車輛工程系碩士班

碩士學位論文

電動車空調系統之耗能及 電能管理之研究

Study of Electrical Energy Consumption and Management of Air-Conditioning System of

Electric Vehicle

研究生：魏志銘

指導教授：黃國修

中華民國九十八年七月

中文摘要

論文名稱：電動車空調系統之耗能及電能管理之研究 頁數：49

校所別：國立台北科技大學車輛工程系碩士班

畢業時間：九十七學年度第二學期 學位：碩士

研究生：魏志銘 指導教授：黃國修

關鍵詞：電動車空調系統、混合動力式壓縮機、空調能量管理、電能管理策

略、動力切換控制策略。

本研究針對電動車輛空調系統進行空調能量管理模擬研究，藉由分析混

合動力式壓縮機(電力驅動與引擎皮帶輪帶動)空調系統與純電動空調系統之

能量效益，提供車輛空調最佳解決方案，提高系統附加價值與接受度。首先

進行混合動力車輛怠速熄火(Idling Stop)時之空調耗能模擬，以求建立出完整

之車輛動態模型，再針對純電動空調系統耗能模擬進行擬定最佳化能量管理

策略。研究計畫將使用 Matlab 軟體建立車輛輔助空調系統動態模型，整合電

動馬達與傳統壓縮機成為混合動力及純電動空調系統，進行空調系統之耗能

分析及能量管理最佳化，進而依據車艙受熱狀況評估適用之空調系統元件。

透過本系統之開發，未來可轉移到電動車輛、複合動力車輛之空調系統發展，

以達到車輛節能、低污染與提高市場接受度之目的。

i

ABSTRACT

Title：Study of Electrical Energy Consumption Pages：49 and Management of Air-Conditioning System of Electric Vehicle.

School：National Taipei University of Technology

Department：Institute of Vehicle Engineering

Time：July, 2009 Degree：Master

Researcher：Chih-Ming Wei Advisor：Kuohsiu David Huang

Keywords：Air-Conditioning System of Electric Vehicle, Hybrid Compressor,

Air-Conditioning Energy Management, Controlling Strategy of Power Switch.

This study carries out simulation research on air conditioning energy

management in accordance with the auxiliary air conditioning system of electric

vehicle. By analyzing energy efficiency of the air-conditioning system of the

hybrid-power compressor(electric drive and engine belt pulley drive) and electric

air-conditioning, it provides the best solution of air-conditioning and the additional

values as well as acceptance of the system will be improved. At first, it proceed with

the simulation of air-conditioning energy consumption of hybrid vehicle idling stop

to build a complete vehicle dynamic model. Then draw up the optimum energy

management strategy in accordance with the simulation of electric air-conditioning

system energy consumption. In this study, it set up a mathematical model of

auxiliary air conditioning system by Matlab software and combined electric motors

and traditional compressors to become the hybrid-power and electric

air-conditioning system, then analyzed energy consumption as well as optimization

ii

assessment of energy management of the air conditioning system to evaluate the

suitable air-conditioning component according to heat conditions of cabin. By the

development of this system, it could be used into the development of

air-conditioning system in electric vehicle and hybrid vehicle in the future. The goal

of vehicle's energy-saving, low pollution and improvement of market acceptance can

be achieved.

iii

誌 謝

研究所兩年的生涯中，首要感謝我的指導教授黃國修老師的諄諄教誨，除

了在研究領域上常能為我指點迷津，在做人處事及面對問題的態度上更是悉心

教導，不論在學業、朋友或是家人的課題都更能懂得如何應對，使我的成長遠

超乎兩年來課業上所學。

在此也感謝丁吉學長一路叮嚀指教，以過來人的經驗不斷地導正我研究的

方法，使我能更有效率、更快的完成研究內容；另外還要感謝奕安、育源、杰

書、昭傑學長在研究領域上的經驗傳承，以及分享一路走來的心路歷程，都成

為我遭遇挫折時能越挫越勇的動力；當然還要感謝同窗好友孟甫、伍富、振豪

以及學弟成勳的幫助，同心協力走完研究所之路。

最後要感謝家人的支持與鼓勵，雖然兩年來家中遭逢嚴厲的挫折與考驗，

但家人始終能支持我完成學業。並感謝女友佩瑾的陪伴，使我在迷惘困頓時能

暫緩腳步，仔細思量前進的道路並克服重重困難。在此衷心感謝所有教導、陪

伴我成長的師長、朋友與家人。

iv

目 錄

中文摘要............................................................................................................ i 英文摘要............................................................................................................ ii 誌 謝.................................................................................................................. iv 目 錄..................................................................................................................v 表目錄................................................................................................................vi 圖目錄................................................................................................................vii 第一章 緒論......................................................................................................1

1.1 前言 .........................................................................................................1 1.1.1 研究背景..................................................................................1 1.1.2 研究動機與目的......................................................................2

1.2 文獻探討 .................................................................................................3 1.2.1 壓縮機技術發展......................................................................3 1.2.2 熱負載與熱舒適評估..............................................................6 1.2.3 車艙熱負載減輕技術..............................................................8

第二章 研究方法與進行步驟..........................................................................10 2.1 研究架構與方法 .....................................................................................10 2.2 進行步驟 .................................................................................................12

2.2.1 行車環境與車艙熱負載計算..................................................12 2.2.2 數學模型..................................................................................14

第三章 動態模型與能量管理..........................................................................22 3.1 整車動態模型建立 .................................................................................22 3.2 空調系統能量管理 .................................................................................26

3.2.1 空調系統模擬狀態..................................................................26 3.2.2 能量管理..................................................................................28

第四章 結果與討論..........................................................................................29 4.1 動態模型建立分析結果 .........................................................................29 4.2 空調系統耗能與電能管理模擬結果 .....................................................32

4.2.1 複合式空調系統模擬結果......................................................32 4.2.2 純電動空調系統模擬結果......................................................38

