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科技專案成果

第三代半導體助攻 打造電動車高效心臟
發佈日期:2022-11-01
單位:財團法人工業技術研究院
案例年度:2021
簡介:
針對電動車的關鍵零組件,在經濟部技術處科技專案支持下,2021年工研院開發臺灣首款車用「碳化矽馬達驅控器」,該技術目前在全球僅少數大廠開發成功,助攻我國廠商搶先布局未來電動車商機。

特色:

工研院 ▶ 研發臺灣首個碳化矽馬達驅控器

* 技術特色 
將第三代半導體材料碳化矽(SiC),用於電動車馬達驅控器中的功率元件,發揮高切頻、高效率、耐高壓、耐高溫等特性,提升續航力。

* 產業擴散  
車用驅控器技術移轉東元和大同廠商,促成切入車用市場。此外,針對碳化矽功率模組,提供國產解決方案,與國際大廠研發進度同步。

電動車發展態勢火熱,根據彭博新能源財經(BNEF)預估,2035年~2040年間電動車銷售量將會超越燃油車,成了未來交通移動的新寵兒。

針對電動車的關鍵零組件,在經濟部技術處科技專案支持下,2021年工研院開發臺灣首款車用「碳化矽馬達驅控器」,該技術目前在全球僅少數大廠開發成功,助攻我國廠商搶先布局未來電動車商機。
 

臺灣自主研發的碳化矽馬達驅控器,達到高功率密度40kW/L及高效率98%以上的國際水準。

▲ 臺灣自主研發的碳化矽馬達驅控器,達到高功率密度40kW/L及高效率98%以上的國際水準。
 

克服材料特性 創下高功率密度水準

工研院機械所經理張欣宏解釋,汽車電動化之後,電池提供直流電(DC),馬達運轉卻靠交流電(AC),「要把DC轉AC,中間轉換的橋梁就是馬達驅控器。」而碳化矽(SiC)正是全球積極投入的第三代半導體材料,具備高切頻、高效率、耐高壓、耐高溫等特性。由於在電動車零件中,馬達驅控器的電壓最高、功率最大,最能展現碳化矽材料優勢,一旦改善驅動效率,就能大幅提升續航力。

然而將碳化矽應用在驅控器中的功率元件,模組周邊設計也是一大挑戰。首先,高切換頻率可讓電流驅動更順暢、提升馬達控制效率,卻也衍生電磁干擾問題,引發其他的電子系統失效,因此採用抗雜訊、變頻的驅動電路設計,讓電磁干擾降到最低。

第二,高切換頻率有利微縮驅控器體積,散熱系統的設計也要更加精細。工研院開發主動溫度估測補償技術,在控制器中導入專利演算法,可精準監控模組溫度。

透過整體的模組結構設計,相較一般馬達驅控器的功率密度約在20kW/L,工研院的碳化矽馬達驅控器卻有高功率密度40kW/L,以及高效率98%以上的表現,躋身國際水準。
 

2021年「臺灣車輛移動研發聯盟」主題館中,工研院向經濟部長王美花說明臺灣首款車用「碳化矽馬達驅控器」。

▲ 2021年「臺灣車輛移動研發聯盟」主題館中,工研院向經濟部長王美花說明臺灣首款車用「碳化矽馬達驅控器」。
 

促成廠商切入電動車關鍵零組件市場

事實上,工研院在科技專案支持下,長期耕耘先進車用驅控器研發,2019年也將第二代半導體材料應用在驅控器上,技術移轉給東元和大同廠商。2020年東元開發的「電動車動力系統T Power 」,比起同級距馬達輸出功率增加1.8倍,已取得臺灣車廠訂單,將應用於3.49噸商用貨卡車,目前正積極與日本、泰國、印度及越南車廠洽談中。

2021年工研院攜手大同發表首款國產電動巴士動力系統「250kW動力系統」,適用於一般12公尺電動巴士及17噸貨卡車,驅動器最高效率逾97%,效率表現與歐美大廠並駕齊驅。

由於車規零件極度要求可靠度和安全性,對以傳統馬達起家的東元、大同來說,並不熟悉車用市場,張欣宏說「科技專案協助廠商從工業用馬達順利晉身到車用等級。」

至於最新研發的碳化矽功率模組,由於技術門檻更高,國外投入的廠商不多,量產車款中更僅有特斯拉採用。「過去這些技術都掌握在國外大廠,但現在我國能跟國際大廠同步,」工研院2022年率先將進行小貨卡實車測試,未來可應用在電動貨卡車或電動巴士,提供動力驅控器國產解決方案,協助廠商搶占先機。
 

工研院攜手大同公司成功開發出首款國產電動巴士動力系統,可望加速落實電動巴士國產化。

▲ 工研院攜手大同公司成功開發出首款國產電動巴士動力系統,可望加速落實電動巴士國產化。
 


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