淺談油電混和動力車之應用與發展

淺 談 油 電 混 合 動 力 車 之 應 用 與 發 展 * 陳 文 慶 ** 莊 易 燁 * 高 雄 師 範 大 學 工 業 科 技 教 育 系 博 士 生 ** 國 立 旗 山 農 工 汽 車 科 教 師 壹 前 言 早 在 1995 年 前 科 學 家 舉 出 許 多 科 學 證 據, 並 在 跨 政 府 氣 候 變 遷 委 員 會 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 中 指 出 人 類 的 相 關 科 學 活 動 會 影 響 全 球 氣 候 (Alley et al.,2007) 然 而, 隨 著 時 代 的 進 步, 汽 車 科 技 發 展, 日 新 月 異 ; 但 是 面 對 能 源 日 漸 短 缺 環 境 日 益 惡 化, 各 先 進 國 家 都 積 極 的 在 尋 找 替 代 能 源 自 從 京 都 議 定 書 於 2005 年 2 月 16 號 正 式 生 效 後, 此 項 國 際 貿 易 制 裁 壓 力 的 世 界 公 約, 將 對 台 灣 形 成 一 定 的 壓 力 尋 找 乾 靜 的 能 源 以 減 少 油 耗 及 空 氣 污 染 是 必 然 的 趨 勢 ; 燃 料 電 池 汽 車 的 研 發, 以 目 前 的 製 造 成 本 又 太 昂 貴, 要 商 業 化 販 售, 可 能 還 需 要 一 段 時 間 ( 陳 長 振 陳 文 慶,2005); 在 此 過 渡 時 期, 油 電 混 合 動 力 車 便 因 應 而 生 至 目 前 為 止, 油 電 混 合 動 力 車 發 展 及 商 業 化 以 豐 田 汽 車 (Toyota Motor) 為 首 要 代 表 ; 根 據 World The Mainichi Daily News 報 導 : 未 來 豐 田 汽 車 將 全 部 採 用 油 電 混 合 動 力 車, 目 前 為 止,Prius 混 合 動 力 車 全 球 累 計 銷 售 量 已 達 200 萬 台 (Jess Banaga,2009) 此 外 FORD Escape Hybrid 亦 已 引 進 台 灣, 德 國 高 級 房 車 製 造 商 賓 士 也 已 於 2008 年 推 出 油 電 混 合 動 力 車, 並 以 率 先 裝 置 在 S 系 列 房 車 德 國 的 油 電 混 合 動 力 技 術 明 顯 落 後 於 日 本, 德 國 汽 車 業 因 而 下 定 決 心 急 起 直 追, 除 研 發 油 電 混 合 動 力 車 技 術 外, 甚 至 電 動 車 也 在 計 畫 內 貳 油 電 混 合 動 力 車 概 述 一 油 電 混 合 車 之 特 色 將 兩 種 或 兩 種 以 上 不 同 特 性 的 動 力 源 結 合 在 一 起 使 用 所 構 成 的 系 統 叫 做 混 10