4.3 續航力與舒適度分析 .............................................................................40 第五章 結論與未來展望..................................................................................43 參考文獻............................................................................................................44 符號彙編............................................................................................................47

v

表目錄

表 2.1 台灣氣候統計表..............................................................................................12 表 2.2 內燃機規格參數..............................................................................................15 表 2.3 電池參數表......................................................................................................18 表 2.4 熱傳導相關參數表..........................................................................................19 表 2.5 SAVRIN車型各部位面積 ................................................................................20 表 3.1 複合式空調系統模擬設定(一).......................................................................26 表 3.2 複合式空調系統模擬設定(二).......................................................................27 表 3.3 純電動空調系統模擬設定..............................................................................27

vi

圖目錄

圖 1.1 變頻式電動空調系統優點................................................................................1 圖 1.2 電力驅動壓縮機之空調系統結構....................................................................2 圖 1.3 混合式壓縮機動力切換與燃油消耗................................................................3 圖 1.4 複合式動力空調系統示意圖............................................................................4 圖 1.5 電動空調與傳統空調之溫度響應比較圖........................................................5 圖 1.6 變頻式空調機控制器之設計圖........................................................................5 圖 1.7 電動空調系統架構圖........................................................................................6 圖 1.8 人體模型溫度場與人體各部位舒適度分佈圖................................................7 圖 1.9 區域性空調結構模擬........................................................................................8 圖 1.10 汽車用自然空調結構示意圖..........................................................................9 圖 2.1 車輛動態模型示意圖......................................................................................10 圖 2.2 空調壓縮機之控制系統架構示意圖..............................................................11 圖 2.3 車艙熱負載來源示意圖..................................................................................13 圖 2.4 內燃機力矩二維查表圖..................................................................................15 圖 2.5 SAVRIN車體熱傳面積分析圖 .....................................................................20 圖 3.1 引擎系統方塊圖..............................................................................................22 圖 3.2 馬達模型Simulink方塊圖 ...............................................................................23 圖 3.3 鋰電池RC電路動態模型 ................................................................................23 圖 3.4 車艙熱負載模型方塊圖..................................................................................24 圖 3.5 空調元件模型方塊圖......................................................................................24 圖 3.6 變速箱Simulink方塊圖 ...................................................................................25 圖 3.7 電動空調系統電能管理流程圖......................................................................28 圖 4.1 NEDC2000 行車型態....................................................................................30 圖 4.2 BSFC燃油消耗圖..........................................................................................30 圖 4.3 複合式空調系統整車動態模型......................................................................31 圖 4.4 純電動空調系統整車動態模型......................................................................32 圖 4.5 車艙穩態熱負載模擬結果..............................................................................33 圖 4.6 冷房效率模擬結果..........................................................................................33 圖 4.7 傳統空調系統車艙溫度-時間模擬結果 ........................................................34 圖 4.8 複合式空調系統車艙溫度-時間模擬結果 ....................................................35 圖 4.9 車艙溫度-時間模擬結果 ................................................................................36 圖 4.10 燃油消耗模擬結果(一).................................................................................37

vii

viii

圖 4.11 燃油消耗模擬結果(二) .................................................................................38 圖 4.12 輸出電流模擬結果........................................................................................39 圖 4.13 車艙溫度模擬結果........................................................................................40 圖 4.14 馬達轉速模擬結果........................................................................................41 圖 4.15 鋰電池殘電量模擬結果................................................................................42 圖 4.16 電動車續航力模擬結果................................................................................42

第一章 緒論

1.1 前言

1.1.1 研究背景

地球溫室效應日趨嚴重，其中與人類大量使用石化燃料排放溫室氣體有密切

的關聯。因此當前車輛發展方向以節能、省碳與開發各種潔淨能源及再生能源為

主軸。依目前走向複合動力車輛及電動車輛之趨勢，原本的傳統空調系統勢必將

有所變革。當前政府大力推廣電動車之發展，以「節能減碳」為車輛發展的標的，

且因應台灣地區夏季氣候炎熱，空調系統為車輛上不可或缺之配備之一；但電動

車對於電能消耗錙銖必較，至今未能普及化之發展瓶頸在於能量的控管，然空調

系統耗能佔整車動力輸出之一成以上，氣候炎熱時耗能更為顯著。因此，空調節

能成為空調技術發展之第一要務，目前則以將變頻式空調技術運用於車輛為目標

(變頻式空調之優勢如圖 1.1 所示)，並搭配太陽能輔助電力與車廂熱負載減輕等

三大方向。未來發展電動車輛技術時，必然需針對車輛電動空調系統作一審慎分

析與評估。

圖 1.1 變頻式電動空調系統優點

1

1.1.2 研究動機與目的

傳統空調系統於車輛啟動後即以內燃機帶動壓縮機，驅動空調系統。若能以

電動空調系統完全取代傳統空調系統，或以混合動力空調系統在車輛怠速時以電

動馬達驅動壓縮機，待車輛須行駛時才發動引擎，可有效節省傳統車輛怠速時為

了驅動空調系統之燃油消耗，而萌生了對此深入研究之動機。

室內空調的發展已經走向變頻控制，研究顯示變頻空調較傳統空調系統節能

約可達 15%~25%，車用空調雖有純電動恆溫空調問世，但恆溫空調僅針對車廂

內溫度決定空調啟動與否，在此啟動與停止之切換下及造成顯著之能量損失。變

頻空調則依車廂熱負載狀況調整馬達轉速，在熱負載低時即以低速運轉，省去空

調開關時之能量損耗。車用空調既已朝向電動馬達驅動(如圖 1.2)，將變頻控制技

術帶進車用空調壓縮機，勢必能有效減少空調耗能。

圖 1.2 電力驅動壓縮機之空調系統結構

2

本研究目的在於整合電動馬達與傳統空調系統為混合動力壓縮機空調系

統，並以 Matlab 軟體建立整車空調系統動態模型進行模擬，依據模擬結果進行

效益分析及控制策略切換之最佳化，除可針對當前熱門的混合動力空調系統進行

模擬研究，進一步應用於電動車之純電動空調上，作為設計電動空調系統時之系

統元件選用依據。透過本研究，未來可依據各種不同車型、不同的空調元件參數

以及各種行車型態加入此動態模型進行模擬，進而評估各種狀況下所選用之空調

系統元件及其效益。

1.2 文獻探討

1.2.1 壓縮機技術發展

2004 年 Sakai and Ueda[1]發表混合動力壓縮機應用於 TOYOTA-HEV 之空調

系統，其冷房能力為 1.5kW，動力來源包括以引擎驅動及電動馬達驅動兩種方

式，配合動力切換控制策略（如圖 1.3）。模擬結果說明在兩分鐘內可控制車艙溫

度從 30℃下降至 18℃左右。相較於傳統空調系統，節省引擎的燃油消耗率約為

8%，如圖 1.3 所示。

圖 1.3 混合式壓縮機動力切換與燃油消耗[1]

3

2004 年 Malik and Bullard[2]說明當車輛處於怠速時，驅動空調系統不僅導致

引擎動力損失與油耗，也造成大量汙染排放物，所以發展一套應用於 HEV 的複

合式動力空調系統，改善車輛在怠速時之耗能（如圖 1.4）。系統除了以引擎與電

動馬達當作動力源外，並透過三組動力切換模式包括引擎最佳操作點模式搭配充

電模式、引擎怠速模式及電動馬達模式。

圖 1.4 複合式動力空調系統示意圖[2]

2003 年 Makino et al.[3]發表日本 Matsushita 所開發的純電動渦卷式空調壓縮

機，其冷房能力為 4.5kW，不僅體積小、輕量化及高效率，同時加強本體的散熱

性與防震性，配合自行研發的變頻器，相較於傳統空調有節能的優勢，當車輛處

於 Idling Stop 時，透過變頻控制技術，使車艙溫度能維持在 25℃左右，如圖 1.5

所示。

4

圖 1.5 電動空調與傳統空調之溫度響應比較圖[3]

