充放電能力。表 2 成大 Si/中碳 MG-13AN 製成矽碳負極半電池效能與市售矽碳負極比較. 技術研發成果 9. 高效能充電器開發特點： . 高功率疊加交錯式LLC 轉換器快速充電系統電路設計研製本分項計畫研製一新型兩相疊加交錯式LLC 轉換器之主電路系統架構，可將能量傳送至電動車內. 共同直流饋線DC-Bus 350～400 V 對鋰電池組和超級電容組進行快速充電，新型疊加交錯式LLC 轉換器中均流和減小輸出電流漣波技術，提高轉換器之輸出功率和效率，確保兩組電路之控制開關信號的交錯佔空比各接近50％，使得輸出電流可保持連續性且無滯後的銜接，並可同時縮減元件尺寸，達到節省成本的目的。所提出之初級側諧振技術，則具備了寬諧振頻率範圍操作之優點，即使在不同負載連接的變化下，其輸出功率皆可作任意調節以及適當的控制充電電流，可視為高功率快速充電系統設計上的一大突破。 . 雙向升降壓隔離型轉換器系統電路設計研製. 本分項計畫研製一部建置於電動車內共同直流饋線DC-Bus 350～400 V 之雙向升降壓隔離型轉換器，並搭配鋰電池組進行升降壓雙向形式之充放電應用，即以降壓模式或升壓模式來適當調節電動車內部共同直流饋線的準位；當直流饋線能量過剩時，轉換器可處於降壓模式對於鋰電池進行充電；反之，當直流饋線因電動馬達拉載或車內電子部件之使用而導致能量不足時，此時若鋰電池能量充足則轉換器可處於升壓模式提供能量至直流饋線處作適當的能量調配之用。目前成果： . 高功率疊加交錯式LLC 轉換器快速充電系統電路設計研製轉換器於重載（Heavy Load）全功率輸出情況下，功率電晶體開關的零電壓切換情況能夠達成，. 圖12所示，因此切換損失可以降低7.5%，功率晶體產生之熱能大幅降低，此系統效率得以提升15%。圖13所示，則為輸出電流與漣波電流量測圖，其中可觀察得到波形經電路設計之疊加交錯後，脈動電流通過輸出電容獲得輸出之漣波為30%，穩定提供輸出電流減少設備之變動延長連接設備端之穩定度。. 13.

(18) 圖 12. 疊加交錯式 LLC 轉換器之功率電晶體開關零電壓切換情況. 圖13. 輸出電流與漣波電流之脈動情況量測圖 . 雙向升降壓隔離型轉換器系統電路設計研製本計畫亦提出在雙向升降壓隔離型轉換器中以電流模式控制操作的電流饋入式升壓轉換電路，此. 電路設計規格已達到 1kW，從升壓模式中 48V 升壓至 380V，效率可達 92%，亦降壓模式中從 380V 降至 48V 提供充電之電壓，效率可達 90%，且 QR 諧振將導致下一個關斷開關對在 ZVS 處開啟和關閉，由於反射的 HVS 負載包括在諧振槽中，因此諧振能量可以直接傳遞到負載，並且在輕、中負載傳遞時亦已非常趨近零電壓模式導通，因此效率可提升 11%，達到高效率之傳遞。技術研發成果 10. 非接觸式傳動系統建立特點：現行傳動變速系統如:鋼帶式無段變速箱或齒輪式多速有段變速箱，皆以接觸傳動來傳遞功率，衍生摩擦力的摩擦損能、齒輪或鋼帶與帶輪等傳動機件的磨耗損壞、需定時維修保養，以及易有振動與噪音等問題，磁性齒輪具有非接觸的特性，成為受矚目的可行替代方案。本計畫已提出磁性齒輪傳動裝置的概念性架構，除減速功能外，可達到功率分流與轉向等多工一體之磁性傳動裝置。目前成果：截至 108 年 4 月，已完成開發 25kW 部分替換之磁性齒輪變速箱，及磁性齒輪運用在具差速與變速功能之雙 E-CVT 架構，其底盤架構分別如圖 14 及圖 15 所示，並建置磁性功率分流裝置與差速功能磁性齒輪電機之可用機構目錄。. 14.

