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產業技術評析

功率元件在電動車輛的應用與發展
發表日期:2022-08-10
作者:蕭瑞聖(工研院)
摘要:
石油危機、地球暖化等節能與環境保護的議題受到全球矚目,因應經濟成長趨緩、汽車銷售成長率逐漸下降與隨著高齡化社會的到來、對應高齡人口及交通弱勢者問題,連帶地影響汽車產業發展。

全文:

一、主要國家推動節能減碳政策,電動車輛市場蓬勃發展
 

石油危機、地球暖化等節能與環境保護的議題受到全球矚目,因應經濟成長趨緩、汽車銷售成長率逐漸下降與隨著高齡化社會的到來、對應高齡人口及交通弱勢者問題,連帶地影響汽車產業發展。

隨EU設定2030年每公里59g的CO2嚴格排放目標、中國及美國加州積分制持續實施,各大車廠積極投入電池及電動車研發製造,帶動2021年電動車輛銷售量550萬輛,預估2025年銷售量1,200萬輛。
 

二、電動車輛整合汽車電子應用,功率元件扮演關鍵角色
 

電動車輛整合汽車電子應用導引汽車電子產值逐年增加,其背景有(1)汽車感測器、半導體技術成熟,附加價值提升(2)伴隨政策法規實施,電動車輛需求殷切,大電壓/大電流功率模組/元件需求成長(3)車廠利用汽車電子產品提升競爭優勢,訴求產品差異化(4)藉由控制電子化,改善引擎效率與降低燃油效率(5)消費者對車輛安全(主動、被動安全)要求意識提高(6)汽車無線資訊與通信需求增加。

功率元件(Power Devices)是電動車輛電子裝置的電能轉換與電路控制核心,主要用途包括變頻、整流、變壓、訊號處理與控制等,功率元件逐漸應用於電動車輛等領域,功率元件具備功能有(1)在各種應用中具備更高能源效率(2)更高的載流能力,在600V~1,200V典型電壓條件下,載流能力需達100A~300A(3)更優異機械與電氣性能,確保能夠承受惡劣汽車環境,同時滿足防失效設計所有安全與保護要求(4)更低的電磁干擾與寄生電感,由於大電流切換或轉換與高電壓會產生極強的電磁場,包括傳導或噪音/電磁干擾與對汽車感應電子裝置造成影響等。

節能減碳議題受矚目,歐盟國家要求2021年之後CO2排放量需低於95g/km,對所有的汽車廠而言,欲符合法規要求的因應之道,是推出複合動力車或純電動車。改善傳統內燃機引擎燃油效率後,下一步是輕混複合動力車,其次是全複合動力車(Full Hybrid Vehicle),最後是純電動車。相較於全複合動力系統,48V輕混複合動力系統並非完全依靠電力驅動車輛,電動馬達可用於停車自動啟閉系統(Stop & Go),並在車輛加速時提供助力,或在剎車時回收能量,自動啟閉系統提供輕混複合動力車經濟的燃油效率,相較於傳統汽車引擎,依控制策略差異,燃油消耗最高可減少15%~20%。

由於輕混複合動力車的電動馬達功率有限(不足20kW),所需的電池電壓比全複合動力車或純電動車的電池電壓低,為降低各種功率元件成本(電池、控制器、切換開關、電容器等)考量。現階段輕混複合動力車使用200V電壓,而全複合動力車或純電動車電壓則高達450V~1,500V(在安裝升壓器的條件下甚至更高),所有的複合動力車輛均使用驅控器(Inverter)做為電動馬達驅控器,並多導入絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)或金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)應用,由於功率輸出特性,IGBT已被視為最佳性價比的半導體開關元件。為達到最優性能與最低損耗,需要最佳化驅控器轉換電壓(降低系統的整體離散電感),並縮小電壓與IGBT阻斷電壓的差距。