2004 年呂宗祐[4]提出一套可了解變頻空調機中重要參數為出發點，設計控

制器（如圖 1.6 所示）使室內溫度可以快速達到並保持於使用者的設定值，並提

出增加系統效率的關鍵所在，而估算出性能極限，以增加效率，並提升變頻式空

調機的控制技術。

圖 1.6 變頻式空調機控制器之設計圖[4]

5

1.2.2 熱負載與熱舒適評估

2006 年 Surampudi et al.[5]指出，空調系統除了壓縮機造成的引擎的動力損失

外，冷卻風扇也消耗相當大的功率，所以開發出一套電動空調系統，如圖 1.7 所

示。其中，系統的電力源來自於 42V 燃料電池，利用比例控制與遲滯控制，分別

控制蒸發器出口溫度、車艙內部溫度及冷媒壓力，增加車艙的熱舒適性。

圖 1.7 電動空調系統架構圖[5]

2007 年張烔堡[6]等人，提出一套實用且有效的車輛空調系統最大負載分析

與冷凍能力估算方法，以減少開發所需的時間與金錢。對於車輛之最大空調負荷

而言，尚須考慮車輛熄火並曝曬於夏天烈日下一段時間後啟動空調系統，分析在

多少時間內能將車艙內部迅速降溫至舒適度的標準，並推導出車輛最大空調負載

的公式如(1.1)式，其中 為人員生理熱、太陽輻射熱及其它熱源等 16 項，

為車內空氣降溫需排除之熱， 為高溫組件散至車內之熱。

。

(1.1)

16

1n

n

Q=∑

1cdQ

2cdQ

16

1 21

total n cd cdn

Q Q Q Q=

= + +∑

6

2006 年 Stancato.[7]利用計算流體力學(CFD)軟體 FLUENT，依飛機機艙模型

進行溫度場模擬，針對人體各部位所感覺舒適之溫度詳細分析與研究。此概念可

運用於車艙人員舒適度之評估，進而改善各空調元件之設計。

圖 1.8 人體模型溫度場與人體各部位舒適度分佈圖[6]

2005 年林憲德與黃國倉[8]，將車輛穩態空調負荷分為潛熱與顯熱兩個部

份，其中包含有人體新陳代謝釋放之熱負荷、不同溫度與濕度下換氣時所造成之

熱負荷、太陽輻射熱及設備儀器產生之熱負荷等，上述有關車艙內熱負荷的部份

可作為日後模擬分析時之參考依據。

7

1.2.3 車艙熱負載減輕技術

2004 年黃國修[9]提出區域性流場之概念，建立 3-D 的車艙模型與理論數學

模型，發展區域性空氣流管理技術，來控制車艙內的空氣流場結構，將熱量及物

質控制在某一個區域內，且區域之間不需以實物隔開，在雙人乘坐時可達成個人

化區域舒適度控制，單人乘坐時可降低空調系統資源的浪費，達到省能的效果。

區域性流場主要由出吸風口位置、角度、風速等因素形成，透過 Fluent 軟體進行

數值模擬分析與驗證(如圖 1.9)，使車艙區域性空調系統更加可靠。

圖 1.9 區域性空調結構模擬[9]

2002 年周佳慶與陳希立提出之”汽車自然空調儲能特性之研究” [10]，係

由一壓縮機搭配風扇、冷凝器、蓄熱能電池與太陽能電板等組成(如圖 1.10)。藉

由上述構造設置，令車用空調系統在開機狀態同時，即可將冷能儲存在蓄熱能電

池中，待車輛停止時即可透過太陽能電板或車用電瓶驅動風扇將預先儲存之冷能

釋放出來，使車廂內可常保舒適之空調溫度。

8

圖 1.10 汽車用自然空調結構示意圖[10]