(19) 圖 14. 25kW 磁性齒輪箱架構. 圖 15. 雙 E-CVT 底盤架構. 圖 14 所示之 25kW 部分替換之磁性齒輪變速箱連結領域 B 之 25kW 主動例馬達，本分項因應電動車傳動系統研發潮流，針對單速變速箱的部分機械式齒輪元件以磁性齒輪替代，此架構與大部分電動車相同，係由馬達傳動至單速齒輪箱之後，經由差速器將動力傳遞至輪胎上，提供低磨耗的傳動設計方案。圖 33 所示之磁性齒輪運用在具有差速與變速功能之雙 E-CVT 架構，由一主動力馬達(1.8kW) 與兩顆輔助馬達(1.3kW)耦合驅動，兩組磁性齒輪(MG)均連接至主動力馬達，各自有一輔助馬達進行耦合輸入，此設計係利用主動力馬達進行主要扭矩輸出，而輔助馬達則做為調配速比功能使用，該架構無需機械式差速器，且導入智慧化動力調控策略(詳見分項 D01)，除了左右輪可作獨立速比調控外，結合磁性齒輪本身具有的特點，具有無需潤滑油脂與減少機件磨耗等特點。技術研發成果 11.「智慧化動力傳動控制模組」之控制策略特點：非接觸式機構多工性取決於控制策略建立之完善程度，因模組複雜，國際上少有人可針對這部分做出精確的模型建模與控制，本技術之建立將可成為國際上針對非接觸式調速齒輪控制策略之典範。目前成果：本計畫已於第一年發展可智慧調控動力傳動模組之車輛動態模擬驗證平臺，應用於電動車所需關鍵動力傳動模組，架構如圖 16 所示，基於此模組所具有的行星齒輪對式雙輸入/單輸出的傳動特性，透過雙輸入源間的調控策略設計，於系統輸出端達到扭矩耦合及傳動轉速比調控的功能，實現智慧型電控無段變速動力模組；並結合車輛動態模擬軟體 CarSim 與虛擬實境(VR)，建立車輛硬體在環 (Hardware in the loop)，具有互動感及擬真化之技術開發環境，應用於車輛控制策略(車身穩定系統、電子差速系統、防撞輔助系統)，呈現在動力傳動模組；與實車研發相比可縮短開發控制器時間、大幅降低開發成本、確保危險測試模擬時能保有安全性、且可以重覆操作。. 15.

(20) 圖 16.虛實整合車輛模擬平台架構圖技術研發成果 12.車用動力系統可靠度之領域知識發展與失效模式建立特點：近年來因智慧機械成為趨勢，傳動系統故障診斷與預估成為各大車廠主要投入開發之關鍵技術，人工智慧、大數據與車聯網之整合亦為電動載具顯學，為電動載具開發不可或缺之技術。然而此類技術均掌握在各大車廠內部，本計畫透過特徵指標分析與人工智慧方法建立，發展傳動系統與動力系統之故障預診功能，並導入物聯網技術，進行群體傳動系統之運作狀態監測，營造更安全的電動載具使用環境，提供國內欲邁入電動載具市場之廠商一良好範本。目前成果：本研究利用工具機之傳動系統發展人工智慧診斷技術，並應用於磨耗與偏心診斷。為了妥善使用人工智慧技術，如何處理原始量測訊號獲得特徵參數即為重要的課題，本研究於第一年透過實驗分析結果已總結出如何獲得最有效的特徵參數(如:振動加速度使用 RMS 值、噪音分貝使用 RMS 值、電流使用平均值與標準差)，如圖 17 所示。利用這些特徵參數建立的人工智慧模型，不論應用於磨耗或偏心診斷皆有 96%以上的診斷準確率，證明本研究提出的智慧診斷方法於傳動系統上具高可行性。為了進一步驗證開發的診斷方法於車用傳動系統之使用成效，本研究已於第一年開始車用傳動系統測試平台建置(圖 18)，並發展所需的無線感測技術，藉由導入邊緣計算技術（edge computing），已突破藍芽傳輸速率的限制，採樣頻率可提升至 1000Hz。未來透過此平台可進一步探討除了偏心外，軸承與齒輪之故障診斷議題。此外，無線感測技術的發展亦有利於未來智慧診斷系統與雲端系統間的整合，達到遠端智慧監控之功能。. 16.

