〈産業技術と情報〉革新的な技術が電気自動車のビジネスチャンスを支援します。

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工業技術研究院の饒達仁所長(左)が王美華経済部長(中央)に台湾初の「炭化ケイ素モーター駆動制御装置」を紹介します。

市場は、2035年までに電気自動車と燃料自動車の販売台数がゴールデンクロスすると予測しています。電気自動車市場の急速な成長に直面して、閉幕したばかりの「台北国際自動車部品・エレクトロニクスショー」において、工業技術研究院は経済部技術処の「台湾車両移動研究開発同盟」(mTARC)テーマ館では、国際動向と同期した製品応用を含む最新のハイライト技術が展示され、台湾の確かな技術力を証明しています。

経済部技術処が設立したmTARCは、工業技術研究院を含む9つの研究開発機関を持ち、2008年以来、自動運転車と電気自動車に関する特許を1,000件以上蓄積しています。 これは台湾メーカーが電気自動車や自動運転の産業チェーンに参入するための武器庫であると同時に、産業革新や研究開発を支援する技術プロジェクトの成果とも言えます。 現在、特許メーカーは 100 社に達し、合計 257 件を超える特許が認定され、メーカーが 1,000 億近い生産価値のメリットを創出できるよう支援しています。

自動車産業ボータル(Marklines)のデータによると、2020年の電気自動車の世界販売台数は300万台に達し、成長率は46.3%です。世界の自動車エレクトロニクス市場の総額は約 3,600 億ドルに達し、台湾の自動車エレクトロニクス産業の生産高は過去 5 年間で毎年 13% 増加し、2020 年の生産額は 2,700 億台湾ドルに達しました。 大手情報通信企業も加わったことで開発はさらに強力になることが予想され、2025年の生産額は5000億~6000億元に達すると予想されています。

台湾初の車載用炭化ケイ素モーターコントローラー

今年工業技術研究院は多くのハイライト技術を展示しましたが、その中でも台湾初の車載用「炭化ケイ素モーターコントローラー」が最も注目を集めました。 現在、この技術の開発に成功しているのは、世界でも数社のメーカーと、国際的な電気自動車メーカーのテスラ(TESLA)だけです。工業技術研究院機械研究所の張新虹所長は、「モーター・コントローラー」と「モーター」はそれぞれ異なる役割を果たします。車が電動化されると、バッテリーは直流電流(DC)を供給しますが、モーターは交流電流(AC)で)で動きます。 「モーターを動かすには、途中に直流を交流に変換するブリッジがなければなりません。 このブリッジがモーター・コントローラーであると説明しました。

炭化ケイ素(SiC)は、世界が多額の投資を行っている新世代の化合物半導体材料です。高周波カット、高効率、高耐電圧、高温耐性などの特性があり、カーエレクトロニクスに広く使われています。

今回、工業技術研究院がドライバ・コントローラのパワーコンポーネントとして炭化ケイ素を使用するのは、電気自動車アプリケーションでは、モーター駆動コントローラーが最も高い電圧と最大の電力を必要とするためです。「炭化ケイ素部品は、このような高電圧、大電流、高出力の部品に使用される場合にその利点を最大限に発揮でき、ドライバーの重量と体積を大幅に削減できます」と張欣宏は述べました。

炭化ケイ素には固有の材料上の利点がありますが、相互に適合させる必要がある周辺設計はまだ数多くあります。 第一に、高いスイッチング周波数はスイッチング損失を低減し、モーター制御効率を向上させますが、電磁干渉の問題も発生するため、高周波ノイズ対策の駆動回路設計を採用する必要があります。第二に、耐熱性が高いため、冷却システムをより厳密に設計する必要があります。工業技術研究院は能動的な温度推定と補償技術の開発を通じて、モジュールの温度を確保します。

全体的なモジュール構造設計により、炭化ケイ素モータードライバーの出力密度も向上しました。 一般的なモータードライバーの電力密度は20kW/L程度ですが、工業技術研究院が開発した炭化ケイ素製モータードライバーは40kW/Lという高い電力密度と99%という高効率を実現して、国際レベルを備えます。

