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中華民國力學學會第三十六屆全國力學會議 國立中央大學 101 年 11 月 16-17 日 The 36th National Conference on Theoretical and Applied Mechanics, November 16-17, 2012
電動車動力系統之熱傳模擬分析
王俊淇、鄭光廷、何世榮 財團法人車輛研究測試中心 E-mail:[email protected]
摘要 本文藉由數值模擬方法來探討電動車在不同操
作條件下，動力系統的熱傳狀態，與廢熱回收再利用
之評估，並佐以實驗量測數據來驗證模擬結果。電動
車包含各種子系統，如電池與電池控制模組、馬達動
力系統、空調系統等，而電動車輛各子系統於運作過
程中會產生熱量，並逐漸累積，若能對上升的溫度加
以應用，如暖氣空調、低溫環境電池模組之加熱等，
不由散熱裝置及風扇將熱量逸散至環境，希望藉由數
值模擬方法輔助冷卻系統控制策略設計，將整車的能
量作更有效率的匹配，進而達到節能以及增加續航力
的效果。 關鍵詞：冷卻系統迴路、電動車、馬達、馬達驅
控器 1. 前言
隨著交通工具的發達與利用，縮短了兩地間的距
離與所需的時間，帶給了人類極大的便利，但也因對
交通工具的依賴增加，逐年增高廢氣排放量，而傷害
了人類的生活環境。以目前來看，一般汽車主要係使
用石化燃料作為動力來源，不但耗用大量石油資源，
也是溫室氣體排放的主要禍首之一，為配合節能減碳
的全球趨勢，許多國家均將車輛電動化，作為溫室氣
體減量的重要措施，藉以減少自然資源的消耗。 電動車的行進完全仰賴電池電力，並利用電動馬
達做為車輛的動力來源，完全取代傳統內燃機引擎與
油箱的配置。電池性能與電力匹配決定了電動車的最
大行程，而車輛動力系統與車上電子系統均會消耗電
池能量，間接影響電動車的續航里程，為了使車輛達
到節能以及增加續航力的目的，本文藉由數值模擬方
法來探討電動車在不同操作條件下，動力系統的熱傳
狀態，並佐以實驗量測數據來驗證模擬結果，另再針
對未被有效利用的熱能進行研究與探討，與廢熱回收
再利用之評估。 2. 研究方法
電動車之各次系統，如電池與電池控制模組、馬
達動力系統、空調系統等，於運作過程中均會產生熱
量，而本文主要探討電動車之馬達動力系統，藉由數
值模擬分析與實驗量測，來評估廢熱之擷取與利用，
以降低系統負載，提升電動車續航力。
2.1. 實驗車規格介紹 本文實驗車採用經濟部電動車輛系統模組與關
鍵技術開發科專計畫之電動商用車如圖 1 所示。
圖 1 科專電動商用車整合驗證平台
利用其動力系統做為實驗量測與數值模擬之驗
證平台。電動車的規格尺寸為 4090 mm x 1570 mm x 1950 mm、全車空車重約 1260 kg，載重 590 kg。
圖 2 冷卻系統迴路
本電動商用車的動力系統之冷卻採用水冷方
式，其冷卻系統迴路，如圖 2 所示，冷卻水流經的順
序主要為冷卻水經由水泵打入車載充電器，再由車載
充電器流出，進入馬達驅控器，最後流入動力馬達再
回到散熱水箱（散熱器）。電動水泵與散熱器之冷卻
風扇由整車控制器根據冷卻管路之水溫進行開關控
制，設定當冷卻管路之水溫高於 45 °C 時，開啟冷卻
風扇。
2.2. 動力系統規格 本車動力系統所搭配的是永磁同步無刷馬達，而
馬達驅控器主要是將電池直流電源轉換成驅動馬達
的交流電源，並提供轉速、電壓、電流控制以及溫度
充電器
水泵
馬達 驅控器
馬達
水箱
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等安全保護功能，使得馬達能得到最大功率的表現。
表 1 為馬達之主要相關規格，馬達的最大功率為 50 kW，最高轉速與最大扭力分別為 8500 rpm 與 210 Nm。
表 1 馬達規格 馬達形式 永磁同步 最大功率 50 kW 最大扭力 210 Nm 最高轉速 8500 rpm 系統最高效率 92% 馬達重量 48 kg 馬達尺寸 330 x 250 mm 冷卻方式 水冷式
圖 3 為馬達驅控器與馬達系統整組動力系統之
性能曲線與效率[1]，整體系統的效率介 78% ~ 92%之間。
圖 3 轉速與扭矩對應效率圖
2.3. 數值模擬與模型架構
模擬軟體方面，採用熱力學模擬資料庫
(Thermolib)，來建構電動車的冷卻系統迴路模型。
Thermolib 提供系統模型化之所需熱力學、流體機械
等現象的各種 Simulink®函式圖塊，如燃燒器、幫浦、
空氣壓縮機、閥類、混合器、氣體乾燥機、濕度交換
