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1 車輛工程系碩士班碩士學位論文 泛用引擎於複合動力機車之應用 Application of Utility Engine on Hybrid Electric Motorcycle 研究生 : 王永昇 指導教授 : 吳浴沂 中華民國九十八年一月

2 摘要 論文名稱 : 泛用引擎於複合動力機車之應用頁數 :59 校所別 : 國立台北科技大學 車輛工程系碩士班 畢業時間 : 九十七學年度第一學期 研究生 : 王永昇 學位 : 碩士 指導教授 : 吳浴沂 關鍵詞 : 泛用引擎 複合動力機車 HEM 本研究目的在以電池之電動車輛技術為基礎, 著重於泛用引擎的性能及製造低成本, 發展具有區域性特色及市場潛力之小型複合動力機車 經濟性 輕量化及動力輸出特性, 是泛用引擎的優勢所在, 具有改善車輛排氣污染及節省能源消耗之目的 本研究整合複合動力系統搭載於選定之目標車上進行工程驗證, 以應用電動馬達低速性能佳, 配合泛用引擎高轉速高扭力的輸出特性, 落實技術可行性及實用性 在現有實驗樣品中, 為了降低更多製造成本, 除了使用 49cc 低價格泛用引擎, 且採用傳動系統為固定減速比系統, 電動馬達系統以 500W/36V 輪圈馬達搭配 整體構想 : 低轉速時, 由電動馬達動力輸出 ; 高轉速時, 由引擎動力輸出 ; 重負荷時, 雙動力系統輸出 本研究以實驗車實際地面進行測試, 再以測試結果進行分析與討論 分析結果顯示, 泛用引擎是可應用於複合動力機車上 但本研究之引擎動力經固定減速比系統輸出, 將無法改變引擎輸出扭力, 使得動力輸出或銜接有不平順, 且引擎未處於高效率運轉區域而有耗油情況 I

3 ABSTRACT Title:Application of Utility Engine on Pages:59 Hybrid Electric Motorcycle School:National Taipei University of Technology Department:Institute of Vehicle Engineering Time:January, 2008 Researcher:Yung-Sheng Wang Degree:Master Advisor:Yuh-Yih Wu Keywords:Utility Engine, Hybrid Electric Motorcycle HEM The purpose of this research is to develop a hybrid electric motorcycle (HEM) with utility engine. That is based on electronic vehicle technology with battery, and focus on the performance of the utility engine and low cost of manufacture. The utility engine has the advantages of low cost, light weight, and high power density, which reduce the exhaust pollutions and energy consumption of the vehicle. This research combines a utility engine and a motor in a target motorcycle to establish a hybrid electric motorcycle. The utility engine has high power at high speed and the electric motor has good performance at low speed. In order to achieve low cost and light weight, an existing 49cc utility engine and a 500W/36V wheel motor are used. The concept of this HEM is to drive the vehicle with motor at low speed and run the engine at high speed. This hybrid electric motorcycle is tested with practical running, and then the test results are analyzed. The results show that the application of utility engine on hybrid electric motorcycle is feasible. However, the transmission system is limited in one gear ratio, so the power output is not smooth and the fuel economy is not good. II

4 誌謝 彷彿才不久踏進本校, 人生的學習路上又一階段的結束, 衷心的感謝指導教授吳浴沂老師在這段時間的諄諄教誨及指導 也感謝口試委員呂有豐教授及黃國修教授給於諸多建議與指教 感謝翰博科技公司的支持, 還有當時同事們的幫忙, 雖然大家相處的日子不多, 但我會銘記在翰博的點點滴滴 還要感謝當初鼓勵我的蔡爸爸和蔡媽媽及偉芬, 尤其當初報考時, 是蔡媽媽請朋友幫我提前後補飛機座位, 讓正在美國旅遊的我, 能夠及時趕回學校參加口試, 真的幫了我很大的忙 而蔡爸爸我將會一輩子懷念著您, 您真的對我很好, 卻來不及讓您看我完成學位 每當想到你們, 就會讓我滿懷感恩, 感謝上帝在我人生的旅途上遇到你們一家人 是你們啟發了我, 讓我真正了解到人生是要不斷學習成長 感謝我的好朋友們, 尤其楷坤陪伴著我至圖書館查資料及教導我 Microsoft Word 指令 圳杰幫我充電池 清洗化油器, 讓我完成實車測試 還有謝謝同學們這兩年多互相的切磋及幫忙 最後我要感謝我的家人, 爸爸和媽媽的支持 還有愛我的玉齡, 謝謝你體貼細心地陪伴及給我的一切 再過一陣子我們倆將攜手步入禮堂, 我要給你一生的幸福和快樂 III

5 目錄 摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章緒論 研究背景與動機 文獻回顧 研究目的與方法 第二章環保節能車輛發展及特性 環保節能車輛發展概況 環保節能車用電池之發展概況 最近環保節能車輛之發展概況 複合動力車系統及應用特性 全球混合動力車市場概述 複合動力車系統架構 泛用引擎應用之特性及優勢 泛用引擎複合動力機車評估與計畫 第三章泛用引擎複合動力之整車研發 已完成之次系統 泛用引擎 輪圈馬達 電瓶 引擎傳動系統 車架 IV

6 3.2 未完成之次系統 起動馬達 發電機 控制器 複合動力機車作動控制 第四章測試結果與討論 整車實際測試規劃 測試結果 最高速率測試 加速性測試 超越性測試 引擎油耗測試 馬達續航力測試 爬坡測試 分析與討論 第五章結論與未來展望 結論 未來展望 參考文獻 V

7 表目錄 表 ~2010 年全球電池市場銷售分析... 8 表 2. 2 各類電池特性比較表... 9 表 ~2017 年 HEV 車佔全球輕型車市場比例預估 表 2. 4 泛用引擎複合動力機車目標規格表 表 3. 1 四行程泛用引擎規格 表 3. 2 電池 12V/20A.h 鎳氫電池 表 3. 3 CHOINORI 50 車款規格 表 4. 1 最高速率測試結果 表 4. 2 加速性測試結果 表 4. 3 超越性測試結果 表 4. 4 引擎油耗測試結果 表 4. 5 單位重量之耗油率結果 表 4. 6 馬達續航力測試結果 VI

8 圖目錄 圖 2. 1 氫燃料電池作用原理 [21] 圖 2. 2 潔淨車輛及動力系統技術發展趨勢 [22] 圖 2. 3 Ultra Motor_ A2B 電動自行車 [24] 圖 2. 4 可摺疊電動機車 RoboScooter [25] 圖 2. 5 台灣易立歐的電動機車 [26] 圖 2. 6 宇泉雙電力電動機車 [27] 圖 2. 7 亞太燃料電動機車 圖 2. 8 亞太燃料電池系統 [30] 圖 2. 9 Yamaha Luxair 油電混合摩托車 [31] 圖 E-TON 新款複合動力機車 [32] 圖 複合動力系統優點 圖 串聯式複合動力車輛系統架構示意圖 圖 並聯式複合動力車輛系統架構示意圖 [34] 圖 豐田混合動力車輛系統架構圖 [35] 圖 本研究泛用引擎複合動力機車之系統示意圖 圖 泛用引擎複合動力系統特性 圖 3. 1 整車主要動力系統實體圖 圖 3. 2 四行程泛用引擎性能曲線圖 圖 3. 3 離心式離合器 圖 3. 4 輪圈馬達 圖 3. 5 馬達特性曲線圖 圖 3. 6 固定減速比齒輪箱傳動系統圖 圖 3. 7 最終傳動系統實體圖 圖 3. 8 引擎傳動系統架構 圖 3. 9 CHOINORI 50 車款 [37] 圖 起動馬達系統 VII

9 圖 低負荷狀態之動力流向 圖 一般行駛狀態之動力流向 圖 一般行駛狀態 + 充電模式之動力流向 圖 重負荷行駛狀態之動力流向 圖 減速或煞車狀態之動力流向 圖 4. 1 實際地平面測試照 圖 4. 2 車速儀錶板 圖 4. 3 碼錶 圖 4. 4 坡度量測儀 圖 4. 5 坡道測試場地照 VIII

10 第一章緒論 1.1 研究背景與動機 在國外歐 美 日等先進國家對都會區交通工具的空氣污染及石油儲存日益短少相當重視, 均認為目前是發展使用電動車輛 (Electric Vehicle,EV) 的時機, 且大力投入電動車輛之研發及推廣 目前法國 德國 瑞士 日本等均有獎勵補助電動車輛使用或技術研發的政策, 具實用性能的電動車輛也陸續開發完成, 正以實驗性試用逐步推廣 電動車的成本約為傳統車輛的 2~3 倍, 未來透過量產規模可有效降低成本 由於電動車車體及懸吊系統與目前量產車輛相同, 成本變異不大 ; 馬達則會因密集化及使用貴重材料提高性能等因素使得成本提高 ; 控制系統也因使用承受較高電流元件而提高成本, 但電動車專用的馬達及控制器量產化後可降低馬達及控制器之成本 而造成電動車成本高的主要原因為電池 電動車為提高行駛距離而搭載較多的電池, 會造成車重的增加及成本的提高 而為提高電動車行駛性能, 以新開發電池取代目前之鉛酸電池, 也會因新開發電池之材料成本高, 使得電動車價格大幅提昇 目前鉛酸電池每日反覆充放電之壽命約 2 年左右, 新開發電池實用化量產後, 電池之壽命增長, 可使電動車在壽命期內更換新電池之次數減少 然而電動車輛使用電能作為驅動能源, 以高能源轉換效率的馬達作為動力來源, 沒有廢氣的排放, 被認為是最佳的交通工具, 但卻仍有續航力低和充電不方便的缺點 全球目前掀起一股綠色能源風, 已是不爭的事實 而以目前石油的使用狀況估計, 石油蘊藏量大約只能再用 40 到 60 年, 而燃油的消耗又以交通工具為大宗 也因此包含太陽能 多元替代性燃油 (Alterative fuel) 燃料電池 超級電容器甚至風力水力等多重新型燃料與動力源, 會隨著政府政策的支持與業界能量的投入, 而大興其鼓, 產生許多與載具車結合的構思與創新 但目前上述的各項產品技術成熟性 耐久性及降低成本等, 無顯著突破之前, 低污染車輛, 包括稀薄燃燒引擎 汽油直接噴射引擎 替代燃料引擎 ( 如 CNG), 以及混合動力車 (Hybrid 1