合 動 力 系 統 (Hybrid system) 採 用 混 合 動 力 系 統 做 為 動 力 的 車 子 稱 為 混 合 動 力 車 ( 林 振 江 施 保 重,2008) 通 常 在 車 子 上 使 用 的 混 合 動 力 系 統 指 的 是 結 合 使 用 燃 油 的 內 燃 機, 如 汽 油 柴 油 CNG 等 引 擎, 和 使 用 電 瓶 電 力 的 電 動 馬 達 (DC AC) 兩 種 動 力 源 的 系 統 表 一 混 合 動 力 車 特 色 分 析 表 混 合 動 力 車 的 優 點 1. 混 合 動 力 沒 有 續 航 力 不 足 問 題 2. 有 效 節 省 燃 料 消 耗, 減 低 空 氣 污 染 3. 無 充 電 耗 時 及 充 電 設 備 不 足 的 問 題 4. 減 速 時 可 回 收 的 能 源 提 高 續 航 力 混 合 動 力 車 的 缺 點 1. 混 合 動 力 系 統 構 成 複 雜, 維 修 困 難. 2. 價 格 較 汽 油 車 昂 貴. 3. 相 較 於 電 動 車, 仍 有 廢 氣 排 放 的 問 題 5. 有 暫 停 引 擎 怠 速 運 轉 的 功 能 二 油 電 混 合 車 的 基 本 運 作 原 理 ( 一 ) 車 輛 起 步 與 中 低 速 駕 駛 時 : 在 車 輛 起 步 中 低 速 駕 駛 ( 如 市 區 內 連 續 的 煞 車 減 速 停 車 再 起 步, 低 速 前 進 ), 皆 可 利 用 hybrid 電 池 的 電 力, 而 非 全 部 使 用 燃 油, 如 此 能 大 幅 減 少 所 耗 用 的 燃 料, 同 時 也 減 少 廢 氣 的 排 放 ( 二 ) 減 速 時 : 減 速 時 可 帶 動 減 速 齒 輪 提 供 額 外 的 引 擎 煞 車 能 力, 同 時 能 夠 帶 動 發 電 馬 達 來 進 行 hybrid 電 池 充 電 的 動 作, 如 此 可 減 少 煞 車 的 損 耗, 也 可 以 在 車 輛 移 動 時 的 動 能 能 源 保 留 下 來 ( 三 ) 上 坡 或 全 速 行 駛 時 : 上 坡 與 全 速 行 駛 的 過 程 中, 可 透 過 油 電 混 合 車 電 池 與 電 動 馬 達 提 供 的 動 力, 能 為 上 坡 與 全 速 行 駛 提 供 額 外 的 省 油 效 能 三 油 電 混 合 車 之 基 本 架 構 ( 一 ) 油 電 混 合 車 電 池 (hybrid 電 池 ): 油 電 混 合 車 使 用 的 是 大 功 率 輸 出 鎳 氫 化 物 (Ni-Mh) 電 池, 除 了 具 輕 量 化 及 小 體 積 的 設 計 和 長 效 使 用, 可 長 時 間 使 用 而 不 需 替 換, 充 電 18 分 鐘 可 恢 復 40%~80% 的 容 量, 循 環 壽 命 可 達 6000 次 或 7 年, 油 電 混 合 車 在 行 駛 中 會 一 直 監 測 電 池 並 維 持 在 穩 定 的 儲 電 量, 以 避 免 電 池 放 充 電, 可 維 持 及 增 長 電 池 的 使 用 壽 命, 但 其 成 本 較 高 ( 二 ) 引 擎 : 高 壓 縮 比 爆 發 力 大 的 燃 燒 室 設 計, 及 可 變 進 氣 門 (VVT-i) 的 應 11

