電動車專用空調系統的 發展應用及保護措施 ·...
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24 車輛研測資訊 100期 2014-06
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一、前 言
近年來各國政府皆積極推廣乾淨、無排放污染
的電動車,冀圖以電動馬達取代現行內燃機引擎,
以高儲能電池取代石化燃料進行驅動,使車輛達到
節能、減碳之主要目的。尤其台灣的鄉鎮間距離較
短、民眾的環保意識成熟,加上國內電力電子基礎
深厚及研發能量豐富,並具備完整相關零組件產業
鏈等種種條件,極適合發展及行駛電動車。唯,台
灣位處亞熱帶,海島型氣候伴隨著潮濕、高溫及悶
熱,加上行進間來自其他車輛的廢氣等,一般用車
習慣幾乎終年使用空調;因此在推動電動車發展的
同時,亦須同步進行節能的電動空調技術開發。
目前電動車發展技術領域大致上分為五大項(如
圖1所示),每個項目皆會因作用產生熱能累積,而
導致效率不佳的問題;為確保各項功能均可維持於
最佳溫度下、發揮最佳效率,因此拓展電動空調技
術應用層面即成為最佳解決方案。如此一來,電動
車空調不僅可使用車人擁有舒適的開車環境,利用
其冷空氣來使車體內部機件系統同步降溫,也能兼
顧其使用上不致因過熱而出現異狀。
電動車專用空調系統的 發展應用及保護措施
恆陞精密科技股份有限公司 王健銘
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圖1、電動車的五大項關鍵技術
電動車五大關鍵技術
車用空調演進1902冷氣機之父 Willis Haviland Carrier 為了
建立恆溫恆濕的工業生產環境;發明冷氣機;而
車用空調則是出現在1930年,由C&C Kelvinator首次將蒸汽壓縮式製冷裝置裝上汽車;及至1933年,凱迪拉克車開始以壓縮機搭配R12冷媒發展
出製冷循環系統的車內空調。數十年來,雖車
輛科技幾經重大進
展,但除了因臭氧
層破壞及溫室效應
而變動之冷媒以
外,直至今日,車
用空調系統大致仍
維持著相同架構。
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Kelvinator製冷裝置 [1]
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1933年凱迪拉克汽車空調系統[1]
車輛研測資訊 100期 2014-06 25
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嚴選推薦
二、車用空調發展
(一) 車用壓縮機演進
車用空調系統最重要的心臟就是壓縮機,在需
求與技術的不斷精進下,從傳統的活塞往復式、斜
盤往復式、葉片迴轉式一直到最新的渦卷式壓縮機
(如圖4所示[1])。而具有安靜、節能、效率高的優點
的渦卷式壓縮機出現後,就像是汽車空調系統的工
業革命,將車用冷氣引領到新的境界。同時,空調
系統裡面的冷媒也因環保意識抬頭由R12、R22到
R134a,近年更發展出其他1開頭或是4開頭的環保
冷媒。
(二) 電動車用電動空調系統演進
當電動車的驅動引擎已經被大功率動力馬達所
代替,原先由引擎所驅動之壓縮機似乎也須改由動
力馬達來驅動。但受限於電動車輛靜止時,馬達亦
隨之停止運轉,以及為了使動力馬達成為純粹的高
效率驅動動力源,因此需要將原本車用壓縮機改變
為外加動力驅動的型式,成為採獨立驅動之電動空
調系統。
電動空調的進化,首先大家想到是將一般傳
統汽車的壓縮機加連接軸與馬達結合進行運轉(如
圖5所示),但因壓縮機與馬達之間的對心問題使得
連接軸容易磨損,且驅動馬達常有散熱的問題,加
上整體體積龐大而不適宜安裝於一般轎車上,通常
被採用於空間裕度較高之電動巴士上。為了使電動
壓縮機可應用於小型電動車輛,因此必須進行渦卷
組、馬達及驅動板等機構整合,採內藏式馬達方式
(如圖6所示)。其特點包括將渦卷組驅動軸與馬達軸
心整合共軸,藉以避免偏心所造成之磨損;並利用
低溫冷媒回流之方式協助馬達及驅動板散熱,可省
略散熱模組,並降低其體積以及重量,提高裝配上
的靈活度。目前
市場上包含日本
電裝(Denso)、三
電(Sanden)、三
菱重工以及美國
Delphi等均有發
展成熟的產品,
而恆陞精密亦已
具備相當的研發
能量,可望成為
國內的電動壓縮
機供應廠。
三、電動車電動空調系統的應用
一般傳統車用空調系統之壓縮機需配合安裝於引
擎下方,所以它安裝空間相對會被侷限在某些區域,
於車輛空間安排及利用較不靈活,而電動空調系統採
用是電力驅動方式,利用車載電池組之電力來帶動其
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圖4、壓縮機的演進時程
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圖5、軸向連結方式電動壓縮機