(21) 圖 17.各量測物理量特徵指標分析. 圖 18. 車用傳動系統測試平台與相關感測技術. 可利用之產業及可開發之產品：電動車產業可帶動相關的金屬產業包括有馬達製造產業、先進加工車體輕量化產業、傳動系統產業、扣件產業等。其中包括有億新、奇龍等矽鋼片冲裁業，以及東元、富田、晟昌、寧茂、台達電等馬達製造與驅動器及控制器產業。先進加工車體輕量化產業包括有宏利、佑展、裕隆等。傳動系統產業包括有江興、榮璋、金鍛、和大、台惟、國淵等。扣件產業包括有恒耀、春源以及電機相關材料供應廠，如大亞電纜(銅線)、高科磁技(磁鐵)等。而除上述傳統產業之發展外，本計畫以應用端為導向，在系統相關廠商，由小功率至大功率相關之系統廠均可套用本計畫所開發之動力總成公版，如光陽、睿能、華創、裕隆、巨大機械等。領域 C 計畫涵蓋完整的儲能系統之開發，主要包含超電容、鋰電池、電池管理系統(BMS)和充電系統，除了生產這些零組件產品的產業之外，有效整合後的應用更廣，各種需使用到儲能裝置的產業皆可使用，例如：大中小型儲能電站、輕軌、電動汽車、電動機車、各式 3C 產品、空拍機、物聯網… 等等，相關廠商則如能元、永隆、羅森、新普科技等電池、電芯及封裝廠。 17.

(22) 因本計畫整合大數據與演算法開發，並建立線上即時品檢與車用系統故障診斷技術，甚至於雲端智能選材及性能快速評估等 AI 功能，此類均為國內剛興起之產業且皆為高附加價值需客製化之獨有性，如研華科技即為近年所及受矚目之代表，國外早已蓬勃方展且許多技術均掌握在各大系統廠內，本計畫透過科技部與中鋼、晟昌、新代、睿能、大亞、國級與能元之協作，目標開創一領先國際之電動載具動力總成完整技術鏈，相關 AI 最佳化與智能故障檢測技術更可套用到諸多不同產業別，相當具擴散性。. 推廣及運用的價值：如增加產值、增加附加價值或營利、增加投資/設廠、增加就業數………等。本計畫企業聯盟包含材料端之中鋼中碳、中游廠商之晟昌(馬達)與新代(控制器)，另線材廠(大亞電纜)、電池系統(能元科技)與系統應用端(睿能)等公司，亦已確認加入協力廠商，從應用端與使用者角度，提供本計畫技術支援與國際競品規格，並將本計畫所開發之技術帶回產業並將其商品化量產。本計畫在於開發電動載具之 power train 關鍵動力總成技術公版，以帶動並活化國內及中鋼相關產業之材料應用，包含高規電磁鋼片、碳矽材料與磁鐵等，所開發之技術目標可應用於電動載具，如電動堆高機或高爾夫球車也皆在應用範圍內，具體產業增加附加價值效應可列舉如下: 1.鋼鐵產業的經濟效益：預估 2040 年全球電動車將達 4 千萬輛，電磁鋼片需求達 200 萬噸，預計協助爭取商機至全球 5%約 10 萬噸，產值約 50 億元，電磁鋼片衝裁加工，預估可附加 20%效益，約 10 億元。電池等負極材料，每年可新增產值 6 億元。另可促進電磁鋼片產線投資約 20 億元。此外，培育 3 年近 10 位博士級高階研究人力，與 60 位以上之相關產業碩士級研發人力。 2.中鋼的經濟效益：透過本計畫與科技部支持，目前中鋼產值已提升近五億元，且中鋼已於自行投入新電磁鋼片研發經費 500 萬餘元，以及投入超過千萬之經費建立 80 噸鋼片冲床試作系統與連續模，並規畫未來三年投入超過 2 億台幣促使大聯盟所產出之相關電磁鋼片技術進入量產。 3.其他外溢效果：相關電磁鋼片黏結製程、高規碳球、車電動力模組技術與雲端平台智慧檢測模組，可延伸價值鏈至 10 個以上傳統用鋼產業、車電，甚於機電產業及綠能產業。 4.增加就業數：透過科技部、中鋼及本計畫支持，目前由本計畫執行所訓練出之研究生，有近半數尚未畢業(超過 30 人)即已獲得電動載具相關產業之研發職位(台達電、光陽、巨大機械、東元等)，未來將會將本計畫之相關技術擴散至國內外相關產業中，並增加國內就業人數。. 處理方式：立即公開 (依規定，精簡報告係可供科技部立即公開之資料，並以 4 至 10 頁為原則，如有圖片或照片請以附加檔案上傳，如因涉及專利、技術移轉案或其他智慧財產權、影響公序良俗或政治社會安定等，而不宜對外公開者，請勿將其列入精簡報告). 中. 華. 民. 國. 108 年 04 月 30 日. 18.

