電動車全攻略：電動車原理與運作是什麼？人類真的可以擺脫燃油車嗎？無人駕駛會成真嗎？

從馬達、電池、電子元件與關鍵技術，
全面解析電動車發展與未來

隨著氣候變遷與能源問題，環保意識抬頭，各國紛紛祭出環保政策推動，全球電動車銷量快速成長，在各國政府的激勵政策以及車廠積極推出新車款等因素帶動下，電動車已經成為未來動力車的發展趨勢，預計未來無論是兩輪機車、四輪房車、休旅車、甚至是公共巴士，都會慢慢轉變為電動車。
本書將介紹電動車發展歷史與技術，從馬達、電子技術、電子元件、電路介紹與應用、控制技術等，到自動駕駛的發展與演進，以及未來展望，讓你全面了解電動車發展與原理。

本書特色

◎全彩解剖圖，全面了解電動車產業！
電動車是近十年來最熱門的話題，電池的進步與半導體發展帶動了電動車的快速崛起，到底電動車是真的環保嗎？充電站會取代加油站嗎？過多電動車集中充電會影響附近配電嗎？電動車也有行動電源？未來會有機器人幫電動車充電？本書以全彩圖解析，帶你看電動車的構造與發展，充電技術、市場趨勢、各國政策與法規、主要品牌發展與銷量、創新事業、技術突破、未來走向……2030年後將會是電動車的時代，跟著本書全面了解電動車！

曾逸敦
1982 年自臺灣大學機械系畢業後，至美國里海大學及密西根大學安娜堡校區取得碩士及博士學位。期間並獲得福特汽車公司奬學金。返國後旋至中山大學機械工程學系任教。 現任中山大學機電工程學系終身免評鑒教授，開授「汽車學」（針對機械系學生的專業課程）及「汽車發展史」（針對一般學生的通識課程）等課。
學術研究方面主要為光收發模組的精密構裝及行動載具之研發。產學合作主要為輔導廠商將傳統製程電腦整合自動化：主機板組裝、電腦零組件自動檢測、雷射加工機自動檢測等。
著作：《汽車學原理與實務》《電動汽車原理與實務》《保時捷911傳奇》《義大利超跑傳奇》《圖解汽車構造與原理》。

部落格：曾教授與古董保時捷（eatontseng.pixnet.net）
臉書粉絲專頁：曾教授的汽車世界

作者序

大約在十年前，雖然如願在中山大學機械系升上教授，但好像也失去了生活重心。為了重新找到對生活的熱情與活力，決定投入古董車的世界，於是買下了我人生第一台保時捷 911（1992年的964）。之後便陸續經歷了：剛買車的喜悅、隨之而來車子出問題的煩惱、找到正確的原因及零件（通常都需要好幾次的車友討論）、上網搜尋資料並向保養廠技師請教、最後耐心地等待問題解決後的成就感。
隨著收藏／割愛 964、993、930循環次數的增加，也不斷地累積我對車子的基本知識。許多大學生也來找我進行車子相關的專題研究，我於是成立了部落格及臉書粉絲團，部落格名為「曾教授與古董保時捷」（eatontseng.pixnet.net），把一些比較實用的成果放在網路上與大家分享；而臉書粉絲團則名為「曾教授的汽車世界」，除了轉載部分部落格文章外，也會不定期分享各類型汽車資訊及知識。近年來，我也開始在學校裡開授「汽車學」（針對機械系學生的專業課程）及「汽車發展史」（針對一般學生的通識課程）等課。
完成了我的第1本科普書《保時捷911傳奇》後，我對車的興趣也延伸到了義大利車。隨著我購買維修法拉利的355以及愛快羅密歐的145，期間也非常感謝汯瑨保養廠鄂鴻逸老闆與我交流許多車輛基本原理。我的第2本科普書《義大利超跑傳奇》則介紹了義大利的5大車廠：包山包海及以小車聞名的飛雅特、執著於跑車精神的愛快羅密歐、超級豪華跑車始祖瑪莎拉蒂、超跑代表法拉利及絶美的藍寶堅尼。

