車用電的未來
稀土與48V車用供電系統
 

文 張家榮2018/4/18

最近中美貿易戰打得沸沸揚揚，對汽車產業來說，則關係到電動車重要構成元素「稀土」的輸出；而歐盟預計在2020年將每公里二氧化碳排放量（g/km）降低至95g/km，再加上主動系統的用電量增長，促使了48V供電系統的普及。看似無任何相關的兩者，卻可能影響未來汽車產業的發展趨勢，且看本文的深度剖析。

稀土
稀土是什麼？
一般來說，在報導或是文章中所用的「稀土」，應當指的是「稀土金屬（Rare Earth Metal）」，為鈧、釔和鑭系元素等多種化學元素的總稱；雖以稀土為名，但實際上部分元素的含量並不稀少，舉例來說，鈰（Cerium）在地殼中的豐富度位居第25名，佔0.0068%，豐富度則與銅相近；但因發現時多與其他金屬成為合金，加上在地殼中分布廣泛，並未有集中到足以商業開採的礦床，開採難度不低。

據統計，目前全球已知稀土金屬蘊含量約有9000多萬公噸，其中近4成在中國境內，因此讓中國成為了全球第一大稀土開採與出口國，占全球稀土出口量的90%；而如前述，因未有大規模礦區加上多為合成金屬，因此要析出單一稀土金屬除了得耗費大量能源與挖掘土方外，飛塵汙染也是一大問題，因此不少出口國有意透過限制稀土出口，吸引廠商至當地投資先進冶金技術。

自2009年起，中國開始管制稀土的出口量，此舉引發歐美國家不滿；2012年，美國針對此行為向WTO提起訴訟，不過直到現在，仍未看到中國對稀土出口放鬆管制。

稀土有著分佈廣泛、缺乏大型礦床的特點，開採需耗費大量能源。

稀土的重要性
究竟是甚麼原因讓美國、歐盟與日本對於中國限制稀土出口如此跳腳？其實這與稀土用於電池與馬達上所具備的優勢有關，而對汽車產業來說，這兩項元件乃是打造一部電動車所必備，因此在原料供應不足的情況下，將會影響電池與馬達的產能及車輛生產進度。以電池來說，多數採用鑭合金做為電池負極材料，可達到快速放電，延長電池壽命的效果，若是一般電池使用量不多，但對於以電池組為基礎的電動車來說，加總的稀土金屬使用量就相當可觀。

另一項則是電動馬達中的永久磁鐵，以電動馬達運作的原理來說，除了電磁鐵之外，還需要永久磁鐵與其作用，達到旋轉的效果，而永久磁鐵的磁力越大，保磁性越高，對電動馬達的運作更是有利。而現在主流的永久磁鐵材料是「釹磁鐵（Neodymium magnet）」，其擁有的磁力是現今所有磁鐵中最強者，加上價格不高，因此被廣泛使用；而用於電動馬達上，則因組成需多塊永久磁鐵，因此稀土的使用量也不低。

由於稀土金屬作為電池電極具有良好的導電性，因此電池使用稀土金屬的比例不低；而對電動車來說，因採用的電池數量多，常成為左右成本的關鍵元件。

稀土金屬的另一項應用則是電動馬達中的永久磁鐵，以常見的「釹磁鐵」來說，擁有的磁力與保磁性都相當優秀，成為電動馬達中的永久磁鐵的主流選擇。

稀土的未來發展
由於不少國家表態將於未來（2030年～2050年）禁售汽油車，並改推電動車，使此類產品的需求是有增無減，因此對於中國逐漸限制稀土出口量，不管是各國政府還是車廠，都陸續找尋解決方案。例如在2018年4月中，就有外媒報導日本在其經濟海域海底，發現了蘊藏量超過1600萬公噸的稀土資源，依照目前全球消耗量來推估，預計可提供達百年的使用量；但由於現行海底開採的成本過高，短時間內還不會成為稀土資源的主力來源。

而在電動馬達上，Toyota則是在2018年2月發表了將用於新款電動馬達的「低釹磁鐵」技術，主因是Toyota預估在最樂觀的情形下，稀土金屬「釹」將會發生供應短缺的情形，這可是永久磁鐵的主要成分，與其他稀土金屬共佔了30%的比例，重要性可見一斑。這項新技術是將組成磁鐵的顆粒進行打磨，由原本5微米的大小，統一打磨成0.25微米的方形顆粒，使得原先呈不規則排列組合的磁鐵變得整齊一致，因此在擁有相同磁力的情況下，對於稀土金屬使用的需求降低，依照Toyota預估，以釹金屬來說可降低20～50%的使用量，成效顯著。

除此之外，車廠也在研究高容量電池的技術，例如2018年4月初美國國家再生能源實驗室（NREL）的研究人員，即發表關於鎂電池的突破新技術；原本科學家在開發鎂電池時，因鎂金屬每莫耳（Mol）能攜帶的電子（Electron）數是鋰電池的兩倍，能在相同體積下擁有更高的電量，在使用上具有優勢。不過當時遇到的瓶頸是無法進行充電，因電池中的電解質容易在反應過程中對鎂金屬的表面形成阻擋層；而該研究團隊則是將電解質進行更換，使得阻擋層不會產生，進而讓電池可以充電，目前已有試作品誕生，雖然仍未量產商用化，但其特性將可能取代鋰電池成為主流產品。