11 Electric Vehicle, HEV) 等, 仍然是目前車輛業發展的趨勢 [1] 內燃機引擎其技術發展已非常成熟, 未來在能源效率及污染排放不易大幅改善 發展複合電動車輛已為全球趨勢, 發展電動車輛能源轉換技術, 是根本解決能源 環保與車輛產業問題的對策 電動機車也已經在數年前開始上市, 卻因續航里程與性能尚難符合顧客需求, 而停頓下來 燃料電池機車乃明日之星, 已有國內廠商投入研發, 但是距離商品化還很遠 電動車輛受制於電池開發上的瓶頸, 而傳統內燃機車輛又有排氣污染的問題, 複合式動力機車 (Hybrid Electric Motorcycle, HEM) 正可彌補這些技術之不足, 為現階段很值得開發的技術, 一方面可以降低空氣污染, 另一方面彌補電動車輛續航力不足問題 因此, 本研究目的在以電池之電動車輛技術為基礎, 結合泛用小引擎的性能及製造低成本, 發展具有區域性特色及市場潛力之小型複合動力機車, 建立以利潤市場為主要訴求之車輛產業, 具有改善車輛排氣污染及節省能源消耗之目的 整合複合動力系統搭載於選定之目標車上進行工程驗證, 以應用電動馬達低速性能佳, 配合泛用引擎高轉速高扭力的輸出特性, 落實技術可行性及實用性 1.2 文獻回顧 Toyota Prius 是第一款量產銷售 (1998 年初 ) 的 HEV, 其動力來源是由汽油引擎和一組鎳氫電池與電動馬達組成的並聯式動力系統 ; 針對不同的行駛狀態, 藉由控制系統適當的分配雙動力能源比率, 可以使車輛動力系統的效率達到最佳化 根據其報導, 每公升汽油可跑 28 公里, 排氣污染大量降低, 二氧化碳減少 50%, 其他污染物則只有日本法規標準的十分之一 [2] 另一款在美國銷售的複合電動小客車是 Honda Insight[5], 搭配 Honda 獨自的整合式動力輔助系統 IMA(Integrated Motor Assist), 及新世代 1.0L 稀油燃燒 VTEC 引擎, 結合輕量化鋁製車身, 每公升汽油可跑 36 公里, 而且排氣污染符合美國加州極低污染法規 (ULEV,Ultra-Low Emission Vehicle ) Ford 也首先推出全複合動力運動休旅車 [6], 與同型車款比較可節省 75% 燃油經濟性, 排氣污染符合美國環保署先進技術部份零排放車輛標準 (AT-PZEV) 以及加州超低污染法規 (SULEV,Super Ultra-Low Emission Vehicle) 目前世界各先進國家對於 HEV 之研發正蓬勃發展中, 但 HEM 方面之研究才剛起步 第一部手動切換型式之 HEM 是 1991 年義大利 Piaggio 公司所生產的 Zip 2

12 &Zip Bimodal 雙動力機車, 採用 49cc 二行程引擎搭配 650W 之永磁式馬達, 其動力源之切換需靠駕駛者本身去撥動開關, 選擇引擎或馬達輸出模式, 且電池充電須另外使用外接家用電源, 並不是利用車輛行進時發電機產生之電力, 因此與理想之 HEM 尚有一段距離 [7] 在 1997 年日本東京車展中, 由 Honda 公司展出其第一部並聯式 HEM 概念車, 使用 49cc 水冷式四行程引擎搭配 600W 直流無刷馬達 [8], 其設計規格可以減少 60% CO 2 排放量, 提高燃油效率 2.5 倍 接著於 1999 年東京車展中,Honda 公司展出並聯式低油耗 HEM 原型車 Flex, 其動力裝置採用 49 cc 引擎搭配直流無刷馬達, 除了擁有適合機車之複合動力系統外, 更增加了怠速停止裝置及電子式無段變速系統, 因此更有效地減少油耗及排污問題 [9] 奧地利 AVL 公司也在研發複合式電動機車 [10], 使用二行程 50cc 水冷式小引擎, 應用稀油燃燒以及預熱式觸媒轉換器改善引擎效率及排氣汙染 2001 年 Ecycle 公司以較高效率的柴油引擎應用於 HEM 上面, 研發出 125cc 氣冷式二行程柴油引擎之並聯式 HEM, 時速 25 km/hr 以下由馬達驅動車輛前進, 車速超過 25 km/hr 時, 引擎才會啟動, 而在加速狀態則由引擎與馬達共同提供最大動力, 其結果一公升柴油可行駛 57.5 公里 [11], 該公司接著於 2002 年研發出採用 219cc 柴油引擎搭配無刷馬達之 HEM, 最高時速可達 128 km/hr, 時速從 0 加速到 96 km/hr 只需 6 秒, 每一公升柴油可行駛 76 公里 [12,13] Synthesis 公司於 1995 年以電動機車為基礎架構, 研發出第一台串聯式 HEM:Hyperbike, 以四行程水冷引擎搭配直流馬達, 短距離行駛時採用馬達驅動, 長距離行駛時則引擎將會帶動發電機並維持在高效率區域運轉, 由發電機提供馬達所需之動力, 如發電機提供之動力不足時, 則由電瓶輔助, 其設計規格一公升汽油可行駛 50 公里, 可惜此研發計畫已於 1999 年終止 [14] Yamaha 公司於 1999 年日本東京車展中展出串聯式 Hybrid Commuter, 採用自行車之結構, 整體架構由小尺寸低油耗之四行程引擎帶動發電機產生電力, 再經電動馬達產生動力來驅動車輛前進 [15,16] 接著在 2003 年日本東京車展中,Yamaha 公司展出以 250cc 引擎為架構之 Mabrice, 前輪採用車輪馬達, 可直接驅動車輛行駛, 為輔助動力源 ; 後輪則由引擎經傳動系統驅動, 為主要動力源 駕駛者可撥動選擇開關, 選擇所需之行駛模式 : 後輪驅動 前輪驅動 或前後輪共同驅動 [17] 複合動力車輛之動力系統, 乃結合機械 電力電子而成, 完整並聯式複合動 3

13 力系統主要係由引擎 電動馬達 發電機與電池組四個部分所組成 由於馬達於低轉速區的傳動效率高於引擎低轉速區的效率, 所以於低轉速時由馬達負責驅動, 而於高轉速區時轉由引擎負責驅動 當使用者有急加速的需求時則馬達及引擎同時驅動, 此時複合動力車輛會讓使用者感覺比傳統汽油引擎車輛更佳的性能表現, 但電池系統能量有限不能持續以馬達驅動, 所以在行駛的過程中必須搭配能量管理的控制策略, 於適當時機對電池系統進行能量的補充, 並使系統運轉在最好的效率區, 以達到節能及減少廢氣排放的目的 1.3 研究目的與方法 由於內燃機車輛必須應付各種運轉狀況如 : 加減速 爬坡 定速行駛 怠速等, 需要各種不同的轉速和負荷, 引擎爲了因應這些不同的要求, 並無法固定在最佳效率的狀況下運轉, 尤其車輛在市區行駛狀況下, 開開停停, 油耗污染更嚴重 複合式動力車結合了內燃機引擎與電動馬達的優點, 具有雙動力來源, 利用馬達和儲能裝置, 來控制引擎在最高效率的狀況運轉, 因而改善了燃油效率與減少排氣污染 複合動力車輛為降低油耗污染之時代產物, 結合了內燃機引擎與電動馬達之優點, 但由於複合動力機車比傳統機車多了電瓶 馬達及控制器, 因此在製造成本及車身重量可能遠大於傳統機車, 也將成為消費者所不能接受的主因 一般複合動力車輛在動力系統匹配上, 馬達功率的大小主要取決於傳統內燃機引擎高效率的範圍, 當引擎高效率範圍增大時, 即可搭配較小功率數之馬達與電瓶, 進而降低複合動力車輛之重量與成本 而本實驗則以使用 49cc 低價格泛用引擎, 且採用傳動系統為固定齒輪比系統, 電動馬達系統以 500W/36V 輪圈馬達搭配 整體構想 : 低轉速時, 由電動馬達動力輸出 ; 高轉速時, 由引擎動力輸出 大大降低製造成本, 又能發展具有區域性特色及市場潛力之小型複合動力機車, 改善車輛排氣污染及節省能源消耗之目的 本文主要應用實驗樣品車進行測試, 在地平面上分別作實際行駛測試及記錄 測試區分為三種 : 獨立馬達系統 獨立引擎系統及兩系統混合之動力系統, 並針對其車輛行駛性能 油耗量 續航力等結果, 來進行分析與討論 4

14 本文共分為五章, 第一章緒論主要說明本文之研究動機與背景 研究目的以及相關的文獻回顧 第二章介紹近期各廠家 機構在複合動力機車研究發展概況及說明泛用引擎應用的特色 第三章先介紹現有研發樣品泛用引擎複合動力之整車系統, 包含泛用引擎系統 電動馬達系統 傳動系統等 第四章主要探討泛用引擎複合動力機車系統實際測試結果, 並針對結果加以分析討論 第五章為本文之結論與未來展望 5

15 第二章環保節能車輛節能車輛發展發展及特性 在石油危機與全球暖化問題影響下, 發展具節能且環保之技術為車輛產業的發展趨勢 1997 年於日本京都舉行的全球氣候變化高峰會議中, 更將全球氣候暖化視為一個嚴重的問題, 並且要求與會各國正視其嚴重性, 並積極改善各國氣體污染問題 在台灣, 行政院環保局早於 87 年通過 發展電動機車行動計畫, 積極推動電動機車的發展, 同時補助消費者購買電動車輛, 然而在電動機車使用環境缺乏 產品技術尚不成熟的種種原因下, 市場反應不佳, 因此環保署乃於 2002 年停止補助 然而隨著近年來消費者環保意識抬頭 石油價格持續上揚 國內機車第五期排放標準實施造成機車價格上揚, 減少電動機車與汽油機車價差距, 且近幾年技術問題已大幅改善, 整體環境對電動機車的發展而言也較有利 因此經濟部工業局也積極推動電動機車相關政策, 預估未來電動機車的發展可期 看好電動機車為未來的發展趨勢, 國內製造商也紛紛投入發展電動機車, 目前製造商投入的電動機車主要有三種類型, 即雙電池電動機車, 如摩特動力的 E-BUBU; 純電池電動機車, 如三陽的 e-mio, 與混合動力車 ( 燃料電池車與混合動力機車 ) 包括三陽工業 光陽工業 摩特動力 合騏工業及赤坎科技等都已投入生產電動機車 台灣三陽工業 工研院與美國麻省理工學院合作, 開發出可摺疊式環保小型電動機車 摩特動力則與電子業者宇泉公司合作, 成功研發 鋰 - 鉛酸電池 機車, 且電池為抽取式設計, 可改善部分過去電池充電不便問題 台灣地狹人稠, 電力系統廣佈全島, 非常適合發展電動車產業 ; 惟獨充電站與可充電停車場的規劃與建立是電動車產業發展成功與否的另一關鍵 然而電動機車對消費者而言為新產品, 如何讓消費者瞭解電動機車的優點, 進而使用電動機車, 仍需要有計畫的推廣與宣傳 未來台灣電動機車的挑戰仍在於政策法規 電池之效能與安全性及市場行銷策略等議題上 [18] 2.1 環保節能車輛發展概況 6

16 2.1.1 環保節能車用電池電池之發展概況 萬物欣欣向榮, 機器轉動不停, 它們都需要一種東西來維持, 這種東西就是能量 地球上大部分的能量均源自於太陽, 經轉變後有的是存量有限, 有些則可再生 循環使用 最早人類所使用的動力能源是天然能源, 如木材 煤炭 天然氣及石油等 自十九世紀的工業革命及二十世紀汽車發明運用之後, 天然能源如煤炭 石油 天然氣 甚至鈾礦等, 都被大量開採 運用 然而自然資源有限, 如果不能生生不息, 終有耗盡的一天 依現今的估計, 在各項初級能源中, 我們所倚賴的傳統燃料 - 石油, 地球上目前的蘊藏量約 2.2 兆桶, 具開採經濟價值約 1 兆桶 畢竟這些資源是有限的, 終有耗盡的時候, 預估再過 40 至 60 年將無石油可用, 或許比我們想像的速度還快, 可能 10 年後, 它的供給就不那麼容易了 ; 一般天然氣預估尚可使用 60 年, 煤炭可用 200 年, 核能的鈾可用 70 年 未雨綢繆, 尋求資源的供給, 並減少對環境的衝擊, 一直是人們努力的方向 隨著製程和技術的日新月異, 配合電動車輛的開發, 能源更替的時代隨之而來, 以汽車市場來看, 新能源動力中, 目前全球的兩大焦點分別放在美國汽車市場偏好的氫燃料電池車, 以及日本汽車市場積極開發的鋰電池驅動混合動力車 雖然未來汽車新能源之路仍存在許多變數, 但是這波汽車能源更替的趨勢, 預估最慢在 2040 年前, 最快可能在 2010 年就會出現 無庸置疑, 電池是電動車的核心動力來源, 其技術發展甚至可左右電動車產業的成敗 2007 年全球電池市場銷售額約為 579 億美元, 車用電池的需求已超過電池市場總需求的三分之一, 約為 32.8% 如表 2.1 所示, 為 年全球電池市場銷售分析 從圖表我們可以很清楚的看到, 未來全球的電池市場, 仍然會是以鎳氫電池和鋰離子電池為導向 7