(23) 科技部補助產學合作研究計畫成果完整(進度)報告. （新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置）. 計畫類別：□ 先導型. □ 開發型. □ 技術及知識應用型 ▓創新. 營運模式產學合作計畫計畫編號：MOST 107－2622－8－006－105 執行期間： 107 年 08 月 01 日至 108 年 07 月 31 日執行單位：國立成功大學機械工程學系計畫主持人：蔡明祺共同主持人：張六文、鄭如忠、洪昌鈺、謝旻甫、張始偉、白富升、盧建銘、鄧熙聖、劉全璞、張家欽、謝宏毅、陳國聲、吳益彰、鄭芳田、蔡明欽、林新惟、林省揚、吳崇勇、許仁勇計畫參與人員：黃柏維、施凱中、林維哲等共 58 人. 處理方式：公開方式： ▓不予公開公開(如有企業配合款，須與合作企業商議同意)： □立即公開 □1 年後公開 □2 年後公開. 中. 華. 民. 國 108 年 4 月 30 日.

(24) 目. 錄. 1. 中文摘要............................................................................................................... VII 2. 英文摘要............................................................................................................. VIII 3. 期末研發成果........................................................................................................... 1 3.1 領域 A.高品級電磁鋼片與自黏塗膜之高分子樹脂設計開發..................... 13 3.1.1 電磁鋼片底材冶金技術研究（A01）..................................................... 14 3.1.1.1 前言..................................................................................................... 14 3.1.1.2 研究目的............................................................................................. 14 3.1.1.3 文獻探討............................................................................................. 15 3.1.1.4 研究方法............................................................................................. 25 3.1.1.5 結果與討論......................................................................................... 26 3.1.1.6 結論..................................................................................................... 36 3.1.1.7 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................... 36 3.1.1.8 參考文獻............................................................................................. 37 3.1.2 電磁鋼片自黏水性樹脂塗膜研究(A02) .................................................. 39 3.1.2.1 前言..................................................................................................... 39 3.1.2.2 研究目的............................................................................................. 41 3.1.2.3 文獻探討............................................................................................. 41 3.1.2.4 研究方法............................................................................................. 58 3.1.2.5 結果與討論......................................................................................... 58 3.1.2.6 結論..................................................................................................... 95 3.1.2.7 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................... 95 3.1.2.8 參考文獻............................................................................................. 96 3.1.3 電磁鋼片智慧製造監控技術研究(E03) .................................................. 97 3.1.3.1 前言...................................................................................................... 97 3.1.3.2 研究目的.............................................................................................. 97 3.1.3.3 文獻探討............................................................................................. 98 3.1.3.4 研究方法........................................................................................... 100 3.1.3.5 結果與討論....................................................................................... 110 3.1.3.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 116 3.1.3.7 參考文獻........................................................................................... 117 3.1.4 電動車馬達電磁鋼片開發 (MC01) ...................................................... 119 3.1.4.1 前言................................................................................................... 119 3.1.4.2 研究目的........................................................................................... 120 3.1.4.3 文獻探討........................................................................................... 120 3.1.4.4 研究方法........................................................................................... 122 3.1.4.5 結果與討論....................................................................................... 123 3.1.4.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 130 II.