自序

第１章 什麼是「電動車」？
1.1 基本介紹
1.2 電動車的分級
1.3 混合車(HEV、PHEV)
1.4 純電動車(BEV)
1.5 燃料電池電動汽車 (FCEV)

第2章 人類可以擺脫汽油嗎？
2.1 汽車產業百年來的轉變
2.2 電動車技術的進步
2.3 各國對電動車的福利
2.4 各國對燃油車的政策
2.5 人們對電動車的質疑

第3章 特斯拉的衝擊：直流vs 交流大戰
3.1 直流與交流大戰
3.2 直流有刷馬達起源
3.3 直流有刷馬達基本構造
3.4 直流有刷馬達基本原理
3.5 交流電崛起
3.6 交流感應馬達起源
3.7 交流感應馬達基本構造與原理
3.8 交流同步馬達基本構造與原理
3.9 直流無刷馬達基本構造
3.10 直流無刷馬達基本原理

第4章 電動車的世界產業地圖：四強
4.1 美國－特斯拉的master plan
4.2 美國－特斯拉的超級工廠和Tesla Vision
4.3 美國－福特在國內稱霸卡車和運動休旅車
4.4 中國－上海汽車集團新四化與新電池
4.5 中國－唯一掌握三電技術的比亞迪
4.6 歐洲－福斯的擴廠與平台開發
4.7 歐洲－寶馬新型概念車與實現碳中和
4.8 日韓－現代汽車公司的戰略部署
4.9 日韓－本田電動垂直起降飛機與移動生態系統
4.10 日韓－豐田碳中和戰略與新商業戰術

第5章 電動車革命
5.1 電子化
5.1.1 汽車電子的起源－電子管時代
5.1.2 汽車電子的進步－電晶體時代
5.1.3 汽車電子系統化－電腦時代（一）
5.1.4 汽車電子系統化－電腦時代（二）
5.1.5 汽車電子AI化－半導體時代（一）
5.1.6 汽車電子AI化－半導體時代（二）
5.1.7 車輛電子化的應用（一）逆變器、整流器和轉換器
5.1.8 車輛電子化的應用（二）充電系統
5.1.9 車輛電子化的應用（三）加熱系統
5.2 自動駕駛
5.2.1 車輛與電腦的結合
5.2.2 車載網路和外部感測器的加入
5.2.3 車輛物聯網的發展
5.2.4 如今的自動駕駛技術
5.2.5 如何才能實現無人駕駛技術？
5.3 電池的概述
5.3.1 電池的發現
5.3.2 電池進化史(一)－鉛酸電池
5.3.3 電池進化史(二)－碳鋅電池
5.3.4 電池進化史(三)－鹼性電池
5.3.5 電池進化史(四)－鋰離子電池
5.3.6 現代電池－三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池
5.3.7 寧德時代－磷酸鐵鋰電池的領導者
5.3.8 LG Energy Solution－全球第二大電池廠商
5.3.9 Panasonic－特斯拉的主要電池製造商

第6章 電動車新創事業
6.1 Apple跟隨電動車的風潮―Apple Car
6.2 戴森生產電動車的計畫
6.3 Google放棄開發無人車
6.4 台積電占據了一半的半導體代工市場
6.5 電動車之平台開發
6.6 掌握三電得天下

第7章 2030年電動車的市場預測
7.1 燃油車已死
7.2 充電站會取代加油站嗎
7.3 充電站電力哪裡來
7.4 機器人幫車子充電
7.5 電動車的行動電源
7.6 電動車的無線充電技術
7.7 新勢力的崛起
7.8 抵制中國擴張
7.9 固態電池能取代鋰電池嗎?
7.10 氫能源的發展
7.11 電動飛機的興起
7.12 即將到來的6G時代
7.13 未來生活型態

