李坤彥:SiC逆變器(inverter)是電動車電池動力提升的關鍵

近年來,全球極端氣候消息頻傳,面對越來越為嚴峻的氣候考驗,中、日、韓等世界前幾大經濟體相繼宣布將在2060和2050年達成淨零排碳的目標。「減少碳排放」可說是當前企業及國家施政的重要政策,此趨勢預期將讓再生能源及電動車工業等產業蓬勃發展。其中,碳化矽(SiC)材料因其特性有助於提升電動車效能,而被視為下一代電動車發展的關鍵。

國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系李坤彥教授指出,碳化矽元件的應用包括再生能源、充電樁、電動車及軌道業,能降低功率損失,還能提高再生能源的發電量及轉換效率;幫助充電樁及電動車提高充電速度、縮短充電時間。同時,也能縮小充電樁的體積,提升電動車的續航力且讓車子變得更輕。此外,日本已將碳化矽功率模組應用於新幹線上,經測試,機電系統的重量及體積能縮小30%以上。

打造一個嶄新的軟體公司

過往電動車礙於價格、電池容量與壽命、充電速度等因素,發展速度緩慢。但是,近期新興的碳化矽(SiC)材料,因其特性有助於提升車子性能,應用至機電系統中則能降低車子的體積與重量。例如,特斯拉(Tesla)Model 3就是全世界第一個使用碳化矽元件的電動車,大幅提升車子的續航力及性能,超越當時市面上的各家電動車而一砲而紅。

李坤彥分析,由於碳化矽材料能承受的最大電場強度是矽材料的十倍,也就是說,其能承受的電壓較矽材料更多,但功率損失相對較少;再加上碳化矽元件能在高溫下操作,不會受到電動車機電系統的高溫所影響。由於碳化矽的本質濃度低及寬能隙的特性,使得碳化矽元件在高頻下操作,不會有漏電流的現象。

由於碳化矽元件被認為適合用在高電壓的系統中,以降低功率損失,因此,電動車公司便想將整個電池動力系統由400伏特提升至800伏特。但是,李坤彥指出,系統提升不僅要克服效率轉換、尺寸大小、充電速度,以及續航力等技術,最重要的是逆變器(inverter)的轉換。「一般的逆變器,將能量從電池傳遞到馬達的效率可能介於97~98%間,但如果換成碳化矽的逆變器,整體效率就能提升到99%。」李坤彥分析,儘管只是1%到2%的小幅增加,但帶來的效益卻十分明顯。

試想,在同樣功率標準下,使用較高的電壓(例如:800伏特),所需的電流相對較小,電線線徑及長度也會跟著變小。這意味著車輛的重量也會跟著減輕,材料成本將會降低。帶來的好處除了速度增加,耗電量減少,組裝也變得更簡單。對追求更長續航力、更大電池容量、更快充電速度的電動車而言,碳化矽設備將會是最佳解決方案。

台廠進軍電動車市場的進階挑戰

李坤彥指出,無論是車廠、零件商、碳化矽的材料商,可以發現電動車市場已經是許多知名公司的必爭之地,而台灣的公司該如何找到一個切入點與這些大公司競爭呢?他認為,透過MIH的開放平台,能讓有興趣、有能力的公司進來,彼此合作整合資源,找到有利的市場切入點。

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