張新虹は、炭化ケイ素パワーモジュールの技術的敷居が高く、現在各国で投資しているメーカーはそれほど多くなく、量産車に採用しているのはテスラだけだと指摘しました。工業技術研究院の技術は現在、実験室でのテストラットフォームの段階にあり、来年早々には実車テストを実施する予定です。将来的には、電気トラックや電気バスに応用することができ、動力駆動制御装置の国内完全ソリューションを提供し、台湾の電気自動車用主要部品の市場を制覇します。


工業技術研究院が開発した炭化ケイ素製モータードライバーは40kW/Lという高い電力密度と99%という高効率を実現して、国際レベルを備えます。

統合されたパッケージング技術で、モータードライブコントロールは、小さな力で大きな力に勝つようなものです。

工業技術研究院は、電気自動車だけでなく、電動バイク用のモーターコントローラーでも進歩し、世界初の8kW以上の高密度集積パワーモジュールを発表しました。工業技術研究院電気光学研究所の張道志チーム長は、従来のモーターコントローラーはほとんどがディスクリート部品、つまり個別にパッケージされたICを使用し、回路基板のサイズを小さくすることが難しいことだと述べました。現在、台湾の電動バイクのモーター コントローラーのサイズに基づくと、モーター出力は約 3kW ~ 6kW です。

工業技術研究院は、統合アプローチを採用し、半導体チップパッケージング技術を利用し、より多くのチップをモジュールに統合しています。このプロセスでは、チップの位置、配線設計、均一な放熱などの技術的障壁を克服し、最終的には同じ体積で駆動可能なモーター出力が8kW以上になることを達成します。現在の国内電動バイクメーカーの2~3倍で、イエローカードの大型重機の出力レベルに相当します。

高密度統合パワーモジュールに加え、モーター駆動制御システム全体には、マイコンボード、電源ボード、ドライバーボードも含まれます。全体を統合設計することで小型化し、3次元積層構造で組み合わせています。現在市販されているモータドライブシステムのサイズを1/3に縮小できます。

張道智は、このような設計が車のバッテリー切れを常に心配しているユーザーの「航続距離の不安」も解決できると指摘しました。従来、DCからACに変換する際には多少の電力損失が避けられず、一般的なモータ駆動制御システムの変換効率は90%~92%程度でしたが、工業技術研究院の統合設計により電流経路が短縮され、変換効率は97%にも達し、、電動バイクの耐久性を効果的に向上します。この前、工業技術院は国内の電動バイクメーカーからカスタムオーダーを受け付け、今年下半期に出荷する予定です。最近では台湾や日本のモーターメーカーとも協力し、大型電動バイクに適用する機会も得ています。


導体チップパッケージング技術を利用し、より多くのチップをモジュールに統合しています。(右) 、駆動可能なモーター出力は8kWを超え、統合設計でモータードライバー全体のサイズを1/3に縮小できます。(左)

半導体配線技術でバッテリーの安全性を確保します。

電気自動車のもうひとつの焦点はバッテリーの安全性です。 張道志は、「現在の電動バイクのバッテリーは主に溶接技術を使用しています。銅やニッケルのシートをレーザースポット溶接する方法で電池セルを1つずつつないでいます。 一旦1つの電池セルが過熱して燃え始めると、保護メカニズムを作ることができず、発火状況を引き起こします」と述べました。

現在の電気自動車の安全規制では、バッテリーの焼損防止に対する要求がますます厳しくなっています。工業技術研究院が出展した「二次電池パック」は、この問題を解決するため、従来のスポット溶接技術を超音波ワイヤーボンド技術に置き換え、保護メカニズムを実現します。

いわゆるワイヤーボンディングとは、銅板をアルミ線に置き換えたもので、高周波の超音波振動を利用し、表面摩擦による強固な接合を実現するもので、半導体パッケージでは一般的な方法です。
張道志は、「アルミ線を選んだのは、第一に材料の人気のため、第二に、アルミニウムの融点が660度だからです。、電池が過熱し始めると、アルミ線が溶ける温度に達します。アルミ線はヒューズのような役割を果たし、燃え広がるのを効果的に防ぎます」と述べました。

