2020年7月19日 星期日

車用電子漫談(九)--- 增程引擎的油電系統(A)

上次在上一個議題中:車用電子漫談(八)---從SBIR 談政府資金協助的經驗談

我們有稍微提到關於電動車的增程引擎概念,當然這些都是屬於個人的一些經驗,

不管是從技術面或產業公司資源整合面,我想這是一個非常難得的機會,

因為畢竟在研發經費不容易籌湊的台灣投資產業環境中,真的不容易,

而個人的特殊經歷與涉足跨產業經驗也誠屬不易,因為這些都是牽涉到:不同的

天時、地利及人和等諸項特殊條件才能獲得的經驗,所以藉此就在此分享給各位。

有時候,不管是產品技術開發或是市場發展,不一定做得早的人就一定就會獲得

先機,有時候早作的人也並不代表你就可以領先業界,尤其是:越是牽涉到龐大

的產業整合,甚至需要橫跨機、電等諸項各種人才與資源的運作,更是不容易。

而我們要在此討論的電動車用的增程引擎系統,當然也不是一般坊間那些光靠著

一股熱誠或傻勁的土炮型玩法。這是一個高度產業系統整合工作,講求各項專業

知識領域及產業經驗的累積。就像現今台灣高科技產業園區模式一樣,你要能

站上國際舞台與人一爭天下,靠的就每年不斷的一流學府人才的投入,靠著是

不斷的堆積這些不管是軟硬體資源才有辦法的。所以我僅能以一個小小經驗分享

讓大家有多一點思考空間與方向吧。

因為這些經驗或故事或牽涉到機電整合技術,當然也會包括一些專業技術以外的

研發經費籌湊、研發團隊建構與管理、產業法規或跨產業大環境等問題,所以

我會陸續以各方面角度來談論,若不嫌棄的話,就慢慢地往下看。謝謝。
----
首先要說的是:電動車這檔子的事,也就不用爭論,從環境保護或其他想法,

肯定沒有人會質疑他存在的價值,但問題是:電動車的能源來源無非就是靠電力,

目前因為電池的問題也大大的阻礙電動車的推廣。這也是無庸置疑的。

這個早在我二十幾年前參與環保署委託工研院搞電動機車示範運行計畫時,就已經

知道的事了。再則,電池充電的電力也是來自台電發電廠的電力。這也是要靠

能源轉換及傳輸系統才能達成的,這其中也牽涉到各項轉換或傳輸效率問題。

當然啊,不管騎車或開車,這百年來,大家習慣的認知還是加油是最方便的。

所以大家何不回頭想到一個最簡單的做法:那乾脆把發電廠背在車上就好了啊。

這個就是增程引擎最簡單的概念。

燃油引擎最令人詬病的問題就是污染問題,但發電廠也會,而動力引擎的汙染

最大原因是來自於不同的轉速或操作條件限制下,所延伸的污染與效率問題。

譬如:車輛加速或怠速,這些操作條件所排放的污染所佔的比例就很高。

這些屬於機械先天問題是很難解決,就跟電動車輛中:馬達也是有高低轉速操作

效率問題。所以能夠讓這些機械電機能操作在一定的條件下。那不管是效率或

各項污染防治工作就比較容易找到對策。工程技術就是不斷的在取捨之間取得

最大的妥協。這也是增程引擎另一項挑戰。

而電動車輛最受歡迎的環境就是人口密集的都會區,但這個環境條件限制了:

車輛使用方便性,小型易停車自然也是一個重要選項。所以從技術分析角度來看:

小型電動車輛能搭配一個小型增程引擎是一種不錯的整合架構,而台灣剛好是

全球小型引擎製造生產的主要基地,在 200 CC 以下單缸引擎就連日本人也搞不過

台灣在品質與價格競爭優勢。這也造就一個對台灣產業有利的條件。甚至BMW

電動車的增程引擎也曾經找台灣機車合作過。那這些故事要怎演下去?

我個人之前也在地方型SBIR 的計畫中提出,這其中也獲得國內機車廠青睞合作,

這就具有一些故事內容了:我講過:只要你的題目夠吸晴,這些想法都不會有人

質疑的,只是你要如何演下去而已。先補充上回提到的內容:



這樣延伸概念當然可以獲得最高補助款的。其實一開始我並沒有想到增程引擎

的計畫:


我只是從個人或公司生存想法就搞個簡單生意就好,但後來因為許多專業技術人員

參與,提出許多對於產品未來發展趨勢,認為或許可以將此計畫略做修改。



所以在SBIR 後期,我們就將目標做一調整,而有了一定的企圖心了。

我就從上圖的產品技術發展的 Road Map 將整個電動車輛增程引擎系統架構

給繪製出來:



其實這張圖可以很簡單的看出增程引擎各項技術整合發展的重點。

增程引擎跟市面上TOYOTA的 Hybrid 油電系統不同的是:這個小型引擎只純做

發電系統而已,他不會負責複雜的動力輸出操作。讓整個引擎的燃燒與空氣污染

防治對策工作可以容易達成。上圖中:紅色粗線就是整個電子控制系統的整合連接。

這些東西每一項拆開也都具有一定專業知識與技術領域要求。

引擎操作的控制系統部分,這就不用說了,常來我部落格瀏覽的人都知道的。

而最右邊的無刷馬達控制或電池管理系統就更不用我說了。

至於中間的發電與整流穩壓系統部分,這就不只是牽涉到電子半導體技術而已,

這還牽涉到發電機的電機設計分析。因為發電機設計就跟馬達設計使用是一樣的。

他也有操作範圍限制的,這也會牽涉到發電效率表現。這當然也不是一般土炮搞法:

弄一顆割草機小引擎,裝個磁電機盤,再弄個全波整流器就上了那麼簡單的。

這一種搞法,你拿去給機車廠,他們就跟你說:這種搞法,我們隨便做都比你強十倍,

這難登大雅之堂的啦。這一點我們都了解的。剛好我有個大學同學跑去念一個

電機博士,他也非常熱情參與我這個想法,他也常常開自己玩笑說:

他可能都快成了國內最後一個搞馬達線圈設計分析的電機博士了。因為後來

這些電機研究所都成了園區高科技半導體公司的人才培訓中心了。過了二十幾年後,

剛好我兒子就是跟他唸同一個研究所的。的確是:我兒子的研究題目都是園區所需的

半導體所需的技術,這一種屬於比較傳統產業電機領域,真的越來越少人願意念了。

這也無可厚非,畢竟人家園區所開出的薪資待遇,都不是這些傳統產業能承受的。

所以我說:這方面的人才投入是另一項資源整合困難的地方。

而我同學剛好他也有一段人生特殊際遇,在國外獲得一些在馬達線圈設計分析的

專業經驗,他也非常認同我在這些產品的發展理念,他除了投資我之外,也提供他

的專業知識:




上圖是我同學用他自己專業與源自國外特殊專業受訓經驗,整合開發自用的馬達線圈

的分析設計軟體所做的分析報告。

不管是從電場或磁場的數學模式建立與運算模擬,都可以很快完成磁電機的基本

工程數據分析。上圖是我拿了一個YAMAHA 125 機車所使用的發電機磁電機盤數據

給他分析。(當然是他同學我,故意拿來考他的啦。)。

不過,人家能三年就拿一個電機博士當然也不是簡單的角色啊:

我依據他給我的分析報告,下去到實車驗證,也得到類似相近的結果。



我相信國內這些機車零組件廠或機車廠,都應該沒有這麼一份這麼詳細的分析報告。

包括:不同轉速下發電機輸出的開路電壓、線圈頻率阻抗或輸出電流功率等數據分析。

因為國內這些廠商往往都是"逆向工程"的複製生產而已,那就更不用說:如何修改

規格來應付不同的需求。因為後來我車廠的學長他們要搞一台電動割草機的增程引擎,

需要一個能發出超過 54V ,功率超過 2KW 的發電機,就根本不知道怎設計一個

發電機線圈,國內電機協力廠還反過來問說:有沒有詳細製造規格或樣品可以"抄的"?

這一件事情有多麼重要你知道嗎?

因為我另外在車廠服務的學長:他們想知道他們的小引擎要如何修改以因應發電機的

操作轉速,可以調教出油耗汙染最佳化的引擎。說到這裡:你們一定想知道:

這樣子的增程引擎需要多少CC 才夠?講這個問題是:技術觀點。但車廠的想法

是市場與經濟效益,當然就是用 125 CC 的引擎下去修改啊。因為這一級引擎

在國內機車廠內是市場規模與經濟效益最高,以此基礎下去修改最容易達成的。

而且引擎也跟馬達電機一樣,不同的操作轉速也有不同的燃燒機械特性與效率。

所以這就得要好好的研究一下如何配置這個發電機與引擎與車架之間的關係了。

因為這顆引擎裝上車之後,除了油耗汙染之外,還要考慮到平衡穩定安靜因素,

這一點就不是我們這些搞電子電機的專業了,這明顯的是:你該如何以最小的

資源來達到應有的工程評估效益?這當然就得要整合跨產業的合作契機:



這時候,你就跟車廠好好討論,該選用怎樣的車輛作為系統開發平台?

怎樣的車輛平台在系統開發上有比較好的發展空間與車輛驗證工作?

這些都不是我們這些電子電機的人可以親自下來搞土炮一樣瞎搞亂搞的。

因為對於車輛工程,畢竟車廠還是擁有最多資源的產業與公司。至少

這些周邊的協力廠商是以車廠為中心的。

於是我們就請車廠幫我們先從車輛動力系統配置可行性進行系統平台圖面評估:





你說:像這一種對我們這些搞電子電機的人,怎麼可能還會畫這個圖面呢?

你怎麼可能手上有這些引擎的組立 3D 圖面呢?你也別傻到說:我自己找人弄?