9

第二章 研究方法與進行步驟

2.1 研究架構與方法

本研究主要建立之車輛空調系統模型分為(1)複合式空調系統與(2)純電動式

空調系統，透過對車輛空調系統的整體模擬分析進行混合動力車輛壓縮機空調系

統的研發與應用，並發展可轉移至電動車輛、複合動力車輛的關鍵技術。利用

MATLAB/Simulink 軟體建立複合式空調系統模擬程式(如圖 2.1 所示)。研究方法

將依(1)針對各部分空調元件作分析，(2)推導其動態方程式，(3)將動態模型建立

於電腦，(4)模擬整車空調系統之切換策略與評估其能量效益。Simulink 是基於

MATLAB 程式底下用於對真實世界的動力學建模、類比和分析的圖控式軟體平

台，被廣泛應用於各種機電等自動控制系統和數位信號處理的複雜系統，因此選

用 Matlab/Simulink 軟體作為整車空調耗能模擬分析之工具，用以模擬車輛於道路

行駛時，空調開啟、關閉及其控制策略擬定對於車輛耗能之影響。

圖 2.1 車輛動態模型示意圖

10

透過 Matlab/Simulink 軟體，依實際車艙規格計算其所受熱負載(含太陽熱輻

射、車體熱傳導、人員生理熱與儀器熱源等)建立數值模型，並由各項空調元件

建立整車空調系統模型，加入行車型態 NEDC2000、ECE40，搭配電動馬達與壓

縮機動態模型，模擬出車艙溫度之變化回授至切換控制器與空調設定溫度進行比

對，以達到控制車艙目標溫度並由電池殘電量或燃油消耗率評估其能量效益，如

圖 2.2 所示；另一方面，透過人員舒適度之研究，設定符合人體所需之溫度調控，

與車輛續航力之間取一最佳化控制策略，並可依其效益提出各空調元件所需性能

參數，進而達到最為節能且可有效控管車艙溫度以符合人員舒適度需求之元件搭

配及空調控制策略。透過本研究所建立之整車空調系統動態模型，冀望於未來設

計選用車用空調元件時，能依此模型之模擬結果，進行評估選用各項空調元件之

效益，提升產品接受度並降低開發之成本。

圖 2.2 空調壓縮機之控制系統架構示意圖

11

2.2 進行步驟

為使所建立之 MATLAB 動態模型模擬結果符合真實狀況，將先針對車輛行

駛環境與空調系統的冷房需求進行分析，並建立各空調元件之數值模型，搭配蒐

集文獻中已建立之車輛動力構件模型，彙整成整車動態模型以模擬車艙受熱與散

熱情形，確認模型能趨近真實狀況後，再依耗能模擬結果進行電能管理。

2.2.1 行車環境與車艙熱負載計算

本研究之研究對象以混合動力車輛與電動車輛為主，故採用歐盟 HEV 之

NEDC2000 標準行車型態及 ECE40 電動機車標準行車型態進行模擬。由於台灣

地區氣候炎熱，尤其在夏季剛進入車輛時，車內溫度可高達 60~70oC，因此在建

立本車輛空調動態模型時，考量台灣夏季最為嚴苛之氣候狀態，參考歷年氣象局

統計之夏季氣溫作為最大熱負載之依據，如表 2.1 所示。

表 2.1 台灣氣候統計表

地名 一

月

二

月

三

月

四

月

五

月

六

月

七

月

八

月

九

月

十

月

十

一

月

十

二

月

平

均 統計期間

淡水 18.6 18.8 21.1 25.2 28.2 31.0 33.3 33.0 31.0 27.5 23.7 20.5 26.0 1971-2000

臺北 18.9 19.1 21.8 25.8 28.7 31.9 34.0 33.4 31.2 27.6 23.9 20.7 26.4 1971-2000

花蓮 21.0 21.1 23.3 26.0 28.2 30.3 31.8 31.6 30.3 28.0 25.1 22.4 26.6 1971-2000

宜蘭 19.4 19.6 22.2 25.4 27.9 30.7 32.6 32.0 30.2 26.8 23.4 20.5 25.9 1971-2000

澎湖 19.1 19.3 22.3 26.1 28.6 30.5 32.0 31.6 30.9 28.1 24.5 21.0 26.2 1971-2000

臺南 23.0 23.8 26.6 29.4 31.3 32.2 32.9 32.3 32.2 30.8 27.7 24.3 28.9 1971-2000

高雄 23.4 24.1 26.5 28.8 30.4 31.5 32.1 31.5 31.2 29.7 27.2 24.6 28.4 1971-2000

嘉義 21.8 22.0 24.7 27.9 30.3 32.2 32.9 32.2 31.6 29.8 26.9 23.7 28.0 1971-2000

臺中 22.0 22.0 24.6 27.8 30.0 31.8 33.0 32.4 31.9 30.1 26.9 23.6 28.0 1971-2000

新竹 18.8 18.7 21.0 25.0 28.0 30.8 32.7 32.2 30.5 27.5 25.0 21.3 26.0 1992-2000

臺東 22.9 23.2 25.2 27.6 29.5 31.1 32.1 31.9 30.9 29.2 26.5 23.9 27.8 1971-2000

12

熱負載評估以 MITSUBISHI SAVRIN 車型作為車艙模擬依據，故參照

SAVRIN 車艙之各項參數條件進行建構熱負載之數值模型，參考”台灣地區車輛

最大空調負載與冷凍能力研究”。車輛空調熱負載主要可分為傳導熱、輻射熱、

外氣潛、顯熱負荷、人員生理熱與各項儀器設備產生熱，透過熱力學各項熱傳導

公式推導出車艙受熱狀態之方程式如(2.1)式：

load radiation conduction human instrumentQ Q Q Q Q= + + +，

(2.1)

針對各項熱源計算出車輛穩態空調負荷，作為車艙受熱數值模型建立之依

據。如此不僅可對各空調元件效能作一縝密評估，亦可藉此模擬出車艙在此空調

系統下溫度之變化。

圖 2.3 車艙熱負載來源示意圖

13

2.2.2 數學模型

完整的考量車輛行駛之各種情況，並計算其受熱情形之後，透過

Matlab/Simulink 程式進行整車空調動態模型建立，針對各部分空調元件作分析並

推導其動態方程式，或由各空調元件之性能曲線以 look-up table 之方式，將動態

模型建立於電腦上以模擬整車空調系統之切換策略與能量效益。其中包含空調系

統、馬達控制、車艙熱負載數值模型與電池殘電量計算。主要將以車艙溫度與車

輛續航力作為空調控制策略之指標。

引擎模型：

引擎模型參考施奕安[11]論文中所建立的引擎系統方塊圖。根據內燃機實體

規格採用 Matlab/Simulink 模擬其動態響應，為了簡化計算過程將所有的操作情形

轉換成力矩二維查表，如圖 2.4 所示，而內燃機力矩為內燃機轉速與節氣門開度

的函數，本系統所使用的內燃機曲線為華擎 1.3L C13DCA。在內燃機數學模型中

使用牛頓第二運動定律如(2.2)式

αJT =∑ ， (2.2)

算出內燃機轉速，並建立內燃機力矩二維查表利用內燃機轉速與節氣門開度

對應出內燃機輸出力矩，其內燃機旋轉動態可以表示如下

eeLoadefrice JTTT α=−− , ， (2.3)

又

fric e eT B ω= ， (2.4)

其中 為內燃機輸出力矩、 為內燃機內部摩擦損耗、 為整合機構

為內燃機轉動慣量、

eT

回授之負載力矩、

fricT LoadeT ,

eJ eα 為內燃機角加速度、 eB 為內燃機等

效黏滯係數、 eω 為內燃機角速度 PI Controller 控制內燃機節氣

門開度，模擬實際內燃機做轉速控制時的動態行為，系統使用之內燃機規格如表

2.2 所示。

。內燃機模型加入

14

圖 2.4 內燃機力矩二維查表圖[11]

表 2.2 內燃機規格參數[11]

項目

ICE Specification

排氣量 1305c.c.

汽缸數 直列四缸水冷式

每缸氣門數 4

最大馬力 65kw/6000rpm

規格

1 最大力矩 15N-m/4000rpm

轉動慣量 2.13 2kg m− 參數

等效黏滯係數 0.148N-m/rad/sec

15

馬達模型：

電動馬達模型參考陳愈仁[12]、Chern[13]等人所發展的簡化無刷直

流馬

(2.5

，

中 Vas、Vbs、Vcs 為各相定子繞組之電壓，Rs 為各相之電阻，ias、ibs、ics

為各

本研究之

達系統方塊圖，忽略剩餘磁性、飽和、滯後、渦電流和磁槽的影響，由等效

電路求電壓、電流以及阻抗的關係式，即為三相馬達的電壓方程式：

)

其

相定子繞組之電流，Ls為各相之電感，ωr 為轉子電氣角速度，kb 為各相之反

電動勢常數，θr為轉子角度位置。

2 2sin( ) sin( ) sin( )3 3m t as r bs r cs r

T k i i iθ θ π θ π⎡ ⎤= + − + +⎢ ⎥⎣ ⎦， (2.6)

其中 kt為力矩常數，而機械力矩與角速度之關係式為：

,2 2( ) ( )m m r m r m loadT J B TP Pα ω= + +

， (2.7)

2( )m r Pω ω=

， (2.8)

其中 Jm為電動馬達轉動慣量，P 為轉子極數，αr為電動馬達轉子電氣角加速

度，

Bm 為電動馬達等效黏滯摩擦係數，Tm,load 為整合機構回授之負載力矩，ωm

為電動馬達轉子機械角速度，ωr為電動馬達轉子電氣角速度。

sin( )0 0 0 00 0 0 0 sin( 2 / 3)0 0 0 0 sin( 2 / 3)

as as as rs s

bs s bs s bs r b r

s s rcs cs cs

V i iR LdV R i L i kdt

R LV i i

θω θ π

θ π

⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= + + −⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ +⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