第1章 什麼是「電動車」？

1.1 基本介紹
電動車是近十年來最熱門的話題，到底怎麼定義一台車子是電動車呢？簡單來說以電池為儲能提供動力來源並由馬達驅動之車輛稱為電動車，零件主要分為電池、控制模組、馬達三大類統稱為三電，現階段驅動馬達及電控模組相關技術成熟，電池方面則以鋰電池為代表是最重要的零件之一，電動車近年發展如此快速主要歸功於電池的進步和半導體的發展密不可分，也因為近年來油源逐漸枯竭、造成油價高漲，加上全球對節能減碳問題日趨重視等，造就了各大廠對於電動車的開發和投入。
電動車的充電是利用外部電源，將電力能源經由充電器儲存於二次電池組中，需使用電動車時，經由驅動控制器控制馬達輸出轉速或轉矩、減速傳動機構，使輪胎接受馬達驅動而與地面產生相對運動，根據各車廠所推出的HEV在電池與汽油兩個動力來源的搭配亦有所不同。
在馬達方面，分為感應馬達（AC Induction）及同步馬達（AC Synchronous）二種，感應馬達的成本較低，轉速區大，控制較為簡單，同步馬達啟動扭力大、傳動效率高，但成本較高，多用於油電混合車的動力輔助。一般而言，日系車廠偏好永磁馬達(Permanent Magnet synchronous; PM)，美系車廠則偏好感應馬達，從馬達各種性能來看，永磁馬達的整體效率最高，但若以時速來看，則是感應馬達效率最高。

1.2 電動車的分級
由汽車工程師學會（SAE Society of Automotive Engineers）定義，從安全示警、輔助駕駛，最後到由車輛完全自主自動化駕駛。目前汽車工程師學會採用J3016標準（J3016 Levels of Automated Driving）在2014年定義了駕駛自動化的等級，分類的標準是根據不同程度的駕駛輔助程度來分級，從Level 0到Level 5總共分成6級，這些級別適用於在任何車輛在道路的操作所涉及的駕駛自動化功能，這也是至今為止最多人用的分類標準。
電動車充電分為三個級別：Level 1、Level 2和Level 3，Level 3分為直流快速充電和超級充電。充電等級愈高，充電過程愈快，因為更多的電力輸送到車輛， 特別要注意的是，不同的電動汽車在各個級別上有不同的速度充電。
電動車實際上還細分很多種類，接下來的章節會介紹油電混合車、插電式油電混合車、純電動車、燃料電池電動車四種車型，這四種是現今電動車最具有發展潛力的種類，其中油電混合車雖然是現今市場的主流，但隨著電池的進步、充電站的增加、加氫站的建設等發展，插電式油電混合車、電動車和燃料電池電動車將會成為未來的主流電動車款。

1.3 混合車（HEV、PHEV）
油電混合車簡稱HEV（Hybrid Electric Vehicle），當今的油電混合電動車由內燃機和一個或多個電動機提供動力，電動機使用存儲在電池中的能量並且提供的額外動力可以允許使用更小的內燃機，電池還可以為輔助負載供電並減少發動機怠速，這些功能可在不犧牲的情況下提高燃油經濟性，油電混合車無法插入外接電源為電池充電，但能通過再生製動為電池充電。
插電式混合車簡稱為PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicles），使用電池為電動機提供動力，並使用另一種燃料（例如汽油或柴油）為內燃機或其他部位提供動力。插電式混合車使用電力來運行的車輛相對於傳統車輛可降低操作成本和燃料使用，但油耗是一個大問題，因為插電式混合車有一定比例同時使用電力和傳統燃料進行推進，有很大程度上取決於車輛用戶的駕駛和充電模式以及關於車輛特性，可以通過外部充電設備為電池充電，電池體積較大相對的電量儲存更多能夠支持長時間純電行駛，但車重較重，若電量耗盡後純粹依靠發動機行駛反而會增加車輛油耗，故需要有固定的充電設施。
混合動力汽車市場面臨的挑戰是高成本。電池增加了車輛的成本，使其比柴油和汽油動力車輛更昂貴。價格差異是由於電池和再生製動等零件的價格。然而，在過去幾年裡，電池的成本已經顯著下降，電池製造商正在採取主動研發操作以降低電池成本，目前電動汽車充電基礎設施的改進導致電力部門利益相關者增加對汽車公用事業和充電硬件的投資，豐田汽車、日產汽車有限公司、本田汽車、起亞汽車、比亞迪是在油電混合車市場運營的主要公司。2018年混合動力汽車市場總量為416.9萬輛，預計2018年至2025年複合年成長率為8.94％，在2021年達到550萬輛，預計到2025年將達到759.3萬輛。IMARC集團預計到2027年市場將達到3120萬輛，2022〜2027年的複合年成長率為31.9％。2021年插電混合式電動車銷售總量達約182萬輛，銷售數量第一的是比亞迪，該公司創下2021年銷售27.3萬輛的成績，市占達15％，在歐盟強力推動電動化下，預期幾個領導國家如德國、法國的新能源車新車滲透率將在2022年來到20〜25％。在全球節能減碳方向不變、車廠產品線比重向電動車移轉下，預估2022年新能源車總量將突破1,000萬輛。