產業或產品開發需要的就是以最少的人力資源與財務來完成目標的。

這其中當然都是牽涉到產業與公司合作之間的互信與支持問題。這不是技術問題。

當然啊。對於大家彼此之間最重要的就要如何建立彼此各自專業的分工問題。

大家也不要過度的寄望哪個公司或哪個團隊應該怎樣?或是該怎麼進行研發工作?

舉個例子來說:車廠本身就是一個品牌產品的經營,他們是中心組裝廠,他周邊

隨隨便便就有超過上百家的零組件供應商,而且也不是每一家協力廠商,

都具有一定的高度專業的產品設計分析能力。就如同我剛剛提到的:電子電機部分,

這一部份就算車廠有本錢砸重金開發,也可能找不到合適研發團隊,甚至人才。

就像我同學,他的專業領域是不可能在車廠領薪水上班的,其實也沒那個必要的。

重要的還是在於外部資源的整合。

尤其車輛工程是高度講求驗證測試工作,事先的模擬設計分析,雛形車輛平台整備。

甚至後來的實驗車輛測試驗證工作。我們國內機車如何從HONDA 本田手上慢慢地

獨立成產品自我品牌的?答案就是從引擎動力系統測試設備驗證平台開始做起的。

那時候,是車廠與政府財團法人合作,從一套、一套與一間、一間引擎動力計

(Engine Dynamo-meter ),再到整車的底盤動力計(Chassis Dynamo-meter)建立起來的。

所以這些車廠都是相信這套方法的。

我再舉另一個我自己的實際經驗:機車ABS系統開發。


我再一次強調:搞車輛工程,肯定不會是土炮搞法,也不是敲敲打打 DIY 組裝就上路的。

這些開發工作除了最終目標產品之外,事先的設計分析都是必要的...因為這都是牽涉到

人命關天問題。之後當系統完成之後,你就得要在雛型實驗車輛上架設測試驗證工具

平台:

當然,實車測試也不是找幾個血氣方剛,充滿熱情年輕人,兩腳跨上機車橫衝直撞的。

每一項測試驗證項目都是需要事先縝密的規劃,完成每一個單獨項目測試之後,

也需要非常專業的測試數據分析:

上圖是兩套不同的ABS 在同一的標準測試場地(彰化ARTC),同一台機車平台上所做的

相同條件的測試結果比較。這些東西不是你搞個雛形(PROTOTYPE)之後,

貼個臉書照片,給人家按個讚,大家給你拍拍手就沒事了。

這都還要通過層層的系統驗證與反覆的程式修改才行。就像上圖這張測試比較圖,

這個ABS 系統跟 BOSCH ABS系統比較起來,乍看之下,有那麼一回事,但實際上,

這根本還差遠了啦。但對ABS 電子電機開發人員來說:這已經搞到精疲力盡了。

那同樣的寫寫程式,搞搞系統來說:你在園區上班可以吹冷氣上班,大夥們還可以

叫叫外賣飲料點心的下午茶...你薪水待遇肯定也比不過園區工程師待遇的啦。

這種天氣叫你去彰濱工業去去曬太陽、吹海風?神經病喔....,又當你滿懷一股熱誠

看到這樣的測試數據結果...不要說工程師啊...就花錢的老闆也會想:這是在幹甚麼啊?

-----
所以,當你看到許多報章媒體跟你洗腦的寫些國外類似產品開發故事時,你就認為

這些東西應該不難啊,這些都是有道理的,國內這些廠商與研發人員都應該努力

去做的,尤其是車廠更應該盡心盡力的去完成他的。

但很不幸的是:當你碰到許多專業的跨領域技術整合時,你該如何讓開發研究工作

順利地往下進行?這就是一門很大的學問了。

機車廠某個程度來說:跟我們一般消費者都是一樣的,他們也都是系統與零組件開發

的使用者,他們負責組裝測試與產品品質控管....因為許多產品開發的基礎真的需要

非常專業的基礎理論的。以公司地位與專業分工來說:他們也不容易做到的。

為什麼BOSCH這種公司會存在?這也不是沒有道理的。但我也可以跟你說:

你說BOSCH 只搞車用電子系統而已嗎?當然不是,他也做雨刷、賣其他一般零件啊。

為什麼?很簡單...系統產品研發工作是很燒錢的啦。
---
所以我先在此以這些專業的技術開發經驗來分享一些關於增程引擎的開發想法,

當然,除了技術以外,在這個車輛產業做產品開發,還有許多技術以外的潛規則,

不管事分工合作模式、財務規劃、乃至於人才資源的運用等。都存在著許許多多

影響著產品開發成功與否的重要關鍵...陸續有機會在跟各位分享。

當然這些內容與成果,都非常感謝國內在各個專業領域的人員與廠商的協助與幫忙,

雖然有些結果不盡令人滿意,但這些都是滿滿的經驗累積,也藉此分享給各個公司

與協力廠裡的無名英雄們。感謝你們。

(待續)













沒有留言:

張貼留言