儘管傳統引擎汽車可以相對輕鬆地從12V電池供電與相對應的12V/14V交流發電機獲取車載系統電氣需求。由於複合動力車採用多個系統,需要更高的功率等級,對輕混複合動力車、全複合動力車、插電式複合動力車或純電動車而言,耗能最多的當屬電動馬達驅動裝置,該裝置需要在沒有引擎支援情況下,至少在一定時間內能有效驅動車輛行進,半導體功率元件在電動車輛(複合動力車、純電動車等)扮演重要角色,表1,是功率元件的主要功能。

電動車輛的高壓電力應用,導引電動車輛採用兩種功率模組,將直流轉換為交流型態,以便驅動電動馬達的DC-AC驅控器,以及在高壓電力與12V電力之間實現電能交換的直流轉換器(DC-DC Converter),複合動力車仍需要12V電力,因為多數標準汽車電子系統都採用12V電力(如車內燈照明、方向燈等),驅控器與轉換器處理或轉換幾千瓦(kW)的功率輸出,需要配備最佳化半導體功率元件與複雜的高效能電子裝置。
 

表1 功率元件主要功能
電源轉換型式 功率轉換控制器種類 功能
DC/AC 驅控器 將直流電轉換為(3相)交流電
驅動電動車輛電動馬達
AC/DC 轉換器/整流器 將交流電轉換為直流電
車載充電器將市電轉換為直流電
直流快速充電樁將市電轉換為直流電
DC/DC 直流轉換器/直流變壓器(升壓/降壓) 對轉換的直流電做升壓或降壓動作,升壓或降壓後提供動力電池與12V電力系統使用
AC/AC 轉換器/變頻器 市電交流電變頻
交流慢速充電樁變頻

資料來源:工研院產科國際所(2022/08)。
 

三、寬能隙元件—SiC與GaN在電動車輛應用受關注
 

目前電動車輛占汽車市場比例仍低,存在若干瓶頸,受矚目的兩種寬能隙(Wide Band Gap)第三代化合物半導體元件—碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)可能改善電動車電子元件的課題,SiC已被少數車廠(如Tesla Model 3)應用採納,特別是電動車輛對應開發高效率和高功率元件所面臨的能源效率與成本挑戰。

SiC由純矽(Si)與碳(C)組成,與Si相較具有三大優勢:更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱係數和更寬的能隙;SiC具有3電子伏特(eV)的寬能隙,可承受比Si大8倍的電壓梯度而不會發生崩裂擊穿。能隙越寬在高溫下的漏電流越小,效率越高;導熱係數越大,電流密度越高。SiC基板具有更高的電場強度,可使用更輕薄的基礎結構,厚度可能僅為Si外延層的十分之一,此外SiC的摻雜濃度較Si高出2倍,元件的表面電阻降低,傳導損耗顯著減少。

許多電源模組與電動馬達驅控器廠商已在未來產品藍圖(Roadmap)中規劃使用SiC元件,寬能隙元件或模組能大幅降低特定負載下的開關損耗與傳導損耗,改善散熱管理,確保高能量密度,同時縮小電路尺寸。SiC技術適用於功率較高的產品應用,例如電動馬達、驅動器與驅控器,廠商研發適用的驅動電路,以滿足轉換器對更高開關頻率的需求,並採用更複雜巧妙的拓撲結構減低電磁干擾。SiC元件所需的外部元件更少,系統佈局更可靠,製造成本也更低。由於效率更高、外形尺寸更小、重量更輕,智慧設計的冷卻要求也相應降低,有利於電動車輛動力系統的熱管理(Thermal Management)。寬能隙功率元件的應用例子越來越多,與傳統的Si元件比較,SiC與GaN顯現卓越性能,使功率元件能夠在電動車輛大電壓、大電流,尤其是高溫環境與高開關頻率下工作。
 