用, 根 據 行 車 條 件 調 整 進 氣 閥 間 隙 時 間, 提 高 燃 燒 效 率, 改 善 引 擎 的 動 力 輸 出 ( 三 ) 電 動 馬 達 (Electric Motor): 油 電 混 合 車 裝 置 了 輕 量 化 的 同 步 AC 電 動 馬 達, 能 在 不 同 的 轉 速 範 圍 下 有 效 率 產 生 高 扭 力, 使 得 車 輛 有 更 平 順 的 起 步 及 更 強 大 加 速 力, 同 時 也 要 求 有 高 轉 速 (8000~12000 rpm/min) 高 效 率 質 量 輕 體 積 小 低 損 秏 可 靠 性 佳 ( 四 ) 電 力 控 制 系 統 : 油 電 混 合 車 配 備 了 一 具 電 力 控 制 模 組 (power control unit) 的 功 率 控 制 設 備, 包 含 逆 變 器 (inverter) 電 壓 增 壓 電 路 (voltage-boosting converter) 和 電 源 模 組 (AC-DC 轉 換 器 ) 逆 變 器 (inverter) 可 把 電 池 的 直 流 電 (DC) 轉 換 成 交 流 電 (AC) 供 電 動 馬 達 及 發 電 機 使 用 ; 相 反 地, 它 亦 同 時 把 電 動 馬 達 和 發 電 機 協 同 產 生 的 交 流 電, 轉 換 成 直 流 電 供 hybrid 電 池 充 電 之 用 電 壓 增 壓 電 路 把 電 源 電 壓 提 高, 以 滿 足 發 動 電 動 馬 達 和 發 電 機 的 需 要 電 源 模 組 可 把 電 池 供 應 的 高 壓 電 降 低 至 12V, 以 供 車 輛 輔 助 系 統 和 其 他 備 使 用 四 油 電 混 合 汽 車 的 運 轉 動 作 模 式 ( 一 ) 發 動 及 停 止 模 式 : 油 電 混 合 車 具 有 引 擎 自 動 啟 閉 裝 置, 當 徐 徐 啟 動 車 輛 時, 汽 油 引 擎 會 先 熄 火 以 節 省 油 耗, 此 時 車 子 會 先 維 持 純 電 力 模 式 啟 動, 但 是 當 您 再 加 速 時 不 需 要 再 次 重 新 啟 動 引 擎 ( 二 ) 駕 駛 模 式 : 油 電 混 合 車 可 以 單 獨 使 用 純 電 力 行 駛, 並 可 在 只 有 純 電 力 的 模 式 下 達 到 時 速 四 十 公 里, 當 需 要 再 加 速 時, 汽 油 引 擎 動 力 會 被 加 入 以 提 供 其 加 速 性 能, 能 完 美 且 平 順 地 在 電 力 與 汽 油 動 力 間 進 行 切 換 ( 三 ) 馬 達 輔 助 模 式 : 欲 高 速 超 車 時, 電 力 馬 達 加 入 輔 助, 油 電 混 合 車 的 加 速 性 能 不 會 因 油 耗 與 低 污 染 而 有 所 折 損, 所 以 超 車 需 要 額 外 動 力 時, 電 力 馬 達 的 動 力 會 自 動 加 入, 爾 後 再 回 復 至 汽 油 引 擎 模 式 驅 動, 如 圖 一 所 示 12

圖 一 馬 達 輔 助 模 式 (http://car.ssvs.tn.edu.tw/course3.html) ( 四 ) 能 量 回 收 模 式 : 煞 車 時 車 輛 自 動 回 收 能 量, 油 電 混 合 車 採 用 能 源 回 收 理 念, 當 減 速 時, 電 力 馬 達 能 自 動 回 收 通 常 會 被 浪 費 掉 的 能 量 ; 當 煞 車 系 統 啟 動 時, 電 力 馬 達 會 自 動 將 車 輛 動 能 轉 化 為 電 能, 這 股 能 量 會 從 電 力 馬 達 儲 存 到 電 瓶 中, 以 供 需 要 時 使 用, 如 圖 二 所 示 圖 二 能 量 回 收 模 式 (http://car.ssvs.tn.edu.tw/course3.html) 五 油 電 混 合 車 種 類 混 合 動 力 車 (hybrid electric vehicle,hev) 指 的 是 利 用 兩 種 不 同 的 動 力 來 驅 動 車 輛, 通 常 其 中 一 種 動 力 為 電 動 馬 達, 另 一 種 則 視 各 車 廠 而 有 所 不 13