(25) 3.1.4.7 參考文獻........................................................................................... 130 3.1.5 電磁鋼片自黏塗膜開發 (MC02) .......................................................... 131 3.1.5.1 前言................................................................................................... 131 3.1.5.2 研究目的........................................................................................... 132 3.1.5.3 文獻探討........................................................................................... 133 3.1.5.4 研究方法........................................................................................... 134 3.1.5.5 結果與討論....................................................................................... 136 3.1.5.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 140 3.1.5.7 參考文獻........................................................................................... 141 3.1.6 自黏塗膜鋼捲加工技術(MC03) ............................................................. 142 3.1.6.1 前言................................................................................................... 142 3.1.6.2 研究目的........................................................................................... 143 3.1.6.3 文獻探討........................................................................................... 143 3.1.6.4 研究方法........................................................................................... 145 3.1.6.5 結果與討論....................................................................................... 145 3.1.6.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 151 3.1.6.7 參考文獻........................................................................................... 152 3.1.7 電磁鋼片智能動態調控生產技術開發(MC04) .................................... 153 3.1.7.1 前言................................................................................................... 153 3.1.7.2 研究目的........................................................................................... 153 3.1.7.3 文獻探討........................................................................................... 154 3.1.7.4 研究方法........................................................................................... 157 3.1.7.5 結果與討論....................................................................................... 169 3.1.7.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 169 3.1.7.7 參考文獻........................................................................................... 170 3.2 領域 B.整合多物理量分析之高性能動力馬達設計 ..................................... 171 3.2.1 高功率密度主動力馬達最佳化設計關鍵技術(B01) ............................. 173 3.2.1.1 前言.................................................................................................... 173 3.2.1.2 研究目的............................................................................................ 173 3.2.1.3 文獻探討............................................................................................ 174 3.2.1.4 研究方法.................................................................................... 177 3.2.1.5 結果與討論....................................................................................... 187 3.2.1.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 ................................................... 190 3.2.1.7 參考文獻........................................................................................... 191 3.2.2 負壓相變化馬達冷卻創新技術(B02) ..................................................... 195 3.2.2.1 前言.................................................................................................... 195 3.2.2.2 研究目的........................................................................................... 195 3.2.2.3 文獻探討........................................................................................... 195 III.

(26) 3.2.2.4 研究方法........................................................................................... 200 3.2.2.5 結果與討論....................................................................................... 207 3.2.2.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 217 3.2.2.7 參考文獻........................................................................................... 219 3.2.3 多能量源馬達驅動與再生煞車之一體化設計技術(B03) ..................... 223 3.2.3.1 前言.................................................................................................... 223 3.2.3.2 研究目的........................................................................................... 223 3.2.3.3 文獻探討........................................................................................... 224 3.2.3.4 研究方法........................................................................................... 230 3.2.3.5 結果與討論....................................................................................... 248 3.2.3.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 249 3.2.3.7 參考文獻........................................................................................... 250 3.2.4 馬達多物理量耦合模擬計算平台之建置與維運(E02) ......................... 252 3.2.4.1 前言.................................................................................................... 252 3.2.4.2 研究目的........................................................................................... 252 3.2.4.3 研究方法........................................................................................... 253 3.2.4.4 結果與討論....................................................................................... 260 3.2.4.5 參考文獻........................................................................................... 260 3.3 領域 C.矽碳負極粉應用於鋰電池、超電容儲能模組設計開發................ 261 3.3.1 超電容高值化開發(C01) ......................................................................... 263 3.3.1.1 前言.................................................................................................... 263 3.3.1.2 研究目的............................................................................................ 265 3.3.1.3 文獻探討........................................................................................... 266 3.3.1.4 研究方法........................................................................................... 271 3.3.1.5 結果與討論....................................................................................... 273 3.3.1.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 279 3.3.1.7 參考文獻........................................................................................... 281 3.3.2 先進高容量矽碳負極材料開發(C02) ..................................................... 282 3.3.2.1 前言.................................................................................................... 282 3.3.2.2 研究目的........................................................................................... 283 3.3.2.3 文獻探討........................................................................................... 283 3.3.2.4 研究方法........................................................................................... 284 3.3.2.5 結果與討論....................................................................................... 285 3.3.2.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 288 3.3.2.7 參考文獻........................................................................................... 289 3.3.3 鋰離子單電池設計開發(C03) ................................................................. 290 3.3.3.1 前言.................................................................................................... 290 3.3.3.2 研究目的........................................................................................... 290 IV.

