停紅燈時順便充電,充15秒可跑1公里!日本東大端出里程焦慮新解方
停紅燈時順便充電,充15秒可跑1公里!日本東大端出里程焦慮新解方

電動車成主流趨勢,不同於燃油車,電動車充電的卻是非常不容易,一般用戶都會使用自家或公共設施的充電樁進行充電。

然而,就算是高速充電器,完成充電通常也需要30分鐘以上,在電動車充電需求高的都市中心部,要確保可放置充電器的土地往往不是件簡單的事,因此如何增大搭載電池的容量便成為研發上的課題。

高速公路行進間充電系統示意圖
圖/ 東京大學

由於電池的續航力與電池大小成正比,電池容易增大車重則會增加,但行駛時就會消耗較多能量,另外生產電池時也會增加二氧化碳的排放量,還有鈷、鋰等稀金屬用量增加的疑慮,而被期待能夠解決,隨電動車普及而來之課題的技術,就是車輛行進間就能充電。

日本研究團隊正在研究,車輛只要靠近十字路口紅綠燈的路面安裝充電裝置,當電動車在十字路口減速或停下時就能夠自動充電,透過可在行駛時不斷地充電便不需要大容量電池,也有助於車體的輕量化,而且在自家或商業設施等也將變得不需要設置電動車充電器了。

「行進間充電」實研發競賽越來越白熱化

根據《日本經濟新聞》報導,可一邊駕駛電動車一邊充電的「行進間充電」已越來越接近實用化,以東京大學為中心的產學合作團隊在千葉縣進行技術研發,預計在2023年開始公路驗證試驗,行進間充電將是大幅左右電動車使用便利性的充電新技術,目前以色列等海外企業已在該領域中不斷累積實際成績,實用化時期與充電效率等研發競賽已越來越白熱化。

安裝第三代行進間充電系統的實驗車
安裝第三代行進間充電系統的實驗車
圖/ 東京大學

位於千葉縣柏市的移動裝置研發設施「KOIL MOBILITY FIELD」設有全長400公尺的測試道路,路面的角落設有專用供電裝置,以藍色為基底的試驗車沿著測試路線行進,光是輪胎通過裝置上方便可完成充電。

這就是東京大學藤本博志教授所持續研究的「行進間充電系統」驗證實際情況。
要實現行進間充電,車體側會需要接收電力的設備,藤本教授在與日本精工、普利司通等共同研究的行進間充電系統實驗車上,是採電動車從輪胎側的受電線圈接收來自路面線圈所傳送的電力,一般電動車會將馬達配置在車體側,而此實驗車是將馬達配置在輪胎側來提高充電時的效率。

15秒可充入行駛1公里的電力

車體約800公斤,除了輪胎側邊安裝有受電系統外,與一般客車並沒有太大差異,雖然依所安裝充電裝置性能會有所出入,但可概略計算為當4個輪胎全都安裝有受電系統時,在送電線圈上停留15秒就能夠充入行駛1公里所需的電力。

系統採用了當沒有電動車靠近的話,就不會供電的機制,除了防止意外供電以確保安全外,也有壓低能源損失的用意。

藤本教授正式開始研究行進間充電可以追溯到2013年,當時很多人都抱持著懷疑的態度,但與日本精工等企業合作不斷進行馬達系統等的改良,目前已經發表至第3代系統。

日本精工著手研發的是在輪胎側安裝受電系統時,所需要的軸承、機械零件,並也檢討適合行進間充電之輪胎側馬達的構造,改良安裝方式。

可無線充電的普利司通輪胎 ROHM超小型功率模組

目前有許多合作企業,如普利司通便研發出了可以從路面供電線圈直接穿過輪胎來進行無線充電的新型輪胎,一般輪胎的骨骼補強零件會使用鋼鐵製品,而電力在通過金屬時會轉換成熱能,所以要穿過輪胎進行無線充電是有困難的,但普利司通使用獨家有機纖維來取代鋼鐵作為補強材料,成功研發出了在確保剛性的同時,也適用於無線充電的輪胎。

ROHM已研發能夠用於輪胎側受電系統的超小型功率模組,是藉由增厚功率模組的基板來提高機器的散熱性,而得以將尺寸縮小至以往一般製品的1/5,也正在研討著未來的商品化。

行進間充電系統構造圖
行進間充電系統構造圖
圖/ 東京大學

以收納於輪胎內部的受電系統為目標

藤本教授正在進行系統的改良,現狀是受電線圈等一系列的設備並無法收容於輪胎內部,而採以放置於輪胎側邊的形式,正計畫著今後將受電系統收容於輪胎,以達到輕量化等效果,預估將在2023年在公路上埋設送電線圈進行現場驗證,並以驗證為基礎於2030年代實用化。
據日本國土交通省資料顯示,日本二氧化碳排放量當中,運輸部門站了17.7%,其中汽車所佔比例為87.6%,若藉由行進間供電促進汽車減碳的話,將能夠進一步接近日本政府鎖定的「2050年溫室氣體排放量實質淨零」目標。