器等函式圖塊。 利用 Thermolib 函式圖塊所建構之電動車熱源模
型架構圖則參照圖 4，數值模型架構則依據冷卻系統
迴路建置。電動車於行駛過程中，整個冷卻系統迴路
有熱源產生的是馬達驅控器與馬達，而車載充電器則
是在電動車充電時運作，因此在行駛過程中並無熱源
產生。
圖 4 電動車熱源模型架構圖
電動車熱源模型之主要元件與說明如表 2 所列。
表 2 電動車熱源模型之主要元件 軟體函式圖塊 說明
馬達驅控器：為架構中
主要熱源之一。
馬達：為架構中主要熱
源之一。
管線：考慮冷卻液流動
的管路壓損
水泵：輸送冷卻液
熱交換器：與外界環境
做熱交換
水箱：儲存冷卻液
各元件主要的參數與規格均參照實車設定，馬達
驅控器與馬達所產生的熱源，來自電能與機械能之間
能量轉換的損失，轉速與扭矩對應效率圖則參考圖
3，主要元件輸出功率如下： 馬達驅控器：60 kW
馬達：50 kW 冷卻系統迴路的相關規格如下: 水泵：最大流率為 16 L/min 水箱：4000 c.c. 散熱器面積：49 cm x 41 cm 冷卻液初始溫度：25°C
2.4. 實驗量測與設備
實驗量測方面，在冷卻系統迴路裝設溫度感測
器、流量感測器與壓力感測器，藉由感測器記錄電動
車於行駛過程中，冷卻系統迴路之溫度變化、流量變
化與壓損狀況，量測設備與規格如表 3。
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表 3 量測設備與規格 編號 實驗設備 量測功能 規格
1 Data Recorder imc Cronos-PL2
資料擷取
及儲存 類比頻道 8個
2 T Type 熱電耦
線 溫度量測 -60 ~ 200 °C
3 流量感測器 流量量測 1.5~30L/min
4 壓力感測器 壓力量測 0 ~ 20 MPa
溫度感測器分別裝設於水箱出口、馬達驅控器入
口、馬達驅控器出口、馬達出口與水箱散熱器入口
處，除了水箱散熱器入口處的溫度感測器貼於外部管
面，以量取環境溫度，其餘四個量測點均埋入管內直
接量測水管內冷卻液之溫度。
圖 5 電動水泵
電動車所使用的電動水泵如圖 5 所示，其最大流
率為 16 L/min，流量感測器主要為記錄車子運行當
中，水泵實際的工作流率，以及將其流率回饋於模擬
中，因此分別於水箱的出、入口裝設流量感測器，以
記錄行車過程中流量之變化。 冷卻液於冷卻系統迴路中流動必須考慮到管路
壓力損失，為了模擬行車的真實性，因此分別於冷卻
系統迴路中的水箱出口、水箱入口與車載充電座出口
等三處裝設壓力感測器，以記錄冷卻液壓力之變化。 3. 實驗量測與模擬結果分析 為了評估廢熱回收，所以取冷卻系統迴路中溫度
最高處為觀察指標，車輛行駛過程中，冷卻系統溫度
上升的來源為馬達驅控器與馬達，因此量測馬達出口
溫度與模擬結果進行比較，並觀察相關位置的溫度變
化。
3.1. 測試條件與量測位置 測試條件如下: (1)測試地點：車輛中心滑行測試道，長度 1800
公尺 (2)環境風向：順風 (3)馬達轉速：3000、4000、5500 rpm 量測位置如下: (1)溫度(°C)：水箱入口、馬達驅控器入口、馬達
驅控器出口、馬達出口、環境溫度
(2)流量(L/min)：水箱入口(R_in_F)、水箱出口(R_out_F)
(3)管路壓力(kgf/cm2)：水箱入口(P_R_in_002)、車 載 充 電 器 (P_R_out_003) 、 水 箱 出 口(P_C_004)
3.2. 定轉速 3000rpm 量測與模擬結果
圖 6 為馬達從啟動到定轉速 3000 rpm 所量測管
內壓損，最大壓力與最小壓力相差約 0.2 kgf/cm2，水
泵實際工作流量約為 9 L/min，將所有相關的量測參
數回饋至模型，以進行數值分析。 P_R_in_002 P_R_out_003 P_C_004R_in_F R_out_F
0
100
200
300
400
500
60010^-3 kgf/cm^2
0
2
4
6
8
10L/min
0 50 100 150
s 圖 6 定轉速 3000 rpm 冷卻迴路壓損與流量變化
當馬達啟動到定轉速 3000 rpm，五個量測點的溫
度(°C)與時間(秒)變化如圖 7 所示，車輛行駛 60 秒
後，溫度變化趨於平緩，整個冷卻迴路系統達到熱平
衡狀態。
29303132
33343536
37
0 20 40 60 80 100 120 140
秒
溫度
水箱出口
MCU入口
MCU出口
馬達出口
環境溫度
圖 7 定轉速 3000 rpm 各量測點的溫度變化
圖 8 為模擬與量測之馬達出口溫度隨時間變化
圖，因實車連續執行多項定轉速測試，導致熱量累