(27) 3.3.3.3 文獻探討........................................................................................... 291 3.3.3.4 研究方法........................................................................................... 295 3.3.3.5 結果與討論........................................................................................ 297 3.3.3.6 結論................................................................................................... 302 3.3.3.7 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 302 3.3.3.8 參考文獻........................................................................................... 303 3.3.4 電動車電源管理系統技術開發(C04) ..................................................... 304 3.3.4.1 前言.................................................................................................... 304 3.3.4.2 研究目的........................................................................................... 304 3.3.4.3 文獻探討........................................................................................... 304 3.3.4.4 研究方法........................................................................................... 304 3.3.4.5 結果與討論....................................................................................... 312 3.3.4.6 結論................................................................................................... 319 3.3.4.7 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 320 3.3.4.8 參考文獻........................................................................................... 320 3.3.5 矽碳負極粉及高容量活性碳產製技術開發(MC05) ............................. 321 3.3.5.1 前言.................................................................................................... 321 3.3.5.2 研究目的........................................................................................... 321 3.3.5.3 文獻探討........................................................................................... 322 3.3.5.4 研究方法........................................................................................... 328 3.3.5.5 結果與討論....................................................................................... 330 3.3.5.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 337 3.3.5.7 參考文獻........................................................................................... 337 3.4 領域 D.智慧化動力傳動次系統控制模組..................................................... 339 3.4.1 智慧動力傳動控制模組控制技術開發(D01) ........................................ 340 3.4.1.1 前言.................................................................................................... 340 3.4.1.2 研究目的........................................................................................... 341 3.4.1.3 文獻探討........................................................................................... 342 3.4.1.4 研究方法........................................................................................... 348 3.4.1.5 結果與討論....................................................................................... 355 3.4.1.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 355 3.4.1.7 參考文獻........................................................................................... 356 3.4.2 車用動力系統可靠度之領域知識發展與失效模式建立(D02) ............. 358 3.4.2.1 前言.................................................................................................... 358 3.4.2.2 研究目的........................................................................................... 359 3.4.2.3 文獻探討........................................................................................... 360 3.4.2.4 研究方法........................................................................................... 362 3.4.2.5 結果與討論....................................................................................... 367 V.

(28) 3.4.2.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 368 3.4.2.7 參考文獻........................................................................................... 369 3.4.3 次世代非接觸式磁性動力傳動一體化機電模組(D03) ......................... 370 3.4.3.1 前言.................................................................................................... 370 3.4.3.2 研究目的........................................................................................... 370 3.4.3.3 文獻探討........................................................................................... 370 3.4.3.4 研究方法........................................................................................... 374 3.4.3.5 結果與討論....................................................................................... 393 3.4.3.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 394 3.4.3.7 參考文獻........................................................................................... 394 3.4.4 智慧型動力模組雲端服務平台建置(E01) ............................................. 396 3.4.4.1 前言.................................................................................................... 396 3.4.4.2 研究目的........................................................................................... 397 3.4.4.3 文獻探討........................................................................................... 398 3.4.4.4 研究方法........................................................................................... 401 3.4.4.5 結果與討論....................................................................................... 410 3.4.4.6 關鍵技術突破與國際競爭力說明 .................................................. 411 3.4.4.7 參考文獻........................................................................................... 412 4. 本計畫關鍵技術關聯性與亮點現況 .................................................................. 413 5. 107 年度查核點(107 年 8 月~108 年 7 月) .......................................................... 429 6. 本產學合作計畫預估後續發展情形概述 .......................................................... 450 7. 本產學合作計畫研發成果及績效達成情形自評表 .......................................... 454 8. 附錄....................................................................................................................... 458. VI.

