一臺車十臺冷氣？電動車「最耗電的真相」讓你意想不到！
電動車續航不只是電池的問題，連冷氣都關鍵！研究指出，空調能耗可吞掉近四成電力，而SiC（碳化矽）新技術正改寫這個困境，從保時捷Taycan到特斯拉Model 3，高壓800V系統搭配SiC元件，讓電能轉換更高效、運作更安靜，甚至延長續航，電動車的「冷氣革命」正悄悄展開，未來的每一度電，都將被更聰明地使用。
撰文｜黃鼎鈞
在全球汽車產業電動化的浪潮中，你也想添購一部電動車嗎？還在猶豫的你可能最在意的問題就是—「續航力到底夠不夠？」然而，一般人常以為電池的容量以及引擎的運轉效率是影響續航力的關鍵，其實還有一個鮮少被注意的耗電黑洞，也就是空調系統，根據德國IAV（Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr，一家專門從事汽車工程與交通技術研究的德國工程公司）報導指出，在中型電動車中，空調與暖氣的能耗在夏季可達總能耗的21%，冬季甚至高達38%，也就是說，寒冷或炎熱的天氣都會讓電動車的續航大幅下降。
電動車的冷氣壓縮機 (E-compressor) 不僅負責乘客艙的冷暖，還要同時幫電池降溫、幫馬達與電控模組散熱，也就是說，不像傳統燃油車透過液體冷卻系統為引擎降溫，電動車的引擎與電池也是需要吹冷氣的！因此，電動車的冷氣是整個系統的熱管理心臟，若壓縮機效率不佳，電池就得更多工作、發更多熱，造成車子系統的惡性循環，不僅續航力下降，可能也會危及車輛的穩定與安全，以保時捷Taycan為例，其搭載的800 V壓縮機能輸出高達10 kW的功率，這可是相當於十多臺家用冷氣機的總和，所以電動車的續航，不只關乎電池、引擎，還有冷氣壓縮機的改善！
過去，大多數電動壓縮機使用的是傳統的矽基IGBT元件，這是一種以矽 (Silicon, Si) 為材料製成的絕緣柵雙極電晶體 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)，常用於高電壓、高電流應用中，能控制電能開關並具高可靠性，但開關速度較慢、能量損耗高，尤其在高頻操作時效率較差，然而，在800 V高壓平臺下，這種技術逐漸無法負荷，因為電壓越高時IGBT的開關損耗與熱積聚會急遽增加，造成效率下降、散熱困難，因此，科學家與工程師都積極尋找能改善電動車空調系統的方法。
就在2024年時，一篇發表在美國工程師協會期刊的報導以保時捷Taycan Turbo S為例，發現若改採碳化矽 (SiC) MOSFET作為主動元件，可增加電動車的續航力。要理解SiC的優勢，得先看看它的物理特性，碳化矽 (SiC) 屬於寬能隙半導體 (Wide Bandgap Semiconductor)，所謂「寬能隙」是指材料能帶之間的能量差較大，因此可承受更高電壓與溫度，並在開關時維持高速與低損耗，換言之，SiC能在極端條件下穩定運作，是高壓電動車系統的理想選擇，要想更多了解SiC的物理特性，可以參考先前的文章《SiC浪潮來了！高效、高速的能源救星誕生了嗎？》以下是SiC與Si的簡化對比：
研究顯示，採用SiC為基礎的電動壓縮機可在高電壓與高溫條件下穩定運作，轉換效率比傳統IGBT提升約2%至25%，散熱效率也顯著提高，這讓系統在相同電池電量下能運作得更久、更穩定，不僅如此，開關頻率更能達到20 kHz以上，遠超人耳可聽範圍，使壓縮機運轉幾乎無聲，換句話說，SiC不只提升電動車效能，也提升使用者的乘坐舒適度。
目前，SiC最大的挑戰仍是是成本， SiC晶圓的價格約為矽的三倍，但隨著製程技術的進步，情況正在迅速改善。SiC晶圓尺寸正從6吋 (150 mm) 提升到8吋 (200 mm)，單片產量幾乎翻倍；同時，Infineon等公司開發的「COLD SPLIT」技術，這是一種利用控制裂縫傳播，在低溫下精確分離晶圓、降低切割應力並提升良率的方法，此方法已將切割良率提升至九成，大幅減少材料浪費。此外，新一代SiC元件採用溝槽式 (trench) 結構，在晶體管閘極區域刻出垂直溝槽，讓電流像「地下水管」一樣垂直流動，減少通道電阻與晶片面積，同時提升導通效率與散熱性能；相比之下，傳統的平面型 (planar) 結構則像「在地面上鋪設道路」，電流沿著水平通道流動，雖然製作較簡單，但佔用空間較大。換句話說，溝槽式設計就像在同一塊土地下開出「多層地鐵」：能在更小體積中容納更多通道，提升電流密度並降低能量損耗，結合這些製程與結構上的創新，SiC MOSFET的設計比傳統平面型更緊湊，晶片面積縮小約四成，整體效能大幅提升，預計到2030年前，SiC晶片的成本將降至矽技術的約1.5倍，而節能效益可望抵銷價格差距，讓SiC真正邁入大眾化應用階段。
先前，2017年時，特斯拉在Model 3上首次導入全SiC動力逆變器，掀起了汽車業的里程碑，2023年後，保時捷、現代、Lucid等高端車廠也紛紛投入SiC應用，這股潮流逐漸往更平價車款蔓延，每一度電都將更被「聰明地使用」，未來的電動車的發展不只是比馬力、比充電速度，更是一場「能源規劃」的競賽，誰能妥善運用每一份能源，或許就能在電動車續航力的比拼中拔得頭籌！
參考文獻
- Xu, H., Wang, L., Li, C., Li, W., Zhao, M., Shi, J., ... & Xu, H. (2024). SiC MOSFETs-the Inevitable Trend for 800V Electric Vehicle Air Conditioning Compressors.IEEE Transactions on Vehicular Technology.
- Yao, J., Liu, Y., Li, A., Han, X., Yao, Q., Yang, K., ... & Guo, Y. (2024). Investigations of 4H‐SiC trench MOSFET with integrated high‐K deep trench and gate dielectric. IET Power Electronics, 17(7), 869-877.
- Kitson, B. (2022, December 27). Silicon carbide, gallium nitride chips power up as electric vehicles boom. Design News.
✨延伸閱讀：《SiC浪潮來了！高效、高速的能源救星誕生了嗎？》