第2章 人類可以擺脫汽油嗎？

2.1 汽車產業百年來的轉變
第一輛被發明的車既不是燃油車，也不是電動車，而是在1802年由英國人理查．特里維西克（Richard Trevithick）所製造的蒸氣機，以蒸氣為動力，煤為燃料來推動的車。
雖然現在在路上行駛的車大部分是燃油車，但其實電動車比燃油車早出現將近快50年，而第一輛電動車在1834年由蘇格蘭發明家羅伯特．安德森（Robert Anderson）在馬車上裝乾電池所製造的，乾電池又稱一次性電池，無法二次充電，後來才發明可重複充放電的鉛酸蓄電池與鋰電池等；第一輛燃油車在1885年由德國卡爾．弗里德里希．本茨（Karl Friedrich Benz）設計單缸內燃機所製造的三輪車，也因此成為賓士汽車創始人。
第一輛時速破百的車也是電動車，在1899年由比利時賽車手卡米爾．耶納齊（Camille Jenatzy）所駕駛的La Jamais Contente（意為：永不滿足）。電動車的前景如此美好，但很不幸的是作為燃油車燃料的石油被大量開採、電動車成本過高且續航力不夠，再加上美國亨利．福特推出的福特T型車，以大量標準化的零件進行大規模流水生產線裝配，使得汽車價格大幅降低且走向多元化，因此電動車逐漸消聲匿跡，不再被人提起。
在 1971年的阿波羅15號任務中，將史上第一輛車送上月球，而該車就是由電力驅動，由於過去大肆開採石油的關係，使得石油分別在1973年、1979年和1990年出現三次危機，因此石油價格開始上漲，再加上大氣環境汙染嚴重，社會開始提倡環保意識，節能環保的電動車因此又再度獲得關注，開始積極發明電動車，像是1972年寶馬（BMW）的純電動車「1602e」、1992年福特汽車使用鈉硫電池的Ecostar電動車、1997年日產汽車（Nissan）的prairie Joy電動汽車和2008年特斯拉汽車公司使用鋰電池的全電動跑車Tesla Roadster。

第4章　電動車的世界產業地圖：四強

隨著科技不斷發展與創新，生活品質隨之提升，開始倡導環保與大自然共存，各國都希望能夠研發對生態環境傷害最低的產品，加上燃油車所使用的汽油可能面臨耗盡的窘境，因此電動車在近幾年來被世人再次提起。與百年前不同的是，這次電動車不再稍縱即逝，有極大的可能成為新世代汽車的主宰。電動車的復興也已有數十年了，主要的牆頭有四大地區，分別為美洲、歐洲、中國和日韓，以下會說明四強主要的電動車品牌，再來討論他們的過去、現在的發展狀況和未來發展。