16

電池模型：

所使用之 RC 電池模型中各項參數依據美國車輛研究委員會 USCAR

(Uni

本研究

ted States Council for Automotive Research)所整理出來的 HPPC (Hybrid Pulse

Power Characterization)測試程序來做測試，利用充放電機設定充放電測試系統，

量測單顆鋰電池充放電反應，記錄所須之電池參數，以便估測整組鋰電池電池參

數精確地描述電池的充放電動態響應。RC 模型中各項參數計算方法如方程式

(2.9)~(2.15)所示

bulkVR I

Δ=，

(2.9)

* 1.24bulkRR =

， (2.10)

*tR R=，

1)

(2.1

*

1.1eRR = (2.12)

，

*

3cRR =

，2.13)

(

100%2 2

100% 0%

_ *1 ( )2

SOCb

SOC SOC

AmpSed rated VCV V

=

= =

=−

，

(2.14)

4 3

1 3

( ) ln(1c

e c

tC V VR RV V

)

Δ=

−+ −

−

，

(2.15)

其中 為電池的介質電流阻抗、 *RbulkR 為計算過程的中間變量、 為電

池 SOC=100%時的開路電壓、 SOC=0%時的開路電壓

之鋰電池為串並聯 48V 提供驅動馬達之電壓，每顆鋰電池標準電容量為

8700mAh、電壓為 4.2V，電瓶參數估測如表 2.3 所示。

電池的 SOC 是一種常用來表示殘電量的方式，而電容量的大小是影響電池

輸出的重要參數，通常 SOC 會隨著充放電電流以及經過時間而產生改變，方程

100%SOCV =

。本研究使用0%SOCV = 為電池

17

式如

下

t

i dt0

s

inib

SOC SOCQ

= −∫

，

(2.16)

其中 為 SOC 的初始值， 為經過的時間， 為電池最大電容量 為所

經過的時間 為電池最大電容量 而本研究參考 中所提供的 RC 模型

之 S

SOCini

， bQ

t

，

bQ

Advisor

t

OC 算法，方程式如下

a Ca b C

a b

C SOC C SOCSOCC C

b+=+

，

(2.17)

其中 為主體電容的 SOC 值， 為表

電池模型，模擬實際鋰電池之充放電動態行為求得電瓶電壓與 SOC 值。

CbSOC CcSOC 面電容的 SOC 值。依此建立

表 2.3 電池參數表

基本參數(單位)

電池型式 鋰電池

電池數目 28 個

電池電壓 48 V

電池電容量 705.6 A-h

bC 921938 F

aC 141392 F

bR 0.32 Ω

cR 0.64 Ω

dR 0.64 Ω

18

車艙熱負載模型：

車艙熱負載分為下列四個部份進行計算：(1)車體熱傳導、(2)太陽熱輻射、(3)

外氣潛熱與顯熱、(4)人員生理熱。

車體熱傳導：

車體熱傳導可分為車頂、車底、車前、車後與車側等五部分，其中又以材質

分為鈑金和玻璃兩部分。車體各部份熱傳導相關參數如表 2.4，車艙大小如圖 2.5

所示。

熱傳導計算公式：

Q U A T= × ×Δ ， (2.18)

關參數 參數值 熱傳導相關參數 參數值

表 2.4 熱傳導相關參數表

熱傳導相

鈑金厚 0.001 m 鈑金熱傳係數 40 kcal/m-hr-oC

頂蓬厚 0.004 m 室內空氣熱傳係數 10 kcal/m2-hr-oC

車門厚 0.09 m 車門內層空氣熱傳係數 o1.83 kcal/m-hr- C

艤裝厚 0.003 m 艤裝熱傳係數 0.035 kcal/m-hr-oC

隔熱材厚 0.004 m 隔熱材熱傳係數 0.005 kcal/m-hr-oC

地毯厚 0.003 m 地毯熱傳係數 0.01 kcal/m-hr-oC

19

圖 2.5 SAVRIN 車體熱傳面積分析圖

太陽熱輻射：

太陽熱輻射強度主要取決於日照角度與日照強度。日照強度以中午 12 時日

但此時日照角度射入車艙之投影面積並非最大。考慮熱傳導影

響，室

光直射為最強，

外溫度一般以下午 2 時為最高，故統一以下午 2 時之狀況進行熱負荷計算。

熱輻射計算公式：

r dQ Q A X Q Aτ τ= × × × + × ×， (2.19)

其中 Qr 為日光輻射強度，τ為玻璃透光率，A

與玻璃法線方向之內積，Qd 為漫射光輻射強度。各部位面積如表 2.5 所示：

位名稱 面積(m2) 部位名稱 面積(m2)

為玻璃面積，X 為光線方向

表 2.5 SAVRIN 車型各部位面積

部

車 頂 5.0 2.95 車 底

車 側 3.4 車前玻璃 1.15

車 尾 1.35 車 窗 1.05

車 前 1.45 車後玻璃 0.7

20

外氣潛、顯熱負荷：

外氣潛熱主要在空氣換氣時，車艙內外空氣之含水量不同所導致；而顯熱則

由車艙內外溫度不同造成。

外氣潛熱計算公式：

pQ V Q C= × ×Δ ， (2.20)

其中 V 為換氣量，Qp 為水蒸氣潛熱，△C 為車艙內外含水量差。

外氣顯熱計算公式：

pQ V C T= × ×Δ 。 (2.21)

