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提供電動車舒適之乘坐環境 電動車輛熱泵空調系統簡介
  • 發布年度:2012
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛研究測試中心 綠能車輛發展處 技術發展專案 林博煦

    隨著高油價時代再臨,電動車輛技術發展速度深深影響著進入市場之時機。而為提高電動車輛之普及性和接受度,車輛操作性能和續航能力等技術要求均為相當重要之發展重點。因此車輛上所裝設之次系統,如動力方向盤、煞車、空調系統等,其驅動動力需由引擎轉換為馬達驅動。其中,空調系統所消耗能量僅次於驅動系統,因此發展高效率空調系統為延長電動車續航里程之必要手段之一。

    現有量產之電動車輛,如Mitsubishi i-MiEV或Nissan Leaf,以整合渦卷壓縮機、永磁同步馬達及驅動電路之電動壓縮機取代皮帶輪驅動壓縮機,經由變頻控制達到車廂冷房及省電之效果。但當電動車輛應用於高緯度或高海拔地區時,此時需要的將是暖氣而非冷氣。前述兩種電動車均採用具高效率之PTC電熱器,將電能轉換成熱能以提高車室內溫度,但囿於電熱轉換效率及熱傳效率,因此所耗電能極為可觀。由Mitsubishi所發佈之資訊中,當開啟冷氣或暖氣功能時,電動車之續航里程將分別縮減30~50%及50~75%,因此可見提供舒適乘坐環境的同時相對地也犧牲了車輛之行駛距離,如不加以改善將降低大眾對電動車之接受度。

    有鑑於電熱系統受限於轉換效率問題而需消耗大量珍貴能源,具備高產暖效率之熱泵系統即成為矚目之焦點技術。現有各個家庭中的冷氣設備即為熱泵系統之應用例之一,藉由壓縮機作功以將熱量由低溫處(室內)搬運至高溫處(室外),其效率(COP)一般可達到2以上(亦即花費1瓦的電可以搬移2瓦以上的熱量);而熱泵暖氣系統即為冷氣系統的相反,將熱量由低溫處(室外)搬移至高溫處(室內),其效率(COP)甚可達到3以上,其產熱效率高於電熱系統3~4倍以上,因此熱泵系統相當適合應用於僅具備有限電源之電動車輛之上。另外值得提及的為熱泵系統之需求元件大部分(80%以上)與現行車輛空調系統相同,相對於PTC電熱器而言對於系統成本之影響非常的小。

    不過熱泵系統亦非全無缺點,當環境溫度降低時熱泵系統的產熱效率也跟著降低,當達到-20℃以下時,由於室內外環境溫度差異過大,以及室外空氣中具備熱量不足之原因,會發生無法產生暖氣的現象。或是當環境濕度過大時,水器將凝結甚或結冰於外部熱交換器之表面上,造成熱量無法由空氣傳遞至熱交換器中的冷媒中,同樣亦無法產生暖氣效果。這兩項問題均為熱泵系統應用於電動車輛上所需克服之問題。

    車輛中心由2009年開始投入發展省能化之冷氣恆溫控制策略,並於2011年投入進行高效率熱泵暖氣系統及相對應之控制策略之研究。而為克服前述熱泵系統之缺點,因此以電動車整車熱量應用之觀點,回收次系統(如動力馬達、逆變器等)運作時所產生之廢熱,作為低溫狀況下(<-20℃)車廂暖氣來源或是解除結霜之問題,嘗試提高電動車於低溫地區之適用性。

    圖說:電動車熱泵系統架構示意,控制器依據其他次系統之資訊變動空調系統元件工作狀態,以達到空調恆溫控制
    圖說:電動車熱泵空調測試雛型,以現有車用空調元件組裝而成

     車用電動空調系統相關資訊,請參考 http://www.artc.org.tw/chinese/02_research/02_01detail.aspx?pdid=14

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