四、功率元件於電動車輛技術發展與應用
 

(一)電動馬達驅控器

近年來隨著新一代電動車(xEV)加速普及,連帶開發具備更高效率,更小且更輕的電動系統,特別是驅動核心—電動馬達驅控器,不只重視小型化及高效率,功率元件跟著進化,為延長電動車續航距離,電池容量呈現日益增加趨勢。

電動馬達驅控器是電動車輛的技術核心,驅控器負責從動力系統電池接收DC電壓輸入,並將其轉換為三相AC電壓再傳給電動馬達,最常見的方式是市場導向的向量控制,以脈衝寬度調變(PWM)驅動的三相(六開關)橋接器組成,驅控器控制電動車輛的電動馬達與轉換12V電池電壓的直流轉換器,多由許多電子零組件所組成,其中驅控器的成本僅次於電池,且與電池組互為依存關係。

驅控器的功能與傳統引擎的引擎管理系統(Engine Management System, EMS)類似,屬於電動車輛的電動動力系統控制核心,儘管領導車廠驅控器硬體曾有外製實績,驅控器軟體幾乎都列為車廠自製項目。而直流轉換器因功能明確,只執行電動車輛電壓升降動作,提供附屬零組件電力,對動力系統功能無直接影響,因此多數車廠多委外製造(Outsourcing),直流轉換器與驅控器無論是性能(轉換效率)、品質等都是電動車輛發展過程當中相當重要的考量課題。

(二)直流轉換器

功率轉換器與功率元件是強化續航能力與降低環境污染的關鍵元件,只有使用高能效的直流—直流(DC/DC)轉換器才能輸出正確的電壓,在不同電源與動力電池之間因升壓或降壓等管理功率,複合動力系統控制器與電網的交流—直流(AC/DC)轉換器為動力電池充電,動力電池透過DC/DC轉換器給12V電池充電,電動車配置可能需要一個雙向或單向電源系統,DC/DC轉換器故障可能導致所有電氣附屬設備失效,所以DC/DC轉換器的可靠性相當重要。

直流轉換器是將電壓更高的匯流排(如輕混式電動車為48V或電動車/複合動力車是100V),轉換至傳統的12V電力匯流排,車內電氣負載大多由後者驅動,在重度複合動力車或電動車之中,直流對直流轉換器可將大電壓電力轉換為12V電力,並對12V電池充電,目前車廠還沒將12V匯流排電力「提升」至更高電壓電力的應用,在這類架構中多數直流對直流轉換器採用單向設計,輕混式電動車架構透過48V匯流排為12V電池充電外,直流對直流轉換器還需將12V匯流排的電力轉換為48V匯流排。

(三)車載充電器

隨著電池技術精進與續行距離延長需求,適用於純電動車與插電式複合動力車的車載充電器扮演相當重要角色,電動車充電技術開發方向主要可分為傳導式(Conductive)充電與感應式(Inductive)充電,充電系統由4個子系統組成,分別為交流市電(Mains AC)、高頻轉換器(High Frequency Converter)、二次整流器(Second Rectifier)與電池等。

在環境標準日趨嚴苛背景下,領導車廠擴大研發電動車,可對應續航里程300km以上的純電動車高功率車載充電器積極開發中,提高車載充電器性能有助於今後純電動車推廣普及,車載充電器也受到相當關注。

電動車車載充電器目前的容量約2kW至8kW之間,主電池至副電池充電器約在1kW上下,主電池不但功率較高,而且除(a)高效率的要求,另外要同時滿足(b)高功因(c)低電磁干擾(Electro-Magnetic Interference, EMI)等性能改進,互相都有關連性。副電池功率較低,但是在行駛中長時間操作,環境操作溫度也較高,所以對可靠度要求高。於此同時,充電時間需要縮短,電動車電池朝高電壓(800V~1,500V)發展,能兼顧高耐壓與低損耗的SiC功率元件被寄予高度期望。