其中 Cp 為空氣比熱，△T 為車艙內外溫度差。

人員生理熱：

人員生理熱分為人體潛熱和人體顯熱，此部分由 ASHRAE Handbook[14]中

指出，每人人體發生潛熱量為 50kcal/hr，顯熱為 60kcal/hr。而 SAVRIN 所能乘坐

人數為 7 人，故人員生理熱造成最大車艙空調熱負載估算為 770kcal/hr。

21

第三章 動態模型與能量管理

根據會影響車內空調環境之各因素，由熱力學方程式推導其熱量變化趨勢，

並利用 MATLAB/Simulink 軟體建立其數值模型，搭配所搜尋已被廣泛應用之車

輛構件模型，彙整建立為整車空調系統動態模型，用以模擬車輛在各種行車狀態

與空調操控模式下，車艙內與人員感受之溫度、舒適度以及車輛之耗能狀況，進

而擬定有利續航力表現又可顧及人員舒適度之控制策略。

3.1 整車動態模型建立

引擎模型：

根據第二章所彙整之引擎規格及其力矩、轉速等方程式，透過

Matlab/Simulink 程式所建立之引擎系統方塊圖如圖 3.1 所示。

圖 3.1 引擎系統方塊圖

22

馬達模型：

根據方程式 2.4~2.7 作拉普拉斯(Laplace)轉換，並依照所選用馬達規格進行

修改，可將無刷直流馬達轉移函數簡化為方塊圖，並在前端加入追隨設定轉速之

PI 控制器，簡化後之方塊圖如圖 3.2。

圖 3.2 馬達模型 Simulink 方塊圖

電池模型：

依據 2.2.2 節之電池規格及其充放電特性，藉由 Matlab/Simulink 所建立出之

RC 電池模型如下圖 3.3：

圖 3.3 鋰電池 RC 電路動態模型

23

車艙熱負載模型：

由 2.2.2 節所述車艙熱負載計算方式建立其數值模型如圖 3.4。

圖 3.4 車艙熱負載模型方塊圖

空調元件模型：

空調元件模型依照恆陞精密科技公司所提供之渦卷式純電動空調系統，以排

氣量為 60c.c./rev 之系統規格建立其模型，如圖 3.5 所示。

圖 3.5 空調元件模型方塊圖

24

變速箱模型：

為使模擬結果更接近實際行車狀況，參考 SAVRIN 車種之換檔模式，建立其

變速箱切換模型(如圖 3.6)，使車輛在模擬過程中能依據車速狀態進行換檔動作，

能更真實的模擬引擎轉速與扭力輸出情形。

圖 3.6 變速箱 Simulink 方塊圖

25

3.2 空調系統能量管理

為進行整車空調動態模擬，須先設定車輛空調環境及操作模式，以求得在固

定情境下此空調模式之操作狀況與耗能模擬結果，作為設計空調系統之元件選用

依據。模擬方向分為複合式空調系統及純電動空調系統。複合式空調系統主要在

於空調動力來源之切換，以達到符合人員舒適度與減少污染排放、節省燃油消耗

之目的；純電動空調系統則依車艙溫度回授訊號，作為空調變頻控制之依據，使

空調系統運轉能恰好符合車艙所需克服之熱負載，而達到恆溫並省能的功效。

3.2.1 空調系統模擬狀態

本研究先以複合式空調系統進行模擬，在空調動力來源之切換控制策略分為

兩種：(1)根據車艙熱負載與引擎轉速作為動力切換之依據，當引擎轉速提升至足

以提供空調系統抵銷車艙熱負載時，切換為引擎驅動模式，反之則由電動馬達驅

動，以節省引擎在低轉速時還必須提供空調系統之負載；(2)車輛行駛前 200 秒之

怠速狀態以馬達驅動空調系統，主要在於節省車輛於路邊停等時車內高溫需急速

降溫之狀況。透過燃油消耗計算結果分析其耗能狀態，並由車艙溫度變化狀況評

估人員舒適之程度。複合式空調系統模擬設定條件如表 3.1、3.2 所示。

表 3.1 複合式空調系統模擬設定(一)

模擬設定(單位) 車艙初始溫度 70 oC 目標溫度 23 oC 模擬時間 800 s 行車型態 NEDC2000

空調動力來源

引擎驅動： 引擎轉速 2000rpm以上

馬達驅動： 引擎轉速 2000rpm以下

馬達轉速控制

依車艙熱負載大小進行轉

速調控，當引擎轉速可提供

足夠冷房能力時切換為引

擎驅動

26

表 3.2 複合式空調系統模擬設定(二)

模擬設定(單位)

車艙初始溫度 70 oC

目標溫度 23 oC

模擬時間 800 s

行車型態 NEDC2000

空調動力來源 車輛行駛前 200 秒(怠速時)由馬達驅動

馬達轉速控制 馬達以定轉速(rpm)驅動壓縮機，進行車艙降溫，200秒後切換為引擎驅動模式。

完成複合式空調系統之模擬，檢視各項元件模擬結果是否與實際狀況接近，

以確認模型之完整性，而後進行純電動空調系統之模擬。設定本純電動空調系統

運用於電動車輛上，故包含電動車輛動力輸出與空調系統之電能消耗，由電瓶殘

電量模擬結果檢視車輛動力輸出與空調耗能之狀況，進而擬定顧及車輛續航力與

人員舒適度之空調控制策略。純電動空調系統模擬設定條件如表 3.3 所示。

表 3.3 純電動空調系統模擬設定

模擬設定(單位)