三菱綜合研究所認為行進間充電將分為「3階段」來進行:第1階段是在2025年間,在非公路的大學校區內或機場等導入;第2階段是2030年間,普及至巴士轉運站或計程車停等區等特定公路;第3階段的2040年間則預定導入高速公路或十字路口等一般公路。

世界標準規格競爭不脫隊

在矢野經濟研究所的推估中,電動車無線充電的世界市場將於2031年達到約217億日圓,與2020年相比擴大13倍以上,而有不少海外企業已鎖定此市場,如以色列相關企業已經在該國的特拉維夫市與瑞典等地,實施行進間充電的實驗,在美國也出現應設置無線充電系統的意見。
藤本教授指出:「若國內廠商不具備行進間充電技術的話,未來就只剩下購買海外系統的選項,不僅不會是最適合日本汽車製造商的系統,也可能不利於材料、零件廠商」。因此即便是為了在世界標準規格競爭不脫隊,都需要加強產官學界的相互合作。

參考資料:日經東京大學東京大學

責任編輯:吳秀樺

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從ESD防護IC到微系統工程:晶焱科技以BCD製程跨足霍爾電流感測領域,布局車用與AI伺服器電源市場
從ESD防護IC到微系統工程:晶焱科技以BCD製程跨足霍爾電流感測領域,布局車用與AI伺服器電源市場

走進晶焱科技,很難不注意到企業牆上掛著的一段話:「積體電路與微電子系統的靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)防護設計,不只是高深的學問,更是一門追求極致工藝的精品藝術。」這句出自國立陽明交通大學講座教授柯明道的話語,也正好體現了晶焱科技過去二十年來在技術領域持續深耕、追求極致的最佳寫照。

作為國內的IC設計公司,晶焱科技長年專注於電子產品中那顆不起眼、卻肩負系統安全重任的防護IC。「看似沒什麼存在感,但如果沒有它,輕則訊號中斷,重則整個系統癱瘓。」晶焱科技總經理姜信欽博士笑著說,也因此所有用過筆電、手機、電視或AI伺服器的消費者,或許都曾經間接受惠於晶焱科技的這門技術。

從守護到進攻,晶焱科技瞄準霍爾電流感測

晶焱科技總經理姜信欽博士強調,從靜電防護到電流感測,團隊深耕超過20年,致力於在保護與訊號品質間取得
晶焱科技總經理姜信欽博士強調,從靜電防護到電流感測,團隊深耕超過20年,致力於在保護與訊號品質間取得最佳平衡。
圖/ 數位時代

姜信欽回憶,晶焱科技自1998年投入ESD研究,直到2005年才正式進入市場,花了七年蹲點。如今,團隊已累積超過400種產品規格,滿足不同電子產品的需求。而這背後最大的挑戰,是如何在「防護」與「不干擾訊號」間取得平衡。姜信欽說,過高的箝制電壓可能會在某些情況下無法完全防護,過低的話則可能會過早啟動防護機制,影響正常運行。「難的是要像避雷針一樣,瞬間導走危險電流,卻不影響正常訊號的傳輸。」

雖然在ESD防護市場打下基礎,但姜信欽也坦言,單靠防護IC未必能支撐企業規模與競爭力。「留在舒適圈不是我們的選項。我們想找出下一條能跟臺灣半導體共同成長的路。」而這條路,就是高精密霍爾電流感測器(Hall Current Sensor)。

晶焱科技設計開發部資深經理楊鴻銘博士說明,透過磁場感測可精準掌握電流變化,尤其適用於電動車與AI伺服
晶焱科技設計開發部資深經理楊鴻銘博士說明,透過磁場感測可精準掌握電流變化,尤其適用於電動車與AI伺服器電源電流監測。
圖/ 數位時代

所謂高精密霍爾電流感測器,是透過偵測電流所產生的磁場變化,進而反推出電流大小,達到非侵入式監測,避免干擾原本電路的運作。晶焱科技設計開發部資深經理楊鴻銘博士補充說明,傳統作法通常會將感測器直接串入電路中,但這樣往往會影響電流本身。「我們現在是利用磁場感測的方式,完全不會干擾訊號流。」他說。尤其在電動車產業快速崛起之際,這樣的方案更顯關鍵。因為電動車在瞬間加速或充電時,經常出現突波電流,若偵測不夠精準,可能就會影響整體能效與行車安全。姜信欽也表示,高精密霍爾電流感測器能在有限空間內精確掌握電流變化,正是車用領域最迫切需要的技術。