17 表 ~2010 年全球電池市場銷售分析 單位 :10 億美元 電池種類 (E) 2009(F) 2010(F) Lead NiCd / Ni-MH Lithium Ion Alkaline Ultra-cap Total Sales 依應用領域分類 Consumer Electronics Industrial Electronics Automotive Electronics Total Sales 資料來源 :Argorme National Laboratories,2007 車用電池的技術, 最主要還是脫離不了價格及安全性這二大軸心, 鎳氫電池 (Ni-MH) 由於較優秀的性價比與安全性較鋰電池高, 而且具有以下五種特性 : (1) 能量密度高 : 鎳氫電池能量密度為鎳鎘電池的二倍 (2) 功率密度高 (3) 可快速充放電 : 用專門的充電器充電可在一小時內快速充電, 自放電特性比鎳鎘電池好, 充電後可保留更長時間 (4) 迴圈壽命長 : 能達到 800 次的完全迴圈充放電 (5) 無污染等特性 : 無鎳鎘電池的廢電池處理問題 故市面上多數 Hybrid 車款皆選擇鎳氫電池作為儲存回收能量的媒介 以鎳氫電池的製造國家來看, 目前日本就有 8 家以上鎳氫電池製造廠, 是最主要的生產國, 另外德國 美國 香港 台灣都有廠商生產 但是未來倘若鋰電池的技術克服, 其取代鎳氫電池的趨勢幾乎是可以預見的事 2008 年 6 月以來, 全球各大車廠紛紛宣布與電池廠商合資成立公司, 專門生產車用鋰電池, 像是日產汽車與 NEC 集團 豐田汽車與松下電器 美國通用與韓國 LG 化學公司 博世與三星 德國大眾與三洋等, 皆投入大量的資金與人力, 從事車用鋰電池的開發與生產 鋰電池成為電動車未來的趨勢已經幾乎可以確定 而事實上, 一場新能源汽車電池的爭奪戰也已經在全球汽車廠中蔓延開來 為何鋰電池會成為未來電動車動力的首選? 由於鋰電池的重量輕 體積小 8

18 一組鉛酸電池約有 公斤, 鋰電池則大約 3.5 公斤左右, 而且其使用壽命是普通鉛酸電池的 3-4 倍, 其在低溫環境下能正常使用, 沒有鉛酸電池在冬天電量大幅度衰減的問題 另外一個原因是, 目前第一代混合動力系統使用的鎳氫電池並無法滿足第二代 (PHEV,Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 其第三代 (BEV,Battery Electric Vehicle) 嚴苛的儲能需求, 高工作電壓 (336V) 鋰離子充電電池幾乎可說是目前可插電式混合動力系統與純電動車的唯一儲能選擇 如表 2.2 所示, 為各類電池特性之比較表 表 2. 2 各類電池特性比較表 鉛酸電池 (Lead-Acid) 鎳鎘電池 (NiCa) 鎳氫電池 (NiMH) 鋰離子電子 (Lithium Ion) 電壓 (V) 體積比能量密度 (Wh/L) 重量比能量密度 (Wh/L) 操作溫度區間 -20~60 C -40~60 C -20~60 C -20~60 C 壽命 (Cydes) (C300>80%) 自行放電 ( 保存 月數 ) 記憶效應 NO YES YES NO 環境衝擊性 重金屬鉛污染 重金屬鉛污染 NO NO 回收成本 高, 需由特定管道回收 高, 需由特定管道回收 低 低, 可以一般 IT 產品丟棄方式處理 資料來源 :E-ONE MOLIENERGY CORP. 根據日本矢野經濟研究所預估 [20], 拜電動車之賜, 車用電池產業將在未來三年快速成長, 全球混合動力車銷量至 2015 年將大幅成長至 530 萬輛, 全球市場混合動力汽車電池的需求也將增加三倍, 而配備鋰電池之混合電動車, 最慢將於 2010 全面上市 到 2015 年約有 75% 以上的混合動力車將採用鋰電池做為其動力來源, 應用在電動車上的鋰電池產值將高達 4000 億日幣, 約 30 億美元以上 雖然, 到目前為止全球汽車巨頭都湧向鋰電池技術的開發, 但並不意味著是這未來唯一的方向 從短期來看, 鋰電池技術尚存在一些瓶頸 : 第一, 價格問題 第二, 安全性問題 鋰電池的化學性能不穩定, 鋰電池的正極材料原本使用鋰鈷 9

19 氧系列, 但由於安全性不佳, 在電動車 手機及電腦上都曾發生過爆炸與燃燒的意外, 所以將其正極材料改成磷酸鋰鐵, 此一作法雖然解決了安全性的疑慮, 但是卻有儲電量差的問題 第三, 污染問題 很多研究報告都提到鋰電池是一種零污染的電池, 雖然通過鋰電池驅動電極, 實現汽車的零排放, 但事實上, 這並不表示鋰電池是零污染, 鋰的提煉過程即會產生污染, 而重要的是, 鋰電池的材料鋰也有用完的一天, 就像是今日我們所遇到的石油危機一樣, 這些問題其實都很值得車廠深思 [19] 燃料電池 (Fuel Cell), 是一種發電裝置, 但不像一般非充電電池一樣用完就丟棄, 也不像充電電池一樣, 用完須繼續充電, 燃料電池正如其名, 是繼續添加燃料以維持其電力, 所需的燃料是 氫, 其之所以被歸類為新能源, 原因就在此 燃料電池的運作原理, 也就是電池含有陰陽兩個電極, 分別充滿電解液, 而兩個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成 如圖 2.1 所示 氫氣由燃料電池的陽極進入, 氧氣 ( 或空氣 ) 則由陰極進入燃料電池 經由催化劑的作用, 使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子 (Proton) 與兩個電子 (Electron), 其中質子被氧 吸引 到薄膜的另一邊, 電子則經由外電路形成電流後, 到達陰極 在陰極催化劑之作用下, 氫質子 氧及電子, 發生反應形成水分子, 因此水可說是燃料電池唯一的排放物 燃料電池所使用的 氫 燃料可以來自於任何的碳氫化合物, 例如天然氣 甲醇 乙醇 ( 酒精 ) 水的電解及沼氣等等 由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應, 產生電流及水, 不但完全無污染, 也避免了傳統電池充電耗時的問題, 是目前最具發展前景的新能源方式, 如能普及的應用在車輛及其他高污染之發電工具上, 將能顯著改善空氣污染及溫室效應 10

20 氫氣 Hydrogen 氧氣 Oxygen 陽極 Anode 陰極 Cathode 水 Water 圖 2. 1 氫燃料電池作用原理 [21] 最近環保近環保節能車輛之節能車輛之發展發展概況 國際對環保及能源之要求日亦嚴苛, 發展低污染及省能之潔淨車輛已為未來交通工具之趨勢 ; 機車內燃機其技術發展已非常成熟, 未來在能源效率及污染排放已不易大幅改善 因此未來將朝向整合高效率 零污染及具儲能效果之電動動力系統為基礎, 發展各式潔淨動力系統技術 如圖 2.2 所示, 潔淨車輛及動力系統技術發展趨勢, 潔淨車輛將由引擎車 (ICV) 逐漸導入電池電動車 (BEV) 及複合動力電動車 (HEV) 而動力系統將由內燃機引擎動力系統發展為包括以各式電池及馬達為動力源之複合動力系統 11

21 > 電池技術 > 馬達及驅控技術 > 能量管理技術 鉛酸電池 >30Wh/kg >30Wh/kg ICV 引擎動力系統 鎳氫電池 >50Wh/kg >50Wh/kg 鋰電池 >100Wh/kg >100Wh/kg BEV HEV BES HES 串聯式動力動力 潔淨動力系統 FCEV 並聯式動力動力 燃料電池系統燃料電池系統 (>500Wh/kg) (>500Wh/kg) > 省能 / 低污染引擎技術 > 燃料電池及系統技術 > 電力流管理技術 > 動力流管理技術 圖 2. 2 潔淨車輛及動力系統技術發展趨勢 [22] (1) 複合動力系統 : 應用內燃機引擎與電力馬達配合傳動系統與動力輸出控制之技術, 包含最佳操作條件之汽柴油或潔淨燃料內燃機 高效率馬達與驅動系統 高效率傳動機構及動力系統控制技術等 (2) 電力動力系統 : 應用各式高效率馬達與先進儲能電池 ( 含燃料電池 ) 發展傳動及控制技術, 包含電池充放電管理 快速充電 分散式馬達動力源驅動控制與低成本馬達動力模組等 雖然在能源與環保訴求, 純電動車是世界公認兼具環保與能源效益的最佳交通工具 世界各國之車輛油耗 污染法規也逐漸加嚴, 扮演技術發展的主要驅動力 ; 但在兼顧產業發展及市場需求之遷動下, 潔淨車輛短期要大幅度取代現有汽油引擎車輛不易 ; 未來發展將以引擎與電動複合動力電動車輛為主 其中電池電動車 (BEV) 雖受限於電池技術及必須長時間充電, 快速及大規模應用推展不易, 但其行駛中無排氣污染及低噪音特色, 未來應有機會往小型化 多功能及區域性交通工具發展 就目前而言, 小型複合動力系統是運用內燃機引擎結合電池與電動動力系統, 發展運用內燃機引擎結合電池與電動動力系統之複合動力系統, 結構複雜具高度技術整合, 除內燃機引擎外尚須包含電動馬達 電池及控制系統等技術, 雖 12

22 然導致技術門檻高 製造成本提高, 但由於可兼具大幅省能及降低污染之效果, 在使用相同燃料條件下, 包括性能 續航力及能源補充已與內燃機引擎車具相同之產品性, 在短 中期最有效及有機會成為主流發展之技術與產品 2008 年 8 月工研院展出五款與業界共同合作的電動機車, 包括 :EC3 高性能電動機車 可抽換電池電動機車 e-mio 輕便休閒風電動機車 e-helio 造型新穎之電動自行車 A2B 及可摺疊電動機車 RoboScooter, 不但具有高效率 低污染 低噪音及多元化能源等優點, 並可與其他交通工具及都會系統結合使用, 將成為未來城市與大眾捷運搭配的最佳交通方案, 也是帶動新商機 新產業的好機會 [23] (1)EC3 高性能電動機車具環保 節能 高續航力及高性能之特性, 不但可提供都會區民眾上下班, 也可提供都會區快遞 郵務 送報 配送及特定園區等特定目的使用需求, 在都會區行駛性能上更較一般機車佳且具有無汙染與低噪音優點 技術特色與創新 : - 高性能車輛設計, 性能滿足都會區一般機車使用需求 - 高效能充電式鋰電池與無刷電動馬達 - 輕量化且可回收的鋁合金車架設計, 兼具環保與省能 - 高效率且簡易傳動設計, 提升整車效率 (2) 可抽換式電動機車 e-mio 沿用原暢銷燃油引擎車款 Mio 外型, 內部動力元件則全部改為電動, 搭配可抽取式鋰電池, 自動變速系統, 無論極速或爬坡力, 性能均不亞於 50cc 同型機車 由於電池可抽出攜回家裡或在辦公室內充電, 不需倚賴停車充電環境, 大大提昇了電動機車的推廣空間 技術特色與創新 : - 環保且可抽取的充電式鋰電池 - 高效率馬達, 加速與爬坡性能優於引擎機車 - 低噪音肅靜特性, 騎乘舒適, 無廢氣排放 - 液晶式儀表版, 車輛及電池狀態一目了然 - 配置充電座及車上充電器, 可家充也可車充, 家充充電時間僅需四小時 (3) 輕便休閒風電動機車 e-helio 13