4.1美國－特斯拉的master plan
特斯拉成立於2003年，當初創立特斯拉的工程師團隊，希望向大家證明實現全自動駕駛的可行性與商機，並且相較於燃油車，電動車的性能應該更優良、更快速，也能帶來更多駕駛上的樂趣。特斯拉執行長伊隆•馬斯克在2006年聲稱特斯拉將執行master plan，計畫中的第一步驟是建造跑車、建造一輛負擔得起的汽車、建造一輛更實惠的汽車和提供零排放發電的選項，並以此打造出Roadster、Model S和Model 3等電動車，特斯拉在2016年推出了Model 3，是如今全球最受歡迎的電動車款之一，這是特斯拉最實惠的車型，它提供了作為一款電動車所需的大部分功能，也是首批上市負擔得起的遠程電動轎車之一，Model 3將性能、續駛里程和可承受的價格完美地結合在一起，它的銷量超過了寶馬和奧迪等豪華車的競爭對手成為如今電動車銷售霸榜的車款。在2021年特斯拉交貨了93萬台車，其中美國和中國就各占了3分之1的銷售量，也因此當年的營收接近七成是來自美國和中國，而2022年直至第二季度為止，交貨數量57萬台，到年底前有望突破130萬台的銷量，也會是第一次電動車突破100萬台銷量的公司。
Master plan的第二步驟在2016年發布，特斯拉希望打造太陽能電池屋頂和移動式電池儲能產品使每個家庭都像一個小型發電站、擴展電動車產品線覆蓋所有主要市場、開發比手動安全的自動駕駛能力、讓車子在不使用時為你賺錢，以上四個部分為祕密計畫的第二步驟，儘管很多人不相信這是可以達成的，但有了第一步驟的成功，也讓特斯拉有很大的資本與野心去一步步慢慢實現，時至今日，特斯拉不僅打造出純電動車，更推出了具有無限擴充功能的清潔能源發電與儲存產品，特斯拉相信全世界愈快停止依靠石化燃料，就愈能迅速進入零排放的美好未來。
在第三步驟，馬斯克透露將持續擴大汽車的生產規模和整個電動車供應鏈產業。

第6章 電動車新創事業

6.1 Apple跟隨電動車的風潮―Apple Car
隨著電動車的興起，不只各大汽車品牌開始生產電動車，或是制訂關於電動車的計畫，甚至其他行業的知名品牌，如：蘋果（Apple）、谷歌（Google）和戴森公司（Dyson）等，也跟隨著風向，表示他們也開始對生產電動車有相當大的興趣。我們知道，蘋果公司正在開發一個自動駕駛汽車項目（代號為Project Titan），該公司在2021年發表了聲明，且似乎還繼續招聘專門從事汽車開發的職位，在最近幾個月已經挖走了幾名特斯拉高管。但許多重大問題仍未得到解答，它會是完全由蘋果公司打造的電動車，或是授權給第三方汽車製造合作夥伴？這是因為蘋果尚未確定合作的汽車製造商，因此這一直是圍繞Apple Car的主要話題與爭議。
據報導，早在2018年5月，蘋果就在與德國汽車巨頭大眾汽車進行談判，生產四輪驅動商用車的自動員工穿梭車，該計畫有望為大眾市場開發蘋果汽車，但在一系列備受矚目的測試崩潰和員工洩密之後，兩家公司之間的合作關係被扼殺。在2021年初，我們認為這家科技巨頭正在與現代公司談論生產自動駕駛電動汽車的議題。然後有報導指出蘋果實際上已經與現代的子公司簽署了製造協議的謠言，該協議最早將在2024年將Apple Car推向市場，而結果則是蘋果迅速地取消與現代和起亞的談判。在這之後，又有傳聞蘋果將日產作為潛在製造合作夥伴之一，其結果是接觸時間很短暫，在品牌方面有分歧，討論並沒有深入到高級管理層。還有一個不太可能的傳聞是蘋果和韓國的LG聯盟，據韓國時報報導，2021年4月的報告顯示，蘋果「非常有可能」與這家韓國科技巨頭（與加拿大汽車供應商麥格納國際）達成合作協議，LG最近離開了智能手機行業，將資源集中在其品牌更好的增長領域定位―如電動汽車部件，不過，會談仍在進行中，甚至還有更多最新報導暗示蘋果還在與中國電池供應商寧德時代進行談判，但我們仍未聽到有關此事的官方溝通。所以，到2022年，蘋果的Apple Car進度似乎還在停滯在尋找合作夥伴。