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圖6、三機一體電動壓縮機
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壓縮機內藏驅動馬達,進而壓縮冷媒並透過空調系統
元件產生冷氣或暖氣 (如圖7~8所示[3])。
(一) 節能化電動空調
因電動壓縮機之轉速可透過變頻控制隨意調
整,具備如同家用空調之變頻特性,將其引進至控
制系統內,再配合高效的控制策略,即可達到降低
電能消耗之效果,且更因其省能與高效率表現,得
以使電動汽車可行駛更長遠的公里數。
(二) 穩定電動車系統工作溫度
如前述電動空調系統之壓縮機是採用獨立電機
驅動之方式,對於車輛的動力馬達扭力並無影響,
因此,在容許範圍內可將其製冷量分散給其他需要
散熱的次系統,尤其是電動車中有相當多的系統都
會有發熱之特性,如電池、馬達、變電系統等,故
可利用電動空調系統將協助該系統降低或維持工作
溫度,使系統在最佳溫度下、達到最佳效率,進而
延長車子續航里程及各次系統的壽命。
(三) 其他應用
電動空調除了運用在電動車以外還可以運用在
下列三大項中:
1. 冷藏冷凍物流箱:電動壓縮機取代原有低溫物
流箱壓縮機,可在貨運運輸時持續製冷,不受
振動等外在因素限制,免除蓄冷片需求。加上
充電時間較短,可加速物流箱的使用週轉率。
2. 特殊車用電動空調系統:任何必須處於停止引
擎運轉的車室內工作之車種或是卡車臥舖等,
皆適合改裝電動空調系統,不受引擎運轉限
制,車輛熄火同時依然可使用空調。
3. 船舶用空調:普通壓縮機較難以承受一般中小
型船隻上的搖晃衝擊,而透過高度整合之電動
壓縮機電動空調系統則較無振動限制,適合於
不斷搖晃的環境作為空調系統使用。
四、電動空調系統的安全保護措施
空調系統內部除了壓縮機本身有洩壓閥以外,
通常在系統內部的乾燥瓶進出口還會有機械式的高
低壓保護開關(如圖9所示),其目的在觀察空調系統
高低壓狀況,當壓力過高時,除了壓縮機本身自行
洩壓保護以外,其訊號會傳送到控制器上,並閃爍
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圖7、電動車專用空調系統架構
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圖8、空調系統架構圖
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異常之燈號告知用車人;同樣的,當壓力過低時亦
會閃爍燈號,提醒應將壓縮機停止運轉,以免傷害
壓縮機本體。
除此之外,搭載於電動車上的電動空調系統,
其保護措施還包括設有過電壓、過電流、過熱及訊
號異常等多項電路保護開關;在控制方面則除了有
電路上的保險絲保護外,還有電路監控,一旦發現
機械或電氣異常即停止運作,確保電動車使用的安
全性。再者,電動車上的次系統之間資訊溝通大多
採用CAN控制方式,包含空調系統在內,不但方便
使用者利用行車電腦上的顯示項目,隨時確認空調
系統運轉狀態,若再搭配電源管理系統,亦可提升
電動車行駛效能表現。
五、結 論
因應傳統內燃機汽車邁入電動車世代的發展趨
勢,使得車用空調系統也跟著進化,改為採用以獨
立電動馬達驅動的電動空調系統,讓空調系統不再
被綁定在固定區域,而可視車上空間來進行安裝;
並且還可提供有效熱能管理,一則提供用車人舒適
的車內環境,同時也擴展應用層面,有助於因應車
上各項系統上所產生的熱能,使其維持在最適當的
溫度下,穩定地發揮各自功能。
事實上,電動空調系統技術發展到此,其兼
具安靜、節能、體積小、效率高等優點,除可適用
於電動車輛上外,還可運用在船舶遊艇類、特殊用
車、移動式冰箱及任何可以移動需冷氣之物體上
等,因此未來商機相當龐大,十分值得業者投入及
推廣。
六、參考文獻
[1] 陳茂嘉 車用電動壓縮機發展 2012年10月
[2] http://www.carnews.com/article.php?id=13144
[3] http://zero-emissions.tumblr.com/post/1081308
5370/mitsubishi-i-miev-technical-highlights
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圖9、空調系統保護開關圖
冷風
高壓保護開關
低壓保護開關
液冷媒
儲液器冷凝器
壓縮機
風扇
鼓風機蒸發器
膨脹閥
車輛中心自2012年起協助恆陞精密
成功申請政府業界科專計畫,進行電動
壓縮機關鍵技術開發,並且透過技術移
轉協助廠商建立省能化恆溫控制策略,
配合電動車產業興起及需求,透過降低
電動空調系統產品之整體耗能,提升電
動車之續航能力,藉此強化商品的市場
競爭力。
鼓勵產業創新升級- 業界科專計畫