車載動力暨電力轉換器技術趨勢與挑戰

作者：

吳至強

刊登日期：2024/04/09

摘要：本文回顧並探討電動車動力與電力系統中馬達驅控器與車載充電器 (On-Board Charger, OBC) 之趨勢，包含 US Drive、EU 2ZERO 技術目標，並對國際車電充電規範、電壓、功率、功率密度與效率、及現況作分析。針對馬達驅控器與車載充電器之趨勢，工研院機械所智慧車輛組積極佈局開發高效率高功率密度之馬達驅控器與雙向充電車載充電器，以解決現階段電動汽車續航低及車輛空間受限的問題。透過導入國際標竿產品做分析參考，期能超越美國 US Drive 2025 年之功率密度目標，進而佈局 2025 年後之動力與電力系統發展。
Abstract：This article reviews and discusses the trends of motor drives and on-board chargers (OBC) in electric traction inverter and power converter systems, which are based on US Drive and EU 2ZERO technical goals, and analyzes international vehicle charging standards, voltage, power, power density, efficiency, and current status for analysis. According to the trend of motor drivers and on-board chargers, the Intelligent Mobility Technology Division of ITRI is actively developing high-efficiency and high power density motor drivers and bidirectional onboard chargers to solve the current problem of low battery life of electric vehicles and space constrained issues. By introducing international benchmark products for analysis and reference, it is expected to exceed the power density target of US Drive in 2025, and then lay out the development of power traction inverter and power converter systems after 2025.
關鍵詞：整合式車載充電器、馬達驅控器、碳化矽、高功率密度
Keywords：Integrated On-Board Charger (iOBC), Traction inverter, Silicon carbide (SiC), High power density