姜信欽進一步透露,其實在創立晶焱科技之初,就同步規劃了兩條技術賽道:一條是靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)防護IC,另一條則是類比IC。當年之所以先選擇投入防護IC領域,主要是因為較容易找到市場需求。而隨著AI伺服器、電動車與綠能應用的快速發展,市場對電流精密監測的需求急遽攀升,也讓晶焱科技看見切入霍爾電流感測器的絕佳機會。「現在所有電子產品都在往微型化發展,傳統電流感測模組體積太大,根本無法塞進未來的車用或伺服器設備裡。」姜信欽說。

鎖定AI、車用與綠能場景,晶焱科技迎向藍海市場

然而,要做出高精密霍爾電流感測器,遠比外界想像困難。除了必須解決溫度漂移問題,更要處理雜訊、封裝熱效應,以及如何讓感測器在不同電流範圍都能保持精度。「這不是單純的IC設計,更是一個微系統工程,必須同時理解電、磁、熱三種物理效應。」姜信欽坦言。過往若要自行投資,研發時程往往得拉長到五年以上,且這方面技術臺灣其實是相對缺乏的。

「計畫對我們來講就像沙漠裡看到水。」姜信欽口中的計畫,正是經濟部產業發展署所推動的「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫(以下簡稱本計畫)」。他表示,若沒有本計畫的支持,這顆產品恐怕還要再拖個兩年才能進入量產。

由於晶焱科技選擇採用高壓金氧半導體製程(BCD),改變傳統霍爾感測器使用雙極性製程(Bipolar)或外掛砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)元件的做法,並將霍爾元件、放大器與溫度補償電路全部整合在單一晶片中,這不僅大幅降低成本與體積,也顯著提升靈敏度。姜信欽表示,他們甚至在封裝內設計了特殊的導電結構,用以將磁場集中至霍爾元件上,進一步提高感測精度。「過去的霍爾感測器多是獨立模組,但我們希望將它做成一顆IC直接放進系統裡,這樣不僅能節省空間,還能實現自動零點校正與溫度漂移補償。」他說。

楊鴻銘補充指出,晶焱科技瞄準的市場涵蓋AI伺服器電源監控、電動車車載充電器(On-Board Charger, OBC),以及太陽能系統的最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。以AI伺服器為例,在直流-直流(DC-DC)降壓模組從48伏轉換至12伏的過程中,需要透過霍爾感測器即時監控電流並執行相位平衡。此外,晶焱科技的產品同時具備ESD防護與高隔離耐壓設計,能滿足車規與工規等嚴格標準。

迎戰千億市場新局,晶焱科技要以新技術開創新篇章

晶焱科技背後擁有一支穩健紮實的團隊,是推動技術不斷前行的最大後盾。
晶焱科技背後擁有一支穩健紮實的團隊,是推動技術不斷前行的最大後盾。
圖/ 數位時代

「未來臺灣很多AI伺服器大廠以及車廠,都將是我們的潛在客戶。」姜信欽有信心的說。目前,晶焱科技的首款高精密霍爾電流感測IC,已進入客戶測試階段,預計最快2026年開始量產。雖然姜信欽謙虛地說市場量體規模難以預測,但根據晶焱科技內部的預估,到2032年全球高精密霍爾電流感測器市場將有望上看新臺幣1,000億元。對晶焱科技而言,這不只是開發新產品,更是把過去在ESD防護累積的工藝精神延伸到新的成長曲線。正如企業牆上那句話所說:「沒有最好,只有更好。」晶焱科技正用二十年的技術底蘊,敲開另一道更高的門檻。

「我們不是只想守住舊市場,而是要在下一個二十年,找到屬於臺灣IC設計的新位置。」姜信欽說。從電子產品背後默默防護訊號,到如今挑戰更高精度、更高附加價值的微系統設計,晶焱科技迫不及待要展開新的篇章。

|企業小檔案|
- 企業名稱:晶焱科技股份有限公司
- 創辦人:姜信欽博士
- 核心技術:靜電放電(ESD)防護 IC
- 資本額:新臺幣9.8億元
- 員工數:約150人

|驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫簡介|
在行政院「晶片驅動臺灣產業創新方案」政策架構下,經濟部產業發展署透過推動「驅動國內IC設計業者先進發展補助計畫」,以實質政策補助,引導業者往AI、高效能運算、車用或新興應用等高值化領域之「16奈米以下先進製程」或「具國際高度信任之優勢、特殊領域」布局,以避開中國大陸在成熟製程之低價競爭,並提升我國IC設計產業價值與國際競爭力。

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