積，造成冷卻系統水溫上升，因此與模擬比較時，將
馬達量測點溫度以水溫 25 °C 為基準，進行補償，以
最後溫度比較，模擬結果的趨勢線與實車量測結果誤
差約 1 %。
2223242526272829303132
0 20 40 60 80 100 120 140
秒
溫度
模擬馬達出口溫度
實車馬達出口溫度
圖 8 馬達出口溫度隨時間的變化圖
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圖 9 則是驗證馬達在定轉速 3000 rpm 下，模擬
結果與冷卻液流經馬達驅控器與馬達所上升的溫度
是否吻合，如圖 9 所示，模擬與量測結果 2 條曲線逐
漸收斂靠近，整組動力系統的運作，約可上升 1°C。
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100 120 140
秒
溫差模擬溫差
量測溫差
圖 9 馬達驅控器入口與馬達出口溫差變化圖
3.3. 定轉速 4000 rpm 量測與模擬結果 馬達轉速 4000rpm 所量測的管內壓損與流量如
圖 10，最大壓力與最小壓力相差約 0.2 kgf/cm2，水泵
實際工作流量約為 9 L/min。
P_R_in_002 P_R_out_003 P_C_004R_in_F R_out_F
0
100
200
300
400
500
60010^-3 kgf/cm^2
0
2
4
6
8
10L/min
0 20 40 60 80 100
s 圖 10 定轉速 4000rpm 冷卻迴路壓損與流量變化
在定轉速 4000 rpm，五個量測點的溫度變化如
圖 11 所示，車輛行駛過程熱量逐漸累積，馬達從啟
動到定轉速 4000 rpm 行駛約 2 分鐘溫度約可上升 1.5 °C。
27
29
31
33
35
0 20 40 60 80 100
秒
溫度
水箱出口
MCU入口
MCU出口
馬達出口
環境溫度
圖 11 定轉速 4000 rpm 各量測點的溫度變化
從馬達出口溫度隨時間的變化圖，即圖 12 所
示，虛線代表補償後的馬達出口溫度，馬達從啟動到
定轉速 4000 rpm，馬達加速過程因瞬間扭矩增加，導
致前 10 秒虛線的馬達出口溫度會突然拉升。模擬結
果的趨勢線與實車量測結果，以最後的溫度換算，兩
者之間的誤差約 1.8 %。
2223242526272829303132
0 20 40 60 80 100
秒
溫度
模擬馬達出口
實車馬達出口
圖 12 馬達出口溫度隨時間變化圖
在馬達定轉速 4000 rpm 下，馬達驅控器入口與
馬達出口的溫差變化如圖 13 所示，車子行駛 40 秒
後，模擬與量測結果逐漸收斂靠近，最後時間點的溫
差約 0.07°C，整組動力系統的運作，約可上升 1.3°C溫差。
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
秒
溫差模擬溫差
真實溫差
圖 13 馬達驅控器入口與馬達出口溫差變化圖
3.4. 定轉速 5500rpm 量測與模擬結果 在定轉速 5500 rpm，實車所量測管內壓損為 0.2
kgf/cm2，水泵實際工作流量約為 9 L/min，如圖 14所示。
P_R_in_002 P_R_out_003 P_C_004R_in_F R_out_F
0
100
200
300
400
500
60010^-3 kgf/cm^2
0
2
4
6
8
10L/min
0 20 40 60 80 100
s 圖 14 定轉速 5500 rpm 冷卻迴路壓損與流量變化
在定轉速 5500 rpm 下，五個量測點溫度變化如
圖 15 所示，冷卻液流出水箱後，因管路仍有散熱效
應，所以水箱出口溫度略高於驅控器入口處，整車主
要熱源來自馬達，因此馬達出口溫度最高。
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25.00
27.00
29.00
31.00
33.00
35.00
37.00
39.00
0 20 40 60 80 100
秒
溫度
水箱出口
MCU入口
MCU出口
馬達出口
環境溫度
圖 15 定轉速 5500 rpm 量測點的溫度變化
圖 16 所示，虛線為補償後之馬達出口溫度，車
子啟動後將馬達轉速急拉至 5500 rpm，瞬間扭力的拉
升，使溫度突然提升，馬達持續維持 5500 rpm 條件
下行駛。實線為模擬的結果，其溫升的趨勢與實車量
測的結果相似，並且呈現逐漸收斂狀態，以最後的溫
度計算兩者之間的誤差約 2.5%。
2223242526272829303132