前言
全球電動車崛起為實現淨零碳排重要途徑之一，當今電動汽車存有高電池成本和低續航問題，提高馬達驅動與充電效率的技術為當今的發展趨勢。目前大多數傳統電動車電力動力系統中，充電器和馬達驅控器是透過兩個獨立的電路在不同的操作期間運作。多數充電器模組僅提供單向功率 ( 電網到車輛 (G2V))，由於高功率密度及在高峰期間能將能量送回電網之需求，後續趨勢已轉向整合式雙向 OBC 架構以提供高效率、高功率密度，及可實現車輛到設備 X（V2X）功能。為了進一步精進車輛的成本、體積和重量，相對於獨立式的轉換器架構，整合式車載充電器 (integratedOn-Board Charger - iOBC) 架構將馬達、逆變器和充電器等電力電子組件緊密整合以達成驅動與充電功能，因此對於空間佈局、成本和重量提供靈活性，從而使電動車獲得更好的效率和功率密度。
根據 US Drive 研究指出：電動車驅控器發展趨勢來看，預估 2025 年功率密度由 2020 年的 13.4kW/L 提升至 100 kW/L，最高效率將提升至 98 %以上 ; 而 OBC 的體積功率密度和重量功率密度預計分別由 2020 年目標 3.5 kW/L 和 3 kW/kg，峰值
效率 97 %，至 2025 年提升到 4.6 kW/L 和 4 kW/kg，峰值效率達到 98 % [1]。隨著寬能隙元件的技術發展成熟，眾多廠商採用寬能隙功率元件於轉換器的應用以因應高效率與功率密度的開發需求。本研究是基於美國 US Drive 2025 年對於馬達驅控器與車載充電器技術要求的功率密度與效率作為參考目標，後續並期能超越 2025 年後之高壓、高功率、高密度及效率目標，另針對近年來國際充電規範發展，與 2025 年後歐盟 EU 2ZERO之 1200V 高壓展望 [2]，進而探討系統電壓由原先400 V 到 800 V，甚至朝 1200 V 發展，規劃導入寬能隙元件之碳化矽與氮化鎵功率開關，透過系統性分析與設計技術發展，以提供高功率密度的
整合式馬達驅控器與車載充電器設計方案，且導入國際標竿產品做分析參考，進而建立高壓、高功率密度，及高效率之電力動力系統開發能量與驗證技術，以協助廠商建立關鍵電力動力技術。
本研究除探討動力與電力架構系統，並針對逆變器與車載充電器整合拓撲進行分析比較，且探討不同商用馬達驅控器、車載充電器的功率，體積密度與效率趨勢，這些高動力電力密度架構趨勢分析可以幫助車用領域的研究人員選擇合適的轉換器拓撲來實現預期的功率密度。以下各節將針對國際車電充電規範、高壓高功率、功率密度與效率、及現況開發與佈局等議題，如圖 1 作進一步介紹。
充電規範與馬達驅控器車載充電器趨勢
1. 充電規範趨勢
綜觀全球目前電動車充電規格主流有：日規 CHAdeMO、中國規格 GB/T、特斯拉規格Tesla TPC( 後續改為 NACS)、美規 CCS1（Type1J1772）、及歐規 CCS2（Type2）。2018 年日本CHAdeMO 協會和中國電力企業聯合會（CEC）合作制定下一代大功率電動車充電標準 ChaoJi或 CHAdeMO 3.0，並於 2020 年完成 600 A @ 1.5kV= 900 kW 測試，CHAdeMO 和 GB/T 充電規格趨勢有整合朝向 ChaoJi 充電規範 [3-4]。而 2023年前期，除特斯拉以外 CCS 為多數車廠在北美市場的選擇，然而近期由於特斯拉的充電網路開放及 NACS 的先進設計，吸引包含 : 福特、通用、Rivian、Volvo、賓士、現代、福斯等車廠 ( 少數
車廠尚未宣布支援 )，如圖 2 所示，及眾多充電業者逐漸支援 NACS 標準，而 SAE 已完成其 NACS認證工作 ; 而國內相關充電業者包含鴻海電動車合作夥伴 Fisker 決定採用特斯拉 NACS 充電口，飛宏子公司馳諾瓦科技推出支援 NACS 北美充電標
準，及信邦電子近期 NACS 交直流充電槍於獲得UL 認證，都顯示有涉足布局 NACS 的規劃。臺灣部分目前則由產官學研等機構組「臺灣電動車輛電能補充產業技術推動聯盟」，採 CCS1 公共充電以打造國內友善充電環境。
2. 高壓與高功率趨勢
截至 2022 年，CHAdeMO 2.0 或 CCS Combo2 提供充電連接器的最高電壓為 1000 V。針對更高壓的充電規格需求，CharIN 定義了百萬瓦級充電系統 (MCS) 的規格，能夠提供 1250 V/3000 高達 A3750 kW 的電力，而 CHAdeMO 3.0/ ChaoJi 標
準可提供 1500 V/600 A 高達 900 kW 的直流快充電力 [3]，由這些充電的規範趨勢可觀察出，充電規格趨勢朝高電壓及高功率發展，相對開啟將電池組的電壓、電力及動力系統電壓等級提高到超出 1000 V 的限制，如圖 3 所示。
現今多數電動車使用 400 V 的電池電壓系統，為了滿足快速充電需求，800 V 動力系統在商用電動車中越來越普遍。各大車廠也陸續推出 800V 高壓車型，如 : 保時捷 Taycan、奧迪 e-tron GT、現代 Ioniq 5、起亞 EV6、和比亞迪 Seal 車型，甚至Lucid Air Dream 電池最大電壓有至 9 百多伏 [4]，其中現代 Ioniq 5、起亞 EV6 等車更導入英飛凌(Infineon)、義法 (STM) 的 SiC 功率模組，電壓與功率的提升、寬能隙元件的導入有助於延長續航里程與縮短充電時間。此外歐盟已經在推動 1200V 動力系統 (EU 2ZERO)，使用 1200 V 及以上電壓在次世代動力集成架構將有助於面對後續超快速充電、超高效率、更小體積和成本優化需求，1200 V動力集成架構也被期望帶來下列幾項益處，包含：1. 給定功率下，整個動力集成成本至少降低 20 %。2. 電量從 20 % 充電到 80 % 充電時間<15 分鐘 (C 級車 )。3. 在電池重量相同的情況下，續航里程增加~20 %。4.損耗降低25 % [2]。然而，提升電壓 (800 V 或 1200 V) 對系統中的高壓電力動力系統組件 (OBC、低壓 DC-DC 轉換器、馬達和逆變器 ) 將增加許多設計挑戰及要求，在電機、電池、電纜、連接器等高壓隔離，高壓功率半導體的開發和集成與電磁干擾等問題須列入設計考量 [5]。