23 採用美式造型設計及低阻抗窄胎, 續航力長, 配備固定式鋰電池一組及一組選配可抽取式鋰電池, 兩者並用下續航距離可達 100 公里以上, 鋁合金一體結構使車輛更安全, 本車已開始外銷歐美, 原配備鉛酸電池的車款有 300 部在日月潭提供觀光休閒租賃使用, 可繞潭一週, 廣受歡迎 技術特色與創新 : - 輕量化設計, 整車重量 45 公斤 - 高效率馬達, 單組電池續航距離超過 60 公里 - 額外一組可抽取式電池為選配, 可延長續航距離至 100 公里 - 歐式高手把造型設計, 休閒風味十足, 為灰色都市叢林的綠色精靈 (4) 造型新穎之電動自行車 A2B 跨國合作設計電動自行車, 鋰電池設計於前方斜管內, 馬達配置於後輪輪圈, 七段外變速機構, 兼顧電動與腳踩功能, 除前叉避震器外也配有後懸吊避震器, 整車造型介於機車與自行車間, 市場訴求上有兩邊討好的企圖, 規劃未來用於德國 Stuttgart 市, 廣設停車充電站, 提供成為民眾方便環保的代步工具 技術特色與創新 : - 顛覆傳統自行車或機車造型, 開創新市場空間 - 採用電動輔助驅動方式, 最高車速 33 公里 / 小時 - 鋰電池安裝於前斜管內, 搭配設計特殊充電裝置, 停妥車即開始自動充電 - 已有規劃完備的車輛停取刷卡商業機制, 將在德國 Stuttgart 推行, 並在工研院內設置一個示範點 (5) 可摺疊電動機車 RoboScooter 具環保 節能 輕便 可折疊 及易停車之特性, 滿足未來都市節能減碳之需求 不但摺疊輕巧, 更可與其他交通工具及都會系統結合使用, 環保易抽換的電池創造了多元化充電的概念與技術, 未來透過各種應用模式及服務的整合, 將大大改善都會區人們的移動行為, 帶來更多生活的樂趣 技術特色與創新 : - 環保且可抽換的充電式鋰電池與電動馬達 - 輕量化的車身設計, 提高能量效率 - 摺疊化的車身設計可節省空間 方便攜帶 14

24 - Robot Wheel 設計, 整合懸吊系統 Ultra Motor 為都市人推薦 A2B 電動自行車,A2B 電動自行車具有簡潔的名字 靈巧的設計以及安全穩固的保證, 如圖 2.3 所示 還好 Ultra Moto 的 A2B 電動自行車將不會用在玩極限運動上, 它可能很適合你在城市中穿梭 這台小一號的電動自行車, 具有懸吊式設計的特點和一個特大號的座墊, 電池續航力在不踩腳踏板的情況下能行駛 32 公里 而車速能達到每小時 33 公里, 下坡時最高可達時速 80 公里, 還可選配一塊備用電池, 這樣就能輕鬆騎上 64 公里了, 如果真的沒電, 也可以用腳踩 不過價錢可能高不可攀, 這輛電動腳踏車的價格在 USD$2,599 到 USD$2,675 之間 ( 約台幣 81,400 元 ~83,800 元, 雖然不至於高不可攀但也不是一般人負擔得起的 ) 圖 2. 3 Ultra Motor_ A2B 電動自行車 [24] 看好未來商機, 三陽投入電動機車產品開發著墨甚深, 日前與工研院 美國 麻省理工學院合作開發全球第一輛摺疊式電動機車 RoBoScooter, 如圖 2.4 所示 15

25 圖 2. 4 可摺疊電動機車 RoboScooter [25] 台灣易立歐電動機車的特色 : 其實就在車子比較輕, 含電池只有不到 60 Kg 為何比一般電動機車車種輕的原因, 易力歐機車只採用 2 顆鉛酸電池 (28V 設計 ), 每一顆重 18 公斤, 相較其他電動機車採用 4 顆鉛酸電池重 60 公斤以上 (48V 設計 ), 電池重量部分可以減少近 30 公斤 不過, 雖然易立歐只採用 1.5 Kw(2 hp) 的馬達, 但是仍有 2 馬力 因此, 仍能夠以四天的時間實地環島一周 ( 中間有換備援電池 ), 接受蘇花與北宜公路的挑戰 不過比較納悶的是, 當其他電動機車廠都在努力發展純鉛酸以外的電池系統的機車時, 易立歐卻似乎不那麼積極而趨於保守 如圖 2.5 所示 圖 2. 5 台灣易立歐的電動機車 [26] 16

26 台灣摩特動力 (PGO) 採用宇泉能源之 IDEP(Intelligent Dual Electric Power System) 雙電力系統, 運用在自產的雙電池電動車上 IDEP 雙電力系統指鋰電池 與鉛酸電池結合的新設計, 如圖 2.6 圖 2. 6 宇泉雙電力電動機車 [27] PGO 電動車 E-BUBU 榮獲 2008 年台灣精品獎, 動力系統採用 IDEP 智能型雙電力系統, 藉由鋰電池與鉛酸電池結合的新設計, 由鋰電池蓄電 穩定供電給鉛酸電池, 再由鉛酸電池輸出大電流驅動馬達帶動機車, 解決鉛酸電池深度放電問題, 並大幅提高電池壽命, 徹底傳統電動機車的缺點 而使用鉛酸電池供應大電流放電, 鋰電池穩定充電, 無鋰電池爆炸疑慮, 大幅提高電池的安全性 抽取式 26V/12Ah 鋰電池, 重量僅為 2.5 kg, 由於 IDEP 技術的導入充電時間大幅縮短, 最快僅 2 個小時即可將鋰電池充飽, 而且在電力充足的情況下, 以 30 km/h 定速行駛, 可行駛距離長達 60 km 電動車前後輪皆搭配 500W 直流無刷的轂式馬達, 馬力更強, 最高時速可達 60 km/hr, 爬坡力更高達 12 度 ( 單人 75 kg) 與 IDEP 技術雙重搭配下, 兼顧高時速與高續航力的雙重優勢 同時 IDEP 智能型雙電力具有多國的專利保護, 因此使電動車更具競爭力 [28] 宇泉能源的可攜式複合型電池管理系統 : 一種可攜式複合型電池管理系統, 17

27 係由可攜式高能量電池組 直流轉換器及主動力電池組所組成 ; 該發明係以一可攜式高能量電池組, 傳遞電池管埋系統每日行駛時所需的能量, 同時該可攜式高能量電池組, 具有方便輕巧的特性, 可以隨時隨地藉由外加電池充電器來快速充電, 而固定於車架上的主動力電池組, 則可提供平順的電力需求, 以及必要時的最大行駛里程 如此結合可攜式高能量電池組及主動力電池組二者優點的電力系統, 將可滿足使用者方便補充能源 價廉可靠 適當的動力及足夠行駛距離的多重需求者 至於充電器, 主要是讓使用者在家充電可以很方便與安全的使用, 在安全方面設計了充電完畢自動截止功能與電池離線偵測功能及指示裝置 另外, 也針對過電壓 過電流 過溫度 充電時間及輸出短路等設計相關保護功能 燃料電池電動機車的開發起始於美國 DRI (Desert Research Institute) 的 ZES I 原型車, 曾經在 2000 年運至台灣展示, 其後亞太燃料電池公司成立, 連續數年開發出 ZES II ZES III 與 ZES IV 等系列的車型, 這些機車都是採用 PEMFC 電池組 由於 PEMFC 的功率密度較高, 都沒有加裝電池, 因此皆非複合動力的車型 ; 但是在 ZES I 與 ZES IV 的第二代都有裝配超高電容, 做為起動與爬坡的補助動力 2004 年 10 月完成 ZES 4.5, 車重為 109 kg, 極速 52 km/hr, 爬坡力 15 12, 定速 30 km/hr 的行程約為 60 km, 目前正與台全電機及中油公司合作, 準備進行示範運行, 如圖 2.7 所示 此外, 亞太燃料電池也與日本 Kurimoto 公司合作, 共同開發燃料電池輪椅, 採用 PEMFC 與鎳氫電池的複合系統 圖 2. 7 亞太燃料電動機車 中國上海的神力公司在 2000 年曾展示過 PEMFC 的電動機車, 但是後來並無 繼續開發 德國的 NovArs 公司在 2001 年開始研發燃料電池電動機車, 也是採用 18

28 PEMFC 電池組, 並曾推出第二代的原型機車 NovArs 採用 3 kw 電池組, 極速為 56 km/hr, 並且裝配 4.3 kg 的高壓氫瓶, 行程可達 192 km 此外, 加拿大的 Palcan 公司與歐洲機車廠合作, 在 2003 年並發表 PEMFC 燃料電池機車, 採用 1.5 kw 的電池組, 極速為 45 km/hr, 使用 1,400 公升的氫氧可行駛 60 km 近年來國外機車大廠漸漸對燃料電池機車感到興趣, 紛紛投入開發行列, 例如日本的 Honda 與 Yamaha, 以及歐洲的 Piaggio 與 Aprilia; 但也有一些新加入的公司, 例如美國的 Vectrix, 義大利的 GR Grafica 等 [29] 目前亞太新一代的 ZES V.b 車款, 採用燃料電池 ( 氫 )+ 電池的混合雙系統, 讓燃料電池退居幕後充當電力補給的腳色, 而由電池 ( 鋰或鎳氫 ) 充當主角, 來啟動發電機 如此設計的好處, 除了可以解決燃料電池需要啟動時間外, 也可降低燃料電池的能量需求, 儲氫器需要準備的氫氣可以減少 新款 ZES V.b 還增加了 110V 的供電設計, 讓機車到了戶外, 可以充當發電機來使用 另外還改良了其他部分, 例如 : 採用鋁鎂合金來鍛造全車身骨架 ; 以及輪圈馬達與只須配備 2 支 500 c.c. 固態儲氫器 另外, 在亞太燃料電池擁有的超過 40 筆的台灣專利中, 結合加濕裝置於燃料電池未反應氣體排放管路之燃料電池系統 可說是其中比較重要的關鍵專利, 如圖 2.8 所示 該系統結合加濕裝置於燃料電池未反應氣體排放管路之燃料電池系統, 其中該未反應陽極氣體導出管更以一未反應陽極氣體回流管連接該陽極氣體導入管, 用以將該陽極氣體出口所排放之部份未反應陽極氣體導入該燃料電池組 同時該加濕裝置也包括一水冷系統, 其係以一冷卻水裝置將低溫冷卻水導入該燃料電池組以冷卻該燃料電池組, 並將冷卻該燃料電池組後所排放之高溫冷卻水導入該加濕裝置, 以提供該加濕裝置高溫之水源, 藉以提昇該陰極氣體源之濕度及溫度 另外, 也對含括了冷卻水裝置, 其中導入該加濕裝置之高溫冷卻水更經一冷卻水回流管路導通至該冷卻水裝置進行冷卻 由於, 高分子電解質膜所含的水分會因為燃料電池組的溫度升高而逐漸蒸發, 因而可能導致氫氣會直接穿透過高分子膜與空氣混合燃燒, 造成電池損毀 避免發生這種情況的解決方法之一就是在空氣流入電池組之前, 經過加濕裝置, 來提高空氣濕度 當然加濕裝置的設計有許多種, 而亞太燃料電池的發明專利 結 19