同, 大 致 上 為 汽 油 引 擎 柴 油 引 擎 燃 氣 渦 輪 機 燃 料 電 池 乙 醇 引 擎 與 氫 引 擎 等 目 前 已 經 實 用 化 的 HEV 系 統 包 括 : 串 聯 式 (series hybrid) 並 聯 式 (parallel hybrid) THS(Toyota hybrid system) 豐 田 所 研 發 的 混 合 動 力 系 統 等 ( 一 ) 串 聯 式 混 合 動 力 系 統 (series hybrid electric vehicle,shev) 引 擎 直 接 帶 動 發 電 機 以 進 行 高 效 能 發 電, 其 電 能 通 過 轉 換 器 直 接 輸 送 到 電 動 機 ( 馬 達 ), 再 由 馬 達 單 獨 驅 動 車 輛, 引 擎 在 相 對 穩 定 的 狀 態 下 工 作 其 優 點 為 結 構 簡 單 控 制 較 容 易, 缺 點 為 馬 達 的 負 載 較 大, 體 積 重 量 也 相 對 增 加, 較 適 合 大 型 車 輛 使 用, 如 圖 三 所 示 作 用 原 理 是 電 瓶 主 要 實 際 上 是 平 衡 引 擎 輸 出 功 率 和 電 動 機 輸 入 功 率 當 發 電 機 的 發 電 功 率 大 於 電 動 機 所 需 的 功 率 時 ( 例 如 : 減 速 滑 行 低 速 行 駛 短 時 停 車 時 ), 轉 換 器 或 逆 變 器 (inverter) 控 制 發 電 機 向 電 瓶 充 電 ; 當 發 電 機 發 出 的 功 率 低 於 電 動 機 所 需 的 功 率 時 ( 例 如 : 起 步 加 速 高 速 行 駛 爬 坡 重 負 載 時 ), 電 瓶 則 向 電 動 機 提 供 額 外 的 電 能, 換 言 之, 內 燃 機 並 沒 有 直 接 推 動 車 輪, 只 是 當 作 裝 在 車 上 的 發 動 機, 用 來 提 供 動 力 發 電, 這 種 配 置 稱 為 串 聯 式 混 合 動 力 系 統, 很 類 似 電 動 車, 只 是 隨 車 多 帶 了 一 個 汽 油 發 電 機, 因 此 不 必 插 電 此 車 輛 的 優 點 是 引 擎 不 受 汽 車 行 駛 的 影 嚮, 可 使 汽 車 的 油 秏 和 污 染 可 降 低, 甚 至 於 市 區 只 利 用 電 瓶 進 行 功 率 的 傳 輸, 達 到 零 污 染 的 排 放 ; 但 其 缺 點 是 完 全 依 靠 電 瓶, 對 電 瓶 的 要 求 較 高, 相 對 電 池 的 體 積 重 量 成 本 相 對 較 高 14

圖 三 串 聯 式 混 合 動 力 系 統 ( 二 ) 並 聯 式 混 合 動 力 系 統 (parallel series hybrid electric vehicle,pshev) 並 聯 式 混 合 動 力 系 統, 是 由 內 燃 機 直 接 提 供 動 力, 推 動 車 輪 電 動 機 通 常 只 作 為 車 輛 起 動 時 的 輔 助 系 統, 或 是 在 需 要 大 推 力 的 時 候 出 力 ; 和 在 剎 車 時 提 供 發 電 機 對 電 池 充 電, 將 動 能 轉 成 為 電 能 儲 起 來, 如 圖 四 所 示 並 聯 式 混 合 動 力 系 統 是 將 引 擎 的 驅 動 力 做 分 配, 可 直 接 驅 動 車 輛 及 經 過 發 電 以 電 能 形 式 驅 動 馬 達 再 驅 動 車 輛, 依 據 不 同 的 行 車 狀 況, 做 最 佳 組 合 來 使 車 輛 行 駛 此 式 內 燃 機 通 過 傳 動 機 構 直 接 驅 動 汽 車, 其 燃 油 能 量 利 用 相 對 較 高, 但 其 傳 動 機 構 變 速 裝 置 較 為 複 雜, 電 瓶 僅 是 串 聯 是 的 1/3, 缺 點 是 排 放 污 染 較 大 15

