汽車電氣化運動

汽車產業的電氣化發展 (使用電動的元件與系統取代傳統的機械驅動系統) 為今日的車輛設計帶來深刻變革，包含內燃引擎、輕度油電混合車及全電動架構等各方面。

火車電氣化多年來一直在逐步演進。(圖片來源：Getty Images)

隨著系統從化油器與簡單的排氣系統發展到精密的噴油器、廢氣排放系統及牽引與煞車控制系統，電氣化領域同樣也有類似的發展，推出新型架構、適用於電動馬達的元件、電池組，以及先進的電力電子元件。這些發展正在共同推動工程師達到最高的效能、可靠性與安全性而重新構想車輛的設計與駕駛方式。

業界兩家頂尖電子公司的專家：Molex 的業務發展經理 Matt McWhinney 與 Kirk Ulery，以及 DigiKey 的技術行銷經理 Shawn Luke 共同闡明電氣化運動的現狀，以及對汽車產業未來的關鍵考量。

車型概況

雖然備受關注的電動車與油電混合車需求持續上升，但過去數月中，新電動車的銷售速度卻因市場與公共政策等多項因素而放緩。產業專家指出此狀況的兩項主要原因在於成本以及美國有限的充電基礎設施。

Ulery 表示：「北美的電氣化發展時斷時續，如果您一次出行超過 100 英里，就會發現需要解決充電基礎設施問題。」

另一方面，油電混合車的銷量正在超越電動車。Edmunds 的資料顯示，美國油電混合車的購買量在 2023 年迎來最大幅度的激增，從 2022 年的 75 萬多輛攀升至 2023 年的超過 100 萬輛。

輕度油電混合車是另一個新興車款，這類車輛會使用電池供電的電動馬達來輔助汽油或柴油引擎。大多數輕度油電混合車採用 48 V 電氣系統，該系統電壓高於傳統內燃引擎車輛所用電氣系統的電壓。48 V 系統可為不依賴引擎的元件供電，從而提升運作效率。

即便汽車設計的創新速度很快，燃油車仍是道路交通的主流。Edmunds 的研究顯示，在美國目前售出的新車中，有 82% 是燃油車。不過，從傳統車輛到最先進的高科技電動車型，電氣化運動的發展已根深葉茂。

引擎蓋下的電氣化

Ulery 指出：「我們發現目前有一項不變的趨勢，那就是電氣化程度越來越高，出於多種原因，尤其是出於提升效率的目的，所有車輛的機械系統都在電氣化。」

以怠速熄火技術為例，它會在停車時關閉引擎，而在司機鬆開煞車或踩油門時自動重新啟動。雖然這項功能會對某些元件提出更高的要求，但其目標是提升燃油效率並減少溫室氣體排放。

引擎蓋下電氣化的其他範例還包括散熱器風扇、動力轉向、HVAC 系統及冷卻幫浦。所有這些系統過去都是由內燃引擎 (ICE) 的皮帶所驅動。現在電動水幫浦正在取代機械式散熱器幫浦，以達到更高效率的效能，而精確的電動冷卻控制可以延長這些零件的使用壽命。若採用延伸型電池管理，電動水幫浦還可將冷卻劑循環於全車，以調節電池組、電動馬達與電力電子元件的溫度。

改用電動模組 (例如電動輔助轉向幫浦) 後，系統將不再依賴引擎，同時能減少寄生負載並提高可用功率。因此在某些車輛上，汽車製造商可以安裝較小的引擎而保持驅動效能不變，同時提升效率並減少排放。

Luke 指出：「電氣化開啟了創新車輛設計的大門。汽車製造商無需再遷就包含傳統內燃引擎的皮帶驅動架構，在配置電池與充電埠的位置方面具有更大的彈性，能為乘客或貨物提供更大的空間等。」

整體而言，電氣化運動正在淘汰傳統的機械系統，而代之以效率更高、以電氣方式精確控制的系統。再加上軟體控制領域的發展，現代車輛不僅更潔淨、更節能，還能為乘用車及商用車的司機提供良好的效能與永續性。

車用電池的發展

過去十年，為了提升供電能力、減輕車輛重量、改善加速並節約燃油，車輛製造商已摒棄 12 V 電池，而改用電壓更高的電池，例如 24 V 電池 (專用於商用車) 以及現今的 48 V 電池。

以 48 V 電壓充電的電動車需要更安全、更可靠的充電站供電能力。(圖片來源：Getty Images)

美國與歐洲立法機構一直在為新造車輛的減排奠定基礎。法規與市場力量相結合，導致產業以更快的速度向輕度油電混合架構 (包括一體式起動發電機) 轉變；48 V 電池不僅在輕度油電混合車領域不斷發展，還有望進軍更多的內燃引擎車型。