29 合加濕裝置於燃料電池未反應氣體排放管路之燃料電池系統 則有一定的優勢 亞太燃料電池結合加濕裝置於燃料電池未反應氣體排放管路之燃料電池系統 水加壓裝置 冷卻水裝置 加濕裝置 陽極氣體供應源 燃料電池組 氣體混合裝置 加壓裝置 圖 2. 8 亞太燃料電池系統 [30] Yamaha Luxair 是一款引擎和電機並聯的油電混合摩托車, 如圖 2.9 所示 加速時用於輔助引擎輸出的電機, 在巡航時則作為發電機來向電池充電 另外, 減速時還可以通過再生制動進行充電 後輪驅動部內置有超薄型動力單元 (YIPU), 除了在加速時和推車行走時予以輔助外, 還能夠倒退 還安裝有 Yamaha 開發的專用音響系統是少見的油電混合動力機車, 只要充電 3 小時即有 100 公里的續航力 圖 2. 9 Yamaha Luxair 油電混合摩托車 [31] 益通 (E-TON) 新款複合動力機車, 如圖 2.10 所示 目前也是業界熱門話題, 可惜此款車輛詳細資訊未公開發表, 最新資訊請至 官方網 站獲得 官方網站公告於 2008 年國際展登場發表 20

30 圖 E-TON 新款複合動力機車 [32] 2.2 複合動力車系統系統及應用應用特性 全球混合動力車市場概述 環保 節能車輛目前以複合動力車 (HEV) 商用化程度最高 儘管如此, 在價格及市場接受度的考驗下 截至 2005 年,HEV 車產量佔全球輕型汽車總產量的比例不到 1% 然而外在環境因素, 包括全球暖化 國際油價破百美元等壓力, 將促使這類 綠色 車輛的市場需求不斷成長 根據 Freedonia 的研究報告, 在環保及能源兩大驅動力的影響下, 預估 2010 年全球輕型混合動力車市場需求量將可達到 170 萬輛 全球 HEV 車輛主要發展仍以北美 西歐及日本三大市場為重心, 至於中國大陸等新興市場, 目前對於 HEV 等環保車輛的市場購買力仍相對保守 此外, 從銷售量來看, 又以北美市場為最大宗地區 2006 年全球前 5 大 HEV 銷售市場分別為美國 日本 英國 法國 加拿大, 其中北美地區佔總銷售量的 71.3% 主要原因包括油價高漲 美國 CAFE 法規 政府對 HEV 環保車輛的稅金及補助措施等 從發展角度來看,HEV 車輛相對仍處在主要廠商以日系 Toyota 及 Honda 兩大廠居領導地位 ; 其他包括北美三大車廠 日系 Nissan 歐洲 Peugeot 等全球知名車廠, 亦紛紛看好 HEV 市場而相繼研發並投入生產 21

31 與一般汽油引擎車相比,HEV 車每輛單價要高出 $1,000~$3,000 美金, 而採用不同的 Hybrid 技術亦有不同的成本 事實上, 造成價差的最大原因在於 HEV 的蓄電池組 (Battery pack) 隨著電池體積大小 供給電力 及所採用技術等差別, 其所反應的價格從幾百塊美金到數千美金不等, 落差甚大 目前大部分的 HEV 多採用鎳金屬氫化物電池 (Nickel-Metal Hydride Batteries), 一般鉛酸電池缺點在於能量密度 (Energy density) 不足, 至於先進電池如鋰離子電池 (Lithium ion batteries) 等, 則因價格太高及續航力等問題尚無法普及使用 HEV 車之所以能在北美地區創下銷售佳績, 除了上述能源 法規等原因外, 柴油汽車的普及率也是造成北美地區 HEV 銷售遠高於西歐地區的重要因素 由於柴油車普及率高, 西歐消費者並未對 HEV 的節能訴求產生太大的興趣 根據 JD Power 及 Freedonia 的統計數據推估,2007 年全球輕型車輛的市場需求規模將達到 6,600 萬輛, 其中柴油車比例佔 23.6%; 預期到了 2017 年, 柴油車佔全球總輕型車輛的比重將成長至 31.5% 若以全球 HEV 市場需求數量推估來看,2017 年其所佔全球總輕型車輛的比重僅達 2.3%, 如表 2.3 所示 表 ~2017 年 HEV 車佔全球輕型車市場比例預估 全球輕型車市場需求 ( 百萬 ) 資料來源 :JD Power/Freedonia/ 金屬中心 IT IS 計畫整理, 儘管價差是現階段 HEV 在發展上需突破的重點, 不過隨著產量的增加, 相關 的製造成本也將逐漸下降, 有助於 HEV 車下一階段的市場發展 此外, 所需要的 22

32 關鍵系統或零組件, 包括驅動馬達 交流發電機組等, 也受惠於產量增加而降低成本 ; 其中的動力管理系統, 由於本身含括大量電子元件, 被視為是最能顯現成本降低效益的系統模組 未來, 在環保及油價壓力的推引下, 各式電動車的需求將不斷成長 ; 而新興市場的接受度更將影響電動車的產量及銷售發展 以 HEV 車來看,Siemens VDO Continental 及 ZF 等 Tier1( 第一階 ) 大廠預估, 到 2012 年 HEV 的全球年產量可以達到 150 萬到 200 萬輛的規模 然而,HEV 等電動車輛的成長快慢, 與高容量電池的發展存在有高度關聯 ; 除了成本壓力外, 電池相關技術的克服更是電動車輛在朝向商業化發展過程上重要的考驗 [33] 複合動力車系統架構 複合動力系統結合了傳統內燃機引擎及電動馬達的優點, 以高效率的傳動機構配合能量分配控制策略, 達到低污染 低耗能 續航力長以及能源補充環境完整之優點, 可簡單以圖 2.11 來表示 傳統內燃機 + 高速性能良好 + 能源供應環境完整 電動馬達 + 低速扭力大 + 低污染排放 + 低噪音 * 高效率傳動機構 * 能量分配控制策略. 低污染. 低耗能. 續航力長. 能源補充環境完整 圖 複合動力系統優點 複合動力車依結構性的不同可區分為串聯式 (Series Hybrid) 與並聯式 (Parallel Hybrid) 兩種, 而第三種是串 / 並聯式, 豐田所研發的混合動力系統 THS(Toyota 23

33 Hybrid System) 以下簡單說明原理: (a) 串聯式 : 系統所配置的內燃機引擎並不直接提供車輛前進之驅動力, 而是為驅動發電機所配置, 再由發電機產生電力供給馬達驅動車輛, 因此可以選用較小之引擎, 並且在電池能充分充電的原則下, 將引擎維持在高效率區域運轉 引擎若能維持在高效率區域下運轉, 將能節省相當大的引擎研發費用, 降低引擎的成本, 其系統架構如圖 2.12 所示 電池 驅動輪 引擎 發電機 馬達 / 發電機 傳動機構 最終傳動 驅動之能源回收之能源 圖 串聯式複合動力車輛系統架構示意圖 驅動輪 (b) 並聯式 : 第二代的混合動力, 稱為並聯式混合動力系統, 本系統同時擁有引擎與馬達雙動力源, 並且可依照行駛狀況的不同, 單獨或同時驅動車輛, 視行駛狀況之需求, 引擎驅動車輛行進的同時亦可帶動發電機對電池進行充電 當車輛起步或於市區行駛時, 以電動馬達作為動力來源, 當車輛進入穩定行駛階段後, 引擎啟動來代替馬達提供驅動車輛之動力, 並配合發電機將引擎控制在高效率運轉區域, 而發電機產生之電力可再回充至電池內 因此車輛必須有良好的控制系統, 以提供行駛中車輛最佳之動力需求, 同時有效降低污染及耗油率, 其系統架構如圖 2.13 所示 24

34 電池 馬達 / 發電機 引擎 離合器 傳動系統 最終傳動 驅動之能源回收之能源 圖 並聯式複合動力車輛系統架構示意圖 [34] (c) 串 / 並聯式 :1997 年 12 月豐田生產的 Prius 屬第三代, 稱為 THS(Toyota Hybrid System) 豐田混合動力系統, 採用電腦控制及使用差速器, 可以只用電動機 內燃機, 或二者結合推動車輪 電腦需要時可以關閉內燃機或電動機, 以減少汽油消耗而同時提供大推力 其動力系統的連接動作完全是由電腦做連續性的監控, 在引擎 發電機和電動馬達之間根據駕駛者的不同需求自動做出調整改變 串並聯式混合動力, 可整合串聯式引擎高效率發電與並聯式高動力輸出及高整車效率的優點, 適時的做串並聯的切換 工研院機械所目前利用新型電控離合器控制技術, 載具有一鎳氫電池 375cc 引擎 驅動馬達與發電機的 950kg 小型載具車上, 發展出一套結構簡易 高自由度切換的雛形動力系統, 串並聯式可結合串並聯的優點, 隨時切換模式 串聯時引擎對發電機 / 電池充電並將動力傳輸給馬達, 並聯時引擎馬達同時驅動, 因此引擎可高效率發電, 同時加速性不會因此而犧牲 其系統架構如圖 2.14 所示 25

35 圖 豐田混合動力車輛系統架構圖 [35] 本研究所提出之複合動力機車架構為並聯式, 如圖 2.15 所示, 其引擎動力可傳遞至發電機及傳動系統, 必要時啟動發電機提供電池與馬達電力 整體動力系統的連接動作由控制器監控, 並根據駕駛者的不同需求, 控制馬達與引擎動力輸出 低動力需求時由直驅式輪圈馬達直接驅動車輛, 其動力輸出不經過傳動機構, 因此大幅減少傳動效率的損失 當需要較大動力需求時, 由引擎作動, 引擎將維持在高效率的區域運轉, 若行駛狀態處於充電模式時, 引擎輸出之動力在滿足駕駛者需求後, 仍有多餘動力則驅動發電機對電池充電, 以提升電動車模式之續航力 若引擎無法滿足駕駛者需求, 不足之動力將由輪圈馬達輔助, 如此能將引擎維持在高效率外, 將再配合再生煞車, 將車輛在減速及煞車時所消耗之動能轉換為電能 ( 能源回收 ), 再回充至電池 26

36 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 控制器 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 本研究泛用引擎複合動力機車之系統示意圖 泛用引擎應用之應用之特性及優勢 複合動力車輛為降低油耗污染之時代產物, 結合了內燃機引擎與電動馬達之優點, 但由於複合動力機車比傳統機車多了電瓶 馬達及控制器, 因此在製造成本及車身重量可能遠大於傳統機車, 也將成為消費者所不能接受的主因 使用泛用引擎將可降低成本, 且泛用引擎動力有高轉速高扭力輸出特性 而且在重量方面, 泛用引擎也較一般傳統引擎輕量, 將可降低整車重量 經濟性 輕量化及動力輸出特性, 是泛用引擎的優勢所在 泛用引擎複合動力機車結合了泛用引擎及電動馬達的主要動力輸出特性, 再以高效率的傳動機構配合能量分配控制策略, 達到低污染 低耗能 續航力長以及能源補充環境完整之優點, 如圖 2.16 表示 27