圖 四 並 聯 式 混 合 動 力 系 統 ( 三 ) 串 並 聯 混 合 動 力 系 統 (parallel hybrid electric vehicle,phev) 串 並 聯 混 合 動 力 系 統 屬 於 全 面 混 合 動 力 (full hybrid) 或 稱 強 混 合 動 力 (strong hybrid), 可 以 只 使 用 內 燃 機 或 電 池 及 電 動 機 推 動 ; 亦 可 二 者 同 時 使 用 1997 年 12 月 豐 田 所 生 產 的 Prius, 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 依 車 輛 需 要 時, 可 以 關 閉 內 燃 機 或 電 動 機 動 力 源, 以 減 少 汽 油 消 耗 而 同 時 提 供 大 推 力, 這 使 得 汽 車 運 行 可 以 是 電 動 馬 達 獨 立 提 供 動 力 ( 串 聯 式 混 合 動 力 系 統 ), 也 可 以 是 汽 油 發 動 機 獨 立 提 供 動 力, 或 者 兩 者 同 時 提 供 動 力 ( 並 聯 式 混 合 動 力 系 統 ), 這 種 分 離 動 力 設 備 使 車 輛 可 採 用 串 並 聯 混 合 動 力 系 統 運 轉, 如 圖 五 所 示 全 面 混 合 動 力 系 統 的 控 制 原 則 是, 在 汽 車 低 速 行 駛 時, 驅 動 主 要 以 串 聯 式 動 力 系 統 工 作 ; 當 汽 車 高 速 穩 行 駛 時, 則 以 並 聯 式 動 力 系 統 工 作 方 式 為 主 可 充 分 發 揮 兩 者 的 優 點, 更 容 易 實 現 排 放 和 油 秏 的 控 制 目 標, 也 同 時 能 夠 有 效 彌 補 串 聯 式 和 並 聯 式 的 缺 點 ( 陳 文 慶 等,2008) 16

圖 五 豐 田 混 合 動 力 系 統 參 未 來 汽 車 發 展 趨 勢 雖 然 現 在 已 有 幾 款 使 用 潔 淨 能 源 的 未 來 車, 看 似 能 夠 取 代 汽 油 引 擎 和 柴 油 引 擎 的 地 位 但 是 深 入 探 討 相 關 的 加 油 站 設 施 維 修 保 養 售 後 服 務 配 套 車 輛 的 生 產 成 本 巡 航 距 離 及 使 用 方 便 性 等 問 題, 相 較 於 傳 統 的 汽 油 引 擎, 競 爭 力 差 了 太 多, 無 法 引 起 消 費 者 的 興 趣 其 中 只 有 混 合 動 力 車 具 有 若 干 優 勢, 可 能 成 為 下 一 波 的 主 流 運 輸 工 具 雖 然 混 合 動 力 車 的 造 價 比 傳 統 的 汽 油 昂 貴, 但 是 所 省 下 來 的 燃 油 可 大 幅 降 低 行 車 成 本 使 用 上 的 方 便 性 與 傳 統 汽 車 相 當, 整 合 了 現 有 汽 柴 油 引 擎 的 成 熟 科 技, 再 配 上 日 新 月 異 的 電 腦 控 制 技 術, 是 各 大 廠 主 要 的 發 展 方 向 混 合 動 力 車 在 本 世 紀 的 己 幾 十 年 內 會 與 傳 統 汽 車 引 擎 共 存, 並 且 快 速 的 發 展, 應 該 成 為 主 流 的 車 種 之 一, 取 代 了 傳 統 汽 車 引 擎, 並 將 結 合 燃 料 電 池 車 的 發 展, 達 到 環 保 汽 車 之 終 極 目 標 17

參 考 文 獻 Alley, Richard et al.( 2007). The physical science basis: Summary for policymakers. Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC Secretariat. Jess Banaga.(2009). Toyota Prius 2010 Toyota Prius 3rd Generation July 07th, 2009fromhttp://www.buffetofwisdom.com/2009/07/toyota-prius-2010-toyota-priu s-3rd-generation/ 林 振 江 施 保 重 (2008) 混 合 動 力 車 的 理 論 與 實 際 台 北 : 全 華 圖 書 陳 長 振 陳 文 慶 (2005) 燃 料 電 池 在 汽 車 上 的 運 用 生 活 科 技 教 育 月 刊 36(6), 頁 73 陳 文 慶 高 敏 聰 吳 心 穎 (2009) 動 力 機 械 概 論 II 台 南 : 復 文 書 局 陳 文 慶 高 敏 聰 李 文 祥 (2009) 動 力 機 械 概 論 I 台 南 : 復 文 書 局 18