(四)直流充電樁

直流充電樁是將交流電轉成直流電,直接為電動車的車載電池充電,輸出的電壓與電流調整範圍大,適合大功率充電以大幅縮短充電時間,一般多設置於公共充電設施(地點),並且以駕駛只會短暫停留的旅途中充電地點為主,例如高速公路服務區、大型專用快充站、加油站改設或增設充電站與便利超商等。

直流充電樁內部結構主要包含具整流與升壓功能的功率元件、控制充電的控制單元及計量模組,由於直流充電樁功率大,且一座充電樁可搭配多支充電槍,同時為多台電動車充電,因此一座直流充電樁可能會由多組充電模組所組合而成。常見的設計架構有兩種(1)一個低頻變壓器(Low Frequency Transformer),搭配一個中央AC/DC整流器(AC/DC Rectifier)與多個非隔離式DC/DC轉換器(Non-Isolated DC/DC Converter)(2)多個AC/DC整流器1對1搭配隔離式DC/DC轉換器(Isolated DC/DC Converter)。

50kW以上的直流充電樁,可能採取一體化或模組化結構設計,預期越大功率的充電樁越有機會採用模組化結構。此種設計存在於許多設備中,例如太陽能逆變器、儲能系統和數據中心,具有可靠性高、可快速且低成本進行功率升級的優點。通常採取一個模組15~30kW設計,隨著350kW的充電樁發展,也有可能採一個模組40~60kW的規格設計。此外,在一體化設計下功率元件,一般50kW以下會採離散式元件、50kW以上產品採用電源模組形式;但若改採模組化結構設計,因為單一個模組功率小,故即使是50kW以上的直流充電樁,亦可採取離散式元件設計。

在電動車直流充電樁等大功率電子電路中,高擊穿電壓可簡化設計並提高效率,寬能隙元件的擊穿電壓高,且導通電阻低,導通電阻值降低可減少開關損耗與功率損耗,從而實現特別精簡的封裝。針對高壓應用電路,SiC元件可承受高溫200℃,傳統Si元件最高只能承受150℃,充電樁使用寬能隙元件,可實現更高的開關速率與更高的能源效率,進而訴求更精簡、更簡單的冷卻模組。

為配合電動車充電所需,許多國家及區域也增加充電站的設立,讓車主使用上更為便利,為提升續航力,電動車電池容量越來越大,以2021年上市的電動車為例,多數車款續航距離達500公里,相對應的電池容量需超過60kWh。直流充電樁與交流電網連接,可以為非車載電動車動力電池提供直流電源的供電裝置。直流充電樁的輸出為可調直流電,直接為電動車的動力電池充電,由於直流充電樁採用三相四線制供電,可以提供足夠的功率,輸出的電壓和電流調整範圍大,可以實現快速充電需求。
 

五、結論
 

隨著各國政府宣布碳零排放目標,包括歐盟和美國承諾至2050年、中國至2060年實現碳中和等,各國政府積極發展電動車產業,例如美國總統拜登已簽署總統令,目標是2030年將純電動車占美國市場新車銷售比例提高至50%。

汽車電子系統是電動車輛技術核心,功率元件扮演產業發展關鍵角色,對系統熱管理、電動動力輸出效率及成本結構影響甚巨,國際領導廠商對於功率元件及其應用改良,主要在於功率模組與系統整合、熱管理系統對策,藉以提高體積功率密度與降低成本,國外領導廠商對功率模組開發優化,先由功率模組結構設計由繁化簡,再配合系統整合,縮小體積、共用散熱配置,進而調整結構設計。電動車輛市場崛起,對於擅長資通訊(Information and Communications Technology, ICT))產品的臺灣廠商而言,是個跨域轉型機會,從功率元件到模組,從個別零組件供應商角色朝向提升附加價值的系統整合發展,積極研發與生產車用功率元件,除布局Si IGBT模組改良外,亦積極研發寬能隙SiC與GaN的功率模組應用,功率元件(SiC與GaN等)市場潛力與功率轉換控制器應用將快速增加,建議廠商早日布局。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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