0 20 40 60 80 100
秒
溫度
模擬馬達出口溫度
實車馬達出口溫度
圖 16 馬達出口溫度隨時間變化圖
圖 17 在探討馬達驅控器入口與馬達出口溫差的
變化，虛線為實車量測的溫度，馬達從起步到 5500 rpm 後定速行駛，其溫度上下震盪範圍逐漸縮小，模
擬結果與量測結果逐漸收斂，最後時間點的溫差約
0.19 °C。
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
秒
溫差模擬溫差
量測溫差
圖 17 馬達驅控器入口與馬達出口溫差變化圖
4. 討論 觀察以上實車量測與模擬分析之結果，進行馬達
在 3000 rpm、4000 rpm 與 5500 rpm 轉速下的出口溫
度隨時間的變化之探討。馬達出口溫度在量測與模擬
的誤差分別為 1.0 %、1.8 %與 2.5 %，此結果可印證
目前模擬軟體之架構是符合實車量測的結果。
而馬達驅控器入口與馬達出口溫差的誤差，分別
為 0.03°C、0.07°C 與 0.19°C，以上結果可知目前模
擬架構中的馬達效率之設定也貼近實車的馬達效率。 車輛在馬達定轉速 3000 rpm 下行駛，整組動力
系統可上升的溫度約 1°C，如圖 9 所示。但在實車量
測的馬達出口溫度卻沒上升，如圖 7 所示，顯示動力
系統的熱，被馬達鋁外殼與環境帶走。
車輛在馬達定轉速 4000 rpm 下行駛，整組動力
系統可上升的溫度約 1.3°C，如圖 13 所示。而實車量
測的馬達出口溫度約上升 1.5°C，如圖 11 所示。
車輛在馬達定轉速 5500 rpm 下行駛，整組動力
系統可上升的溫度約 2°C，如圖 17 所示。而實車量
測的馬達出口溫度上升約 1.1°C，如圖 15 所示。依照
動力系統效率表而論，實車量測的馬達溫升應會大於
4000rpm 時的溫度，但量測結果卻不然，原因可能受
環境變數影響，所以實車量測的馬達出口溫升略低。 由以上結果得知，整個冷卻系統的散熱能力與散
熱設計如金屬外殼、水泵規格等，均足以影響有效熱
能的利用與回收。
23
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26
27
28
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0 20 40 60 80 100
秒
溫度
水泵規格16L/min
水泵規格10L/min
水泵規格5L/min
圖 18 水泵規格與溫度變化
因上述問題，針對冷卻系統中之水泵規格與運
作模式來進行模擬分析，原電動車水泵的最大流率為
16 L/min，模擬分析時將水泵規格之最大流率改為 10 L/min 與 5 L/min，圖 18 為馬達定轉速 4000 rpm，不
同水泵規格與溫度的變化，由溫度變化之結果，可看
出減少水泵最大流率規格，能提供之有效熱能更多，
在相同時間下，水泵規格 5 L/min 能提供的有效溫度
就比水泵 16 L/min 高 1.5°C。
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29
31
0 20 40 60 80 100
秒
溫度定溫度啟動水泵
原電動車系統
圖 19 水泵運作模式與溫度變化
水泵運作模式則是取決於馬達內部之溫度設
定，當溫度升至設定值，即啟動水泵的運作來擷取溫
度，圖 19 為馬達在定轉速 4000 rpm 運轉下兩者之差
異，水泵運作模式水泵啟動溫度設定為 40°C，以定
溫度啟動水泵而言，在運轉 2 分鐘可提供的溫度比原
電動車系統高 4°C。
5. 結論 本研究以建構電動車的熱源模型來模擬與探討
電動車在不同操作條件下，動力系統的熱傳狀態，並
佐以實驗量測數據來驗證模擬結果，比對結果可印證
目前模擬軟體之架構是符合實車量測的結果。
另熱源模型架構圖則依據節能需求來調整冷卻
系統的規格，如廢熱之回收與利用，因改變水泵規格
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與水泵運作模式，確實提高廢熱的回收。 目前模型架構可在定轉速下做溫升模擬，提供車
子使用廢熱回收之評估，下階段若電動車之系統元件
資料與量測數據充足，則可模擬與探討動態的行駛過
程，更能貼近真實行車的狀況。
致謝 本研究承蒙經濟部技術處「電動車輛系統模組與
關 鍵 技 術 開 發 計 畫 」 贊 助 ， 計 畫 編 號
101-EC-17-A-04-02-0889，得以完成，謹此致謝。
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