37 泛用引擎 + 具有低污染排放 + 低油耗 + 高轉速高扭力電動馬達 + 低速扭力大 + 低污染排放 + 低噪音 * 高效率傳動機構 * 能量分配控制策略. 低污染. 低耗能. 續航力長. 能源補充環境完整 圖 泛用引擎複合動力系統特性 泛用引擎複合動力機車評估與計畫 事前評估以現有市場上 49cc 傳統機車及輪圈馬達電動車之規格做整合, 並擬定全程開發計畫, 目標規格如表 2.4 所示 泛用引擎複合動力機車全程開發計畫 : - 第一階 : 段完成手動切換複合動力車輛關鍵技術發展及成功運用在一款小型複合動力車輛, 達到提高能源運用效率, 落實污染減量效果, 使符合區域型中程交通工具目的 - 第二階 : 段完成自動切換輕型複合動力車輛關鍵技術發展, 達到使用之方便性 28

38 表 2. 4 泛用引擎複合動力機車目標規格表 空車重 ( 含電池 ) 130 kg 採用 49cc 泛用引擎 引擎動力需求 最大功率 :1.5 kw@ 5,500 rpm 最大扭矩 :2.9 Nm@3,500 rpm 排放性能符合 40 CFR 90 法規第二階段要求 整車馬達動力需求直流馬達 ( 最大驅動性能 :1.2kW) 性能整車極速 45 km/hr 具速度限制控制功能 加速性 12 sec (0 30 km/hr) 爬坡力 12 續航力 一次加滿油可行駛 60 km 以上 電池 規格 鎳氫電池 ; 系統電壓 36V 以下 系統 12V/20Ah 3 便利性傳動 能量補充充電界面最終傳動差速器 具備油箱能添注汽油 提供充電界面, 對車輛之電池充電 可接受外部市電 250W 進行充電 齒輪組減速 依實車需求選配 29

39 第三章泛用引擎複合動力之整車力之整車研發 本章將分別介紹現有複合動力之整車各系統及整個研究發展案 本研究著重 於泛用引擎於複合動力機車之工程上驗證, 所以部分系統並未實際完成整合 3.1 已完成完成之次系統 此現有整車系統, 為本人參與翰博科技公司所研究開發 主要動力系統元件, 如圖 3.1 所示 開發研究的動機是在以電池之電動車輛技術為基礎, 結合泛用小引擎的性能及低成本, 發展具有區域性特色及市場潛力之小型複合動力車輛, 建立以利潤市場為主要訴求之電動車輛產業, 大幅改善車輛排氣污染及節省能源消耗為主要目的 整車總重量 ( 含電池 ):105.0 kg 49cc 四行程泛用引擎 12V/20Ah 鎳氫電池 3 500W/36V 輪圈馬達 圖 3. 1 整車主要動力系統實體圖 30

40 3.1.1 泛用引擎 本實驗測試引擎為台灣翰博科技公司所研發與中國南京金城公司所製造之四行程泛用引擎, 為單缸四行程 49cc 氣冷式引擎, 其引擎規格如表 3.1 所示 泛用引擎 (Utility Engine) 顧名思義就是 多用途 的引擎 表 3. 1 四行程泛用引擎規格 項 目 規 格 引擎型式 氣冷 / 四行程 (OHV) 行程 (mm) 排氣量 49cc 壓縮比 8.4:1 最大馬力 1.5 kw 2 PS (@6000rpm) 最大扭力 2.9 N-m 0.3 kg-m (@4000 rpm) 引擎轉向 反時針 ( 以輸出軸方向視圖 ) 油品選擇 92 無鉛汽油 油箱容量 1.5 公升 機油容量 0.22 公升 最佳油耗 76 km/l( 定速 30 km) 化油器 型式 : 膜片式 點火模組 晶體式磁電機 火星塞 NGK CR6HSA 起動器 手拉起動 潤滑方式 濕式潤滑 引擎重量 約 5.0 kg 外觀尺寸 (mm) 31

41 泛用引擎是 多用途 的引擎, 同一顆引擎可以裝在割草機上, 也可以裝在發電機 或是農用機具上等等 在美國, 常看到這類引擎, 因為大部分的家庭都會擁有一台割草機 然而, 在台灣鄉間小路上或觀光勝地, 可曾看過動力滑板車 迷你型小機車 姑且不論其合法性, 這些就是小型泛用引擎所改裝的 小型四行程泛用引擎, 具有低污染排放 低油耗 高扭力與高轉速輸出特性, 採濕式潤滑設計 小型四行程泛用引擎通常作為園藝機具, 對應低污染法規之趨勢產品, 具市場潛力 其引擎性能曲線圖如圖 3.2 所示 由圖表可看出此引擎最大輸出馬力是在 6000 rpm 時, 最大扭力輸出在 4000 rpm 時, 而耗油率最省則亦為在 4000 rpm 時 因具有低污染排放 低油耗 高扭力與高轉速輸出特性 便可搭配低轉速 高扭力特性的馬達, 而發揮更暢順的複合動力車行駛性能 馬力 扭力 耗油率 馬力 (PS) 轉速 (rpm) 扭力 (N.m) / 耗油率 (kg/kw.h) 圖 3. 2 四行程泛用引擎性能曲線圖 32

42 此款四行程泛用引擎傳動軸輸出端為離心式離合器 如圖 3.3 所示 其主要的特性是在特定之轉速時, 離合器內部之來令片會受到離心力的影響而產生接合作用, 利用摩擦力使驅動扭矩傳遞至後方機構 當驅動轉速降低時, 來令片會受離合器彈簧之彈力作用而回歸至分離狀態, 不再傳遞驅動扭矩 來令片接合方向 離合器彈簧 扣環銷 來令片接合方向 圖 3. 3 離心式離合器 輪圈馬達 本實驗測試之 500W/36V 輪圈馬達為中廣電動車公司所製造 市面上已有作為電動自行車使用, 騎乘速度 0 30 km/hr 輪圈馬達規格如圖 3.4 所示 其馬達特性曲線如圖 3.5 所示 33

43 輪圈馬達規格 馬達規格 500W/36V 圖 3. 4 輪圈馬達 資料來源 : 中廣電動車有限公司 圖 3. 5 馬達特性曲線圖 輪圈馬達的設計, 使馬達不需要經過變速器, 直接驅動機車車輪前進, 大幅 減少機械傳動之損失, 並有效提升複合動力車之驅動力 傳統機車於車輛起步時或低速低負載時, 引擎效率不佳 而複合動力機車此 34

44 時利用馬達來驅動車輛, 不但擁有較大之起動扭矩避開引擎低效率之區域, 更能夠利用馬達及電池做為能源儲存的媒介, 亦可將機車煞車時因為摩擦所消耗之動力, 透過馬達轉換為發電機線路模式, 使其動能轉換成電能回充至電池中, 增加電池儲存的電量 ; 當車輛於高速高負載時, 由於馬達受到最大工作電流及工作功率之限制, 無法進一步提升輸出扭矩, 此時可利用於高效率區域運轉的引擎來驅動車輛, 當引擎輸出動力超過車輛需求時, 可用來發電, 達到整體高效率的作動 複合動力車減速或煞車時, 馬達轉變成發電機模式, 具有能量回收功能 因以電動機角度而言, 馬達之構造和發電機完全相同, 之所以會有不同的名稱是依照其用途來作區分 簡言之, 馬達是將電能轉換成動能, 而發電機則是將動能轉換回電能 而當馬達驅動電力消失時, 由於慣性之作用, 馬達仍然持續轉動一段時間, 馬達內部仍舊會隨著馬達轉子轉動而產生反電動勢, 這個情況如同發電機由外力帶動轉子轉動而發電的原理一樣, 稱為馬達之發電機模式 而再生煞車就是利用馬達之發電機模式, 當減速或煞車時, 馬達以發電機模式運轉, 將車輛部分慣性動能轉換成電能, 並將此電能儲存至電池或供給車輛其他系統使用 電瓶 本實驗測試電池系統, 所使用為 12V/20Ah 鎳氫電池三顆 ( 單顆電量飽和狀態重量為 10.0 kg), 以配合本實驗所使用的輪圈馬達需求 (500W/36V) 規格如表 3.2 所示 電池是電力系統中相當重要的一個角色, 它除了提供馬達驅動力所需要的電力來源, 亦能做為能源儲存的媒介, 可將機車煞車時因為摩擦所消耗之動力, 透過馬達轉換為發電機線路模式, 使其動能轉換成電能回充至電瓶中, 增加電池儲存的電量 電池對於電動車來說, 可是重要關鍵考量 該如何滿足續航力, 並兼顧成本利潤及整車車重問題 35

45 表 3. 2 電池 12V/20Ah 鎳氫電池 電池型式 電池電壓 鎳氫電池 12V 尺寸 (mm) 最大充電電流 6.0A 電池重量 10 kg 引擎傳動傳動系統 本研究實驗車引擎傳動系統, 包括引擎 固定減速比齒輪箱 最終傳動等機構, 最後到輪胎產生驅動力來驅動車輛前進 引擎傳動軸輸出端之離心式離合器, 將帶動固定減速比齒輪箱輸入端的碗盤, 碗盤將動力傳至螺旋小齒輪, 再到螺旋大齒輪輸出動力 此固定減速比齒輪箱是翰博科技公司為這研究所特別開發製造, 學生也參與了設計研發 如圖 3.6 所示 齒輪箱輸出端 引擎輸出端 引擎輸出端 碗盤 小齒輪 (13T) 大齒輪 (40T) 齒輪箱輸出端 圖 3. 6 固定減速比齒輪箱傳動系統圖 36

46 此固定減速比齒輪箱取代了傳統機車所使用的無段變速系統 (CVT), 無段變速系統有著換檔平順 構造簡單 容易操作 驅動力連續等優點, 廣泛地利用於機車之傳動系統 當車速較低時,CVT 可以盡量維持在較大的減速比範圍 ; 若車速較高時, 則維持在較低的減速比, 因此最大減速比所產生之最大驅動力連續變化至最小減速比的極速, 使引擎扭力輸出可以形成單一平順曲線 [36] 本實驗在引擎動力輸出所訴求的是高車速時輸出, 因為設計固定齒輪比所考量的方向為高轉速高扭力, 就無法在低轉速時有高的扭力輸出 這也是沒有使用無段變速系統或行星齒輪系統的缺點所在 固定減速比齒輪箱輸出之後, 透過小齒輪帶動鏈條傳動到最終單向棘輪輸出給輪軸 使用單向棘輪所考量的因素, 除了降低製造成本外, 而且所使用的馬達為輪圈馬達, 輪圈馬達即為後輪輪軸 馬達輸出動力為直接驅動後輪, 未透過任何外部減速齒輪或間接帶動輪軸 因此, 無需要與引擎輸出軸另外匹配動力輸出分配裝置 如圖 3.7 所示 鏈條 輪圈馬達 單向棘輪 圖 3. 7 最終傳動系統實體圖 整個引擎傳動系統架構包括 : 引擎 ( 離心式離合器 ) 固定減速比齒輪箱 ( 碗 盤 螺旋小齒輪 螺旋大齒輪 ) 鏈條小齒輪 鏈條 棘輪齒輪 輪圈 如圖 3.8 所示 37