しかし、アルミ線の太さははわずか250ミクロンで、髪の毛5本分の幅しかありません。ワイヤーボンディングの最大の技術的閾値は、全体的な品質管理にあり、超音波振動の力を正確に制御し、各ワイヤーを均等かつ適切に打ち抜かなければなりません。力が強すぎると バッテリーの基盤を損傷する可能性があり、力が軽すぎると接触強度が不十分になります。

さらに、アルミ線の接続方法は、電流が均一に分配されるように設計する必要があり、「接続方法が異なれば、電流の流れ方も異なり、加熱パターンも異なります」と張道志は述べました。

現在、この技術に投資している台湾のメーカーはまだわずかで、工業技術研究院は多くのバッテリー メーカーからバッテリー モジュール全体のカスタム設計を依頼されています。 将来的には電動バイクだけでなく、ゴルフカートなどの小型電気自動車への搭載も可能で、小型電気自動車向けの電池ビジネスチャンスを開拓します。


工業技術研究院が出展した「二次電池パック」は、従来のスポット溶接技術を超音波ワイヤーボンド技術に置き換え、保護メカニズムを実現します。

2速トランスミッションモジュールは、バッテリー寿命を効果的に向上させます。

電気自動車は変速機を必要としないという偏見を打ち破り、工業技術研究院は数日前、経済部技術処が支援した「電気自動車変速モジュール設計と多段変速技術」を発表しました。そして、大手歯車メーカー「Batom Co, Ltd.」を支援して、台湾初の自社設計・製造による「電気自動車用2速トランスミッションモジュール」を開発しました。将来、高性能セダン、SUV、乗貨両用車に使用することができます。

工業技術研究院 機械‧機械電気システム研究所胡竹生所長は、近年の電気自動車の開発傾向を観察すると、国際的な大手トランスミッションメーカーが相次いで2速トランスミッションモジュールの研究開発に投資し、3-in-oneパワーシステムを開発しました。それに応じて、車両の加速性能、最高速度を向上させ、高負荷および高速での電気自動車の電源システムのエネルギー消費と動力性能のバランスをとると指摘しました。

シングルスピードギアボックスに比べ、2 速トランスミッション モジュールは高ギア比と低ギア比の 2 つのギアを使用し、車両の加速と最高速度の性能を向上させ、高速および高負荷の条件下での電気自動車の出力ニーズを同時に満し、両方の条件下でモーターが高効率の電力出力を維持できるようになり、車両の航続距離が実質的に 10% 増加します。さらに、2 速システムでは、同じ性能を維持しながらより小型の出力モーターを使用し、電源システムの小型化という目的を達成でき、この利点を利用してハイエンド電気自動車市場に参入できます。

経済部技術処の張能凱科長は、かつて台湾の自動車トランスミッション産業はギア部品の生産とOEMが中心で、モジュールシステムの設計にはほとんど焦点を当ていなかったと述べました。今回、工業技術研究院と Batom Co, Ltd. の協力は、トランスミッションモジュールの設計、分析、検証における国内の技術力を補完するだけでなく、同時に国内の自動車部品メーカーがシステム モジュール工場に転換することも支援します。

本製品は電気自動車の3in1パワーシステムの基礎として使用され、地域化されたモーターと駆動コントローラー資源を統合し、産業バリューチェーンを形成することもでき、国際的な電気自動車産業のサプライチェーンに参入し、 国内の電気自動車パワーシステム産業を改善できます。

工業技術研究院は、多方面からのアプローチを通じて、台湾の電気自動車産業が必要とする主要技術に率先して投資し、市場の空白を明らかにし、電気自動車時代を勝ち抜くチャンスを得ています。


2 速トランスミッション モジュールは高速および高負荷の条件下での電気自動車の出力ニーズを同時に満し、両方の条件下でモーターが高効率の電力出力を維持できるようになり、車両の航続距離が実質的に 10% 増加します。

出典 : https://news.cnyes.com/news/id/4650946
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