隨著電動車越來越普及,車上的電力系統也變得重要,其中最關鍵的就是汽車用的 PCU(功率控制單元)。PCU 包含逆變器、DC/DC 轉換器和功率半導體,在高電壓、大電流的狀態下運作,會產生大量的熱。若散熱設計做得不好,不只效率會下降,元件壽命也會大幅縮短。因此,在電動車的設計中,PCU 的冷卻與散熱已成為關鍵課題。
ECU(Electronic Control Unit,電子控制單元)主要負責邏輯判斷與控制指令。一輛車可能配備 100 多個 ECU,分別用於引擎控制、煞車控制、安全控制等。PCU(Power Control Unit,功率控制單元)則負責電能的轉換與驅動控制,是電動車主要發熱來源。
PCU 主要應用電力電子學(Power Electronics, PE)技術,由逆變器(Inverter)、斬波器(Chopper)等功率回路所構成。從散熱角度思考,PCU 內部的發熱元件及機器包括功率半導體(power semiconductor device)、反應器(reactor)、變壓器(transformer)、電容器(capacitor,condenser)及各類功率模組。
其中,發熱密度最高的是功率半導體。功率半導體的損耗集中在非常小的半導體晶片中,發熱密度非常大。在微小的半導體晶片所產生的熱,要如何有效率地傳遞出去,就是散熱的重點。
PCU 常見的冷卻方式包括水冷及風冷,近年來則更傾向整體熱管理系統的整合。水冷的熱交換量大,冷卻效果最高,但需要使用水泵強制供水並重新冷卻。風冷雖然冷卻能力較小,但冷卻後的高溫空氣可直接排出,不需要再次冷卻,也可採用自然對流及行進時產生的風對流。
隨著 SiC(碳化矽)功率半導體的導入,PCU 的功率密度持續提升。SiC 具有低導通損失、高耐壓與高頻特性,有助於降低系統損耗與體積。不過,目前技術與價格尚未達到廣泛使用階段,但其耐瞬間高溫的特性,為簡化冷卻系統與提升功率密度帶來新的可能。
此外,e-Axle 是將電動車不可欠缺的變速差速器、馬達、逆變器一體化的驅動組件。優點是小型、低成本化,冷卻管路可小型化等。不過,e-Axle 也有需要克服的地方,像是系統設計複雜化提升,馬達發熱可能影響逆變器,以及噪音與振動設計,這些都是未來整合型電驅系統必須面對的重要課題。