47 輪圈 輪胎 離心式離合器固定減速比齒輪箱碗盤螺旋小齒輪 (13T) 螺旋大齒輪 (40T) 鏈條小齒輪 (12T) 鏈條棘輪齒輪 (40T) 圖 3. 8 引擎傳動系統架構 最終減速比為 : 減速比 = = 10.3 (3.1) 車架 本實驗測試車架系統, 是現有市場所銷售機車, 為 SUZUKI 公司所製造 CHOINORI 50( 蛋車 ) 如圖 3.3 所示 38

48 圖 3. 9 CHOINORI 50 車款 [37] 此車款之規格, 與本研究實驗車有相似規格, 故為本研究所考量運用, 且延 用了該車款的整體車架 底盤 輪胎等等 規格如表 3.3 所示 39

49 表 3. 3 CHOINORI 50 車款規格 引擎 引擎型式 : 四行程 總排氣量 : 49cc 內徑 行程 : mm 壓縮比 : 8.4:1 最大馬力 : 2.0 PS / 5500rpm 最大扭力 : 0.3kgm / 3500rpm 排檔方式 : 自動 點火方式 : CDI 式 缸數及排列 : 單汽缸 起動方式 : 腳踏 / 電動兩用 汽缸活塞類型 : 鑄鐵 供油系統 : 化油器 單缸汽門數 : 雙汽門 使用燃料 : 92 無鉛汽油 冷卻方式 : 氣冷 機油容量 : 0.35L 潤滑方式 : 機油 傳動方式 : 鏈條 定點耗油量 : 75.3 km/l 離合器型式 : 乾式 車體 車體長 : 1,500 mm 車體淨重 : 43 kg 車體寬 : 620 mm 軸距 : 1,055 mm 車體高 : 980 mm 油箱容量 : 3L 輪胎規格及層數 80/ J 座高 : 680 mm 懸吊系統 ( 前 ): 油壓 煞車 : 鼓式煞車 懸吊系統 ( 後 ): 無避震器 最低離地高 : 90 mm 當然在整合架設搭載時, 會動到修改部分車架 但大部分仍然延用原本設計, 才不會有車架結構強度問題 3.2 未完成之次系統 由於本研究開發案主要驗證泛用引擎之應用, 未持續完成整合其他系統, 故缺乏實際部分系統配置, 而這些系統在整合前已有理論分析 討論, 而停留在待 40

50 整合狀況 以下分別說明各系統研發 實驗情形 : 起動馬達 本實驗起動系統, 為原先泛用引擎配有之手拉式起動器改裝 因此, 保有手拉起動及電起動雙重功能 如圖 3.10 所示 手拉式把手 起動馬達本體 圖 起動馬達系統 一般市面上泛用引擎利用在發電機或農用機具上, 並無加裝起動馬達, 主要也因其簡單設計, 無電池供電裝置系統 然而泛用引擎存在著一些缺點 : 冷車起動較困難及冷車狀態時怠速較不穩定, 因此加裝起動馬達有其方便性 本研究更是必要裝置, 以電控方式來控制引擎起動 發電機 由引擎輸出軸加裝發電機裝置, 或加裝皮帶驅動發電機, 甚至由再生煞車將車輛動能轉換成電能回充至電池 發電機大致上與馬達相似, 只是馬達大多是用來當作帶動機車的動力來源, 而發電機則是將引擎的動力轉成電力供給馬達使用或充電至高壓電瓶, 其中發電機運轉時機主要依據電池之充電狀態 (SOC,State Of Charge) 大小, 當電池之 SOC 低於所設定之下限 SOC 限 SOC max min 時, 控制器會啟動發電機對電池充電, 直到 SOC 充至上 時, 發電機運轉的同時引擎將維持在最佳效率區域, 因此發電機功率大 小應配合引擎所設定之最佳效率區域 再生煞車系統 : 利用馬達之發電機模式, 當減速或煞車時, 馬達以發電機模 41

51 式運轉, 將車輛慣性動能轉換成電能, 並將此電能儲存至電池或供給車輛其他系統使用 再則, 本系統為後輪之輪圈馬達, 當引擎帶動後輪軸驅動時, 也等於是轉動著馬達運作 簡單的解釋就是此時的馬達變成發電機在運轉, 可將動能轉換成電能回充至電池, 本系統為理論狀態中, 初步階段未能深入整合到本研究中 控制器 在複合動力系統中, 由於有引擎 馬達及發電機的配置, 因此在系統控制上就顯得格外的重要 控制模組發出命令控制達到精準的馬達與引擎動力調配, 控制引擎在低污染高效率區域下運轉 本系統主要以速度設定值來切換動力輸出方式 藉車速偵測進行切換, 當車速到達所設定車速值時, 自動切換由馬達驅動狀態轉為引擎驅動狀態, 以符合本實驗之要求目的, 低車速時由馬達動力行駛, 高車速由引擎動力行駛 另一狀態為可偵測當電池電壓不足時, 可自動起動引擎, 並切斷供應馬達的電能, 由引擎負責輸出動力 這部分已完成工程驗證, 低電壓偵測自動油 電動力轉換控制系統整合功能測試, 當偵測到馬達驅動電壓不足時 (36V 31V), 可順利自動起動引擎進行動力切換, 並停止馬達驅動電力供應, 可達到設計要求 3.3 複合動力機車機車作動作動控制 當車輛在低負荷之起步或低速行駛時, 引擎效率不佳,HEM 由電池供給馬達電力產生動力來驅動車輛前進 若無特殊狀況, 此時引擎為停止狀態, 可節省燃油消耗 若起步或低速行駛動力要求大於馬達所能負荷時 ( 一般行駛動力需求門檻值 ), 會直接將引擎起動, 同時使用引擎及馬達行駛, 動力流向如圖 3.11 所示 42

52 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 低負荷狀態之動力流向 一般行駛時則以引擎為主, 引擎將維持在高效率區域運轉, 因此耗油率及排污都能獲得較大之改善, 如圖 3.12 所示 當充電模式啟動之狀態, 如遇駕駛者需要較大之動力, 則引擎仍維持在高效率區域, 由發電機直接供電給輪圈馬達, 輔助車輛前進, 如圖 3.13 所示 若仍無法滿足駕駛者需求, 則關閉充電模式, 控制器將切換至下一組行駛模式 43

53 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 一般行駛狀態之動力流向 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 一般行駛狀態 + 充電模式之動力流向 44

54 當行駛所需動力增加時, 引擎仍維持在高效率區域運轉, 由電池供給電能至輪圈馬達來輔助引擎驅動車輛, 如圖 3.14 所示, 若遇重負荷行駛狀態時, 引擎將不會限制於高效率區域, 而是以最大動力輸出為主要目的, 以滿足駕駛者之行駛需求 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 重負荷行駛狀態之動力流向 而當 HEM 於減速或煞車時, 再生煞車系統啟動, 車輛馬達轉變為發電機模 式, 將車輛部份動能轉換成電能儲存於電池, 如圖 3.15 所示 45

55 機械能源電力能源再生煞車 泛用型引擎 發電機 電瓶 離心式離合器 固定減速比齒輪箱 鏈條 最終傳動 前輪後輪 ( 輪圈馬達 ) 圖 減速或煞車狀態之動力流向 46

56 第四章測試結果與討論 4.1 整車實際測試規劃 以本實驗整車系統於實際地平面測試, 由於本實驗車非法定合格之道路行駛車輛, 因此本測試需要於一空地或偏僻區域進行 所以於鄉間河堤旁上進行直線相關測試, 此路線為 3 公尺寬路面, 選擇無上下坡及無任何障礙物路段進行 而耗油性及續航力測試, 所選擇路段亦為鄉間道路約 3 公尺寬路面進行, 也無上下坡及無任何障礙物路段進行測試, 如圖 4.1 所示 圖 4. 1 實際地平面測試照 混合行駛狀態主要以速度設定值來切換動力輸出方式 藉車速偵測方式進行切換, 當車速到達所設定車速值時 ( 本實驗設定為 20 km/hr), 切換由馬達驅動狀態轉為引擎驅動狀態, 以符合本實驗之要求目的, 低車速時由馬達動力系統行駛, 高車速由引擎動力系統行駛 速度測定以本實驗車配有車速儀錶來測量, 如圖 4.2 所示 47

57 圖 4. 2 車速儀錶板 本實驗在時間計時則以碼錶測量, 碼錶如圖 4.3 所示 圖 4. 3 碼錶 4.2 測試結果 本測試項目主要以距離測試時間, 測試系統可區分為三種 : 獨立馬達系統 獨立引擎系統及兩系統混合之動力系統 最高速率測試 本項測試區分為 : 獨立馬達系統測試及獨立引擎系統測試 獨立馬達系統 48

58 最高速率測試, 為單獨由馬達供應動力, 加速到速率錶不再有提升時記錄該數值 獨立引擎系統測試時, 由於起步無扭力因素, 需由馬達進行協助輔助至 20 km/hr, 之後讓馬達處於不供應任何動力下, 將引擎油門加速到極限, 直到速率不再提升時記錄 此系統測試程序與混合之動力測試在本研究設定上是相同的, 當低速時由馬達提供動力, 高速時由引擎提供動力, 因此兩系統混合之動力系統測試並無進行本項測試 最高速率測試結果如表 4.1 所示 表 4. 1 最高速率測試結果 馬達 引擎 最高速率 (km/hr) 在單獨馬達系統測試項目, 當馬達測試到達最高速率 20 km/hr 時, 此時以電流夾測得電池輸出電流約為 12 A 輪圈馬達低速反應快, 低轉速有高扭力, 能很快的達到單獨馬達的最高速率 20 km/hr 在混合之動力最高速率測試, 低速時由輪圈馬達驅動, 高速轉換為引擎驅動, 因此最高速率全由引擎所提供驅動 高速時應切斷馬達動力系統之驅動, 否則有明顯的引擎拖拉馬達行駛現象, 將使車輛無法達到最高速率行駛, 主要原因是馬達運轉速度比引擎帶動的速度還慢, 以致這時馬達對引擎來說是一種阻力 然而, 此現象爾後將可進一步去做研究驗證, 此時的馬達是以發電機模式運轉 當引擎運轉達到駕駛者的要求時, 多餘的動力可將馬達系統轉換成發電機模式, 對電池充電 加速性測試 加速性測試 : 係停止狀態之車輛自由使用變速與加速裝置驟然加速 測試形式有二種, 一種為靜止加速至 200 公尺及 400 公尺所需時間, 另一種為車速由 0 km/hr 加速至 40 km/hr 所需之時間 然而, 獨立引擎測試是不適用於此項測試, 因為引擎起步無扭力的原因, 無法去測得該項記錄 而車速由 0 km/hr 加速至 40 km/hr 所需之時間測試, 在獨立馬達系統測試也是不適用的項目, 因獨立馬達所能達到的最高速率只能到 20 km/hr, 所以是無法加速到 40 km/hr 測定 故只進行測 49

