电动车辆以高效率动力系统替代低能量转换率的引擎系统,藉以提高能源使用率并且消弭车辆行进所排放的大量废气,实为对环境相当有利之车辆演进。相对于传统车辆引擎系统会产生大量废热,足以在寒冷的冬日提供车厢乘客足够的暖气,电动车辆由于高电能-动力转换效率(80~90%)的缘故,失去了在传统车辆中随手可得的暖气热量来源,因此电动车辆上需要寻求其他方式来获得热源以提供暖气。
现行大部分的电动车辆中均采用5kW以上的PTC电热装置(效率约95~99%)以提供热源,透过加热循环水后再进到加热芯以提供暖气,两段式热交换的效率损失,使得电热系统会消耗更大功率以提供需求暖气。因此为了降低产生暖气的能耗,部分车厂投入高效率热泵系统研发,借由冷媒吸收环境热量后传递到车厢中作为暖气热量来源。但当环境温度低于特定数值(约-10℃)后,热泵系统便无法再从环境中汲取热量而失去供暖功能,因此,为了寻求足够热量,必须整合车辆内部及外部可用之热量来源,藉以与热泵形成复合式供暖系统,以在低温环境下均可以提供暖气,亦即需要由电动车辆所搭载之动力马达、发电机、驱动模组及刹车系统,进行其供热能力评估。
电动车辆采用永磁式或感应式马达为动力源,依据现行电动车辆动力马达规格(效率约85~97%,功率约47kW)估算约可产生0.6~3kW的热能,而马达驱动器及发电机约可分别产生1kW及0.28~1.35kW热能。另外于电池放电时,由于其放电效率关系会有部分电能转换成热能,该热能使得电池温度提升进而影响到放电效率,因此为了维持电动车运行的稳定性,这些热量必须要由电池端强制移除,因此可被利用作为暖气热源之一(如图所示)。刹车系统以来令片与碟片摩擦降低车辆速度,由于高速磨擦的关系可使来令片的工作温度达到250~300℃之间,最高甚或可达到400℃左右,表示该元件将车辆动能转换成大量热能,足可作为车厢暖气所用;刹车系统虽具有于低温环境下提供暖气热源之潜力,但由于系统架构限制及刹车作动时间短暂,无法作为立即使用的热源,因此需透过一储热装置回收后再行利用。
以上所提及之元件均可提供热源,但要与热泵系统整合成为复合供暖系统,尚须考虑到可妥善利用的环境温度范围、热量回收及传递机制和储热系统,如此方可有效分配利用电动车整车能量。车辆中心目前进行各次系统发热效率对环境温度的影响模拟分析,将藉以决定于环境温度-40~10℃间各次系统运作供暖之适用性,另针对热量传递及分配方式,亦须依据各系统适用之导热机制和方式进行设计,藉以确认系统架构和实车适用性,达到提供充暖气之效果。