Toyota近期發表新馬達架構，將永久磁鐵內稀土金屬的使用量降低20～50%。

外媒報導鎂電池發展的瓶頸突破，其擁有的高容量特性或許會取代主流的鋰電池成為電動車用電池選擇。

48V供電系統
48V發展緣由
時下新車大部分都配置USB孔與12V電源，早期車用電子產品較少的年代，後者多作為點菸器使用，或者做為電源供應，因此以鉛酸電池為主的供電系統，對應需求綽綽有餘。而隨著智慧型手機、行車紀錄器、大螢幕車機，主動駕駛輔助系統的普及後，車用電子配備對於電源的需求越來越高，因此12V供電系統最大約3kW的電量輸出可能不敷使用。

雖然先前美國汽車工程師協會（SAE）曾嘗試以42V作為新款車用供電標準，但因該時期的12V供電標準尚屬足夠，加上符合新標準的更換作業太過浩大，包含電子系統的供電與整車供電系統的配線都要重新設計，因此這項方案最終被打入冷宮，遺忘在時代的角落。隨著科技發展，2011年，Audi、BMW、Mercedes-Benz、Porsche與VW開始針對新時代電動、油電車產品，以及環保法規更趨嚴格（2020年二氧化碳排放量限制95g/km）的汽油車款，制定一項新的供電標準「LV148」，以48V高電壓為架構，提供所有車用電子所需的電源。

現行引擎的供電系統多以12V做為標準，足以提供車用電子所需。

在主動安全系統發展並普及後，越來越多的感應器、儀錶與娛樂功能，讓目前12V的供電量有些吃力。

現行引擎的供電系統多以12V做為標準，從最早以點菸器為主的運用，到現在可外接多樣化電器；此外螢幕尺寸越做越大的影音主機與全數位儀錶，則也是讓12V的供電量顯得不足的主因之一。

48V的架構與應用
以Audi近期推出的48V Mild Hybrid系統來說，主要元件就是以位於車尾的48V鋰電池模組為主，搭配一具48V轉12V直流變壓器（DC/DC Converter）與12V鉛酸電池，以及位於引擎下方的整合式啟動/電動馬達（Bell-Drive Starter-Generator），整合構成車輛供電系統。在規劃上，以48V作為電子懸吊、防傾桿、駕駛輔助系統與主動安全系統的電力來源，另外車內傳統12V電源則依靠變壓器所轉換的12V電源，提供給鉛酸電池與使用12V電源的配備。具體應用上，行駛間由引擎帶動由皮帶驅動的發電機，產生電力後儲存到車尾的鋰電池組，當車輛停止時，則將引擎關閉改以電池供給車用電源，而啟動時則依靠48V電源供應啟動馬達，讓引擎啟動可以十分順暢。除此之外，Audi這項技術還可以在行進間碰到下坡或大直路時，將引擎熄火改用電池供電，進而達到節能效果。

48V系統主要以電池組、48～12V直流電轉換器，與48V馬達所組成。

48V系統的電池可依照需求，採用不同容量的模組擴充。

48V的未來發展性
48V供電系統雖推出一段時間，但現行12V依然是主流，在兩套系統可獨立運作的情形下，針對48V供電系統，將配線與配備重新設計的第一款產品何時現身，就會是未來此套系統能否普及的重要關鍵；不過在性能領域則是看到了48V的潛在發展性，首先將其運用在「渦輪」上。

渦輪的原理乃是藉由引擎廢氣推動排氣端葉扇，並由中軸帶動進氣端葉扇強制進氣，讓進氣經過壓縮催促更多馬力，但在低轉時則會因廢氣量不足，導致遲滯現象產生；而新式電子渦輪則是利用48V電力旋轉葉片，並於進排氣各設一組渦輪，在低轉時直接由電力驅動扇葉，達到低轉即可輸出大動力的效果，例如Audi新款SQ7性能SUV，即採用此種動力配置。另一種則是電子與傳統渦輪並行的設計，例如BorgWarner推出的E-Turbo，就是採用此方式，並使用電子閥門切換，在低轉時將進氣導至電子渦輪，高轉時自動切換閥門，將進氣導至傳統渦輪，藉以獲得雙重優勢，這或許也是未來的48V應用趨勢。

48V供電成為主流後，因電流較小，因此在線材使用上可以輕量化，這對於配線長度可達數百公尺的車輛來說，可兼顧節省成本與輕量化的效果。

Audi A8是近期推出的48V供電系統代表車款，除了原本12V供電外，額外裝設了一具48V系統，原廠以「Mild-Hybrid」稱之。

在性能車上採用48V系統則是以電子渦輪為主流，免除以往渦輪需靠廢氣推動而造成低轉遲滯的現象，可在低速時依靠電力驅動扇葉強制進氣，提供更為充沛的動力。

Mercedes-AMG新推出的53系列，採用3.0升直六引擎，並用上電子渦輪，預估最大馬力可達450hp。

Bentley Bentayga Diesel也用上電子渦輪系統，雖然強調頂級舒適為主的駕馭體驗，但可別小看其性能。

Porsche的PDCC系統，也採用電子防傾桿設計，同樣用上48V供電進行驅動。