59 試獨立馬達車速由 0 km/hr 加速至 20 km/hr 所需之時間測試 加速性測試結果如表 4.2 所示 表 4. 2 加速性測試結果 馬達 (sec) 混合 (sec) 0 ~ 200 公尺 ~ 400 公尺 ~ 20 km/hr ~ 40 km/hr NA 22.1 由表 4.2 可看出, 輪圈馬達反應快, 可在低轉速時提供較大之啟動扭力, 使得低速之加速性有不錯的表現 而高轉速時, 獨立輪圈馬達因額定功率限制, 無法再提升車輛速度, 只能以馬達最高速率行駛 而混合之動力系統, 低速有輪圈馬達的低轉速高扭力及高速有引擎的高轉速高扭力的兩系統優點結合下, 加速性有不錯的改善 超越性測試 本項測試為混合之系統測試, 測試針對車速由 20 km/hr 加速至 30 km/hr 所需之時間 超越性測試結果如表 4.3 所示 表 4. 3 超越性測試結果 混合 (sec) 20~30 km/hr 11.7 測試由表 4.3 可看出, 低轉速輪圈馬達提供驅動之後, 中高轉速切換為引擎驅動 而低轉速雖有反應佳的馬達系統驅動, 但中高速切換由高轉速高扭力的引擎系統接續驅動, 如接續時引擎系統扭力輸出非有足夠的扭力驅動, 超越性能將不理想 與表 4.2 加速性結果比較, 雖然 7.8 秒便能讓車速到達 20 km/hr, 50

60 但後續需要再經過 11.7 秒才能讓車速達到 30 km/hr, 切換動力平順性與驅動力 連續性可由此看出 引擎油耗油耗測試 引擎油耗測試以定距離測試所消耗的燃料量, 以距離 10 公里做 30 km/hr 定速測試 先以馬達系統輔助到定速後, 再切斷馬達系統的動力供應, 轉由單獨引擎系統輸出動力, 繼續行駛於定速下, 才開始測試 10 公里所消耗的油量 引擎油耗測試結果如表 4.4 所示 本項測試為純引擎驅動定速測試, 輪圈馬達在 20 km/hr 以上是不提供任何的動力驅動 表 4. 4 引擎油耗測試結果 單獨引擎系統 燃料消耗量 (g) 經濟性 (km/l) 耗油率 (g/km) 10 公里 30 km/hr 定速 本實驗車重量為 kg, 駕駛人體重為 70.0 kg, 總重量為 kg 因 此單位重量之耗油率如表 4.5 所示 表 4. 5 單位重量之耗油率結果 耗油率 (g/km) (1) 總重量 (kg) (2) 單位重量之耗油率 (g/km-kg) (1)/(2) 30 km/hr 定速 由表 4.4 與 4.5 可看出, 引擎驅動耗油情形, 以定速 30 km/hr 來做測試分析, 對此款泛用小引擎而言是處於高轉速狀態 主要因引擎動力傳動系統為固定減速比的情形下, 車速需求為 30 km/hr, 引擎相對要輸出足夠轉速達到車速要求 因此高轉速狀態下, 油耗相對會提升 讓引擎適時的處於高效率區域運轉, 才 51

61 能有效的降低耗油率 根據引擎性能曲線圖, 此效率區應該在引擎轉速為 4000 rpm 時 馬達續航力續航力測試 馬達續航力測試以本實驗車所使用之 3 顆鎳氫電池於飽和狀態下測試距離, 速率約 18 km/hr, 於平面道路測試, 無上下坡及無任何障礙物, 馬達續航力測試結果如表 4.6 所示 表 4. 6 馬達續航力測試結果 單獨馬達系統 電瓶飽和狀態 約 65 公里 輪圈馬達為直接驅動車輪前進, 大幅減少機械傳動之損失, 並有效提升複合 動力車之驅動力 爬坡測試 爬坡測試於混合動力系統之狀態下, 測試行駛約 8 坡, 車速約 12 km/hr, 此時以電流夾測得電池輸出電流達到約 40 A 本項測試場地為橋墩坡道, 坡度約 8, 坡度量測儀測試情形如圖 4.4 所示 因輪圈馬達低速高扭力, 能很輕易行駛此坡道, 坡道測試場地照如圖 4.5 所示 52

62 圖 4. 4 坡度量測儀 圖 4. 5 坡道測試場地照 53

63 4.3 分析與討論 整體測試可看出引擎傳動系統利用固定減速比齒輪, 將產生切換動力平順性與驅動力連續性的不理想問題 泛用引擎有高轉速高扭力的特性, 如果使用固定減速比齒輪將無法適時的改變驅動扭力 一般車輛由於引擎的輸出特性無法滿足車輛運轉的需求, 而要有變速箱, 亦即傳動系統, 將引擎輸出的扭力和轉速轉變成車輛輪子所要的扭力和轉速 傳動系統設計主要為考慮車輛性能及耗能之搭配 複合動力車之傳動系統隨動力系統配置之不同而有相當之差異 串聯式複合動力車輛的動力完全來自馬達, 馬達輸出的扭力和轉速是可以控制的, 所以不必離合器, 只需一組齒輪, 亦即單段減速即可, 不必像一般車輛的複雜傳動系統 因引擎轉速與車輛速度互相獨立, 此時引擎可獨立運轉在最有效率之操作點 因此欲獲得較高傳動效率前提下往往馬達只藉單段減速比來驅動車輪, 但單段減速比時馬達無法完全操作在較佳效率因此會增加馬達之損失 若是並聯配置則馬達與引擎動力皆直接機械驅動車輪, 此時馬達與引擎轉速皆與車輛速度有直接關連, 因此並聯配置之傳動系統構造會較傳統車輛複雜, 但也因為引擎動力直接機械驅動車輪, 因此較串聯配置可獲得較佳之效率 並聯配置時馬達與引擎動力可分別獨立輸出至驅動軸, 亦或共同經由同一輸出軸再輸出至驅動軸 當馬達與引擎動力分別獨立輸出至驅動軸時, 傳動系統則包括兩組動力輸出軸, 其中引擎可維持原傳統引擎之變速機構, 馬達則以另一輸出軸傳輸動力至驅動軸 若是經由同一輸出軸再輸出至驅動軸時, 馬達與引擎輸出軸並排 (Parallel Axle) 時馬達與引擎之間須藉傳動藕合介面 (Coupling Interface) 來聯接此兩種動力源, 若是馬達與引擎輸出軸同軸時引擎輸出軸可藉行星齒輪 (Planetary Gear) 傳遞與分配動力至驅動輪與發電機 複合電動車的傳動系統必須具備一般車輛傳動系統的功能, 讓駕駛者開車的感覺與一般車輛無異, 如同一般車輛有倒檔 停車 空檔 行駛等檔位 傳動系統的另一個重要課題是要將各個機械與電力元件作最佳的組合, 發揮最大的效率 並且利用電動機的特性, 亦即馬達可以將電池的電能轉換成機械能, 也可以將機械能轉換成電能儲存到電池裡, 進行煞車能量回收 串聯式複合電動車不必離合器, 只需一組最終減速比, 但是如果只用一個減速比, 在爬坡或加速時, 會造成馬達尖峰電流太高, 使得馬達太大且太重, 以及 54

64 效率太低 為了改善這個問題, 有人設計兩速自排系統, 低速齒輪作為車輛低速高扭力 ( 爬坡或加速 ) 之用, 高速齒輪作為車輛定速行駛及一般行駛之用 並聯式複合電動車傳動系統除了使用傳統 CVT 變速箱, 也可以使用專為並聯式複合電動車設計的行星齒輪系, 引擎的輸出動力被行星齒輪系分成兩部份, 一者送到發電機去發電, 一者送到車輛輪子去驅動車子 簡單的概念是引擎在省油區運轉, 所發出來的動力若超過車輛所需要的, 就用來發電, 給電池充電 ; 引擎發出來的動力若不足車輛所需要的, 就由電池放電給馬達, 補充動力 Toyota 使用的行星齒輪系, 行星齒輪架 (Planetary Carrier) 接引擎軸, 太陽齒輪 (Sun Gear) 接發電機, 外環齒輪 (Ring Gear) 接輸出軸, 連到馬達和車輪 [38] 然而, 本實驗初期著重於泛用引擎及降低成本的前提下 未採用專為並聯式複合電動車設計的行星齒輪系統 ; 也未使用廣泛地利用於機車的傳動系統, 有著換檔平順 構造簡單 容易操作 驅動力連續等優點的無段變速系統 (CVT) 離心式離合器配合了固定齒輪比系統輸出, 將無法改變減速比, 機械傳動的能量損失及低轉速無扭力的狀態, 還有引擎未處於高效率運轉區域有耗油情況, 都是存在於本實驗車上 如何改善引擎傳動系統及維持製造的低成本, 是本研究日後所需要去驗證 改善 55

65 第五章結論與未來展望 5.1 結論 本研究利用 49cc 四行程泛用引擎搭配 500W/36V 直驅式輪圈馬達應用於複合動力機車上, 有低成本及不必大幅改變機車整體的結構優點, 建立了油電兩系統的複合動力機車 應用了電動馬達低速性能佳, 配合泛用引擎高轉速高扭力的輸出特性 : 低轉速時, 由電動馬達動力輸出 ; 高轉速時, 由引擎動力輸出 ; 重負荷時, 雙動力系統輸出 在實際測試結果後, 也能顯示出其優點 特性 低速時藉由輪圈馬達有著反應快, 可迅速提供極佳啟動扭力, 使得低速性能有很好的表現 高速時則由於高轉速高扭力泛用引擎的特性, 也能輸出足以驅動機車前進的動力 其結合了引擎與電動馬達之優點, 可有效的改善燃油效率及降低排氣污染 複合動力系統是運用內燃機引擎結合電動動力系統, 除內燃機引擎外尚須包含電動馬達 電池及控制系統等 而泛用引擎在製造上有低成本優點, 如複合動力系統之內燃機引擎是應用泛用引擎, 且能匹配適合的系統設計, 將有效降低複合動力機車的製造成本 5.2 未來展望 未來將可針對幾方面做更深入之探討 : 1. 選配更適合之輪圈馬達一般複合動力車輛在動力系統匹配上, 馬達功率的大小主要取決於內燃機引擎效率的範圍, 當引擎高效率範圍增大時, 即可搭配較小功率數之馬達與電瓶, 進而降低複合動力車輛之重量與成本 泛用引擎為高轉速高扭力之特性, 所以高效率範圍將仰賴於馬達的協助, 以解決可能發生動力輸出或銜接不平順, 導致騎乘感不順暢, 且油耗及排污亦無法達到理想之目標, 未來可針對此高效率區域 馬達與發電機功率採用最佳化設計 2. 引擎傳動系統搭配無段變速系統 (CVT) 56

66 本研究在引擎傳動系統所使用為固定減速比齒輪, 無法改變減速比, 使得引擎扭力輸出不理想 而 CVT 系統, 當車速較低時,CVT 可以盡量維持在較大的減速比範圍 ; 若車速較高時, 則維持在較低的減速比, 因此最大減速比所產生之最大驅動力連續變化至最小減速比的極速, 使引擎扭力輸出可以形成單一平順曲線, 有助於本研究動力輸出或銜接不平順的改善 3. 可利用模擬軟體分析可利用模擬軟體之基本模型架構, 參考各作用元件之效率內建表 (Table) 及經驗公式建立並聯式複合動力機車整車模型, 探討利用泛用引擎之複合動力系統, 使得實際整合更完善 4. 充電系統之整合本研究未整合完成充電系統, 充電系統的完善, 將可提升續航力 未來更可針對再生煞車系統回收能源做進一步的研究 5. 引擎排氣污染分析本研究主要針對泛用引擎應用於複合動力的工程驗證, 而未深入探討排污問題 未來應深入探討排污問題, 進而降低汽油引擎油耗污染問題 57

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