(29) 1. 中文摘要因應全球空汙問題，政府積極推動電動載具取代傳統燃油載具。電動載具需滿足續航力的性能要求，因此電池模組效率、動力系統功率密度、以及馬達鐵芯損耗等要求相對高。然而因市場對加工技術與材料性能之要求更高，國產鐵芯已漸無國際競爭力。有鑑於此，本計畫結合國內鋼鐵龍頭中鋼公司，動力馬達大廠晟昌公司與控制器大廠新代公司，鑑別出現今電動載具之需求，歸納為五大主軸： 1. 高品級電磁鋼片與高分子樹脂自黏塗膜製程；2. 整合多物理量分析之高性能動力馬達設計；3. 矽碳負極粉應用於鋰電池、超電容儲能模組設計；4. 智慧化動力傳動次系統控制模組；5. 智能最佳化設計與雲端服務平台建置。計畫將聚焦於電動載具之動力總成(power train)系統：從材料面：透過自黏塗膜鐵芯與膠材之開發降低鐵芯損失，並結合散熱設計及多物理量設計分析，開發高性能電動載具動力馬達與驅動器模組，再由碳矽極材料開發、鋰電池與超電容模組來改善電池能量密度，並提升電動載具瞬時充放電性能與加速性。從結構面：提出兼具差速器、齒輪箱與無段變速功能之磁力耦合裝置，結合智慧動力控制模組成為一輕量化之智慧傳動次系統。從系統面：成立一泛用式系統設計雲端服務平台，有效地將各分項計畫水平與垂直整合，並透過巨量資料分析(Big data analytics)、虛實整合系統(CPS)及雲端運算(Cloud computing)等技術，使動力系統達最佳安全性、可靠度，並降低生產成本。最後結合雲端平台成立一研究服務中心(Research Service Center, RSC)，讓使用者透過外部系統，即可隨需求(On-demand)利用雲端平台上之各式智能雲端服務。. VII.

(30) 2. 英文摘要 In responding to the air pollution problem, the government actively encourage the use of electric vehicles to replace the traditional fuel vehicles. However, electric vehicles face the challenge of fulfilling the performance requirement of endurance;hence, the requirements to battery module efficiency, power density of the power train system, motor core loss, etc. are relatively high. However, due to the higher requirements of processing technology and material properties on the market, the existing domestic supply capacity of iron core is gradually losing its international competitiveness. Therefore, this project links the domestic leading companies from upstream to downstream, such as China Steel Corporation, the motor manufacturer Cheng Chang Machine Electronic Co., Ltd. and the controller manufacturer SYNTEC Technology Co., Ltd., to identify the current demand for the power components of the electric vehicle and sum up to five research focuses: 1. High grade electromagnetic steel sheet and self-adhesive coating process with macromolecule resin; 2. High-performance motor design integrated with multi-physics analysis; 3. Applications of carbon-negative anode powder in the design of lithium battery and supercapacitor energy storage module; 4. Intelligent power transmission subsystem control module; 5. Platform construction providing intelligent optimization design and cloud service. The project will focus on the power train system for the electric vehicle: From the material side: Reduce core loss via the self-developed self-adhesive coating iron cores and adhesive materials; combining thermal design and multi-physics analysis, high-performance electric vehicle power motors and driver modules is developed with the target of being comparable to international electric vehicle manufacturers; then, via developing carbon anode materials, lithium batteries and ultracapacitor modules, the energy density of the battery is improved, and the instantaneous charge and discharge performance and acceleration of electric vehicles are enhanced. From the structure side: Propose a magnetic coupling device that combines the functions of differential, gearbox, and continuously variable transmission, and then further combining with the intelligent power control module to construct a ightweight, intelligent transmission subsystem. From the system side: A general-purpose system cloud service platform was designed to effectively vertically and horizontally integrate the contributions and achievements of each sub-project, and further via the technologies of big data analytics,cyber-physical system and cloud computing to enable the power system to achieve the goals of the highest safety and reliability, and reducing production costs. VIII.

(31) Finally, a research service center (RSC) is set up in conjunction with the cloud service platform to allow industrials to access various intelligent cloud services in on-demand manner through external systems.. IX.

(32) 3. 期末研發成果前言本計畫以“新世代車用動力驅動關鍵模組整合設計之智能化平台建置”為研究主軸，如圖 3.1 所示，以電動載具之動力總成(power train)為標的，從上游材料端出發拓展智應用端，由業界出題，鑑別出企業聯盟(中鋼、晟昌、新代、能元、睿能、大亞等)在銷售與開發動力總成相關產品與原料所面對之瓶頸與挑戰，及企業聯盟的客戶，對於動力總成之五大需求，包含高舒適、高續航、高安全、高智慧與低成本，透過學界串聯國內產業界資源共同解題，建立全國產之電動載具動力總成功版，如圖 3.2 所示。. 圖 3.1 全國產之電動載具動力總成公版. 圖 3.2 產學大聯盟業界對學界需求鑑別 1.