改用 48 V 架構不僅涉及升高系統電壓，還需要變更電氣基礎。功能豐富、效能更高的車輛所依賴的元件更輕便、更小巧，但提供的電氣效率與密度更高的元件別無二致。

Ulery 表示：「12 V 系統與 48 V 系統的共同點在於將傳統機械的功能從蛇形皮帶上轉移到一系列電動馬達中。動力轉向所需的能量會導致引擎功率受損，因此，若由獨立的電氣系統執行轉向，司機可以透過動力傳動系統保持更高的功率。」他以使用機械能量進行動力轉向的重型小貨車為例，許多車輛的動力轉向功能都在電氣化。

考慮到對設計與製造流程產生的重大影響，汽車產業改用電壓更高的系統將是漸進的過程。各製造商的轉型時程會視自家產品、技術成熟度以及客戶的需求而不同。此外，所有製造商都需遵循所用技術的相關標準與設計實踐，包括：

• ISO 21780 涵蓋對道路車輛 (配備工作標稱電壓為 48 V 的電氣系統) 所含電動元件與電子元件的需求及測試。
• VDA Recommendation 320 由德國電氣和電子製造商協會 (ZVEI) 發布與維護。該標準涵蓋機動車輛所含電氣與電子元件的各種規格與測試需求，旨在推動 48 V 電源供應器的發展。

遵循該標準以實現智慧型電池管理對於 48 V 架構的成功不可或缺。採用適當的設計流程，汽車製造商可以避開效率不彰的儲能、攀升的成本以及潛在的司機安全風險。

安全優先的互連基本原則

隨著車輛需要較以往更高的功率為越來越複雜的電氣功能提供支援，48 V 系統所用連接器的可靠設計若要符合車輛的效能與安全標準，需要依賴多項基本因素。

McWhinney 表示：「讓電子元件和基礎設施的互連為車輛提供支援，這對安全非常重要。」

由於 48 V 系統採用的電壓高於 12 V，因此連接器與電氣系統必須採用堅固的材料，並具有適當的絕緣性，以提供安全可靠的效能。若電壓高於 48 V，這項原則將更為重要。

連接器故障會導致車輛系統失常或產生安全隱患。為防止連接斷開，連接器應配備鎖固機構與防拉裝置，並定期接受審視與維護檢查。

McWhinney 表示：「如今電氣系統的安全及監視控制比以往更重要。」

維持訊號品質對電壓更高的應用十分重要。訊號完整性不良會導致突然發生故障，因此連接器必須透過屏蔽式纜線、正確的接地與精心策劃的佈局，將訊號損失與干擾降至最低。解決這些問題需要創新與專業技能，這是先進連接器解決方案的用武之地。

Luke 補充說明：「互連似乎是很基本的要求，但是人們低估了互連在汽車設計中的重要性，尤其是互連對安全的重要性。」

跟上零件變更與認證的腳步

符合安全需求是優先要務，但 McWhinney 指出，另一項難題在於車輛電氣系統的需求在不斷變更，這將推動製造商跟上變更的腳步，對連接器及其他元件持續進行修訂。

製造商可以隨時諮詢美國汽車研究委員會 (USCAR) 以追蹤效能需求，並對供汽車產業安全使用的已核准元件進行仔細檢閱與認證。

符合 USCAR/LV214 或同等標準的元件通常是可靠且耐用的高品質零件，可以在承受惡劣路況的同時不讓效能受損。例如，Molex 的 MX150 連接器系列元件專為面臨惡劣環境的車輛而設計，可耐受極端的溫度、振動與潮濕。

如圖所示為 Cybertruck 上的 Molex 連接器。(圖片來源：Molex)

Luke 指出：「隨著車輛設計出現更多的創新機遇，有更多的車輛製造商正在納入電氣化實踐。由於創新週期非常短，因此該領域很少有絕對標準的車型。但是，更多的車型會為消費者帶來更多選擇，我們預計隨著技術的進步與產量的提升，車輛的成本有望降低。」

對商用車的考量

雖然本文的諸多討論針對的是客車，但上述所有現象在商用車 (CV) 領域持續存在的時間要長得多。商用車早已從 12 V 系統轉型到 24 V 系統，以便為柴油系統及某些電氣系統供電，因此在過去就可以使用較小的起動器。此外，商用車上安裝電動 HVAC 已有很長歷史，尤其是在巴士、工程車、農業車輛與重型卡車上更是如此。

商用車通常以協助業主／營運者賺錢為設計目的，因此需要能可靠運作。商用車對可靠運作的要求通常高於客車，因此需要具有更高的密封性與耐用性。

不論設計的是乘用車還是商用車，現今工程師都必須考慮諸多複雜的高耗電系統與功能，這些系統與功能不僅要符合消費者需求和商業需求、還要做到高效、耐用、安全。所幸技術供應商已準備好應對研發新技術的挑戰，以便解決這些創新問題。

在汽車工程師對未來交通進行變革的同時，諸如 Molex 等供應商與諸如 DigiKey 等經銷商也一路隨行，同時提供高品質的元件、服務與專業技能，讓變革得以實現。