車艙初始溫度 70 oC

目標溫度 23 oC

模擬時間 1200 s

行車型態 ECE40 NEDC2000

空調動力來源 由馬達驅動

馬達轉速控制 變頻式馬達控制，依車艙溫

度與使用者設定溫度進行

比對，以決定馬達轉速

27

3.2.2 能量管理

電能管理方式以固定電池容量狀態下，電能管理模式可分為兩種：(1)以最大

行駛哩程數為主的電源能量管理模式、(2)以車廂恆溫為主的電源能量管理模式。

其中以最大行駛里程數為主的電能管理模式，是以節能效益為優先考量，以建立

出最為節能又可使車輛行駛哩程數達到最大為目標；另一方面以車廂恆溫為主的

電能管理模式，則是以乘客或駕駛者之舒適度為優先考量。計畫將合併此兩種模

式為目標，為達到省能目的之電能管理模式，亦須使乘坐人員感到舒適，故將車

廂溫度維持於使用者舒適溫度之 23oC，並給予可調控之溫差範圍(±2oC)作為能量

調節管理，亦不使乘坐人員感到不舒適之溫度，進而建立車輛能行駛之最大里程

數之最佳化電源能量管理模式(如圖 3.7)，達到提升車輛電能使用效率之目的。在

此兩種極端的電能控管模式下，再依據電瓶殘電量細分為各個階段之空調系統控

制策略，使運用此空調系統之車輛成為一種智慧型節能空調車輛。

圖 3.7 電動空調系統電能管理流程圖

28

第四章 結果與討論

整車空調系統之動態模型建立完成後，依現有參數與條件設定進行初步模

擬，確認所建立之模型邏輯無誤，並能接近實際空調元件運作情況，使模擬結果

更趨近實際空調與車艙狀況。透過模擬結果，可看出空調系統運作時對於車艙溫

度與耗能的趨勢，方能針對耗能最為顯著之部分進行改良設計。未來更可依照各

不同車型與實際空調元件參數進行動態模型之修改與調整，即可由模擬得一參考

之結果，作為設計或選用空調元件時之方向與概念。

4.1 動態模型建立分析結果

複合式空調系統分為馬達驅動與引擎驅動兩種模式，主要在於車輛不需要動

力輸出或者引擎低轉速時，由電動馬達趨動空調系統以減輕引擎負載，達到節省

燃油消耗的目的。複合式空調系統動態模型整合了電動馬達、引擎之模型，搭配

熱負載計算結果與空調系統之效能，將車艙實際溫度回授與使用者設定溫度比

對，作為空調壓縮機轉速控制之依據，並由實體空調系統運作情形及其冷房效率

為對照組，進行比對模擬結果與真實情況的差異，以確認模型的精確度。另為求

模擬能更趨近於車輛實際行使狀況，加入變速箱模型使引擎與馬達之轉速、扭力

更真實呈現。最後依所設定之情境，由動力切換控制器進行空調系統動力源之切

換，最後根據歐盟 HEV 之 NEDC2000 行車型態(圖 4.1)進行模擬，其中取其高速

與低速各兩次循環以模擬其在高速與低速行駛狀況下之情況，共 1200 秒之模擬，

並由 BSFC 燃油消耗圖(圖 4.2)運算分析整車油耗結果。

29

圖 4.1 NEDC2000 行車型態

圖 4.2 BSFC 燃油消耗圖

30

複合式空調系統整車動態模型整合結果如下圖 4.3。設定車艙初始溫度與目

標溫度，並輸入欲模擬之行車型態後，即可由動態模型模擬出車艙溫度變化狀

況，並計算其油耗結果。依據油耗模擬結果，再調整空調馬達控制器，改變其動

力切換點，比較其油耗與車艙溫度變化結果，藉以制定一較佳之控制方式。

圖 4.3 複合式空調系統整車動態模型

純電動空調系統整車動態模型整合結果如下圖 4.4。車輛動力與空調系統皆

由馬達驅動，並加入電池模型以模擬電池殘電量及其續航力估算。

31

圖 4.4 純電動空調系統整車動態模型

4.2 空調系統耗能與電能管理模擬結果

4.2.1 複合式空調系統模擬結果

車艙熱負載模擬結果：

首先針對車艙熱負載進行模擬。在車艙已降溫至使用者設定溫度後，持續受

到外界熱輻射、熱傳導以及人員、儀器產生熱所造成之穩態熱負載，模擬結果如

下圖 4.5。此接近 3500kcal/hr 之熱負載大小為車艙降溫後空調系統需持續提供之

冷房能力，以維持車艙溫度為使用者設定之溫度。而在車艙溫度尚未下降時，空

調系統需額外提供之冷房能力即為車內高溫空氣降溫所需，此部分主要受到車艙

大小(車內空氣含量)與空氣焓值影響，因此在空調系統剛啟動時之耗能格外顯著。

32

圖 4.5 車艙穩態熱負載模擬結果

將壓縮機轉速對應到其產生之冷房能力，並依照車艙熱負荷模擬結果，比對

後可得欲克服車艙穩態熱負載所需之壓縮機轉速，如圖 4.6 所示。

圖 4.6 冷房效率模擬結果

33

傳統空調系統車艙溫度模擬結果：

將此完整動態模型之控制策略設定為不切換至電動馬達驅動空調，則空調系

統作動方式等同於傳統空調，並將車輛怠速時內燃機帶動壓縮機之轉速設定為

680rpm，由 600 秒 NEDC2000 行車型態加入前置 200 秒 Idling Stop 共 800 秒之

模擬(即表 3.2 之模擬設定)。

當車輛怠速時，內燃機以 680rpm 之轉速帶動壓縮機，而隨著行車速度上升，

壓縮機之轉速隨之上升使冷房效率提高，故造成如圖 4.7 所示車艙溫度下降忽然

加快的趨勢。而約於 290 秒時可降至設定之目標溫度(23oC)，此時間將視車艙熱

負載與內燃機之效能而有所改變。而傳統空調另一大缺點則在於空調開啟時，引

擎需負擔動力輸出與驅動空調用，因此在爬坡時感覺尤其明顯，不開啟空調時爬

坡能力較好，若在空調開啟狀況下爬坡則略顯無力。

圖 4.7 傳統空調系統車艙溫度-時間模擬結果

34

複合式空調系統車艙溫度模擬結果：

將此複合式空調系統之控制策略設定為車艙由高溫狀態降溫之前200秒由電

動馬達驅動空調系統，200 秒後車艙到達使用者設定溫度時空調系統切換為內燃

機驅動模式。模擬出車艙溫度變化如圖 4.8。

由模擬結果可看出降溫過程中溫度曲線變化的節點，即為馬達與內燃機切換

的時間點(車速=30km/hr 交界處)。此種模式的好處為車輛怠速時不需啟動內燃

機，減少燃油消耗；低速時，也由馬達驅動壓縮機，沒有因內燃機轉速低而無法

達到需求的冷房效率的問題。此一切換的時間點也可由內燃機的燃油消耗率，與

視車艙降溫之目標時間進行調整，以達到符合要求並節省能源的最佳化控制策

略。

圖 4.8 複合式空調系統車艙溫度-時間模擬結果

35

純電動空調系統車艙溫度模擬結果：

將空調系統驅動方式設定為完全由變頻式電動馬達驅動，並將馬達轉速上限

設定為 1000rpm 進行模擬。模擬結果顯示，由於電動馬達啟動時即維持 1000rpm

之轉速帶動空調壓縮機，故沒有如複合式空調系統模擬結果之節點產生，使車艙

溫度穩定下降，如圖 4.9 所示。但也由於沒有高轉速時快速降溫之效果，約於 300

至 400 秒之間才降至目標溫度。但由於為變頻式馬達，由車艙實際溫度與使用者

設定溫度差之大小決定馬達運轉速度，此方式更能節省能源消耗。

圖 4.9 車艙溫度-時間模擬結果

燃油消耗指標模擬結果：

由本研究所設計之複合式空調系統與純電動空調系統動態模型，用以模擬比

較其空調效益與傳統空調系統之差異。而在電動馬達之電力來源由電瓶供給之狀

況下，複合式空調系統在前 200 秒 idling stop 狀態時由電動馬達驅動空調系統，

200 秒之後切換為引擎驅動，故節省了車輛 idle 時由引擎驅動空調系統之燃油消

36

耗，而切換為引擎驅動後之燃油消耗走勢則與傳統空調模式相同。純電動空調系

統完全由電力驅動，因此空調負載不會加諸於引擎上，除了節省車輛 idle 時所消

耗之燃油，在車輛行駛期間之燃油消耗亦比傳統空調系統車輛有更為節能之趨

勢。三種空調系統之燃油消耗模擬結果如圖 4.10。複合式空調系統較傳統空調系

統約能省能 17.4%，純電動空調則省能約 25.7%。

圖 4.10 燃油消耗模擬結果(一)

馬達動力來源由電瓶提供，則須考量電瓶殘電量狀態，考量實際狀況應加入

發電機負載，除由電瓶提供電力來源，亦可由引擎帶動發電機提供電力來源。而

發電機之效率參考”Air Conditioning HEV While Stopped in Traffic,”之研究結果，

其轉換效率約為 85%。

模擬結果如圖 4.11，由於複合式與純電動空調系統前 200 秒 idle 狀態引擎不

啟動，故亦不帶動發電機發電。而 200 秒後之燃油消耗則因加入了發電機耗能，

較圖 4.9 之趨勢稍微提升，此結果亦較趨近於實際情況。模擬結果，複合式空調

37

系統較傳統空調系統省能約 8.2%，純電動空調系統則省能約 12.6%。

圖 4.11 燃油消耗模擬結果(二)