(33) 透過上述五大需求，本計畫鑑別出數個關鍵技術，如圖 3.3 與圖 3.4 所示，本計畫從動力總成之電磁鋼片與電池系統材料關鍵技術開發切入，進而串聯至動力馬達、驅動器及傳動系統，並且透過大數據技術收集其相關資訊整合至雲端，建立線上品檢與錯誤診斷及智慧製造技術，從材料、設計到系統後處理及產線良率估測，完整建置電動載具動力總成之生態鏈模板與關鍵技術。. 圖 3.3 與安全性、舒適性及安全性有關之關鍵技術. 圖 3.4 與智慧化與低成本有關之關鍵技術 2.

(34) 上述所建立之技術並可外溢應用至鋼鐵、電機、電池及車輛產業等相關產業鏈，藉以提升國內整體電動載具產業鏈之技術能量。圖 3.5 與圖 3.6 爲本期計畫主軸與領域分工，本計畫已於執行第一年建立五大研發計畫主軸：(1)材料製程；(2) 動力系統；(3)能源系統；(4)次系統；(5)智慧檢測，其主要工作內容為： 1. 高品級電磁鋼片與自黏塗膜之高分子樹脂設計開發; 2. 整合多物理量分析之高性能動力馬達設計; 3. 矽碳負極粉應用於鋰電池、超電容儲能模組設計; 4. 智慧化動力傳動次系統控制模組; 5. 智能最佳化設計與雲端服務平台建置計畫在整體分工合作架構上，是以上述五大關鍵系統為目標，歸納出 15 項研究課題，並藉由國內 20 餘位此領域專長相關之教授協助，以產學合作推動此整合型研究計畫，此外亦於第一年執行期間，不斷由學界與業界邀請更多廠商、專家及學者投入本計畫協作行列，藉以提升本計畫之產出與成果品質。. 圖 3.6 產學大聯盟學界研發團隊五大主軸如圖 3.6 所示，本計畫中鋼研發團隊亦投入 5 個研究專題，包含電磁鋼片相關的 MC01~MC04 及與電池相關的 MC05，分別支援中山及台大為首的學界 2 個研究團隊(A01、A02)，包含高導磁率電磁鋼片與自黏塗膜材料開發，以及以成大為主的 4 個研究團隊(C01~04)，專長於能源系統之電池與負極材料開發及電源管理技術，從材料端的電磁鋼片、黏膠、電池、超電容著手，整合至 3 個主動力系統團隊(B01~03)與 3 個次系統團隊(D01~03)，包含高功率密度動力馬達設計、驅動、及散熱處理，以及連接前瞻創新之無段變速機設計、控制及即時故障診斷技術。本計畫領域採 4+E+M 的模式，前四個主軸領域的各項關鍵技術亦會透過智慧化團隊(E01~03)之雲端最佳化平台整合與串聯，最後目標為可達成線上動力總成系統性能評估，客製化材料最佳選配與良率估測等前瞻智能特性。 3.

(35) 圖 3.6 學界與業界共 20 個分項計畫之間之關聯性第一年計畫管理策略與擴散效益實質成效為使本計畫團隊研究項目更具整合性，擴散效益更具產業價值，本計畫於第一年執行數個不同以往之管理機制，並已獲得實質成效，如以下所示之 8 大特點。 1.銜接計畫案以加速計畫進程本計畫透過中鋼公司於計畫起始前半年即與成大成立一先期規劃銜接計畫之產學合作案(金屬材料於電動載具動力模組次系統之高值化應用企劃案，成大基金會編號: 107S137)，提前由應用載具需求端之技術規格逆向回推出本計畫各領域與各個子項計畫之開發目標，並規劃計畫結束後之後續營運策略，以及提前尋找國內潛在合作廠商及應用場合，並於 107 年 10/9 於成大舉行啟動會議，如圖 3.7 所示。. 圖 3.7 大聯盟啟動進程與啟動會議. 4.