結果顯示約在帶動壓縮機之馬達轉速為 2400rpm 時，其所產生之冷房效率可

剛好抵銷車艙穩態熱負荷。依照此ㄧ結果，將複合式空調系統之切換點定在車輛

行駛過程中，內燃機轉速恰好達到帶動壓縮機轉速為 2300rpm 時，原本車輛低速

行駛由馬達帶動壓縮機切換為內燃機驅動模式。

4.2.2 純電動空調系統模擬結果

電流模擬結果：

純電動空調系統模擬條件如表 3.3 之設定，從車輛在路邊停等時之高溫狀態

(設定為 70oC)開啟空調進行 1200 秒之 NEDC2000 行車型態模擬，結果如圖 4.12

所示。空調開啟且車輛於加速狀態，瞬間電流高達約 190A，此將依實際使用電

38

池所能提供之性能而有所改變，若無法提供如此大之瞬間電流，則影響馬達轉速

之加速度，此處則不限制其最大電流。除了在加速的瞬間電流量會急速升高外，

行車型態中最高速行駛時加上空調開啟狀態之耗電，最高電流約略接近 160A；

若行車速度不高於 100km/hr 時，電瓶放電電流則約於 120A 以下。在車內溫度下

降至使用者設定溫度時，空調僅需克服穩態熱負載而降低轉速，其所需供應電流

則維持在接近 30A 左右，而整體電流輸出也降至 90~110A 左右或更低。由此可

見，在車內高溫空氣尚未排除時，空調耗能所佔比例是相當可觀的。

圖 4.12 輸出電流模擬結果

39

4.3 續航力與舒適度分析

車艙溫度、馬達轉速模擬結果：

車內初始溫度為 70oC，目標溫度設定為 23oC，在此空調元件與車輛受熱狀

態下之溫度模擬結果如圖 4.13。在車輛剛啟動時，因車艙溫度極高須盡速降溫，

故電動馬達以高速帶動空調系統以提供較大的冷房效率，在溫度趨近使用者設定

溫度時，變頻馬達則逐漸減速至可平衡車艙穩態熱負載之轉速即可，約至模擬之

500 秒時可達到使用者設定之目標溫度 23oC。

圖 4.13 車艙溫度模擬結果

馬達轉速如圖 4.14 所示，動力輸出部分之馬達轉速(Motor2)依照行車型態之

車速，僅因變速箱之換檔因素而有所變動。空調馬達(Motor1)在空調系統啟動時

轉速約達到 3000rpm，用以快速降低車內高達 70oC 之高溫，至約 500 秒車艙溫

度已下降後，空調系統僅需克服持續受到之穩態熱負載，轉速約在1800~1900rpm。

40

圖 4.14 馬達轉速模擬結果

殘電量、續航力模擬結果：

車艙由高溫開始降溫，依 NEDC2000 行車型態模擬電動車行駛，並將空調設

定為全程開啟與全程關閉狀態進行比較，經過 1200 秒的模擬結果如圖 4.15。空

調全程關閉模式下，1200 秒後電池殘電量剩餘 86.8%，行駛里程數為 15.898km(如

圖 4.16)，經計算空調關閉狀態總續航力約可達到 120.44km 之多；空調全程開啟

之模式下，1200 秒後電池殘電量約剩餘 83.85%，行駛里程數同為 15.898km，計

算其續航力約可達到 103.03km，兩者續航力相差 17.41km 之多(約 14.46%)。

41

圖 4.15 鋰電池殘電量模擬結果

圖 4.16 電動車續航力模擬結果

42

第五章 結論與未來展望

結論：

1. 車輛停靠於路邊受到太陽照射使車艙溫度高達 60~70oC，因此空調系統運作

之初，為使車艙降溫而造成顯著之耗能。

2. 將複合式與純電動空調應用於車輛，由耗能分析模擬結果顯示，省能效果分

別可達到 8.2%(複合式)與 12.6%(純電動)。

3. 模擬結果與實際空調元件性能對照，可看出此動態模型能夠模擬真實空調系

統之趨勢。未來在設計車輛、選用空調元件時，可透過此模型之模擬結果作

為設計之評估方式。

未來展望：

1. 未來應針對車艙高溫熱負載排除進行研究，可明顯降低車艙最大熱負載；並

搭載區域性空調技術，預估將可減少約 40%之空調耗能。

2. 可應用 CO2 空調之新技術，其性能與傳統 R-134a 冷煤幾乎相同，唯怠速時

性能較差，但其溫室效應潛力遠低於 R-134a 冷煤，就長遠空調發展而言，有

其發展的潛力。

43

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46

符號彙編

Symbol Meaning

totalQ 車艙總熱負荷 16

1n

nQ

=∑

傳導、對流、輻射…等 16 項熱源

1cdQ 車內空氣降溫所需排除之熱量

2cdQ 高溫組件散置車內之熱量

eT 內燃機輸出力矩

fric 內燃機內部摩擦損耗

Loade, 內燃機之負載力矩

e 內燃機轉動慣量

e

T

T

J

α 內燃機角加速度

as 、 bs 、 cs 直流無刷馬達各相定子繞組之電壓 V V V

sR 直流無刷馬達各項之電阻

as 、 bs 、 cs 直流無刷馬達各相定子繞組之電流 i i i

sL 直流無刷馬達各項之電感

rω 直流無刷馬達轉子電氣角速度

rθ 直流無刷馬達轉子角度之位置

b 直流無刷馬達各項之反電動勢常數

m 直流無刷馬達機械力矩

t 直流無刷馬達力矩常數

k

T

k

47

m

P

r

J 直流無刷馬達轉動慣量

直流無刷馬達轉子極數

α 直流無刷馬達轉子電氣角加速度

m

Loadm,

m

B 直流無刷馬達等效黏滯摩擦係數

T 直流無刷馬達之負載力矩

ω 直流無刷馬達轉子機械角速度

rω 直流無刷馬達轉子電氣角速度

b 電池內部主體電容

c 電池內部表面電容

e

C

C

R 電池內部電容性電阻

c 電池內部末端電阻

t

R

R 電池內部終止電阻

o 電池輸出電壓 V

Is 電池充電電流

bulkR 電池的介質電流阻抗

*R 電池參數計算過程的中間變量

100%SOC= 電池 SOC=100%時的開路電壓

0%SOC= 電池 SOC=0%時的開路電壓

ini SOC 的初始值

SOC 電瓶殘電量

t 經過的時間

b 電池最大電容量

Qr 日光輻射強度

V

V

SOC

Q

48

49

Qd 漫射光輻射強度

Qp 水蒸氣潛熱

Cp 空氣比熱

τ 玻璃透光率

X 光線方向與玻璃法線方向之內積

V 換氣量

△C 車艙內外含水量差

△T 車艙內外溫度差

Study of Electrical Energy Consumption and Management of Air-Conditioning System of Electric Vehicle